［關(guān)鍵詞］PLC；港口；皮帶輸送系統(tǒng)；節(jié)能控制

1PLC技術(shù)概述

1.1PLC基本結(jié)構(gòu)及部件

PLC基本結(jié)構(gòu)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(gòu)。

（1）處理器。CPU作為PLC核心部件，集運算設(shè)備及控制器于一體，負(fù)責(zé)計算及控制。其與I/O單元、存儲器等通過數(shù)據(jù)、地址及控制總線相連。借助操作系統(tǒng)支持，CPU得以診斷內(nèi)部電路及電源運作狀況，讀取并解析用戶程式，生成操作結(jié)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(dǎo)體電路，用以儲存系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量及其他相關(guān)資訊。

（3）I/O模塊。I/O模塊作為PLC與外界設(shè)備的橋梁，負(fù)責(zé)將輸入信號（如按鈕、路由開關(guān)、限位開關(guān)、開關(guān)或傳感器輸出的模擬值）傳送至PLC現(xiàn)場；同時，輸出單元接收計算處理成果，轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場執(zhí)行單元以識別檢查信號后輸出至現(xiàn)場。

（4）電源。電池可將CPU及存儲器等電路正常運轉(zhuǎn)所需的交流電轉(zhuǎn)為直流電，構(gòu)成PLC電源中樞。此外，電源組亦采取電壓穩(wěn)壓及抗干擾防護(hù)措施，確保PLC內(nèi)部電路運行的可靠性與穩(wěn)定性。例如，在PLC電源側(cè)配置絕緣變壓器，運用交流電子穩(wěn)壓器，選用具備保護(hù)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(huán)掃描方式，在設(shè)定操作系統(tǒng)精密控制下持續(xù)不斷地執(zhí)行程序。具體來說，PLC全過程涵蓋自診斷、通訊服務(wù)、輸入刷新、用戶程序執(zhí)行及輸出刷新5大關(guān)鍵階段。

（1）自診斷環(huán)節(jié)。本階段工作重點是對PLC內(nèi)部硬件設(shè)備進(jìn)行全面且深入的故障檢測。一旦發(fā)現(xiàn)異常，即時觸發(fā)報警，嚴(yán)重時可暫停運行。若自診斷順利完成，則進(jìn)入通訊服務(wù)階段。

（2）通訊服務(wù)階段。在此期間，PLC主要通過與編程器、計算機或者網(wǎng)絡(luò)通信模塊等外圍裝置的信息交換實現(xiàn)其功能，嚴(yán)格監(jiān)控并妥善處理各類通信請求，例如，接收到計算機發(fā)出的指令或，從編程器傳送來的程序等數(shù)據(jù)。

（3）輸入刷新步驟。內(nèi)部傳感器、開關(guān)、按鈕等各類輸入元件皆經(jīng)由輸入端口與PLC進(jìn)行連接，進(jìn)行詳盡交互。

（4）執(zhí)行用戶程序。CPU逐行解析并執(zhí)行用戶程序。在此過程中，輸入映像寄存器數(shù)據(jù)依據(jù)用戶程序需求進(jìn)行運算，并將結(jié)果存儲至映像寄存器。

（5）輸出刷新環(huán)節(jié)。在運行結(jié)束后，PLC會將其輸出映像寄存器的當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楸豢卦O(shè)備可理解的信號形式并發(fā)送至執(zhí)行端，整個過程涵蓋了5個基本步驟。在工業(yè)控制系統(tǒng)的構(gòu)建中，部分系統(tǒng)對于控制時間有著極高的要求，因此需要具備迅速的反應(yīng)能力。為此，設(shè)計師需精準(zhǔn)計算響應(yīng)時間，合理安排程序與指令，以盡可能減少因掃描周期導(dǎo)致的延遲現(xiàn)象。

2自動化變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1總體方案構(gòu)想

采用“PLC+變頻器”設(shè)計策略，該設(shè)計方案的優(yōu)點在于其強大的通信能力以及出色的擴展性，使得數(shù)據(jù)得以借助遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)以極高的效率進(jìn)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(jié)構(gòu)并縮減電氣控制柜體積，方便日后維修保養(yǎng)。本研究項目所涉及的皮帶輸送電動機以PLC作為精準(zhǔn)調(diào)控變頻器的關(guān)鍵設(shè)備。此設(shè)備被安裝于電氣控制柜內(nèi)部，與個人電腦緊密協(xié)作，確保對變頻器進(jìn)行實時監(jiān)控。

2.2系統(tǒng)運行機制

本研究的皮帶輸送機驅(qū)動電機速度調(diào)節(jié)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(xiàn)對設(shè)備的操控，在此期間，電機調(diào)速控制系統(tǒng)并未發(fā)揮作用；當(dāng)電機調(diào)速控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可迅速將皮帶輸送系統(tǒng)切換至“工頻”模式，從而保證生產(chǎn)作業(yè)的順利進(jìn)行?！白詣印蹦Ｊ?，則是在接通電源之后，系統(tǒng)會自動啟動對電機的變頻調(diào)速控制，具體的運行流程如下：①系統(tǒng)會執(zhí)行初始化程序；②傳感器可實時捕獲皮帶負(fù)荷的模擬信息，經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換為PLC能識別的數(shù)字信號；③根據(jù)預(yù)先設(shè)定的邏輯關(guān)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(jìn)而調(diào)整輸出頻率，實現(xiàn)對皮帶運行速度的精準(zhǔn)調(diào)控。

