引言

　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，PLC、變頻器等自動(dòng)化產(chǎn)品在電力拖動(dòng)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。電力電子技術(shù)是一門新興的應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，就是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)所變換的“電力”功率可大到數(shù)百M(fèi)W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(shù)不同電力電子技術(shù)主要用于電力變換。一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出的個(gè)晶閘管為標(biāo)志的，電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管和晶閘管變流技術(shù)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(shù)，所以晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期可稱為電力電子技術(shù)的史前或黎明時(shí)期。70年代后期以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO），電力雙極型晶體管（BJT），電力場效應(yīng)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(diǎn)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(guān)斷），使電力電子技術(shù)的面貌煥然一新進(jìn)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(fù)合）為代表的復(fù)合型器件集驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)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(shù)的主導(dǎo)器件。為了使電力電子裝置的結(jié)構(gòu)緊湊，體積減小，常常把若干個(gè)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(qū)動(dòng)，控制，保護(hù)電路和功率器件集成在一起，構(gòu)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(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

　　電力電子技術(shù)是建立在電子學(xué)、電工原理和自動(dòng)控制三大學(xué)科上的新興學(xué)科。因它本身是大功率的電技術(shù)，又大多是為應(yīng)用強(qiáng)電的工業(yè)服務(wù)的，故常將它歸屬于電工類。電力電子技術(shù)的內(nèi)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(dǎo)體為基本材料，常用的材料為單晶硅；它的理論基礎(chǔ)為半導(dǎo)體物理學(xué)；它的工藝技術(shù)為半導(dǎo)體器件工藝。近代新型電力電子器件中大量應(yīng)用了微電子學(xué)的技術(shù)。電力電子電路吸收了電子學(xué)的理論基礎(chǔ)，根據(jù)器件的特點(diǎn)和電能轉(zhuǎn)換的要求，又開發(fā)出許多電能轉(zhuǎn)換電路。這些電路中還包括各種控制、觸發(fā)、保護(hù)、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(yīng)用對象的不同，組成了各種用途的整機(jī)，稱為電力電子裝置。這些裝置常與負(fù)載、配套設(shè)備等組成一個(gè)系統(tǒng)。電子學(xué)、電工學(xué)、自動(dòng)控制、信號檢測處理等技術(shù)常在這些裝置及其系統(tǒng)中大量應(yīng)用。

　　控制方案

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

　　1、PLC

　　整個(gè)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(guān)、熱敏電阻、變頻器故障反饋等設(shè)備的信號狀態(tài)；PLC主要是指數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)的可編程邏輯控制器，用于控制機(jī)械的生產(chǎn)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(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)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(jī)械或生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種采用微型計(jì)算機(jī)技術(shù)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(gè)人計(jì)算機(jī)（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(shè)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(zhì)量優(yōu)良，功能強(qiáng)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(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS傳送速度可在 9.6kbaud~12Mbaud范圍內(nèi)選擇且當(dāng)總線系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，所有連接到總線上的裝置應(yīng)該被設(shè)成相同的速度。廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。PROFIBUS是一種用于工廠自動(dòng)化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)。可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)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(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場設(shè)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(biāo)準(zhǔn)。目前在多種自動(dòng)化的領(lǐng)域中占據(jù)主導(dǎo)地位，全世界的設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)已經(jīng)超過2000萬。它由三個(gè)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(dòng)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

　　設(shè)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(shè)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(gè)過程數(shù)據(jù)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際值，包括變頻器準(zhǔn)備好、上電應(yīng)答、運(yùn)行、轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證OK、變頻器故障、電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)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(dòng)信號、故障復(fù)位信號及實(shí)際頻率給定等。

　　3、先進(jìn)的人機(jī)界面系統(tǒng)

　　TP270觸摸屏和PLC之間也采用Profibus總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與交換，實(shí)時(shí)地顯示和監(jiān)控各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)及電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、速度等運(yùn)行參數(shù)，并能利用自身故障實(shí)時(shí)診斷系統(tǒng)對故障現(xiàn)象進(jìn)行判斷，記錄故障時(shí)的各種參數(shù)，這樣，操作人員和檢修人員就可以全面及時(shí)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(dá)到準(zhǔn)確、快速排除故障的效果，真正實(shí)現(xiàn)了人機(jī)智能化。人機(jī)界面（又稱用戶界面或使用者界面）是系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行交互和信息交換的媒介，它實(shí)現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。凡參與人機(jī)信息交流的領(lǐng)域都存在著人機(jī)界面。

