基于S7—300 PLC的雙電機(jī)同步控制在龍門起重機(jī)中的應(yīng)用

摘 要：雙電機(jī)同步控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控制中，本文主要研究大起重量、大跨度龍門起重機(jī)兩個(gè)門腿的同步控制。文章詳細(xì)分析了龍門起重機(jī)兩門腿變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了兩門腿電機(jī)同步運(yùn)行控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)同步控制效果良好。

關(guān)鍵詞：同步控制 PLC 變頻器 監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TH45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）06（b）-0084-02

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，龍門起重機(jī)作為一種物料搬運(yùn)機(jī)械在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。而目前很多龍門起重機(jī)系統(tǒng)由于兩個(gè)門腿不同步、超負(fù)荷作業(yè)以及機(jī)械振動(dòng)沖擊過大等因素導(dǎo)致比如脫軌這樣的嚴(yán)重問題。因此，本文主要針對(duì)該問題，設(shè)計(jì)了兩個(gè)門腿的同步控制方案，改善電氣傳動(dòng)，減少起制動(dòng)沖擊，保持起重機(jī)門腿的穩(wěn)定的同步運(yùn)動(dòng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

龍門起重機(jī)的兩門腿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如（圖1）所示，它由工控機(jī)、可編程控制器（PLC）、兩個(gè)變頻器，兩個(gè)異步交流電動(dòng)機(jī)和編碼器等構(gòu)成。其中工控機(jī)為監(jiān)控層，用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況的監(jiān)控。PLC為控制層，它將設(shè)備的信息傳送給工控機(jī)，并通過變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的同步控制。變頻器作為執(zhí)行層，它把PLC的控制信號(hào)放大處理后，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，并通過光電編碼器實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。而各層之間的通信，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到控制器的連接方式，采用PROFIBUS總線的線形結(jié)構(gòu)。下面對(duì)系統(tǒng)的主要部分作一下詳細(xì)介紹。

（1）工控機(jī)。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)采用研華工控生產(chǎn)的CPU為Pentium Iv 1700MHZ的工控機(jī)。由于在控制龍門起重機(jī)兩個(gè)門腿電機(jī)的過程中，要同時(shí)運(yùn)監(jiān)控軟件WinCC和PLC編程軟件STEP7 V5.4這兩個(gè)大型軟件，因此內(nèi)存采用512MB。并且在計(jì)算機(jī)上插接了CP5611現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡，使工控機(jī)通過PROFIBUS總線與PLC通信。通過監(jiān)控軟件WinCC對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，通過PROFIBUS總線實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)PLC的通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。并通過其強(qiáng)大的人機(jī)界面，可以使操作員直觀的看到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的操作情況，并能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)故障等狀況做出及時(shí)的反應(yīng)。

（2）可編程控制器。根據(jù)龍門起重機(jī)實(shí)際應(yīng)用的要求，選擇西門子S7-300 PLC作為其中樞控制系統(tǒng)。S7-300 PLC不需要附加任何硬件、軟件和編制程序，就可以通過PROFIBUS-DP總線接口，建立一個(gè)DP網(wǎng)絡(luò)。而PLC控制系統(tǒng)通過DP網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)WinCC的通信，同時(shí)和變頻器進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫，并通過編制變頻器控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器各個(gè)參數(shù)的修改，對(duì)電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)信息進(jìn)行有選擇的讀取[1]。且S7-300 PLC可以通過使用模糊-PID控制實(shí)現(xiàn)對(duì)右腿電機(jī)速度調(diào)節(jié)，使龍門起重機(jī)兩門腿的速度協(xié)調(diào)一致。

（3）變頻調(diào)速系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用Automation Drive FC300變頻器，它是丹佛斯公司生產(chǎn)的變頻調(diào)速設(shè)備，它采用了VVCplus控制原理，能夠承受極大的負(fù)載沖擊，并且對(duì)參數(shù)變化能夠快速反應(yīng)。FC300是丹佛斯變頻器的一種新型產(chǎn)品，它能夠靈活的和第三方設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，可以作為PROFIBUS總線的從站，掛在DP網(wǎng)絡(luò)中，方便的實(shí)現(xiàn)與主站PLC的通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的變頻調(diào)速控制。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及需要，龍門起重機(jī)變頻調(diào)速同步控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)（WinCC監(jiān)控系統(tǒng)）、下位機(jī)（PLC控制系統(tǒng)）、變頻器等組成。上位機(jī)作為監(jiān)控層，用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，本控制系統(tǒng)使用WinCC監(jiān)控軟件來實(shí)現(xiàn)，它能夠解決在生產(chǎn)和過程自動(dòng)化中有關(guān)可視化和控制任務(wù)的工業(yè)控制系統(tǒng)，同時(shí)它能夠提供圖形顯示、歸檔、消息及報(bào)表的功能模塊，并具有快速畫面更新，數(shù)據(jù)采集和歸檔及強(qiáng)大的通信功能。

