PLC控制的龍門起重機變頻調(diào)速系統(tǒng)

目錄文摘

第一章緒論1.1概述

1.2門式起重機電氣傳動系統(tǒng)方案與原理1.2.1門式起重機負載特點

1.2.2轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速

1.2.3晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速

1.2.4直流調(diào)速系統(tǒng)

1.2.5交流調(diào)速系統(tǒng)1.3門式起重機的控制系統(tǒng)方案1.3.1PLC控制系統(tǒng)

1.3.2起重機監(jiān)控系統(tǒng)1.4本課題的工作和意義

1.5本章小節(jié)第二章鋼廠200噸龍門起重機電控系統(tǒng)簡述2.1200噸門式起重機的構(gòu)造

2.2電控系統(tǒng)簡述2.2.1系統(tǒng)功能

2.2.2起重機動作機械聯(lián)鎖保護

2.2.3起重機變頻電動機的選擇

2.2.4其他配置2.3本章小結(jié)第三章起重機變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)3.1變頻器的技術(shù)概要3.1.1變頻調(diào)速的原理

3.1.2變頻器

3.1.3異步機的標量控制

3.1.4異步機的矢量控制3.2起重機的變頻調(diào)速系統(tǒng)3.2.1起重機電機的選用原則

3.2.2起重機變頻器的選用原則3.3鋼廠200噸龍門起重機傳動系統(tǒng)方案3.3.1變頻方案選擇

3.3.2系統(tǒng)組成及特點3.4西門子工程型變頻器SIMOVERTMASTERDRIVES3.4.1功率部分的計算

3.4.2多電機傳動

3.4.3整流/回饋單元

3.4.4AFE整流/回饋單元

3.4.5各種制動方案的比較

3.4.6西門子工程型變頻器技術(shù)特性

3.4.7軟件功能

3.4.8通訊卡

3.4.9系統(tǒng)元件3.5鋼廠200噸門式起重機變頻器選型

3.6本章小結(jié)第四章起重機PLC網(wǎng)絡控制系統(tǒng)4.1PLC及其網(wǎng)絡概述4.1.1PLC

4.1.2PLC網(wǎng)絡4.2鋼廠200噸門式起重機自控系統(tǒng)方案4.2.1自控系統(tǒng)方案原理圖

4.2.2系統(tǒng)說明4.3西門子PLCS7-300功能概述4.3.1S7-300系統(tǒng)功能

4.3.2鋼廠200噸龍門起重機PLC模塊

4.3.3STEP7編程語言

4.3.4全集成的解決方案4.4PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)4.4.1PROFIBUS現(xiàn)場總線簡述

4.4.2PROFIBUS的組成

4.4.3PROFIBUS的存取介質(zhì)

4.4.4PROFIBUS的介質(zhì)存取控制4.4.5PROFIBUS的介質(zhì)存取協(xié)議4.5SCADA/HMI系統(tǒng)

4.6本章小結(jié)第五章起重機系統(tǒng)功能的實現(xiàn)5.1起升機構(gòu)的抱閘控制5.1.1工藝要求

5.1.2控制功能的實現(xiàn)5.2大車行走糾偏控制5.2.1工藝要求

5.2.2控制功能的實現(xiàn)5.3起升機構(gòu)自動同步5.3.1工藝要求

5.3.2控制功能的實現(xiàn)5.4起重機管理系統(tǒng)

