基于PLC的自行起吊小车控制系统设计与实现

自行起吊小车控制系统是一种复杂的工业控制系统。使用PLC来设计和实现该系统，是完全可行的，不仅有利于节约成本，更有利于设备的更新及维护，具有很高的性价比。 　　一、自行起吊小车系统的功能要求 　　一个完备的自行起吊小车系统，应该具有多台小车沿轨道同时自动行走、停止以及有人控制的起吊、放下等功能，能够将各台小车及轨道部分的状态及时反映到控制台，并且实现一定程度的容错、防错和人工复位功能。 　　（一）小车的运行线路 　　为了满足客户的实际需要，本自行起吊小车系统还应具备轨道切换，双线路同时运行的功能，其轨道线路如下图所示： 　　整个系统共有两个上料点，小车分别从A上料点和B上料点起吊重物，然后按逆时针方向运行到下料点，将重物卸下。因为只有一个下料点，所以存在两条线路的动态切换，使走A线的小车只能走A线，走B线的小车只能走B线，最终在下料点前实现小车的积放，等待下料。 　　线路的动态切换，可以通过PLC编程控制实现。为了让PLC知道小车的位置等信息，必须将DI连接到轨道的相应区段上。为了控制小车，使其在道岔切换完成前停止前进，还必须将DO也连接到轨道的相应区段上，小车的DI读到轨道上某段电压的变化后，就会自主判断该前进还是停止。同样，道岔切换电机也由相应DO控制，以完成切换动作。 　　（二）人工控制系统的功能 　　1．中央控制室 　　中央控制室的控制柜门上有开系统、关系统、故障复位等按钮，另外还有显示屏用于系统信息和报警信息的显示。 　　2．上下料点的现场控制盒 　　在上下料点，有供操作员控制小车的控制盒。控制盒提供的功能如下： 　　叫车。 上下料点空闲时，可按叫车按钮，处于等待位的小车就会进入上下料点。 　　下降。 小车定位后，夹具自动下降至一定位置等待，然后可按下降按钮继续下降。 　　上升。 夹具上升到一定位置后，系统自动接管上升动作，直至夹具到顶。 　　打开夹具。 如果夹具夹有重物，可按打开按钮松开重物。 　　关闭夹具。 按关闭按钮可使夹具夹紧重物。 　　放车。 夹具自动上升后按下放车按钮，到顶后小车就驶离上下料点。 　　3．道岔控制盒 　　在轨道线路的每个道岔附近，都安装有手动道岔控制盒，用于特殊情况下道岔的手动切换。 　　（三）小车的功能 　　小车应该能实现可控制的自动前进以及手动前进后退，可以平滑的执行夹具的上升下降动作，可以打开和关闭夹具。可以将自身的状态返回到主控室，并且能接受操作员传来的合法命令。 　　二、控制系统硬件的选择和组态 　　根据以上的系统功能要求，我们决定使用PLC系统以分布式总线结构来实现控制系统的全部功能。其中主PLC系统安装在中央控制室内，子PLC系统安装在每台小车上，它们之间通过Profibus现场总线通讯。 　　（一）硬件选择 　　1．主站PLC系统和子站PLC系统 　　主站的PLC系统采用Siemens的 S7-300系列。 　　S7-300的DI、DO一部分连接于控制柜内，用于开关系统和电源监视，一部分连接于小车运行轨道上，用于轨道的状态监视和控制。 　　子站采用Siemens的ET200S远程I/O系统。ET200S是专用的小型PLC控制器，其用于小车控制的最大特点是： 　（1）自带IM151-7 CPU，可以控制小车完成所有动作，处理大量细节问题。主站只需要发送命令即可，减轻了主站PLC的负担。而且使整个系统易于维护。 　（2）有专用的柔性电机启动器，用于小车夹具开关电机的控制。 　　主站和子站分工合作。每台小车的动作控制功能由其上安装的ET200S来完成，而主站只负责发送命令信号。例如，操作员在现场按下提升按钮，主站接收到DI输入，并转化成提升命令，传递给子站。子站接收到提升命令后，向变频器发出控制字和频率字，并在适当的时候使电机松闸，使夹具上升。 　　ET200S还负责控制小车的前进、后退、在上下料点的精确定位等动作的执行，以及一些错误状态的自动复位等。主站通过在小车轨道上设置电压信号让小车读取，或者直接通过软件设置的通讯区传达命令字来控制小车的运行。 　　S7-300除了控制小车的运行，还负责系统的开关、轨道的切换、状态的显示以及错误状态的手动复位等。 　　主站的S7-300和子站的ET200S上都安装有Profibus-DP接口模块。这样，它们就可以通过Profibus-DP总线传递信息，相互通讯。 图1：自行小车运行线路简图。 2．Profibus-DP和Power Rail Booster 　　本系统的主站和子站之间采用Profibus-DP连接和通讯，但是中间需要借助小车轨道来传递信息。由于车间环境恶劣，而轨道完全暴露在外面，没有任何抗干扰措施，不能保证信号传递的完整性和正确性。