西门子PLC和变频器在铸造起重机控制系统中的应用.pdf

E q u ip me n t T e c h n o lo g y 装备技术 西 门子 P L C和变频器 在铸造起重机控制系统 中的应用 杨清林 济南职业学院 ， 济南市2 5 0 1 0 3 摘要 采用西门子 P L C和变频器 ， 针对铸造起重机传统控制系统存在的问题提 出相应的解决方案。介绍控制 系统的构成， 提出采用附加力矩控制方法防止起重机溜钩， 使用双闭环 P I D控制实现大车位置纠偏， 取得了较高 的控制精度和稳定性， 满足 了生产的需要。 关键词 P L C ； 变频器； 起重机 ； 控制系统 中图分类号 T G 2 3 1． 1； 文献标识码 B ； 文章编号 1 0 0 6 9 6 5 8 2 0 l 1 0 5 - 3 铸造起重机是钢厂冶炼车间以及铸造车间的主要 起重运输设备 ， 用于冶炼过程 中液态金属的转运 、 浇注 及兑铁液等作业， 以其操作简单 、 维护方便、 作业效率 高等优点得到广泛应用。合理的电气控制系统能有效 解决起重机工作过程中出现的诸如溜钩 、大车刚柔腿 位置偏差过大等问题 ， 实现高效 、 安全作业 。 本文介绍了铸造起重机电气控制系统组成 ，在此 基础上针对传统起重机防溜钩方法存在的缺 陷提出了 附加力矩控制方法；将 P L C与变频器结合，采用 P I D 控制解决大车刚柔腿在长距离运行时跑偏 的问题 ， 提 高 了系统的稳定性。 1 控制系统构成 1 控制系统硬件 如图 l 所示 ， 起重机的 P L C控制 网络 由电气房控 收稿 日期 2 0 1 1 0 5 1 9 文章 编号 2 0 1 1 - 0 7 0 作者 简介 杨清林 1 9 8 2 一 ， 男 ， 助教 ， 山东大学在职研究生 中国铸造装备与技术 5 ／ 2 0 1 1 o FM T 4 7 制 中心的西 门子 s 7 4 0 0系列 C P U 4 1 4 2 D P和各控制 分站 的分 布式 E T 一 2 0 0 M 组成 。电气 房 的所 有 E T 一 2 0 0 M站 和司机室的 E T 一 2 0 0 M站通过 P r o fi b u s 连接到 电气房控制 中心主 P L C，交流驱动 系统 采用西 门子 6 S E 7 0系列变频器 ，也通过 P r o fi b u s 连接到主 P L C， 速 度给定 值控制 字和状 态字通过数 据总 线 P r o fi b u s 传 输。 其他各控制分站因为与电气房距离较远， 为减小通 讯 干 扰先 通 过光 纤连 接 到 电气 房 的光 电转 换模 块 O L M， 再通过 P r o fi b u s 与电气房 的从站连接。 控制 中心主 P L C通过 I ／ O模块与外设进行信号传 输 。中央机架有一块工业以太网卡用于 P L C和监控系 统 C MS之间的通讯 ，如 C MS没有连接或停止起重机 的操作不会受到影响。两台西 门子工控机 P C 6 7 7分别 安装在电气房和司机室作为 C M S 显示， 电气房的工控 机还与无线传输模块连接，将实时信息传输到工厂的 综合监测中心， 便于工厂的信息集成化管理。 司机室控制分站采集司机操作台的信号并控制输 出 ， 如开停机 、 起升控制 、 机构行走等。 大车刚柔腿控制 分站采集刚柔腿侧的本地操作、 限位开关、 夹轮器及夹 轨器、 电机温度等反馈信号， 控制大车启停、 夹轮器和 夹轨器开闭、 大车液压站压力调节等。 上下小车控制分 站采集不同吊钩的重量传感器信号 ， 小车限位 、 起升凸 轮等信号 ， 控制小车行走 ， 起升重物等。 2 控制系统软件 工控机 P C 6 7 7上装有 S T E P 7编程软件 用于程序 维护以及在线查找故障， S T E P 7组态配置方便 ， 程序调 试及诊断 I生能优越 ， 简化了控制系统 的调试过程。 工控 机还安装 了 WI N C C组 态软件并开发监控 系统 C MS 。 C MS与 P L C构成 上 、 下位机关系 ， 通过 以太 网连接实 现数据采集和监控。 从 C MS可获取系统所有的重要变 量值 ， 如各机构运行状态 、 各机构位置 、 吊钩重量 、 风速 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m I 裳 术 E q u ip me n t T e c h n o lo g y 等 信息 。C MS的故障显示模块会显示 当前 故障的时 间 、 日期 、 相应 的变量和相应的电气图纸位置 ， 同时历 史故障信息也会保存在数据库 中以便查询和打印。 2附加 力矩 控 制 防止 起 重机 溜钩 在起重机_丁作过程中，处于半空的重物 由于 自重 的原 因在制动器抱 闸抱住 之前或松开之后的瞬间 ， 易 出现停止时下滑的现象 ， 即溜钩。 