西门子伺服电机1FL6042-2AF21-1LA1

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1 引言
桥式起重机是厂矿、仓库等部门常用的起重设备，在工业生产过程中起重举足轻重的作用。传统的桥式起重机主要是有交流凸轮控制器进行控制，采用绕线式电动机转子串电阻调速，交流控制器由于频繁的动作和高压的影响，经常会出现触点烧损的现象，电阻箱受工作环境的影响容易腐蚀、老化。频繁的生产事故势必会影响生产。
随着工业自动化的发展，PLC、变频器工厂设备中的应用越来越广泛。由于PLC的工作可靠性高，因此用PLC来代替传统的交流控制器已成为一种必然趋势。

2 两种改造方案
桥式起重机的主要设备有:大车电机2台、小车电机1台、主钩电机1台、副钩电机1台，若仍采用绕线式电动机进行控制，则可以只选用PLC进行改造。若车间工作环境比较恶劣，如腐蚀性粉尘，容易对电阻箱及电动机碳刷等设备部件腐蚀和过早老化，则可以采用鼠笼式电动机进行控制。此时可以采用PLC加变频器进行改造。
**种方案优点是改造过程简单，可以节约部分设备费用。缺点是:
(1) 电动机转子所串电阻易烧损和断裂;
(2) 转子串电阻调速，机械特性比较软，负载变化时转速也变化，调果不理想;
(3) 所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。
而*二种方案中鼠笼式电动机价格便宜、经久耐用，在生产中受到工程欢迎，并且由PLC加变频器进行控制，其调果更加稳定，电能可以充分利用。

3 系统设计
3.1 PLC绕线电机改造方案
此种方案只需对原交流控制器进行编程即可，为了节省I/O点，改为有主令控制器控制电机的正反转、前后行走和钩子的升降。电机的提速与减速有两个按钮开关进行控制。本系统有20路输入、30点输出共50点，采用西门子S7-200(CPU为224)PLC，其扩展2块数字量模块EM222、1个EM223模块

(2) 公用程序
设置公用程序可以充分利用PLC的I/O点，减少外部接线，其程序主要是实现电机的正反转、与提减速，其间用辅助继电器输出为后面的程序调用作准备。
该程序主要用比较的指令来实现电机的提减速，在按I0.1或I0.2时，使存储器VB100中存储的数字在1~5间顺序变化，控制串入转子电阻的数量来实现调速，其部分程序如下。
LD I0.4
EU
LD M11.0
ED
OLD
LD M11.1
ED
OLD
LD Q0.0
ED
LDB= VB100, 0
= M10.0
LDB>= VB100, 5
= M10.2
LDN M10.2
A I0.5 EU
LD M11.0
O M11.1
LDN M10.0
A I0.6
EU
LD M11.0
O M11.1
LDB= VB100, 1
= M10.3
LDB= VB100, 2
= M10.4
LDB= VB100, 3
= M10.5
LDB= VB100, 4
= M10.6
LDB= VB100, 5
= M10.7
LDB= VB100, 0
= Q0.1
(3) 电机控制程序
电机控制程序只需将公用程序中的辅助继电器与电机相应的输出对应起来即可。由于程序比较简单，这里不再详述。

