引言

　　隨著電力電子技術的發(fā)展，PLC、變頻器等自動化產品在電力拖動領域得到了廣泛應用。電力電子技術是一門新興的應用于電力領域的電子技術，就是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對電能進行變換和控制的技術。電力電子技術所變換的“電力”功率可大到數(shù)百MW甚至GW，也可以小到數(shù)W甚至1W以下，和以信息處理為主的信息電子技術不同電力電子技術主要用于電力變換。一般認為，電力電子技術的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出的個晶閘管為標志的，電力電子技術的概念和基礎就是由于晶閘管和晶閘管變流技術的發(fā)展而確立的。此前就已經(jīng)有用于電力變換的電子技術，所以晶閘管出現(xiàn)前的時期可稱為電力電子技術的史前或黎明時期。70年代后期以門極可關斷晶閘管（GTO），電力雙極型晶體管（BJT），電力場效應管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件全速發(fā)展（全控型器件的特點是通過對門極既柵極或基極的控制既可以使其開通又可以使其關斷），使電力電子技術的面貌煥然一新進入了新的發(fā)展階段。80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT 可看作MOSFET和BJT的復合）為代表的復合型器件集驅動功率小，開關速度快，通態(tài)壓降小，在流能力大于一身，性能優(yōu)越使之成為現(xiàn)代電力電子技術的主導器件。為了使電力電子裝置的結構緊湊，體積減小，常常把若干個電力電子器件及必要的輔助器件做成模塊的形式，后來又把驅動，控制，保護電路和功率器件集成在一起，構成功率集成電路（PIC）。目前PIC的功率都還較小但這代表了電力電子技術發(fā)展的一個重要方向。

　　電力電子技術是建立在電子學、電工原理和自動控制三大學科上的新興學科。因它本身是大功率的電技術，又大多是為應用強電的工業(yè)服務的，故常將它歸屬于電工類。電力電子技術的內容主要包括電力電子器件、電力電子電路和電力電子裝置及其系統(tǒng)。電力電子器件以半導體為基本材料，常用的材料為單晶硅；它的理論基礎為半導體物理學；它的工藝技術為半導體器件工藝。近代新型電力電子器件中大量應用了微電子學的技術。電力電子電路吸收了電子學的理論基礎，根據(jù)器件的特點和電能轉換的要求，又開發(fā)出許多電能轉換電路。這些電路中還包括各種控制、觸發(fā)、保護、顯示、信息處理、繼電接觸等二次回路及外圍電路。利用這些電路，根據(jù)應用對象的不同，組成了各種用途的整機，稱為電力電子裝置。這些裝置常與負載、配套設備等組成一個系統(tǒng)。電子學、電工學、自動控制、信號檢測處理等技術常在這些裝置及其系統(tǒng)中大量應用。

　　控制方案

　　某重型機械制造大件分廠，承擔著所有大件設備裝配、定位、對接等任務，對起重機性能要求很高，所用一臺QD250/50t橋式起重機采用了siemens S7-400 PLC、ABB變頻器、觸摸屏等高性能配置，應用了先進的Profibus現(xiàn)場總線技術、帶編碼器反饋的直接轉距控制方式、及先進的人機界面系統(tǒng)。

　　1、PLC

　　整個系統(tǒng)以S7-400 PLC作為電控，主要有電源模塊、CPU、輸入輸出模塊及接口模塊等組成。輸入模塊采集由限位開關、熱敏電阻、變頻器故障反饋等設備的信號狀態(tài)；PLC主要是指數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)的可編程邏輯控制器，用于控制機械的生產過程。也是公共有限公司、電源線車等的名稱縮寫。PLC = Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。是工業(yè)控制的部分。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller,PLC），它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術的發(fā)展，這種采用微型計算機技術的工業(yè)控制裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機（Personal Computer）的簡稱混淆，所以將可編程序控制器簡稱PLC,plc自1966年美國數(shù)據(jù)設備公司（DEC）研制出現(xiàn)，現(xiàn)行美國，日本，德國的可編程序控制器質量優(yōu)良，功能強大。

　　2、Profibus串行通訊現(xiàn)場總線系統(tǒng)