3自動化變頻調(diào)速控制系統(tǒng)系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1主電路設(shè)計

此設(shè)計中，主電路用以驅(qū)動電機產(chǎn)生驅(qū)動力能，本次設(shè)計的主電路工作電壓為380V。電機調(diào)速控制系統(tǒng)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(guān)；FR1和FR2兩個熱繼電器可起到保護(hù)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(lián)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(zhǔn)確無誤。此外，變頻器的啟動和停止應(yīng)通過操作面板進(jìn)行，以有效降低變頻器發(fā)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(xiàn)的觸電事故。

3.2電氣控制電路設(shè)計

為防止因過電壓而產(chǎn)生的設(shè)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(tǒng)的安全性，還可以有效實現(xiàn)強弱電之間的隔離。電機調(diào)速控制系統(tǒng)電氣控制電路如圖2所示。

因驅(qū)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(shè)計階段，需著重強調(diào)采用接觸器構(gòu)成硬性互鎖機制，且需緊密結(jié)合軟件互鎖設(shè)計，以確?；ユi功能的可靠性。

3.3PLC設(shè)備選型分析

選取西門子S7-200系列PLC作為核心設(shè)備，作為小型高效PLC，其具備優(yōu)越的可擴展性，價格適中。更為關(guān)鍵的是，其指令系統(tǒng)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(yōu)異的通信能力，能勝任大型控制系統(tǒng)任務(wù)，包括基本控制、指令集使用及通信能力等諸多優(yōu)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(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性。E380系列變頻器涵蓋26種規(guī)格，功率覆蓋7.5～400kW。鑒于電機在設(shè)計工況下能保持穩(wěn)定運行，故文章僅需依據(jù)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(tǒng)監(jiān)控的核心部件，與人機界面監(jiān)控系統(tǒng)軟件共同搭建起用戶與機器的交流橋梁。通過此平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能的互動操作，并監(jiān)控系統(tǒng)運作狀況及控制單元，實時反應(yīng)并記錄系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，同時具備數(shù)據(jù)檢索和診斷功能。在實際運用過程中，主要有工業(yè)控制計算機、工作站以及觸摸屏3種PC機類型可選?；诳刂菩枨螅x取觸摸屏作為PC機，成功實現(xiàn)了顯示與控制的集成操作。伴隨著工業(yè)控制技術(shù)的迅速進(jìn)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(tǒng)軟件設(shè)計

4.1編程軟件

西門子公司設(shè)計的STEP7-Micro/WIN32編程軟件，專用于其PCLC7-200產(chǎn)品的編寫與監(jiān)控。該軟件可完美契合Windows作業(yè)環(huán)境，助力使用者高效完成PLC編程任務(wù)及對智能助手運行狀態(tài)的實時監(jiān)測。得益于PLC技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，STEP7-Micro/WIN32亦在不斷升級與完善，現(xiàn)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(gòu)設(shè)計

主程序的設(shè)計是系統(tǒng)軟件開發(fā)過程中的關(guān)鍵。在主程序設(shè)計過程中，需著重考慮兩個關(guān)鍵問題：①在首次掃描期間，主程序?qū)⑼ㄟ^“復(fù)位”子程序執(zhí)行系統(tǒng)初始化任務(wù)；②PLC將采用循環(huán)掃描機制調(diào)用各式各樣的子程序，從而實現(xiàn)對各類設(shè)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(diào)整、計時以及控制等。

4.3上位機監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計

4.3.1精選實時監(jiān)控端組態(tài)軟件

采用專業(yè)組態(tài)軟件，可提升上位機監(jiān)控系統(tǒng)軟件的效能。此類軟件以其可靠且靈活的特性，助力技術(shù)人員快速整合各模塊元素，迅速建立完備的上位機監(jiān)控系統(tǒng)。此方法可實現(xiàn)軟硬件間的無縫銜接，以及數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集和控制。文章借助先進(jìn)的EasyBuilder8000（以下簡稱“EB8000”）開發(fā)平臺，對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行深入剖析與探究。EB8000作為新型人機交互設(shè)計軟件，在本項目中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

4.3.2上位機監(jiān)控系統(tǒng)軟件組態(tài)流程

組態(tài)流程主要包括3個階段：①新建項目并進(jìn)行初始化設(shè)置；②利用EB8000設(shè)計與編輯監(jiān)控畫面，確保顯示各項運行參數(shù)；③完成監(jiān)控畫面設(shè)計后，利用EB8000進(jìn)行預(yù)覽，并下載至觸摸屏，為后續(xù)調(diào)試做足準(zhǔn)備。

5結(jié)束語

遵照節(jié)能減排戰(zhàn)略需求，設(shè)計出了一套由PLC控制器、變頻驅(qū)動器及上位監(jiān)控計算機等先進(jìn)設(shè)備組成的自動化變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠依據(jù)皮帶負(fù)載的實時數(shù)據(jù)，嚴(yán)格遵循“輕載低速，重載高速”的原則，實時調(diào)整電機的運行頻率，從而提高電機的運轉(zhuǎn)效率，最終達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。