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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，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展功能的可能性，本系統(tǒng)PLC選用臺達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)擴展使用步進電機等器件提供保證。
臺達DVP16ES200T詳細參數(shù)如表1所示。
表1 DVP16ES200T參數(shù)
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功能
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參數(shù)
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高速輸入
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2路100kHz；6路10kHz
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脈沖輸出
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2路100kHz；2路10kHz
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高速比較終端
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8路
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外部輸入中斷
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8路
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通訊接口
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1個RS-232；2個RS-485
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變頻器控制指令
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支持
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擴展模塊
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可連接8臺擴展模塊
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程序容量
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16K Steps
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由表1可以看出：臺達DVP16ES200T具有4點高速脈沖輸出，可以用于步進電機的驅(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連接電腦進行界面修改。
該人機界面HMI通過RS-232接口與PLC主機進行聯(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VFD-370F變頻器參數(shù)如表2所示。
表2 VFD-370F變頻器參數(shù)
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功能
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參數(shù)
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適用電機功率
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37kW
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額定輸出容量
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50kVA
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輸出頻率范圍
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0.10~120.00Hz
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輸入電流
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三相電源 75A
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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節(jié)地方進行講解，并不完全涉及到本控制系統(tǒng)的全部詳細程序。
臺達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。
圖3 多臺VFD與主機PLC聯(lián)機的菊花接法接線圖
在本系統(tǒng)中，多機聯(lián)機采用菊花鏈式連接方式(如圖3所示)，在兩頭各接上120Ω終端電阻。
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
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參數(shù)
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設(shè)置值
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說明
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09-00
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01~N
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該變頻器的通訊地址
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02-00
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04
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主頻率由RS-485通訊操作
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02-01
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03
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運轉(zhuǎn)指令由RS-485通訊操作
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09-01
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02
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19200bps
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09-04
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03
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MODBUS RTU<8,N,2>
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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
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MODWR K5 H2000 H12
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MODWR K5 H2001 K5000
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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)容自己進行擴充實踐，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到使用單位的認可。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
[1]臺達集團中達電通股份有限公司.DVP-PLC應(yīng)用技術(shù)手冊[Z].2010.
[2]臺達集團中達電通股份有限公司.DVP-PLC編程技巧大全[Z].2009.
[3]臺達集團中達電通股份有限公司.DOP-B人機界面應(yīng)用技術(shù)手冊[Z].2010.
[4]臺達集團中達電通股份有限公司.VFD-F變頻器應(yīng)用技術(shù)手冊[Z].2008.
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