3.2 PLC变频器改造方案
桥式起重机有大车2台、小车电机1台、主钩电机1台、副钩电机1台，共五台电机，由于大车2台电机是同步，因此在改造过程*用一对号变频器进行控制，这样共需要4台变频器

本方案采用西门子S7-200(224)型PLC，其外部再扩展四个EM222模块。在方案中变频器为电动机提供频率可调节的交流电源，是实现时机速度调节的关键设备。大车、小车是普通反抗性负载，只需配用普通型或高功能型变频器即可，而主钩及副钩为位能性负载，应配用可实现四象限运行的矢量控制型变频器，同时变频器应配备制动电阻，防止在生产过程中电动机处于再生制动时将动能反馈到变频器直流电路中。
对于是变频器的参数设置，技术人员可根据其使用的不同厂家变频器的操作手册进行设置。
(2) 控制程序设计
在设计程序时，可以继续采用方案一中的设计方法，将主令控制器的程序作为公用程序，节省部分输入点。在设计公用程序时根据不同型号的变频器速度输入的编号对进行编程。PLC输出除电源外，其它均采用小型继电器，程序通过控制小型继电器动作来实现电动机的正反转、升降、前后行走及速度调节。由于程序设计与方案一大致相同，其速度输出程序如下。
LDN I0.1 //停止按钮
A Q0.0 //电源启动
LPS
LDB= VB100, 1 //一档
OB= VB100, 2 //2档
OB= VB100, 3 //3档
OB= VB100, 4 //4档
OB= VB100, 5 //5档
ALD
LPS
A I0.3
= Q0.1 //正转
LPP
A I0.4
= Q0.2 //反转

LDB= VB100, 1
O M10.0
O M10.1
ALD
= Q0.3 //变频速度输出选择1

LDB= VB100, 2
O M10.0
ALD= Q0.4 //变频速度输出选择2

LDB= VB100, 4
O M10.1
OB= VB100, 3
ALD
= Q0.5 //变频速度输出选择3
= M10.0
LPP
AB= VB100, 5
= M10.1

4 结束语
在使用V4.0E STEP 7 MicroWIN进行编程时，证明了S7-200PLC的强大功能，在没有实物的情况下，设计人员可以运行S7-200软件对所编程序进行。为实际改造打下基础。上述两种方案均经过S7-200软件验证，其过程中与设计的要求均相符，在改造过程中根据实际情况稍加修改即可

本文介绍西门子70矢量控制型变频器在标准的PROFIBUS 网络中应用。以及对该系统的通讯及传动控制部分进行讨论
关键词：变频器  PROFIBUS  通讯

一、概述：
在高炉炼铁生产中，一般把按照品种、数量称量好的炉料从地面的贮矿槽运送到炉**的生产机械称为高炉上料设备。料车主卷扬是上料系统的核心设备，其可靠性直接影响到生产效率及经济效益。本文对西门子矢量控制型变频器在该系统改造部分的应用，以及该系统的传动控制部分进行讨论。

二、系统组成：
1、机械部分构成
由一台卷扬机拖动两台料车，料车位于轨道斜面上，工作过程中，当装满炉料的料车上升时，空料车下行，空车重量相当于一个平衡锤，平衡了重料车的自重。两料车交替上料，即其中一台料车载料上行，另一台为空车下行，运行过程中电机始终处于负载状态。
2、电气部分构成

系统由一台S7－400的PLC做主站，主令控制器用普通导线传输。西门子变频器、卷扬低速轴同轴安装**式编码器通过PROFIBUS与主站进行数据传送，通讯介质采用双绞带屏蔽的铜芯电缆。操作指令由WINCC人机界面发送到PLC。如图（1）
3、系统工作原理：

图2中：VVVF为西门子70变频器，KM1为输入接触器，KM2为输出接触器，KM3为抱闸接触器，M为卷扬电机，M1为液压推动器。CBP2为变频器通讯板。24V辅助电源用于当网侧电压中断时，支持装置的通讯功能和诊断功能。制动单元，制动电阻在电机制动或加/减速时把动能转换成热能。

工作原理：操作工发出料车1上行指令，上位机通过控制字发出开机及正转命令，同时主给定值HSW给出变频器的高速频率45Hz，变频器由0Hz开始提速， PLC控制开启抱闸，料车上行，直到全速运行；随着电机的转动，主令控制器的K1闭合至PLC（如图3），由PLC发出低速指令，同时主给定值HSW给出变频器的低速频率10Hz，电机以低速运行；当主令控制器的K3闭合时．说明料车已经达到终点，变器封锁输出，同时关闭机械抱闸，料车l送料完毕。料车2重复如上过程（主令点改变）。

