PLC在港口皮帶輸送系統節能控制中的應用研究

［關鍵詞］PLC；港口；皮帶輸送系統；節能控制

1PLC技術概述

1.1PLC基本結構及部件

PLC基本結構主要包含CPU（處理器）、存儲器、I/O以及電源4大部分，屬于典型的計算機體系架構。

（1）處理器。CPU作為PLC核心部件，集運算設備及控制器于一體，負責計算及控制。其與I/O單元、存儲器等通過數據、地址及控制總線相連。借助操作系統支持，CPU得以診斷內部電路及電源運作狀況，讀取并解析用戶程式，生成操作結果或控制訊號，接收并儲存用戶程式與程序員輸入的資料，以及展開打印、顯示屏及通訊等工作。

（2）存儲器。存儲器為具備存儲能力的半導體電路，用以儲存系統程序、用戶程序、邏輯變量及其他相關資訊。

（3）I/O模塊。I/O模塊作為PLC與外界設備的橋梁，負責將輸入信號（如按鈕、路由開關、限位開關、開關或傳感器輸出的模擬值）傳送至PLC現場；同時，輸出單元接收計算處理成果，轉化為現場執行單元以識別檢查信號后輸出至現場。

（4）電源。電池可將CPU及存儲器等電路正常運轉所需的交流電轉為直流電，構成PLC電源中樞。此外，電源組亦采取電壓穩壓及抗干擾防護措施，確保PLC內部電路運行的可靠性與穩定性。例如，在PLC電源側配置絕緣變壓器，運用交流電子穩壓器，選用具備保護功能的信號線及通信電纜。

1.2PLC工作原理及流程

PLC采用獨特的循環掃描方式，在設定操作系統精密控制下持續不斷地執行程序。具體來說，PLC全過程涵蓋自診斷、通訊服務、輸入刷新、用戶程序執行及輸出刷新5大關鍵階段。

（1）自診斷環節。本階段工作重點是對PLC內部硬件設備進行全面且深入的故障檢測。一旦發現異常，即時觸發報警，嚴重時可暫停運行。若自診斷順利完成，則進入通訊服務階段。

（2）通訊服務階段。在此期間，PLC主要通過與編程器、計算機或者網絡通信模塊等外圍裝置的信息交換實現其功能，嚴格監控并妥善處理各類通信請求，例如，接收到計算機發出的指令或，從編程器傳送來的程序等數據。

（3）輸入刷新步驟。內部傳感器、開關、按鈕等各類輸入元件皆經由輸入端口與PLC進行連接，進行詳盡交互。

（4）執行用戶程序。CPU逐行解析并執行用戶程序。在此過程中，輸入映像寄存器數據依據用戶程序需求進行運算，并將結果存儲至映像寄存器。

（5）輸出刷新環節。在運行結束后，PLC會將其輸出映像寄存器的當前狀態轉變為被控設備可理解的信號形式并發送至執行端，整個過程涵蓋了5個基本步驟。在工業控制系統的構建中，部分系統對于控制時間有著極高的要求，因此需要具備迅速的反應能力。為此，設計師需精準計算響應時間，合理安排程序與指令，以盡可能減少因掃描周期導致的延遲現象。

2自動化變頻調速控制系統設計方案

2.1總體方案構想

采用“PLC+變頻器”設計策略，該設計方案的優點在于其強大的通信能力以及出色的擴展性，使得數據得以借助遠程監控系統以極高的效率進行交互傳輸。PLC僅需少量I/O接口便能順利完成可靠集成，極大簡化電路結構并縮減電氣控制柜體積，方便日后維修保養。本研究項目所涉及的皮帶輸送電動機以PLC作為精準調控變頻器的關鍵設備。此設備被安裝于電氣控制柜內部，與個人電腦緊密協作，確保對變頻器進行實時監控。

2.2系統運行機制

本研究的皮帶輸送機驅動電機速度調節體系包含兩種工作方式：“工頻”方式及“自動”模式。在“工頻”模式下，通過電控柜上的操作按鈕實現對設備的操控，在此期間，電機調速控制系統并未發揮作用；當電機調速控制系統出現故障時，可迅速將皮帶輸送系統切換至“工頻”模式，從而保證生產作業的順利進行。“自動”模式，則是在接通電源之后，系統會自動啟動對電機的變頻調速控制，具體的運行流程如下：①系統會執行初始化程序；②傳感器可實時捕獲皮帶負荷的模擬信息，經由A/D轉換為PLC能識別的數字信號；③根據預先設定的邏輯關系，通過CPU的精密運算處理，將輸出控制信號傳送至變頻器，進而調整輸出頻率，實現對皮帶運行速度的精準調控。

