衡陽(yáng)鋼管有限公司Φ720分廠的芯棒循環(huán)小車，總負(fù)載60噸左右，最高行走速度1.5m/s ,定位精度±1mm , 最高升降速度0.3m/s ,定位精度±2mm ,分別由一臺(tái)250KW升降電機(jī)，一臺(tái)132KW行走電機(jī)，3臺(tái)55KW夾鉗電機(jī)來(lái)控制，均由AB700S變頻器驅(qū)動(dòng)。

它有11個(gè)工位，每個(gè)工位的行走與升降距離都不一樣，控制相當(dāng)復(fù)雜。而對(duì)于這樣的位能大負(fù)載不僅要求運(yùn)行平穩(wěn)、定位精確，保證其安全可靠，防止溜鉤與意外墜落事故也是尤為重要，否則后果不堪設(shè)想。

在調(diào)試、試生產(chǎn)過(guò)程中由于變頻器參數(shù)未得到優(yōu)化、PLC程序設(shè)計(jì)不合理及未采取恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施而使小車出現(xiàn)了溜鉤、定位失控與墜落事故。后來(lái)我們對(duì)變頻器進(jìn)行了手動(dòng)優(yōu)化，對(duì)程序進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)即編碼器的同步判斷、零速滿轉(zhuǎn)矩與抱閘的同步控制等，經(jīng)反復(fù)調(diào)試后，至今運(yùn)行效果良好。

1、設(shè)備結(jié)構(gòu)圖如下：

圖1設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

2、PLC程序的設(shè)計(jì)

2.1、絕對(duì)值編碼器與增量式編碼器同步的比較

圖2 絕對(duì)值與增量式編碼器比較程序原理圖

控制原理，如圖2所示。

• 程序①②：DB100.DBD4為測(cè)量升降機(jī)構(gòu)升降距離的絕對(duì)值編碼器的值，ID804為電機(jī)尾部速度增量式編碼器的值（編碼器進(jìn)AB700S變頻器，通過(guò) profibus與PLC通訊）由于程序編在循環(huán)中斷組織塊OB33中，故程序?qū)⒏鶕?jù)500MS的固有周期對(duì)兩個(gè)編碼器的值進(jìn)行采樣與計(jì)算。
• 程序③：MD816的值除以100（雙整數(shù)除法）這是因?yàn)樵隽渴骄幋a器裝在電機(jī)尾部由于存在編碼器脈沖數(shù)、機(jī)械減速箱的問(wèn)題故需將其換算與絕對(duì)值編碼器的值保持一致。
• 程序④⑤：將MD820、MD804分別轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)并取絕對(duì)值。
• 程序⑥：將換算后的增量式編碼器的值與絕對(duì)值編碼器的值進(jìn)行比較，MD824大于MD828（絕對(duì)值編碼器丟脈沖）時(shí)則報(bào)升降編碼器計(jì)數(shù)錯(cuò)誤的故障通過(guò)程序立即將變頻器給零速并機(jī)械抱閘，只有查清故障并手動(dòng)將M606.5復(fù)位后才能再次工作。

在試生產(chǎn)過(guò)程中幾次由于絕對(duì)值編碼器故障造成定位失控而撞壞設(shè)備，通過(guò)編制以上程序?qū)蓚€(gè)編碼器的值作比較可以判斷絕對(duì)值編碼器是否工作正常、與增量式編碼器同步與否等，有效地防止了升降小車溜鉤與定位失控事故的發(fā)生。

2.2、零速滿轉(zhuǎn)矩與抱閘的同步控制

一般的位能負(fù)載控制設(shè)計(jì)采用零速滿轉(zhuǎn)矩或抱閘單獨(dú)控制，但各有優(yōu)缺點(diǎn)，我們開(kāi)始采用零速滿轉(zhuǎn)矩控制，在試生產(chǎn)過(guò)程中由于變頻器、編碼器、供電電源等外界因素的影響而造成小車墜落幾次。

我們分析：由于總負(fù)責(zé)有60噸左右，加速度、慣性很大，當(dāng)小車失控意外墜落過(guò)程中，抱閘總會(huì)有滯后而且無(wú)法抱住失控的升降小車，我們決定采取零速滿轉(zhuǎn)矩與抱閘同步控制，程序原理如下圖3所示：

圖3 零速滿轉(zhuǎn)矩與抱閘的同步控制程序原理圖

參數(shù)說(shuō)明：如圖3所示。

AB700S變頻器狀態(tài)字 L0.2-準(zhǔn)備就緒 L1.1-運(yùn)行 L1.7-故障 L0.5-零速 #Enable-變頻器使能（來(lái)自WICC畫面）#Fw-正轉(zhuǎn) #Bw-反轉(zhuǎn) #Valve_抱閘閥 #Control-變頻器控制字 #Speed_Out-給變頻器速度 #E_Stop-外部急停 M606.5為編碼器計(jì)數(shù)錯(cuò)誤。

