PLC和变频器定位控制在重载货运中的应用_周桃文.pdf

2023 年 2 月 25 日第 7 卷第 4 期现代信息科技Modern Information Technology Feb.2023 Vol.7 No.447472023.022023.02收稿日期：2022-09-27基金项目：宜宾职业技术学院科研项目（ybzysc19-33）PLC 和变频器定位控制在重载货运中的应用周桃文（宜宾职业技术学院，四川 宜宾 644003）摘 要：通过对重载货运定位控制需求的研究，以西门子 PLC 和 G120 变频器为核心，提出并设计一种低速抱闸定位控制系统，从而实现了对重载货运较为准确的定位控制，避免了反复往返调试过程，提高了定位控制的效率。同时还采用触摸屏模块进行控制和监测，既增强了系统的可操作性，又提升了系统的可视化程度，最大限度提升了系统的灵活性和稳定性。关键词：PLC；变频器；定位控制中图分类号：TP311；TP273 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）04-0047-04Application of PLC and Frequency Converter Positioning Control in Heavy Load FreightZHOU Taowen(Yibin Vocational&Technical College,Yibin 644003,China)Abstract:Through the research on the positioning control requirements of heavy load freight,with Siemens PLC and G120 frequency converter as the core,a low-speed holding brake positioning control system is proposed and designed,thus achieving more accurate positioning control of heavy load freight,avoiding repeated round-trip debugging process,and improving the efficiency of positioning control.At the same time,the touch screen module is also used for control and monitoring,which not only enhances the operability of the system,but also improves the visualization degree of the system,and maximizes the flexibility and stability of the system.Keywords:PLC;frequency converter;positioning control0 引 言2022 年以来，随着新冠疫情叠加严峻国际形势，使货运受阻、物流不畅1。其中由于在货物特别是重载货运配送运输过程中需要人为的参与导致货物配送的效率一直提高不上去，甚至由于操作人员的疫情感染导致配送运输的终止。在自动配送运输中，定位控制一直是重载货运配送运输中存在的问题之一。普通的 PLC 定位控制2一般采用开环和闭环两种控制方式3，开环控制主要是检测停止信号进行停止，但是由于重载时货车的惯性较大而不能停止到准确位置；闭环控制也是检测停止信号开始进行停止，同样重载时货车的大惯性会使货车超越停止位，系统又控制货车往后运行以达到停止位，但这种控制方式会使货车耗费大量的时间运行在往返定位控制，导致配送效率的下降。本文提出了利用变频器和 PLC 定位控制系统构成重载货运高效率定位的解决方法，并给出了控制系统软硬件结构的设计方案。1 工艺流程分析在重载货车运行过程中，空载货车从起点位置进行装货。装货完成后，货车在最短时间内准确定位在终点位置进行卸货。最后，空载货车返回到起点位置进行重复操作，如图 1所示。在整个控制系统中使用了变频器对货车进行速度有效DOI:10.19850/ki.2096-4706.2023.04.012控制。在图 1 中，从起点位置到传感器 SQ1 位置，根据实际要求货车的速度会由PLC通过以太网方式发送给变频器，再由变频器控制货车的速度 v1和运行状态。传感器 SQ1 位置的设置要考虑到货车由速度v1下降到v2下降时间的因素，而速度 v2大小是保证能通过抱闸刹车装置让货车立即停止的数值。当货车运行传感器 SQ1 处，PLC 控制变频器使货车的速度下降。在达到传感器 SQ2 位置时控制货车运行到速度 v2，同时进行停止、抱闸操作以达到精确的定位。起点终点SQ1SQ2图 1 货运系统示意图为了全面提高系统的运行安全性、操作灵活性与维护方便性，在对控制系统进行设计的过程中，工作人员可以通过触摸屏上的操作按钮，实现启动、停止控制，并通过数字给定控制正常运行的速度 v1和停车速度 v2，以及显示当前运行速度和电动机参数，为后续的控制提供便利条件。2 控制系统硬件设计分析2.1 系统设备组成及设计目标整个控制系统是由一台西门子 S7 系列的 PLC、一台西门子的 HMI 精智面板 TP700、一台西门子 G 系列的变频器、一台三相交流异步电动机、3 个光电传感器和一套抱闸控制系统组成。48482023.022023.02第 4 期现代信息科技系统分别由控制运算部分、显示设置部分和执行元件部分组成。控制运算部分主要由 PLC 和变频器来完成，显示设置部分主要由触摸屏进行控制，执行元件部分是由变频器和三相交流异步电动机来完成。PLC 接收到触摸屏的启动信号开始运行，再利用变频器控制三相交流异步电动机的转速从而实现本系统设计运行。