西門子PLC和變頻器在鑄造起重機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊清林（濟(jì)南職業(yè)學(xué)院，濟(jì)南市 250103）

西門子PLC和變頻器在鑄造起重機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊清林（濟(jì)南職業(yè)學(xué)院，濟(jì)南市 250103）

采用西門子PLC和變頻器，針對(duì)鑄造起重機(jī)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)存在的問題提出相應(yīng)的解決方案。介紹控制系統(tǒng)的構(gòu)成，提出采用附加力矩控制方法防止起重機(jī)溜鉤，使用雙閉環(huán)PID控制實(shí)現(xiàn)大車位置糾偏，取得了較高的控制精度和穩(wěn)定性，滿足了生產(chǎn)的需要。

PLC；變頻器；起重機(jī)；控制系統(tǒng)

鑄造起重機(jī)是鋼廠冶煉車間以及鑄造車間的主要起重運(yùn)輸設(shè)備，用于冶煉過程中液態(tài)金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)、澆注及兌鐵液等作業(yè)，以其操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、作業(yè)效率高等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。合理的電氣控制系統(tǒng)能有效解決起重機(jī)工作過程中出現(xiàn)的諸如溜鉤、大車剛?cè)嵬任恢闷钸^大等問題，實(shí)現(xiàn)高效、安全作業(yè)。

本文介紹了鑄造起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)組成，在此基礎(chǔ)上針對(duì)傳統(tǒng)起重機(jī)防溜鉤方法存在的缺陷提出了附加力矩控制方法；將PLC與變頻器結(jié)合，采用PID控制解決大車剛?cè)嵬仍陂L距離運(yùn)行時(shí)跑偏的問題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

（1）控制系統(tǒng)硬件

如圖1所示，起重機(jī)的PLC控制網(wǎng)絡(luò)由電氣房控制中心的西門子S7-400系列CPU414-2DP和各控制分站的分布式ET-200M組成。電氣房的所有ET-200M站和司機(jī)室的ET-200M站通過Profibus連接到電氣房控制中心主PLC，交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用西門子6SE70系列變頻器，也通過Profibus連接到主PLC，速度給定值控制字和狀態(tài)字通過數(shù)據(jù)總線Profibus傳輸。其他各控制分站因?yàn)榕c電氣房距離較遠(yuǎn)，為減小通訊干擾先通過光纖連接到電氣房的光電轉(zhuǎn)換模塊OLM，再通過Profibus與電氣房的從站連接。

控制中心主PLC通過I/O模塊與外設(shè)進(jìn)行信號(hào)傳輸。中央機(jī)架有一塊工業(yè)以太網(wǎng)卡用于PLC和監(jiān)控系統(tǒng)CMS之間的通訊，如CMS沒有連接或停止起重機(jī)的操作不會(huì)受到影響。兩臺(tái)西門子工控機(jī)PC677分別安裝在電氣房和司機(jī)室作為CMS顯示，電氣房的工控機(jī)還與無線傳輸模塊連接，將實(shí)時(shí)信息傳輸?shù)焦S的綜合監(jiān)測(cè)中心，便于工廠的信息集成化管理。

司機(jī)室控制分站采集司機(jī)操作臺(tái)的信號(hào)并控制輸出，如開停機(jī)、起升控制、機(jī)構(gòu)行走等。大車剛?cè)嵬瓤刂品终静杉瘎側(cè)嵬葌?cè)的本地操作、限位開關(guān)、夾輪器及夾軌器、電機(jī)溫度等反饋信號(hào)，控制大車啟停、夾輪器和夾軌器開閉、大車液壓站壓力調(diào)節(jié)等。上下小車控制分站采集不同吊鉤的重量傳感器信號(hào)，小車限位、起升凸輪等信號(hào)，控制小車行走，起升重物等。

