基于PLC、變頻器與組態(tài)王的“運(yùn)料小車運(yùn)動控制系統(tǒng)”綜合實(shí)訓(xùn)課題的研究

胡玲笑

(杭州市蕭山區(qū)高級技工學(xué)校，杭州 311201)

0 引言

運(yùn)料小車作為工業(yè)運(yùn)料的主要設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于自動生產(chǎn)線、煤礦、港口等行業(yè)。各行業(yè)工序之間的物品運(yùn)轉(zhuǎn)常用有軌小車來實(shí)現(xiàn)[1]。小車的運(yùn)動通過電機(jī)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)，并通過電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來完成小車前進(jìn)和后退的動作。用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究的運(yùn)料小車控制主要有裝料、卸料兩個(gè)單元構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)不斷自動循環(huán)工作[2]。傳統(tǒng)的運(yùn)料小車多采用“繼電器——接觸器”控制系統(tǒng)，其繼電控制系統(tǒng)存在安裝時(shí)間長，設(shè)備體積大，更改耗時(shí)長，成本耗費(fèi)大等缺點(diǎn)，而且無法進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理，不具備人機(jī)通信功能，已無法滿足當(dāng)今社會現(xiàn)代化的自動生產(chǎn)需求。作為一種微型計(jì)算機(jī)，PLC主要應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境，它應(yīng)用微電子技術(shù)，按照用戶編制的程序要求來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理的功能[3]。由于其可靠性高、編程簡單、易于維護(hù)，被廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)[4]。隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動控制技術(shù)等的不斷發(fā)展，變頻器技術(shù)應(yīng)用越來越普及[5]。變頻器是將電源固定頻率變換為頻率連續(xù)可調(diào)以實(shí)現(xiàn)調(diào)速，性能好，速度調(diào)節(jié)范圍大，運(yùn)行高效，有較好的靜態(tài)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。組態(tài)王是作為一種組態(tài)軟件，主要用于監(jiān)控工業(yè)控制現(xiàn)場。它擁有系統(tǒng)兼容性能好、方便用戶更改、拓展、實(shí)惠、開發(fā)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。本課題作為技工院校技術(shù)研究階段鞏固學(xué)生對于PLC、變頻器、組態(tài)王軟件的綜合應(yīng)用的學(xué)習(xí)。

1 運(yùn)料小車運(yùn)動控制系統(tǒng)的介紹

實(shí)際生產(chǎn)過程中，運(yùn)料小車根據(jù)需求，需經(jīng)歷前進(jìn)或者后退的動作，并遵循由快到慢，由慢到快的過程，此過程采用變頻器控制電動機(jī)M來實(shí)現(xiàn)。電動機(jī)M前進(jìn)為正轉(zhuǎn)，電動機(jī)M后退為反轉(zhuǎn)，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 運(yùn)料小車系統(tǒng)示意圖

控制功能要求如下：

運(yùn)料小車開始工作時(shí)，由啟動按鈕SB1來開啟，運(yùn)料小車停止時(shí)需手動來完成，由停止按鈕SB2來實(shí)現(xiàn)，小車運(yùn)行到指定位置時(shí)用左右限位開關(guān)模擬，小設(shè)計(jì)不考慮工頻電源引入小車的方法。

其工藝流程如下：

按下SB1，小車從原點(diǎn)啟動，第一次右行，要求控制小車運(yùn)行電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n為1400r/min，使小車向前運(yùn)行直到碰到SQ2，開關(guān)停止，KM1接觸器吸合，使料斗開啟7s裝料。隨后小車返回原點(diǎn)，要求控制小車運(yùn)行電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為700r/min，直到碰到SQ1，開關(guān)停止，KM2接觸器吸合，使小車卸料5s后完成第一次任務(wù)。然后，小車開始第二次右行，要求控制小車運(yùn)行電動機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min，使小車向前運(yùn)行直到碰到SQ2，開關(guān)停止，KM1接觸器吸合，使料斗開啟7s裝料。隨后小車返回原點(diǎn)，要求控制小車運(yùn)行電動機(jī)轉(zhuǎn)速為500r/min，直到碰到SQ1，開關(guān)停止，KM2接觸器吸合，使小車卸料5s后完成第二次任務(wù)。

要求說明：

(1)要求按工藝流程連續(xù)運(yùn)行，小車不在原位不能啟動，如小車不在原位，按停止按鈕可快速回到原點(diǎn)。

(2)小車第一次向右運(yùn)行時(shí)，需要進(jìn)行第一次加速，加速時(shí)間設(shè)置為3s，停止時(shí)的第一減速時(shí)間為2s；第二次向左運(yùn)行時(shí)，需要進(jìn)行第二次加速，加速時(shí)間設(shè)置為2s，到料斗處停止，變頻器第二減速時(shí)間為1s。后退運(yùn)動及下料不做要求。