5.5本章小結(jié)結(jié)論

參考文獻第一章緒論1.1概述近年來，隨著我國工業(yè)生產(chǎn)、物流事業(yè)的發(fā)展，許多工廠、碼頭、貨場需要大噸位的門式起重機進行安裝作業(yè)。這種門式起重機要求作業(yè)時平穩(wěn)、可靠，有良好的低速就位性能。調(diào)速精度要求比較高。200噸門式起重機是鋼廠大型起重的關(guān)鍵設備，這臺設備的建造是為了提高鋼產(chǎn)品效率。由于這臺設備的重要性，因此要求配備技術(shù)先進、性能可靠的電控系統(tǒng)。傳統(tǒng)起重機的電力拖動系統(tǒng)多采用交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻的方法進行起動和調(diào)速，繼電一接觸器控制，這種控制系統(tǒng)的主要缺點是:1.起重機工作環(huán)境惡劣，工作任務中，電動機及所串電阻燒損及斷裂故障時有發(fā)生。2.繼電一接觸器控制可靠性差，操作復雜，故障率高。3.轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，機械特性軟，負載變化時轉(zhuǎn)速也變化，調(diào)速不理想。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，起重機開始應用變頻器來控制交流電機驅(qū)動起升、行走機構(gòu)并獲得了理想的效果。對于控制點較多的門式起重機，PLC、現(xiàn)場總線技術(shù)開始替代傳統(tǒng)的繼電器控制。通過HMI(人機界面軟件)使得操作界面更友好，下層控制器的歷史數(shù)據(jù)和報等信號等能夠直接讀取，便于控制及進行故障診斷。鋼廠的200噸門式起重機的電氣設計立足于安全，可靠，技術(shù)先進，性能價格比合理，維修方便。因此采用PLC控制的變頻調(diào)速技術(shù)。經(jīng)過詳細的方案論證，最終驅(qū)動系統(tǒng)選擇了西門子公司的整流/回饋直流母線方案，控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線技術(shù)。本文就門式起重機電控系統(tǒng)的選型調(diào)試提出了一種行之有效的方案，并對起重機起升機構(gòu)同步控制，抱閘控制，行走機構(gòu)糾偏控制，現(xiàn)場總線技術(shù)的應用提出了一種解決方案。另外，對調(diào)試過程中遇到的一些實際問題也作了簡單的闡述。1.2門式起重機電氣傳動系統(tǒng)方案與原理1.2.1門式起重機負載特點為了提高生產(chǎn)率以及適應各種工作的要求，起重機的工作速度應該是可控制的尤其是起重機起升機構(gòu)，當輕載和空鉤下降時，在大起升高度升降重物時，為節(jié)省時間，需較高的工作速度，當?shù)踹\危險物品、重載以及進行安裝工作時，為了安全可靠和準確定位，則要求較低的工作速度甚至微速。因此，起重機一般設有速度調(diào)節(jié)裝置，且要求其工作平穩(wěn)可靠、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、調(diào)速范圍大等.對于門式起重機，其核心機構(gòu)是起升機構(gòu)，在起升機構(gòu)上電氣控制調(diào)速必須解決的關(guān)鍵技術(shù)為:1)低頻時能保證恒轉(zhuǎn)矩輸出，以避免低頻時滿負載工況下發(fā)生帶不動負載的現(xiàn)象;2)滿負載時在空中制動停車或再提升時，不產(chǎn)生溜鉤現(xiàn)象;3)電動機減速或重載下放時，再生制動能量必須迅速釋放。對于門式起重機的行走機構(gòu)，為了保證停車位置的準確，也必須將負載按照四象限運行來考慮。下面列舉幾種起重機常用的調(diào)速方案并進行比較。1.2.2轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速傳統(tǒng)的門式起重機多采用繞線式交流異步電動機轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速。繞線式交流異步電動機轉(zhuǎn)子電路串接不同電阻時的機械特性如圖1-1所示。其中，電阻R2>Rl>R，當電動機負載轉(zhuǎn)矩M相同時，轉(zhuǎn)速隨電阻增大而降低.即串接電阻后電動機同步轉(zhuǎn)速no和最大轉(zhuǎn)矩Mmax不變，轉(zhuǎn)差率S增大，轉(zhuǎn)速降低.利用此方法可改善電動機的起動特性和控制工作速度.圖1-1轉(zhuǎn)子串電阻機械特性Figl-1Mechanicalcharacteristicrotorwithresistanceinseries這種方法調(diào)速簡單可靠，成本低，方便維修，缺點是有級調(diào)速，沖擊大，在外接電阻器上功率損耗大，低速時機械特性軟，不易獲得穩(wěn)定的輕載低速，下降工況時調(diào)速困難，故一般與制動器配合使用。1.2.3晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速電動機的晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速是一種較先進的調(diào)速方式，它具有調(diào)速比大，工作可靠，響應速度快等特點，已被國內(nèi)外生產(chǎn)廠家廣泛地用作起重機的主要調(diào)速方式之一。起重機定子調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，是指向繞線式轉(zhuǎn)子異步電動機的定子提供一種電壓可變的電源，轉(zhuǎn)子外串相應段數(shù)的電阻以調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)差率Si，使電動機在穩(wěn)定的工作區(qū)內(nèi)降速運行的一種調(diào)速系統(tǒng)。在繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻不變的情況下，改變電機的供電電壓，其輸出轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比。其特性曲線如圖1-2所示，圖中虛線是2.1倍電動機額定電流時的等電流曲線。由圖1-2可知，臨界轉(zhuǎn)差率不變。電機的臨界轉(zhuǎn)差率SK是由電機的阻抗參數(shù)決定的，若在轉(zhuǎn)子回路串接外部電阻，則可以增加S、值。在繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)子中串以多級電阻(如圖1-3所示)，即可得到一簇曲線，見圖1-4，在電動機定子電壓不變的情況下，其臨界轉(zhuǎn)矩MK保持不變。為了獲得較好的輸出特性，起重機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中幾乎都采用閉環(huán)調(diào)速方式，大多采用轉(zhuǎn)速反饋。其中最常用的測速反饋元件是測速發(fā)電機，也有使用脈沖編碼器的?？傮w來說，晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速方案能平滑調(diào)節(jié)速度.且低速時特性較硬.調(diào)速范圍可達1:10，上升、下降均可調(diào)速.但系統(tǒng)較復雜.尤其是串電阻消耗功率，發(fā)熱量大，維護不方便。1.2.4直流調(diào)速系統(tǒng)直流電動機的轉(zhuǎn)速特性可用下式表示:式中，n一電動機轉(zhuǎn)速;U一電樞供電電壓;R一電樞回路總電阻;Ke一有電機結(jié)構(gòu)決定的電勢常數(shù)式中Ke為常數(shù)，Ia的大小取決于負載轉(zhuǎn)矩，因此直流電動機的調(diào)速方法有三種:(1)調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。改變電樞電壓主要從額定電壓向下調(diào)，電動機額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。(2)改變電動機主磁通只能減弱磁通，從電動機額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)，屬恒功率調(diào)速方法。(3)改變電樞回路電阻Ra改變電阻調(diào)速缺點很多，目前很少采用。自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往一調(diào)壓調(diào)速為主，必要時把調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速兩種方法配合使用。在門式起重機的應用中，滿載時采用調(diào)壓調(diào)速，輕載時采用弱磁調(diào)速。直流調(diào)速調(diào)整性能好，可無級調(diào)速，操作輕便，但設備較復雜，成本高、體積大、噪音大，可靠性差，維護也不方便。1.2.5交流調(diào)速系統(tǒng)由異步電動機的轉(zhuǎn)速公式n=60f1(1-s)/p(1-2)(式中，n為轉(zhuǎn)速,f1為電源頻率，p為極對數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率)可知，異步電動機的轉(zhuǎn)速n近似與供電電源頻率f1成正比。而異步電動機的感應電動勢E1為:(1-3)式中，f1同上式，為繞組的匝數(shù),k1為繞組系數(shù)為磁通，加果忽略電動機定子阻抗壓降，則端電壓U1為(1-4)在改變電源頻率f1實現(xiàn)調(diào)速的過程中，應使電源電壓U1同時增減并使U1/f1為常數(shù)，這樣才能保證電機的磁通不會有大幅度波動，從而保證電機出力的恒定。因此，根據(jù)Ul和f1之間的關(guān)系，可以得出以下三種工作方式:(1)U1/f1為常數(shù)此時電源電壓和頻率均在低于額定值的范圍內(nèi)變化。但隨著電源電壓下降，定子阻抗壓降作用逐漸明顯，將破壞E1/f1為常數(shù)的關(guān)系，使磁通中減少，因而這種工作方式的調(diào)速范圍較小。(2)保持電動機最大轉(zhuǎn)矩Mm恒定若讓電源電壓U1和頻率f1按一定函數(shù)關(guān)系變化，自動補償電動機定子阻抗壓降的影響，保持E1/f1為常數(shù)，就可以使電動機在低頻時的驅(qū)動能力增強。這種工作方式用在額定轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)調(diào)速，適合于驅(qū)動需要較大調(diào)速范圍的恒轉(zhuǎn)矩負載。(3)恒功率和恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速由于不允許電壓U、超過電動機額定電壓，在實現(xiàn)額定轉(zhuǎn)速以上的調(diào)速時，應保持電源電壓不變并為額定值，僅使頻率增加。