西门子G120在抓斗起重机控制中的应用
[抓斗,智能控制,技术]智能控制技术在抓斗起重机上的应用
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智能控制技术在抓斗起重机上的应用【摘要】随着社会主义市场经济改革体制的不断深化，促进了我国造船事业、港口货运事业等领域的发展，而抓斗起重机作为常用的起重机械设备，在控制系统上应用智能控制技术，尤其是PLC技术和变频调速技术在抓斗起重机上的应用，使抓斗起重机在作业过程中产生的故障率及维修率得到有效的降低，从而促进了抓斗起重机作业效率的有效提高，使抓斗起重机的智能化和自动化得到更好的实现，确保了抓斗起重机运行的节能性、可靠性和安全性。
【关键词】智能控制技术；抓斗起重机；变频器；电气自动化随着时代和社会经济的快速发展，促进了我国各个领域的发展速度，尤其是在码头、港口、矿业等行业的生产过程中，经常需要采用到抓斗起重机等起重机械设备，尤其是具有大吨位的造船门式起重机在码头、港口中进行安装作业。
但是在抓斗起重机上具有的传统电气控制系统耗能大、故障发生率高，导致事故频发，因此，在抓斗起重机上应用智能控制技术，能够使抓斗起重机系统在优化之后促进系统具有更高的稳定性和安全性，尤其是PLC技术和变频调速技术在抓斗起重机上的应用，具有更高的节能性和可靠性。
1.智能控制技术的主要内容1.1变频调速技术变频调速技术指的是对供电的电源频率经由变频器进行有效改变，使电机产生的回转速得到合理的调节，确保对转矩的功率和调速进行控制，以此来满足不同负荷承载所提出的要求。
由于变频调速技术在一定程度上具有高效率、高精度控制、高电机功率和在控制调速的范围上较宽，同时还能够使电能得到有效的节约，在起重机上的控制系统上得到广泛的应用。
PLC技术又称之为可编程控制器，其在功能上能够对逻辑进行重复的编写、编制和控制，在工业自动化控制中得到了广泛的应用。
具体的说，PLC技术主要包括了CPU（即中央处理单元）、输入输出接口、存储器和通讯接口等控制元件。
1.3其他技术在智能控制技术中除了包括变频调速技术、PLC技术之外，还包括了传感检测技术和现场总线控制技术等。
西门子G120变频器说明书[4]
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西门子G120变频器说明书一、产品概述西门子G120变频器是一种可满足多样化要求的模块化变频器，组件采用模块化设计，功率范围宽，0.55 kW ~ 250kW，可确保始终能够组合出一种满足要求的理想变频器。
该系列变频器提供有三种电压型号，可连接 200 V、400 V 和 690 V 电网。
³西门子G120变频器由两部分组成：控制单元（CU）和功率模块（P M）。
控制单元负责控制和监视功率模块和连接的电机，并提供操作员界面和通信接口。
功率模块负责将输入的交流电转换为可调节的输出电压和频率，以驱动连接的电机。
高效能：采用空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术，提高了输出电压的利用率，降低了谐波损耗，提高了效率和功率因数。
高可靠性：采用先进的散热设计，保证了功率模块的稳定运行。
具有过载、过压、欠压、过温、短路等多种保护功能，保证了变频器和电机的安全运行。
高灵活性：提供多种控制单元和功率模块的组合选择，满足不同的应用需求。
支持多种现场总线协议，如PROFINET、PROFIBUS、EtherNet/IP、CANopen、USS、Bacnet、Modbus等，实现与上位控制系统的无缝对接。
高智能化：具有自动调节功能，可根据电机参数和负载情况自动优化控制策略。
