楊清林（濟南職業(yè)學院，濟南市 250103）

西門子PLC和變頻器在鑄造起重機控制系統(tǒng)中的應用

楊清林（濟南職業(yè)學院，濟南市 250103）

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

PLC；變頻器；起重機；控制系統(tǒng)

鑄造起重機是鋼廠冶煉車間以及鑄造車間的主要起重運輸設備，用于冶煉過程中液態(tài)金屬的轉運、澆注及兌鐵液等作業(yè)，以其操作簡單、維護方便、作業(yè)效率高等優(yōu)點得到廣泛應用。合理的電氣控制系統(tǒng)能有效解決起重機工作過程中出現(xiàn)的諸如溜鉤、大車剛柔腿位置偏差過大等問題，實現(xiàn)高效、安全作業(yè)。

本文介紹了鑄造起重機電氣控制系統(tǒng)組成，在此基礎上針對傳統(tǒng)起重機防溜鉤方法存在的缺陷提出了附加力矩控制方法；將PLC與變頻器結合，采用PID控制解決大車剛柔腿在長距離運行時跑偏的問題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 控制系統(tǒng)構成

（1）控制系統(tǒng)硬件

如圖1所示，起重機的PLC控制網(wǎng)絡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站和司機室的ET-200M站通過Profibus連接到電氣房控制中心主PLC，交流驅動系統(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。其他各控制分站因為與電氣房距離較遠，為減小通訊干擾先通過光纖連接到電氣房的光電轉換模塊OLM，再通過Profibus與電氣房的從站連接。

控制中心主PLC通過I/O模塊與外設進行信號傳輸。中央機架有一塊工業(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的操作不會受到影響。兩臺西門子工控機PC677分別安裝在電氣房和司機室作為CMS顯示，電氣房的工控機還與無線傳輸模塊連接，將實時信息傳輸?shù)焦S的綜合監(jiān)測中心，便于工廠的信息集成化管理。

司機室控制分站采集司機操作臺的信號并控制輸出，如開停機、起升控制、機構行走等。大車剛柔腿控制分站采集剛柔腿側的本地操作、限位開關、夾輪器及夾軌器、電機溫度等反饋信號，控制大車啟停、夾輪器和夾軌器開閉、大車液壓站壓力調節(jié)等。上下小車控制分站采集不同吊鉤的重量傳感器信號，小車限位、起升凸輪等信號，控制小車行走，起升重物等。

（2）控制系統(tǒng)軟件

工控機PC677上裝有STEP7編程軟件用于程序維護以及在線查找故障，STEP7組態(tài)配置方便，程序調試及診斷性能優(yōu)越，簡化了控制系統(tǒng)的調試過程。工控機還安裝了WINCC組態(tài)軟件并開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)CMS。CMS與PLC構成上、下位機關系，通過以太網(wǎng)連接實現(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，如各機構運行狀態(tài)、各機構位置、吊鉤重量、風速等信息。CMS的故障顯示模塊會顯示當前故障的時間、日期、相應的變量和相應的電氣圖紙位置，同時歷史故障信息也會保存在數(shù)據(jù)庫中以便查詢和打印。

2 附加力矩控制防止起重機溜鉤

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

（1）延時開閘，起升命令發(fā)出后變頻器工作，延時一段時間后打開制動器抱閘以保證變頻器輸出的力矩達到負載重力力矩。此操作方式下電機處于堵轉狀態(tài)，延時時間設置不好會給電機帶來很大危害。

（2）使用啟動脈沖，即在制動器關閘時記錄變頻器輸出電流值，在開閘命令到來時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，相當于給負載突加一個向上的力防止溜鉤。這種做法的缺點是負載上升和下降需要的電流不一樣，啟動脈沖電流值不好掌握，給大了負載就被提起來，給小了就出現(xiàn)溜鉤。

圖2為西門子變頻器的閉環(huán)控制結構簡圖，斜坡函數(shù)發(fā)生器可以設置加減速時間，啟動脈沖防溜鉤方法就是將啟動電流作為附加速度給定n1送給速度環(huán)的PID調節(jié)器，繞過斜坡函數(shù)發(fā)生器使系統(tǒng)快速響應。

通過對比傳統(tǒng)防溜鉤方法的優(yōu)缺點，我們采用電氣制動與機械制動相結合，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，電機首先電氣減速，當速度降到程序中設定值時，PLC關斷制動器接觸器，由制動器將電機停止，驅動器在電機制動后經過一定時間延時停止工作。當按下急停按鈕或遇到其他需要緊急停車的情況時，制動器的接觸器立刻被關斷，由制動器進行機械停車。

