基于PLC及变频器的行车控制系统改造

摘要：圆棒车间自 2013 年投产以来，所用行车均为老式行车，即控制系统主要采用继电器-接触器控制系统和串级调速方式。这种控制系统的行车各处控制柜内元器件繁杂、接线多、故障率高且查找故障较为不易，对检修维护人员的技术水平要求较高，若出现接触器烧灼吸死的情况也可能导致行车动作不受控制，存在一定程度的安全隐患，且串级调速所用的电阻为纯耗能元件，消耗大量电能。老式行车的制动方式是在运动状态下进行的系统抱闸，对制动器损害很大，闸皮磨损严重，且存在“溜钩”的安全隐患。基于 PLC 和变频器的行车控制系统，既能提升行车的调速性能、降低能耗，又便于设备维护人员排查故障、减少检修时间、提高生产效率，更能有效的避免很多因为接触器或继电器故障导致的安全事故，保障安全生产。

关键词：行车 S7-1200 TIA Portal 变频器 矢量控制

引言

在冶金企业中，桥式起重机是一种应用十分广泛的起重机械。 传统的继电器-接触器控制系统和串级调速方式存在能耗高、调速性能差、故障率高、安全性能低等问题。 本文介绍了棒材厂圆棒车间基于 PLC 及变频器的桥式起重机（下文简称为行车）控制系统的改造设计，以提高行车的调速性能、安全性能，减少故障率并降低能耗。该系统自改造完成后，运行正常，达到设计目的。 本设计方案具有通用性，对起重机控制系统设计改造具有参考价值。

一、PLC&变频器控制行车原理

PLC&变频器控制行车在实际的使用中会产生各类问题，其断裂故障事件频发，给相关工作人员带来极为恶劣的影响，同时还会在无形之中加大其工作的维修量，导致其维修成本过高。转子串电阻调速机械自身相对来说比较柔软，所以其负载变化时，转速也会随之发生变化，调速也并不是特别的理想。所串电阻长时间处于一个发热的状况，会严重损耗各类电力能源，无形之中加大了电能的损耗，降低了实际的工作效率，想要从根源上处理好行车的各类故障问题，就必须实时地转变其原本的转子串电阻调速方式，优化变频调速器的性能，完善其保护效用。

二、软件设计

1 TIA Portal

新型全集成自动化软件 TIA Portal V14 功能强大，支持多种西门子 PLC，包括西门子 S7-1200。本系统采用 TIA Portal V14 编写程序，采用结构化的程序结构，且各个功能块 FC 分别执行不同的功能。循环组织块 OB1 作为主程序，主要用于功能块的组织和调用;数据块 DB 用以存储各种需要的数据，存放定时、计数等寄存器值。利用 TIA Portal V14 软件可进行设备硬件组态、程序编写、在线测试等工作。

2 程序设计

程序设计也是在 TIA Portal 软件上进行。主钩，大车、小车程序结构基本相同，根据小车速度控制的输入和输出设计的小车控制程序。

3 HMI 画面设计

在HMI系统设计上，触摸屏采用维纶MT6071Ie，7吋。通过串口通讯与PLC相连，触摸屏分为多个画面：主画面、启动回路、主钩、大车、小车、报警，分别显示相关内容。主画面显示行车概况，当前的报警和提示信息;各分画面显示所有相关的连锁条件信息。可实现运行状态、报警信息、输入信号状态和输出信号状态的实时监控。

三、硬件设计

1 PLC 控制設计

S7-1200 的硬件功能比 S7-200 高，布尔指令、整数、实数等指令的执行时间有很大提升，布尔指令执行时间缩短到 0.08μs/指令;S7-1200网络扩展功能比 S7-200 强大，支持 PN、DP 扩展，单机架通讯扩展功能强大，CPU 左侧可扩展3 个通讯模块，另外 CPU 本体还可增加一个扩展，非常灵活;S7-1200 集成网口功能比 S7-200强大，除 PN 外支持开放的以太网通讯，还支MODBUS TCP 通讯，同样具备高速计数、PWM（PTO） 与伺服相关的功能。本控制系统选用的CPU 为 S7-1200 系列，型号 CPU 1214C DC/DC/DC，无网络组态，配置一个 SM 1223 DI16/DQ16x 24VDC 模块，利用 S7-1200PLC 可通过自带的RJ45 接口进行 PROFINET 通讯。S7-1200 结构设计紧凑、便于拆装、成本相对低廉且具有功能强大的指令集，非常适用于行车控制系统，而且很多 S7-200 的 PLC 已经停产，S7-1200 是西门子的新一代的控制器，便于扩展和兼容。为实现“行车合闸及合闸条件满足”“运行条件满足”“大小车凸控信号输入”“大小车速度控制信号输出”“报警信号输出”等功能，加上预先保留的备用点，从而选用 SM 1223 模块，如果要增加其他信号也可以增加输入输出模块。

2 变频器控制设计

行车主钩，大车、小车传动改为变频控制，选用英威腾 CHV190 系列起重机专用变频器。主钩采用 CHV190-16G-4 （额定功率 160kW） 变频器，配置制动单元、制动电阻、输入电抗器、输出电抗器;大车、小车采用 CHV190-045G-4（额定功率 45kW）变频器，配置制动单元、制动电阻、输入电抗器、输出电抗器。

结束语

本系统以西门子 S7-1200PLC 为基础。西门子 S7-1200PLC 是一款紧凑型、模块化的 PLC，可完成简单逻辑控制与高级逻辑控制，通过对检测原件与操作器的信号采集，对变频器及相关部件发出控制信号，完成整个控制过程。圆棒车间行车改造完成后，因为简化了控制线路，通过与HMI 的通信，实现人机对接，监控系统状态，实现自动报警，故障率与检修时间明显降低，即使新员工，通过简单培训也能处理故障。通过本次系统改造，备件成本降低、使用方便、运行稳定可靠，可广泛应用于行车控制领域或同类系统。

参考文献：

[1]韩安荣. 通用变频器及其应用 [M]. 机械工业出版社， 2001.

作者简介：石光宇，1984，男，大庆油田有限责任公司第一采油厂仪表安装维修大队研究方向：自动化控制类和变频器控制。