摘  要：本文介紹了一種礦用繩鋸機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用可編程控制器、人機界面和變頻器等工控元件設(shè)計構(gòu)成，相比目前市場中的通用型礦用繩鋸機，具有操作簡單、切割效果更好等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：礦用繩鋸機      變頻器      可編程控制器      人機界面  

Abstract: This paper describes a mine wire saw control system, the system using a programmable controller, HMI (Human Machine Interface) and inverters, and so on. Compared with the universal wire saw in nowadays market, it has a simpler operation, and a better cutting result.

Key words: Mine wire saw      Inverter      PLC     HMI

1引言

目前，市場中所出現(xiàn)的礦用繩鋸機都是操作人員在現(xiàn)場作業(yè)，控制操作系統(tǒng)與繩鋸機執(zhí)行單元間隔不遠(yuǎn)，現(xiàn)場操作人員長期處于高粉塵和強噪音的環(huán)境中，對身體危害極大。

本文設(shè)計了一種遠(yuǎn)程控制的模式，使繩鋸機執(zhí)行主體與控制系統(tǒng)分離，二者通過RS485總線進(jìn)行控制，操作人員通過控制柜上的人機界面可以同時操作控制數(shù)臺繩鋸機設(shè)備，而且各機器運轉(zhuǎn)狀態(tài)都實時顯示在人機界面上，更加清晰直觀。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示

   圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖   

由圖1的結(jié)構(gòu)框圖可以看出，系統(tǒng)由一臺人機界面(HMI)、一臺可編程控制器(PLC)和多臺變頻器(VFD)及電機(MOTOR)構(gòu)成。

PLC是控制系統(tǒng)的核心，HMI是控制系統(tǒng)與操作人員的接口，而VFD是PLC與MOTOR電機的接口，MOTOR是執(zhí)行單元。

HMI與PLC直接通過RS232控制線連接。VFD與PLC直接通過RS485控制總線進(jìn)行連接，并由PLC控制操作。MOTOR與VFD輸出直接連接，并由VFD控制其轉(zhuǎn)速和方向。

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計理念在于將執(zhí)行部分與控制部分相對分開隔離，減少操作人員直接接觸惡劣環(huán)境的時間和次數(shù)，更有利于保護(hù)操作人員身體安全與健康。同時，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)適合于多臺執(zhí)行單元的集中控制，減少操作人員，提高了工作效率。

3硬件選型

按照預(yù)定設(shè)計要求，本包裝機需完成人機交互、電機調(diào)速等功能，主要包括以下幾個部分器件。

3.1可編程控制器(PLC)

考慮到目前的功能需求及未來擴(kuò)展功能的可能性，本系統(tǒng)PLC選用臺達(dá)DVP16ES200T，該機型內(nèi)建RS-232及RS485，兼容MODBUS ASCII/RTU通訊協(xié)議，并帶有4路高速脈沖輸出功能，為將來系統(tǒng)擴(kuò)展使用步進(jìn)電機等器件提供保證。

臺達(dá)DVP16ES200T詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 DVP16ES200T參數(shù)

由表1可以看出：臺達(dá)DVP16ES200T具有4點高速脈沖輸出，可以用于步進(jìn)電機的驅(qū)動；內(nèi)建RS232通訊和MODBUS通訊協(xié)議，可以同時連接人機界面和變頻器組件；此外，該PLC支持外圍擴(kuò)展，可以連接DA模塊和IO模塊。

3.2人機界面(HMI)

本系統(tǒng)人機界面選用臺達(dá)DOP-B07S515。該人機界面為7吋屏幕，800×600分辨率，內(nèi)建128MB ROM，帶有RS-232、RS-485通訊接口，支持USB連接電腦進(jìn)行界面修改。

該人機界面HMI通過RS-232接口與PLC主機進(jìn)行聯(lián)機通訊。

3.3變頻器(VFD)

由于現(xiàn)有礦用繩鋸機的主切割電機額定功率為35kW，故本系統(tǒng)變頻器選用臺達(dá)VFD-370F。該型號變頻器適用電機功率為37kW，可以滿足本系統(tǒng)需要。

臺達(dá)VFD-370F變頻器參數(shù)如表2所示。

表2 VFD-370F變頻器參數(shù)