此時電動機磁通中減少，輸出轉(zhuǎn)矩也隨之下降，但輸出功率近似恒定.這種工作方式用在額定轉(zhuǎn)速以上范圍調(diào)速，適合驅(qū)動恒功率負載。在額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)速仍保持E1/f1為常數(shù)，適合驅(qū)動恒轉(zhuǎn)矩負載。由于起重機起升機構(gòu)負載為恒轉(zhuǎn)矩負載，因此采用恒功率和恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的工作方式完全滿足起重機起升機構(gòu)的需要。變頻調(diào)速是起重機調(diào)速最理想的方案，調(diào)速比可達1:10以上，可實現(xiàn)無級調(diào)速，各擋速度機械特性很硬，重載低速起動和運行穩(wěn)定可靠，加減速時間的設定使各擋起制動速度相當平穩(wěn)。適合起重機起動轉(zhuǎn)矩大、低速大扭矩及負載變化大的工況。具有較高的控制精度，設計有故障顯示、分析及參數(shù)監(jiān)控功能，便于使用和維護，并且易于實現(xiàn)自動控制及遠程控制。所以說，變頻調(diào)速在起重機上的應用具有廣闊的前景。1.3門式起重機的控制系統(tǒng)方案1.3.1PLC控制系統(tǒng)門式起重機的執(zhí)行機構(gòu)工作時需頻繁啟動、制動和正反轉(zhuǎn)，因此要求其電控系統(tǒng)有較高的安全性和可靠性。傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)，由于要考慮各機構(gòu)間復雜的工況聯(lián)鎖和保護報警，采用了大量的時間繼電器和中間繼電器，使控制柜內(nèi)的布線十分復雜，給調(diào)試和維護都帶來不便。采用PLC作控制器，可以用PLC的定時器取代時間繼電器，用軟件編程來實現(xiàn)各機構(gòu)間的多重聯(lián)鎖和保護報警.大大減少了中間繼電器，使系統(tǒng)的設計變得簡單，提高了電氣控制的可靠性。此外，通過PLC還可以實現(xiàn)對變頻器的控制及復雜的工藝要求。門式起重機PLC主要控制功能有:接受主令控制器的速度控制信號，控制吊機的行走，起升動作及速度控制。(1)安全聯(lián)鎖及保護報等信號的處理。(2)起升，行走機構(gòu)的同步控制(3)吊重檢測及閉環(huán)控制(4)輔助系統(tǒng)及電源配電系統(tǒng)的監(jiān)控1.3.2起重機監(jiān)控系統(tǒng)隨著微電子、微機和控制技術(shù)的不斷推新，PLC己發(fā)展成為一種多功能、智能化的綜合控制器.其應用不僅實現(xiàn)了生產(chǎn)過程自動控制，而且還構(gòu)成適合工業(yè)環(huán)境的實時網(wǎng)絡，使系統(tǒng)以單臺PLC控制延伸到大型工業(yè)網(wǎng)絡的分散設備上，采用PLC網(wǎng)絡鏈接通訊，實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的高速傳送與管理，通過SCADA/HMI上位機監(jiān)控管理軟件可實現(xiàn)對起重機智能化的操作管理.上位機監(jiān)控管理軟件的主要功能有:(1)在線功能:實時顯示運行狀態(tài)，圖形模擬，用戶界面友好便于操作。(2)故障報警(3)自動監(jiān)測聯(lián)鎖功能(4)歷史維護數(shù)據(jù)的記錄(5)操作統(tǒng)計與記錄(6)幫助功能(7)系統(tǒng)報告：系統(tǒng)可以實現(xiàn)統(tǒng)計和打印故障報表、操作報告、重復性故障率等相關(guān)數(shù)據(jù)報表。1.4本課題的工作和意義為了適應鋼鐵運輸發(fā)展的需要，鋼廠建造200噸龍門起重機。本課題將圍繞該起重機電控系統(tǒng)的設計，選型及調(diào)試進行闡述。重點放在系統(tǒng)方案選型及調(diào)試。本課題的主要工作有:(1)起重機傳動系統(tǒng)的方案選型(2)起重機控制及現(xiàn)場總線通訊網(wǎng)絡的方案選型(3)起重機電控系統(tǒng)的設計調(diào)試，重點在于起升機構(gòu)的抱閘控制，同步控制，行走機構(gòu)的糾偏控制及安全聯(lián)鎖控制。本課題的意義在于相對于傳統(tǒng)的起重機電控系統(tǒng)，提出了先進的面向未來發(fā)展的變頻調(diào)速系統(tǒng)及PLC網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的一套實際應用方案。對系統(tǒng)選型注意的問題，起重機的特殊控制要求以及調(diào)試進行了綜合分析。對今后同類起重機電控系統(tǒng)的應用有一定的參考價值。1.5本章小節(jié)本章詳細介紹了各種起重機電氣傳動及控制系統(tǒng)的特點，以及對本課題的工作和意義做了闡述。第二章鋼廠200噸龍門起重機電控系統(tǒng)簡述2.1200噸門式起重機的構(gòu)造200噸門式起重機是鋼廠大型起重的關(guān)鍵設備。起重機由主梁，剛性腿，柔性腿，平衡梁，車架等結(jié)構(gòu)組成一個門架，在柔性腿和主梁間設有柔性鉸。并有上小車，下小車，大車行走機構(gòu)，起升機構(gòu)等構(gòu)成各運行機構(gòu)，以適合鋼鐵運輸?shù)囊蟆Ａ碛袧櫥?，電梯，維修起重機等輔助設備協(xié)同構(gòu)成一個整體。2.2電控系統(tǒng)簡述2.2.1系統(tǒng)功能電控系統(tǒng)的供電電源為10KV±5%,50Hz±0.5Hz，經(jīng)1000KVA,l0KV/400V干式變壓器變?yōu)锳C380V,220V電源。本機電器設備分別布置在電氣室，司機室，高壓室，上小車機房，下小車機房，剛性腿下平臺，柔性腿下平臺等。各個機構(gòu)的操作都可在司機室內(nèi)完成。所有操作可由司機一人在司機室聯(lián)動臺完成。系統(tǒng)的功能包括:1.重載翻身本機有三只主鉤，上小車兩只主鉤Ⅰ、Ⅱ，每鉤起重能力100噸。下小車一只主鉤Ⅲ，起重能力120噸。另一只副鉤，起重能力25噸。三只主鉤空中翻身時的最大載重量為200噸。三只主鉤抬吊時的最大載重量為300噸。兩只主鉤抬吊時的最大載重量為200噸。2.吊重差允許上小車兩鉤吊重差最大20噸。3.上小車主鉤Ⅰ,Ⅱ，下小車主鉤Ⅲ能單獨升降，上小車主鉤I,Ⅱ能同時升降。上小車主鉤Ⅰ、Ⅱ和下小車主鉤Ⅲ能同時升降。(其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中的任何一只吊鉤能單獨升降，以完成水平調(diào)整。)4.副鉤單種升降。5.上小車和下小車能單獨行走，亦能共同行走。6.上小車，下小車鉤子的升降能和上小車，下小車行走共同運動。7.大車行走機構(gòu)。剛性腿邊或柔性腿邊，在糾偏時能單獨運動。8.上小車，下小車鉤子的升降能和大車共同運動。9.上小車，下小車的行走能和大車一起運動。10.上小車，下小車鉤子Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的升降能和上小車，下小車行走，大車行走共同運行。11.下小車的主、副鉤不允許同時運行。12.各機構(gòu)都設有行程限位。行程限位設預限位，端限位和極限位各一套。2.2.2起重機動作機械聯(lián)鎖保護(1)起升機構(gòu)起升機構(gòu)包括上小車兩只主鉤Ⅰ、Ⅱ，下小車主鉤Ⅲ和副鉤Ⅳ；其機械聯(lián)鎖保護功能要求如下:表2-1起升機構(gòu)聯(lián)鎖保護功能Tab2-1Liftunitinterlockfunction(2)行走機構(gòu)上小車，下小車行走機構(gòu)機械聯(lián)鎖保護功能要求如下：表2-2上、下小車行走機構(gòu)聯(lián)鎖保護功能Tab2-2Up/Undervehiclemovingunitinterlockfunction大車行走機構(gòu)機械聯(lián)鎖保護功能要求如下:表2-3大車行走機構(gòu)聯(lián)鎖保護功能Tab2-3Gantrymovingunitinterlockfunction2.2.3起重機變頻電動機的選擇起重機采用變頻調(diào)速通常有兩個目的：一是代替繞線式電動機改善起制動性能，使起制動更加平穩(wěn)；二是代替直流電動機在不同的速度下長期穩(wěn)定運行。選擇起重機變頻電動機，要對使用工況，電機特性.變頻調(diào)速原理了解下才能根據(jù)工藝參數(shù)正確選擇。這里不涉及到具體的計算，僅對要注意的事項說明如下:(1)起重機變頻電動機的工作制習慣上對于一般橋式起重機、門式起重機，其起升和運行機構(gòu)電動機的工作制都取為S3，但兩種機構(gòu)的選擇系數(shù)不同。通常比較正確的取法是起升機構(gòu)按S3，運行機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、工作變幅機構(gòu)按S4或S5，非工作俯仰機構(gòu)按S2。電動機的工作制、接電持續(xù)率和起動次數(shù)的作用效果是使電動機發(fā)熱，其綜合影響可以通過發(fā)熱驗算來解決。(2)選擇變頻電動機的基本原則Ⅰ、所選電動機的最小轉(zhuǎn)矩能滿足額定載荷下穩(wěn)定運行的需要;Ⅱ、最大轉(zhuǎn)矩能保證起、制動過程中加速、減速的需要;Ⅲ、溫升不超過允許值。200噸龍門起重機配置的電動機和編碼器:(1)起升Ⅰ、Ⅱ：YTSZ315L-10，110KW兩臺，各內(nèi)置兩只編碼器和超速開關(guān)；(2)起升Ⅲ：YTSZ315M1-10，132KW一臺，內(nèi)置兩只編碼器和超速開關(guān)；(3)副起升：YTSZ280M-8，55KW一臺，內(nèi)置一只編碼器和超速開關(guān)；(4)上小車行走：YTSZ160L-6，11KW四臺，上小車自由輪裝一只編碼器;(5)下小車行走：YTSZ180L-6，15KW兩臺，下小車自由輪裝一只編碼器;(6)大車行走：YTSZ160L-6，11KW十六臺，大車行走兩側(cè)自由輪各裝一只編碼器。2.2.4其他配置(1)行走機構(gòu)在軌道旁每間隔一定間距，設置糾差檢測開關(guān)。(2)夾軌器、錨定系統(tǒng)(3)潤滑系統(tǒng)(4)風速儀(5)稱重傳感器及信號放大系統(tǒng)，用于四只吊鉤(6)電視監(jiān)控系統(tǒng)(用于司機室顯示監(jiān)控)(7)照明系統(tǒng)，配備照明變壓器(8)通訊系統(tǒng)(9)電控室、司機室配置冷暖空調(diào)(10)分電控室、機房、高壓室配置通風機(11)緊急停車在司機聯(lián)動臺上、電氣控制室、剛性腿兩側(cè)、柔性腿兩側(cè)、上小車、下小車設置緊急停車按鈕。(12)大車運行警示裝置在大車的端部裝有四套聲光報警裝置，大車運行時，該報警裝置動作，警示地面人員。2.3本章小結(jié)本章描述了鋼廠200噸龍門起重機的構(gòu)造和電控系統(tǒng)的功能及要求，提出了對電控系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能和整機安全聯(lián)鎖保護。