（2）控制系統(tǒng)軟件

工控機(jī)PC677上裝有STEP7編程軟件用于程序維護(hù)以及在線查找故障，STEP7組態(tài)配置方便，程序調(diào)試及診斷性能優(yōu)越，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的調(diào)試過程。工控機(jī)還安裝了WINCC組態(tài)軟件并開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)CMS。CMS與PLC構(gòu)成上、下位機(jī)關(guān)系，通過以太網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。從CMS可獲取系統(tǒng)所有的重要變量值，如各機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)、各機(jī)構(gòu)位置、吊鉤重量、風(fēng)速等信息。CMS的故障顯示模塊會(huì)顯示當(dāng)前故障的時(shí)間、日期、相應(yīng)的變量和相應(yīng)的電氣圖紙位置，同時(shí)歷史故障信息也會(huì)保存在數(shù)據(jù)庫中以便查詢和打印。

2 附加力矩控制防止起重機(jī)溜鉤

在起重機(jī)工作過程中，處于半空的重物由于自重的原因在制動(dòng)器抱閘抱住之前或松開之后的瞬間，易出現(xiàn)停止時(shí)下滑的現(xiàn)象，即溜鉤。在起重機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)防止溜鉤的方法有以下兩種：

（1）延時(shí)開閘，起升命令發(fā)出后變頻器工作，延時(shí)一段時(shí)間后打開制動(dòng)器抱閘以保證變頻器輸出的力矩達(dá)到負(fù)載重力力矩。此操作方式下電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，延時(shí)時(shí)間設(shè)置不好會(huì)給電機(jī)帶來很大危害。

（2）使用啟動(dòng)脈沖，即在制動(dòng)器關(guān)閘時(shí)記錄變頻器輸出電流值，在開閘命令到來時(shí)將此電流值乘上一定系數(shù)（＜100%）作為變頻器的附加速度給定送給變頻器，相當(dāng)于給負(fù)載突加一個(gè)向上的力防止溜鉤。這種做法的缺點(diǎn)是負(fù)載上升和下降需要的電流不一樣，啟動(dòng)脈沖電流值不好掌握，給大了負(fù)載就被提起來，給小了就出現(xiàn)溜鉤。

圖2為西門子變頻器的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，斜坡函數(shù)發(fā)生器可以設(shè)置加減速時(shí)間，啟動(dòng)脈沖防溜鉤方法就是將啟動(dòng)電流作為附加速度給定n1送給速度環(huán)的PID調(diào)節(jié)器，繞過斜坡函數(shù)發(fā)生器使系統(tǒng)快速響應(yīng)。

通過對(duì)比傳統(tǒng)防溜鉤方法的優(yōu)缺點(diǎn)，我們采用電氣制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)相結(jié)合，變頻器附加力矩控制的方法很好地解決了溜鉤問題。

在正常停車過程中，電機(jī)首先電氣減速，當(dāng)速度降到程序中設(shè)定值時(shí)，PLC關(guān)斷制動(dòng)器接觸器，由制動(dòng)器將電機(jī)停止，驅(qū)動(dòng)器在電機(jī)制動(dòng)后經(jīng)過一定時(shí)間延時(shí)停止工作。當(dāng)按下急停按鈕或遇到其他需要緊急停車的情況時(shí)，制動(dòng)器的接觸器立刻被關(guān)斷，由制動(dòng)器進(jìn)行機(jī)械停車。

如圖3所示，選取遠(yuǎn)大于系統(tǒng)摩擦力的300t負(fù)載測(cè)試，用西門子DriveMonitor軟件測(cè)量負(fù)載上升和下降時(shí)變頻器的輸出波形，得到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)變頻器輸出力矩。在上升力矩與下降力矩之間取中間值T，實(shí)踐證明T略大于下降力矩即可。在開閘命令到來的時(shí)候，將T賦給變頻器的轉(zhuǎn)矩附加給定值，此時(shí)變頻器處于零速懸停狀態(tài)。當(dāng)PLC程序中控制斜坡函數(shù)使能的時(shí)候，經(jīng)過濾波器在600ms左右切除此轉(zhuǎn)矩附加值，系統(tǒng)正常運(yùn)行。

