西门子模块6ES7211-0BA23-0XB0现货充足

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1 前言

    当车辆驱动电机采用分散驱动时，受电机转速不同步的影响，可导致车体运行不协调，进而使电机转速偏离正常值，严重时会造成设备损坏。因此,解决车辆驱动电机在分散驱动时产生的电机转速不同步问题具有现实意义。

    本文介绍一种利用PLC 解决车辆分散驱动时电机速度同步的先进实用的控制方法。

2 问题的提出

    目前，车辆的运行设备一般采用集中驱动（ 见图1） 和分散驱动（ 见图2） 两种方式。集中驱动变频器与电机的关系是“一拖多”; 分散驱动时两者的关系是“一拖一”。

图1 集中驱动不止图示

图2 分散驱动布置图示

    “ 一拖多”的优点是控制简单，操作维护方便,但采用集中驱动布置，要求车体具备较大的空间。当车辆负载很大或者车体空间受到限制的时候，通常采用“一拖一”的分散驱动方式，因为其结构紧凑,布局简单。但一拖一对变频器和电机有较高的要求，特别是同步问题难以解决。如果电机转速不一致，会出现变频器相对逆向做功，输出电流过大导致跳闸，影响车辆的工作效率和电气设备的使用寿命。如果转速偏差过大，则导致车体变形，影响使用。

3 解决方法

    采用PLC 与变频器控制方法，实现多个分散驱动电机同步运行。PLC 采用西门子S7400 系列，图3为网络拓扑图。

图3 网络拓扑图示

 为实现两台牵引电机的速度同步，采用两台变频电机牵引，并分别采用变频器调速进行矢量闭环控制，用PLC直接控制两台变频器。在控制中，PLC与变频器之间采用Profibus 联接，保证输出信号源的同步性。以牵引电机1 的速度为目标速度，由牵引电机2 的变频器来调节其速度以跟踪牵引电机1的速度。将两台增量式旋转编码器与电机同轴联接，使编码器1 和编码器2 分别采集两台电机的速度脉冲信号，并将该信号送到PLC 的高速计数模块中。PLC 以这两个速度信号数据作为输入控制量,进行比例积分控制运算（ PID） ，运算结果作为输出信号送至PLC 的模拟量模块，以控制牵引电机2 的变频器。这样，就可以保证牵引电机2 的速度跟踪并随着牵引电机1 速度的变化而发生变化。使两个速度保持同步。

    取自编码器采集的脉冲信号，经高速计数模块FM350- 1 进入PLC，转换成电机速度数据。将两个电机编码器的信号相比较，通过PID 调节模块，调整电机转速差值，给定电机2 的转速值MW1000。

    MW1000 需要转化成变频器能接受的信号。由于PLC的对应4～20mA 值为0～27648，变频器接收范围值为0～8192，所以MW1000/27648×8192 送到模拟量输出通道，换算成变频器能接受的电流信号，以控制牵引电机2 的变频器，PID 算法是工业控制中常用的一种数学算法，其基本算式如下:

    Pou （t t） =Kp×（et） +Ki×Σ（et） +Kd×[ （et） - （et- 1） ]

式中:Kp—比例调节系数。是按比例反映系统的偏差,系统一旦出现偏差，比例调节立即产生调节作用，以减少误差。

    Ki —积分调节系数。使系统消除稳态误差，提高无差度。积分作用的强弱取决于积分时间,常数Ti 越小，积分作用就越强。Kd—微分调节系数。微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。为了减少电源系统波动等因素引起的外来干扰,在编制控制算法时，必须考虑利用积分环节，即采用一段时间内连续稳定的输入信号而不是某一瞬时值的输入信号进行PID 运算，以消除累积误差，使转数在一定的范围内可调。这样，牵引电机1 和牵引电机2 就能很好地进行同步控制且同步精度较高，从而确保了运行机构的稳定性。