第三章起重機變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)傳統(tǒng)的起重機調(diào)速方法較多，但都存在調(diào)速范圍小、速度穩(wěn)定性差、無法長時間低速下降載荷等缺點，而且系統(tǒng)復雜，可靠性低、維護量大、能耗高。全變頻調(diào)速系統(tǒng)作為一種先進的調(diào)速方案開始在起重機上應用。本章介紹鋼廠200噸龍門起重機的多電機傳動變頻調(diào)速系統(tǒng)方案。3.1變頻器的技術(shù)概要變頻調(diào)速作為一種新型的調(diào)速方法自本世紀初提出以來發(fā)展十分迅速，它在節(jié)能，維護量小，自動控制性能好等方面的優(yōu)點突出。加之近年來電力電子技術(shù)的長足發(fā)展，大大降低了其一次性成本的投入。起重機的動力傳動具有大慣量，四象限運行的特點。因此在了解起重機的工藝要求和各類變頻器的特點后才能正確選擇適用的變頻器和輔件。3.1.1變頻調(diào)速的原理變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖入圖3-1所示。控制器根據(jù)轉(zhuǎn)速的給定值和反饋量(開環(huán)控制和無速度傳感器控制時可無轉(zhuǎn)速傳感器)運用相應的控制算法控制逆變器中功率器件的關(guān)斷時序。恒壓恒頻的三相交流電通過逆變器產(chǎn)生電壓和頻率均可變的三相交流電，供給交流電機的定子，以實現(xiàn)平滑的交流電機調(diào)速。在多數(shù)情況下，把控制器和逆變器合二為一，稱為變頻器。3.1.2變頻器隨著電力半導體器件的發(fā)展，變頻器的發(fā)展也經(jīng)歷了幾個階段。電力電子器件的自關(guān)斷、模塊化、變流電路開關(guān)的高頻化和控制手段的全數(shù)字化，促進了變頻器的小型化、多功能化、高性能化。尤其是控制手段的全數(shù)字化，利用了微機的強大信息處理能力，使軟件功能不斷強化，變頻器的靈活性和適應性不斷增強。隨著網(wǎng)絡時代的到來，變頻器的網(wǎng)絡功能和通信能力不斷加強，它不僅可以與設備網(wǎng)的現(xiàn)場總線相連，還可與信息網(wǎng)交換實時數(shù)據(jù)。衡量變頻器的好壞，主要比較其以下功能:轉(zhuǎn)速控制方法、頻率上升和下降的最快時間、一般靜差率下的最低轉(zhuǎn)速(調(diào)速范圍)、多段速度選擇、載波頻率設定、頻率跨跳功能、速度反饋、定時控制、PI控制、數(shù)字設定、人機界面、網(wǎng)絡通信接口、可編程控制器接口、各種安全保護措施、各種故障診斷和顯示功能等。3.1.3異步機的標量控制由異步機的穩(wěn)態(tài)特性推導出來的恒定壓頻比控制方法只控制變量的幅值，并且給定量和反饋量都是與相應變量成正比的直流量，因此叫標量控制。標量控制是最早在變頻調(diào)速中使用的技術(shù)，其控制原理簡單，實現(xiàn)容易，也能滿足一定的調(diào)速性能要求。(1)轉(zhuǎn)速開環(huán)的壓頻比控制系統(tǒng)一個恒壓頻比的開環(huán)交流調(diào)速系統(tǒng)如圖3-2示，它采用的是偏置線性的壓頻比特性，轉(zhuǎn)速的給定信號n*通過壓控振蕩器(VCO)產(chǎn)生頻率指令信號，電壓指令信號Ui隨轉(zhuǎn)速的給定信號n*變化。U0是在低速時改善機械特性的電壓補償。在開環(huán)系統(tǒng)中，不僅存在靜差，而且速度往往會隨著負載轉(zhuǎn)矩和電源電壓的變化而波動。2)轉(zhuǎn)速閉環(huán)的壓頻比控制系統(tǒng)采用與電機同軸連接的測速發(fā)電機進行實際轉(zhuǎn)速反饋，這種閉環(huán)系統(tǒng)如圖3-3示。圖中，給定速度和實際速度比較，確定速度偏差，然后通過速度調(diào)節(jié)器，決定逆變器的頻率和電壓。速度環(huán)的輸出信號通過電流極限控制器，限制變頻器的電壓和頻率的快速變化。電流反饋只有當電動機電流升到預置的最大值時才起作用，它控制逆變器電流和頻率的變化率。如果僅要求穩(wěn)態(tài)性能，恒壓頻比控制可以勝任大范圍的調(diào)速任務。3.1.4異步機的矢量控制異步電機的數(shù)學模型是一個高階、非線性、強耦合、多變量的系統(tǒng)，通過坐標變換可以使之降階并解耦，但沒有改變其非線性、多變量的本質(zhì)。在標量控制中，動態(tài)性能不夠理想，調(diào)節(jié)器的參數(shù)很難設計，原因在于仍采用單變量系統(tǒng)的控制思想。矢量控制(vectorcontrol)的誕生使交流變頻調(diào)速技術(shù)在精細化方面大大邁進了一步，達到了可與直流調(diào)速系統(tǒng)的性能相當?shù)某潭取Ｊ噶靠刂频幕舅枷刖褪?把異步機經(jīng)坐標變換等效成直流機，然后，仿造直流機的控制方法，求得直流電機的控制:在經(jīng)過相應的反變換，就可以控制交流機了。從本質(zhì)上說，矢量控制也是一種解禍控制。通過坐標變換，它將定子電流分解成磁鏈分量和轉(zhuǎn)矩分量，分別進行控制。矢量控制使得在動態(tài)過程中對電磁轉(zhuǎn)矩進行精確控制成為可能，大大提高了調(diào)速的動態(tài)性能。圖示3-4為矢量控制的基本原理圖。→兩個獨立的控制閉環(huán):一個控制磁通，一個控制力矩?！磐刂破魍ㄟ^磁通轉(zhuǎn)矩特性曲線*(n)得到磁通設定值*。*=常數(shù)(基速范圍內(nèi))*～1/n(弱磁范圍內(nèi))→力矩控制器通過速度控制器得到力矩設定值M*。→實際檢測參數(shù)包括有:測量參數(shù)的坐標轉(zhuǎn)換，電機模型，定子電流分解成磁鏈分量()和轉(zhuǎn)矩分量()磁鏈分量()作用于轉(zhuǎn)子磁通，但有一個時間遲滯，磁通建立時間約200ms至>1s，轉(zhuǎn)矩分量()直接作用干力矩，產(chǎn)生時間約lms(運動控制變頻器)或5ms(一般矢量控制變頻器)。因此磁鏈分量和轉(zhuǎn)矩分量可以獨立控制。定子頻率f用于力矩閉環(huán)控制，定子電壓U用于磁通閉環(huán)控制。實際的矢量控制比下面的方框圖更復雜。值得注意的是低速時的電流模型，電壓模型和溫度模型。3.2起重機的變頻調(diào)速系統(tǒng)3.2.1起重機電機的選用原則1.變頻調(diào)速對電機的要求采用變頻調(diào)速時，由于變頻器輸出波形中高次諧波的影響以及電機轉(zhuǎn)速范圍的擴大產(chǎn)生了一些與在工頻電源下傳動時不同的特征。主要反映在功率因數(shù)、效率、輸出力矩、電機溫升、噪聲及振動等方面。隨著高開關(guān)頻率的IGBT等電力電子器件的使用、PWM調(diào)制、矢量控制、增強型vlf控制方法的應用、使變頻器輸出波形、諧波成份、功率因數(shù)及使用效率得到了很大的改善，有效地提高了變頻控制電機的低速區(qū)轉(zhuǎn)矩。同時由于變頻控制軟件的優(yōu)化使用，使電機可以避開共振點，解決了系統(tǒng)在大調(diào)速區(qū)間內(nèi)可能發(fā)生的共振問題。目前，變頻器己經(jīng)發(fā)展到除非有超同步調(diào)速的要求或1:20以上的大速比低調(diào)速要求或特低噪聲要求外，一般無須選用變頻專用電機作變頻系統(tǒng)的電機?，F(xiàn)在國內(nèi)推出的變頻專用電機由普通電機加獨立風扇組成，以解決電機在低速運轉(zhuǎn)過程中自冷風扇風量不足而引起的電機過熱問題。2.變頻起重機系統(tǒng)中電機的選型起重機起升和運行機構(gòu)的調(diào)速比一般不大于1：20，且為斷續(xù)工作制，通常接電持續(xù)率在60%以下，負載多為大慣量系統(tǒng)。嚴格意義上的變頻電機轉(zhuǎn)動慣量較小，響應速度較快，可工作在比額定轉(zhuǎn)速高出很多的工況條件下，這些特性均非起重機的特定要求。普通電機與變頻電機在不連續(xù)工作狀態(tài)下特性基本一致;在連續(xù)工作時考慮到冷卻效果限制了普通電機轉(zhuǎn)矩應用值，普通電機僅在連續(xù)工作時的變頻驅(qū)動特性比變頻電機稍差。3.電機冷卻西門子變頻器在調(diào)速比為1:20的范圍內(nèi)能確保起重機上普通電機有150%的過載力矩值。此外，起重機電機多用于大慣量短時工作制，通常不工作時間大于或略小于工作時間。電機在起動過程中可承受2.5倍額定電流值，遠大于變頻起動要求的1.5倍值，運行機構(gòu)的電機在以額定速度運行時電機常工作在額定功率以下，因此高頻引起的1.1倍電流值可不予考慮。但若電機要求在整個工作周期內(nèi)在大于1:4的速比下持續(xù)運行則必須采用他冷式電機。4.電機效率國外以4極電機作變頻電機首選極數(shù)，因此時電機有最好的功率因數(shù)和最高的工作效率，使能耗降為最低。高速電機比低速電機在電流小、功率因數(shù)高、電纜截面小及電器配置容量小等方面占有優(yōu)勢。盡管減速器傳動比增大造成了減速器體積的增大，但由于硬齒面減速器的應用，新型耐磨齒輪副及焊接箱體的使用為高速電機驅(qū)動創(chuàng)造了條件。高速電機的使用因電機材料價格遠高于減速器，故電機體積重量的減小使一次性投資及能耗大大降低，具有很高的經(jīng)濟價值。目前，國內(nèi)用于起重機械的4極電機有強迫通風冷卻的YZF型電機等。5.電機起動轉(zhuǎn)矩及電機運行的功率因數(shù)起重機運行機構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量較大，為了加速電機需有較大的起動轉(zhuǎn)矩，故電機容量需由負載功率及加速功率兩部分組成。一般情況下>，電機容量P為(3-1)式中—電機平均起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)若使電機在額定轉(zhuǎn)速下接近滿載運行，且能承受電網(wǎng)電壓的波動，并通過1.1倍試驗載荷，則要求電機的過載力矩倍數(shù)大于1.5倍，或適當增加加速時間，減小加速功率。對每小時作20多個循環(huán)的起重機來講，運行機構(gòu)的加速時間可在5-10s調(diào)整，有利于機構(gòu)的平穩(wěn)運行。起重機起升機構(gòu)的負荷特點是起動時間短(1～3s)，只占等速運動時間的較小比例；轉(zhuǎn)動慣量較小，占額定起升轉(zhuǎn)矩的10%～20%，其電機容量P為(kW)(3-2)式中一起重機額定提升負載，kg-額定起升速度，m/s—重力加速度，=9.81m/s2—機構(gòu)總效率為使電機能提升1.25倍試驗載荷，能承受電壓波動的影響，其最大轉(zhuǎn)矩值必須大于2否則必須讓電機放容，從而降低電機在額定運行時的工作效率。6.電機選型當機構(gòu)速比大于1:4時，可根據(jù)起重機的工作級別及接電持續(xù)率的要求選用YZF24型(帶他冷風扇)電機，這樣可保證系統(tǒng)的工作效率，提高電機運行時的功率因數(shù)。