基于PLC数字量方式的变频器调速控制研究

摘要：港口装卸离不开门座起重机，当前工业生产规模不断扩大、国内外贸易往来不断深入，因此物资交流日益频繁，门座起重机的运货量不断增加，工作结构朝大型化、复杂化方向发展。文章以PLC为核心结合变频器搭建好硬件控制平台的基础，对利用PLC控制变频器提高门座起重机控制系统的可靠性进行了研究。

关键词：变频器；调速控制；数字量方式；PLC；港口装卸；门座起重机 文献标识码：A

中图分类号：TH137 文章编号：1009-2374（2016）06-0068-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.06.034

本文选择欧姆龙系列PLC可编程控制器结合变频器对港口门座起重机机构实现变频调速控制，促进门座起重机稳定、可靠、高效、安全运行。

1 PLC数字量方式结合变频器控制调速的优点

PLC可编程控制器结合变频器在工业工程以及电力工程行业中由于其应用中的突出优势得到广泛的推广。其优势主要表现在：功能强大，PLC可编程控制器核心CPU具有上千个编程元件，能够实现复杂的控制功能，在实现网络通信控制功能的基础上达到对整个控制系统的统一管理；便利性，PLC可编程控制器控制功能是通过采用梯形语言、语句表实现控制目的的。

对于开发人员的相关计算机专业技术要求不高，尤其是系统的开发周期短，在线调试周期短，无须拆动相关系统硬件；维修性，基于PLC编程控制系统的故障率较低，内部具有自行诊断故障与显示功能，为维修人员故障诊断与排查提供便利，极大地提高了效率；适应性，PLC可编程控制器产品完全实现标准化，内部功能装置配置完善，便于用户选择，拥有较强的使用适应性，除此之外，PLC安装便利、负载能力强，能够驱动交流接

触器。

2 实例分析与系统设计

2.1 实例概况

作为港口装卸主要设备之一的门座起重机，其结构、功能及控制流程相对比较复杂，门座起重机的作业要求需灵活、稳定、高效。基于PLC数字量方式的变频器控制系统能实现对门座起重机的精准控制，提高作业效率，降低故障发生率，缩短船舶驻港时间。本文以MQ4030型号门座起重机为例，利用PLC结合变频器实现数字式调速控制，促进门座起重机港口作业稳定、高效、安全。

2.2 设计方案

PLC结合变频器调速控制系统以PLC为主控单元，结合变频器及外围电气元件精确控制门座起重机四大机构电气系统，达到操作高效、可靠、机构安全的目的。

图1 系统方案设计图

2.3 调速系统设计

本文研究的门座起重机控制系统控制功能主要实现对起重机升降机构、变幅机构、旋转机构、行走机构的控制。四大机构的变频器调速均采用西门子SINAMICS S120。SINAMICS S120是集V/F、矢量控制及伺服控制于一体的高性能驱动控制系统，变频器机械设备运动控制功能方面具有十分突出的优势，一方面能够对一般的三相异步电动机进行控制；另一方面对同步电机以及直线电机与扭矩电机都能够实现调速控制的目的。普通变频器调速采用V/f=C控制。但在负载变化范围较大的运行情况下，对于控制精度要求十分严格。负载低速运转要求保持稳定的速度以及可靠的负载能力，这就要求选择矢量控制方式实现负载精确调速的操作。一般情况下矢量控制方式仅仅实现一台变频器控制一台电动机。

控制系统一共采用三台SINAMICS S120变频器进行调速，由于起升机构、变幅机构两大机构运行负载变化范围大，并且机构运行过程中对于调速控制以及相关其他控制操作要求比较严格，两大机构分别使用一台变频器实现闭环矢量调速控制，门座起重机的旋转机构和行走机构对于调速控制精确度要求不高，因此两者可共用一台变频器，利用接触器的联锁机构使旋转机构和运行机构不能同时运行。门座起重机的升降与变幅调速控制方式相同，对于旋转以及行走机构的控制相对简单。变频器模拟量输入端子并接收PLC的模拟量输出实现对输出电压频率的调节，电机的正反转及停止制动信号通过采用变频器的数字量输入端口设定。为实现对门座起重机升降机构的精确调速控制，在进行调速操作之前需要对变频器进行相关的参数配置。升降机构的变频器主要配置参数包括升降机构电动机参数与控制端子变频器的参数配置。

2.4 硬件选择

2.4.1 PLC选择。控制系统可编程控制器选用欧姆龙品牌系列，考虑到控制系统内部功能扩展以及相关容量，选择型号为CS1G-HCPU45CPU模块。

2.4.2 变频器选择。本文研究的门座起重机控制系统主要功能实现对起重机升降机构、变幅机构以及相关的旋转机构、行走机构的控制。本控制系统选用变频器为西门子SINAMICS S120变频器实现对起重机控制系统的调速功能。

2.4.3 控制网络通讯。基于PLC的结合变频器的数字式控制系统的网络配置是建立在控制系统网络通信基础之上的。网络通信配置主要是指PLC控制器与上位机人机交互界面进行的通信。本文采用Controller Link网络实现与上位机控制后台的网络通信，另外PLC可编程控制器与控制终端现场设备的控制指令通信采用DeviceNet网络。控制系统内部各硬件之间通信采用欧姆龙CompoBus/D总线网络。

2.5 变频器与PLC控制接线

本文基于PLC结合变频器控制门座起重机控制系统的功能框图如图2所示：

图2 控制功能框图

3 效果性能评价

（1）门座起重机四大机构调速控制采用变频器为西门子SINAMICS S120，利用闭环矢量对门座起重机电动机进行控制，将速度增量作为变换反馈量进行偏差控制。满足电动机调速硬度并保证电动机低转矩稳定运行。变频器工作频率在0Hz工作情况下电动机输出转矩能保证门座起重机控制机构在低频或者满负载运行条件下的正常工作。（2）门座起重机采用机械式制动器。在起重机起升机构满负载的情况下，采用变频器调速控制模式可防止空中制动停车后升降机再次启动过程中产生溜钩现象。（3）门座起重机机构作业过程中要求在电机减速或者重载下放的工作条件下必须实现再生制动能量的迅速释放。门座起重机变频调速系统中考虑将制动电阻的功率增加一倍，确保再生制动能量的快速释放。（4）利用PLC可编程控制器结合变频器实现对门座起重机机构的变频调速控制，能够实现在频率50Hz以下的情况下电动机恒转矩运转，从而保证了频率降低至较小值的情况下依然可维持带载运行。即便频率高于50Hz，利用变频器的恒功率调速特性仍可保证门座起重机机构稳定运行。

4 结语

本文结合工程实例对港口门座起重机基于PLC数字量方式的变频调速系统进行了分析和研究，重点对系统框架的设计选择及性能评价进行了分析讨论。随着工业控制技术的不断发展和提升，围绕港口门座起重机的控制要求也会越来越高，基于PLC数字量方式的变频调速系统在港口起重设备的应用将会变得更加广泛。

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作者简介：柳强（1972-），男，湖北武汉人，招商港务（深圳）有限公司技术工程部经理，研究方向：港口设备技术管理。

（责任编辑：黄银芳）