控制原理：如圖3所示。

• 程序①：在變頻器準(zhǔn)備就緒、沒(méi)運(yùn)行、無(wú)故障、無(wú)外部急停的情況下通過(guò)點(diǎn)擊WICC畫面#Enable將W#16#2控制字與“0”速度送給變頻器，這時(shí)變頻器建立磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)矩（零速滿轉(zhuǎn)矩）。
• 程序②：當(dāng)收到變頻器運(yùn)行信號(hào)(L1.1)1秒后,如果PLC有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)指令則打開(kāi)抱閘(#Valve),確保打開(kāi)抱閘前零速滿轉(zhuǎn)矩已建立； 當(dāng)PLC撤除正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)指令時(shí)只有收到變頻器零速信號(hào)(L0.5)后才關(guān)閉抱閘，確保關(guān)閉抱閘前小車處于靜止?fàn)顟B(tài)，防止抱閘磨損。
• 程序③：當(dāng)撤除WICC畫面#Enable時(shí)，抱閘(#Valve)立即關(guān)閉并在5秒鐘后才給變頻器發(fā)W#16#1停止指令，確保抱閘關(guān)閉前變頻器處于零速滿轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，防止了溜鉤的發(fā)生。
• 程序④：當(dāng)PLC無(wú)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)指令或升降編碼器計(jì)數(shù)錯(cuò)誤故障時(shí)則將“0”速度送給變頻器。使變頻器處于零速滿轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，與抱閘一起控制來(lái)防止溜鉤、墜落事故的發(fā)生。

3、變頻器參數(shù)的手動(dòng)設(shè)置

AB 700S是高性能的工程型變頻器，它提供了高性能的傳動(dòng)控制，有卓越的性能，我們將控制模式設(shè)為Field Oriented Control（磁場(chǎng)定向控制）簡(jiǎn)稱FOC 是帶有電壓自調(diào)整的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制，能將定子電流分解成磁場(chǎng)電流和轉(zhuǎn)矩電流，因此雖然是交流電動(dòng)機(jī)的電流，也能夠作為直流量進(jìn)行控制，與輸出頻率無(wú)關(guān)，能夠更好的進(jìn)行高性能控制。

但當(dāng)我們將電機(jī)自優(yōu)化運(yùn)行后，帶上負(fù)載時(shí)（總重量60噸左右）出現(xiàn)溜鉤、定位失控現(xiàn)象，說(shuō)明控制這樣的位能大負(fù)載需對(duì)變頻器的一些參數(shù)作手動(dòng)優(yōu)化，我們修改參數(shù)說(shuō)明如下：

• 總慣量[Total Inertia] ：2→5 額定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩下，帶負(fù)載的電動(dòng)機(jī)從零速加速到基速時(shí)所用時(shí)間秒數(shù)。其目的是改善加減速和恒速運(yùn)行時(shí)的沖擊大負(fù)載的運(yùn)行特性；
• 電源掉電模式[Power Loss Mode]：0→2 可選值0 使變頻器在掉電時(shí)間內(nèi)滑行而不提供電動(dòng)機(jī)電流，可選值2 使變頻器在掉電時(shí)間內(nèi)連續(xù)”正常”工作，這樣可以防止溜鉤、墜落；
• 電源掉電時(shí)間[Power Loss Time]：2s→0.1s 在檢測(cè)到故障之前，設(shè)置使電動(dòng)機(jī)維持在掉電模式下的時(shí)間。這樣可以縮短檢測(cè)掉電到報(bào)故障的時(shí)間，以便立即抱閘；
• 電源掉電幅值[Power Loss Level]：22.1→46.6 設(shè)置母線電壓幅值，當(dāng)母線電壓低于該幅值時(shí)則變頻器報(bào)故障，程序控制立即抱閘；
• 正向轉(zhuǎn)矩限幅[Torque Pos Limit]：2→8設(shè)置正向轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)值的外部轉(zhuǎn)矩限幅；
• 負(fù)向轉(zhuǎn)矩限幅[Torque Neg Limit]：-2→-8 設(shè)置負(fù)向轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)值的外部轉(zhuǎn)矩限幅 ；
• 再生功率限幅[Regen Power Lim]：-0.5→-8 ；
• 母線低電壓組態(tài)[BusUndervoltCnfg]：1→3 組態(tài)變頻器對(duì)直流母線電壓下降到最小值以下時(shí)響應(yīng)。由原來(lái)的報(bào)警改為故障并且斜坡停車 ；
• 速度調(diào)節(jié)帶寬[Spd Reg BW]：10→100 設(shè)置速度調(diào)節(jié)器的帶寬，單位為rad/S。小信號(hào)的時(shí)間響應(yīng)大約為1/帶寬，并且是到達(dá)設(shè)定點(diǎn)63%的時(shí)間值。改變?cè)搮?shù)值將自動(dòng)更新速度調(diào)節(jié)比例系數(shù)P增益、積分系數(shù)I增益。這樣速度調(diào)節(jié)的比例系數(shù)與積分系數(shù)將自動(dòng)調(diào)整，加快了響應(yīng)速度。

通過(guò)我們修改以上參數(shù)后，運(yùn)行時(shí)起、制動(dòng)平穩(wěn)，定位準(zhǔn)確，有效地防止了溜鉤、定位失控等現(xiàn)象。

4、實(shí)際速度、電流曲線圖

圖4 升降電機(jī)運(yùn)行時(shí)的實(shí)際速度、電流曲線圖

圖4是升降電機(jī)運(yùn)行時(shí)的實(shí)際速度、電流曲線圖，紅色為速度曲線，黑色為電流曲線。

5、結(jié)束語(yǔ)

由以上圖4的實(shí)際速度、電流曲線可以看出:通過(guò)我們重新設(shè)計(jì)PLC程序、手動(dòng)修改變頻器參數(shù)后，設(shè)備運(yùn)行速度平穩(wěn)，準(zhǔn)確定位后零速滿轉(zhuǎn)矩與抱閘共同控制著60噸左右的位能大負(fù)載。這些技術(shù)的采用與創(chuàng)新能有效地防止溜鉤、定位失控、墜落事故的發(fā)生，運(yùn)行效果相當(dāng)理想。對(duì)變頻器、PLC控制的類似位能大負(fù)載升降小車有很好的借鑒作用。

（本文選編自《電氣技術(shù)》，作者為廖大猛。）