摘要：采用 PLC、变频器以及人机界面对门式起重机原有的老式控制系统进行了改造，介绍了控制系统的构成情况及软件设计。经调试，该系统运行良好，实现了 PLC 控制、全变频、无极调速以及故障显示等多重功能。
关键词：PLC；变频器；人机界面；控制系统
引言：
1 控制系统的硬件构成
门式起重机是桥式起重机的一种变形，其具有场地利用率高、作业范围广、适应面广和通用性强等特点。控制系统的硬件包括 PLC 主站（安装于 PLC 柜内），PLC 远程站（安装于司机室的联动台内）和变频器（4 台），分别位于主、副起升柜及大、小车柜中。PLC 主站与 PLC 从站由 PＲOFIBUS DP 专用电缆（ＲS485），分别带 2 个终端电阻的总线连接器相连接，中间用不带终端电阻的总线连接器串接 4 台变频器。Kinco MT4522T 触 摸 屏 由 从 站 接 出，用ＲS232 和 9 Pin D-SUB 接头连接，并安装于司机室内。本控制系统选用欧姆龙 PLC，主站电源模块型号为 CJ1W － PA202，CPU 型号为 CJ2M － CPU31。带 DP 通讯口，DP 型号为（CJ1W － PＲM21）、3 个 16点数字量输入模块 CJ1W － ID211 和 2 个 16 点数字量输出模块 CJ1W － OD211。远程站 CPU 型号为CJ2MCPU11，PＲOFIBUS DP 型号为 CJ1W － PＲT21，5 个 16 点数字量输入模块 CJ1W － ID211。主、副起升选用安川变频器 H1000 系列，由于负载变化较大，为了获得快速的动态响应，实现对转矩的快速调节，在 2 台变频器中安装了 PG － B3 选件卡，实行带 PG 矢量的控制，防止主、副起升电动机失速。其 PG － B3 选件卡分别连接到位于主、副起升电动机轴的编码器上，2 个编码器均采用增量型编码器ＲVI58N － 011AAＲ61N － 1024。在连接时，编码器采用 A、B、Z 三相连接。即 A、A －，B、B －，Z、Z － 连接，由于采用带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为 0，衰减最小，抗干扰最佳。另外，在司机室联动台内的主、副起升及控制大、小车的 4个手 柄 上 均 安 装 了 1 个 绝 对 值 编 码 器，型 号 为FVS58N － 011K2Ｒ3GN － 0013，这 4 个编码器分别连接到从站的 4 个输入模块上，用于无极调速控制输入。选用安川变频器 A1000 系列，大、小车由于其惯量较大，负载变化相对较小，基本上属于阻力性负载，故这 2台变频器不安装 PG － B3 选件卡，采用无 PG 矢量控制方式。上述 4 台变频器均安装了选购件 9 Pin 的SI － P3 通信 卡，通信时将总线连接器插入通信卡插孔即可通信。
2 控制系统的软件设计
组态软件选用欧姆龙 CX － Configurator FDT，在组态时，设置主站站址为 1，单元号为 1，并将硬件DP 上的节点号拨到 1；将从站的站址设为 2，并将从站 DP 通信口上的节点号拨到 2，此外，从站组态模块的模块名选择 8 words In /Out；然后，按照主起升、副起升、小车和大车的顺序将站址依次设为 3、4、5、6，在调节 4 台变频器的参数时，将参数 F6 － 30 中的节点地址按上述顺序依次设为 3、4、5、6，而组态模块的模块名均选用 Extended Data 1 数据类型，该类型为 16 words In /Out，至此组态完毕。PLC 编程软件选用欧姆龙 CX － Programmer，PLC程序采用模块化设计，在主站中编写程序，在从站中不编写程序。主站程序分为电源模块、主起升程序模块、副起升程序模块、小车程序模块、大车程序模块、故障程序模块及速度控制程序模块。程序模块化不仅减少了程序语句，缩短了程序处理时间，提高了控制系统的响应能力，还利于起重机带载快速调试，便于调试人员快速查找和优化程序。下述介绍速度控制程序模块中主起升无极调速控制输入的程序，该程序编写地址的依据是在上述组态中分配了从站的 8 个输入字 0200－ 0207 和 8 个输出字 0000 － 0007。首先，需将绝对值编码器的前 8 位格雷码（CIO：200）通过“异或”操作转化为自然二进制码（CIO：60），数据范围为 0 －255。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆由于程序篇幅较长，这里仅举例主起升编码器的 D7、D6和 D53 位的转化程序，其余位进行同样转化。