4程序設(shè)計

本控制系統(tǒng)的程序設(shè)計主要在于PLC與VFD之間的RS485通訊。在本節(jié)內(nèi)容中，作者主要對程序的主體結(jié)構(gòu)和一些需要注意的細(xì)節(jié)地方進(jìn)行講解，并不完全涉及到本控制系統(tǒng)的全部詳細(xì)程序。

    臺達(dá)VFD-370F變頻器使用的RS485通訊協(xié)議為Modbus-RTU模式，物理層為兩線制RS485，同時臺達(dá)DVP16ES200T這款PLC可以選擇Modbus-RTU協(xié)議，PLC協(xié)議的選擇需要在程序的開始進(jìn)行配置。圖2為PLC與VFD通訊格式初始化程序。

圖2 PLC與VFD通訊格式初始化

配置講解：從VFD-370F說明書中得知該變頻器通訊接口為網(wǎng)絡(luò)接口，因此需要配置相應(yīng)的接頭，通訊電纜使用0.56mm雙絞線，波特率為19200bps時，通訊傳輸最大距離足夠本控制系統(tǒng)的距離。

在本系統(tǒng)中，多機聯(lián)機采用菊花鏈?zhǔn)竭B接方式(如圖3所示)，在兩頭各接上120Ω終端電阻。

圖3 多臺VFD與主機PLC聯(lián)機的菊花接法接線圖

程序說明：PLC與VFD之間通訊格式確定的情況下，只需要對照VFD-370F變頻器說明書中的通訊數(shù)據(jù)在PLC程序中進(jìn)行配置(如表3所示)，發(fā)送給變頻器，就可以相應(yīng)地控制變頻器的運行。

表3 VFD-370F變頻器必要參數(shù)設(shè)置

5常用運行動作說明

在所有變頻器與PLC之間的RS-485總線連接完成之后，需要對所有變頻器的一些常用運行動作進(jìn)行說明。

(1)設(shè)置地址為03H的變頻器允許正反轉(zhuǎn)

說明：查閱VFD-370F變頻器操作說明書可知，H0204為VFD-370F變頻器正反轉(zhuǎn)的通訊地址，向改地址寫入允許正反轉(zhuǎn)的指令數(shù)據(jù)H00，即可實現(xiàn)所需的操作。

(2)設(shè)置地址為05H的變頻器正轉(zhuǎn)且輸出頻率為50Hz

說明：查閱VFD-370F變頻器操作說明書可知，H2000為VFD-370F變頻器方向設(shè)定的通訊地址，向改地址寫入允許正轉(zhuǎn)的指令數(shù)據(jù)H12，即可實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)；H2001為VFD-370F變頻器頻率設(shè)定的通訊地址，向改地址寫入50Hz對應(yīng)的的指令數(shù)據(jù)K5000，即可實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)動頻率為50Hz，從而最終實現(xiàn)所需的操作。

如上面兩個動作實例可見，對VFD-370F變頻器的操作控制命令只需簡單地對照其說明書進(jìn)行配置就能夠很容易地操作，而控制系統(tǒng)的其他操作，如控制邏輯、HMI通訊配置、狀態(tài)采集等在此不做詳細(xì)說明。

本文僅簡述了基本的控制結(jié)構(gòu)和控制操作程序語句，讀者可根據(jù)本文的內(nèi)容自己進(jìn)行擴(kuò)充實踐，完整地得出本系統(tǒng)的實際效果。

6結(jié)束語

本控制系統(tǒng)在現(xiàn)場測試環(huán)境中已經(jīng)通過驗證，控制效果和操作性達(dá)到使用單位的認(rèn)可。由此可見，本文介紹的控制結(jié)構(gòu)和控制思路，在實際環(huán)境中具有推廣性，值得礦用繩鋸機生產(chǎn)廠家和使用單位的借鑒應(yīng)用。

作者簡介

石宗甜（1984-）男 工程師，現(xiàn)就職于桂林電器科學(xué)研究院，主要研究方向為自動化控制系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)、高頻高壓開關(guān)電源設(shè)計研發(fā)、嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)等。

參考文獻(xiàn)

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