基于PLC控制变频器调速的吊车系统.docx
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基于PLC控制变频器调速的吊车系统
浅谈PROFIBUS-DP现场总线在桥式起重机的应用
单位：
攀钢冷轧厂维点车间吊车点检组
姓名：
陈川
{摘要}：
本文叙述了吊车改造所涉及的西门子PLC315-2DP通过PROFIBUS-DP逻辑控制、将ET200M从站、ACC800变频器（起升）、ACS800变频器（平移）、运行状态及故障显示的TP170B彩色触摸屏构成传动控制系统的应用实例。
{关键词}：
PLC变频器触摸屏PROFIBUS-DP
前言
由于攀钢冷轧厂生产规模的不断扩大，生产效率日益提高，以继电控制和变转差率调速的吊车已逐渐不能满足企业使用频率高故障时间低的要求了。
攀钢冷轧厂对很多重要生产环节吊车都进行了系统改造。
PROFIBUS-DP现场总线主要用于现场级的主从通信，实现现场控制系统与分布式I/O及其他现场设备之间的通信控制，ABB公司的ACS、ACC系列变频器由于其优异的性能，在起重机行业得到大量应用，该系统自动化程度高、稳定性好、运行可靠，有极大的推广应用价值。
系统构成
吊车改造后电控系统由PLC逻辑控制系统、TP170B状态及故障显示系统、各主要机构的变频控制设备组成。
吊车的操作维持原有操作联动台的原理和方式，通过ET200M远程I/O，控制信号由PROFIBUS总线与PLC通讯，同时采集外围检测元件的状态，经PLC编译的程序对变频器和其它装置发送相应操作指令。
TP170B触摸屏安装在司机室，通过同一根PROFIBUS总线监控吊车运行状态及对各机构的实行控制功能。
硬件组态如图：
一、吊车设备的组成及分布
桥式起重机载重量为32/5吨，5个运行机构双梁箱体式结构，大车由四台电机驱动，主、副小车均可移动。
其PLC（主站）控制柜1个、电源控制屏1面、主卷控制屏1面、副卷控制屏1面、大车控制屏2面、主小车控制屏1面、副小车控制屏1面安装在司机室对侧箱体内，ET200M（从站）1个、联动台1套、触摸屏1个、钩头控制箱1个安装在司机室内。
1、PLC
PLC主站由CPU和16点数字输入模块、16点数字数字输出模块，从站由ET200M及16点数字数字输入模块、16点数字输出模块主要完成所有逻辑控制及状态的判断和故障状态的传输和控制信号的采集、输出。
主站通过PROFIBUS-DP总线和司机室的从站及TP170B通讯。
2、TP170B
TP170B彩色触摸屏作为1个简易的HMI监控平台，主要显示吊车运行状态，如外部极限、联动台档位、运行速度、变频器运行状态、故障复位及控制吊车总电源和各变频器电源的启停。
3、司机室I/O控制箱
在司机室配置ET200M一套，主要完成联动台各机构的档位和必要的指示灯、按钮等的信号采集并传输。
各机构变频控制设备：
起升机构变频器采用ACC800专用提升机应用宏控制，起升制动器由变频器直接提供控制。
走行机构采用ACS800标准应用宏控制，走行制动器PLC直接控制，走行机构由两台变频采用V/F主从控制，同时每台变频器拖动两台电机。
各运行机构速度分4级，不同机构速度由PLC根据联动台档位给出相应的控制字及给定值完成对变频器速度的控制。
二、主要电气控制装置选型及特点
1、PLC（主站）
CPU6ES7315-2AG10-0AB01块
DI6ES7321-1BH02-0AA06块
DO6ES7322-1BH01-0AA02块
以上均为西门子产品，其可靠性高，功能强大，抗干扰能力强，维修工作量小。
CPU自带PROFIBUS-DP接口可直接建立DP网络。
2、变频器
主卷变频器ACC800-04-0260-31台
副卷变频器ACC800-01-0040-31台
大车变频器ACS800-01-0100-32台
主小车变频器ACS800-01-0300-31台
副小车变频器ACS800-01-0006-31台