過大的電機容量往往會使逆變器輸出電流脈動增大，過流保護動作妨礙電機的正常工作，降低電機功率因數(shù)。盡管Y型電機在額定工作狀態(tài)的效率大于YZ型電機，但在加速過程中YZ型電機效率卻大于Y型電機。而起重機運行機構(gòu)加速過程在總工作周期內(nèi)是不容忽視的，故起重機以YZ型電機與變頻器配套使用更為有利。3.2.2起重機變頻器的選用原則起重機各機構(gòu)負載為恒轉(zhuǎn)矩負載，普遍選用帶低速轉(zhuǎn)矩提升功能的電壓型變頻器。1.起升機構(gòu)起升機構(gòu)平均起動轉(zhuǎn)矩一般來說可為額定力矩值的1.3～1.6倍。考慮到電源電壓波動因素及需通過125超載試驗要求等因素，其最大轉(zhuǎn)矩必須有1.8～2倍的負載力矩值，以確保其安全使用的要求。通常對普通鼠籠電機來講，等額變頻器僅能提供小于150%超載力矩值，為此可通過提高變頻器容量(YZ型電機)或同時提高變頻器和電機容量(Y型電機)來獲得200%力矩值。此時變頻器容量為式中電機的功率因數(shù)，起升額定負載所需功率,kW電機效率，變頻器容量,KvaK—系數(shù)，K=2起升機構(gòu)變頻器容量依據(jù)負載功率計算，并考慮2倍的安全力矩。若用在電機額定功率選定的基礎上提高一擋的方法選擇變頻器的容量，則可能會造成不必要的放容損失。在變頻器功率選定的基礎上再作電流驗證，公式如下:式中變頻器額定電流,A電機額定電流，A2.運行機構(gòu)當運行電機在300s內(nèi)有小于60s的加速時間t的并且起動電流不超過變頻器額定值的1.5倍時，變頻器容量可按下式計算式中K-電流波形補償系數(shù)，PWM方式K=1.05～1.1-負載轉(zhuǎn)矩，N·m-總轉(zhuǎn)動慣量對電機軸的折算值，kg·mtA-加速時間，sN-電機額定轉(zhuǎn)速，r/min當運行電機在300s內(nèi)電機有大于60s加速時間tA時，變頻器容量按下式取值(3-5)3.標準電機的負載特性當起重機各機構(gòu)有速比要求時，對變頻器則有放容要求，其放容量與機構(gòu)接電持續(xù)率有關(guān)，其值見圖3-5.4.電流驗證以上公式均以負載功率作為變頻器容量計算的基本參數(shù)，相同功率不同極數(shù)的電機有不同的額定電流。故最終尚需驗證電機和變頻器額定電流，即（3-6）5.多電機驅(qū)動時變頻器容量的選擇電壓型變頻器可以一臺變頻器驅(qū)動多臺電機，其并聯(lián)運行且變頻器短時過載能力為150%,60s時，如電機加速時間在300s內(nèi)有小于60s的加速時間,則通過軟件設計將變頻器控制的電機起動電流控制在電機額定電流的1.5倍內(nèi)，K=1.5。即有(3-9)(3-10)當在300s內(nèi)有大于60s的加速時間時，則且必須式中-負載所要求的電機軸輸出功率-并聯(lián)電機的臺數(shù)-同時起動的臺數(shù)-電機效率，0.85cos-電機的功率因數(shù)，cos0.75-連續(xù)容量，kVAKs-電機起動電流與電機額定電流之比值-電機額定電流，AK-電流波形的修正系數(shù)，PWN方式取1.05～1.1-變頻容量，kVA-變頻器額定電流，A6.輔件選擇如圖3-6所示，變頻器系統(tǒng)器件由斷路器1、接觸器2、電抗器3、變頻器4、制動電阻5及制動單元6組成。1.斷路器為避開變頻器投入時直流回路電容器的充電電流峰值，為變頻器配置的斷路器容量為電機額定電流的1.3-1.4倍，整定值為斷路器額定值的3-4倍。2.接觸器接觸器在變頻器主回路中僅在變頻器輔助器件或控制回路故障時起斷開主回路的作用，一般不作回路開斷器件用，故可按電機額定電流選用接觸器容量，無須按開斷次數(shù)考核其電壽命。3.交流電抗器當變頻器直接連接于一個大容量的電源變壓器(500kVA以上或離電源變壓器很近安裝)時，或電網(wǎng)回路中接有移相電容器，在變頻器投切或電力電容器的投切過程中可能會在電網(wǎng)中產(chǎn)生過峰值電容，致使變頻器損壞。為此，在變頻器的輸入端加接交流電抗器，以抑制變頻器造成的高頻峰值電流，或電容器開斷造成的峰值電流對變頻器的危害。同時，交流電抗器的接入還可起到降低電機噪聲、改善起動轉(zhuǎn)矩、在電機輕載時改善電機功率因數(shù)的作用。交流電抗器容量按電機容量配置，式中L-電抗器容量,HU-額定電壓，VI-電機額定電流，A;電抗電流值為電機額定電流的1.1～1.2倍F-最大周波數(shù)，Hz4.制動單元為減小大慣性系統(tǒng)的減速時間，解決變頻器直流電路上的過電壓問題，常在其直流電路中加接一檢測直流電壓的晶體管。一旦直流回路電壓超過一定的界限，該晶體管導通，并將過剩的電能通過與之相接的制動電阻器轉(zhuǎn)化為熱能耗。在能量消耗的同時加速了轉(zhuǎn)速的減小，該能量消耗得愈多，制動時間愈小，此裝置即為變頻器的制動單元。5.制動電阻器借助制動單元，消耗電機發(fā)電制動狀態(tài)下從動能轉(zhuǎn)換來的能量。6.電纜選擇由于高次諧波的驅(qū)膚效應，電纜的實際使用面積減小，單位實際工作電阻增大，電纜壓降有增大的趨勢，故所配電纜一般大于常規(guī)使用值。7.濾波電抗濾波電抗器有進出線之分，均有抑制高次諧波、抗干擾及降低噪聲的作用，因此在調(diào)速變頻系統(tǒng)中不用輸出濾波電抗。3.3鋼廠200噸龍門起重機傳動系統(tǒng)方案3.3.1變頻方案選擇對于門式起重機，其核心機構(gòu)是起升機構(gòu)，在起升機構(gòu)上采用變頻調(diào)速必須解決的關(guān)鍵技術(shù)為:(1)低頻時能保證恒轉(zhuǎn)矩輸出，以避免低頻時滿負載工況下發(fā)生帶不動負載的現(xiàn)象;(2)滿負載時在空中制動停車或再提升時，不產(chǎn)生溜鉤現(xiàn)象;(3)電動機減速或重載下放時，再生制動能量必須迅速釋放。目前，從市場上的變頻器種類來看，一般分為兩大類:一種是一般用途變頻器，僅適用于通風型或反應性負載;另一種是矢量控制變頻器，適用于如起升機構(gòu)這類位能性負載。而在這類變頻器中，對再生制動能量的處理方式有兩種:一種是用制動單元和制動電阻來吸收;另一種是通過在直流側(cè)設置逆變橋使之回饋到電網(wǎng)。在變頻器驅(qū)動電動機的方式上，又分為單變頻器驅(qū)動方式和公共直流母線的多逆變器驅(qū)動方式。基于以上的分析，對于這臺門式起重機，其電氣傳動系統(tǒng)選擇哪一類變頻方案最為合理呢?按照起升機構(gòu)的負載特性，首先應該選擇矢量控制變頻器，這樣才能滿足上述分析的起升機構(gòu)使用變頻調(diào)速的三要點。由于行走機構(gòu)為多電機傳動，所以優(yōu)先采用公共直流母線下的多逆變器驅(qū)動方式，使系統(tǒng)電路簡潔、緊湊。再生制動能量采用回饋到電網(wǎng)的方式，這是因為考慮到起升機構(gòu)重載下放時長時間的制動轉(zhuǎn)矩必須由大量的制動電阻來吸收的因素。另外，當任意兩個以上的機構(gòu)同時運行，某一機構(gòu)傳動電動機處于再生制動狀態(tài)時，其再生制動能量可經(jīng)直流母線直接供給處于電動狀態(tài)的電動機，從而大大提高能量的再生利用率。3.3.2系統(tǒng)組成及特點系統(tǒng)采用由德國SIEMENS公司近年來推出的SIMOVERTVC多電機傳動矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)。它由一個整流/回饋單元加多個逆變器組成，逆變器的數(shù)量取決于整個電氣傳動系統(tǒng)所需的逆變器個數(shù)。整流/回饋單元為各逆變器提供公共直流母線(COMMONDCBUS)，它除設有整流橋外，還設有逆變橋，當電機處于減速或重載下放工況使直流母線電壓升高時，其內(nèi)部晶閘管逆變橋開始工作，并將再生制動能量回饋至電網(wǎng)，從而使系統(tǒng)實現(xiàn)四象限可逆運行。電氣傳動系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖3-7所示。圖3-7鋼廠200噸龍門起重機傳動電氣系統(tǒng)圖Fig3-7200Tgantrycranedrivesystemdrawin整機采用AC380V低壓供電，三相交流電源經(jīng)低壓配電柜接至整流/回饋單元。在整流/回饋單元外圍電路中增加了進線電抗器和自禍變壓器，整流/回饋單元提供公共直流母線給各機構(gòu)逆變器。3.4西門子工程型變頻器SIMOVERTMASTERDRIVES鋼廠的200噸龍門起重機采用了西門子工程型變頻器SIMOVERTMASTERDRIVES。西門子工程型變頻器SIMOVERTMASTERDRIVES矢量控制是全數(shù)字技術(shù)的，功率部分采用IGBT的電壓源型交流變頻傳動裝置。它給傳動裝置帶來快速性，更高的精度，更高的可靠性，同時效率也更高。SIMOVERTMASTERDRIVES工程型變頻器具有統(tǒng)一的操作員控制策略。另外，對所有的變頻器，參數(shù)化單元，控制面板，控制程序，服務程序，操作員控制以及設備應答都是一致的。功率范圍從2.2KW-SOOOKW,根據(jù)功率大小分為書本型，裝機裝柜型和柜機。電壓范圍從3相380V到690VAC,允許供電電壓有較大的偏差(-15%-+10%)。MASTERDRIVES的硬件和軟件都采用完全統(tǒng)一的模塊化設計。眾多的功能塊包含在基本軟件中，用于算術(shù)控制，閉環(huán)控制和邏輯控制，以保證完成最優(yōu)的控制性能。附加的功能模板不僅可以完成與電機相關(guān)的控制功能，也可以完成特殊的分布式過程控制。SIMOVERTMASTERDRIVES變頻器之間不僅可以通過任何總線系統(tǒng)進行通訊，而且可以與SIMATIC和其它自動化系統(tǒng)之間進行通訊。3.4.1功率部分的計算1.變頻器和逆變器連續(xù)工作時的額定值變頻器和逆變器是在指定電源電壓或中間回路電壓下用于電動機的長時工作。變頻器和逆變器的額定電流I，是按西門子公司6極標準電機的額定電流表計算。功率部分通過I2t監(jiān)視器做過載保護。長時工作的額定電流可輸出Iun，如果超出額定電流的工作周期超過60s,裝置達到它的最大允許工作溫度，因此不允許再過載。2.變頻器和逆變器的過載能力最大過載電流允許達到額定電流的1.36倍。當傳動設備剛投入電源時，其過載時間可達到60s，因為此時變頻器尚未達到最大允許溫度。當過載前電流小于額定電流時，才允許有1.36倍額定電流的過載能力。因此當傳動設備根據(jù)負載情況需要過載時，必須使其基本電流僅為額定電流的91%，基于此基本負載電流，裝置在工作周期為300s時，可以在60s的有1.5倍過載。過載定義同樣適用于整流單元，整VI/回饋單元。當Masterdrives安裝在海拔高度>1000m和環(huán)境溫度>40度時要考慮減載系數(shù)。3.傳動計算的注意事項平方負載轉(zhuǎn)矩工作制具有平方負載轉(zhuǎn)矩工作制(M～n2)，如泵和風機，在額定轉(zhuǎn)速時需要滿轉(zhuǎn)矩。在正常時，不會出現(xiàn)提高起動轉(zhuǎn)矩或負載沖擊，也不需要變頻器的過載能力。