三、系统通讯原理
1、通讯输入
变频器挂现场总线，通过网络进行信息交换，对应 PROFIBUS总线形式，配用CBP2接口板。PLC的PPO类型设为4，其数据传送特征为：变频器接收1个控制字，5个设定字；发送2个状态字，4个实际值设定字。
    由于频率是通过网络设定，故具有通讯速率高，精度高、稳定可靠，接线简单等优点。而在模拟量控制时，PLC输出端经过一个数模转换器，经过导线，进入输入端（变频器）又经过一个模数转换器才能参与控制。两个转换器位数不同和导线损耗都可能造成一定误差。而网络通讯传递直接是数字量不需要转换，没有误差，在传输过程中不会造成损耗，而且响应速度率也会很高。
2、通讯设定
西门子S7400作为主站，主卷扬变频器做为从站。主要通讯信息有两种：（1）浮点数主要为设定速度，实际电流，实际转矩，实际频率等；（2） 开关量主要是正/反转、开机指令及运行状态，和一些故障报警的指示等。
变频器发送与接收的报文如图（4）、图（5）。

四、系统的保护：
1、在卷扬同轴安装一只挂在PROFBUS DP网上的**式编码器，上位PLC读取编码器的实时数据，通过计算设定为极限保护点，以防止主令控制器失灵时的最后保护，防止料车“冲**”事故的发生。
2、编码器另一个重要功能是测定料车的实时速度，通过主令控制器的配合，完成对料车的**速保护、低速检查，反向保护。
2．1、**速保护：料车运行中，PLC根据编码器测得的料车实际速度，全程监控料车不得**过较高速度，否则PLC输出急停关闭变频器、机械抱闸同时制动，并输出报警。
2．2、反向保护：反向保护是当电机起动时起动力矩不能克服料车重力矩，形成重料车下滑。PLC根据编码器测得的料车实际速度方向，判断料车运行方向是否错误，从而起到保护作用。起动完后料车具有惯性，形成反向的可能性很小，但反向保护也是全程的。
2．3、低速检查：当主令控制器的K2闭合时（图3），PLC根据编码器测得的料车实际速度，检查变频器是否已减速。若否，立即停止变频输出，抱闸制动。若是，继续运行。
3、对于变频器自身故障由PLC通过 PROFBUS DP网采集，当故障发生时，立即关闭机械抱闸，以防止料车下滑。
4、变频器X9端子7/9输出变频准备好接点信号，故障时断开输入接触器KM1，切断变频器电源。

五、过程中遇到的问题
1、变频器选型：
考虑到冶金系统的设计特点，变频器选配160kW，电机选配110kW。由于冶炼强度增加每车料加重，电机运行电流过大，发热严重，后改为132KW 电机，才满足生产要求。由于加/减速时有再生能量，故选配制动单元和制动电阻。
2、在空载调试阶段：
   由于机械减速箱传动比偏小，调试初期高速时50HZ运行，料车速度太快，在做料车高速急停试验时，钢丝绳松驰致使料车，故高速时改为45HZ。把**次减速时主令控制点推后。但保证每车上料时间40S。
3、制动器的配合
当变频器收到正转(或反转)指令后，为防止变频器低频起动力矩偏小，不足以克服装料重车而下滑。变频器通过状态字将电机力矩反馈到上位机PLC。当电机力矩达设定值时，（力矩值设定按较重料车启动时不下滑为准），且经过0.5秒延时后，PLC才打开抱闸，，随着低段速的选通，电机处于爬行状态，当PLC检测到终点信号时，发出停车命令，变频器封锁输出执行停止，同时关闭抱闸。如此控制抱闸既防止变频器过流保护．又防止料车下滑．

六、技术性能及特点：
以上述方案改造的韶钢炼铁厂1号、2号、6号高炉主卷扬系统，自2002年3月投入运行以来，至今电气部分未出一次故障，料车“冲**”、“挂**”事故也**发生过，提高了生产效率，降低了设备维护、运行费用。西门子变频器可靠性高，控制方便，尤其是低频特性好值得在起重行业推广应用。