适配器模块RPBA-015块
通讯模块RDCO-034块
脉冲编码器模块RTAC-012块
ABB采用独特的直接转矩控制DTC方式，动态响应时间快。
ACC系列是专门为起重机设计的，采用带编码器的闭环控制，它有一个专门控制制动器的标准提升应用宏，用于位能性负载。
它可以做到打开制动器时电机以零速保持着重物，然后根据装置内设定的加、减速曲线加速到给定值，调速装置在接到制动器闭合确认信号后，还要检测速度信号，当速度信号为零时，经过延时，调速装置才停止输出，解决了溜钩问题。
ACS系列其力矩阶跃上升时间小于5ms，采用开环控制，能迅速满转矩启动，主要用于平移机构。
大车通过光纤接口模块RDCO-03实现主从控制。
3、电动机
主卷电机YP2315M--8MC75KW1台
副卷电机YP2180L--8MC11KW1台
大车电机YP2200L1--618.5KW4台
主小车电机YP2160L--611KW1台
副小车电机YP2132S--62.2KW1台
各运行机构采用变频调速三相异步电动机，电机自带强制冷风机，避免长时间低频运行时过热。
4、ET200M从站及170B触摸屏
DP从站6ES7153-1AA03-0XB01块
DI6ES7321-1BH02-0AA06块
DO6ES7322-1BH01-0AA02块
触摸屏6AV6545-0BC15-2AX01块
以上均为西门子产品，通讯较为方便。
ET200M从站的数字量模
块便于备件的统一，TP170B彩色触摸屏体积较小，价格便宜，便于安装在司机室。
可通过PROTOOL软件制作显示画面。
三、PROFIBUS-DP现场总线与现场设备的通讯
由于运行机构有类同以下对起升机构的主卷及平移机构的大车进行说明。
1、主卷变频器在PROFIBUS-DP总线上的通讯
A、安装ABB变频器GSD文件ABB_0812.GSD；
B、在系统PROFIBUS-DP硬件配置中添加从站ABBDrivesRPBA-01，站号为5（或其它站号）,插入PPOTypeModule为3；如分配地址为2AX80-91，其控制字为QW80，实际给定值为QW82。
C、在5号从站的参数设置中，将OperationMode改为VendorSpecific（即ABB传动协议）；
D、设置99组参数（99.02=CRANE99.04=DTC）完成电机标准辨识
E、变频器其它组主要参数设置：
14.01=BRAKELIFT制动器控制
27.01=ON制动斩波器控制有效
27.06=ASGENERATOR电机处于反送电时，斩波器工作。
51.01=PROFIBUSDP
51.02=5站地址
64.01=FALSE模式FIELDBUS
69.01=740r/min对应电机100%速度
92.01=1041组04电机电流
92.02=1091组09电机电压
98.01=RTAC-SLOT2
98.02=FIELDBUS
F、控制字及实际给定值
RPBA-01在通讯协议为VendorSpecific模式下的控制字说明：
1、如图：
（主要运用于ACC提升机应用宏，论文中用于起升机构）
位号
信号
范围
说明
0=Bit0,LSB
COMTESTREC
“1”“0”
通讯检测接收位
1
DRIVEON
1=有效
来自现场总线PLC系统的DRIVEON
2
HIGHSPEED
1=有效
选择高速（功率优化）
3
STARTOVR
1=有效
在FIELDBUS模式中来自上位系统启动信号
4
RAMPHOLD
1=有效
积分保持信号
5
SEARATE
1=有效
独立控制选择信号（M/F控制）
6
TORQCTRLSEL
1=有效
转矩控制选择信号
7
LOADMEASSEL
1=有效
负载测量选择
8
RESETOVR
0→1
来自上位系统的复位信号
9
FASTSTOP1
1=有效
快速停车类型1
10
FASTSTOP11
1=有效
快速停车类型11
11
PGMSYNC
0→1
位置测量的编程同步
12
HWSYNCINHIBIT
