PLC變頻控制技術在雙向門機電氣改造中的應用

顏 劍

（湖北漢江王甫洲水力發電有限責任公司，湖北老河口 441800）

PLC變頻控制技術在雙向門機電氣改造中的應用

顏 劍

（湖北漢江王甫洲水力發電有限責任公司，湖北老河口 441800）

以王甫洲2×800 kN/100 kN雙向門機電氣改造為例，介紹機電氣系統改造工程中電氣原理，變頻控制技術，PLC控制技術，以及Modbus通信在實際工程中的應用。

Modbus；變頻器；PLC；觸摸屏

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.38

0 引言

隨著信息化和科學技術的日新月異，國內外起重設備已全面采用工業變頻、PLC等自動化和智能化技術和裝備，PLC+變頻調速近幾年已經成為起重設備的主流電控配置解決方案。該系統具有響應速度快，安裝調試方便，安全保護完善，操作控制簡便等一系列傳統起重機控制技術所不能比擬的優勢。隨著網絡通信技術、微電子技術、計算機技術、云計算等概念和技術領域的飛速發展，更加實用穩定和超前的機電設備控制技術為成熟應用在門式起重設備上提供了可靠平臺。

1 系統概述

漢江王甫洲水利樞紐工程泄水閘2×800 kN/100 kN雙向門機是20世紀90年代末設計制造安裝的，電氣控制設計采用的是較為落后的串級調速驅動方案，常規繼電器控制方式。經過近20 a的運行，內部原件已老化，門機安全系數降低，工作效率低，維護檢修成本高。

門機主要由起升機構、大車和小車運行機構、液壓抓梁機構、回轉機構等組成。其中起升機構考慮到機械設計，電機安裝形式等現場實際因素，未采用變頻調速系統，仍采用串電阻調速方式。大車機構、小車機構與回轉機構分別采用施耐德公司的ATV系列變頻器進行調速控制。

門機的邏輯控制系統由一套施耐德公司的M340系列PLC構成，通過采集主令開關及控制按鈕發出的啟動、運行、停止、多段速等命令并與當前門機狀態進行邏輯判斷，控制輸出繼電器動作，達到控制門機運行的目的，然后通過以太網將PLC內部控制信號發送至設在司機室內的觸摸屏上，以方便操作人員操作監視和維修。PLC系統配置如圖1所示。

門機的起升機構設有機械式旋轉限位開關與絕對值編碼器兩套保護系統。絕對值編碼器可實時監測起升機構的高度將其對應的脈沖數送入設在司機室內的綜合儀表上，到達設置的上下限位時會自動切斷對應的上升或下降控制回路，使起升機構停止運行。機械式旋轉限位開關安裝在卷筒的末端，當運行至上下極限位置時，起升機構的升降動作將可以自動停止，確保安全。荷重檢測裝置設置在鋼絲繩上部，通過電流信號送入綜合儀表內。當起吊重量達到90%額定負荷時，綜合儀表發出預警，提醒操作人員注意；當起吊重量達到110%時，綜合儀表發出報警，并切斷上升控制回路停止上升，此時下降不受影響，重物可以下降。

圖1 PLC系統配置

2 控制系統

控制系統的核心由一套施耐德公司的M340系列PLC構成，負責整個門機電控系統的信息收集，交換，處理和輸出，保障設備的控制邏輯正確，技術性能達到使用運行要求。主要包括起升邏輯控制，大車邏輯控制，小車邏輯控制，回轉邏輯控制，液壓抓梁機構的邏輯控制，安全保護控制，通信設備及輔助設備的控制。通過ModbusRtu工業現場總線在控制設備與顯示設備之間傳送信號，進行信息交換，共同構成自動化控制系統。Modbus通信規約是由施耐德公司所屬的品牌Modicon于1979年創立，是世界上第一個真正運用于工業現場的總線協議。它是一種應用于電子控制器上的通用語言?，F在已成為全球通用工業標準。有了此標準，不同廠家生產的控制設備能夠連成工業網絡，進行集中控制。本規約定義了一個控制器能識別使用的消息結構，而不論它們是經由何種網絡進行通信的。通過本規約，控制器之間、控制器經由以太網等網絡和其它設備之間能夠相互通信。它描述了控制器請求訪問其他設備的過程，和如何響應來自其他設備的請求，以及如何檢測錯誤并記錄。它為消息域、模式和內容創建了通用的公共格式。

Modbus協議具有以下特點：

（1）標準和開放，不會侵犯知識產權，沒有使用許可費。用戶能自由、安全地使用Modbus協議。目前，已有400多家廠商支持Modbus，超過600多種產品支持Modbus;

（2）Modbus支持RS485，RS232等多種電氣接口，也可用雙絞線、光纖、無線等各種介質，適合各種介質間的數據傳輸;

