Controllogix在橋式起重機(jī)中的應(yīng)用

　　1 引言

　　在當(dāng)前控制領(lǐng)域，矢量變頻技術(shù)已經(jīng)成熟并且得到了極為廣泛的成功應(yīng)用，在濟(jì)鋼中厚板廠板庫橋式起重機(jī)中引入此技術(shù)，可以提高吊裝的穩(wěn)定性，降低鋼板表面劃傷的概率，同時(shí)會為今后的長期運(yùn)行帶來“一勞永逸”的應(yīng)用效果，使得此橋式起重機(jī)成為真正意義的“免維護(hù)”系統(tǒng)，大大地降低成本，節(jié)省人力資源。基于以上考慮，決定對濟(jì)鋼中厚板廠板庫20+20噸橋式起重機(jī)引入矢量變頻控制技術(shù)。

　　2 ControlLogix系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)控制要求，我們提出了使用ControlLogix系統(tǒng)集成構(gòu)架來解決的方案。CONTROLLOGIX具有多處理器，多任務(wù)，多網(wǎng)絡(luò)，多語言;各種各樣的模擬，離散和特殊I/O，順序，過程，傳動和運(yùn)動控制的高級集成的特點(diǎn)。

　　該控制系統(tǒng)是CONTROLLOGIX系統(tǒng)主機(jī)架、1794FLEX I/O分站、觸摸屏、AB矢量變頻器、交流變頻電機(jī)YPG355M-10雙軸變頻電機(jī)一臺組成的矢量控制調(diào)速系統(tǒng)。PLC主要完成對矢量變頻器及大車及小車橫移變頻器的控制，接收由操作臺1794FLEX I/O分站采集到信號并通過DeviceNET現(xiàn)場總線傳輸?shù)紺ONTROLLOGIX控制器，由控制器做出運(yùn)算后給通過DeviceNET現(xiàn)場總線送給AB矢量變頻器作為給定信號。Eview觸摸屏利用RS232與PLC進(jìn)行通訊，對整個(gè)控制系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。變頻器接收給定信號后，根據(jù)給定的的大小和正負(fù)來使得變頻調(diào)速驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的快慢和方向。電氣控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示。

　　圖1 電氣控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

　　3 主起升控制模型的建立思路

　　3.1傳動控制原理及變頻器的使用

　　根據(jù)橋式起重機(jī)主起升裝置的運(yùn)動特性，需要引入矢量控制。其原理是三相異步電動機(jī)在空間上產(chǎn)生的是旋轉(zhuǎn)磁場，如果要模擬直流電動機(jī)的電樞磁勢與磁場垂直，并且電樞磁勢大小和磁場強(qiáng)弱分別可調(diào)，那么設(shè)想三相異步電動機(jī)由M、T兩相繞阻構(gòu)成模型。

　　該模型有兩個(gè)互相垂直的繞阻：M繞組和T繞組且以角頻率ω在空間旋轉(zhuǎn)。T、M繞組分別通以直流電流iT、iM。iM在M繞組軸線上產(chǎn)生磁場，iM稱為勵磁電流，調(diào)節(jié)iM大小可以調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)弱。iT在T繞組軸線上產(chǎn)生磁場，這個(gè)磁場總是與磁場同步旋轉(zhuǎn)，而且總是與磁場方向垂直，調(diào)節(jié)iT大小可以在磁場不變時(shí)改變轉(zhuǎn)矩大小，iT稱為轉(zhuǎn)矩電流。iT和iM分屬于T、M繞組，因此通過控制iT和iM的大小也就是電流矢量i的幅值和方向去等效控制三相電流ia、ib、ic的瞬時(shí)值，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的磁場與轉(zhuǎn)矩以達(dá)到調(diào)速的目的。

　　根據(jù)此橋式起重機(jī)的實(shí)際情況，決定采用AB的PowerFlex700系列變頻器，采用有速度傳感器矢量控制，其控制框圖如圖2所示。

　　各符號含義：r：速度給定;Kp：速度環(huán)比例增益;K1：速度環(huán)積分增益;Tmode：轉(zhuǎn)矩模式;V-PI：速度調(diào)節(jié)器;Tlimit：轉(zhuǎn)矩限制器;Tr：外部轉(zhuǎn)矩;Vs：轉(zhuǎn)矩模式選擇輸出;Tstop：轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償;Id：轉(zhuǎn)矩分量;Iq：轉(zhuǎn)矩分量;Tfb：轉(zhuǎn)矩反饋;PG：速度反饋編碼器;Droop：特性軟化附加給定。

