基于S7—300 PLC的雙電機同步控制在龍門起重機中的應用

摘 要：雙電機同步控制系統廣泛應用于現場工業(yè)控制中，本文主要研究大起重量、大跨度龍門起重機兩個門腿的同步控制。文章詳細分析了龍門起重機兩門腿變頻調速系統的結構，設計了兩門腿電機同步運行控制系統和軟件系統。實驗結果表明，該系統同步控制效果良好。

關鍵詞：同步控制 PLC 變頻器 監(jiān)控系統

中圖分類號：TH45 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（b）-0084-02

隨著國民經濟的發(fā)展，龍門起重機作為一種物料搬運機械在各個行業(yè)的應用越來越廣泛。而目前很多龍門起重機系統由于兩個門腿不同步、超負荷作業(yè)以及機械振動沖擊過大等因素導致比如脫軌這樣的嚴重問題。因此，本文主要針對該問題，設計了兩個門腿的同步控制方案，改善電氣傳動，減少起制動沖擊，保持起重機門腿的穩(wěn)定的同步運動。

1 系統結構

龍門起重機的兩門腿系統結構如（圖1）所示，它由工控機、可編程控制器（PLC）、兩個變頻器，兩個異步交流電動機和編碼器等構成。其中工控機為監(jiān)控層，用于對現場設備運行情況的監(jiān)控。PLC為控制層，它將設備的信息傳送給工控機，并通過變頻器實現對電機的同步控制。變頻器作為執(zhí)行層，它把PLC的控制信號放大處理后，實現對電機的控制，并通過光電編碼器實現對轉速的閉環(huán)控制。而各層之間的通信，根據現場設備到控制器的連接方式，采用PROFIBUS總線的線形結構。下面對系統的主要部分作一下詳細介紹。

（1）工控機。工業(yè)控制計算機采用研華工控生產的CPU為Pentium Iv 1700MHZ的工控機。由于在控制龍門起重機兩個門腿電機的過程中，要同時運監(jiān)控軟件WinCC和PLC編程軟件STEP7 V5.4這兩個大型軟件，因此內存采用512MB。并且在計算機上插接了CP5611現場總線接口卡，使工控機通過PROFIBUS總線與PLC通信。通過監(jiān)控軟件WinCC對系統進行開發(fā)，通過PROFIBUS總線實現與下位機PLC的通信，實現對現場設備的實時監(jiān)控。并通過其強大的人機界面，可以使操作員直觀的看到現場設備的操作情況，并能夠對現場故障等狀況做出及時的反應。

（2）可編程控制器。根據龍門起重機實際應用的要求，選擇西門子S7-300 PLC作為其中樞控制系統。S7-300 PLC不需要附加任何硬件、軟件和編制程序，就可以通過PROFIBUS-DP總線接口，建立一個DP網絡。而PLC控制系統通過DP網絡，實現與上位機WinCC的通信，同時和變頻器進行數據的讀寫，并通過編制變頻器控制程序，實現對變頻器各個參數的修改，對電動機的狀態(tài)信息進行有選擇的讀取[1]。且S7-300 PLC可以通過使用模糊-PID控制實現對右腿電機速度調節(jié)，使龍門起重機兩門腿的速度協調一致。

（3）變頻調速系統。本設計采用Automation Drive FC300變頻器，它是丹佛斯公司生產的變頻調速設備，它采用了VVCplus控制原理，能夠承受極大的負載沖擊，并且對參數變化能夠快速反應。FC300是丹佛斯變頻器的一種新型產品，它能夠靈活的和第三方設備進行網絡組態(tài)，可以作為PROFIBUS總線的從站，掛在DP網絡中，方便的實現與主站PLC的通信，實現對電機的變頻調速控制。

