1、引言
隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)效率的不斷提高，起重機(jī)正在向大噸位、大跨度、高速度、高智能等方向發(fā)展，這就對(duì)起重機(jī)整體控制的安全性、可靠性、智能化等方面的要求也越來越高，特別是大跨度橋式、門式起重機(jī)，由于跨度大、主梁剛度低，并且在實(shí)際工作中存在偏載或軌道出現(xiàn)偏差等諸多因素，使得大車在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生不同步現(xiàn)象，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)等會(huì)造成很大的破壞，甚至?xí)斐蓢?yán)重事故。因此，探究不同步現(xiàn)象發(fā)生的原因并加以預(yù)防和消除具有十分重要的意義。
起重機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)由變頻器和交流電動(dòng)機(jī)組成，作為整體控制對(duì)象，其傳遞函數(shù)為一階慣性環(huán)節(jié)。
在傳動(dòng)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩平衡方程為

起重機(jī)本身質(zhì)量較大，大型門式起重機(jī)重量達(dá)數(shù)千噸。不同型號(hào)的起重機(jī)其運(yùn)動(dòng)參數(shù)也有很大的差別，系統(tǒng)的控制參數(shù)也不盡相同。在起重機(jī)的運(yùn)行過程中，由于負(fù)載不同，小車位置的不同等原因，造成車輪的輪壓是不確定的。另外還有風(fēng)阻、軌道的坡度、偏差等其他因素也會(huì)造成起重機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的特性發(fā)生變化。因此起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)是一個(gè)大滯后、時(shí)變、非線性的系統(tǒng)，隨著負(fù)荷變化或干擾因素影響，其對(duì)象特性參數(shù)和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)解析式表示其特性十分困難。
隨著變頻技術(shù)的不斷成熟與廣泛應(yīng)用，起重機(jī)已越來越多的選用變頻調(diào)速的方案。使用變頻調(diào)速技術(shù)可以使大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)具有較好的機(jī)械特性，良好的起、制動(dòng)性能，補(bǔ)償機(jī)械加工中的不足，使運(yùn)行更平穩(wěn)，更可靠。
工程上常用的解決方法是采用PID控制的同步方案，在大車剛性腿側(cè)和柔性腿上安裝絕對(duì)值編碼器，由絕對(duì)值編碼器測(cè)量出剛性腿和柔性腿相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)位置的位移，傳送到PLC，PLC采用PID算法得出偏移，修正頻率指令發(fā)送給剛性腿和柔性腿的兩臺(tái)變頻器，變頻器在此頻率指令下調(diào)整柔性腿側(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，使柔性腿側(cè)電機(jī)降低行駛速度。從而達(dá)到大車同步的目的。
對(duì)于起重機(jī)同步系統(tǒng)這類難以建立準(zhǔn)確的控制模型的被控對(duì)象，傳統(tǒng)PID控制器這種對(duì)控制參數(shù)比較敏感的線性控制器達(dá)不到很好的控制效果，最突出的一點(diǎn)就是有關(guān)PID參數(shù)的問題，傳統(tǒng)PID無自適應(yīng)能力。這主要表現(xiàn)在三個(gè)方面:
(1) PID控制器的參數(shù)整定必須相對(duì)于某一模型己知、系統(tǒng)參數(shù)己知的系統(tǒng);在實(shí)際調(diào)試過程中，系統(tǒng)的控制參數(shù)調(diào)整比較困難，容易出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，導(dǎo)致運(yùn)行過程中出現(xiàn)扭擺、振蕩，運(yùn)行不平穩(wěn)?？刂扑惴ǖ碾S意性比較大，系統(tǒng)的控制參數(shù)不能適應(yīng)不同水平剛性的起重機(jī)。
