PLC和变频器定位控制在重载货运中的应用

摘  要：通过对重载货运定位控制需求的研究，以西门子PLC和G120变频器为核心，提出并設计一种低速抱闸定位控制系统，从而实现了对重载货运较为准确的定位控制，避免了反复往返调试过程，提高了定位控制的效率。同时还采用触摸屏模块进行控制和监测，既增强了系统的可操作性，又提升了系统的可视化程度，最大限度提升了系统的灵活性和稳定性。

关键词：PLC；变频器；定位控制

中图分类号：TP311；TP273 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）04-0047-04

Application of PLC and Frequency Converter Positioning Control in Heavy Load Freight

ZHOU Taowen

（Yibin Vocational & Technical College， Yibin  644003， China）

Abstract： Through the research on the positioning control requirements of heavy load freight， with Siemens PLC and G120 frequency converter as the core， a low-speed holding brake positioning control system is proposed and designed， thus achieving more accurate positioning control of heavy load freight， avoiding repeated round-trip debugging process， and improving the efficiency of positioning control. At the same time， the touch screen module is also used for control and monitoring， which not only enhances the operability of the system， but also improves the visualization degree of the system， and maximizes the flexibility and stability of the system.

Keywords： PLC; frequency converter; positioning control

0  引  言

2022年以来，随着新冠疫情叠加严峻国际形势，使货运受阻、物流不畅[1]。其中由于在货物特别是重载货运配送运输过程中需要人为的参与导致货物配送的效率一直提高不上去，甚至由于操作人员的疫情感染导致配送运输的终止。在自动配送运输中，定位控制一直是重载货运配送运输中存在的问题之一。普通的PLC定位控制[2]一般采用开环和闭环两种控制方式[3]，开环控制主要是检测停止信号进行停止，但是由于重载时货车的惯性较大而不能停止到准确位置；闭环控制也是检测停止信号开始进行停止，同样重载时货车的大惯性会使货车超越停止位，系统又控制货车往后运行以达到停止位，但这种控制方式会使货车耗费大量的时间运行在往返定位控制，导致配送效率的下降。本文提出了利用变频器和PLC定位控制系统构成重载货运高效率定位的解决方法，并给出了控制系统软硬件结构的设计方案。

1  工艺流程分析

在重载货车运行过程中，空载货车从起点位置进行装货。装货完成后，货车在最短时间内准确定位在终点位置进行卸货。最后，空载货车返回到起点位置进行重复操作，如图1所示。在整个控制系统中使用了变频器对货车进行速度有效控制。在图1中，从起点位置到传感器SQ1位置，根据实际要求货车的速度会由PLC通过以太网方式发送给变频器，再由变频器控制货车的速度v1和运行状态。传感器SQ1位置的设置要考虑到货车由速度v1下降到v2下降时间的因素，而速度v2大小是保证能通过抱闸刹车装置让货车立即停止的数值。当货车运行传感器SQ1处，PLC控制变频器使货车的速度下降。在达到传感器SQ2位置时控制货车运行到速度v2，同时进行停止、抱闸操作以达到精确的定位。

为了全面提高系统的运行安全性、操作灵活性与维护方便性，在对控制系统进行设计的过程中，工作人员可以通过触摸屏上的操作按钮，实现启动、停止控制，并通过数字给定控制正常运行的速度v1和停车速度v2，以及显示当前运行速度和电动机参数，为后续的控制提供便利条件。

2  控制系统硬件设计分析

2.1  系统设备组成及设计目标

整个控制系统是由一台西门子S7系列的PLC、一台西门子的HMI精智面板TP700、一台西门子G系列的变频器、一台三相交流异步电动机、3个光电传感器和一套抱闸控制系统组成。

系统分别由控制运算部分、显示设置部分和执行元件部分组成。控制运算部分主要由PLC和变频器来完成，显示设置部分主要由触摸屏进行控制，执行元件部分是由变频器和三相交流异步电动机来完成。PLC接收到触摸屏的启动信号开始运行，再利用变频器控制三相交流异步电动机的转速从而实现本系统设计运行。

2.2  控制系统构成

控制系统主要由PLC、变频器、触摸屏、传感器、电动机、抱闸装置等组成，如图2所示。

通过触摸屏按钮输入指令，PLC读取指令的地址，开始运行程序。利用初始化数据让变频器控制电动机的运行速度。传感器检测货运电车的位置，然后再发给PLC输入端口，PLC读取指令地址，启动电磁阀，运动气缸开始工作，限位开关检测有无物料，再发给PLC指令，PLC读取指令地址。PLC联系现场状况的数据I/O操作，当有存取操作时，PLC会分析和接收操作员使用控制按钮调入的指令，以做出正确方式来进行控制。不仅仅可靠性高，而且采用了PLC可以节约大量的人力物力，以及减少后续维护的成本与难度，方便后续改造升级。根据系统控制功能要求，可得出系统I/O接口及内部变量分配情况，如表1所示。

3  系统的软件设计

3.1  PLC控制的软件设计

PLC的控制軟件主要包含上电初始化模块、通信模块、自动运行模块、报警以及报警处理模块。选用西门子S7-1200PLC，其内部包含逻辑指令、功能指令、步进顺控指令，同时也包括其他的特殊指令，具有编程操作灵活、运行稳定、修改方便等优势。其程序流程图如图3所示。