当将 8 位格雷码转换完成后，速度控制余下程序，当零位时，将 0 传送到 D100 中；当主起升手柄下降时，将程序段中转化完成的输入字 60里面的数据传送到 D100 中；当主起升手柄上升时，由于对应于编码器减计数，所以需做一个运算，使得手柄从零位切换到升时，依然是加计数。然后，将 D100 中的数据与 86 作比较（8 位编码器整周旋转数据范围为0 ～ 255，但扳动 4 个手柄时，实际得到的最大值介于 80～ 90，于是将 86 设为最大值），若 ＞ 86，则将 86 传送到D110 中；将 D100 中的数据与 10 作比较（10 作为设定的最小动作频率基数），若 ＜ 10，则将 10 传送到 D110中，否则，将真实值传送到 D110 中。接着，将 D1 10 中的数据乘以系数因子 58（我国家用电最大频率为 50Hz，而所选变频器频率单位 0． 01 Hz，所以用5 000除以手柄旋转的最大基数 86 得到系数因子 58）并传送到D120 中，实现无极调速。
3 PLC 通信调试及变频器自学习
连接好通信电缆，将组态参数下载到设备中。将编译好的程序下载到 CPU 中，点击编程软件上的“在线工作”，可以观察通信是否正常，若 BF 红灯亮，说明总线故障，检查终端电阻是否置于 on 位置，或总线连接器接线时，通信电缆的屏蔽层未连接好；若 BF 红灯不亮，ＲUN 和 COMM 绿灯亮，说明 PLC通信成功。设置变频器所需参数，完成设置后，将驱动主、副起升的 2 台变频调速三相异步电动机与各自减速器之间的联轴器断开。将变频器调到自学习模式，按 ENTEＲ 键进入参数设置，首先选择自学习模式，将 TI － 01 设置为 0，表示自学习模式为旋转自学习，按照电动机铭牌依次写入参数 T1 － 02（电动机的输出功率）、T1 － 03（电动机的额定电压）、T1 － 04（电动机的额定电流）、T1 － 05（电动机的基本频率）和T1 － 06（电动机的极数）。完成电动机铭牌参数写入后，点击 ＲUN，变频器上的 DＲV 指示灯亮，电动机开始旋转，若自学习中检测到测定故障，则会显示故障信息并中断自学习；若没有检测到测定故障，也没有人为按动 STOP 键，则大约 2 min 后显示自学习完毕，至此，自学习完成。操作联动台内的手柄，在变频器的显示屏上便会显示相应的频率，说明变频器通信正常。
4 触摸屏运行监控及故障显示功能调试
触摸屏与 PLC 通信在调试之前，首先将带 USB插头的数据线上触摸屏与电脑连接，初次使用要求手动安装 USB 驱动程序。触摸屏组态编辑软件选用 Kinco HMIware，在电脑中组态好所有画面后，保存并编译，将组态好的画面下载到触摸屏中。至此，触摸屏会显示组态首页的画面。点击画面上的按钮，进入不同的画面，可实现大、小车状态监视，起升状态监视以及故障监视，在故障显示画面中还可以根据需要查看历史故障。下述以起升状态监视画面为例，简要介绍画面中的几个功能。画面显示有主、副起升变频器故障（后面有 1 个指示灯，红灯表示有故障，绿灯表示没有故障），主、副起升风机接触器（红灯表示断开，绿灯表示接通）和主、副起升超载（红灯表示超载，绿灯表示没有超载）显示等功能。由于触摸屏直接由从站接出，因此可以将触摸屏也视为 1 个从站。在PLC 主站中，地址 200． 08 对应于主起升手柄升，而在触摸屏中应将地址设置为 0． 08，便可在操作手柄升时，同时在触摸屏上显示手柄升。
5 结语
由于起重机控制系统省去了切换转子电阻的交流接触器和串联电阻等电气元件，电气控制线路大为简化。起重机起动、制动、加速和减速等过程更加平稳快速，减少了负载波动，安全性大幅提高。采用 PLC 代替原有复杂的接触器和继电器控制系统，电路实现了无触点化，故障率大大降低。采用变频调速，机械特性硬，负载变化时各挡速度基本不变。轻载时也不会因操作不当而出现失控现象，发挥了触摸屏人机交互的优点。通过屏幕上的运行指示灯，可更直观地掌握系统的运行状态，大大降低了故障检修的难度和时间，具有较高的实用价值。
参考文献：
［1］左鹏军． 变频器及 PLC 在桥式起重机控制系统改造中的应用［J］． 起重运输机械，2007（12）：85-87．
［2］白宏伟，张永停． 基于 PLC 的桥式起重机并车通信设计［J］． 起重运输机械，2013（1）：12-14．
论文作者:卢建旭
论文发表刊物:《基层建设》2017年第15期
论文发表时间:2017/10/10
标签：变频器论文; 组态论文; 程序论文; 触摸屏论文; 模块论文; 电动机论文; 控制系统论文; 《基层建设》2017年第15期论文;