1=有效
硬件同步禁止
13
RESETSYNCREADY
1=有效
同步复位准备好
14
USERMACROCHANG
0=USER1
用户宏12改变请求
15
ENABLEFBCTRL
1=有效
在操作杆模式允许FIELDBUS控制
由于ACC变频器是提升机应用宏，在FIELDBUS模式下使用RPBA-01通讯模块，变频器内部参数设定为ABBDRIVE只能在VendorSpecific模式下通讯，其通讯协议无法改变。
因此必须按照其数据集对控制字和状态字编写，表中BIT0通过使用一个“触发位”来维持监测通讯，可以通过对相应位的定义组成一个控制字。
如选择PPO类型为3（2个字假设为QW80-QW83），先给表中QB81的BIT0每个扫描周期一个触发信号，完成通讯检测接收，否则将产生MASOSCFLT的传动故障。
同时变频器启动时Q81.1来自现场总线PLC系统的DRIVEON和Q81.3在FIELDBUS模式中来自上位系统启动信号为1，复位时Q80.0给一个上升沿触发信号，启动时将0—16384（整数）附值给QW82后，变频器正转。
改变方向时将-16384—0附值给QW82。
当Q81.1和Q81.3为0状态QW82附值为0这时变频器停止，定义Q80.1、Q80.2可实现停车的类型。
在实际给定值中整数16384为100%额定转速，可在前面加“-”号代表反方向运行。
一级速度：
额定速度的10%；二级速度：
额定速度的25%；三级速度：
额定速度的50%；四级速度：
额定速度的100%。
2、大车变频器在PROFIBUS-DP总线上的通讯
A、大车采用RDCO-DDCS光纤通讯模块，利用CH2通道实现主/从连接。
B、由于大车电机与减速器为联轴器方式的钢性连接，因此主机采用速度控制，从机采用转矩控制。
C、大车每台变频器拖动两电机，电机控制模式为SCALAR，因单台电机运行时的电流与变频器额定电流无法比较，需增设空开或热继电器保护。
D、设置99组参数（99.02=FACTORY99.04=SCALAR），在系统PROFIBUS-DP硬件配置中站地址为6，其OperationMode为PROFIDRIVE既通讯协议为GENERIC模式。
RPBA-01在通讯协议为GENERIC模式下的控制字说明：
如图：
（主要运用于ACS标准应用宏，论文中用于走行机构）
位
名称
值
进入状态/说明
0
ON
1
进入READYTOOPRATE
OFF1
0
紧急断开，惯性自由停车
1
OFF2
1
连续工作（OFF2无效）
0
紧急断开，按选定的减速斜坡停车
2
OFF3
1
连续工作（OFF3无效）
0
紧急停机，以最快减速模式停机
3
OPERATION-ENABLE
1
进入ENABLEOPERATION
0
禁止运行。
进入OPERATIONINHIBIT
4
PAMP-OUT-ZERO
1
正常操作，进入ENABLEOUTPUT
0
根据选定的停机方式停机
5
PAMP-HOLD
1
正常操作，进入ENABLEACCELERATOR
0
停止按斜坡曲线运行
6
PAMP-IN-ZERO
1
正常操作，进入OPERATING
0
强制斜坡函数发生器输入为0
7
RESET
0→1
故障复位
0
正常操作
8
INCHING-1
点动1
9
INCHING-2
点动2
10
REMOTE-CMD
1
允许现场总线控制
0
控制字和给定值不为零保留前一个控制字和给定值
11-15
取决于传动单元
在GENERIC模式下通讯，需要使用EXIT1作为有效控制地，参数98.07选择为GENERIC协议。
如选择PPO类型为3（2个字假设为QW80-QW83），先将W#16#777附值给QW80和0附值给QW82后，再将W#16#77F附值给QW80和0—16384（整数）附值给QW82后，变频器正转。
改变方向时将-16384—0附值给QW82。
E、变频器其它组主要参数设置及说明：
主机主要参数：
