PLC变频控制技术在双向门机电气改造中的应用

颜 剑

（湖北汉江王甫洲水力发电有限责任公司，湖北老河口 441800）

PLC变频控制技术在双向门机电气改造中的应用

颜 剑

（湖北汉江王甫洲水力发电有限责任公司，湖北老河口 441800）

以王甫洲2×800 kN/100 kN双向门机电气改造为例，介绍机电气系统改造工程中电气原理，变频控制技术，PLC控制技术，以及Modbus通信在实际工程中的应用。

Modbus；变频器；PLC；触摸屏

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.38

0 引言

随着信息化和科学技术的日新月异，国内外起重设备已全面采用工业变频、PLC等自动化和智能化技术和装备，PLC+变频调速近几年已经成为起重设备的主流电控配置解决方案。该系统具有响应速度快，安装调试方便，安全保护完善，操作控制简便等一系列传统起重机控制技术所不能比拟的优势。随着网络通信技术、微电子技术、计算机技术、云计算等概念和技术领域的飞速发展，更加实用稳定和超前的机电设备控制技术为成熟应用在门式起重设备上提供了可靠平台。

1 系统概述

汉江王甫洲水利枢纽工程泄水闸2×800 kN/100 kN双向门机是20世纪90年代末设计制造安装的，电气控制设计采用的是较为落后的串级调速驱动方案，常规继电器控制方式。经过近20 a的运行，内部原件已老化，门机安全系数降低，工作效率低，维护检修成本高。

门机主要由起升机构、大车和小车运行机构、液压抓梁机构、回转机构等组成。其中起升机构考虑到机械设计，电机安装形式等现场实际因素，未采用变频调速系统，仍采用串电阻调速方式。大车机构、小车机构与回转机构分别采用施耐德公司的ATV系列变频器进行调速控制。

门机的逻辑控制系统由一套施耐德公司的M340系列PLC构成，通过采集主令开关及控制按钮发出的启动、运行、停止、多段速等命令并与当前门机状态进行逻辑判断，控制输出继电器动作，达到控制门机运行的目的，然后通过以太网将PLC内部控制信号发送至设在司机室内的触摸屏上，以方便操作人员操作监视和维修。PLC系统配置如图1所示。

门机的起升机构设有机械式旋转限位开关与绝对值编码器两套保护系统。绝对值编码器可实时监测起升机构的高度将其对应的脉冲数送入设在司机室内的综合仪表上，到达设置的上下限位时会自动切断对应的上升或下降控制回路，使起升机构停止运行。机械式旋转限位开关安装在卷筒的末端，当运行至上下极限位置时，起升机构的升降动作将可以自动停止，确保安全。荷重检测装置设置在钢丝绳上部，通过电流信号送入综合仪表内。当起吊重量达到90%额定负荷时，综合仪表发出预警，提醒操作人员注意；当起吊重量达到110%时，综合仪表发出报警，并切断上升控制回路停止上升，此时下降不受影响，重物可以下降。

图1 PLC系统配置

2 控制系统

控制系统的核心由一套施耐德公司的M340系列PLC构成，负责整个门机电控系统的信息收集，交换，处理和输出，保障设备的控制逻辑正确，技术性能达到使用运行要求。主要包括起升逻辑控制，大车逻辑控制，小车逻辑控制，回转逻辑控制，液压抓梁机构的逻辑控制，安全保护控制，通信设备及辅助设备的控制。通过ModbusRtu工业现场总线在控制设备与显示设备之间传送信号，进行信息交换，共同构成自动化控制系统。Modbus通信规约是由施耐德公司所属的品牌Modicon于1979年创立，是世界上第一个真正运用于工业现场的总线协议。它是一种应用于电子控制器上的通用语言。现在已成为全球通用工业标准。有了此标准，不同厂家生产的控制设备能够连成工业网络，进行集中控制。本规约定义了一个控制器能识别使用的消息结构，而不论它们是经由何种网络进行通信的。通过本规约，控制器之间、控制器经由以太网等网络和其它设备之间能够相互通信。它描述了控制器请求访问其他设备的过程，和如何响应来自其他设备的请求，以及如何检测错误并记录。它为消息域、模式和内容创建了通用的公共格式。

Modbus协议具有以下特点：

（1）标准和开放，不会侵犯知识产权，没有使用许可费。用户能自由、安全地使用Modbus协议。目前，已有400多家厂商支持Modbus，超过600多种产品支持Modbus;

