6ES7221-1EF22-0XA0实体经营
摘 要: 本文针对传统的由继电器接触器控制的塔式起重控制系统可靠性差、操作复杂、故障率高、电能浪费大、效率低等缺点提出将可编程序控制器和变频器应用于其控制系统.在塔式起重机提升机构加上一套由旋转编码器、PG数模转换构成变频器闭环系统.结果表明：该系统使用方便，具有良好的动态调整性能,极大提高了系统的稳定性、可靠性.
关键词：可编程序控制器;塔式起重机;稳定性
1. 传统的塔式起重机的控制现状
塔式起重机是我们建筑机械的关键设备，在建筑施工中起着重要作用，我们只用了五十年时间走完了国外发达国家上百年塔机发展的路程，如今已达到发达国家水平并跻身于当代国际市场.随着高层建筑发展，对施工机械提出了新的要求.于是，160TM附着式、45TM内爬式、120TM自升式等都由我国自己设计并制造;八十年代，国家建设突飞猛进，建筑用大的250TM塔机也应运而生.进入九十年代，现代化进程不断加快，国内外市场对塔机要求越来越高，众多城市大型建筑、水利、电力、桥梁等不断增加，市场的要求加快了新产品开发的力度，先后有400TM、900TM水平臂和300TM动臂式塔机[1，、2].90年代开发生产的塔机产品技术性能均显著提高，起升机构采用三速电机驱动、涡流制动、电动换挡减速箱，变幅回转采用双速电机液力联轴节驱动，或采用变频调速，有多种速度，工作平稳生产效率高.安全装置齐全，动作灵敏可靠，装有防止误操作和野蛮操作装置，可杜绝安全事故[2].
随着功率电子技术的发展，早在六十年代后期，国外就开始致力于晶闸管定子调压调速技术的开发研究.目前，该技术己进入了成熟稳定的发展应用阶段.可编程序控制器PLC引入到交流电气传动系统后[3，4]，使传动系统性能发生了质的变化.在塔式起重机实现了抓斗的自动控制和故障诊断、检测显示等，达到了新的技术高度.
由变频器构成的交流调速系统可取代直流调速系统，是随着计算机技术特别是大规模集成电路制造技术的不断发展的必然结果，符合起重机的发展趋势，适合发展大起重重量的起重机.
2. 塔式起重机PLC控制系统原理
本系统将塔式起重机控制系统由继电器控制改为PLC控制，四大机构调速均采用变频调速.塔式起重机控制系统的系统总框图如图1所示[5，8，9].
塔式起重机的起升、变幅、回转、运行电动机都需要独立运行，整个系统由6台电动机和4台变频器传动，使用一台PLC加以控制.
图1 系统总框图
运行机构的起动时间应尽量符合实际需要，起动迅速而平稳;机构的电气制动方式必须着重考虑.对不同的工况，可选择自由制动方式与强制制动方式.在运行机构正常停止时，可选用自由停止方式，其停止时间可按实际生产中的运行情况设定，以尽量满足司机操作塔式起重机的需要为主.为保证起升机构起动时具有足够大的起动转矩，可以通过设定机械制动器的打开时间、变频器的低运行频率、运行电流之间的关系，以满足机构负载特性的要求.变频器内部参数的设定能保证机构具有良好的调速精度及起制动性能，由于起升机构电机需使用脉冲编码器作为速度反馈装置.通过测量脉冲编码器的脉冲数，利用二者之差控制电机的速度，选择脉冲编码器及其安装时，应当考虑周全[6，7，10].
3. 系统硬件设计
电气控制系统原理图主要包括主电路和PLC外围接线图.
1.主电路共有六台电机，带有风机冷却装置.
2.PLC外围接线电路的I/O接线信号分别与表1中的I/O名称相对应.
表1 S7-200 I/O分配表
4. 系统软件设计
根据塔式起重机控制电路的工作原理，绘制软件流程图如图2所示.
图2 系统软件流程图
在本系统中，PLC程序设计的主要任务是接受外部开关信号（按钮、联动控制台继电器）的输入，判断当前的系统状态以及输出信号去控制接触器等器件，以完成相应的控制任务。
系统部分梯形图如图3所示.
