基于PLC、变频器与组态王的“运料小车运动控制系统”综合实训课题的研究

胡玲笑

(杭州市萧山区高级技工学校，杭州 311201)

0 引言

运料小车作为工业运料的主要设备之一，广泛应用于自动生产线、煤矿、港口等行业。各行业工序之间的物品运转常用有轨小车来实现[1]。小车的运动通过电机驱动来实现，并通过电机的正转和反转来完成小车前进和后退的动作。用于实验教学研究的运料小车控制主要有装料、卸料两个单元构成，实现不断自动循环工作[2]。传统的运料小车多采用“继电器——接触器”控制系统，其继电控制系统存在安装时间长，设备体积大，更改耗时长，成本耗费大等缺点，而且无法进行实时的数据处理，不具备人机通信功能，已无法满足当今社会现代化的自动生产需求。作为一种微型计算机，PLC主要应用于工业环境，它应用微电子技术，按照用户编制的程序要求来实现系统控制和数据处理的功能[3]。由于其可靠性高、编程简单、易于维护，被广泛应用于各种控制系统[4]。随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术和自动控制技术等的不断发展，变频器技术应用越来越普及[5]。变频器是将电源固定频率变换为频率连续可调以实现调速，性能好，速度调节范围大，运行高效，有较好的静态稳定性等优点。组态王是作为一种组态软件，主要用于监控工业控制现场。它拥有系统兼容性能好、方便用户更改、拓展、实惠、开发时间短等优点。本课题作为技工院校技术研究阶段巩固学生对于PLC、变频器、组态王软件的综合应用的学习。

1 运料小车运动控制系统的介绍

实际生产过程中，运料小车根据需求，需经历前进或者后退的动作，并遵循由快到慢，由慢到快的过程，此过程采用变频器控制电动机M来实现。电动机M前进为正转，电动机M后退为反转，系统示意图如图1所示。

图1 运料小车系统示意图

控制功能要求如下：

运料小车开始工作时，由启动按钮SB1来开启，运料小车停止时需手动来完成，由停止按钮SB2来实现，小车运行到指定位置时用左右限位开关模拟，小设计不考虑工频电源引入小车的方法。

其工艺流程如下：

按下SB1，小车从原点启动，第一次右行，要求控制小车运行电动机的转速n为1400r/min，使小车向前运行直到碰到SQ2，开关停止，KM1接触器吸合，使料斗开启7s装料。随后小车返回原点，要求控制小车运行电动机的转速为700r/min，直到碰到SQ1，开关停止，KM2接触器吸合，使小车卸料5s后完成第一次任务。然后，小车开始第二次右行，要求控制小车运行电动机转速为1000r/min，使小车向前运行直到碰到SQ2，开关停止，KM1接触器吸合，使料斗开启7s装料。随后小车返回原点，要求控制小车运行电动机转速为500r/min，直到碰到SQ1，开关停止，KM2接触器吸合，使小车卸料5s后完成第二次任务。

要求说明：

(1)要求按工艺流程连续运行，小车不在原位不能启动，如小车不在原位，按停止按钮可快速回到原点。

(2)小车第一次向右运行时，需要进行第一次加速，加速时间设置为3s，停止时的第一减速时间为2s；第二次向左运行时，需要进行第二次加速，加速时间设置为2s，到料斗处停止，变频器第二减速时间为1s。后退运动及下料不做要求。

(3)控制系统要设置有短路保护和互锁保护。

(4)设计一个监控系统，用组态王软件平台来实现，组态界面上要求有实现系统的数据采集和监控运行功能，其中设计要求：①组态画面第一张界面上方显示“运料小车运动控制系统监视”；②第一张界面设置上电指示灯、系统运行指示灯、左限指示灯、右限指示灯、原点指示灯；③第一张界面下方设置跳转键，进入第二页；④在第二页上方显示“运料小车运动控制”；⑤第二张界面设置开始按键、停止按键，上电指示灯、启动指示灯、左限指示灯、右限指示灯、原点指示灯，并制作一个小车运行的模拟动画；⑥第二页面右下角设置页面跳转键“返回”，用来返回到开始页。

2 运料小车运动控制系统的设计

2.1 控制系统程序分析

通过对控制要求的分析，该系统有启动按钮、停止按钮、小车的运行轨道上设置有两个限位开关，共有四个信号作为PLC的输入信号，小车的向左运动和向右运动，快速和慢速都是受变频器控制，而变频器的信号都是由PLC给出的信号控制，再加上料斗装料卸料和小车的卸料由两个交流接触器完成，所以总共需要8个PLC输出信号。考虑留有的余量，PLC选用FX3U-32MR型。

2.2 控制系统软件设计

2.2.1 PLC的I/O分配(如表1所示)。

2.2.2 组态王控制信号的分配(如表2组态王界面上的控制信号分配)。

2.2.3 程序设计

在编写程序时，为了不占用PLC的I/O，选用软元件M。状态流程图如图2所示。

表1 I/O分配表

表2 组态王界面上的控制信号分配表

图2 运料小车状态转移图

2.2.4 变频器的参数设置

图3 运料小车的电动机转速变化情况

图4 变频器的频率变化情况

根据运料小车的运动控制要求，变频器采用三菱FR-D700，模式为外部启动内部调频，变频器的输入信号由PLC给定。运料小车在装料和卸料运动过程中，小车右行和左行时电动机的转速变化情况，如图3所示。小车在运动变化中的速度由变频器来控制，变频器的频率参数变化如图4所示。(电动机型号为Y112M，4kW、380V、△接法)。变频器的参数设置如表所示。

表3 变频器的参数设置

2.3 系统电路图设计(如图5所示)

图5 系统电路图

2.4 组态界面设计

使用小车、限位开关、料斗、指示灯、起动停止按钮、电动机等元件，在组态王软件平台构建送料小车的组态界面，组态图如图6所示。建立运料小车的左右运行、限位开关的压合以及上料放料的动画。编写脚本程序，实现实时仿真。

3 结语

本综合实训课题已经作为我校电气安装与维修技师班技师研究阶段的教学使用。PLC控制技术、变频器技术、组态王软件在本课题研究总的综合应用，学生的专业知识得到了巩固，学生工程实际的应用能力得到了提高。实训中引入了组态王软件的设计，画面感立体，学生的学习热情被激发，课堂气氛活跃，实训的教学目的得以实现。

图6 组态界面

参考文献：

[1]刘力.基于工业组态软件的PLC实训教学系统的研究与开发[D].辽宁师范大学，2010.

[2]冯晓玲.运料小车控制在S7-300PLC实验教学中的应用[J].自动化与仪器仪表，2013(32):56-59.

[3]喻正生，陈凯，左文霞.PLC在卷扬上料小车自动控制系统中的应用[J].金属世界，2005:42-44.

[4]戴冠秀，等.PLC在运料小车自动控制系统中的应用[J].工矿自动化，2005(23):102-106.

[5]石钰.基于plc和变频技术的纺织空调系统的研究与应用[D].苏州大学.

[6]范国伟，等.三菱可编程序控制器技术与应用[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[7]王建，等.变频器实用技术(三菱)[M].北京：机械工业出版社，2011.

[8]三菱.FX2N 编程手册.

[9]三菱.GX Developer 8 操作手册.