(2) PID控制器參數(shù)一旦整定完畢，便只能固定地適用于一種工況。但事實(shí)上大多數(shù)的生產(chǎn)過程都具有非線性，且其特性隨負(fù)載和時(shí)間的變化而變化。顯然固定的一組參數(shù)是不能滿足這種變化的。
(3) 傳統(tǒng)的PID控制器的參數(shù)只能整定為滿足生產(chǎn)過程控制目標(biāo)某一個(gè)方面的要求。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的過程中人們主要關(guān)心的問題是“設(shè)定值跟蹤特性”和“干擾抑制特性”，而傳統(tǒng)的PID控制器，只能通過整定一組PID參數(shù)來滿足一個(gè)方面的要求。因此常常采用折中的辦法整定控制器參數(shù)，這樣得到的控制效果顯然不是最佳的。
(4) 雖然現(xiàn)在一些改進(jìn)型數(shù)字PID控制器提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度、控制精度和控制效果，但是其控制器核心仍然要基于被控過程的精確數(shù)學(xué)模型。在精確數(shù)學(xué)模型難以得到或是被控過程具有高階、非線性等特性時(shí)控制效果有限。
2、常用方案分析
在一般的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，都要求系統(tǒng)運(yùn)行是剛性的，理想狀態(tài)是負(fù)載的變化不影響速度的變化。但由異步電機(jī)的特性可知，在電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩以內(nèi)，負(fù)載的變化會(huì)影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速，一般是負(fù)載越大，轉(zhuǎn)速降也越大。變頻器一拖二（以2臺(tái)電機(jī)為例），使2臺(tái)電動(dòng)機(jī)保持同步只能在理想情況下實(shí)現(xiàn)。因?yàn)閷?shí)際上，無法做到2臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率完全一致，即使是同一頻率電源，2臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也不完全一致。這就必須采用2臺(tái)變頻器來分別驅(qū)動(dòng)，采用電動(dòng)機(jī)真實(shí)轉(zhuǎn)速反饋，兩臺(tái)變頻器之間相互通訊，并設(shè)置成同步運(yùn)行、一主一從模式。
工程上常用的同步方案有以下幾種：
一、 在兩臺(tái)電機(jī)軸上各接一個(gè)編碼器。然后把編碼器的信號(hào)接入各自控制的變頻器。通過變頻器自身的PID調(diào)節(jié)功能，調(diào)節(jié)各自電機(jī)的運(yùn)行速度。使各電機(jī)實(shí)際運(yùn)行速度趨向于一個(gè)理論的設(shè)定值。采用此方式來調(diào)節(jié)同步時(shí)，調(diào)試，維護(hù)簡(jiǎn)單，但精度不高。有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)。抗干擾性差。安裝麻煩。
二、 在兩臺(tái)電機(jī)側(cè)各接一個(gè)編碼器，把編碼器的信號(hào)送入PLC的高速計(jì)數(shù)模塊。PLC讀取兩個(gè)編碼器的信號(hào)進(jìn)行比較。在PLC中通過編程方式實(shí)現(xiàn)PID算法。由PLC通過計(jì)算后分別控制兩臺(tái)變頻器的速度。來達(dá)到兩臺(tái)電機(jī)的速度同步。采用此方式若信號(hào)讀入無誤差，計(jì)算公式正確，程序編寫準(zhǔn)確，可以達(dá)到電機(jī)的同步。但在實(shí)際操作中存在以下問題：
(1) PID計(jì)算公式很難找準(zhǔn)確。
(2) 編碼器的信號(hào)容易受到干擾。
(3) 調(diào)試時(shí)間長。（在調(diào)試過程中必須掌握整定開始時(shí)間。每一次整定時(shí)如何保證運(yùn)行平穩(wěn)。）
(4) 維護(hù)比較困難。（存在大量的PLC計(jì)算，以及調(diào)試難度。）
(5) 成本較高（包括生產(chǎn)成本，維護(hù)成本。）