2 控制系統設計

根據現場實際情況及需要，龍門起重機變頻調速同步控制系統主要由上位機（WinCC監(jiān)控系統）、下位機（PLC控制系統）、變頻器等組成。上位機作為監(jiān)控層，用于對系統進行監(jiān)控，本控制系統使用WinCC監(jiān)控軟件來實現，它能夠解決在生產和過程自動化中有關可視化和控制任務的工業(yè)控制系統，同時它能夠提供圖形顯示、歸檔、消息及報表的功能模塊，并具有快速畫面更新，數據采集和歸檔及強大的通信功能。

龍門起重機大車行走程序要完成控制兩個門腿行走的功能，必須設計變頻調速系統，本設計應用PLC和變頻器組成該系統[2]。S7-300 PLC的電源模塊用PS307 5A，CPU選擇CPU315-2DP，本系統使用兩個變頻器對電機控制，且變頻器與PLC之間的通信采用PROFIBUS-DP總線形式，所以組態(tài)了變頻器硬件，并通過PROFIBUS總線與PLC連接。組態(tài)后的控制系統硬件配置如圖2所示。

3 系統軟件設計

龍門起重機的兩門腿同步控制系統的主程序的流程圖如圖3所示，分別設計了變頻器控制程序，實現對電機的啟動、速度和停止控制，并應用FC300變頻器內部閉環(huán)PID控制，實現對兩門腿電機的速度閉環(huán)控制[3]。

同時在PLC程序中，應用模糊-PID控制實現兩個門腿的同步運行。PLC對主、從電機反饋的兩個門腿電機轉速信號進行比較，得出轉速差e1及轉差率ε，與系統設置一個誤差系數εg進行比較，根據轉速差進行兩種模態(tài)的切換：當ε>εg時，應用模糊控制快速減少誤差；當ε<εg時，采用PID控制，在小范圍誤差內消除誤差，提高同步精度。這樣在兩個電機運行速度不一致時，PLC通過模糊-PID控制器給出一個控制信號，調節(jié)柔性門腿即右腿電機速度，使其與左腿電機速度一致。

為了提高兩門腿的同步運行精度，除了對其速度進行同步控制外，還對兩個門腿的位移進行判斷調節(jié)。通過角度電位器等器件，計算兩門腿的偏移距離S，并把S值與允許誤差值S1進行比較，如果S>S1或者-S<-S1，通過PLC編程，給右側電機一個額外速度ΔV，調節(jié)右側電機速度直到左側和右側門腿行走一致。

4 實驗結果

龍門起重機兩門腿同步控制系統的實驗設備如圖4所示，中間為研華工控機，左邊為S7-300 PLC，右邊是兩臺FC300變頻器，它們之間用PROFIBUS-DP總線進行連接。完成硬件組態(tài)和軟件編程后，對系統進行在線調試，得出該系統兩電機同步運動效果良好，如圖5所示為兩電機速度曲線圖，設定的兩電機速度上升和下降時間分別為為3 s、5 s。由圖可以看出本系統可以實現兩電機的速度跟隨。

5 結論

雙電機同步控制系統可以廣泛應用于現場工業(yè)控制中，而本文的研究主要針對大跨度、大起重量龍門起重機門腿的同步控制運動。在整個國民經濟的發(fā)展中，龍門起重機作為物料搬運機械中的一種，它起著非常重要的作用。因此對龍門起重機的電氣控制系統的研究意義非常重大。本文采用可編程控制器與變頻器組成的變頻調速技術應用于龍門起重機同步控制系統，提高了系統運行的穩(wěn)定性和可靠性，同時應用監(jiān)控軟件對現場狀況進行監(jiān)控，便于及時的發(fā)現、處理故障。本電控系統的研究對龍門起重機向自動化、大型化、智能化及高效率化的方向發(fā)展具有重大作用。該系統經過修改，還可應用于其他多電機同步控制的場合。

參考文獻

[1] 龔仲華.S7-200/300/400 PLC應用技術-提高篇[M].人民郵電出版社，2008.

[2] 薄關鋒.基于PLC的橋式抓斗起重機變頻控制系統優(yōu)化設計[J].電氣傳動自動化，2011（1）.

[3] 孫怡.基于模糊PID控制的多電機同步控制系統的研究[D].華東理工大學，2012.