3自動化變頻調速控制系統系統硬件設計

3.1主電路設計

此設計中，主電路用以驅動電機產生驅動力能，本次設計的主電路工作電壓為380V。電機調速控制系統主電路如圖1所示。

在如圖1所示的控制電路中，KM8、KM9、KM11及KM12為4個交流接觸器；QF1和QF2為兩個空氣開關；FR1和FR2兩個熱繼電器可起到保護作用。值得注意的是，電機3-4與工頻電源緊密相連，而電機3-5則與變頻源建立了聯系。為了保證安全，變頻器的輸出端必須避免與交流電源直接相連，同時還需確保變頻器和電機I/O端的接線順序準確無誤。此外，變頻器的啟動和停止應通過操作面板進行，以有效降低變頻器發生故障的概率。同時接地端子和電機均需要做好接地處理，以防止可能出現的觸電事故。

3.2電氣控制電路設計

為防止因過電壓而產生的設備損害，在PLC輸出端的接線過程中，通常不會將其直接與交流接觸器相接，而是采用繼電器操控接觸器的動作，這樣不僅能提升系統的安全性，還可以有效實現強弱電之間的隔離。電機調速控制系統電氣控制電路如圖2所示。

因驅動電機無法兼顧工頻電源及變頻電源，故在電氣控制線路的設計階段，需著重強調采用接觸器構成硬性互鎖機制，且需緊密結合軟件互鎖設計，以確保互鎖功能的可靠性。

3.3PLC設備選型分析

選取西門子S7-200系列PLC作為核心設備，作為小型高效PLC，其具備優越的可擴展性，價格適中。更為關鍵的是，其指令系統完備且功能全面，適合多類自動化操控需求。此外，西門子S7-200具備優異的通信能力，能勝任大型控制系統任務，包括基本控制、指令集使用及通信能力等諸多優勢。

3.4變頻器選型

選取四方電氣E380系列變頻器，其適用性廣泛、可靠性高及附加功能豐富，且具備優良的轉矩特性。E380系列變頻器涵蓋26種規格，功率覆蓋7.5～400kW。鑒于電機在設計工況下能保持穩定運行，故文章僅需依據電機實際功率挑選合適的變頻器，無需考慮提升功率等級。

3.5上位機選型

上位機作為系統監控的核心部件，與人機界面監控系統軟件共同搭建起用戶與機器的交流橋梁。通過此平臺，能夠實現多種功能的互動操作，并監控系統運作狀況及控制單元，實時反應并記錄系統運行數據，同時具備數據檢索和診斷功能。在實際運用過程中，主要有工業控制計算機、工作站以及觸摸屏3種PC機類型可選。基于控制需求，選取觸摸屏作為PC機，成功實現了顯示與控制的集成操作。伴隨著工業控制技術的迅速進步，觸摸屏的功能日益豐富，種類也日漸繁多。在此次研究中，選擇了WEINVIEWMT6100i觸摸屏。

4系統軟件設計

4.1編程軟件

西門子公司設計的STEP7-Micro/WIN32編程軟件，專用于其PCLC7-200產品的編寫與監控。該軟件可完美契合Windows作業環境，助力使用者高效完成PLC編程任務及對智能助手運行狀態的實時監測。得益于PLC技術的持續發展，STEP7-Micro/WIN32亦在不斷升級與完善，現已具備功能塊圖、梯形圖以及指令表等多種編程語言編輯器，滿足使用者各類需求。

4.2主程序架構設計

主程序的設計是系統軟件開發過程中的關鍵。在主程序設計過程中，需著重考慮兩個關鍵問題：①在首次掃描期間，主程序將通過“復位”子程序執行系統初始化任務；②PLC將采用循環掃描機制調用各式各樣的子程序，從而實現對各類設備的精確控制，這些子程序涵蓋了電表、平均值計算、變頻速度調整、計時以及控制等。

4.3上位機監控系統軟件架構設計

4.3.1精選實時監控端組態軟件

采用專業組態軟件，可提升上位機監控系統軟件的效能。此類軟件以其可靠且靈活的特性，助力技術人員快速整合各模塊元素，迅速建立完備的上位機監控系統。此方法可實現軟硬件間的無縫銜接，以及數據的精準采集和控制。文章借助先進的EasyBuilder8000（以下簡稱“EB8000”）開發平臺，對監控系統進行深入剖析與探究。EB8000作為新型人機交互設計軟件，在本項目中發揮了至關重要的作用。

4.3.2上位機監控系統軟件組態流程

組態流程主要包括3個階段：①新建項目并進行初始化設置；②利用EB8000設計與編輯監控畫面，確保顯示各項運行參數；③完成監控畫面設計后，利用EB8000進行預覽，并下載至觸摸屏，為后續調試做足準備。

5結束語

遵照節能減排戰略需求，設計出了一套由PLC控制器、變頻驅動器及上位監控計算機等先進設備組成的自動化變頻調速控制系統。該系統能夠依據皮帶負載的實時數據，嚴格遵循“輕載低速，重載高速”的原則，實時調整電機的運行頻率，從而提高電機的運轉效率，最終達到節能降耗的目標。