三、 在方式二的基礎(chǔ)上，在PLC中采用魯棒控制、模糊控制、自適應(yīng)控制等算法。由PLC通過計(jì)算后分別控制兩臺(tái)變頻器的速度。來達(dá)到兩臺(tái)電機(jī)的速度同步。采用此方式若信號(hào)讀入無誤差，計(jì)算公式正確，程序編寫準(zhǔn)確，可以非常好的解決同步問題。但在實(shí)際操作中存在以下問題：
(1) 調(diào)試要求高。（掌握這些控制算法要求有很高的理論基礎(chǔ)，普通調(diào)試人員很難勝任。）
(2) 調(diào)試時(shí)間長。（在調(diào)試過程中必須在各種工況下反復(fù)運(yùn)行，從而得出合適的參數(shù)。）
(3) 維護(hù)難度大。（若現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備需要調(diào)整，普通維護(hù)人員難以完成。）
四、 采用同步卡，同步卡是安裝在變頻器內(nèi)部的一塊高度集成的PCB板，裝有同步卡的變頻器便構(gòu)成了一臺(tái)可編程的伺服控制器。它內(nèi)置了魯棒控制等現(xiàn)代控制算法，用戶只需在變頻器上設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)即可，同步控制可以在多臺(tái)驅(qū)動(dòng)器之間以主/從模式運(yùn)行。同步控制中主站負(fù)責(zé)通信和控制信號(hào)。可以通過內(nèi)置編程實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制功能。此方案具有以下特點(diǎn)：
(1) 調(diào)試簡(jiǎn)便。（根據(jù)實(shí)際設(shè)備要求，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)即可。）
(2) 調(diào)試時(shí)間短。（設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)即可取得很好的效果。）
(3) 維護(hù)方便。（若現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備需要調(diào)整，普通維護(hù)人員也可設(shè)置參數(shù)。）
在工程實(shí)踐中，使用同步卡的方案以高性價(jià)比，調(diào)試、維護(hù)方便在同步控制中占據(jù)了極大的優(yōu)勢(shì)。
3、實(shí)際應(yīng)用
收獲變頻器是來自于韓國收獲電氣株式會(huì)社的一種高性能變頻器。收獲同步控制有近十年的生產(chǎn)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)成熟可靠，以在同類應(yīng)用中廣泛使用，完全滿足起重機(jī)同步的技術(shù)要求，并提供可靠的后期維護(hù)和技術(shù)支持，所以我們選用該產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)同步功能。它具有
●多樣的控制方式：V/F控制、無感矢量控制(開環(huán)）、矢量控制（閉環(huán)）。
●自由編程功能：多樣的數(shù)學(xué)方程式、多樣的邏輯運(yùn)行、多樣的計(jì)時(shí)運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)任意的編程組合、定義明確的函數(shù)。
●多驅(qū)動(dòng)&多電機(jī)控制：多驅(qū)動(dòng)間的同步控制、PWM逆變?cè)偕鷨卧牟⒙?lián)運(yùn)行多電機(jī)控制。
SEOHO-VD系列變頻器配合使用的同步卡（Sychron-Card），無需編碼器就能實(shí)現(xiàn)高度精確穩(wěn)定的轉(zhuǎn)距、轉(zhuǎn)速控制，從而使廉價(jià)的變頻器應(yīng)用到同步控制系統(tǒng)中成為現(xiàn)實(shí)，下面我們將通過一個(gè)實(shí)例來說明SEOHO變頻器的多驅(qū)動(dòng)&多電機(jī)控制方式。