龍門起重機(jī)大車行走程序要完成控制兩個(gè)門腿行走的功能，必須設(shè)計(jì)變頻調(diào)速系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)應(yīng)用PLC和變頻器組成該系統(tǒng)[2]。S7-300 PLC的電源模塊用PS307 5A，CPU選擇CPU315-2DP，本系統(tǒng)使用兩個(gè)變頻器對(duì)電機(jī)控制，且變頻器與PLC之間的通信采用PROFIBUS-DP總線形式，所以組態(tài)了變頻器硬件，并通過PROFIBUS總線與PLC連接。組態(tài)后的控制系統(tǒng)硬件配置如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

龍門起重機(jī)的兩門腿同步控制系統(tǒng)的主程序的流程圖如圖3所示，分別設(shè)計(jì)了變頻器控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)、速度和停止控制，并應(yīng)用FC300變頻器內(nèi)部閉環(huán)PID控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩門腿電機(jī)的速度閉環(huán)控制[3]。

同時(shí)在PLC程序中，應(yīng)用模糊-PID控制實(shí)現(xiàn)兩個(gè)門腿的同步運(yùn)行。PLC對(duì)主、從電機(jī)反饋的兩個(gè)門腿電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行比較，得出轉(zhuǎn)速差e1及轉(zhuǎn)差率ε，與系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)誤差系數(shù)εg進(jìn)行比較，根據(jù)轉(zhuǎn)速差進(jìn)行兩種模態(tài)的切換：當(dāng)ε>εg時(shí)，應(yīng)用模糊控制快速減少誤差；當(dāng)ε<εg時(shí)，采用PID控制，在小范圍誤差內(nèi)消除誤差，提高同步精度。這樣在兩個(gè)電機(jī)運(yùn)行速度不一致時(shí)，PLC通過模糊-PID控制器給出一個(gè)控制信號(hào)，調(diào)節(jié)柔性門腿即右腿電機(jī)速度，使其與左腿電機(jī)速度一致。

為了提高兩門腿的同步運(yùn)行精度，除了對(duì)其速度進(jìn)行同步控制外，還對(duì)兩個(gè)門腿的位移進(jìn)行判斷調(diào)節(jié)。通過角度電位器等器件，計(jì)算兩門腿的偏移距離S，并把S值與允許誤差值S1進(jìn)行比較，如果S>S1或者-S<-S1，通過PLC編程，給右側(cè)電機(jī)一個(gè)額外速度ΔV，調(diào)節(jié)右側(cè)電機(jī)速度直到左側(cè)和右側(cè)門腿行走一致。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

龍門起重機(jī)兩門腿同步控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖4所示，中間為研華工控機(jī)，左邊為S7-300 PLC，右邊是兩臺(tái)FC300變頻器，它們之間用PROFIBUS-DP總線進(jìn)行連接。完成硬件組態(tài)和軟件編程后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行在線調(diào)試，得出該系統(tǒng)兩電機(jī)同步運(yùn)動(dòng)效果良好，如圖5所示為兩電機(jī)速度曲線圖，設(shè)定的兩電機(jī)速度上升和下降時(shí)間分別為為3 s、5 s。由圖可以看出本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)兩電機(jī)的速度跟隨。

5 結(jié)論

雙電機(jī)同步控制系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控制中，而本文的研究主要針對(duì)大跨度、大起重量龍門起重機(jī)門腿的同步控制運(yùn)動(dòng)。在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中，龍門起重機(jī)作為物料搬運(yùn)機(jī)械中的一種，它起著非常重要的作用。因此對(duì)龍門起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)的研究意義非常重大。本文采用可編程控制器與變頻器組成的變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于龍門起重機(jī)同步控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)應(yīng)用監(jiān)控軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀況進(jìn)行監(jiān)控，便于及時(shí)的發(fā)現(xiàn)、處理故障。本電控系統(tǒng)的研究對(duì)龍門起重機(jī)向自動(dòng)化、大型化、智能化及高效率化的方向發(fā)展具有重大作用。該系統(tǒng)經(jīng)過修改，還可應(yīng)用于其他多電機(jī)同步控制的場(chǎng)合。

參考文獻(xiàn)

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