1 引言
在當前控制領域，矢量變頻技術已經成熟並且得到了極為廣泛的成功應用，在濟鋼中厚板廠板庫橋式起重機中引入此技術，可以提高吊裝的穩定性，降低鋼板表面划傷的概率，同時會為今後的長期運行帶來「一勞永逸」的應用效果，使得此橋式起重機成為真正意義的「免維護」系統，大大地降低成本，節省人力資源。基於以上考慮，決定對濟鋼中厚板廠板庫20+20噸橋式起重機引入矢量變頻控制技術。
2 ControlLogix系統的硬體設計
根據控制要求，我們提出了使用ControlLogix系統集成構架來解決的方案。CONTROLLOGIX具有多處理器，多任務，多網路，多語言；各種各樣的模擬，離散和特殊I/O，順序，過程，傳動和運動控制的高級集成的特點。
該控制系統是CONTROLLOGIX系統主機架、1794FLEX I/O分站、觸摸屏、AB矢量變頻器、交流變頻電機YPG355M-10雙軸變頻電機一台組成的矢量控制調速系統。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，接收由操作台1794FLEX I/O分站採集到信號並通過DeviceNET現場匯流排傳輸到CONTROLLOGIX控制器，由控制器做出運算后給通過DeviceNET現場匯流排送給AB矢量變頻器作為給定信號。Eview觸摸屏利用RS232與PLC進行通訊，對整個控制系統的狀態進行監控。變頻器接收給定信號后，根據給定的的大小和正負來使得變頻調速驅動電機運轉的快慢和方向。電氣控制系統網路示意圖如圖1所示。
圖1 電氣控制系統網路示意圖
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
根據橋式起重機主起升裝置的運動特性，需要引入矢量控制。其原理是三相非同步電動機在空間上產生的是旋轉磁場，如果要模擬直流電動機的電樞磁勢與磁場垂直，並且電樞磁勢大小和磁場強弱分別可調，那麼設想三相非同步電動機由M、T兩相繞阻構成模型。
該模型有兩個互相垂直的繞阻：M繞組和T繞組且以角頻率ω在空間旋轉。T、M繞組分別通以直流電流iT、iM。iM在M繞組軸線上產生磁場，iM稱為勵磁電流，調節iM大小可以調節磁場強弱。iT在T繞組軸線上產生磁場，這個磁場總是與磁場同步旋轉，而且總是與磁場方向垂直，調節iT大小可以在磁場不變時改變轉矩大小，iT稱為轉矩電流。iT和iM分屬於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的瞬時值，從而調節電機的磁場與轉矩以達到調速的目的。
根據此橋式起重機的實際情況，決定採用AB的PowerFlex700系列變頻器，採用有速度感測器矢量控制，其控制框圖如圖2所示。
各符號含義：r：速度給定；Kp：速度環比例增益；K1：速度環積分增益；Tmode：轉矩模式；V-PI：速度調節器；Tlimit：轉矩限制器；Tr：外部轉矩；Vs：轉矩模式選擇輸出；Tstop：轉矩補償；Id：轉矩分量；Iq：轉矩分量；Tfb：轉矩反饋；PG：速度反饋編碼器；Droop：特性軟化附加給定。
從圖2可以看出，傳動控制系統分為兩個部分：
內環：轉矩、電流環，響應時間1ms。
外環：速度環，響應時間跟電機與機械配合有關，一般為200ms。
變頻器啟動速度較慢，操作人員無法短時間內適應。通過框圖可見，調整Kp速度環比增益可以增加變頻器啟動速度，避免在給定頻率較小時橋式起重機主起升啟動較慢的現象，增加變頻橋式起重機的可操控性。
3.2控制模型的建立
根據響應時間，設計主起升掃描周期不同，程序在編製時按照程序包負責的任務的區別而將程序的執行掃描周期劃分為2類，掃描周期越短，控制精度越高。考慮到實際控制精度，利用CONTROLLOGIX系統中程序功能包Task(任務)及其掃描周期的定義設置控制溜鉤的程序響應時間為10ms，設置運動控制的程序響應時間為200ms。
制約變頻器在橋式起重機上使用的最大問題是變頻器啟動時力矩較小，使得在重載起動時，容易發生溜鉤現象。控制溜鉤時可以將系統的啟動條件中加入達到溜鉤時力矩的連鎖，從而控制抱閘系統打開的條件，可在理論上消除溜鉤的可能性。
根據圖3所示的POWERFLEX700變頻器矢量控制原理圖，我們可以發現，變頻器最終輸出的轉矩電流來決定起升力距的大小，而所有的外部輸入參數均是可變的。
根據交流電動機力矩特性，當電機為矢量控制方式時，如果電機在額定轉速以下，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。這樣我們可根據變頻器輸出的轉矩電流來作為控制溜鉤的變數。通過DATALINK的方法，將變頻器的轉矩電流採集至CONTROLLOGIX系統中，由1756-L61CPU進行處理后，在給變頻器運行的指令，從而達到避免溜鉤的目的。程序如圖4所示。
本系統為羅克韋爾CONTROLLGIX集成構架，編程軟體採用RSLOGIX5000軟體進行編程，根據工藝要求和良好的硬體基礎，軟體設計實現了連鎖合理、保護全面、程序簡潔、容易讀寫、查詢方便快捷等效果，同時也實現了起升裝置，大車行走，小車行走，液壓潤滑系統連鎖信號的順暢傳送。為新20+20噸橋式起重機矢量變頻系統的長期穩定運行，提供了強大的軟體支持。
通過Contrllogix系統的應用，實現了設備精準定位，減小了設備的衝擊，提高了主起升穩定性，實現了薄規格板及較長鋼板的平穩吊運，有效防止了鋼板表面划傷。
圖3 POWERFLEX700變頻器矢量控制原理圖
作者簡介
李曉輝（1983-）男 助理工程師，現就職於濟鋼中厚板廠電氣車間，主要負責變頻調速系統的應用與研究工作。
[1]羅克韋爾自動化公司．PowerFlex700變頻器用戶手冊[Z]．羅克韋爾自動化公司，2011．
[2]羅克韋爾自動化公司．20-COMM-D用戶手冊[Z]．羅克韋爾自動化公司，2011．
[3]陳伯時．電力拖動自動控制系統[M]．北京；機械工業出版社，2000．
[4]錢曉龍．循序漸進PowerFlex變頻器[M]．北京；機械工業出版社，2006．
