PLC-变频器在起重机电控系统中的应用

引言

　　起重行业采用PLC-变频器调速在近几年逐渐得到推广和普及，尤其在大型起重设备上，用PLC程序控制取代传统的继电-接触器控制;用变频调速取代绕线电机转子串电阻调速;用变频电动机或异步电动机取代绕线电机，再配合先进的现场总线技术和人机界面系统，提高了设备控制精度和稳定性，降低了故障率，且节能效果显著，易于检修维护，成为提高企业生产效率的好途径。
 

　　控制方案

　　某重型机械制造大件分厂，承担着所有大件设备装配、定位、对接等任务，对起重机性能要求很高，所用一台QD250/50t桥式起重机采用了siemens S7-400 PLC、ABB变频器、触摸屏等高性能配置，应用了先进的Profibus现场总线技术、带编码器反馈的直接转距控制方式、及先进的人机界面系统。

　　桥式起重机分为主钩、副钩、大车、小车等四部分.因主起升机构在起重机应用上最为典型，控制也最为复杂，故本章以主起升为例详细介绍其控制方式。

　　1、PLC

　　整个系统以S7-400 PLC作为电控核心，主要有电源模块、CPU、输入输出模块及接口模块等组成。输入模块采集由限位开关、热敏电阻、变频器故障反馈等设备的信号状态;接收主令控制器、按钮开关发出的控制指令，集中在CPU中进行运算，并将程序运算结果通过输出模块和Profibus现场总线传送给接触器和变频器等执行设备，从而驱动电动机、液压抱闸、冷却风机等完成各种生产任务。

　　2、Profibus串行通讯现场总线系统

　　Profibus是一种开放式串行通讯标准，该标准可以实现数据在各类自动化元件之间互相交换。在本系统中以S7-400作为主站，以各机构变频器作为从站，通过DP接口模块和RS485屏蔽双绞线进行数据快速实时交换。

　　设置变频器通讯参数：

　　98.02=fieldbus 激活通迅模块

　　51.01= Profibus-DP 选择现场总线类型

　　51.02=3 设置主升变频器站地址

　　51.03=1500 选择通迅传输速率为1.5Mbit/s

　　51.04=PPO4 选择数据传输类型4(6个过程数据为一个标准块)

　　作为主站的PLC中央处理器从从站读取各种输入状态信息，即从变频器读出主升状态字和实际值，包括变频器准备好、上电应答、运行、转矩验证OK、变频器故障、电动机实际转速等信息;并将各种输出信息写入从站，即将控制字和速度给定写入变频器。包括通讯检测位、来自现场总线的PLC系统的Drive on、来自上位系统的启动信号、故障复位信号及实际频率给定等。使复杂的信号转换、监控、反馈过程全部通过Profibus链的数据传输、和CPU的快速集中处理轻松实现。

　　3、先进的人机界面系统

　　TP270触摸屏和PLC之间也采用Profibus总线进行数据传输与交换，实时地显示和监控各机构的运行状态及电压、电流、转矩、速度等运行参数，并能利用自身故障实时诊断系统对故障现象进行判断，记录故障时的各种参数，这样，操作人员和检修人员就可以全面及时地了解系统的状态，并可按提示的故障信息去检查和维修，达到准确、快速排除故障的效果，真正实现了人机智能化。

　　4、变频调速系统

　　1)起升工况及要求

　　起升机构要求较大的调速比和较硬的机械特性，以适应重物的精确吊装要求;要求有大的起动转矩，优异的动态转矩响应能力，以适应负载突变，保证重载二次起升的能力;必须解决好再生制动状态的能量回馈与处理，以缩短减速停车时间;必须解决好溜钩问题。

　　2)变频功能应用

　　根据起升机构特性和技术要求，变频器采用带测速反馈接口的800系列变频器，配合ACC 7.2专用提升软件，形成闭环直接转矩控制，通过预励磁功能和启动转矩设定,使电机启动瞬间力矩最高可达300%,实现了优异的启动特性.内置制动斩波器，外接制动电阻，使制动过程中的产生的再生能量通过制动电阻得到释放，达到快速制动的目的。使用机械制动控制功能，使电机转矩释放和制动器紧密配合，更好地提高了设备的安全性，承受频繁起动冲击的能力及可靠性也大为增加。

　　 3) 参数设置

　　99. 1=ENGLISH 选择语言.

　　99. 2=CRANE 选择起升专用宏.

　　99. 3=YES 复位为工厂设置.

　　99. 4=DTC 选择直接转矩控制.

　　99. 5=380V 设定电机额定电压为380V.

　　99. 6=286A 设定电机额定电流为286A.

　　99. 7=50HZ 设定电机额定频率为50HZ.

　　99. 8=722rpm 设定电机额定转速为722转/分.

　　99. 9=150KW 设定电机额定功率为150KW.

　　99.10=STANDARD 选择标准旋转型电机数据辩识.

　　10.1=DI1 设置数字输入1为制动应答信号.

　　14.1=BRAKE LIFT 设置继电器输出1为机械制动控制.

　　14.2=WATCHDOG-N 设置继电器输出2为看门狗,当发生到通讯故障、制动斩波器故障、CPU阻塞等故障时切断制动器输出并急停.