　　人機(jī)界面（Human–Machine Interaction，簡稱HMI），是人與計(jì)算機(jī)之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。是指人和機(jī)器在信息交換和功能上接觸或互相影響的領(lǐng)域或稱界面所說人機(jī)結(jié)合面，信息交換，功能接觸或互相影響，指人和機(jī)器的硬接觸和軟觸，此結(jié)合面不僅包括點(diǎn)線面的直接接觸，還包括遠(yuǎn)距離的信息傳遞與控制的作用空間。人機(jī)結(jié)合面是人機(jī)系統(tǒng)中的中心一環(huán)節(jié)，主要由安全工程學(xué)的分支學(xué)科安全人機(jī)工程學(xué)去研究和提出解決的依據(jù)，并過安全工程設(shè)備工程學(xué)，安全管理工程學(xué)以及安全系統(tǒng)工程學(xué)去研究具體的解決方法手段措施安全人機(jī)學(xué)。它實(shí)現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。凡參與人機(jī)信息交流的領(lǐng)域都存在著人機(jī)界面。現(xiàn)在大量運(yùn)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(jìn)行機(jī)械或設(shè)備的操作，如把手、開關(guān)、門、指令（命令）的下達(dá)或保養(yǎng)維護(hù)等，而輸出指的是由機(jī)械或設(shè)備發(fā)出來的通知，如故障、警告、操作說明提示等，好的人機(jī)接口會(huì)幫助使用者更簡單、更正確、更迅速的操作機(jī)械，也能使機(jī)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(jī)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(diào)速系統(tǒng)

　　1）起升工況及要求

　　起升機(jī)構(gòu)要求較大的調(diào)速比和較硬的機(jī)械特性，以適應(yīng)重物的吊裝要求；要求有大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)能力，以適應(yīng)負(fù)載突變，保證重載二次起升的能力。

　　2）變頻功能應(yīng)用

　　根據(jù)起升機(jī)構(gòu)特性和技術(shù)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(zhuǎn)矩控制，通過預(yù)勵(lì)磁功能和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩設(shè)定，使電機(jī)啟動(dòng)瞬間力矩可達(dá)300%,實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的啟動(dòng)特性。內(nèi)置制動(dòng)斬波器，外接制動(dòng)電阻，使制動(dòng)過程中的產(chǎn)生的再生能量通過制動(dòng)電阻得到釋放，達(dá)到快速制動(dòng)的目的。

　　3） 參數(shù)設(shè)置

　　99. 1=ENGLISH 選擇語言。

　　99. 2=CRANE 選擇起升專用宏。

　　99. 3=YES 復(fù)位為工廠設(shè)置。

　　99. 4=DTC 選擇直接轉(zhuǎn)矩控制。

　　99. 5=380V 設(shè)定電機(jī)額定電壓為380V.

　　99. 6=286A 設(shè)定電機(jī)額定電流為286A.

　　99. 7=50HZ 設(shè)定電機(jī)額定頻率為50HZ.

　　99. 8=722rpm 設(shè)定電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為722轉(zhuǎn)/分。

　　99. 9=150KW 設(shè)定電機(jī)額定功率為150KW.

　　99.10=STANDARD 選擇標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)型電機(jī)數(shù)據(jù)辯識。

　　10.1=DI1 設(shè)置數(shù)字輸入1為制動(dòng)應(yīng)答信號。

　　14.1=BRAKE LIFT 設(shè)置繼電器輸出1為機(jī)械制動(dòng)控制。

　　14.2=WATCHDOG-N 設(shè)置繼電器輸出2為看門狗，當(dāng)發(fā)生到通訊故障、制動(dòng)斬波器故障、CPU阻塞等故障時(shí)切斷制動(dòng)器輸出并急停。

　　14.3=FAULT 設(shè)置繼電器輸出3為故障輸出，當(dāng)發(fā)生過電流、過電壓、過力矩、過載、過速度等故障時(shí)保護(hù)裝置動(dòng)作。

　　20.1= -722rpm 設(shè)置轉(zhuǎn)速為-722轉(zhuǎn)。

　　20.2=722rpm 設(shè)置轉(zhuǎn)速為722轉(zhuǎn)。

　　20.6=OFF 關(guān)閉直流過電壓控制器。

　　21.1=CNST DC MAGN 設(shè)置啟動(dòng)特性為恒定勵(lì)磁模式。

　　21.2=600ms 設(shè)置預(yù)勵(lì)磁時(shí)間為600ms.

　　27.1=ON 激活制動(dòng)斬波器的控制。

　　27.2=ON 激活制動(dòng)電阻器的過載保護(hù)功能。

　　30.4= FAULT 選擇電機(jī)過溫時(shí)的保護(hù)類型為故障跳閘停車。

　　30.10=FAULT 選擇電機(jī)缺相時(shí)的保護(hù)類型為故障跳閘停車。

　　30.11= FAULT 選擇電機(jī)發(fā)生接地故障時(shí)保護(hù)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(shí)的保護(hù)類型為故障跳閘停車。

　　50.1=1024 設(shè)定編碼器每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)為1024.