具有故障诊断功能，可显示故障代码和故障原因，并提供相应的解决方案。
具有数据备份功能，可将变频器参数保存在存储卡中，方便更换或复制。
二、产品型号G120C：是一种紧凑型变频器，集成了控制单元和功率模块于一体，适用于简单的应用场合，如风机、水泵等。
功率范围为0.55 kW ~ 18.5 kW。
G120 CU240B-2/CU240E-2：是一种标准型变频器，采用分离式的控制单元和功率模块，适用于中等复杂度的应用场合，如输送机、起重机等。
功率范围为0.55 kW ~ 132 kW。
G120 CU250S-2：是一种高性能型变频器，采用分离式的控制单元和功率模块，适用于高精度和高动态性能要求的应用场合，如数控机床、纺织机械等。
G120变频器的应用(工程师培训)
功能键
图1.1 基本操作面板
图1.2插有BOP的控制单元
n按键的功能
•FN键的功能
n通过操作面板修改参数 例：修改参数P003
2.西门子G120变频器的调试软件n NhomakorabeaC连接组件
•为系统选件
•是一块带隔离的 RS232 适配器（DP接口），可以
实现变频器与 PC 机之间通过串行RS232接口的可
•BOP(选件) •PC工具(安装了调试软件STARTER)
本节主要内容： q 快速调试 q 电机的参数识别 q 速度控制优化
4.2.1 快速调试的步骤
n 快速调试中要设置的主要参数 •电源参数：如进线电源频率 •电机参数：电机铭牌数据，有无编码器 •变频器运行方式：命令／设定值来源 •电机工作特点：最小频率／最大频率及上升斜坡 ／下降斜坡时间。 •调速控制方式：矢量控制、U/F控制
8.点动方式下的频率给定
5.9 跳转频率
5.10 斜坡时间
5.11 保存应用设置的结果
5.12 恢复出厂设置
n恢复参数为出厂设置：使变频器参数复原到一个既定 的初始状态。
201x年x月于xx班
n 快速调试流程图
西门子异步电动机铭牌
4.2.2 电机参数识别的步骤
n由于控制的要求，电机参数识别是必须要进行的 •如果不进行电机参数识别，那么变频器只能通过 电机铭牌的信息来估计等效电路参数。 •例如，定子电阻对于闭环矢量控制和V/F控制方式 下的电压提升特性是非常重要的。 •如果电机电缆较长或者采用第三方的电机，则也 需要进行电机参数识别。
靠通讯。
•安装了相应软件的 PC 机，可以通过该组件直接
对变频器进行控制和调试。
控制单元
解析变频器和PLC在大型起重机控制中的应用_1
解析变频器和PLC在大型起重机控制中的应用现代化的机械设备应用过程中，大型起重机的控制，引起了业界内的广泛关注。
从主观的角度来分析，大型起重机的控制操作，并不是一件容易的事情，会受到很多影响因素的作用，应坚持在控制过程中，按照积极的方法来完成，减少固有操作的不足。
文章针对变频器和PLC在大型起重机控制中的应用展开讨论，并提出合理化建议。
标签：变频器；PLC；大型；起重机；控制从客观的角度来分析，变频器和PLC是当代先进科技发展的产物，同时能够在很大程度上，充分解决大型起重机控制的不足。
例如，对于变频器和PLC 的合理应用，能够促使各项数据、信息得到充分的搜集和分析，对于相关工作的把控，获得了更加明确的方向，不会由此造成严重的安全事故。
所以，变频器和PLC的应用，不仅具有很强烈的必要性，同时还要从多个角度来出发。
1 变频器和PLC的优势分析随着时代的发展和科技的不断进步，变频器和PLC应运而生，并且对大型起重机产生了很大的推动作用。
从客观的角度来分析，大型起重机的控制工作，是行业内非常关注的内容，必须坚持采取科学、合理的方案来应对，这样才能在未来的发展中，不断的创造出较高的价值。