　　14.3=FAULT 设置继电器输出3为故障输出，当发生过电流、过电压、过力矩、过载、过速度等故障时保护装置动作.

　　20.1= -722rpm 设置最小转速为-722转.

　　20.2=722rpm 设置最大转速为722转.

　　20.6=OFF 关闭直流过电压控制器.

　　21.1=CNST DC MAGN 设置启动特性为恒定励磁模式.

　　21.2=600ms 设置预励磁时间为600ms.

　　27.1=ON 激活制动斩波器的控制.

　　27.2=ON 激活制动电阻器的过载保护功能.

　　30.4= FAULT 选择电机过温时的保护类型为故障跳闸停车.

　　30.10=FAULT 选择电机缺相时的保护类型为故障跳闸停车.

　　30.11= FAULT 选择电机发生接地故障时保护类型为故障跳闸停车.

　　30.12= FAULT 选择现场总线与变频器的通讯异常时的保护类型为故障跳闸停车.

　　50.1=1024 设定编码器每转的脉冲数为1024.

　　50.2=A_-_B_-_ 选择对信号A、 B的所有边沿计数并换算成速度.

　　50.3=FAULT 设定脉冲编码器与编码器接口模块之间,或编码器接口模块与变频器控制板之间检测到通讯故障时的保护类型为故障跳闸停车.

　　50.5=TRUE 选择将编码器模块的实际速度反馈用于速度和转矩控制.

　　61.1=110% 设定当电机速度值超过额定速度的110%时,传动将跳闸并显示过速度故障.

　　62.1=TRUE 选择激活转矩监视功能.

　　64.1=FALSE 选择控制方式为现场总线.

　　65.1= FALSE 选择电机停止后只在65.2的时间内保持励磁.

　　65.2=5s 选择电机停止后电机励磁电流保持on的时间,在此时间内电动机保持励磁并随时准备快速重起.

　　66.1=TRUE 选择转矩验证功能有效.

　　66.3=100% 选择转矩验证有效值.在启动时,只有当电机力矩达到该值并通过验证时才会发出抱闸打开指令.

　　67.1=2S 设定制动施加时间为2S,当停止时电机速度下降到零速值,抱闸开始闭合,在此时间内电机保持力矩,直至抱闸闭合完闭.防止重物下滑溜钩.

　　67.2=2% 设定相对零速值为2%,在当实际速度达到该值以下时,制动器开始闭合.

　　67.09=P67.10 选择启动转矩调用P67.10的值.

　　67.10=100% 设定启动时转矩给定值为100%.

　　69.2=3S 设定上升方向转速从0到100%的加速时间为3S.

　　69.3=3S 设定下降方向转速从0到-100%的加速时间为3S.

　　69.4=2S 设定上升方向转速从100%到0的减速时间为2S.

　　69.5=2S 设定下降方向转速从-100%到0的减速时间为2S.

　　98.1=RTAC-SLOT1 激活与脉冲编码器模块的通讯.4)主要功能介绍

　　转距验证

　　转矩验证用于确认在松开抱闸和开始提升运行之前传动能够产生转矩,抱闸没有打滑.它是将机械抱闸被施加时给一个正的转矩给定(P67.10的值)来完成的.如果转矩验证成功,则表示转矩达到了正确的等级,才能执行启动序列中的下一步骤.当变频器启动信号有效时,转矩验证程序就开始了,完成之后,转矩验证OK被置1,如果在转矩验证期间检测到了任何故障,则转矩验证失败,且传动跳闸停车,并在监控系统中给出故障指示，大大增加了起重机的安全性。

　　机械制动控制

　　变频器内置了制动逻辑控制器,用来控制抱闸接触器的动作.当接收到启动命令时,变频器首先对电动机进行预励磁,然后释放速度和转矩控制器,如果转矩验证OK通过,制动器将抬起,电动机将按照正常的加速时间运行.如果在规定的时间内没有接收到制动应答信号,传动将故障跳闸并指示制动器故障.启动命令撤去之后,传动将按减速时间减速到相对零速,当接到零速信号反馈后,制动抬起命令被关闭,在制动施加时间(即P67.1的值)内传动将保持励磁和转矩输出,直至制动器闭合完毕，有效地预防了溜钩事故的发生。

　　再生能量的处理

　　重载下降时电动机处于再生制动状态，对于再生电能，必须能够妥善处理，以保证能使减速停车时间尽量缩短。通过设置20.6=OFF关闭直流过电压控制器、27.1=ON 激活制动斩波器的控制，设置P69.04、P69.05选择合理的减速时间，当重物下降减速时，所产生的再生电能将通过和逆变管所并联的二极管全波整流后反馈到中间直流电路，这一过程将产生泵升电压，当此电压超过门限值，制动斩波器就会被激活，把多余的电能通过制动电阻快速得到释放，保证了在短时间内快速减速或停车。

　　总结

　　综上所述，该系统PLC程序控制使外部硬接线简单明了，故障率低且易于维护，整个系统电网适应性强，起动转矩和低速转矩高，速度响应快，调速范围宽，各档位速度可任意设置，加减速时间可调，尤其是提升专用软件，使该起重机具备了提升机应用所需的全部控制和安全功能，确保了安全可靠地运行。