4 控制结果

    利用 STEP7 编制PLC 上位机监控程序,Wincc采集速度值并绘制曲线。数据提取的时间间隔为15ms。实际上牵引电机1 和牵引电机2 速度是相同的，但为了反映牵引电机2 的跟踪和波动情况，在此特地将其分开，上面是牵引电机1 的速度曲线，下面是牵引电机2 的速度曲线（见图4） 。牵引电机1 的速度发生变化时，牵引电机2 就能及时地响应，进行跟踪，并且能很快地达到稳定。实验表明，采用PLC 和变频器的控制方法，能达到较高的同步要求，响应快、速度波动幅度较小。

图4 牵引电机的速度曲线

5 结束语

    该控制方法已在各种炉下车辆中应用。实际应用中，走行同步起动效果明显，车辆运行平稳。实践证明，采用PLC 解决车辆分散驱动时电机速度同步的控制方法应用效果较好，是一种理想的调速控制方法，满足了生产工艺要求，减少了设备的维修维护费用，保证了车辆发挥正常的生产效率，经济效益显著。随着PLC 与变频器控制方法的广泛应用，必将更好地提高传动系统对速度控制的可靠性与灵活性

 副井提升信号系统是副井提升电控系统的重要组成部分，该系统性能的好坏将直接影响到副井提升机的安全运行。随着计算机技术和电子元器件的发展，产生了一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置——可编程逻辑控制器。它采用可以编制程序的存储器，用来存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。由于PLC及其有关的外围设备易于与工业控制系统形成一个整体、扩展其功能，已成为当今应用场合为广泛的工业控制装置，成为机电控制不可缺少的核心控制部件，随着工业生产自动化程度要求的不断提高，更加可靠的可编程控制器(PLC)已应用到煤炭行业的各个系统中。本文提出了一种以PLC为核心的矿井副井提升信号系统的设计方案。

1 总体设计

    以PLC为核心的矿井副并提升信号系统设计框图如图1所示。本系统主要由PLC控制器、信号输入、信号输出、井口信号箱、井底信号箱、绞车房信号箱、保护系统等几部分组成。

图1 矿井副井提升信号系统设计框图

    PLC控制器是整个系统的核心部分。具有功能变化灵活、编程简单，自动检测故障点，噪音低，可靠性高，抗干扰能力强，硬件配套齐全，功能完善，适用性强，系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造，体积小，重量轻，能耗低等优点。

    信号输入主要包含提升机去向、提升机位置、功能信号等部分。其中提升机信号包括提矿、提物、提人、上行、下行等信号。

    信号输出主要包含下行音响、显示信号，上行音响、显示信号，提物、提矿、提人计数信号和电视显示器信号等。

    井口信号箱主要包括各种提升信号的汉字显示及声音提示，各种信号的按钮检测。完成对本水平各种信号的闭锁功能及对井下信号的闭锁功能，同时完成向绞车房发送相应的信号。

    井底信号箱主要包括各种提升信号的汉字显示及声音提示，各种信号的按钮检测。完成向井口发相应的信号，同时完成对本水平各种信号的闭锁功能。

    绞车房信号箱主要完成井口、井底提升信号的数字和汉字显示及声音提示，前一次或前几次信号的存储记忆和显示。完成急停信号对安全回路的闭锁，换程信号的发出，停车信号的闭锁等功能。

    保护系统主要包含故障信号预报、事故停车信号、紧急停车信号等。当提升机控制系统发生故障时由保护系统发送信号到，然后由PLC控制器发出信号到绞车房，并进行相应的操作，对煤矿的安全起到很重要的作用。

2 系统分析

    2．1 系统功能

    设计出的以PLC为核心的矿井副井提升信号系统可以实现以下功能：1)提升信号有数字显示功能；2)提升指令有汉字显示功能；3)急停报警功能和急停扩展功能；4)井上下信号必须一致方可开车；5)井下信号只能通过井上信号才能传至绞车房，不能直接传至绞车房；6)事故点个停车点，均由井上、下直接传至绞车房，停止绞车运行；7)实现方向闭锁功能；8)实现快慢连锁功能。