分析认为，变频器和PLC的优势，主要是集中在以下几个方面：第一，变频器和PLC的变频功能，能够在大型起重机的控制过程中，充分降低能耗，在不同的功能使用下，对相关的能耗做出差异性的对待，这对于大型起重机的运用效率、运用质量提升，都可以做出较多的保障，整体上不会出现严重的缺失和不足。
第二，在变频器和PLC的应用过程中，能够实现自动化控制的目标，从而促使大型起重机的控制，表現出更高的合理性，能够及时的发出警报和各方面的信息报告，为驾驶者的操作，提供充足的参考与指导。
2 变频器和PLC在大型起重机控制中的应用2.1 选择合适的变频器对于现阶段的大型起重机操作而言，其在变频器和PLC的帮助下，的确能够取得较好的操作效果，在很多方面都不会造成严重的问题。
抓斗起重机的电气化改造
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Ｐ Ｃ・ Ｌ 变频器 ・ 计算 机——基 于单片机和 电话 网的远程控 制系统 的设 计与实现
关键词 ： 抓斗起重机 ； Ｌ 变频 器 ； Ｐ Ｃ； 制动单元 ； 应用效果 中图分 类号 ：Ｈ １Ｔ ２ ５ Ｔ ２ ；Ｐ ０ 文献标识码 ： Ｂ 文章 编号 ：０ ４— ４ ０ ２ １ ）４—０ ３ — ｌ １０ ０ ２ （０ １ ０ ０ １ ０
１台 ５ｔ 桥式 抓斗起 重机 ， 跨度 为 ２ ． 抓 斗 的 ２ ５ｍ， 提升 、 开闭 由２台 ２ Ｗ 绕 线式异 步电动机驱 动 ， ２ｋ 小车 行 走机构 分别 由 ２台 ７ ５ｋ 绕线式 异步 电动 机驱动 。 ． Ｗ
斗 时电机工作 在反馈制 动状态 ， 转速 大于 同步转 速 ， 停
止时， 由于抓 斗的惯 性 和下 降速 度 太快 导致 停 止效 果
差， 容易 出事 故 。
１４７ ｒ 一 ． Ｔ ）× ｌ ０ （ Ｂ ０ ２ ｍ ｎ ，
２ 抓斗上升下 降、 闭的变频器控制 开
抓斗 由 ２台 电机控 制 ， 即抓斗 的开合 电机 ， 斗 的 抓 上 升下 降电机 。抓斗抓 物品时 ， 开合 电机 运转 ， 只有 提 升 时 ２台电机 都要 工作 ， 互之 间 需要 速度 配 合才 能 相
Ｐ Ｃ・ Ｌ 变频器 ・ 计算机——抓斗起重机 的电气化 改造
机床 电器 ２ １． ０ １４
抓 斗起 重 机 的 电气 化 改 造
段 树华 （ 湖南 铁 道职业 技 术学 院 ，１０ １ ４２０ ）
摘要： 桥式抓斗起重机 的电气控制 系统 由于长期工作 ， 障率高 ， 故 而且速度 调节性能 差 ， 动效果也 不理想 ， 制 若改 成 Ｐ Ｃ和变频器控制 ， Ｌ 调速系统使用 Ａ Ｂ的变频调整 器 ， 以更好 的调节 速度 ， 更好的制动 转矩 ， Ｂ 可 有 而且降低 了故障 率 ， 于维修 。 便
浅析西门子SINAMICSG120系列变频器及应用
浅析西门子 SINAMICS G120系列变频器及应用摘要：本文介绍了西门子G120系列变频器在南钢大棒厂Φ50～180mm在线倒棱机中的应用，阐述了装置的特点，外部接线端子的功能，简单的BOP面板操作，常用参数设置及基本调试方法。
关键词： G120变频器；倒棱机；参数设置；调试方法引言南钢大棒厂Φ50～180mm在线倒棱机PLC系统硬件由1套S7300主站、4个ET200M I/O分站组成，完成数据采集、顺序逻辑控制、全线设备的操作联锁控制。
其操作方式分为手动和自动，操作室采用工控机来对全线的工作状态和异常情况进行监控，工业PC机能显示各种主要参数。
变频器采用西门子G120系列工程型变频器，采用PROFINET网卡与PLC通讯。
现场台、柜、箱与主PLC采用远程I/O （ET200M）形式，两者之间通过PROFNETT网络连接。