在起重机变频调速控 制 系统 中， 传统防止溜钩的方法有 以下两种 1 延时开闸 ， 起升命 令发 出后变频器工作 ， 延时 一 段H ,／ I司后打开制动器抱 闸以保证变频器输 出的力矩 达到负载重力力矩。 此操作方式下电机处于堵转状态 ， 延时时间设置不好会给电机带来很大危害 。 2 使用启动脉冲 ， 即在制动器关 闸时记 录变频器 输 出电流值 ，在开闸命令到来时将此 电流值乘上一定 系数 1 0 0 ％作为变频器的附加速度给定送给变频 器 ， 相 当于给负载突加一个向上的力防止溜钩 。 这种做 法的缺点是负载上升和下降需要 的电流不一样 ，启动 脉冲电流值不好掌握 ， 给大了负载就被提起来 ， 给小 了 就 出现溜钩。 图 2为西门子变频器的闭环控制结构 简图，斜坡 函数发生器可以设置加减速时间，启动脉冲防溜钩方 法就是将启动 电流作为附加速度给定 送给速度环 的 P I D调节器 ， 绕过斜坡 函数发生器使系统快速响应 。 图 2变频 器控制结 构 通过对比传统 防溜钩方法的优缺点 ，我们采用电 气制动与机械制动相结合 ，变频器附加力矩控制的方 法很好地解决 了溜钩问题。 在正常停车过程 中， 电机首先 电气减速 ， 当速度降 到程序 中设定值时 ， P L C关断制动器接触器 ， 由制动器 将 电机停止 ，驱动器在电机制动后经过一定时间延时 停止工作 。当按下急停按钮或遇到其他需要紧急停车 的情况时 ， 制动器的接触器立刻被关断 ， 由制动器进行 机械停 车。 如图 3所示 ， 选取远大于系统摩擦力 的 3 0 0 t 负载 测试 ，用西门子 D r i v e Mo n i t o r 软件测量负载上升和下 降时变频器的输 出波形 ，得到稳定运行时变频器输 出 力矩。在上升力矩与下降力矩之间取中间值 ， 实践证 明 略大于下降力矩即可。 在开闸命令到来的时候 ， 将 赋给变频器的转矩附加给定值 ，此时变频器处于零 ， { 1 。 。 | 、 母0 一 ～ 一 一一 ∞ 。 I_ ” ． 恤 。 m 图 3 负载 3 0 0 t 上升 F 降变频器输 出波形 速悬停状态 。当 P L C程序 中控制斜坡 函数使能 的时 候 ， 经过滤波器在 6 0 0 ms 左右切除此转矩附加值 ， 系统 正常运行。 P L C程序中结合测得的负载重量控制附加力矩输 出，此力矩附加值作用在电流环之前的力矩电流限幅 环节 。力矩调节比速度调节需要 的时间短 ， 实时 I生好 ， 充分发挥了西 门子矢量控制变频器 的优点 ，零速满转 矩输 出避免了溜钩现象。 3 使用双闭环 P I D控制实现大车位置纠偏 铸造起重机在实际使用过程中受到各种 因素的影 响 ，如刚柔腿运行 阻力不同 ，机械制造时走轮直径偏 差， 电磁干扰等。 这些因素会造成刚柔腿运行中速度陕 慢不一 ， 造成位置偏差 ， 偏差过大时甚至会扭坏其机械 结构 。 以往不少起重机纠偏系统使用高速计数模块记录 行走 电机 自带测速增量型编码器输出的脉冲数转化为 位置量， 得到位置偏差而去控制纠偏， 但若起重机体积 较大，增量型脉冲编码器信号在长距离传输时易受干 扰 ， 导致测量值不准确。因此我们在刚 、 柔性腿行走检 测轮上安装绝对值编码器， 检测两腿实际位置信号。 绝 对值编码器通过 P r o fi b u s 通讯 ，抗干扰能力 比增量 型 编码器强很多。 为防止检测轮打滑出现检测错误 ， 同样 采集行走 电机 自带测速编码器输出脉 冲， 用 F M 4 5 0模 块采集转换为位置值与绝对值 编码器测量值 比较 ， 有 效提高了系统 的安全性 。为了防止增量型脉冲编码器 与绝对值编码器的测量误差 累积 ，我们在大车轨道侧 安装基准磁块对编码器校准， 提高了测量精度 。 电气纠 偏控制结构如图 4所示 。 从图 4可 以看 出，刚性腿和柔性腿 的速度主给定 开始是一致 的，纠偏时针对柔腿侧增加 了一个位置控 制环。 在刚柔腿位置偏差不超过跨距 的千分之一时， 刚 C FM T 中国铸造装备与技术 5 ／ 2 0 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 腿和柔腿各 自的测速编码器构成 的闭环反馈系统起作 用 。 当速度实际值与给定值存在偏差的时候 ， 此偏差值 被送到变频器 的 P I D调节器 ， 由 P I D调节控制变频器 输出使得速度实际值快速跟随速度给定值。当刚柔腿 位置偏差偏大时，偏差值被送到 P L C的比例运算器 中， 比例运算器使系统响应速度更快。 P L C比例运算器 经计算后输 出速度附加给定值 ，速度主给定和附加 给定共同作用在柔腿变频器的 P I D速度控制器上。此 时即相 当于给柔腿增加 了一个位置控制环，位置环的 运算在 P L C中完成。 变频调速系统中的双闭环 P I D调节 中，内环控制 对象为电动机电流， 外环控制对象为电动机转速。 对于 起重机操作 的恒转矩负载，在磁通恒定 的情况下转矩 电流正 比于电磁转矩 ，快速的电流内环保证电动机输 出力矩的高动态响应 。