基于PLC數(shù)字量方式的變頻器調(diào)速控制研究

摘要：港口裝卸離不開門座起重機(jī)，當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大、國內(nèi)外貿(mào)易往來不斷深入，因此物資交流日益頻繁，門座起重機(jī)的運(yùn)貨量不斷增加，工作結(jié)構(gòu)朝大型化、復(fù)雜化方向發(fā)展。文章以PLC為核心結(jié)合變頻器搭建好硬件控制平臺(tái)的基礎(chǔ)，對(duì)利用PLC控制變頻器提高門座起重機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：變頻器；調(diào)速控制；數(shù)字量方式；PLC；港口裝卸；門座起重機(jī) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TH137 文章編號(hào)：1009-2374（2016）06-0068-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.06.034

本文選擇歐姆龍系列PLC可編程控制器結(jié)合變頻器對(duì)港口門座起重機(jī)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速控制，促進(jìn)門座起重機(jī)穩(wěn)定、可靠、高效、安全運(yùn)行。

1 PLC數(shù)字量方式結(jié)合變頻器控制調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)

PLC可編程控制器結(jié)合變頻器在工業(yè)工程以及電力工程行業(yè)中由于其應(yīng)用中的突出優(yōu)勢(shì)得到廣泛的推廣。其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在：功能強(qiáng)大，PLC可編程控制器核心CPU具有上千個(gè)編程元件，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制功能，在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信控制功能的基礎(chǔ)上達(dá)到對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的統(tǒng)一管理；便利性，PLC可編程控制器控制功能是通過采用梯形語言、語句表實(shí)現(xiàn)控制目的的。

對(duì)于開發(fā)人員的相關(guān)計(jì)算機(jī)專業(yè)技術(shù)要求不高，尤其是系統(tǒng)的開發(fā)周期短，在線調(diào)試周期短，無須拆動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)硬件；維修性，基于PLC編程控制系統(tǒng)的故障率較低，內(nèi)部具有自行診斷故障與顯示功能，為維修人員故障診斷與排查提供便利，極大地提高了效率；適應(yīng)性，PLC可編程控制器產(chǎn)品完全實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，內(nèi)部功能裝置配置完善，便于用戶選擇，擁有較強(qiáng)的使用適應(yīng)性，除此之外，PLC安裝便利、負(fù)載能力強(qiáng)，能夠驅(qū)動(dòng)交流接

觸器。

2 實(shí)例分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)例概況

作為港口裝卸主要設(shè)備之一的門座起重機(jī)，其結(jié)構(gòu)、功能及控制流程相對(duì)比較復(fù)雜，門座起重機(jī)的作業(yè)要求需靈活、穩(wěn)定、高效。基于PLC數(shù)字量方式的變頻器控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)門座起重機(jī)的精準(zhǔn)控制，提高作業(yè)效率，降低故障發(fā)生率，縮短船舶駐港時(shí)間。本文以MQ4030型號(hào)門座起重機(jī)為例，利用PLC結(jié)合變頻器實(shí)現(xiàn)數(shù)字式調(diào)速控制，促進(jìn)門座起重機(jī)港口作業(yè)穩(wěn)定、高效、安全。

2.2 設(shè)計(jì)方案

PLC結(jié)合變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)以PLC為主控單元，結(jié)合變頻器及外圍電氣元件精確控制門座起重機(jī)四大機(jī)構(gòu)電氣系統(tǒng)，達(dá)到操作高效、可靠、機(jī)構(gòu)安全的目的。

圖1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)圖

2.3 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文研究的門座起重機(jī)控制系統(tǒng)控制功能主要實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)升降機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)的控制。四大機(jī)構(gòu)的變頻器調(diào)速均采用西門子SINAMICS S120。SINAMICS S120是集V/F、矢量控制及伺服控制于一體的高性能驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，變頻器機(jī)械設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制功能方面具有十分突出的優(yōu)勢(shì)，一方面能夠?qū)σ话愕娜喈惒诫妱?dòng)機(jī)進(jìn)行控制；另一方面對(duì)同步電機(jī)以及直線電機(jī)與扭矩電機(jī)都能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)速控制的目的。普通變頻器調(diào)速采用V/f=C控制。但在負(fù)載變化范圍較大的運(yùn)行情況下，對(duì)于控制精度要求十分嚴(yán)格。負(fù)載低速運(yùn)轉(zhuǎn)要求保持穩(wěn)定的速度以及可靠的負(fù)載能力，這就要求選擇矢量控制方式實(shí)現(xiàn)負(fù)載精確調(diào)速的操作。一般情況下矢量控制方式僅僅實(shí)現(xiàn)一臺(tái)變頻器控制一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。