图3 梯形图
5. 结论
本文设计的塔式起重机PLC控制系统在实验室调试以后，已成功应用于长沙某大型起重机公司，系统经过六个月的连续运行，从未发生一次故障，与传统的塔式起重机控制系统相比较，具有以下优点：
1. 使用方便;
2. 具有良好的动态调整性能;
3. 极大提高了系统的稳定性、可靠性;
4. 每年可节约维修成本1万元左右（据使用该塔机的公司粗略统计，与之前相比，经济效益每年可提高50多万元），运行效率极大地得到了提高.
经实践证明：本系统的设计是行之有效的，具有良好的应用价值.
本文创新点：对传统的继电-接触器控制的塔式起重机进行改造，设计了一套基于PLC的塔式起重机控制系统，已投入使用.实践证明：该系统使用方便，具有良好的动态调整性能,极大提高了系统的稳定性、可靠性.
1 引言
在工业生产中，常需要用闭环控制方式来实现温度、压力、流量等连续变化的模拟量控制。无论使用模拟控制器的模拟控制系统，还是使用计算机(包括PLC)的数字控制系统，PID控制都得到了广泛的应用。
PID控制器是比例－积分－微分控制的简称，具有
(1) 不需要jingque的控制系统数学模型;
(2) 有较强的灵活性和适应性;
(3)结构典型、程序设计简单，工程上易于实现，参数调整方便等优点。积分控制可以消除系统的静差，微分控制可以改善系统的动态相应速度，比例、积分、微分三者有效地结合可以满足不同的控制要求。
2 PLC实现PID的控制方式
2.1 PID过程控制模块
这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户使用时序要设置一些参数，使用起来非常方便，一个模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。
2.2 PID功能指令
现在很多PLC都有供PID控制用的功能指令，如S7-200的PID指令。它们实际上是用于PID控制的子程序，与模拟量输入/输出模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果。
2.3 用自编的程序实现PID闭环控制
有的PLC没有PID过程控制模块和PID控制用的功能指令，有时可以使用PID控制指令，希望采用某种改进的PID控制算法。在上述情况下都需要用户自己编制PID控制程序。
3 PLC-PID控制器的实现
本文以西门子S7-200PLC为例，说明PID控制的原理及PLC的PID功能指令的使用及控制功能的实现。
3.1 PID控制器的数字化
PLC的PID控制器的设计是以连续系统的PID控制规律为基础，将其数字化写成离散形式的PID控制方程，再跟据离散方程进行控制程序设计。
在连续系统中，典型的PID闭环控制系统如图1所示。图1中sp(t)是给定值，pv(t)是反馈量，c(t)是系统的输出量，PID控制的输入输出关系式为:
式中:
M(t)—控制器的输出量，M0为输出的初始值;
e(t)=sp(t)-pv(t)－误差信号;
KC比例系数;
TI－积分时间常数;
TD－微分时间常数。
图1 连续闭环控制系统方框图
式(1)的右边前3项分别是比例、积分、微分部分，它们分别与误差，误差的积分和微分成正比。如果取其中的一项或两项，可以组成P、PD或PI控制器。
假设采样周期为TS，系统开始运行的时刻为t＝0，用矩形积分来近似jingque积分，用差分近似jingque微分，将公式1离散化，第n次采样时控制器的输出为: (2)
式中:
en-1－第n-1次采样时的误差值;
KI－积分系数;
KD－微分系数。
基于PLC的闭环控制系统如图2所示。图中的虚线部分在PLC内。其中spn、pvn、en、Mn分别为模拟量在sp(t)、pv(t)、e(t)、M(t)在第n次采样时的数字量。
图2 PLC闭环控制系统方框图
在许多控制系统内，可能只需要P、I、D中的一种或两种控制类型。如可能只要求比例控制或比例与积分控制，通过设置参数可对回路进行控制类型进行选择。
3.2 输入输出变量的转换