速度外环则实现速度的快速调 节 ， 消除静差 ， 使系统具有高稳态精度。速度环的测速 编码器作为速度反馈检测元件，将电动机的转速转化 为频率信号 ， 以脉冲的形式送给 P L C高速计数模块测 量 电动机实际转速。当采用无编码器的矢量控制方式 时 ， 变频器通过检测电机 电流送给电机模型分析 ， 转化 为速度反馈送给速度环 P I D调节器 ，速度环的输出作 为 电流环的给定来调节电动机 的电流和转矩 。 电流环通过电流互感器采集电动机电流信号作为 反馈控制依据 ， P I D调节器 的等效时间常数较小 ， 受 到 E q u i p me n t T e c h n o lo g y 装备技术 干扰时 陕速响应 ， 提高了系统的稳定性和抗干扰能力 ， 使电动机输出力矩处于较佳的状态。 P I D控制器的参数整定是控制系统设计的核心内 容， 本系统使用工程整定方法， 即通过在控制系统中进 行试验， 按照工程经验公式对控制器参数进行整定。 整 定过程为在较短的采样周期下让系统工作 ，开始令 、 为零 是积分周期 ， 是微分周期 ， 以确定 比 例增益 P 。 系统给定设为额定的 6 0 ％左右， 将 比例增益 从零开始上调 ， 直至系统阶跃 响应出现振荡为止 ， 反复 测试确定系统 临界振荡时 比例增益 ， P I D控制器 的 比 例增益需按 比例降低 以保证 系统稳定。比例增益确定 后 ， 给 一个较大的初始值 ， 然后逐步下调 ， 直到系 统出现振荡。 确定系统临界振荡时的 ， 留出一定余量 后作为 P I D控制器的积分时间常数。微分时间常数一 般不用， 若需使用时调节方法与比例增益相同。 图 5为采用闭环控制后所测的大车行走给定速度 与实际速度 的波形 ，从现场应用情况来看实际速度能 较好地跟随设定值 ， 加上 P L C的位置环控制后很好地 解决了大车在长距离行走时刚柔腿位置跑偏的问题。 图 5 闭环控制速度波形 4结论 铸造起重机电气控制系统比较复杂，容易出现的 问题在起重机控制 中也比较典型。本文针对设计调试 过程 中出现的问题提出具体 的解决方案 ，改进了传统 控制方法中存在的缺点。将 P I D控制等理论应用到现 场实际中， 充分发挥 了西门子 P L C和变频器在交 流变 频调速系统中的功能 ， 取得了很好 的控制效果。 本系统 中的解决方案 同样可以应用到其他类型起重机 的控制 系统 中。 Th e Ap pl i c a t i o n o f S i e me ns PLC a n d Tr a n s du c e r o n Co nt r o l Sy s t e m o f Fo un dr y Cr a ne Y ANG Qi n gL i n J i n a n P r o f e s s i o n a I C0 l l e g e， J i n a n 2 5 01 0 3． Sh a n d o n g Ch i n a Ab s t r a c t Si e me n s P L C a n d t r a n s du c e r h a v e b e e n a d op t e d f o r s o l u t i o n t o e x i s t i n g p r o b l e ms i n t r a d i t i o n a l c o n t r o l s y s t e m o f f o u n dr y c r a n e．T h e c o n t r o l s y s t e m h a s b e e n i n t r o d u c e d wi t h a n a p p e n d n g mO me n t c o n t r o l me t h o d t o p r e v e n t t h e c r a n e f r O m f al l u r e ． DU O c l o s e d I o o p Pl D c on t r o I h a s b e e n a d o p t e d t o r e a l iz e r e c t i f y i n g de v i a t i o n o f p o s it i o n r e s u l t i n g i n h i gh e r c o n t r o l a c c u r a c y a n d s t ab i l i t y wit h me e t i n g r e qu i r e me n t s f o r p r o d u c t ion ． Ke y wo r d s P L C T r a n s d u c e r Cr a n e； Co n t r o I s y s t e m 中国铸造装备与技术 5 ／ 2 0 1 1 o Fl 、 ， l r 4 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m