与工控机的通讯接口为基于TCP/IP的以太网。
西门子G120 变频器在使用过程中具有简洁的操作版面、基本的操作性能、良好的控带性以及数据交换与监控的能力。
下面我将就西门子G120系列变频器进行简单的介绍及应用分析。
1.SINAMICS G120装置特点西门子变频器Sinamics G120系列具有强大的通讯功能，能和多个多个设备之间进行通讯，使用户可以方便的监控变频器的运行状态并修改参数。
西门子变频器Sinamics G120系列核心是控制单元，用户可以通过设定控制单元上的参数来实现变频器的正常运行。
西门子变频器Sinamics G120用途广泛，为用户提供了多种功能：1）使用灵活标准的模块设计，功率模块PM、控制单元CU和操作面板BOP 都是完全独立的单元，支持带电热插拔。
2）支持多种通讯功能可以通过PROFINET,PROFIBUS或PROFIDRIVE进行通讯，使得操作更加简单并减少了接口数量。
3）集成的安全保护功能利用此功能，使得它能更好的应用有安全保护的要求的设备和工厂中。
PLC控制抓斗起重机控制应用研究
PLC控制抓斗起重机控制应用研究作者：王文宝来源：《中国科技博览》2018年第35期[摘要]论文在详细分析抓斗起重机自动开闭斗的原理之后，提出了游动坐标法的原理及物理意义。
新的PLC控制系统利用绝对值编码器自动跟踪检测抓斗起升、开闭钢丝绳的长度差值，实现自动开闭、沉抓的功能。
论文研究具有明显的实用价值。
同时根据抓斗起重机实际运用中经常出现的故障，开发了故障显示功能。
[关键词]起重机、可编程控制器、变频器、中图分类号：TH21 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）35-0080-011.抓斗起重机的智能化控制概述抓斗起重机传统的电气控制回路是利用时间继电器、中间继电器实现其控制功能的，我们可以利用PLC具有的逻辑控制、定时控制、计数控制、步进控制等功能对起升机构、开闭机构、大车机构、小车机构进行智能化控制。
新系统控制性能优越，动作安全可靠。
现在新制造的起重机电气控制都用PLC来实现，已投入使用的起重机也逐渐改造成PLC来控制。
针对抓斗起重机的起升、开闭电机在运行中不能协调的问题，陈蕴基教授提出采取变频调速、PLC和上位机相结合的最优控制方案，使双电机达到自动同步，基本上能解决同步问题。
戴高祥高工针对四绳抓斗起重机操作难、效率低下、能耗高、故障多等问题，提出改变传统的双操作杆控制和较先进的时续控制方式，通过微机对抓斗升降、开闭钢丝绳长度比率自动跟踪检测，开发出四绳抓斗自动控制系统。
该自动控制系统具有操作简单可靠、效率高、能耗低、噪声小等一系列优越性能。
2.抓斗起重机控制系统中的PLC2.1 抓斗起重机智能化控制系统PLC的选型PLC选型的基本原则是在满足基本控制功能和容量的前提下，尽量保证工作可靠，维护使用方便以及最佳的性价比。
本文以开关量控制为主，控制系统中包含了绝对值编码器，绝对值编码器的输出采用时钟同步串联输出（SSl）的通讯方式。
通过性能价格比的市场调研，我们选定了西门子公司的 SIMATIC57一300系列的PLC产品。
SINAMICS G120功能介绍
电机保护和变频器保护
- 过电流保护 - 过电压保护 - 过热保护
故障安全的指令源
- 故障安全的数字量输入 - PROFIsafe
安全功能
电机控制
-- VV//ff控控制制 -- 矢矢量量控控制制
M
状态
- 数字量输出 - 模拟量输出
- 现场总线
应用特色功能
- 制动 - 捕捉重启 - 自由功能块 - 设备保护 - 单位切换
OFF1
OFF1
设定值
取反后的设定值
OFF1
OFF1
两线制控制：方式 3
