PLC和變頻器定位控制在重載貨運中的應用

摘? 要：通過對重載貨運定位控制需求的研究，以西門子PLC和G120變頻器為核心，提出并設計一種低速抱閘定位控制系統，從而實現了對重載貨運較為準確的定位控制，避免了反復往返調試過程，提高了定位控制的效率。同時還采用觸摸屏模塊進行控制和監測，既增強了系統的可操作性，又提升了系統的可視化程度，最大限度提升了系統的靈活性和穩定性。

關鍵詞：PLC；變頻器；定位控制

中圖分類號：TP311；TP273 文獻標識碼：A 文章編號：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年以來，隨著新冠疫情疊加嚴峻國際形勢，使貨運受阻、物流不暢[1]。其中由于在貨物特別是重載貨運配送運輸過程中需要人為的參與導致貨物配送的效率一直提高不上去，甚至由于操作人員的疫情感染導致配送運輸的終止。在自動配送運輸中，定位控制一直是重載貨運配送運輸中存在的問題之一。普通的PLC定位控制[2]一般采用開環和閉環兩種控制方式[3]，開環控制主要是檢測停止信號進行停止，但是由于重載時貨車的慣性較大而不能停止到準確位置；閉環控制也是檢測停止信號開始進行停止，同樣重載時貨車的大慣性會使貨車超越停止位，系統又控制貨車往后運行以達到停止位，但這種控制方式會使貨車耗費大量的時間運行在往返定位控制，導致配送效率的下降。本文提出了利用變頻器和PLC定位控制系統構成重載貨運高效率定位的解決方法，并給出了控制系統軟硬件結構的設計方案。

1? 工藝流程分析

在重載貨車運行過程中，空載貨車從起點位置進行裝貨。裝貨完成后，貨車在最短時間內準確定位在終點位置進行卸貨。最后，空載貨車返回到起點位置進行重復操作，如圖1所示。在整個控制系統中使用了變頻器對貨車進行速度有效控制。在圖1中，從起點位置到傳感器SQ1位置，根據實際要求貨車的速度會由PLC通過以太網方式發送給變頻器，再由變頻器控制貨車的速度v1和運行狀態。傳感器SQ1位置的設置要考慮到貨車由速度v1下降到v2下降時間的因素，而速度v2大小是保證能通過抱閘剎車裝置讓貨車立即停止的數值。當貨車運行傳感器SQ1處，PLC控制變頻器使貨車的速度下降。在達到傳感器SQ2位置時控制貨車運行到速度v2，同時進行停止、抱閘操作以達到精確的定位。

為了全面提高系統的運行安全性、操作靈活性與維護方便性，在對控制系統進行設計的過程中，工作人員可以通過觸摸屏上的操作按鈕，實現啟動、停止控制，并通過數字給定控制正常運行的速度v1和停車速度v2，以及顯示當前運行速度和電動機參數，為后續的控制提供便利條件。

2? 控制系統硬件設計分析

2.1? 系統設備組成及設計目標

整個控制系統是由一臺西門子S7系列的PLC、一臺西門子的HMI精智面板TP700、一臺西門子G系列的變頻器、一臺三相交流異步電動機、3個光電傳感器和一套抱閘控制系統組成。

系統分別由控制運算部分、顯示設置部分和執行元件部分組成。控制運算部分主要由PLC和變頻器來完成，顯示設置部分主要由觸摸屏進行控制，執行元件部分是由變頻器和三相交流異步電動機來完成。PLC接收到觸摸屏的啟動信號開始運行，再利用變頻器控制三相交流異步電動機的轉速從而實現本系統設計運行。

2.2? 控制系統構成

控制系統主要由PLC、變頻器、觸摸屏、傳感器、電動機、抱閘裝置等組成，如圖2所示。

通過觸摸屏按鈕輸入指令，PLC讀取指令的地址，開始運行程序。利用初始化數據讓變頻器控制電動機的運行速度。傳感器檢測貨運電車的位置，然后再發給PLC輸入端口，PLC讀取指令地址，啟動電磁閥，運動氣缸開始工作，限位開關檢測有無物料，再發給PLC指令，PLC讀取指令地址。PLC聯系現場狀況的數據I/O操作，當有存取操作時，PLC會分析和接收操作員使用控制按鈕調入的指令，以做出正確方式來進行控制。不僅僅可靠性高，而且采用了PLC可以節約大量的人力物力，以及減少后續維護的成本與難度，方便后續改造升級。根據系統控制功能要求，可得出系統I/O接口及內部變量分配情況，如表1所示。

3? 系統的軟件設計

3.1? PLC控制的軟件設計

PLC的控制軟件主要包含上電初始化模塊、通信模塊、自動運行模塊、報警以及報警處理模塊。選用西門子S7-1200PLC，其內部包含邏輯指令、功能指令、步進順控指令，同時也包括其他的特殊指令，具有編程操作靈活、運行穩定、修改方便等優勢。其程序流程圖如圖3所示。