SEOHO變頻器控制主從電機(jī)是將多臺(tái)變頻器分別設(shè)為一臺(tái)主機(jī)和多臺(tái)從機(jī)，通過主從變頻器間的相互通訊從而控制兩臺(tái)電機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速同步。采用SEOHO變頻器的此功能來實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)之間實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)速的方案，與傳統(tǒng)在電機(jī)上采用編碼器來實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)速的功能的方案相比，有以下特點(diǎn)：
(1) 成本低。（與通常的同步方案相比，無需編碼器即可滿足控制要求）。
(2) 控制精度高。
(3) 調(diào)試簡(jiǎn)單方便。
(4) 信號(hào)穩(wěn)定。（無需編碼器，則系統(tǒng)減少了一個(gè)干擾源。）
(5) 控制方式的多樣化。

主站負(fù)責(zé)通信和控制信號(hào)。RS-422作為同步控制的物理層，它允許總線中接入多臺(tái)驅(qū)動(dòng)設(shè)備。為了保證通信速度，主站到從站中只有單向的數(shù)據(jù)流動(dòng)，從站只是單純的從總線中接收數(shù)據(jù)。也就是說，從站并沒有向主站發(fā)送數(shù)據(jù)。主站和從站之間的數(shù)據(jù)，是隨著時(shí)鐘信號(hào)發(fā)送和接收的。這樣，就保證了較高的通信質(zhì)量。

步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
應(yīng)用實(shí)例：為威海榮成伽耶船廠做的一臺(tái)A型門機(jī)的大車控制系統(tǒng)。
此門機(jī)的跨度是52米，采用了四臺(tái)7.5KW的變頻電機(jī)。要求此門機(jī)有多檔速度，在每一檔速度四臺(tái)電機(jī)都必須同步運(yùn)行。設(shè)計(jì)：采用了15KW的SEOHO變頻器2臺(tái)（型號(hào)為：SOHO15VD4Y，每臺(tái)驅(qū)動(dòng)2個(gè)7.5KW的電機(jī)），Option-Card卡(擴(kuò)展卡）2塊，Sychron-Card（同步卡）2塊。
雙絞線（8線）作為RS422同步串行通信介質(zhì)。為了保證穩(wěn)定性，通信總線兩端必須添加終端端子。對(duì)于多臺(tái)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)，主站使用一個(gè)端子，最后一臺(tái)從站插入另外一個(gè)端子。在通信卡上有兩個(gè)連接插頭，一個(gè)用于連接雙絞線，另一個(gè)用于連接終端端子（或者用于連接通向下一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的雙絞線）。具體接法見下圖。

同步卡通訊連接
主站通過“二進(jìn)制輸入端”（DigitalInput）監(jiān)控從站RUN/STOP狀態(tài)，并根據(jù)外部給定的參考值和RUN/STOP信號(hào)通過數(shù)據(jù)線將“速度”“轉(zhuǎn)矩”設(shè)定值和RUN/STOP信號(hào)發(fā)送給從站。傳送的消息（Messages）包括兩部分：一個(gè)是控制指令（controlmessage），另一個(gè)是回饋回來的信號(hào)。在每一個(gè)通訊周期中，主站都發(fā)出控制指令。從站依據(jù)主站發(fā)送來的指令值，執(zhí)行相應(yīng)的操作并從“二進(jìn)制輸出端”（DigitalOutputorRelayOutput）輸出RUN/STOP信號(hào)給主站的二進(jìn)制輸入端，主站收到此信號(hào)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。如果沒有檢測(cè)到從站處于運(yùn)行狀態(tài)，主站將一直處于初始化運(yùn)行狀態(tài)，不會(huì)進(jìn)行下一步的操作。例如，主站不會(huì)控制電機(jī)提高轉(zhuǎn)速。
在主，從運(yùn)行過程中，主站隨時(shí)監(jiān)控從站的運(yùn)行情況，若從站出線異常情況，主站會(huì)通過從站的數(shù)字量輸出信號(hào)接收到從站異常的信號(hào)。從而主站會(huì)控制整個(gè)系統(tǒng)停機(jī)并報(bào)警，當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)從機(jī)報(bào)故障（F39）。
調(diào)諧通過后設(shè)以下參數(shù)：