    2．2 系统工作原理

    该系统的工作原理图如图2所示，其打点信号的分配见表1。

图2 系统工作原理图

表1 系统打点信号分配表

    系统的工作过程如下：

    提升机到位后，井口电磁传感器通过信号输入向PLC控制器传送1个到位信号。经PLC控制器处理后向绞车房发出操作指令，信号工此时可进行操车作业，打开安全门，落下摇台，开启zucheqi。发信号顺序：下井口→上井口→绞车房。提升机装载完毕后，解除井口所有闭锁：关闭安全门，抬起摇台，关闭前zucheqi。

    1)提升机快上

    下井口先打点2次，经PLC控制器的作用后输出，X1动作2次，移位寄存器左移2位，内部继电器R20接通，X1触发“Y8”2次，在下井口显示器上显示本次信号点数“2”，上井口、下井口电铃同时打铃2次；上井口接到打点信号后，开始打点。上井口打点器X3打点“2”，左移指令也向左移2位，Y0接通，电机做“正上”快速运动；同时，由于Y0互锁，电路Y7接通，红色指示灯亮。

    上井口打点时，Y4、Y5、Y6继电器接通，下井口、上井口、提升机房电铃晌，响铃次数与打点数相同，此时Y9接通，触发上井口显示电路显示“2”；当达到井面时，停车开关地X4打点寄存器复位，线圈失电，提升机停车、显示器复位。

    2)提升机快下

    下井口先打点3次，经PLC控制器的作用后，移位寄存器移位至R2，R0～R2接通，R1、R20失电，R21带电，其相应的触点动作闭合，上井口、下井口电铃响，下井显示“3”。上井听到指示后开始打点，过程与上相同，提升机开动。

    3)提升机慢上

    即正方向开慢车，下井打点“4”为慢车，经PLC控制器处理后在显示器显示为“4”，通过R4的互锁作用，使其余继电器不工作，通过ZJ3所接外部触点来转换电路工作。

    4)提升机慢下

    即反方向开慢车，下井打点“4”为慢车，经PLC控制器处理后在显示器显示为“4”。通过R4的互锁作用，使其余继电器不工作，通过ZJ3所接外部触点来转换电路工作。

3 结束语

    该系统设计出之后，已经在平顶山市部分煤矿初步试用，试用以来，系统运行正常，性能稳定，信号发送准确，显示屏显示可靠，有力地保障了提升安全的可靠性，为煤矿安全生产奠定了坚实的基础。

4 驱动程序（梯形图）设计

    4.1 总程序结构设计

    手动、自动、单步、车螺纹程序的选择采用跳转指令实现。图3是总程序结构框图。若合上X12（X13、X14、X15断开），其常闭断开，执行手动程序;若X12断开，X13全上，程序跳过手动程序，指针到P0处，执行自动程序。

图3 总程序框图

    4.2 手动程序梯形图设计

    手动程序、自动程序需根据具体零件设计，这里仅以Z向快进、工进、快退的动作为例加以说明。其梯形图如图4所示。

图4 Z向手动程序梯形图

    在执行手动程序状态下，按X0，Y1接通，作好起动准备。按X2，辅助继电器M0接通。通过T63计时及Y2触点组合，产生频率为103/2i的脉冲信号（i为计时时间，根据需要设定，单位为ms），驱动Z向快进。当按下X3时（M0断开），M1接通，M1与定时器T32组合使Y2产生频率为103/2j 的脉冲（j>i），由Y2输出，实现工进。按下X4时，M0、Y3同时接通，电机快速反转，实现快退。限于篇幅，其它程序梯形图略。

5 结束语

    数控车床在我国机械制造业中的应用正在迅速发展，但高精度数控机床价格昂贵，而且在实际生产中有大量形状不太复杂、精度要求一般的零件，这就需要精度一般的数控车床加工。同时，我国现有大量可用的普通车床，对这些车床进行数控化改造是用少的投资来提高生产效率、提高效益的有效途径。以前车床数控化改造用的是 Z80、8031芯片作数控系统的核心部件，它的价格较贵且系统较复杂。用PLC作为车床的数控系统，有成本低、系统简单、调整方便等优点，必将会得到广泛应用。