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

　　50.3=FAULT 設(shè)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(shí)的保護(hù)類型為故障跳閘停車。

　　50.5=TRUE 選擇將編碼器模塊的實(shí)際速度反饋用于速度和轉(zhuǎn)矩控制。

　　61.1=110% 設(shè)定當(dāng)電機(jī)速度值超過額定速度的110%時(shí)，傳動(dòng)將跳閘并顯示過速度故障。

　　62.1=TRUE 選擇激活轉(zhuǎn)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(jī)停止后只在65.2的時(shí)間內(nèi)保持勵(lì)磁。

　　65.2=5s 選擇電機(jī)停止后電機(jī)勵(lì)磁電流保持on的時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)電動(dòng)機(jī)保持勵(lì)磁并隨時(shí)準(zhǔn)備快速重起。

　　66.1=TRUE 選擇轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證功能有效。

　　66.3=100% 選擇轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證有效值。在啟動(dòng)時(shí)，只有當(dāng)電機(jī)力矩達(dá)到該值并通過驗(yàn)證時(shí)才會(huì)發(fā)出抱閘打開指令。

　　67.1=2S 設(shè)定制動(dòng)施加時(shí)間為2S,當(dāng)停止時(shí)電機(jī)速度下降到零速值，抱閘開始閉合，在此時(shí)間內(nèi)電機(jī)保持力矩，直至抱閘閉合完閉。防止重物下滑溜鉤。

　　67.2=2% 設(shè)定相對零速值為2%,在當(dāng)實(shí)際速度達(dá)到該值以下時(shí)，制動(dòng)器開始閉合。

　　67.09=P67.10 選擇啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩調(diào)用P67.10的值。

　　67.10=100% 設(shè)定啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩給定值為100%.

　　69.2=3S 設(shè)定上升方向轉(zhuǎn)速從0到100%的加速時(shí)間為3S.

　　69.3=3S 設(shè)定下降方向轉(zhuǎn)速從0到-100%的加速時(shí)間為3S.

　　69.4=2S 設(shè)定上升方向轉(zhuǎn)速從100%到0的減速時(shí)間為2S.

　　69.5=2S 設(shè)定下降方向轉(zhuǎn)速從-100%到0的減速時(shí)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(zhuǎn)距驗(yàn)證

　　轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證用于確認(rèn)在松開抱閘和開始提升運(yùn)行之前傳動(dòng)能夠產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，抱閘沒有打滑。它是將機(jī)械抱閘被施加時(shí)給一個(gè)正的轉(zhuǎn)矩給定（P67.10的值）來完成的。如果轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證成功，則表示轉(zhuǎn)矩達(dá)到了正確的等級，才能執(zhí)行啟動(dòng)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(shí)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(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源的頻率和幅度的方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力傳動(dòng)元件。變頻器是利用電力半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)對交流異步電機(jī)的軟起動(dòng)、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)、改變功率因數(shù)、過流/過壓/過載保護(hù)等功能。

　　機(jī)械制動(dòng)控制

　　變頻器內(nèi)置了制動(dòng)邏輯控制器，用來控制抱閘接觸器的動(dòng)作。當(dāng)接收到啟動(dòng)命令時(shí)，變頻器首先對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行預(yù)勵(lì)磁，然后釋放速度和轉(zhuǎn)矩控制器，如果轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證OK通過，制動(dòng)器將抬起，電動(dòng)機(jī)將按照正常的加速時(shí)間運(yùn)行。如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒有接收到制動(dòng)應(yīng)答信號，傳動(dòng)將故障跳閘并指示制動(dòng)器故障。啟動(dòng)命令撤去之后，傳動(dòng)將按減速時(shí)間減速到相對零速，當(dāng)接到零速信號反饋后，制動(dòng)抬起命令被關(guān)閉，在制動(dòng)施加時(shí)間（即P67.1的值）內(nèi)傳動(dòng)將保持勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩輸出，直至制動(dòng)器閉合完畢，有效地預(yù)防了溜鉤事故的發(fā)生。

　　再生能量的處理

　　重載下降時(shí)電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)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(shí)間盡量縮短。通過設(shè)置20.6=OFF關(guān)閉直流過電壓控制器、27.1=ON 激活制動(dòng)斬波器的控制，設(shè)置P69.04、P69.05選擇合理的減速時(shí)間，當(dāng)重物下降減速時(shí)，所產(chǎn)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(chǎn)生泵升電壓，當(dāng)此電壓超過門限值，制動(dòng)斬波器就會(huì)被激活，把多余的電能通過制動(dòng)電阻快速得到釋放。

　　總結(jié)

　　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(hù)，整個(gè)系統(tǒng)電網(wǎng)適應(yīng)性強(qiáng)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和低速轉(zhuǎn)矩高，速度響應(yīng)快，調(diào)速范圍寬，各檔位速度可任意設(shè)置，加減速時(shí)間可調(diào)，尤其是提升專用軟件，使該起重機(jī)具備了提升機(jī)應(yīng)用所需的全部控制和安全功能，確保了安全可靠地運(yùn)行。

　　該系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來，一直運(yùn)行良好，調(diào)速性能優(yōu)異、定位準(zhǔn)確、操作簡單、故障率低、維護(hù)方便，大大地提高了企業(yè)生產(chǎn)效率，有著廣泛的推廣價(jià)值，必將成為起重設(shè)備電控系統(tǒng)的發(fā)展方向。