（3）Modbus還具有簡單緊湊的幀格式，易于理解、使用、開發。

PLC系統的CPU采用BMXP34 2020型，該CPU內置以太網口，Modbus，TCP/IP，該 CPU 具有 8 個特點。

（1）結構緊湊精巧；

（2）高可靠性，提供各類主流認證及帶防腐涂層模塊；

（3）金屬機架綜合性能優良，高速通訊的總線和I/O并行的總線，能夠確?？焖俜€定的傳輸數據；

（4）每毫秒可以處理7000條指令，數據處理能力非常強大；

（5）內存容量大，無需備份電池，存儲卡“即插即載”；

（6）具有豐富的專家功能，如位置控制、回路控制、計數等；

（7）所有模塊便于維護，支持熱插拔等功能；

（8）支持中文名和中文變量名，基于Unity Pro軟件平臺。

Unitypro軟件內PLC系統配置如圖2所示。

圖2 Unitypro軟件內PLC系統配置

各機構操作由位于司機室的聯動控制臺上的主令手柄、旋鈕開關、按鈕等給定，信號傳到PLC，PLC收到聯動控制臺的給定信號后，經程序處理后將其轉換為對傳動裝置的控制指令，轉換主令手柄的檔位，即可改變變頻器的輸出頻率，各機構的運行速度也相應改變。

3 傳動調速裝置

除起升機構外，門機采用施耐德ATV71和ATV312系列的變頻器。它具有結構緊湊、功能強大、性能穩定、安全可靠等優點。該設備本身具有自整定功能和參數設置單元，無需附加設備即可完成參數的設置。所有控制、調整、監控、制動器控制和附加功能由變頻器內的微處理器在轉換器中實現。該系統具有零速滿轉矩功能，在PLC收到變頻器啟動信號后，控制制動器開啟，電機根據預置加速度運行到給定的速度，然后是恒速運行。

變頻調速控制變頻電機通過“交流直流-交流”的控制方式，實現速度控制和轉矩控制。它的特點是啟動和停止平穩，對電機和機械系統的沖擊影響較小，并具有良好的速度平滑性。變頻器外接制動斬波電阻。停車時，制動電阻用于消耗重物的勢能，實現安全穩定停車，并保護變頻器和控制電路。

4 HMI與信息管理

Human Machine Interface的縮寫就是HMI，意為人機界面，即“人機接口”。人機界面又稱使用者界面或者用戶界面，是系統與用戶之間信息交互的媒介，在人機信息交互領域，都存在有人機界面，它實現了信息的內部形式與人類可以接受形式之間的轉換。

硬件和軟件兩部分組成人機界面產品，硬件部分包括中央處理器、顯示單元、輸入單元、通信接口、數據存儲單元，HMI產品的性能由處理器性能決定，這是HMI的核心要素。根據HMI的產品級別，處理器可以分別選擇8、16位、32位處理器。HMI的軟件一般為兩部分，即在HMI硬件中運行的系統軟件和在PC Windows操作系統下運行的圖像配置組態軟件。用戶必須先使用HMI圖像配置組態軟件制作“工程文件”，再通過PC和HMI產品串口通信端口，將準備好的“工程文件”下載到HMI處理器運行。在這個項目中，使用的是施耐德公司的HMIGXU5512觸摸屏。本項目的觸摸屏部分畫面如圖3所示。

圖3 觸摸屏主起升界面

觸摸屏還可以完成一些功能設置，如荷重設置、高度設置等，用于顯示門機起升機構起重量、起升高度、大車的運行距離、具體位置、各主要機構的傳動裝置狀態、故障指示等。針對一般故障，門機駕駛員可按照觸摸屏上的提示做相應的操作即可使設備恢復正常工作狀態，如果遇到駕駛員不能解決的故障，維修人員可以根據觸摸屏的提示快速找到故障點，以此決定檢修維護方案，修復或替換故障原器件，使設備恢復正常操作。

門機主司機室內另設置一套視頻監控系統。在門機的4個門腿和起升吊點附近設置高清攝像頭，通過網線接入司機室的監控屏幕上，使操作人員在司機室內就可以很方便的監視門機軌道、吊點的情況，保證門機運行的安全。

5 結語

經過電氣改造后，門機采用目前國內外先進的電氣控制系統，具有更好的安全防護和故障自動監測診斷能力，用直觀的圖文信息顯示門機狀態，方便實時監控門機的運行情況。不需要投入太多的改造經費，設備在性能可靠、操作簡單、維護方便的前提下便具有了更高的綜合性能，使王甫洲水利樞紐在電氣控制、維護、操作、檢修等各方面具備了更高的技術水平和設備管理水平。

TM91.5

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〔編輯 李 波〕