*10.01=COMM.CW现场总线控制
*10.02=COMM.CW现场总线控制
*10.03=REQUEST允许用户定义转向
*11.02=COMM.CW现场总线控制
*11.03=COMM.REF现场总线控制
*16.01=COMM.CW现场总线控制
*16.04=COMM.CW现场总线控制
51.01=PROFIBUSDP
51.01=6总线地址
60.01=MASTER主站模式
*60.07=202主机送往从机的速度信号给定
*60.08=213主机送往从机的转矩信号给定
98.02=FIELDBUS激活通讯
从机变频器参数设置及说明
60.01=FOLLOWER从站模式
60.02=ADD采用带速度限幅的恒转矩控制模式
60.03=YES启用视窗功能
60.04=5正偏移转速
60.05=5负偏移转速
11.06=COMM.REF转矩控制模式下给定选
30.18=FAULT启动通讯故障报警功能
30.19=1给定丢失时间选择
主机参数前有“*”的参数，在从机设置相同参数。
3、PROFIBUS-DP现场总线与ET200M的通讯
A、将主站PLC的DP接口用连接器通过PROFIBUS总线连接到IM153的九针接口。
B、设定从站地址为3，如更改地址必须从新上电才能生效。
四、PLC逻辑的主要内容
1、电源及上下车联系逻辑
联动台右台吊车启动停止按钮作为各变频控制机构主回路控制的操作信号；当主电源合闸，吊车允许运行，启动吊车有效。
上下车联系逻辑是为了安全检修和上下大车设置的，按下请求上车按钮，联系合绿灯闪烁；司机室司机按下允许上车时，联系合绿灯亮蜂鸣器短声；司机室拒绝后，绿灯灭，蜂鸣器长声；上车结束按钮按下或门关上后延时10秒后绿灯灭；门开后或允许上车后大车禁止运行。
2、TP170B通讯程序
PLC和TP170B以及ET200M通讯中断后，自动紧急停车；停车顺序为停止变频器运行-抱闸-停车（变频器主回路接触器分开）；PLC停止运行，所有输出为0
事故停车：
变频器装置控制电源被切断或变频器故障，立即制动。
3、起升机构控制要求
重锤极限：
重锤极限动作时，制动器立即制动。
上升预极限：
上升预极限动作时，只能以一档速度上升。
超速开关：
超速开关动作时，变频器停车制动，制动器立即制动。
看门狗继电输出：
当变频器检测到停机故障，看门狗继电器动作，回路电源接触器断电，制动器立即制动。
4、大车控制要求
两台变频器设置为主从控制，并建立相应的故障互锁回路。
每台变频器控制对角两台电机。
主变频器故障时，可手动切换，切除故障变频器，设一台变频器为主控制互为对角的电机完成非常运行的需要，PLC在程序添加OB82和OB86组织块及相应程序，当某一站地址变频器故障时，其他机构能继续运行。
1台电机故障时，直接分开电机前空开，切除故障电机后，大车可以短时应急运行
大车运行到预极限时减速，大车速度被限定在最低速度运行，直到到达极限正常停车，在此同时，大车可以反向全速启动运行。
主小车、副小车参考大车，副卷与主卷一致。
五、TP170B操作说明
1、概述
吊车TP170B的组态画面主要由配电系统示意图和状态汉字组成。
图形字符中，黄色蓝色表示准备好，绿色表示运行，红色表示故障或警告
2、主画面
主要显示各主要机构的动力开关、主接触器、变频器的上电准备运行故障信息
3各机构的分画面
显示各机构的动力、操作、抱闸、风机开关状态及接触器动作状态；变频器上电、准备、运行、故障等状态；机构极限的过程状态；变频器故障复位操作。
副卷机构与主卷机构类似，主、副小车与大车类似。
对于变频器故障复位的警告画面：
参考文献：
[1]ACC800提升机应用程序7.0ABB
[2]ACS800标准应用程序7.XABB
[3]适配器模块RPBA-01用户手册ABB
[4]主从应用宏手册ABB
[5]STEP7V5.2编程使用手册SIEMENS
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