SINAMICS G120 常用功能——变频器控制
三线制控制：方式1 在这种控制方法中，第一个控制指令用于使能另外两个控制指令。取消使能后，电机关闭（ OFF1 ）。 第二个控制指令的上升沿将电机切换至正转。若电机处于未接通状态，则会接通电机（ ON ）。 第三个控制指令的上升沿将电机切换至反转。若电机处于未接通状态，则会接通电机（ ON ）。
SINAMICS G120功能介绍
SINAMICS G120 Drive
SINAMICS G120 功能介绍
设定值信号源
- 模拟量输入 - 现场总线
- 固定设定值 - 电动电位器
接 - JOG 口
指令源
设设定定值值预处处理理
--斜斜坡坡函函数数发发生生器器 --限限幅幅
工艺控制器
变频器控制
- 数字量输入 - 现场总线
设定值
指令被忽略
OFF1
取NAMICS G120 常用功能——变频器控制
三线制控制：方式2 在这种控制方法中，第一个控制指令用于使能另外两个控制指令。 取消使能后，电机关闭（ OFF1 ）。 第二个控制指令的上升沿接通电机（ ON ）。 第三个控制指令确定电机的旋转方向（换向）。
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西门子G120在抓斗起重机控制中的应用
摘要：本文结合紫金矿业集团珲春多金属有限公司的2台抓斗起重机项目，介绍了西门子G120变频调速系统在抓斗起重机中的控制方式、参数设置;并通过两台G120的主从控制模式，结合PLC的逻辑控制，实现了开闭和升降电机在满抓过程中的力矩平衡。
关键词：抓斗起重机;变频调速系统;PLC控制;参数设置;主从控制模式;力矩平衡
前言
起重机在工业生产中有广泛应用，用来实现物体在三维空间中的转运。
其中水平面上两个方向的运动分别由大、小车完成，称为行走系统;而垂直方向的运动则由起升机构负责。
大多数的起重机通过吊钩与被运物体相连，而当被运物体为粉状或小颗粒状时，则需要通过抓料斗，这就是抓斗起重机。
其中专门负责升、降运动的电机称为升降电机，另一台开闭电机除了负责抓斗的打开和闭合（放料和抓料）外，抓斗升降时，它还会同升降电机一起出力。
抓斗起重机的抓斗传动系统由开闭机构、升降机构两部分组成，通过钢丝绳与各自的滚筒联接，两者之间没有任何电气联锁，也无法加装合适的检测开关，在抓斗起重机运行过程中，满抓启升过程是技术关键，也是操作难点，在满抓启升过程中，抓斗升降、开闭电机容易出现受力不均匀的情况，需要起重机操作员靠经验点动调整抓斗升降及抓斗开闭钢丝绳的松紧度，并掌握抓斗提升电机投入运行的时机，如果抓斗开闭电机的钢丝绳太松，易造成抓斗料斗漏料;如果抓斗升降电机的钢丝绳太松，则开闭电动机单独受力过载，容易引起电机损坏或钢丝绳断裂。
此过程要求起重机操作员具有较强的操作经验和较高的操作技巧，而且需要操作员精神集中，劳动强度大。
本文根据实际项目介绍一种操作简单、安全可靠的控制方法来解决这一实际困难。
1.系统整体概述
抓斗桥式起重机主要由桥架、小车、运行机构、司机室、抓斗及电控设备等部分组成。
本项目起重机的起重重量16吨，起升高度19.5米，跨度31.5米，起升开闭速度4-40米/分钟，大车行走速度9.45-94.5米/分钟。
抓取的物料为精铜矿和石英砂，采用3.2立方米容量的抓斗。
大车由2台15kw的变频电机驱动，小车由2台4kw的变频电机驱动，开闭和起升机构各由一台75Kw的变频电机驱动;开闭升降变变频器配置分别由功率单元6SL3224-0BE38-
8UA0、控制单元6SL3246-0BA22-1BA0、控制面板6SL3255-0AA00-4CA1组成。
控制系统主要由PLC、变频器、联动操作台等组成。