在图3中，PLC一上电，首先通过系统组织块OB100对速度v1、v2和变频器的减速时间进行初始化，如图4所示。

此时，也可以由来自触摸屏的输入数据覆盖初始化的参数。当开始运行后，PLC读取货车的当前位置并调整到起点位置进行装货。在接受装货完毕指令以后，货车以速度v1高速运行，在此过程也可利用触摸屏输入端口对速度v1进行实时修改以满足操作要求。在SQ1处，PLC控制变频器进行降速运行，使货车运行到SQ2处的速度降速到v2，到SQ2处货车立即停车并进行抱闸制动。货车在SQ2处进行卸货后立即左行，重复执行上述过程。这种操作方式避免了重复的往返定位控制方式，提高了定位的精确度和有效性。在PLC主程序运行过程中，通信模块通过系统组织块OB35对变频器进行实际转速、实际电流和实际状态的读取，同时对变频器的加速时间和减速时间的进行相对实时修改。同时与触摸屏交换数据时要进行数据处理，触摸屏给定速度的处理程序如图5所示。

3.2  触摸屏画面设计

HMITP700精智面板使用西门子公司的WinCC flexible软件进行画面的组态[4]。精智屏可在生产间歇期间将显示屏关闭；万一发生电源故障，可确保100%的数据安全性；支持多种通信协议；可在危险区域中使用。

本系统的触摸屏画面主要分为登录界面、操作设置界面、监控界面和报警界面。在登录界面中可以根据使用对象进行权限的设置，使用对象为管理员时，不仅可以查看所有界面而且能通过参数设置调整电动机的速度和加减速度；当使用对象为监控员时，只能查看监控界面和报警界面，不能对参数进行修改。在操作设置界面中，管理员可以通过界面的参数设置速度v1和速度v2的值，还可以调整上升、下降时间的大小，以确保货车速度由SQ1处的v1下降到SQ2处的v2，保证货车在SQ2处能实现立即停车并抱闸制动，如图6所示。

在监控界面中，管理员和监控员可以通过货车的动态显示初步了解货车是否运行在起点如图7（a）所示、起点与SQ1处之间如图7（b）所示、SQ1处、SQ1处与SQ2处之间、终点处，并且可以实时查看货车的实际速度和电流大小，了解货车的装载情况，在。在报警界面中，管理员和监控员可以通过报警界面了解货车的速度是否在允许范围，货车是否超载运行等。

3.3  变频器参数的设计

本控制系统使用的是西门子G120C PN[5]。PN是PROFINET的简称，PROFINET是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准，是工业以太网应用在现场级的一种实施协议[6]。在G120变频器的基本调试过程中，除了要准确无误设置电动机的额定电压、额定电流、额定频率、额定功率和额定转速，还要设置变频器的宏操作。本系统是采用PROFINET总线实现PLC与变频器的数据交换，所以选择宏操作为宏7，也可以在基本调试结束以后通过P10=1、P15=7、P10=0这种方法来设置。PROFINET总线主要是采用报文形式进行通信的。PROFINET提供的报文种类有很多，如报文1、报文2、报文3、报文4、报文20、报文350、报文352、报文353、报文354和报文999。因为通过PLC与变频器的数据交换本控制系统不仅要实现电动机的启动、停止、反转操作，还要实现对电动机的实际转速、实际电流、实际状态的读取和对变频器的加速时间和减速时间的修改，所以本控制系统选择报文354，也可以通过参数列表中P922=354来选择该报文。这样控制系统就可以通过报文354的过程数据区PZD来控制变频器启动、停止、反转以及读取电动机的实际转速、实际电流、实际状态。通过报文354的参数识别ID数据区PKW就可以设置变频器的加速时间参数P1120和减速时间参数P1121。PKW通道用于PLC读写G120变频器任一参数，但每次只能读写一个参数。PKW通道的长度固定为4个字，每次PLC与变频器通过发送4个字达到信息的交换。例如把参数P1120修改为5.0 时，则PKW的4个字为：第一和第二个字分别为3460H和0000H，第三个字和第四个字的32位浮点数为5.0。再如把参数P1121修改为4.3 s时，则PKW的4个字为：第一和第二个字分别为3461H和0000H，第三个字和第四个字的32位浮点数为4.3。

4  结  论

经测试表明，本文所设计基于PLC和变频器重载定位控制系统在实践应用过程中达到了预想的效果、运行稳定。通过触摸屏模块进行控制和监测，既增强了系统的可操作性，又丰富了系统可视化程度。该控制系统具有较高性价比、运行灵活、工作可靠、简单实用等优势，推广和普及价值较高。

参考文献：

[1] 中国物流与采购联合会公路货运分会.上半年公路货运物流市场景气度调查报告 [J].中国物流与采购，2022（14）：37-40.

[2] 胡仁平，张谦，邓健平，等.PLC精确定位控制的线上线下混合式教学实践研究 [J].农机使用与维修，2022（5）：145-147.

[3] 黎建军.关于变频器参数与传送带机构定位原理的研究 [J].山东工业技术，2018（2）：119.

[4] 杨轶霞.PLC和人机界面组合的抢答器控制系统设计 [J].自动化与仪器仪表，2016（2）：195-196.

[5] 张苏新，朱哲诚.基于西门子PLC的智能柔性工作站控制系统的研究 [J].现代信息科技，2021，5（14）：52-56.

[6] 杨德奇.PROFINET通信中RT与IRT辨析 [J].中国仪器仪表，2022（7）：17-21.

作者简介：周桃文（1982.04—），男，汉族，安徽枞阳人，讲师，硕士研究生，主要研究方向：电气自动化研究。

收稿日期：2022-09-27

基金项目：宜宾职业技术学院科研项目（ybzysc19-33）