1 引言

    PLC在机械制造的设备控制中应用非常广泛，但在普通车床数控化改造中，用PLC作数控系统的核心部件还是一个新的课题。随着PLC技术、功能不断完善，这将是一种发展趋势。本文对此加以讨论。

2 车床的PLC数控系统控制原理设计

    2.1 车床的操作要求

    车床一般加工回转表面、螺纹等。 要求其动作一般是X、Z向快进、工进、快退。加工过程中能进行自动、手动、车外圆与车螺纹等转换;并且能进行单步操作。

    2.2 PLC数控系统需解决的问题

    车床的操作过程比较复杂，而PLC一般只适用于动作的顺序控制。要将PLC用于控制车床动作，必须解决三个问题：

图1 数控系统原理图

    1）如何产生驱动伺服机构的信号及X、Z向动作的协调;

    2）如何改变进给系统速度;

    3）车螺纹如何实现内联系传动及螺纹导程的变化。

    将PLC及其控制模块和相应的执行元件组合，这些问题是可以解决的。

    2.3 数控系统的控制原理

    普通车床数控化改造工作就是将刀架、X、Z向进给改为数控控制。根据改造特点，伺服元件采用步进电机，实行开环控制系统就能满足要求。Z向脉冲当量取 mm，X向脉冲当量取0.005mm。选用晶体管输出型的PLC。驱动步进电机脉冲信号由编程产生，通过程序产生不同频率脉冲实现变速。X、Z向动作可通过输入手动操作或程序自动控制。车螺纹的脉冲信号由主轴脉冲发生器产生，通过与门电路接入PLC输入端，经PLC程序变频得到所需导程的脉冲。刀架转位、车刀进、退可由手动或自动程序控制。图1为数控系统原理图。

3 PLC输入、输出（I/O）点数确定

    所设计的车床操作为：起点总停、Z、X向快进、工进、快退;刀架正、反转;手动、自动、单步、车螺纹转换。因此，输入需14点。根据图1得输出需9点。I/O连接图如图2所示（以三菱F1S-30MT）为例。

图2 I/O连接图

   PLC的电流环传输

    电流控制环的应用始于20世纪早期的电传打字机，早使用的是0–60mA环路，后来改为0–20mA环路，PLC系统率先采用了4–20mA环路。

    4–20mA电流环有很多优势。在传统的分立器件设计中需要仔细计算，而且与当前的集成4–20mA IC相比，电路占用很大空间。Maxim推出了几款20mA器件，包括MAX15500和MAX5661，可有效简化4–20mA PLC系统设计。

    测量到的任何电流值都代表一定的信息。实际应用中，4–20mA电流环路工作在0mA至24mA电流范围。但0mA至4mA和20mA至24mA电流范围用于诊断和系统校准。由于低于4mA和高于20mA的电流用于诊断，可以认为介于0mA和4mA之间的读数表示系统中传输线断开。同样，介于20mA和 24mA之间的读数可以表示系统中出现潜在的短路故障。

    4–20mA通信的增强版称为高速可寻址远端传感器(HART?系统)，该系统向下兼容4–20mA仪表。在HART系统中，采用基于微处理器的智能化集成现场器件能够实现双向通信。根据HART协议，能够在同一4–20mA模拟电流信号线对上承载附加的数字信息，用于过程控制。

    PLC的功能可划分成几个功能组。许多PLC厂商将这些功能集成为独立模块，每个模块所具备的功能随具体应用而有所不同。很多模块具有多种功能，可与多种传感器接口连接。然而，多数情况下会针对特殊应用设计专用模块或扩展模块，例如：电阻温度检测器(RTD)、传感器或热电偶传感器。通常，所有模块具备相同的核心功能：模拟输入、模拟输出、分布式控制(例如现场总线)、接口、数字输入和输出 (I/O)、CPU以及电源。我们将逐一说明这些核心功能，传感器和传感器接口将在其它章节分别介绍。

PLC简化框图