PLC程序中結(jié)合測(cè)得的負(fù)載重量控制附加力矩輸出，此力矩附加值作用在電流環(huán)之前的力矩電流限幅環(huán)節(jié)。力矩調(diào)節(jié)比速度調(diào)節(jié)需要的時(shí)間短，實(shí)時(shí)性好，充分發(fā)揮了西門子矢量控制變頻器的優(yōu)點(diǎn)，零速滿轉(zhuǎn)矩輸出避免了溜鉤現(xiàn)象。

3 使用雙閉環(huán)PID控制實(shí)現(xiàn)大車位置糾偏

鑄造起重機(jī)在實(shí)際使用過程中受到各種因素的影響，如剛?cè)嵬冗\(yùn)行阻力不同，機(jī)械制造時(shí)走輪直徑偏差，電磁干擾等。這些因素會(huì)造成剛?cè)嵬冗\(yùn)行中速度快慢不一，造成位置偏差，偏差過大時(shí)甚至?xí)钠錂C(jī)械結(jié)構(gòu)。

以往不少起重機(jī)糾偏系統(tǒng)使用高速計(jì)數(shù)模塊記錄行走電機(jī)自帶測(cè)速增量型編碼器輸出的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)化為位置量，得到位置偏差而去控制糾偏，但若起重機(jī)體積較大，增量型脈沖編碼器信號(hào)在長距離傳輸時(shí)易受干擾，導(dǎo)致測(cè)量值不準(zhǔn)確。因此我們?cè)趧?、柔性腿行走檢測(cè)輪上安裝絕對(duì)值編碼器，檢測(cè)兩腿實(shí)際位置信號(hào)。絕對(duì)值編碼器通過Profibus通訊，抗干擾能力比增量型編碼器強(qiáng)很多。為防止檢測(cè)輪打滑出現(xiàn)檢測(cè)錯(cuò)誤，同樣采集行走電機(jī)自帶測(cè)速編碼器輸出脈沖，用FM450模塊采集轉(zhuǎn)換為位置值與絕對(duì)值編碼器測(cè)量值比較，有效提高了系統(tǒng)的安全性。為了防止增量型脈沖編碼器與絕對(duì)值編碼器的測(cè)量誤差累積，我們?cè)诖筌囓壍纻?cè)安裝基準(zhǔn)磁塊對(duì)編碼器校準(zhǔn)，提高了測(cè)量精度。電氣糾偏控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

從圖4可以看出，剛性腿和柔性腿的速度主給定開始是一致的，糾偏時(shí)針對(duì)柔腿側(cè)增加了一個(gè)位置控制環(huán)。在剛?cè)嵬任恢闷畈怀^跨距的千分之一時(shí)，剛腿和柔腿各自的測(cè)速編碼器構(gòu)成的閉環(huán)反饋系統(tǒng)起作用。當(dāng)速度實(shí)際值與給定值存在偏差的時(shí)候，此偏差值被送到變頻器的PID調(diào)節(jié)器，由PID調(diào)節(jié)控制變頻器輸出使得速度實(shí)際值快速跟隨速度給定值。當(dāng)剛?cè)嵬任恢闷钇髸r(shí)，偏差值被送到PLC的比例運(yùn)算器中，比例運(yùn)算器使系統(tǒng)響應(yīng)速度更快。PLC比例運(yùn)算器經(jīng)計(jì)算后輸出速度附加給定值v，速度主給定和附加給定共同作用在柔腿變頻器的PID速度控制器上。此時(shí)即相當(dāng)于給柔腿增加了一個(gè)位置控制環(huán)，位置環(huán)的運(yùn)算在PLC中完成。