系統(tǒng)同步參數(shù)設(shè)置
此門機(jī)的大車運(yùn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了交流變頻技術(shù)與PLC控制變頻器同步調(diào)速，實(shí)現(xiàn)了各主從單元同步的精確控制和主要工藝參數(shù)在線檢測(cè)與監(jiān)控，從調(diào)試完成運(yùn)行到現(xiàn)在，運(yùn)行情況穩(wěn)定。沒有出現(xiàn)任何異常情況。
通過這個(gè)實(shí)例可以看出。使用SEOHO變頻器來實(shí)現(xiàn)同步控制具有，控制方式簡(jiǎn)單（僅僅通過一根網(wǎng)線即可實(shí)現(xiàn)），操作方便（通過幾個(gè)簡(jiǎn)單的參數(shù)實(shí)現(xiàn)）。運(yùn)行可靠（無干擾）。設(shè)備一體化程度高，控制多樣化等優(yōu)點(diǎn)。主站的控制通過現(xiàn)場(chǎng)總線來實(shí)現(xiàn)，使各種信息指令可方便的通過總線反饋給PLC和觸摸屏等上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能。也可通過繼電器電路來實(shí)現(xiàn)，能滿足各種行業(yè)和各種控制方式的要求。
其他說明
SEOHO變頻器的同步控制功能除了能用在運(yùn)行機(jī)構(gòu)上，亦能用在起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)以及起升抓斗控制上。（起升機(jī)構(gòu)上有很多時(shí)候是用兩臺(tái)電機(jī)控制，一臺(tái)電機(jī)控制一個(gè)吊鉤，要求雙鉤運(yùn)行時(shí)同步提升重物。抓斗控制要求抓斗的打開和閉合同步）。對(duì)于主從機(jī)連接到單軸的設(shè)備，系統(tǒng)使用的元件，參數(shù)的調(diào)整都與大車同步控制的方案相同。
在很多應(yīng)用中，當(dāng)主站或者從站發(fā)生故障等緊急情況的時(shí)候，都要求主站、從站可以相互獨(dú)立的控制?？梢酝ㄟ^“二進(jìn)制輸入端”（binaryinput）設(shè)定控制位“Sync_Ctrl_Bypass”。當(dāng)該位使能，同步控制則取消，主/從站之間相互獨(dú)立的運(yùn)行。輸入信號(hào)（RUN,Speed_Set,Trq_Set）由“數(shù)字輸入端子”（digitalinputterminals）接入。也可來自PROFIBUS總線。這樣，就可以方便的實(shí)現(xiàn)其他控制信號(hào)（Sync_Ctrl_Bypass,Trq_Ctrl_Option_Bypass）與輸入信號(hào)（RUN,Speed_Set,Trq_Set）共同對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。
當(dāng)控制位“Sync_Ctrl_Bypass”被設(shè)置后，從站將不再跟隨主站動(dòng)作。在這種情況下，我們可以使用自由功能模塊（freefunctionblock）解決。調(diào)用此自由功能模塊。輸出信號(hào)“RUN”，是控制信號(hào)“Sync_Ctrl_Bypass”與“Sync_Ctrl_RUN”或者DI1信號(hào)邏輯與運(yùn)算的結(jié)果（即：（!X&Y）|（X&Z））。同樣，速度和轉(zhuǎn)矩設(shè)定值也同樣設(shè)置。
4結(jié)束語
同步傳動(dòng)是起重機(jī)的基礎(chǔ)性技術(shù)。進(jìn)入變頻器傳動(dòng)時(shí)代以來，同步傳動(dòng)問題日益成為典型的變頻器應(yīng)用技術(shù)。收獲同步卡與SEOHO-VD在起重行業(yè)的廣泛應(yīng)用，顯示了收獲變頻器在推進(jìn)起重工業(yè)領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步的能力。
作者簡(jiǎn)介：
何小民男碩士畢業(yè)于太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院控制理論與控制工程專業(yè)現(xiàn)在青島立邦達(dá)工控技術(shù)有限公司從事技術(shù)工作
參考文獻(xiàn)
【1】韓國SEOHO變頻器-同步控制功能說明書
【2】SEOHO-VD變頻器同步控制功能起重機(jī)應(yīng)用實(shí)例教程