(3)控制系統(tǒng)要設(shè)置有短路保護(hù)和互鎖保護(hù)。

(4)設(shè)計(jì)一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)，用組態(tài)王軟件平臺來實(shí)現(xiàn)，組態(tài)界面上要求有實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控運(yùn)行功能，其中設(shè)計(jì)要求：①組態(tài)畫面第一張界面上方顯示“運(yùn)料小車運(yùn)動控制系統(tǒng)監(jiān)視”；②第一張界面設(shè)置上電指示燈、系統(tǒng)運(yùn)行指示燈、左限指示燈、右限指示燈、原點(diǎn)指示燈；③第一張界面下方設(shè)置跳轉(zhuǎn)鍵，進(jìn)入第二頁；④在第二頁上方顯示“運(yùn)料小車運(yùn)動控制”；⑤第二張界面設(shè)置開始按鍵、停止按鍵，上電指示燈、啟動指示燈、左限指示燈、右限指示燈、原點(diǎn)指示燈，并制作一個(gè)小車運(yùn)行的模擬動畫；⑥第二頁面右下角設(shè)置頁面跳轉(zhuǎn)鍵“返回”，用來返回到開始頁。

2 運(yùn)料小車運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)程序分析

通過對控制要求的分析，該系統(tǒng)有啟動按鈕、停止按鈕、小車的運(yùn)行軌道上設(shè)置有兩個(gè)限位開關(guān)，共有四個(gè)信號作為PLC的輸入信號，小車的向左運(yùn)動和向右運(yùn)動，快速和慢速都是受變頻器控制，而變頻器的信號都是由PLC給出的信號控制，再加上料斗裝料卸料和小車的卸料由兩個(gè)交流接觸器完成，所以總共需要8個(gè)PLC輸出信號。考慮留有的余量，PLC選用FX3U-32MR型。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 PLC的I/O分配(如表1所示)。

2.2.2 組態(tài)王控制信號的分配(如表2組態(tài)王界面上的控制信號分配)。

2.2.3 程序設(shè)計(jì)

在編寫程序時(shí)，為了不占用PLC的I/O，選用軟元件M。狀態(tài)流程圖如圖2所示。

表1 I/O分配表

表2 組態(tài)王界面上的控制信號分配表

圖2 運(yùn)料小車狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

2.2.4 變頻器的參數(shù)設(shè)置

圖3 運(yùn)料小車的電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化情況

圖4 變頻器的頻率變化情況

根據(jù)運(yùn)料小車的運(yùn)動控制要求，變頻器采用三菱FR-D700，模式為外部啟動內(nèi)部調(diào)頻，變頻器的輸入信號由PLC給定。運(yùn)料小車在裝料和卸料運(yùn)動過程中，小車右行和左行時(shí)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化情況，如圖3所示。小車在運(yùn)動變化中的速度由變頻器來控制，變頻器的頻率參數(shù)變化如圖4所示。(電動機(jī)型號為Y112M，4kW、380V、△接法)。變頻器的參數(shù)設(shè)置如表所示。

表3 變頻器的參數(shù)設(shè)置

2.3 系統(tǒng)電路圖設(shè)計(jì)(如圖5所示)

圖5 系統(tǒng)電路圖

2.4 組態(tài)界面設(shè)計(jì)

使用小車、限位開關(guān)、料斗、指示燈、起動停止按鈕、電動機(jī)等元件，在組態(tài)王軟件平臺構(gòu)建送料小車的組態(tài)界面，組態(tài)圖如圖6所示。建立運(yùn)料小車的左右運(yùn)行、限位開關(guān)的壓合以及上料放料的動畫。編寫腳本程序，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真。

3 結(jié)語

本綜合實(shí)訓(xùn)課題已經(jīng)作為我校電氣安裝與維修技師班技師研究階段的教學(xué)使用。PLC控制技術(shù)、變頻器技術(shù)、組態(tài)王軟件在本課題研究總的綜合應(yīng)用，學(xué)生的專業(yè)知識得到了鞏固，學(xué)生工程實(shí)際的應(yīng)用能力得到了提高。實(shí)訓(xùn)中引入了組態(tài)王軟件的設(shè)計(jì)，畫面感立體，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情被激發(fā)，課堂氣氛活躍，實(shí)訓(xùn)的教學(xué)目的得以實(shí)現(xiàn)。

圖6 組態(tài)界面

參考文獻(xiàn)：

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