為了選用一臺平方負載轉(zhuǎn)矩的變頻器，必須使變頻器的額定電流在所要求的負載工作點，在滿轉(zhuǎn)矩時，最少是電機的額定電流。恒定負載轉(zhuǎn)矩工作制當電動機和變頻器以恒定負載轉(zhuǎn)矩(M=常數(shù))工作時，在長時工作制(S1)，其轉(zhuǎn)矩允許在60s內(nèi)有50%的過載，因而對起動轉(zhuǎn)矩和加速轉(zhuǎn)矩提供一個足夠的備用。為此，必須使變頻器的基本負載電流在所要求的負載工作點，在滿轉(zhuǎn)矩時，最少是電機的額定電流。3.4.2多電機傳動當多電機傳動時，推薦使用接到直流電壓母線上的逆變裝置。直流電壓母線由交流三相電網(wǎng)通過整流單元，整流/回饋單元或AFE(主動前端)變流器形成。當使用將逆變器接到直流電壓母線回路方案時，同單臺變頻器相比，具有以下優(yōu)點：→如果有一臺傳動裝置工作于發(fā)電狀態(tài)時，可通過中間回路進行能量轉(zhuǎn)換，如果有時出現(xiàn)很大的發(fā)電功率時，如所有傳動裝置同時停車時，則可以采用一個附加的總制動單元。→同單臺變頻器傳動相比較，它有較小的安裝尺寸，因為網(wǎng)側(cè)元件，如熔斷器，接觸器和開關(guān)，及網(wǎng)側(cè)進線電抗器等可以集中采用一次。為了減少對電網(wǎng)的干擾，總整流單元可采用12脈動系統(tǒng)或AFE變流器多電機傳動系統(tǒng)的每臺傳動設備的逆變器按單電機傳動相同的準則選擇其輸出額定電流。3.4.3整流/回饋單元1.整流單元整流單元供電給用于電動狀態(tài)能量和可能是多電機系統(tǒng)工作的逆變器所用得直流母線。整流單元可裝于調(diào)速柜中，構(gòu)成完整的整流柜。整流單元僅能向一定數(shù)量的逆變器供電。流向逆變器側(cè)的中間回路電流不能大于整流單元中間輸出回路額定電流。2.整流/回饋單元整流/回饋單元向逆變器上的直流母線供電，它不僅從三相交流電源取得電動狀態(tài)的能量，而且能將直流母線上的發(fā)電狀態(tài)的能量回饋電網(wǎng)。整流/回饋單元通過兩個互不相干的晶閘管橋來實現(xiàn)，它的發(fā)電狀態(tài)晶閘管橋通過一臺自禍變壓器接到電網(wǎng)上?；仞仒蛴米缘溩儔浩魇沟眉词乖诎l(fā)電狀態(tài)工作時，在所有電機的轉(zhuǎn)速下均可以達到電機的最大轉(zhuǎn)矩。整流/回饋單元的網(wǎng)側(cè)至少需要相對阻抗壓降5%。這可通過電感為4%的網(wǎng)側(cè)進線電抗器或一臺合適的整流變壓器來實現(xiàn)。此外，按標準DINVDE0160整而回饋單元通過一臺進線電抗器實現(xiàn)同電網(wǎng)隔離和限制其對電網(wǎng)的反作用。無論如何相對阻抗壓降不得大于10%e3.4.4AAFE整流/回饋單元核心部件是一個帶有CUSA調(diào)節(jié)板，具有一個電壓中間回路的變頻器。一個由交流三相電網(wǎng)產(chǎn)生的可調(diào)直流電壓。它被稱為中間回路電壓。這個中間回路電壓，幾乎同電網(wǎng)電壓無關(guān)而保持恒定，即使是在電網(wǎng)回饋工作時。中間回路電壓調(diào)節(jié)是基于交流側(cè)的一個電網(wǎng)角度定向的快速矢量調(diào)節(jié)器。它輸入電網(wǎng)一個近似正弦波的電流并在附加接入的電網(wǎng)凈化濾波(Clean-Power-Filter)的幫助下減小對電網(wǎng)的擾動。此外，矢量控制能調(diào)節(jié)功率因數(shù)cos，因而能進行無功補償，其中，系統(tǒng)需用功率優(yōu)先考慮。一個VSB板(電壓識別板)用作為電網(wǎng)角度編碼器，近似于角編碼器工作原理。AFE整流/回饋單元具有以下優(yōu)點:(1)最佳的供電和向電網(wǎng)回饋SIMOVERTMASTERDRIVESAFE有100%電網(wǎng)回饋能力而不需要自耦變壓器。在發(fā)電狀態(tài)工作時不產(chǎn)生損耗功率，就像在制動電阻系統(tǒng)的情況。從電動到發(fā)電狀態(tài)的過渡是無級的，帶有脈沖頻率響應。準確地調(diào)節(jié)中間回路電壓提供對傳動逆變器最佳電源并幾乎同電網(wǎng)電壓無關(guān)。(2)通過帶有電網(wǎng)凈化系統(tǒng)的AFE而僅有最小的電網(wǎng)擾動在SIMOVERTMASTERDRIVESAFE可避免諧波和換向缺口，一直到很小的殘余。在電子調(diào)節(jié)有源部分(AFE變流器)和無源部分(電網(wǎng)凈化濾波器)之間的最佳調(diào)節(jié)使得，輸往電源方向是接近于正弦波的電壓和電流。對電網(wǎng)的擾動實際己不存在。3.4.5各種制動方案的比較下表列出了各種制動方案的比較?？梢钥闯?，AFE(主動前端)整流裝置是性能最優(yōu)的方案，當時造價昂貴。因此在本起重機的方案中，最終選擇了性價比最高的整流/回饋裝置。3.4.6西門子工程型變頻器技術(shù)特性3.4.7軟件功能在標準裝置中具有下列軟件功能:(1)BICO數(shù)據(jù)組(基本/備用設定)這些功能輯上連接過程數(shù)據(jù)組(設定和控制功能)，即它可以在兩個操作源之間進行從手動操作到自動(內(nèi)/外)的轉(zhuǎn)換。例如，從操作面板(端子排、接口、雙向RAM)轉(zhuǎn)換到端子排上(接口、雙向、RAM,操作面板)。(2)設定值約定它可以做為主設定值和附加給定值的總和。設定值不僅可以從內(nèi)部也可從外部約定。內(nèi)部約定如固定電位計設定值，電動電位計設定值，點動設定值。外部約定可以通過模擬量輸入口，串行接口或選件板約定。內(nèi)部固定設定值和電動電位計設定值可以從所有接口通過控制指令進行切換或調(diào)整。(3)功能數(shù)據(jù)組FDS(設定值數(shù)據(jù)組SDS)控制功能包括4個可切換的設定值數(shù)據(jù)組。這些數(shù)據(jù)每個包括，例如4個固定設定值，一個用于諧振頻率的阻塞帶，一個最小頻率，一組斜坡函數(shù)發(fā)生器數(shù)據(jù)組。由此，可以適合于在不同設定值或其他技術(shù)要求上的控制。例如，斜坡函數(shù)發(fā)生器提供了獨立的可調(diào)的加速和減速時間、初始圓弧時間、最終圓弧時間、可調(diào)的制動時的等待時間。(4)工藝調(diào)節(jié)器如用于壓力控制或功率控制。(5)電機數(shù)據(jù)組(MDS)這個控制功能包含有4個電機數(shù)據(jù)組，即對于不同電機可以存貯和選擇開環(huán)和閉環(huán)控制參數(shù)。這樣，一臺或多臺不同電機可以用不同形式的閉環(huán)控制。當在“開機準備”狀態(tài)下進行切換，則控制數(shù)據(jù)組適應電機己參數(shù)設定了的操作數(shù)據(jù)組。(6)電機辨識開環(huán)和閉環(huán)控制參數(shù)預先給定已參數(shù)設定的裝置數(shù)據(jù)組和電機數(shù)據(jù)組。而緊接著進行的直流電流測量和空載測量，使用測量的結(jié)果使參數(shù)的整定值最佳化。這個功能可以很快且簡單地使傳動優(yōu)化。(7)Vdmax調(diào)節(jié)器當直流母線電壓太高時，調(diào)節(jié)器改變頻率，如當整定的下降時間太短時，傳動裝置不致于產(chǎn)生故障而僅需延長下降時間。(8)自動再啟動在電網(wǎng)斷電而且緊接著又恢復時，將裝置投入。它沒有時間限制。(9)動能緩沖只要傳動系統(tǒng)有足夠大的動能，這個功能便能減緩電網(wǎng)斷電或電源擾動的故障。(10)捕捉再啟動它能夠?qū)IMOVERTMASTERDRIVES矢量控制系統(tǒng)接到旋轉(zhuǎn)的電機上。(11)直流電流制動它可以實現(xiàn)無脈沖電阻或發(fā)電回饋的制動，直流制動的激活點可沿下降斜坡進行參數(shù)設定。(12)變頻器一變頻器間同步運轉(zhuǎn)它能將一臺或多臺電機從一組變頻器/逆變器切換到另一組變頻器/逆變器。重疊切換用輸出電抗器實現(xiàn)。為了這個功能，需要一塊TSY板。(13)電機溫度傳感器的計值KTY84用于替告和切斷或熱敏電阻用于誓告和切斷。(14)擺動發(fā)生器利用三角擺動特性，在紡織工業(yè)中輪子傳動的可調(diào)P階躍和同步的輸入和輸出。(15)抱閘控制利用這個功能可對裝在電機軸上的抱閘或外部抱閘進行控制。抱閘的閉合和釋放的延時時間及闡值可參數(shù)設定。3.4.8通訊卡SIMOVERTMASTERDRIVES矢量控制裝置通過多個串行接口可以同上一級PLC系統(tǒng)IPC、OP等進行通訊。接口可以按下列分類:(1)基本方案:在基本裝置上兩個串行接口COMI和COM2在基本裝置上的接口·串行接口1(COM1)在操作和參數(shù)設定單元PMU上。它是一個9針SUBD插頭(X300)，作為RS485或RS232接口。·串行接口2(COM2)在CUVC板上的控制端子排xl0l，作為RS485接口。兩個串行基本裝置接口用USS協(xié)議進行工作，總線能接至多31個用戶，最大傳輸速率38.4(2)選件：用于各種不同傳輸協(xié)議或總線系統(tǒng)的通訊板和接口板。L．USS協(xié)議:USS協(xié)議是SIEMENS公司專用的傳動技術(shù)的傳輸協(xié)議，它一般作為一個標準協(xié)議裝在基本裝置的所有接口上。USS協(xié)議在RS485傳輸系統(tǒng)基礎上其總線工作能力可達最多32個用戶。數(shù)據(jù)交換按主動一從動存取方式。USS協(xié)議僅允許單主動裝置工作，即一臺主動裝置和31臺從動裝置。主動裝置可以是上一級系統(tǒng)，如SIMATICS5，S7,PC或非西門子自動化系統(tǒng)等。SIMOVERTMASTERDRIVES總是作為從動裝置進行工作。2.PROFIBUS-DP和CAN總線PROFIBUS-DP和CAN串行現(xiàn)場總線系統(tǒng)的連接可以通過通訊CBP2(CommunicationBoardPROFIBUSDP)或CBC(communicationBoardCAN)來完成。3.通過SLB(SIMOLINKBoard)通訊板實現(xiàn)MASTER-DRIVES裝置間數(shù)據(jù)快速交換。此外，接口板SCBI和SCB2(SerialCommunicationBoard)也可用于USS協(xié)議和裝置對裝置。所有通訊板和接口板作為選件可以裝在電子箱中。3.除變頻器、逆變器和整流單元外，系統(tǒng)元件可使解決方案同傳動系統(tǒng)的要求相匹配。系統(tǒng)元件分為:·制動單元和制動電阻·電子板選件，如工藝板、通訊板和接口板?！て渌南到y(tǒng)元件，如開關(guān)和保護裝置，進線電抗器、輸出電抗器和無線電干擾抑制濾波器?！ぞW(wǎng)側(cè)進線電抗器網(wǎng)側(cè)進線電抗器減小了變頻器、整流單元和整流/回饋單元的諧波電流，也減小了整流/回饋單元的換向干擾。電抗器的作用同電網(wǎng)短路功率和傳動裝置功率之比有關(guān)。電網(wǎng)短路功率同傳動裝置功率之比推薦>33:1。