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

1 引言

目前，市場(chǎng)中所出現(xiàn)的礦用繩鋸機(jī)都是操作人員在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，控制操作系統(tǒng)與繩鋸機(jī)執(zhí)行單元間隔不遠(yuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)操作人員長(zhǎng)期處于高粉塵和強(qiáng)噪音的環(huán)境中，對(duì)身體危害極大。

本文設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程控制的模式，使繩鋸機(jī)執(zhí)行主體與控制系統(tǒng)分離，二者通過(guò)RS485總線(xiàn)進(jìn)行控制，操作人員通過(guò)控制柜上的人機(jī)界面可以同時(shí)操作控制數(shù)臺(tái)繩鋸機(jī)設(shè)備，而且各機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)都實(shí)時(shí)顯示在人機(jī)界面上，更加清晰直觀。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

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(tái)人機(jī)界面(HMI)、一臺(tái)可編程控制器(PLC)和多臺(tái)變頻器(VFD)及電機(jī)(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(jī)的接口，MOTOR是執(zhí)行單元。

HMI與PLC直接通過(guò)RS232控制線(xiàn)連接。VFD與PLC直接通過(guò)RS485控制總線(xiàn)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(jì)理念在于將執(zhí)行部分與控制部分相對(duì)分開(kāi)隔離，減少操作人員直接接觸惡劣環(huán)境的時(shí)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(shí)，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)適合于多臺(tái)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(jì)要求，本包裝機(jī)需完成人機(jī)交互、電機(jī)調(diào)速等功能，主要包括以下幾個(gè)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(lái)擴(kuò)展功能的可能性，本系統(tǒng)PLC選用臺(tái)達(dá)DVP16ES200T，該機(jī)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(lái)系統(tǒng)擴(kuò)展使用步進(jìn)電機(jī)等器件提供保證。

臺(tái)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(tái)達(dá)DVP16ES200T具有4點(diǎn)高速脈沖輸出，可以用于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng);內(nèi)建RS232通訊和MODBUS通訊協(xié)議，可以同時(shí)連接人機(jī)界面和變頻器組件;此外，該P(yáng)LC支持外圍擴(kuò)展，可以連接DA模塊和IO模塊。

3.2 人機(jī)界面(HMI)

本系統(tǒng)人機(jī)界面選用臺(tái)達(dá)DOP-B07S515。該人機(jī)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(jī)界面HMI通過(guò)RS-232接口與PLC主機(jī)進(jìn)行聯(lián)機(jī)通訊。

3.3 變頻器(VFD)

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

臺(tái)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(jì)

本控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)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(duì)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(tái)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(xiàn)制RS485，同時(shí)臺(tái)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(kāi)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(shuō)明書(shū)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(xiàn)，波特率為19200bps時(shí)，通訊傳輸最大距離足夠本控制系統(tǒng)的距離。

圖3 多臺(tái)VFD與主機(jī)PLC聯(lián)機(jī)的菊花接法接線(xiàn)圖

在本系統(tǒng)中，多機(jī)聯(lián)機(jī)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。

程序說(shuō)明：PLC與VFD之間通訊格式確定的情況下，只需要對(duì)照VFD-370F變頻器說(shuō)明書(shū)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(yùn)行。

表3 VFD-370F變頻器必要參數(shù)設(shè)置