PLC采集手柄控制器信号，经过程序进行逻辑判断，依据判断结果调节变频器的输出，来控制驱动电机的方向、转速。
在变频器分配方面，大车小车的变频器都采用一拖二的方式，即一台变频器同时驱动两台电机;开闭和起升各采用一台变频器进行矢量主从控制。
2.系统控制原理
大车小车分别设有正反向和三档速度可调，变频器采用V/F控制方式，速度调节为固定速度调节，通过司机室左边的操作手柄进行操作。
起升和开闭也分别设正反向和三档速度可调，起升设有转矩和速度切换控制，起升和开闭变频器采
用带变频器的矢量控制方式。
传统的满抓功能的实现，是开闭电机全速闭合，升降电机处于反接状态，同时转子又接入大电阻，由此产生的反向低力矩仅能拉紧支持绳。
实际上电阻器的计算比较粗略及选型及制造上的误差，力矩的给定值不能调整，因而造成现场满抓功能的实现困难。
为了实现自动满抓功能，在变频调速控制系统中，我们采用了西门子G120变频器系列的CU250S-2控制单元的主从控制功能结合PLC的逻辑控制功能。
我们把开闭电机作为主轴，起升电机作为从轴，为实现力矩平衡和满抓功能，从轴的力矩给定值通过PLC控制继电器在主轴的力矩实际值输出和PLC的给定值之间切换。
满抓操作时，操作员把主轴变频器打到三档闭合状态，抓斗快速闭合，此时PLC把从轴变频器转换到力矩工作模式，并把从轴的力矩值切换到由PLC的模拟量输出口给定。
PLC给定从轴一个向上的小力矩既能使升降钢丝绳保持张紧状态又能使钢丝绳不脱槽。
由于给定的力矩很小不足以维持不断增加的物料和抓斗自身重量抓斗会下降，在抓斗闭合过程中斗不断沉入料堆，使得抓取更多的物料，从而实现自动满抓功能。
抓斗完全闭合上升时，当PLC检测到开闭变频器AO1口输出的力矩值大于力矩平衡设定值时输出信号把升降变频器的力矩给定值切换到由开闭电机变频器AO0给定。
即升降变频器跟随开闭变频器的输出力矩，达到力矩平衡，而不需要靠起重机操作员凭经验来判断抓斗升降电机投入运行的时机，抓斗升降和开闭钢丝绳受力平均，使抓斗匀速上升。
而在满抓过程中，满抓启升过程时间短、抓料量稳定而且运行平稳没有冲击，既摆脱了对操作员经验的依赖，又降低了操作员的劳动强度，提高了工作质量。
开闭升降变频器的参数设定如下表一、表二：
表一：开闭变频器参数设定
表二：升降变频器参数设定
3.系统硬件设计
本系统硬件由西门子314CPU、西门子G120变频器、操作手柄、继电器等组成。
3.1变频器控制
PLC的逻辑输出通过继电器隔离连接到变频器的输入点控制变频器的启停、调速、转矩/速度切换。
开闭变频器的模拟量输出AO0通道与升降变频器模拟量输入AI0通道实现主从连接;开闭变频器的AO1通道信号输入到PLC的模拟量模块，通过PLC程序处理转变为转矩限幅后由PLC的模拟量模块通道输出给定到升降变频器的AI1通道。
图一：升降变频器控制原理图
图二：开闭变频器控制原理图
3.2 PLC硬件配置
PLC的数字量输入点有操作手柄的信号，数字量输出点有变频器的方向和速度切换，模拟量输入输出点分别是主轴力矩实际值和从轴力矩给定值。
PLC 选用西门子的S7-314C PN/DP，并分别选了一个数字量输入输出模块做系统的连锁控制。
PLC的硬件配置图如下：
图三：PLC硬件组态图
4.结束语
2台抓斗起重机在珲春多金属有限公司的安装调试运行以来，设备一直稳定可靠，与普通抓斗起重机相比具有对机械设备冲击小，调速平稳，大大降低操作员的劳动强度和操作难度，减少了岗位对操作经验的依赖，并具有维修维护简单，维修费用低的特点。
作者简介：
欧阳伦云（1974—），男，湖南省洞口县人，湖南株洲天桥起重机股份有限公司，电气工程师，学士，起重机械的电气设计、研发、项目管理及参与等工作。