進線電抗器也能限制由于電源電位的突降(如由于補償設備或接地故障)而產(chǎn)生的電流沖擊。·無線電干擾抑制濾波器(網(wǎng)側(cè)濾波器)無線電干擾抑制濾波器按標準EN55011將在公共電網(wǎng)上，功率至37kW的變頻器、整流單元和整流/回饋單元所出現(xiàn)的無線電干擾電壓限制在BI級上。這種濾波器也能將限制值限制到Al級上。無線電干擾抑制濾波器減小了將用于工業(yè)電網(wǎng)的較大容量的變頻器、整流單元和整流/回饋單元所出現(xiàn)的無線電干擾壓。·輸出濾波電抗器輸出濾波電抗器用于補償在長導線時的容性的充/放電電流及限制在相應電機導線長度下，在電機端子上的dv/dte?！る妷合拗茷V波器(輸出dv/dt濾波器)電壓限制濾波器用于未知或未達到絕緣系統(tǒng)電壓強度的電機?！ふ也V波器正弦波濾波器的作用是使流過所供電的電機的電壓和電流近似于正弦波。在電機電壓為50Hz時使用正弦波濾波器其畸變系數(shù)約5%。3.5鋼廠200噸門式起重機變頻器選型根據(jù)起重機變頻器選擇的基本原則和西門子工程型變頻器MASTER-DRIVE的過載能力和特性，選擇的變頻器如下:1.上小車起升機構(gòu)上小車的兩個起升機構(gòu)采用的是兩臺獨立的交流變頻電動機驅(qū)動。電動機的型號:YTSZ315M2-8,110KW通過起重機工藝要求及負荷計算，選擇功率容量放大一級的逆變器。逆變器型號:6SE7032-6TG60,132KW2.下小車起升機構(gòu)下小車的起升機構(gòu)的電動機型號:YTSZ315L-8,132KW選擇功率容量放大一級的逆變器，型號為:6SE7033-2TG60,160KW副起升機構(gòu)電動機的型號:YTSZ280M-8，55KW選擇功率75KW的逆變器，型號:6SE7031-5TF603.大車行走機構(gòu)本門機大車行走機構(gòu)的剛性腿和柔性腿由各8臺交流變頻電動機驅(qū)動。電動機的型號:YTSZ160L-6,11KW每個門腿機構(gòu)的8臺電動機分一組并聯(lián)連接，各由一套交流變頻調(diào)速器進行控制。逆變器型號:6SE7032-ITG60,110KW大車機構(gòu)運行過程中，通過脈沖編碼器分別檢測剛性腿運行機構(gòu)和柔性腿運行機構(gòu)的速度，實現(xiàn)整個大車運行機構(gòu)的自動糾偏。4.上小車運行機構(gòu)上小車運行機構(gòu)的傳動方案與大車運行機構(gòu)相似，由4臺交流變頻電動機驅(qū)動。電動機型號:YTSZ160L-6,11KW四臺電動機并聯(lián)連接，由一套交流變頻調(diào)速器進行控制。逆變器型號:6SE7031-2TF60,55KW5.下小車運行機構(gòu)下小車運行機構(gòu)有兩臺交流變頻電動機驅(qū)動。電動機型號:YTSZ180L-6,15KW兩臺電動機并聯(lián)連接，由一套交流變頻器控制。逆變器型號:6SE7027-2TD61,37KW6.變頻器選件本系統(tǒng)用到的變頻器選件有:自耦變壓器自耦變壓器為整流/回饋單元工作于再生制動狀態(tài)時提供一個高電壓加于逆變橋上。該電壓為電源電壓的1.2倍，有工作系數(shù)ED=25%和ED=100%兩種類型選擇。針對港口門座起重機的起升機構(gòu)，考慮到重載下放時行程較長，釋放的能量較大，一般應考慮ED=100%。設置自耦變壓器有以下優(yōu)點:一是當系統(tǒng)處在發(fā)電狀態(tài)工作時，在所有電機轉(zhuǎn)速下均可達到電機的最大轉(zhuǎn)矩，二是在小電網(wǎng)和電網(wǎng)電壓有擾動時，有一個較好的適用性。舒適型操作面板(OPIS)用于整流回饋單元及所有逆變器的操作。操作面板(OPIS)是一個可選擇的輸入/輸出裝置，可用于對裝置進行參數(shù)設置。參數(shù)設置是用菜單方式且通過參數(shù)號的選擇及參數(shù)值的輸入來實現(xiàn)。清楚的文字說明極大的方便了參數(shù)的設置。OPIS有一個永久性存儲器將全套參數(shù)組永久的、完整的存儲。因此可以用于參數(shù)設置和從一臺裝置到另一臺裝置參數(shù)組的傳輸。其存儲容量足以存儲如CUVC板的5個數(shù)據(jù)組但不能存儲工藝板(如T100,T300)的數(shù)組。CBP2通訊板用于整流回饋單元及所有逆變器接入Profibus-DP通訊網(wǎng)絡。輸出電抗器用于所有逆變器。輸出濾波電抗器用于補償在長導線時的容性的充/放電電流及限制在相應電機導線長度下，在電機端子上的dv/dt?？傮w來說，鋼廠200噸龍門起重機采用上述變頻調(diào)速控制方案具有以下優(yōu)點:(1)多電機傳動變頻調(diào)速系統(tǒng)是由一個整流/回饋單元十多個逆變器來分別驅(qū)動多臺電動機以代替系統(tǒng)內(nèi)的多臺單個變頻器，它與傳統(tǒng)的一個系統(tǒng)使用多臺單個變頻器的方案相比，具有投資省、電路結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點。(2)各機構(gòu)傳動電動機無論是在減速還是重載下降工況處于再生制動狀態(tài)時，其再生制動能量經(jīng)直流母線側(cè)逆變橋回饋至電網(wǎng)，無需制動電阻等發(fā)熱元件。其獨特的公共直流母線供電方式可使系統(tǒng)內(nèi)處于發(fā)電狀態(tài)的電動機再生制動能量經(jīng)公共直流母線提供給處于電動狀態(tài)的電動機，具有明顯的節(jié)能效果。(3)SIMOVERTVC矢量控制型逆變器具有帶閉環(huán)速度反饋的磁通矢量控制模式，能滿足起升機構(gòu)對調(diào)速硬度、低頻轉(zhuǎn)矩特性及四象限運行的要求;可以長時間低速運行；能有效地防止重載空中溜鉤現(xiàn)象。(4)無需采用機械變速裝置，利用變頻調(diào)速50HZ以上恒功率調(diào)速方式即可將空鉤或只帶吊具工況的起升速度提高一倍，類似于直流電機的弱磁升速方式，可大大提高生產(chǎn)率。(5)該系統(tǒng)與常規(guī)電氣控制方案相比，省去了電動機轉(zhuǎn)子側(cè)的大功率電阻、加速接觸器和電動機正反轉(zhuǎn)交流接觸器，變頻電機也比繞線式異步電動機價格低廉，因而性價比最高。3.6本章小結(jié)本章介紹了變頻調(diào)速的原理，起重機變頻器的應用;重點介紹了鋼廠20噸龍門起重機的電氣傳動系統(tǒng)的方案，特點及變頻器選型;并闡述了整流回饋單元及公共直流母線方案在門式起重機應用的優(yōu)點。第四章起重機PLC網(wǎng)絡控制系統(tǒng)4.1PLC及其網(wǎng)絡概述PLC(可編程序控制器)及其網(wǎng)絡己成為當前工業(yè)自動化的支柱單元之一?，F(xiàn)在PLC已發(fā)展到第四代，具有邏輯控制、過程控制、運動控制、數(shù)據(jù)處理等功能，同時還具有完善的自診斷功能，并正在不斷提高和完善網(wǎng)絡通信能力，在機電一體化產(chǎn)品中應用范圍極廣。考慮到起重機自身的特點及其施工工況，其控制系統(tǒng)性能是關(guān)系到運行狀況好壞進而影響工程進度的重要因素，因此PLC及其網(wǎng)絡在大型設備的狀態(tài)監(jiān)控及在線診斷中有極好的應用前景。4.1.1PLCPLC是以微處理機(CPU)為核心，用作數(shù)字控制的專用計算機，它由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。下面對PLC的工作機理及其工作特性作一淺析。1.準確性高。PL的工作方式通常用循環(huán)掃描方式。PLC對輸入輸出集中進行I/O處理，也只有在I/O掃描期間，外部狀態(tài)才會被讀入CPU內(nèi)部，而在掃描周期的其余大部分時間，不改寫和刷新外部狀態(tài)。通常把循環(huán)掃描周期控制在200ms之內(nèi)比較合理，這個時間比PLC所驅(qū)動的執(zhí)行器的機電時間常數(shù)小得多，這樣，即使在某個掃描周期出現(xiàn)輸入輸出不一致，但當它還來不及使執(zhí)行器發(fā)生錯誤動作，下一個掃描周期正確的輸出就及時將其糾正，實現(xiàn)了PLC實時控制。2.集成度高。PLC集三電(電控、電儀、電傳)于一體，在控制裝置一級就實現(xiàn)了三電一體化。一臺控制裝置就能實現(xiàn)所有的控制功能，適合多種規(guī)模的自動化系統(tǒng)。3.可靠性高。在硬件上它采取了諸如隔離、濾波、屏蔽、接地等一系列措施，在模板機箱進行了完善的電磁兼容性設計，對元器件進行了精心的篩選;更重要的是在軟件方面，它們采用了諸如數(shù)字濾波、指令復執(zhí)、程序卷回、差錯校驗等一系列抗干擾措施、故障診斷、系統(tǒng)一級的冗余配置等技術(shù)措施。4.1.2PLC網(wǎng)絡由于現(xiàn)在PLC一般都有通信的功能，既可以對遠程I/O進行控制，又能實現(xiàn)PLC與PLC、PLC與計算機之間的通信，從而可方便地構(gòu)成分布式的PLC網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。PLC生產(chǎn)廠家常用金字塔結(jié)構(gòu)描述其產(chǎn)品功能(如圖4-1所示)。PLC要實現(xiàn)金字塔的功能，采用單層子網(wǎng)顯然不行，只有采用多級通信子網(wǎng)構(gòu)成復合型拓撲結(jié)構(gòu)，在不同級別子網(wǎng)中配置不同的通信協(xié)議(PLC通信方式分為并行和串行通信兩種，主要以串行通信方式構(gòu)成網(wǎng)絡)不能滿足各層對通信的不同要求。目前，PLC網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)大多由3級或4級總線復合而成，在PLC網(wǎng)絡中配置的通信協(xié)議一般也分為通用協(xié)議及專用協(xié)議兩類，在網(wǎng)絡底層子網(wǎng)及中間層一般采用專用的協(xié)議。其中最底層子網(wǎng)只有物理層、鏈路層及應用層，實時性要求高，常采用I/O方式通信;中間層常采用令牌方式、主從方式控制通信的;而高層子網(wǎng)傳送管理信息，與標準網(wǎng)絡鏈接，其通信協(xié)議大多為通用的。PLC網(wǎng)絡系統(tǒng)主要由過程控制器(PLC)、操作員站、信息站和上位機等組成，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖4-2所示，其中系統(tǒng)以不同的通信方案來滿足網(wǎng)絡不同層次的要求。網(wǎng)絡控制是一個開放的、綜合的、發(fā)布式的自動化網(wǎng)絡系統(tǒng)，采用了SQL、DDE等開放技術(shù)及國際標準，使系統(tǒng)使用方便。它由計算機家族和各種通信組成，通信包括現(xiàn)場總線，局域網(wǎng)。網(wǎng)絡系統(tǒng)可提供過程控制(包括邏輯和順序控制，位置控制，電機傳動調(diào)速控制，報警和時間的記錄，本地或遠程v0的過程接口)、操作者千預、工程服務及管理、通信等功能。