在圖3中，PLC一上電，首先通過系統組織塊OB100對速度v1、v2和變頻器的減速時間進行初始化，如圖4所示。

此時，也可以由來自觸摸屏的輸入數據覆蓋初始化的參數。當開始運行后，PLC讀取貨車的當前位置并調整到起點位置進行裝貨。在接受裝貨完畢指令以后，貨車以速度v1高速運行，在此過程也可利用觸摸屏輸入端口對速度v1進行實時修改以滿足操作要求。在SQ1處，PLC控制變頻器進行降速運行，使貨車運行到SQ2處的速度降速到v2，到SQ2處貨車立即停車并進行抱閘制動。貨車在SQ2處進行卸貨后立即左行，重復執行上述過程。這種操作方式避免了重復的往返定位控制方式，提高了定位的精確度和有效性。在PLC主程序運行過程中，通信模塊通過系統組織塊OB35對變頻器進行實際轉速、實際電流和實際狀態的讀取，同時對變頻器的加速時間和減速時間的進行相對實時修改。同時與觸摸屏交換數據時要進行數據處理，觸摸屏給定速度的處理程序如圖5所示。

3.2? 觸摸屏畫面設計

HMITP700精智面板使用西門子公司的WinCC flexible軟件進行畫面的組態[4]。精智屏可在生產間歇期間將顯示屏關閉；萬一發生電源故障，可確保100%的數據安全性；支持多種通信協議；可在危險區域中使用。

本系統的觸摸屏畫面主要分為登錄界面、操作設置界面、監控界面和報警界面。在登錄界面中可以根據使用對象進行權限的設置，使用對象為管理員時，不僅可以查看所有界面而且能通過參數設置調整電動機的速度和加減速度；當使用對象為監控員時，只能查看監控界面和報警界面，不能對參數進行修改。在操作設置界面中，管理員可以通過界面的參數設置速度v1和速度v2的值，還可以調整上升、下降時間的大小，以確保貨車速度由SQ1處的v1下降到SQ2處的v2，保證貨車在SQ2處能實現立即停車并抱閘制動，如圖6所示。

在監控界面中，管理員和監控員可以通過貨車的動態顯示初步了解貨車是否運行在起點如圖7（a）所示、起點與SQ1處之間如圖7（b）所示、SQ1處、SQ1處與SQ2處之間、終點處，并且可以實時查看貨車的實際速度和電流大小，了解貨車的裝載情況，在。在報警界面中，管理員和監控員可以通過報警界面了解貨車的速度是否在允許范圍，貨車是否超載運行等。

3.3? 變頻器參數的設計

本控制系統使用的是西門子G120C PN[5]。PN是PROFINET的簡稱，PROFINET是新一代基于工業以太網技術的自動化總線標準，是工業以太網應用在現場級的一種實施協議[6]。在G120變頻器的基本調試過程中，除了要準確無誤設置電動機的額定電壓、額定電流、額定頻率、額定功率和額定轉速，還要設置變頻器的宏操作。本系統是采用PROFINET總線實現PLC與變頻器的數據交換，所以選擇宏操作為宏7，也可以在基本調試結束以后通過P10=1、P15=7、P10=0這種方法來設置。PROFINET總線主要是采用報文形式進行通信的。PROFINET提供的報文種類有很多，如報文1、報文2、報文3、報文4、報文20、報文350、報文352、報文353、報文354和報文999。因為通過PLC與變頻器的數據交換本控制系統不僅要實現電動機的啟動、停止、反轉操作，還要實現對電動機的實際轉速、實際電流、實際狀態的讀取和對變頻器的加速時間和減速時間的修改，所以本控制系統選擇報文354，也可以通過參數列表中P922=354來選擇該報文。這樣控制系統就可以通過報文354的過程數據區PZD來控制變頻器啟動、停止、反轉以及讀取電動機的實際轉速、實際電流、實際狀態。通過報文354的參數識別ID數據區PKW就可以設置變頻器的加速時間參數P1120和減速時間參數P1121。PKW通道用于PLC讀寫G120變頻器任一參數，但每次只能讀寫一個參數。PKW通道的長度固定為4個字，每次PLC與變頻器通過發送4個字達到信息的交換。例如把參數P1120修改為5.0 時，則PKW的4個字為：第一和第二個字分別為3460H和0000H，第三個字和第四個字的32位浮點數為5.0。再如把參數P1121修改為4.3 s時，則PKW的4個字為：第一和第二個字分別為3461H和0000H，第三個字和第四個字的32位浮點數為4.3。

4? 結? 論

經測試表明，本文所設計基于PLC和變頻器重載定位控制系統在實踐應用過程中達到了預想的效果、運行穩定。通過觸摸屏模塊進行控制和監測，既增強了系統的可操作性，又豐富了系統可視化程度。該控制系統具有較高性價比、運行靈活、工作可靠、簡單實用等優勢，推廣和普及價值較高。

參考文獻：

[1] 中國物流與采購聯合會公路貨運分會.上半年公路貨運物流市場景氣度調查報告 [J].中國物流與采購，2022（14）：37-40.

[2] 胡仁平，張謙，鄧健平，等.PLC精確定位控制的線上線下混合式教學實踐研究 [J].農機使用與維修，2022（5）：145-147.

[3] 黎建軍.關于變頻器參數與傳送帶機構定位原理的研究 [J].山東工業技術，2018（2）：119.

[4] 楊軼霞.PLC和人機界面組合的搶答器控制系統設計 [J].自動化與儀器儀表，2016（2）：195-196.

[5] 張蘇新，朱哲誠.基于西門子PLC的智能柔性工作站控制系統的研究 [J].現代信息科技，2021，5（14）：52-56.

[6] 楊德奇.PROFINET通信中RT與IRT辨析 [J].中國儀器儀表，2022（7）：17-21.

作者簡介：周桃文（1982.04—），男，漢族，安徽樅陽人，講師，碩士研究生，主要研究方向：電氣自動化研究。

收稿日期：2022-09-27

基金項目：宜賓職業技術學院科研項目（ybzysc19-33）