PID控制有两个输入量:给定值(sp)和过程变量(pv)。多数工艺要求给定值是固定的值，如加热炉温度的给定值。过程变量是经A/D转换和计算后得到的被控量的实测值，如加热炉温度的测量值。给定值与过程变量都是与被控对象有关的值，对于不同的系统，它们的大小、范围与工程单位有很大的区别。应用PLC的PID指令对这些量进行运算之前，必须将其转换成标准化的浮点数(实数)。
同样，对于PID指令的输出，在将其送给D/A转化器之前，也需进行转换。
3.3 回路输入的转换
转换的步是将给定值或A/D转换后得到的整数值由16位整数转换成浮点数，可用下面的程序实现这种转换:
XORD AC0, ACO
//清除累加器
MOVW AIWO, AC0
//将待转化的模拟量存入累加器
LDW＞＝ AC0, 0
//如果模拟量数值为正
JMP 0
//直接转换成实数
ORD 16#FFFF0000, ACO
//将AC0内的数值进行符号扩展，扩展为32位负数
LBL 0
DTR AC0, AC0
//将32位整数转换成实数
转换的下一步是将实数转换成0.0~1.0之间的标准化实数，可用下面的式(3)对给定值及过程变量进行标准化:
RNorm=(RRaw/Span)+Offset (3)
式中:
RNorm－标准化实数值;
RRaw－标准化前的值;
Offset－偏移量，对单极性变量为0.0，对双极性变量为0.5;
Span－取值范围，等于变量的大值减去小值，单极性变量的典型值为32000，双极性变量的典型值为64000。
下面的程序将上述转换后得到的AC0中的双极性实数(其Span=64000)转换成0.0~1.0之间的实数:
/R 64000.0， AC0
//累加器中的实数标准化
＋R 0.5， AC0
//加上偏移值，使其在0.0~1.0之间
MOVR ACO， VD100
//加标准化后的值存入回路表内
3.4 回路输出的转换
回路输出即PID控制器输出，它是标准化的0.0~1.0之间的实数。将回路输出送给D/A转换器之前，必须转换成16位二进制整数。这一过程是将pv与sp转换成标准化数值的逆过程。用下面的公式将回路输出转换成实数:
RScal=(Mn－Offset)×Span (4)
式中，RScal是回路输出对应的实数值，Mn是回路输出标准化的实数值。
下面的程序用来将回路输出转换为对应的实数:
MOVR VD108, AC0
//将回路输出送入累加器
-R 0.5, AC0
//仅双极性数才有此语句
*R 64000.0, AC0
//单极性变量乘以32000.0
用下面的指令将代表回路输出的实数转换成16位整数:
ROUND AC0, AC0
//将实数转换为32位整数
MOVW AC0, AQW0
//将16位整数写入模拟输出(D/A)寄存器
3.5 PID指令及回路表
S7-200的PID指令如图3所示:
图3 PID指令
指令中TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路的编号。编译时如果指令指定的回路表起始地址或回路号超出范围，CPU将生成编译错误(范围错误)仪器编译失败。PID指令对回路表中的某些输入值不进行范围检查，应保证过程变量、给定值等不超限。回路表参见附表。
附表 PID指令的回路表
如果PID指令中的算术运算发生错误，特殊存储器SMI.1(溢出或非法数值)被置1，并将终止PID指令的执行。要想消除错误，在下次执行PID运算之前，应改变引起运算错误的输入值，而不是更新输出值。
4 PID指令编程举例
某一水箱里的水以变化速度流出，一台变频器驱动的水泵给水箱打水，以保持水箱的水位维持在满水位的75％。过程变量由浮在水面上的水位测量仪提供，PID控制器的输出值作为变频器的速度给定值。过程变量与回路输出均为单极性模拟量，取值范围为0.0~1.0。
本例采用PI控制器，给定值为0.75，选取控制器参数的初始值为:KC＝0.25，TS＝0.1s，TI＝30min。编程如下:
//主程序(OBI)
LD SM0.1 //扫描时
CALL 0 //调用初始化子程序
//子程序
LD SM0.0
MOVR 0.75, VD104 //装入给定值75％
MOVR 0.25, VD112 //装入回路增益0.25