（2）Modbus支持RS485，RS232等多种电气接口，也可用双绞线、光纤、无线等各种介质，适合各种介质间的数据传输;

（3）Modbus还具有简单紧凑的帧格式，易于理解、使用、开发。

PLC系统的CPU采用BMXP34 2020型，该CPU内置以太网口，Modbus，TCP/IP，该 CPU 具有 8 个特点。

（1）结构紧凑精巧；

（2）高可靠性，提供各类主流认证及带防腐涂层模块；

（3）金属机架综合性能优良，高速通讯的总线和I/O并行的总线，能够确保快速稳定的传输数据；

（4）每毫秒可以处理7000条指令，数据处理能力非常强大；

（5）内存容量大，无需备份电池，存储卡“即插即载”；

（6）具有丰富的专家功能，如位置控制、回路控制、计数等；

（7）所有模块便于维护，支持热插拔等功能；

（8）支持中文名和中文变量名，基于Unity Pro软件平台。

Unitypro软件内PLC系统配置如图2所示。

图2 Unitypro软件内PLC系统配置

各机构操作由位于司机室的联动控制台上的主令手柄、旋钮开关、按钮等给定，信号传到PLC，PLC收到联动控制台的给定信号后，经程序处理后将其转换为对传动装置的控制指令，转换主令手柄的档位，即可改变变频器的输出频率，各机构的运行速度也相应改变。

3 传动调速装置

除起升机构外，门机采用施耐德ATV71和ATV312系列的变频器。它具有结构紧凑、功能强大、性能稳定、安全可靠等优点。该设备本身具有自整定功能和参数设置单元，无需附加设备即可完成参数的设置。所有控制、调整、监控、制动器控制和附加功能由变频器内的微处理器在转换器中实现。该系统具有零速满转矩功能，在PLC收到变频器启动信号后，控制制动器开启，电机根据预置加速度运行到给定的速度，然后是恒速运行。

变频调速控制变频电机通过“交流直流-交流”的控制方式，实现速度控制和转矩控制。它的特点是启动和停止平稳，对电机和机械系统的冲击影响较小，并具有良好的速度平滑性。变频器外接制动斩波电阻。停车时，制动电阻用于消耗重物的势能，实现安全稳定停车，并保护变频器和控制电路。

4 HMI与信息管理

Human Machine Interface的缩写就是HMI，意为人机界面，即“人机接口”。人机界面又称使用者界面或者用户界面，是系统与用户之间信息交互的媒介，在人机信息交互领域，都存在有人机界面，它实现了信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。

硬件和软件两部分组成人机界面产品，硬件部分包括中央处理器、显示单元、输入单元、通信接口、数据存储单元，HMI产品的性能由处理器性能决定，这是HMI的核心要素。根据HMI的产品级别，处理器可以分别选择8、16位、32位处理器。HMI的软件一般为两部分，即在HMI硬件中运行的系统软件和在PC Windows操作系统下运行的图像配置组态软件。用户必须先使用HMI图像配置组态软件制作“工程文件”，再通过PC和HMI产品串口通信端口，将准备好的“工程文件”下载到HMI处理器运行。在这个项目中，使用的是施耐德公司的HMIGXU5512触摸屏。本项目的触摸屏部分画面如图3所示。

图3 触摸屏主起升界面

触摸屏还可以完成一些功能设置，如荷重设置、高度设置等，用于显示门机起升机构起重量、起升高度、大车的运行距离、具体位置、各主要机构的传动装置状态、故障指示等。针对一般故障，门机驾驶员可按照触摸屏上的提示做相应的操作即可使设备恢复正常工作状态，如果遇到驾驶员不能解决的故障，维修人员可以根据触摸屏的提示快速找到故障点，以此决定检修维护方案，修复或替换故障原器件，使设备恢复正常操作。

门机主司机室内另设置一套视频监控系统。在门机的4个门腿和起升吊点附近设置高清摄像头，通过网线接入司机室的监控屏幕上，使操作人员在司机室内就可以很方便的监视门机轨道、吊点的情况，保证门机运行的安全。

5 结语

经过电气改造后，门机采用目前国内外先进的电气控制系统，具有更好的安全防护和故障自动监测诊断能力，用直观的图文信息显示门机状态，方便实时监控门机的运行情况。不需要投入太多的改造经费，设备在性能可靠、操作简单、维护方便的前提下便具有了更高的综合性能，使王甫洲水利枢纽在电气控制、维护、操作、检修等各方面具备了更高的技术水平和设备管理水平。

TM91.5

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〔编辑 李 波〕