　　PROFIBUS，是一種國際化。開放式。不依賴于設備生產商的現(xiàn)場總線標準。PROFIBUS傳送速度可在 9.6kbaud~12Mbaud范圍內選擇且當總線系統(tǒng)啟動時，所有連接到總線上的裝置應該被設成相同的速度。廣泛適用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通電力等其他領域自動化。PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術?？蓪崿F(xiàn)現(xiàn)場設備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡，從而為實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設備智能化提供了可行的解決方案。PROFIBUS是過程現(xiàn)場總線的縮寫，于1989年正式成為現(xiàn)場總線的國際標準。目前在多種自動化的領域中占據(jù)主導地位，全世界的設備節(jié)點數(shù)已經(jīng)超過2000萬。它由三個兼容部分組成，即PROFIBUS－DP（ Decentralized Periphery）。PROFIBUS－PA（Process Automation ）。PROFIBUS-FMS （Fieldbus Message Specification ）。主要使用主-從方式，通常周期性地與傳動裝置進行數(shù)據(jù)交換。

　　設置變頻器通訊參數(shù)：

　　98.02=fieldbus 激活通迅模塊

　　51.01= Profibus-DP 選擇現(xiàn)場總線類型

　　51.02=3 設置主升變頻器站地址

　　51.03=1500 選擇通迅傳輸速率為1.5Mbit/s

　　51.04=PPO4 選擇數(shù)據(jù)傳輸類型4（6個過程數(shù)據(jù)為一個標準塊）

　　作為主站的PLC中央處理器從從站讀取各種輸入狀態(tài)信息，即從變頻器讀出主升狀態(tài)字和實際值，包括變頻器準備好、上電應答、運行、轉矩驗證OK、變頻器故障、電動機實際轉速等信息；并將各種輸出信息寫入從站，即將控制字和速度給定寫入變頻器。包括通訊檢測位、來自現(xiàn)場總線的PLC系統(tǒng)的Drive on、來自上位系統(tǒng)的啟動信號、故障復位信號及實際頻率給定等。

　　3、先進的人機界面系統(tǒng)

　　TP270觸摸屏和PLC之間也采用Profibus總線進行數(shù)據(jù)傳輸與交換，實時地顯示和監(jiān)控各機構的運行狀態(tài)及電壓、電流、轉矩、速度等運行參數(shù)，并能利用自身故障實時診斷系統(tǒng)對故障現(xiàn)象進行判斷，記錄故障時的各種參數(shù)，這樣，操作人員和檢修人員就可以全面及時地了解系統(tǒng)的狀態(tài)，并可按提示的故障信息去檢查和維修，達到準確、快速排除故障的效果，真正實現(xiàn)了人機智能化。人機界面（又稱用戶界面或使用者界面）是系統(tǒng)和用戶之間進行交互和信息交換的媒介，它實現(xiàn)信息的內部形式與人類可以接受形式之間的轉換。凡參與人機信息交流的領域都存在著人機界面。

　　人機界面（Human–Machine Interaction，簡稱HMI），是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，是計算機系統(tǒng)的重要組成部分。是指人和機器在信息交換和功能上接觸或互相影響的領域或稱界面所說人機結合面，信息交換，功能接觸或互相影響，指人和機器的硬接觸和軟觸，此結合面不僅包括點線面的直接接觸，還包括遠距離的信息傳遞與控制的作用空間。人機結合面是人機系統(tǒng)中的中心一環(huán)節(jié)，主要由安全工程學的分支學科安全人機工程學去研究和提出解決的依據(jù)，并過安全工程設備工程學，安全管理工程學以及安全系統(tǒng)工程學去研究具體的解決方法手段措施安全人機學。它實現(xiàn)信息的內部形式與人類可以接受形式之間的轉換。凡參與人機信息交流的領域都存在著人機界面?，F(xiàn)在大量運用在工業(yè)與商業(yè)上，簡單的區(qū)分為“輸入”（Input）與“輸出”（Ouput）兩種，輸入指的是由人來進行機械或設備的操作，如把手、開關、門、指令（命令）的下達或保養(yǎng)維護等，而輸出指的是由機械或設備發(fā)出來的通知，如故障、警告、操作說明提示等，好的人機接口會幫助使用者更簡單、更正確、更迅速的操作機械，也能使機械發(fā)揮的效能并延長使用壽命，而目前市面上所指的人機接口則多界狹義的指在軟件人性化的操作接口上。