2.2 控制系统构成控制系统主要由 PLC、变频器、触摸屏、传感器、电动机、抱闸装置等组成，如图 2 所示。PLCHMI传感器变频器抱闸装置电动机图 2 系统的结构框图通过触摸屏按钮输入指令，PLC 读取指令的地址，开始运行程序。利用初始化数据让变频器控制电动机的运行速度。传感器检测货运电车的位置，然后再发给 PLC 输入端口，PLC 读取指令地址，启动电磁阀，运动气缸开始工作，限位开关检测有无物料，再发给 PLC 指令，PLC 读取指令地址。PLC 联系现场状况的数据 I/O 操作，当有存取操作时，PLC会分析和接收操作员使用控制按钮调入的指令，以做出正确方式来进行控制。不仅仅可靠性高，而且采用了 PLC 可以节约大量的人力物力，以及减少后续维护的成本与难度，方便后续改造升级。根据系统控制功能要求，可得出系统 I/O接口及内部变量分配情况，如表 1 所示。表 1 控制系统 I/O 及内部变量分配表符号名称地址注释SB1M0.0自动启动SB2M0.1自动停止SQ3I0.2起点位置SQ1I0.3终点位置SQ2I0.4降速位置YV1Q0.0装料阀YV2Q0.1卸料阀HL1Q0.4起点指示灯HL2Q0.5SQ1 指示灯HL3Q0.6终点指示灯参数数值MD14变频器参数值控制字 1MW18PLC 控制信号给定速度MW20速度设定值v1给定值MW22v1速度设定值v2给定值MW24v2速度设定值状态字 1MW38变频器反馈信号反馈速度MW40速度实际值反馈电流MW42电流实际值v1值MD60触摸屏 v1设定v2值MD64触摸屏 v2设定电机电流MD68触摸屏设置电流3 系统的软件设计3.1 PLC 控制的软件设计PLC 的控制软件主要包含上电初始化模块、通信模块、自动运行模块、报警以及报警处理模块。选用西门子 S7-1200PLC，其内部包含逻辑指令、功能指令、步进顺控指令，同时也包括其他的特殊指令，具有编程操作灵活、运行稳定、修改方便等优势。其程序流程图如图 3 所示。开始左行是否在起点？开始装料是否装完?高速右行到SQ1处低速运行到SQ2停车抱闸开始卸料是否卸完？结束是是是否否否图 3 系统流程图在图 3 中，PLC 一上电，首先通过系统组织块 OB100对速度 v1、v2和变频器的减速时间进行初始化，如图 4 所示。给速度 v1和 v2初始化给变频器发送停止信号图 4 初始化程序此时，也可以由来自触摸屏的输入数据覆盖初始化的参数。当开始运行后，PLC 读取货车的当前位置并调整到起点位置进行装货。在接受装货完毕指令以后，货车以速度 v1高速49492023.022023.02第 4 期运行，在此过程也可利用触摸屏输入端口对速度 v1进行实时修改以满足操作要求。在 SQ1 处，PLC 控制变频器进行降速运行，使货车运行到 SQ2 处的速度降速到 v2，到 SQ2 处货车立即停车并进行抱闸制动。货车在 SQ2 处进行卸货后立即左行，重复执行上述过程。这种操作方式避免了重复的往返定位控制方式，提高了定位的精确度和有效性。在 PLC 主程序运行过程中，通信模块通过系统组织块 OB35 对变频器进行实际转速、实际电流和实际状态的读取，同时对变频器的加速时间和减速时间的进行相对实时修改。同时与触摸屏交换数据时要进行数据处理，触摸屏给定速度的处理程序如图5所示。本电机额定转速为 1 500 r/min输入注释图 5 触摸屏 v2速度的处理程序3.2 触摸屏画面设计HMITP700 精智面板使用西门子公司的 WinCC flexible软件进行画面的组态4。精智屏可在生产间歇期间将显示屏关闭；万一发生电源故障，可确保 100%的数据安全性；支持多种通信协议；可在危险区域中使用。本系统的触摸屏画面主要分为登录界面、操作设置界面、监控界面和报警界面。在登录界面中可以根据使用对象进行权限的设置，使用对象为管理员时，不仅可以查看所有界面而且能通过参数设置调整电动机的速度和加减速度；当使用对象为监控员时，只能查看监控界面和报警界面，不能对参数进行修改。在操作设置界面中，管理员可以通过界面的参数设置速度 v1和速度 v2的值，还可以调整上升、下降时间的大小，以确保货车速度由 SQ1 处的 v1下降到 SQ2 处的 v2，保证货车在SQ2处能实现立即停车并抱闸制动，如图6所示。图 6 操作设置界面在监控界面中，管理员和监控员可以通过货车的动态显示初步了解货车是否运行在起点如图 7（a）所示、起点与SQ1 处之间如图 7（b）所示、SQ1 处、SQ1 处与 SQ2 处之间、终点处，并且可以实时查看货车的实际速度和电流大小，了解货车的装载情况，在。在报警界面中，管理员和监控员可以通过报警界面了解货车的速度是否在允许范围，货车是否超载运行等。（a）起点（b）起点与 SQ1 处之间图 7 监控界面3.3 变频器参数的设计本 控 制 系 统 使 用 的 是 西 门 子 G120C PN5。PN 是PROFINET 的简称，PROFINET 是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准，是工业以太网应用在现场级的一种实施协议6。在 G120 变频器的基本调试过程中，除了要准确无误设置电动机的额定电压、额定电流、额定频率、额定功率和额定转速，还要设置变频器的宏操作。本系统是采用 PROFINET 总线实现 PLC 与变频器的数据交换，所以选择宏操作为宏 7，也可以在基本调试结束以后通过 P10=1、P15=7、P10=0 这种方法来设置。PROFINET 总线主要是采用报文形式进行通信的。PROFINET 提供的报文种类有很多，如报文 1、报文 2、报文 3、报文 4、报文 20、报文350、报文 352、报文 353、报文 354 和报文 999。因为通过PLC 与变频器的数据交换本控制系统不仅要实现电动机的启动、停止、反转操作，还要实现对电动机的实际转速、实际电流、实际状态的读取和对变频器的加速时间和减速时间的修改，所以本控制系统选择报文 354，也可以通过参数列表中 P922=354 来选择该报文。这样控制系统就可以通过