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)計構(gòu)成，相比目前市場中的通用型礦用繩鋸機(jī)，具有操作簡單、切割效果更好等優(yōu)點(diǎn)。
1 引言
目前，市場中所出現(xiàn)的礦用繩鋸機(jī)都是操作人員在現(xiàn)場作業(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)場操作人員長期處于高粉塵和強(qiáng)噪音的環(huán)境中，對身體危害極大。
本文設(shè)計了一種遠(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RS485總線進(jìn)行控制，操作人員通過控制柜上的人機(jī)界面可以同時操作控制數(shù)臺繩鋸機(jī)設(shè)備，而且各機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)都實(shí)時顯示在人機(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)由一臺人機(jī)界面(HMI)、一臺可編程控制器(PLC)和多臺變頻器(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RS232控制線連接。VFD與PLC直接通過RS485控制總線進(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(hù)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(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(kuò)展功能的可能性，本系統(tǒng)PLC選用臺達(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，為將來系統(tǒng)擴(kuò)展使用步進(jìn)電機(jī)等器件提供保證。
臺達(dá)DVP16ES200T詳細(xì)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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支持
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擴(kuò)展模塊
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可連接8臺擴(kuò)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(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;內(nèi)建RS232通訊和MODBUS通訊協(xié)議，可以同時連接人機(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)變頻器選用臺達(dá)VFD-370F。該型號變頻器適用電機(jī)功率為37kW，可以滿足本系統(tǒng)需要。
臺達(dá)VFD-370F變頻器參數(shù)如表2所示。
表2 VFD-370F變頻器參數(shù)
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功能
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參數(shù)
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適用電機(jī)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(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，物理層為兩線制RS485，同時臺達(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(jī)PLC聯(lián)機(jī)的菊花接法接線圖
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(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
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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(yùn)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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