基于PLC及變頻器的行車控制系統改造

摘要：圓棒車間自 2013 年投產以來，所用行車均為老式行車，即控制系統主要采用繼電器-接觸器控制系統和串級調速方式。這種控制系統的行車各處控制柜內元器件繁雜、接線多、故障率高且查找故障較為不易，對檢修維護人員的技術水平要求較高，若出現接觸器燒灼吸死的情況也可能導致行車動作不受控制，存在一定程度的安全隱患，且串級調速所用的電阻為純耗能元件，消耗大量電能。老式行車的制動方式是在運動狀態下進行的系統抱閘，對制動器損害很大，閘皮磨損嚴重，且存在“溜鉤”的安全隱患。基于 PLC 和變頻器的行車控制系統，既能提升行車的調速性能、降低能耗，又便于設備維護人員排查故障、減少檢修時間、提高生產效率，更能有效的避免很多因為接觸器或繼電器故障導致的安全事故，保障安全生產。

關鍵詞：行車 S7-1200 TIA Portal 變頻器 矢量控制

引言

在冶金企業中，橋式起重機是一種應用十分廣泛的起重機械。 傳統的繼電器-接觸器控制系統和串級調速方式存在能耗高、調速性能差、故障率高、安全性能低等問題。 本文介紹了棒材廠圓棒車間基于 PLC 及變頻器的橋式起重機（下文簡稱為行車）控制系統的改造設計，以提高行車的調速性能、安全性能，減少故障率并降低能耗。該系統自改造完成后，運行正常，達到設計目的。 本設計方案具有通用性，對起重機控制系統設計改造具有參考價值。

一、PLC&變頻器控制行車原理

PLC&變頻器控制行車在實際的使用中會產生各類問題，其斷裂故障事件頻發，給相關工作人員帶來極為惡劣的影響，同時還會在無形之中加大其工作的維修量，導致其維修成本過高。轉子串電阻調速機械自身相對來說比較柔軟，所以其負載變化時，轉速也會隨之發生變化，調速也并不是特別的理想。所串電阻長時間處于一個發熱的狀況，會嚴重損耗各類電力能源，無形之中加大了電能的損耗，降低了實際的工作效率，想要從根源上處理好行車的各類故障問題，就必須實時地轉變其原本的轉子串電阻調速方式，優化變頻調速器的性能，完善其保護效用。

二、軟件設計

1 TIA Portal

新型全集成自動化軟件 TIA Portal V14 功能強大，支持多種西門子 PLC，包括西門子 S7-1200。本系統采用 TIA Portal V14 編寫程序，采用結構化的程序結構，且各個功能塊 FC 分別執行不同的功能。循環組織塊 OB1 作為主程序，主要用于功能塊的組織和調用;數據塊 DB 用以存儲各種需要的數據，存放定時、計數等寄存器值。利用 TIA Portal V14 軟件可進行設備硬件組態、程序編寫、在線測試等工作。

2 程序設計

程序設計也是在 TIA Portal 軟件上進行。主鉤，大車、小車程序結構基本相同，根據小車速度控制的輸入和輸出設計的小車控制程序。

3 HMI 畫面設計

在HMI系統設計上，觸摸屏采用維綸MT6071Ie，7吋。通過串口通訊與PLC相連，觸摸屏分為多個畫面：主畫面、啟動回路、主鉤、大車、小車、報警，分別顯示相關內容。主畫面顯示行車概況，當前的報警和提示信息;各分畫面顯示所有相關的連鎖條件信息。可實現運行狀態、報警信息、輸入信號狀態和輸出信號狀態的實時監控。

三、硬件設計

1 PLC 控制設計

S7-1200 的硬件功能比 S7-200 高，布爾指令、整數、實數等指令的執行時間有很大提升，布爾指令執行時間縮短到 0.08μs/指令;S7-1200網絡擴展功能比 S7-200 強大，支持 PN、DP 擴展，單機架通訊擴展功能強大，CPU 左側可擴展3 個通訊模塊，另外 CPU 本體還可增加一個擴展，非常靈活;S7-1200 集成網口功能比 S7-200強大，除 PN 外支持開放的以太網通訊，還支MODBUS TCP 通訊，同樣具備高速計數、PWM（PTO） 與伺服相關的功能。本控制系統選用的CPU 為 S7-1200 系列，型號 CPU 1214C DC/DC/DC，無網絡組態，配置一個 SM 1223 DI16/DQ16x 24VDC 模塊，利用 S7-1200PLC 可通過自帶的RJ45 接口進行 PROFINET 通訊。S7-1200 結構設計緊湊、便于拆裝、成本相對低廉且具有功能強大的指令集，非常適用于行車控制系統，而且很多 S7-200 的 PLC 已經停產，S7-1200 是西門子的新一代的控制器，便于擴展和兼容。為實現“行車合閘及合閘條件滿足”“運行條件滿足”“大小車凸控信號輸入”“大小車速度控制信號輸出”“報警信號輸出”等功能，加上預先保留的備用點，從而選用 SM 1223 模塊，如果要增加其他信號也可以增加輸入輸出模塊。

2 變頻器控制設計

行車主鉤，大車、小車傳動改為變頻控制，選用英威騰 CHV190 系列起重機專用變頻器。主鉤采用 CHV190-16G-4 （額定功率 160kW） 變頻器，配置制動單元、制動電阻、輸入電抗器、輸出電抗器;大車、小車采用 CHV190-045G-4（額定功率 45kW）變頻器，配置制動單元、制動電阻、輸入電抗器、輸出電抗器。

結束語

本系統以西門子 S7-1200PLC 為基礎。西門子 S7-1200PLC 是一款緊湊型、模塊化的 PLC，可完成簡單邏輯控制與高級邏輯控制，通過對檢測原件與操作器的信號采集，對變頻器及相關部件發出控制信號，完成整個控制過程。圓棒車間行車改造完成后，因為簡化了控制線路，通過與HMI 的通信，實現人機對接，監控系統狀態，實現自動報警，故障率與檢修時間明顯降低，即使新員工，通過簡單培訓也能處理故障。通過本次系統改造，備件成本降低、使用方便、運行穩定可靠，可廣泛應用于行車控制領域或同類系統。

參考文獻：

[1]韓安榮. 通用變頻器及其應用 [M]. 機械工業出版社， 2001.

作者簡介：石光宇，1984，男，大慶油田有限責任公司第一采油廠儀表安裝維修大隊研究方向：自動化控制類和變頻器控制。