　　4、變頻調速系統(tǒng)

　　1）起升工況及要求

　　起升機構要求較大的調速比和較硬的機械特性，以適應重物的吊裝要求；要求有大的起動轉矩，優(yōu)異的動態(tài)轉矩響應能力，以適應負載突變，保證重載二次起升的能力。

　　2）變頻功能應用

　　根據(jù)起升機構特性和技術要求，變頻器采用帶測速反饋接口的800系列變頻器，配合ACC 7.2專用提升軟件，形成閉環(huán)直接轉矩控制，通過預勵磁功能和啟動轉矩設定，使電機啟動瞬間力矩可達300%,實現(xiàn)了優(yōu)異的啟動特性。內置制動斬波器，外接制動電阻，使制動過程中的產生的再生能量通過制動電阻得到釋放，達到快速制動的目的。

　　3） 參數(shù)設置

　　99. 1=ENGLISH 選擇語言。

　　99. 2=CRANE 選擇起升專用宏。

　　99. 3=YES 復位為工廠設置。

　　99. 4=DTC 選擇直接轉矩控制。

　　99. 5=380V 設定電機額定電壓為380V.

　　99. 6=286A 設定電機額定電流為286A.

　　99. 7=50HZ 設定電機額定頻率為50HZ.

　　99. 8=722rpm 設定電機額定轉速為722轉/分。

　　99. 9=150KW 設定電機額定功率為150KW.

　　99.10=STANDARD 選擇標準旋轉型電機數(shù)據(jù)辯識。

　　10.1=DI1 設置數(shù)字輸入1為制動應答信號。

　　14.1=BRAKE LIFT 設置繼電器輸出1為機械制動控制。

　　14.2=WATCHDOG-N 設置繼電器輸出2為看門狗，當發(fā)生到通訊故障、制動斬波器故障、CPU阻塞等故障時切斷制動器輸出并急停。

　　14.3=FAULT 設置繼電器輸出3為故障輸出，當發(fā)生過電流、過電壓、過力矩、過載、過速度等故障時保護裝置動作。

　　20.1= -722rpm 設置轉速為-722轉。

　　20.2=722rpm 設置轉速為722轉。

　　20.6=OFF 關閉直流過電壓控制器。

　　21.1=CNST DC MAGN 設置啟動特性為恒定勵磁模式。

　　21.2=600ms 設置預勵磁時間為600ms.

　　27.1=ON 激活制動斬波器的控制。

　　27.2=ON 激活制動電阻器的過載保護功能。

　　30.4= FAULT 選擇電機過溫時的保護類型為故障跳閘停車。

　　30.10=FAULT 選擇電機缺相時的保護類型為故障跳閘停車。

　　30.11= FAULT 選擇電機發(fā)生接地故障時保護類型為故障跳閘停車。

　　30.12= FAULT 選擇現(xiàn)場總線與變頻器的通訊異常時的保護類型為故障跳閘停車。

　　50.1=1024 設定編碼器每轉的脈沖數(shù)為1024.