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

PLC程序中結合測得的負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)。力矩調節(jié)比速度調節(jié)需要的時間短，實時性好，充分發(fā)揮了西門子矢量控制變頻器的優(yōu)點，零速滿轉矩輸出避免了溜鉤現(xiàn)象。

3 使用雙閉環(huán)PID控制實現(xiàn)大車位置糾偏

鑄造起重機在實際使用過程中受到各種因素的影響，如剛柔腿運行阻力不同，機械制造時走輪直徑偏差，電磁干擾等。這些因素會造成剛柔腿運行中速度快慢不一，造成位置偏差，偏差過大時甚至會扭壞其機械結構。

以往不少起重機糾偏系統(tǒng)使用高速計數(shù)模塊記錄行走電機自帶測速增量型編碼器輸出的脈沖數(shù)轉化為位置量，得到位置偏差而去控制糾偏，但若起重機體積較大，增量型脈沖編碼器信號在長距離傳輸時易受干擾，導致測量值不準確。因此我們在剛、柔性腿行走檢測輪上安裝絕對值編碼器，檢測兩腿實際位置信號。絕對值編碼器通過Profibus通訊，抗干擾能力比增量型編碼器強很多。為防止檢測輪打滑出現(xiàn)檢測錯誤，同樣采集行走電機自帶測速編碼器輸出脈沖，用FM450模塊采集轉換為位置值與絕對值編碼器測量值比較，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值編碼器的測量誤差累積，我們在大車軌道側安裝基準磁塊對編碼器校準，提高了測量精度。電氣糾偏控制結構如圖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，糾偏時針對柔腿側增加了一個位置控制環(huán)。在剛柔腿位置偏差不超過跨距的千分之一時，剛腿和柔腿各自的測速編碼器構成的閉環(huán)反饋系統(tǒng)起作用。當速度實際值與給定值存在偏差的時候，此偏差值被送到變頻器的PID調節(jié)器，由PID調節(jié)控制變頻器輸出使得速度實際值快速跟隨速度給定值。當剛柔腿位置偏差偏大時，偏差值被送到PLC的比例運算器中，比例運算器使系統(tǒng)響應速度更快。PLC比例運算器經計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。此時即相當于給柔腿增加了一個位置控制環(huán)，位置環(huán)的運算在PLC中完成。

變頻調速系統(tǒng)中的雙閉環(huán)PID調節(jié)中，內環(huán)控制對象為電動機電流，外環(huán)控制對象為電動機轉速。對于起重機操作的恒轉矩負載，在磁通恒定的情況下轉矩電流正比于電磁轉矩，快速的電流內環(huán)保證電動機輸出力矩的高動態(tài)響應。速度外環(huán)則實現(xiàn)速度的快速調節(jié)，消除靜差，使系統(tǒng)具有高穩(wěn)態(tài)精度。速度環(huán)的測速編碼器作為速度反饋檢測元件，將電動機的轉速轉化為頻率信號，以脈沖的形式送給PLC高速計數(shù)模塊測量電動機實際轉速。當采用無編碼器的矢量控制方式時，變頻器通過檢測電機電流送給電機模型分析，轉化為速度反饋送給速度環(huán)PID調節(jié)器，速度環(huán)的輸出作為電流環(huán)的給定來調節(jié)電動機的電流和轉矩。

電流環(huán)通過電流互感器采集電動機電流信號作為反饋控制依據(jù)，PID調節(jié)器的等效時間常數(shù)較小，受到干擾時快速響應，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，使電動機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)設計的核心內容，本系統(tǒng)使用工程整定方法，即通過在控制系統(tǒng)中進行試驗，按照工程經驗公式對控制器參數(shù)進行整定。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)給定設為額定的60%左右，將比例增益從零開始上調，直至系統(tǒng)階躍響應出現(xiàn)振蕩為止，反復測試確定系統(tǒng)臨界振蕩時比例增益，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一個較大的初始值，然后逐步下調Ti，直到系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。確定系統(tǒng)臨界振蕩時的Ti，留出一定余量后作為PID控制器的積分時間常數(shù)。微分時間常數(shù)一般不用，若需使用時調節(jié)方法與比例增益相同。

圖5為采用閉環(huán)控制后所測的大車行走給定速度與實際速度的波形，從現(xiàn)場應用情況來看實際速度能較好地跟隨設定值，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剛柔腿位置跑偏的問題。

4 結論

鑄造起重機電氣控制系統(tǒng)比較復雜，容易出現(xiàn)的問題在起重機控制中也比較典型。本文針對設計調試過程中出現(xiàn)的問題提出具體的解決方案，改進了傳統(tǒng)控制方法中存在的缺點。將PID控制等理論應用到現(xiàn)場實際中，充分發(fā)揮了西門子PLC和變頻器在交流變頻調速系統(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用到其他類型起重機的控制系統(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，山東大學在職研究生