　　從圖2可以看出，傳動控制系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：

　　內(nèi)環(huán)：轉(zhuǎn)矩、電流環(huán)，響應(yīng)時(shí)間1ms。

　　外環(huán)：速度環(huán)，響應(yīng)時(shí)間跟電機(jī)與機(jī)械配合有關(guān)，一般為200ms。

　　變頻器啟動速度較慢，操作人員無法短時(shí)間內(nèi)適應(yīng)。通過框圖可見，調(diào)整Kp速度環(huán)比增益可以增加變頻器啟動速度，避免在給定頻率較小時(shí)橋式起重機(jī)主起升啟動較慢的現(xiàn)象，增加變頻橋式起重機(jī)的可操控性。

　　3.2控制模型的建立

　　根據(jù)響應(yīng)時(shí)間，設(shè)計(jì)主起升掃描周期不同，程序在編制時(shí)按照程序包負(fù)責(zé)的任務(wù)的區(qū)別而將程序的執(zhí)行掃描周期劃分為2類，掃描周期越短，控制精度越高。考慮到實(shí)際控制精度，利用CONTROLLOGIX系統(tǒng)中程序功能包Task(任務(wù))及其掃描周期的定義設(shè)置控制溜鉤的程序響應(yīng)時(shí)間為10ms，設(shè)置運(yùn)動控制的程序響應(yīng)時(shí)間為200ms。

　　制約變頻器在橋式起重機(jī)上使用的最大問題是變頻器啟動時(shí)力矩較小，使得在重載起動時(shí)，容易發(fā)生溜鉤現(xiàn)象。控制溜鉤時(shí)可以將系統(tǒng)的啟動條件中加入達(dá)到溜鉤時(shí)力矩的連鎖，從而控制抱閘系統(tǒng)打開的條件，可在理論上消除溜鉤的可能性。

　　根據(jù)圖3所示的POWERFLEX700變頻器矢量控制原理圖，我們可以發(fā)現(xiàn)，變頻器最終輸出的轉(zhuǎn)矩電流來決定起升力距的大小，而所有的外部輸入?yún)?shù)均是可變的。

　　根據(jù)交流電動機(jī)力矩特性，當(dāng)電機(jī)為矢量控制方式時(shí)，如果電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下，其力矩 電流的與定力矩電流的百分比也就是輸出力矩與額定力矩的百分比。這樣我們可根據(jù)變頻器輸出的轉(zhuǎn)矩電流來作為控制溜鉤的變量。通過DATALINK的方法，將變頻器的轉(zhuǎn)矩電流采集至CONTROLLOGIX系統(tǒng)中，由1756-L61CPU進(jìn)行處理后，在給變頻器運(yùn)行的指令，從而達(dá)到避免溜鉤的目的。程序如圖4所示。

　　本系統(tǒng)為羅克韋爾CONTROLLGIX集成構(gòu)架，編程軟件采用RSLOGIX5000軟件進(jìn)行編程，根據(jù)工藝要求和良好的硬件基礎(chǔ)，軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了連鎖合理、保護(hù)全面、程序簡潔、容易讀寫、查詢方便快捷等效果，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了起升裝置，大車行走，小車行走，液壓潤滑系統(tǒng)連鎖信號的順暢傳送。為新20+20噸橋式起重機(jī)矢量變頻系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行，提供了強(qiáng)大的軟件支持。

　　圖2 控制框圖

　　4 應(yīng)用效果評價(jià)

　　通過Contrllogix系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備精準(zhǔn)定位，減小了設(shè)備的沖擊，提高了主起升穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了薄規(guī)格板及較長鋼板的平穩(wěn)吊運(yùn)，有效防止了鋼板表面劃傷。

　　圖3 POWERFLEX700變頻器矢量控制原理圖