　　50.2=A_-_B_-_ 選擇對信號A、 B的所有邊沿計數(shù)并換算成速度。

　　50.3=FAULT 設定脈沖編碼器與編碼器接口模塊之間，或編碼器接口模塊與變頻器控制板之間檢測到通訊故障時的保護類型為故障跳閘停車。

　　50.5=TRUE 選擇將編碼器模塊的實際速度反饋用于速度和轉矩控制。

　　61.1=110% 設定當電機速度值超過額定速度的110%時，傳動將跳閘并顯示過速度故障。

　　62.1=TRUE 選擇激活轉矩監(jiān)視功能。

　　64.1=FALSE 選擇控制方式為現(xiàn)場總線。

　　65.1= FALSE 選擇電機停止后只在65.2的時間內保持勵磁。

　　65.2=5s 選擇電機停止后電機勵磁電流保持on的時間，在此時間內電動機保持勵磁并隨時準備快速重起。

　　66.1=TRUE 選擇轉矩驗證功能有效。

　　66.3=100% 選擇轉矩驗證有效值。在啟動時，只有當電機力矩達到該值并通過驗證時才會發(fā)出抱閘打開指令。

　　67.1=2S 設定制動施加時間為2S,當停止時電機速度下降到零速值，抱閘開始閉合，在此時間內電機保持力矩，直至抱閘閉合完閉。防止重物下滑溜鉤。

　　67.2=2% 設定相對零速值為2%,在當實際速度達到該值以下時，制動器開始閉合。

　　67.09=P67.10 選擇啟動轉矩調用P67.10的值。

　　67.10=100% 設定啟動時轉矩給定值為100%.

　　69.2=3S 設定上升方向轉速從0到100%的加速時間為3S.

　　69.3=3S 設定下降方向轉速從0到-100%的加速時間為3S.

　　69.4=2S 設定上升方向轉速從100%到0的減速時間為2S.

　　69.5=2S 設定下降方向轉速從-100%到0的減速時間為2S.

　　98.1=RTAC-SLOT1 激活與脈沖編碼器模塊的通訊。

　　4）主要功能介紹：

　　轉距驗證

　　轉矩驗證用于確認在松開抱閘和開始提升運行之前傳動能夠產生轉矩，抱閘沒有打滑。它是將機械抱閘被施加時給一個正的轉矩給定（P67.10的值）來完成的。如果轉矩驗證成功，則表示轉矩達到了正確的等級，才能執(zhí)行啟動序列中的下一步驟。變頻器的英文譯名是VFD（Variable-frequency Drive），這可能是現(xiàn)代科技由中文反向譯為英文的為數(shù)不多實例之一。（但VFD也可解釋為Vacuum fluorescent display，真空熒光管，故這種譯法并不常用）。變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源的頻率和幅度的方式來控制交流電動機的電力傳動元件。變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實現(xiàn)對交流異步電機的軟起動、變頻調速、提高運轉、改變功率因數(shù)、過流/過壓/過載保護等功能。

　　機械制動控制

　　變頻器內置了制動邏輯控制器，用來控制抱閘接觸器的動作。當接收到啟動命令時，變頻器首先對電動機進行預勵磁，然后釋放速度和轉矩控制器，如果轉矩驗證OK通過，制動器將抬起，電動機將按照正常的加速時間運行。如果在規(guī)定的時間內沒有接收到制動應答信號，傳動將故障跳閘并指示制動器故障。啟動命令撤去之后，傳動將按減速時間減速到相對零速，當接到零速信號反饋后，制動抬起命令被關閉，在制動施加時間（即P67.1的值）內傳動將保持勵磁和轉矩輸出，直至制動器閉合完畢，有效地預防了溜鉤事故的發(fā)生。

　　再生能量的處理

　　重載下降時電動機處于再生制動狀態(tài)，對于再生電能，必須能夠妥善處理，以保證能使減速停車時間盡量縮短。通過設置20.6=OFF關閉直流過電壓控制器、27.1=ON 激活制動斬波器的控制，設置P69.04、P69.05選擇合理的減速時間，當重物下降減速時，所產生的再生電能將通過和逆變管所并聯(lián)的二極管全波整流后反饋到中間直流電路，這一過程將產生泵升電壓，當此電壓超過門限值，制動斬波器就會被激活，把多余的電能通過制動電阻快速得到釋放。

　　總結

　　綜上所述，該系統(tǒng)PLC程序控制使外部硬接線簡單明了，故障率低且易于維護，整個系統(tǒng)電網(wǎng)適應性強，起動轉矩和低速轉矩高，速度響應快，調速范圍寬，各檔位速度可任意設置，加減速時間可調，尤其是提升專用軟件，使該起重機具備了提升機應用所需的全部控制和安全功能，確保了安全可靠地運行。

　　該系統(tǒng)自投入運行以來，一直運行良好，調速性能優(yōu)異、定位準確、操作簡單、故障率低、維護方便，大大地提高了企業(yè)生產效率，有著廣泛的推廣價值，必將成為起重設備電控系統(tǒng)的發(fā)展方向。