基于PLC、變頻器與組態王的“運料小車運動控制系統”綜合實訓課題的研究

胡玲笑

(杭州市蕭山區高級技工學校，杭州 311201)

0 引言

運料小車作為工業運料的主要設備之一，廣泛應用于自動生產線、煤礦、港口等行業。各行業工序之間的物品運轉常用有軌小車來實現[1]。小車的運動通過電機驅動來實現，并通過電機的正轉和反轉來完成小車前進和后退的動作。用于實驗教學研究的運料小車控制主要有裝料、卸料兩個單元構成，實現不斷自動循環工作[2]。傳統的運料小車多采用“繼電器——接觸器”控制系統，其繼電控制系統存在安裝時間長，設備體積大，更改耗時長，成本耗費大等缺點，而且無法進行實時的數據處理，不具備人機通信功能，已無法滿足當今社會現代化的自動生產需求。作為一種微型計算機，PLC主要應用于工業環境，它應用微電子技術，按照用戶編制的程序要求來實現系統控制和數據處理的功能[3]。由于其可靠性高、編程簡單、易于維護，被廣泛應用于各種控制系統[4]。隨著微電子技術、電力電子技術、計算機技術和自動控制技術等的不斷發展，變頻器技術應用越來越普及[5]。變頻器是將電源固定頻率變換為頻率連續可調以實現調速，性能好，速度調節范圍大，運行高效，有較好的靜態穩定性等優點。組態王是作為一種組態軟件，主要用于監控工業控制現場。它擁有系統兼容性能好、方便用戶更改、拓展、實惠、開發時間短等優點。本課題作為技工院校技術研究階段鞏固學生對于PLC、變頻器、組態王軟件的綜合應用的學習。

1 運料小車運動控制系統的介紹

實際生產過程中，運料小車根據需求，需經歷前進或者后退的動作，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M來實現。電動機M前進為正轉，電動機M后退為反轉，系統示意圖如圖1所示。

圖1 運料小車系統示意圖

控制功能要求如下：

運料小車開始工作時，由啟動按鈕SB1來開啟，運料小車停止時需手動來完成，由停止按鈕SB2來實現，小車運行到指定位置時用左右限位開關模擬，小設計不考慮工頻電源引入小車的方法。

其工藝流程如下：

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

要求說明：

(1)要求按工藝流程連續運行，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。

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

(3)控制系統要設置有短路保護和互鎖保護。

(4)設計一個監控系統，用組態王軟件平臺來實現，組態界面上要求有實現系統的數據采集和監控運行功能，其中設計要求：①組態畫面第一張界面上方顯示“運料小車運動控制系統監視”；②第一張界面設置上電指示燈、系統運行指示燈、左限指示燈、右限指示燈、原點指示燈；③第一張界面下方設置跳轉鍵，進入第二頁；④在第二頁上方顯示“運料小車運動控制”；⑤第二張界面設置開始按鍵、停止按鍵，上電指示燈、啟動指示燈、左限指示燈、右限指示燈、原點指示燈，并制作一個小車運行的模擬動畫；⑥第二頁面右下角設置頁面跳轉鍵“返回”，用來返回到開始頁。

2 運料小車運動控制系統的設計

2.1 控制系統程序分析

通過對控制要求的分析，該系統有啟動按鈕、停止按鈕、小車的運行軌道上設置有兩個限位開關，共有四個信號作為PLC的輸入信號，小車的向左運動和向右運動，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交流接觸器完成，所以總共需要8個PLC輸出信號?？紤]留有的余量，PLC選用FX3U-32MR型。

2.2 控制系統軟件設計

2.2.1 PLC的I/O分配(如表1所示)。

2.2.2 組態王控制信號的分配(如表2組態王界面上的控制信號分配)。

2.2.3 程序設計

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

表1 I/O分配表

表2 組態王界面上的控制信號分配表

圖2 運料小車狀態轉移圖

2.2.4 變頻器的參數設置

圖3 運料小車的電動機轉速變化情況

圖4 變頻器的頻率變化情況

根據運料小車的運動控制要求，變頻器采用三菱FR-D700，模式為外部啟動內部調頻，變頻器的輸入信號由PLC給定。運料小車在裝料和卸料運動過程中，小車右行和左行時電動機的轉速變化情況，如圖3所示。小車在運動變化中的速度由變頻器來控制，變頻器的頻率參數變化如圖4所示。(電動機型號為Y112M，4kW、380V、△接法)。變頻器的參數設置如表所示。

表3 變頻器的參數設置

2.3 系統電路圖設計(如圖5所示)

圖5 系統電路圖

2.4 組態界面設計

使用小車、限位開關、料斗、指示燈、起動停止按鈕、電動機等元件，在組態王軟件平臺構建送料小車的組態界面，組態圖如圖6所示。建立運料小車的左右運行、限位開關的壓合以及上料放料的動畫。編寫腳本程序，實現實時仿真。

3 結語

本綜合實訓課題已經作為我校電氣安裝與維修技師班技師研究階段的教學使用。PLC控制技術、變頻器技術、組態王軟件在本課題研究總的綜合應用，學生的專業知識得到了鞏固，學生工程實際的應用能力得到了提高。實訓中引入了組態王軟件的設計，畫面感立體，學生的學習熱情被激發，課堂氣氛活躍，實訓的教學目的得以實現。

圖6 組態界面

參考文獻：

[1]劉力.基于工業組態軟件的PLC實訓教學系統的研究與開發[D].遼寧師范大學，2010.

[2]馮曉玲.運料小車控制在S7-300PLC實驗教學中的應用[J].自動化與儀器儀表，2013(32):56-59.

[3]喻正生，陳凱，左文霞.PLC在卷揚上料小車自動控制系統中的應用[J].金屬世界，2005:42-44.

[4]戴冠秀，等.PLC在運料小車自動控制系統中的應用[J].工礦自動化，2005(23):102-106.

[5]石鈺.基于plc和變頻技術的紡織空調系統的研究與應用[D].蘇州大學.

[6]范國偉，等.三菱可編程序控制器技術與應用[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[7]王建，等.變頻器實用技術(三菱)[M].北京：機械工業出版社，2011.

[8]三菱.FX2N 編程手冊.

[9]三菱.GX Developer 8 操作手冊.