變頻調(diào)速系統(tǒng)中的雙閉環(huán)PID調(diào)節(jié)中，內(nèi)環(huán)控制對(duì)象為電動(dòng)機(jī)電流，外環(huán)控制對(duì)象為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。對(duì)于起重機(jī)操作的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，在磁通恒定的情況下轉(zhuǎn)矩電流正比于電磁轉(zhuǎn)矩，快速的電流內(nèi)環(huán)保證電動(dòng)機(jī)輸出力矩的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)。速度外環(huán)則實(shí)現(xiàn)速度的快速調(diào)節(jié)，消除靜差，使系統(tǒng)具有高穩(wěn)態(tài)精度。速度環(huán)的測(cè)速編碼器作為速度反饋檢測(cè)元件，將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)，以脈沖的形式送給PLC高速計(jì)數(shù)模塊測(cè)量電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。當(dāng)采用無編碼器的矢量控制方式時(shí)，變頻器通過檢測(cè)電機(jī)電流送給電機(jī)模型分析，轉(zhuǎn)化為速度反饋送給速度環(huán)PID調(diào)節(jié)器，速度環(huán)的輸出作為電流環(huán)的給定來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電流和轉(zhuǎn)矩。

電流環(huán)通過電流互感器采集電動(dòng)機(jī)電流信號(hào)作為反饋控制依據(jù)，PID調(diào)節(jié)器的等效時(shí)間常數(shù)較小，受到干擾時(shí)快速響應(yīng)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，使電動(dòng)機(jī)輸出力矩處于較佳的狀態(tài)。

PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，本系統(tǒng)使用工程整定方法，即通過在控制系統(tǒng)中進(jìn)行試驗(yàn)，按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。整定過程為：在較短的采樣周期下讓系統(tǒng)工作，開始令Ti、Td為零（Ti是積分周期，Td是微分周期），以確定比例增益P。系統(tǒng)給定設(shè)為額定的60%左右，將比例增益從零開始上調(diào)，直至系統(tǒng)階躍響應(yīng)出現(xiàn)振蕩為止，反復(fù)測(cè)試確定系統(tǒng)臨界振蕩時(shí)比例增益，PID控制器的比例增益需按比例降低以保證系統(tǒng)穩(wěn)定。比例增益確定后，給Ti一個(gè)較大的初始值，然后逐步下調(diào)Ti，直到系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。確定系統(tǒng)臨界振蕩時(shí)的Ti，留出一定余量后作為PID控制器的積分時(shí)間常數(shù)。微分時(shí)間常數(shù)一般不用，若需使用時(shí)調(diào)節(jié)方法與比例增益相同。

圖5為采用閉環(huán)控制后所測(cè)的大車行走給定速度與實(shí)際速度的波形，從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況來看實(shí)際速度能較好地跟隨設(shè)定值，加上PLC的位置環(huán)控制后很好地解決了大車在長距離行走時(shí)剛?cè)嵬任恢门芷膯栴}。

4 結(jié)論

鑄造起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，容易出現(xiàn)的問題在起重機(jī)控制中也比較典型。本文針對(duì)設(shè)計(jì)調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題提出具體的解決方案，改進(jìn)了傳統(tǒng)控制方法中存在的缺點(diǎn)。將PID控制等理論應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中，充分發(fā)揮了西門子PLC和變頻器在交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功能，取得了很好的控制效果。本系統(tǒng)中的解決方案同樣可以應(yīng)用到其他類型起重機(jī)的控制系統(tǒng)中。

The Application of Siemens PLC and Transducer on Control System of Foundry Crane

YANG QingLin
（Jinan Professional College，Jinan 250103，Shandong China）

Siemens PLC and transducer have been adopted for solution to existing problems in traditional control system of foundry crane.The control system has been introduced with an appendng moment control method to prevent the crane from failure.Duo closed loop PID control has been adopted to realize rectifying deviation of position resulting in higher control accuracy and stability with meeting requirements for production.

PLC；Transducer；Crane；Control system

TG231.1;

B；

1006－9658（2011）05－3

2011－05－19

2011－070

楊清林（1982-），男，助教，山東大學(xué)在職研究生