控制系統(tǒng)一共采用三臺(tái)SINAMICS S120變頻器進(jìn)行調(diào)速，由于起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)兩大機(jī)構(gòu)運(yùn)行負(fù)載變化范圍大，并且機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中對(duì)于調(diào)速控制以及相關(guān)其他控制操作要求比較嚴(yán)格，兩大機(jī)構(gòu)分別使用一臺(tái)變頻器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)矢量調(diào)速控制，門座起重機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)對(duì)于調(diào)速控制精確度要求不高，因此兩者可共用一臺(tái)變頻器，利用接觸器的聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)使旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)構(gòu)不能同時(shí)運(yùn)行。門座起重機(jī)的升降與變幅調(diào)速控制方式相同，對(duì)于旋轉(zhuǎn)以及行走機(jī)構(gòu)的控制相對(duì)簡(jiǎn)單。變頻器模擬量輸入端子并接收PLC的模擬量輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓頻率的調(diào)節(jié)，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及停止制動(dòng)信號(hào)通過采用變頻器的數(shù)字量輸入端口設(shè)定。為實(shí)現(xiàn)對(duì)門座起重機(jī)升降機(jī)構(gòu)的精確調(diào)速控制，在進(jìn)行調(diào)速操作之前需要對(duì)變頻器進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)配置。升降機(jī)構(gòu)的變頻器主要配置參數(shù)包括升降機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)參數(shù)與控制端子變頻器的參數(shù)配置。

2.4 硬件選擇

2.4.1 PLC選擇?？刂葡到y(tǒng)可編程控制器選用歐姆龍品牌系列，考慮到控制系統(tǒng)內(nèi)部功能擴(kuò)展以及相關(guān)容量，選擇型號(hào)為CS1G-HCPU45CPU模塊。

2.4.2 變頻器選擇。本文研究的門座起重機(jī)控制系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)升降機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)以及相關(guān)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)的控制。本控制系統(tǒng)選用變頻器為西門子SINAMICS S120變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)速功能。

2.4.3 控制網(wǎng)絡(luò)通訊。基于PLC的結(jié)合變頻器的數(shù)字式控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置是建立在控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)之上的。網(wǎng)絡(luò)通信配置主要是指PLC控制器與上位機(jī)人機(jī)交互界面進(jìn)行的通信。本文采用Controller Link網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)控制后臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)通信，另外PLC可編程控制器與控制終端現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制指令通信采用DeviceNet網(wǎng)絡(luò)。控制系統(tǒng)內(nèi)部各硬件之間通信采用歐姆龍CompoBus/D總線網(wǎng)絡(luò)。

2.5 變頻器與PLC控制接線

本文基于PLC結(jié)合變頻器控制門座起重機(jī)控制系統(tǒng)的功能框圖如圖2所示：

圖2 控制功能框圖

3 效果性能評(píng)價(jià)

（1）門座起重機(jī)四大機(jī)構(gòu)調(diào)速控制采用變頻器為西門子SINAMICS S120，利用閉環(huán)矢量對(duì)門座起重機(jī)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，將速度增量作為變換反饋量進(jìn)行偏差控制。滿足電動(dòng)機(jī)調(diào)速硬度并保證電動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定運(yùn)行。變頻器工作頻率在0Hz工作情況下電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩能保證門座起重機(jī)控制機(jī)構(gòu)在低頻或者滿負(fù)載運(yùn)行條件下的正常工作。（2）門座起重機(jī)采用機(jī)械式制動(dòng)器。在起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)滿負(fù)載的情況下，采用變頻器調(diào)速控制模式可防止空中制動(dòng)停車后升降機(jī)再次啟動(dòng)過程中產(chǎn)生溜鉤現(xiàn)象。（3）門座起重機(jī)機(jī)構(gòu)作業(yè)過程中要求在電機(jī)減速或者重載下放的工作條件下必須實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量的迅速釋放。門座起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中考慮將制動(dòng)電阻的功率增加一倍，確保再生制動(dòng)能量的快速釋放。（4）利用PLC可編程控制器結(jié)合變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)門座起重機(jī)機(jī)構(gòu)的變頻調(diào)速控制，能夠?qū)崿F(xiàn)在頻率50Hz以下的情況下電動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)轉(zhuǎn)，從而保證了頻率降低至較小值的情況下依然可維持帶載運(yùn)行。即便頻率高于50Hz，利用變頻器的恒功率調(diào)速特性仍可保證門座起重機(jī)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語

本文結(jié)合工程實(shí)例對(duì)港口門座起重機(jī)基于PLC數(shù)字量方式的變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了分析和研究，重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)框架的設(shè)計(jì)選擇及性能評(píng)價(jià)進(jìn)行了分析討論。隨著工業(yè)控制技術(shù)的不斷發(fā)展和提升，圍繞港口門座起重機(jī)的控制要求也會(huì)越來越高，基于PLC數(shù)字量方式的變頻調(diào)速系統(tǒng)在港口起重設(shè)備的應(yīng)用將會(huì)變得更加廣泛。

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作者簡(jiǎn)介：柳強(qiáng)（1972-），男，湖北武漢人，招商港務(wù)（深圳）有限公司技術(shù)工程部經(jīng)理，研究方向：港口設(shè)備技術(shù)管理。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）