基于PLC數字量方式的變頻器調速控制研究

摘要：港口裝卸離不開門座起重機，當前工業生產規模不斷擴大、國內外貿易往來不斷深入，因此物資交流日益頻繁，門座起重機的運貨量不斷增加，工作結構朝大型化、復雜化方向發展。文章以PLC為核心結合變頻器搭建好硬件控制平臺的基礎，對利用PLC控制變頻器提高門座起重機控制系統的可靠性進行了研究。

關鍵詞：變頻器；調速控制；數字量方式；PLC；港口裝卸；門座起重機 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH137 文章編號：1009-2374（2016）06-0068-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.06.034

本文選擇歐姆龍系列PLC可編程控制器結合變頻器對港口門座起重機機構實現變頻調速控制，促進門座起重機穩定、可靠、高效、安全運行。

1 PLC數字量方式結合變頻器控制調速的優點

PLC可編程控制器結合變頻器在工業工程以及電力工程行業中由于其應用中的突出優勢得到廣泛的推廣。其優勢主要表現在：功能強大，PLC可編程控制器核心CPU具有上千個編程元件，能夠實現復雜的控制功能，在實現網絡通信控制功能的基礎上達到對整個控制系統的統一管理；便利性，PLC可編程控制器控制功能是通過采用梯形語言、語句表實現控制目的的。

對于開發人員的相關計算機專業技術要求不高，尤其是系統的開發周期短，在線調試周期短，無須拆動相關系統硬件；維修性，基于PLC編程控制系統的故障率較低，內部具有自行診斷故障與顯示功能，為維修人員故障診斷與排查提供便利，極大地提高了效率；適應性，PLC可編程控制器產品完全實現標準化，內部功能裝置配置完善，便于用戶選擇，擁有較強的使用適應性，除此之外，PLC安裝便利、負載能力強，能夠驅動交流接

觸器。

2 實例分析與系統設計

2.1 實例概況

作為港口裝卸主要設備之一的門座起重機，其結構、功能及控制流程相對比較復雜，門座起重機的作業要求需靈活、穩定、高效。基于PLC數字量方式的變頻器控制系統能實現對門座起重機的精準控制，提高作業效率，降低故障發生率，縮短船舶駐港時間。本文以MQ4030型號門座起重機為例，利用PLC結合變頻器實現數字式調速控制，促進門座起重機港口作業穩定、高效、安全。

2.2 設計方案

PLC結合變頻器調速控制系統以PLC為主控單元，結合變頻器及外圍電氣元件精確控制門座起重機四大機構電氣系統，達到操作高效、可靠、機構安全的目的。

圖1 系統方案設計圖

2.3 調速系統設計

本文研究的門座起重機控制系統控制功能主要實現對起重機升降機構、變幅機構、旋轉機構、行走機構的控制。四大機構的變頻器調速均采用西門子SINAMICS S120。SINAMICS S120是集V/F、矢量控制及伺服控制于一體的高性能驅動控制系統，變頻器機械設備運動控制功能方面具有十分突出的優勢，一方面能夠對一般的三相異步電動機進行控制；另一方面對同步電機以及直線電機與扭矩電機都能夠實現調速控制的目的。普通變頻器調速采用V/f=C控制。但在負載變化范圍較大的運行情況下，對于控制精度要求十分嚴格。負載低速運轉要求保持穩定的速度以及可靠的負載能力，這就要求選擇矢量控制方式實現負載精確調速的操作。一般情況下矢量控制方式僅僅實現一臺變頻器控制一臺電動機。

控制系統一共采用三臺SINAMICS S120變頻器進行調速，由于起升機構、變幅機構兩大機構運行負載變化范圍大，并且機構運行過程中對于調速控制以及相關其他控制操作要求比較嚴格，兩大機構分別使用一臺變頻器實現閉環矢量調速控制，門座起重機的旋轉機構和行走機構對于調速控制精確度要求不高，因此兩者可共用一臺變頻器，利用接觸器的聯鎖機構使旋轉機構和運行機構不能同時運行。門座起重機的升降與變幅調速控制方式相同，對于旋轉以及行走機構的控制相對簡單。變頻器模擬量輸入端子并接收PLC的模擬量輸出實現對輸出電壓頻率的調節，電機的正反轉及停止制動信號通過采用變頻器的數字量輸入端口設定。為實現對門座起重機升降機構的精確調速控制，在進行調速操作之前需要對變頻器進行相關的參數配置。升降機構的變頻器主要配置參數包括升降機構電動機參數與控制端子變頻器的參數配置。

2.4 硬件選擇

2.4.1 PLC選擇。控制系統可編程控制器選用歐姆龍品牌系列，考慮到控制系統內部功能擴展以及相關容量，選擇型號為CS1G-HCPU45CPU模塊。

2.4.2 變頻器選擇。本文研究的門座起重機控制系統主要功能實現對起重機升降機構、變幅機構以及相關的旋轉機構、行走機構的控制。本控制系統選用變頻器為西門子SINAMICS S120變頻器實現對起重機控制系統的調速功能。

2.4.3 控制網絡通訊。基于PLC的結合變頻器的數字式控制系統的網絡配置是建立在控制系統網絡通信基礎之上的。網絡通信配置主要是指PLC控制器與上位機人機交互界面進行的通信。本文采用Controller Link網絡實現與上位機控制后臺的網絡通信，另外PLC可編程控制器與控制終端現場設備的控制指令通信采用DeviceNet網絡。控制系統內部各硬件之間通信采用歐姆龍CompoBus/D總線網絡。

2.5 變頻器與PLC控制接線

本文基于PLC結合變頻器控制門座起重機控制系統的功能框圖如圖2所示：

圖2 控制功能框圖

3 效果性能評價

（1）門座起重機四大機構調速控制采用變頻器為西門子SINAMICS S120，利用閉環矢量對門座起重機電動機進行控制，將速度增量作為變換反饋量進行偏差控制。滿足電動機調速硬度并保證電動機低轉矩穩定運行。變頻器工作頻率在0Hz工作情況下電動機輸出轉矩能保證門座起重機控制機構在低頻或者滿負載運行條件下的正常工作。（2）門座起重機采用機械式制動器。在起重機起升機構滿負載的情況下，采用變頻器調速控制模式可防止空中制動停車后升降機再次啟動過程中產生溜鉤現象。（3）門座起重機機構作業過程中要求在電機減速或者重載下放的工作條件下必須實現再生制動能量的迅速釋放。門座起重機變頻調速系統中考慮將制動電阻的功率增加一倍，確保再生制動能量的快速釋放。（4）利用PLC可編程控制器結合變頻器實現對門座起重機機構的變頻調速控制，能夠實現在頻率50Hz以下的情況下電動機恒轉矩運轉，從而保證了頻率降低至較小值的情況下依然可維持帶載運行。即便頻率高于50Hz，利用變頻器的恒功率調速特性仍可保證門座起重機機構穩定運行。

4 結語

本文結合工程實例對港口門座起重機基于PLC數字量方式的變頻調速系統進行了分析和研究，重點對系統框架的設計選擇及性能評價進行了分析討論。隨著工業控制技術的不斷發展和提升，圍繞港口門座起重機的控制要求也會越來越高，基于PLC數字量方式的變頻調速系統在港口起重設備的應用將會變得更加廣泛。

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作者簡介：柳強（1972-），男，湖北武漢人，招商港務（深圳）有限公司技術工程部經理，研究方向：港口設備技術管理。

（責任編輯：黃銀芳）