PLC網(wǎng)絡系統(tǒng)是功能、結(jié)構(gòu)和信息的綜合反映體。實時過程數(shù)據(jù)庫完全分散到每個PLC，操作站只包括如何顯示及手動控制的信息，它們通過局域網(wǎng)訪問過程數(shù)據(jù)庫，區(qū)域分布的功能可由低層總線來提供，它可以連接分散的1/0單元、控制器和調(diào)速傳動設備。4.2鋼廠200噸門式起重機自控系統(tǒng)方案4.2.1自控系統(tǒng)方案原理圖鋼廠200噸門式起重機自控系統(tǒng)采用西門子S7-300PLC為控制單元，通過Profibus-DP現(xiàn)場總線實現(xiàn)與全數(shù)字式交流變頻器之間的通訊。使用遠程UO模塊及現(xiàn)場總線實現(xiàn)PLC主CPU與各個分站系統(tǒng)之間的通訊。通過MPI總線與上位機通訊。自控系統(tǒng)的總體方案圖見下頁。圖4-3鋼廠PLC控制系統(tǒng)方案圖(1)Fig4-3PLCcontrolsystemdrawing(1)圖4-3鋼廠PLC控制系統(tǒng)方案圖(2)Fig4-3PLCcontrolsystemdrawing(2)圖4-3鋼廠PLC控制系統(tǒng)方案圖(3)Fig4-3PLCcontrolsystemdrawing(3)4.2.2系統(tǒng)說明主機架由電源模塊，CPU(S7315-2DP),Profibus-DP通訊模塊及數(shù)字量輸入輸出模塊組成。CPU的MPI通訊口連接上位機，將采集的外部信號與控制指令與上位機傳送。多點接口協(xié)議(MPI:MultipointInterface)物理層采用RS485標準，總線存取協(xié)議為令牌環(huán)。MPI網(wǎng)絡傳輸速率為19.2K,187.5K，最多連接32個站點。CPU的Profibus-DP通訊口通過光藕模塊OLM連接分散式I/O,Profibus采用光纖環(huán)網(wǎng)，具有冗余功能。Profibus-DP通訊模塊CP342-5連接所有的整流/回饋單元和逆變器裝置，通過Profibus發(fā)送控制變頻器的指令。盡管Profibus-DP的通迅速率達到12Mb/s,通訊站點理論上最多可達127個，但是由于與變頻器的通訊量較大，并且要保障通訊的實時性和可靠性，本系統(tǒng)單獨設置了一條通訊總線與變頻器通訊。主機架的數(shù)字量輸入輸出點用來處理進線電源開關(guān)控制及聯(lián)鎖信號。遠程I/O共有6個機架，包括有左，右聯(lián)動臺控制;剛性腿，柔性腿控制和上，下小車控制。左、右聯(lián)動臺I/O分站包括電源模塊，用于連接至Profibus-DP通訊網(wǎng)絡的接口模塊IM153及數(shù)字量輸入輸出模塊，主要用于處理點動操作及自動(主令控制器)操作的信號及安全聯(lián)鎖控制。剛性腿，柔性腿I/O分站包括電源模塊，用于連接至Profibus-DP通訊網(wǎng)絡的接口模塊IM153,智能化單通道計數(shù)器模塊FM350及數(shù)字量輸入輸出模塊。計數(shù)器模塊用來連接增量型編碼器，從而對行走機構(gòu)進行閉環(huán)同步控制，確定吊車行走的位置。上，下小車控制I/O分站包括電源模塊，用于連接至Profibus-DP通訊網(wǎng)絡的接口模塊IM153,智能化單通道計數(shù)器模塊FM350，數(shù)字量輸入輸出模塊及模擬量輸入模塊。計數(shù)器模塊用來連接增量型編碼器，控制上，下小車行走位置。上小車兩只主鉤，下小車主鉤和副鉤的編碼器通過接口模塊IM153連接至Profibus-DP網(wǎng)絡，由主PLC控制吊鉤的同步。稱重傳感器信號接入模擬量輸入模塊。上位機系統(tǒng)軟件選用iFix，支持通訊。上位機要安裝CP5611通訊卡，通過MPI電纜和主CPU連接。4.3西門子PLCS7-300功能概述S7-300是用來實現(xiàn)中等規(guī)模自動化任務的快速，高性能，通用緊湊型PLC。4.3.1S7-300系統(tǒng)功能S7-300的重點在于為生產(chǎn)制造工程中的系統(tǒng)解決方案提供一個通用的自動化平臺，是用于集中式或分布式結(jié)構(gòu)的優(yōu)化解決方案。S7-300的特點是高效率的組態(tài)和編程，4.3.2鋼廠200T龍門起重機PLC模塊主站)。此模塊通過下列方式分擔CPU的任務:·直接連接增量編碼器·通過集成數(shù)字輸入端直接連接門控信號〔光電傳感器等)·比較功能和通過集成數(shù)字輸出端輸出響應·模塊給編碼器供電。4.3.3STEP7編程語言SIMATIC工業(yè)軟件是一個連接緊密的軟件工具系統(tǒng)，用于SIMATICS7和SIMATICC7PLC以及具有WinAC的基于PC的控制?！に峁┯糜谧詣踊椖克蟹矫婧退须A段方便適用的功能?！ぐ?-標準工具:編程SIMATIC硬件的基礎-工程工具:高級編程語言和基于工藝的軟件-運行時軟件:用于生產(chǎn)過程的即插即用運行軟件-人機界面(HMI)專門用于操作員控制和可視化的軟件SIMATIC工業(yè)軟件?無縫交互式工具STEP7基本STEP7軟件是用于SIMATICS7,C7和WinAC自動化系統(tǒng)的標準工具?！に试S用戶得以使用這些軟件系統(tǒng)的性能·STEP7具有用于自動化項目所有階段的用戶友好的功能:-硬件的配置和參數(shù)化-通訊的定義-編程-測試，啟動和維護-文檔化和歸檔-運行/診斷功能用于將PC連接到MPI和PROFIBUS的部件:PC適配器·用于連接一臺PC到S7自動化系統(tǒng)，而不需要空的槽位?！ず屯ㄟ^CP的MPI連接具有相同的功能性STEP7Professional支持所有IEC語言，·LAD·FBD和·STL這有以下的語言:·順序功能圖和·結(jié)構(gòu)化文本還包括由這些語言所建立的程序的離線仿真。因此，STEP7Professional取代了STEP7,STEP7-GRAPH,S7-SCL和S7-PLCSIM各個軟件包的組合。4.3.4全集成的解決方案隨著自動化技術(shù)的不斷發(fā)展和計算機技術(shù)的飛速進步，今天的自動化控制概念也發(fā)生了巨大的變化。在傳統(tǒng)的自動化解決方案中，自動化控制實際上是由各種獨立的、分離的技術(shù)和不同廠家的產(chǎn)品來搭配起來的，比如一個大型工廠經(jīng)常是由過程控制系統(tǒng)、可編程控制器、上位監(jiān)控計算機、SCADA系統(tǒng)和人機界面產(chǎn)品共同進行控制。為了把所有這些產(chǎn)品組合在一起，需要采用各種類型和不同廠商的接口軟件和硬件來連接、配置和調(diào)試。全集成自動化思想就是用一種系統(tǒng)完成原來由多種系統(tǒng)搭配起來才能完成的所有功能。應用這種解決方案，可以大大簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減少了大量接口部件，應用全集成自動化可以克服上位機和工業(yè)控制器之間，連續(xù)控制和邏輯控制之間，集中與分散之間的界限。同時，全集成自動化解決方案還可以為所有的自動化應用提供統(tǒng)一的技術(shù)環(huán)境，這主要包括:統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理統(tǒng)一的通信統(tǒng)一的組態(tài)和編程軟件基于這種環(huán)境，各種各樣不同的技術(shù)可以在一個用戶接口下，集成在一個有全局數(shù)據(jù)庫的總體系統(tǒng)中。所以技術(shù)人員可以在一個平臺下對所有應用進行組態(tài)和編程任務。由于應用一個組態(tài)平臺，培訓和工程變得簡單，費用也大大降低。4.4PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)現(xiàn)場總線技術(shù)是為了適應現(xiàn)代工業(yè)自動化的發(fā)展而出現(xiàn)的，在現(xiàn)場總線基礎上構(gòu)成的自動控制系統(tǒng)具有現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng)所要求的開放性、集散性、智能化、信息電子化和網(wǎng)絡化等特點。根據(jù)國際電工委員會(IEC)的定義，現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通訊網(wǎng)絡?，F(xiàn)場總線技術(shù)已在歐美各國得到了廣泛應用，幾種主流現(xiàn)場總線標準如PROFIBUS,FF,LONWORKS,CANBUS,HART等己成為一些國家或歐洲標準，世界上許多著名的儀表和PLC制造廠商，都推出了符合某種主流現(xiàn)場總線標準的產(chǎn)品。現(xiàn)場總線代表了工業(yè)控制體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向。PROFIBUS是依照德國國家標準DIN19542和歐洲標準PREN50179的現(xiàn)場總線，由Profibus-DP〔分散外圍設備)、Profibus-FMS(現(xiàn)場總線消息規(guī)格)、Profibus-PA(過程自動化)構(gòu)成完整系列，該項技術(shù)是由Siemens為主的一些德國公司和研究所共同推出，現(xiàn)已為Toshiba,Hitachi等大公司接受。它采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，適合基于PLC的加工自動化過程控制領(lǐng)域的應用，在歐洲的主要國家里占有40%左右的市場份額，并幾乎為所有PLC制造商所接受。PROFIBUS支持主從模式、純主站模式、多主多從模式等，主站對總線具有控制權(quán)，可主動發(fā)信息。對多主站模式，在主站間按令牌傳遞決定對總線的控制權(quán)，取得控制權(quán)的主站，可向從站發(fā)送、獲取信息，實現(xiàn)點對點通訊。4.4.1PROFIBUS現(xiàn)場總線簡述過程現(xiàn)場總線PROFIBUS在歐洲占有較大的市場份額，它是以西門子為主的14家德國公司聯(lián)合提出的，1989年12月成立了PNO,1991年首批產(chǎn)品上市，1998年P(guān)ROFIBUS規(guī)范被列入德國國家標準DIN19245，進而列入歐洲標準PrEN50170。其傳輸速率為9.6-12kbps，最大傳輸距離在12kbps時為100m,1.5mbps時為400m，可用中繼器延長至lOkm，最多可掛接127個站點。從表4-1可以看出，PROFIBUS協(xié)議采用了ISOtOSI模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，必要時還采用了應用層。4.4.2PROFIBUS的組成PROFIBUS由一系列互相兼容的模塊構(gòu)成，按照其應用范圍主要有三種模塊:1.PROFIBUS-FMS1990年德國國家標準DIN19245的第一和第二部分中定義了FMS的功能，歐洲現(xiàn)場總線標