MOVR 0.10, VD116 //装入采样时间0.1s
MOVR 30.0 VD120 //装入积分时间30min
MOVR 0.0, VD124 //关闭微分作用
MOVB 100, SMB34
//设置定时中断0的时间间隔为100ms
ATCH 0, 10
//设定定时中断以执行PID指令
ENI
//允许中断，子程序0结束
//中断程序0
LD SM0.0
LTD AIW0, AC0
//单极性模拟量经A/D转换后存入累加器
DTR AC0, AC0
//32位整数转换为实数
/R 32000.0, AC0
//标准化累加器中的实数
MOVR AC0, VD100 //存入回路表
LD 10.0
//在自动方式下，执行PID指令
PID VB100, 0
//回路表的起始地址为VB100，回路号为0
LD SM0.0
MOVB VD108, AC0
//PID控制器的输出值送入累加器
*R 32000.0 AC0
//将累加器中的数值标准化
ROUND AC0, AC0
//实数转换为32位整数
DTI AC0, AQW0
//将16位整数写入到模拟量输出(D/A)寄存器
5 结束语
PLC实现PID控制的方法多种，直接应用PID指令来实现基于PLC的PID控制，是一种易于实现且经济实用的方法。
1引言
船舶自动化领域的一个重要组成部分是主机遥控系统。目前主机遥控系统技术方案多种多样，本文采用PLC工业控制网络来实现主机遥控系统的功能，具有经济性能好、硬件电路结构简单、工作安全可靠的特点。
在多PLC控制网络实现主机遥控系统设计的基础上，研讨主要设计整个PLC网络的总体结构和通讯方案，并通过通讯网络实现对主机的起停部分的自动控制及安保系统设计。
2主机遥控PLC网络控制总体结构设计及通讯方式的实现
2.1 主机遥控PLC网络控制总体结构设计
PLC控制网络用于主机遥控系统的控制，包括两台S7-200PLC。其中一台用于主机起停和转速调节控制，安装在机控室;另一台用于完成电子调速器的任务，安装在机舱。另设计算机作为监视平台，用来监视整个系统的重要信号。
整个网络的主要设备为:两台S7-200PLC、一台微型机、网络连接器、PC/PPI电缆、RS-485电缆。
根据总体通讯设计思路，我们的总体结构图设计如图1。
图1 总体结构图
如图，主站PLC通讯口出来地总线分别通过网络连接器和PC/PPI电缆和从站PLC以及计算机通讯。主从站之间通过RS-485总线进行PPI协议通讯，主站和计算机终端通过PC/PPI电缆进行自由口通讯。从主站PLC通讯口出来连接上网络连接器，是为了隔离，以免计算机RS-232口损坏。通过网络连接器出来地线以及RS-485信号A和B通过比较高低电平与从站进行通讯。通过PC/PPI电缆的连接口引出5针通过RS-485和RS-232转换成3条线分别为接收、发送和地线，与计算机进行通讯。S7-200PLC通讯口的引脚分配见附表。
附表 通讯口引脚分配
2.2 多通讯协议的组合及调试
在S7-200网络通讯中，可以实现两种通讯协议进行通讯而不互相干扰。但前提是两种协议的波特率必须相同，由于只有一个通讯口，波特率只支持9600波特，在多协议通讯时，波特率设置为9600波特。对于多协议的组合方式，作者采用了总线分时复用法，在总线分时控制中，作者通过几个定时器组成矩形波，从而形成高低不段分别进行PPI协议通讯和自由口通讯。主程序流程图见图2。PPI通信程序流程见图3。自由口通信程序的流程见图4。
图2 主程序流程图见
图3 PPI通信程序流程
图4 自由口通信程序的流程
按照以上方案所进行的系统设计完成之后，实际的通讯效果达到设计要求，从站PLC和计算机终端基本上能在20ms内获取主站送来的信息。
3主机遥控系统的设计
3.1 起停部分的设计
作者在设计过程中选择的对象是常见的B&M低速机，起停控制主要包括5个部分:起动控制，慢转控制，停车控制，重复起动控制。以正车起动为例，系统须针对两种情况:停车情况下的起动和正常反向起动，都能确保正车起动电磁阀的通断，还须判断重复起动的状态，正车起动的程序流程如图5所示。