因此我们采用了Siemens公司专门针对小车控制通讯Profibus-DP总线设计的轨道信号放大器—Power Rail Booster。 　　PRB是用来执行Profibus通过控制器线的连接。例如，在导轨信号传输系统中，来自各种集线器的Profibus-DP总线信号被放大到无噪声水平，传送到滑线导轨传输线上，并在中央控制主机通过PRB将信号还原成Profibus-DP总线信号。 　　通常Profibus-DP的波特率是自动的。经过传输线的波特率一般在9600~500k bits/s 。 　　为了安全的数据传输，除了PRB外，不需其它数据过滤单元。 　　PRB只是一个数据传输通道，因此不需要设置地址，对于用户来说是透明的。 　　在现场每台小车及中央控制PLC的Profibus-DP总线接口处各安装1台PRB即可实现信号传输功能。 　　3．变频器 　　我们选用Siemens的MicroMaster 440变频器来控制小车的行走和升降电机。由于前进电机和升降电机不会同时运行，因此可以使用一台变频器控制两台电机，通过换向接触器来完成切换工作。在换向接触器切换的同时，MicroMaster 440变频器可以自动完成控制参数的切换。 　　MicroMaster 440变频器采用模块化设计。因此只需插入Profibus-DP通讯模块，即可通过Profibus总线与子站PLC通讯。可以很方便的实现控制功能和状态反馈。 　　MicroMaster 440变频器是专门用于起重作业的变频器，可以实现矢量控制方式。在控制行走电机时，因为其功率较小，采用V/F控制方式。而在控制升降电机起吊重物（约500kg）时，则必须使用矢量控制方式。在本系统中，我们在控制升降电机时使用了无传感器的矢量控制方式。变频器可以在两种控制方式中自由切换，分时控制两台电机。 　　4．传感器和位置开关 　　小车上安装有凸轮开关，用于反映夹具的位置，使子站PLC程序可以通过凸轮开关传回来的夹具位置而做出相应的判断，使夹具的升降动作变平滑。 　　为了让小车在上下料点时精确定位，小车上还安装了两个接近开关。而定位点的轨道上则安装了挡板，当小车上的这两个接近开关都接触挡板时，小车停止前进。 　　另外，小车上还安装有用于判断是否夹持有重物的光电开关等。 　　5．中控室的显示屏 　　采用Siemens的OP270显示屏。OP270有一个6英寸的显示窗口，并且已经安装了Windows CE操作系统。可以方便的通过编程器和Protool软件进行编程，完成图形化状态显示，报警信息显示，以及操作控制功能等。 图2： 主站命令提升，子站具体执行 图3： PRB在通讯线路中的位置 （二）软件组态 　　1．使用的组态软件 　　为了能使用编程器对选定的硬件进行编程，并且让必须在编程器中先对硬件进行组态，并将组态好的信息通过编程设备电缆下载到PLC中。 　　我们使用Siemens的S7 Step 7 v5.2来完成硬件组态。为了识别ET200S远程I/O站和MicroMas-ter 440变频器，还必须加装S7 Step 7 v5.2 SP1软件包。 　　2．主站PLC系统的组态 　　主站 S7 300系统由S7 315-2 DP CPU，Profibus-DP接口模块，电源模块，数字量/模拟量输入输出模块等部分组成，存储卡使用S7 MMC 64Kbyte。其中输入输出模块的个数可以视实际情况增减。 　　3．子站PLC系统的组态 　　一套ET200S系统包括IM151-7 CPU，Profibus-DP接口模块，电源模块，数字量/模拟量输入输出模块，电机启动器等部分。存储卡使用S7 MMC 64kbyte。其中输入输出模块的个数可以视实际情况增减。每一套ET200S都要进行组态，以对应于每辆小车。 　　4．分布式结构的组态和通讯区设置 　　主站和子站之间是一对多的关系，一台主站与所有子站通过Profibus-DP通讯。这种网络结构也需要进行组态，并下载到PLC中。可以使用Net Pro程序进行网络结构组态和下载。 　　为了将命令传递给子站，还应该在主站和子站系统上分别开辟用于通讯的虚拟I/O区。主站上的每一块虚拟I/O区对应于一台小车上的虚拟I/O区。这样主站程序只要按一定的格式输出虚拟DO，子站的虚拟DI就会接收到信号，同样的，子站可以通过虚拟DO将自身的状态返回到主站，以供主站监视和判断。可以在硬件组态过程中通过HW config程序设置通讯区，因为虚拟I/O并不是硬件上真实存在的，因此可以设置得很大，只要不超出存储单元的容量就行。 　　5．组态信息的下载 　　HW config程序和Net pro程序都提供组态信息的下载。设置好编程器与PLC的连接后，就<