基于S7—300 PLC的双电机同步控制在龙门起重机中的应用

摘 要：双电机同步控制系统广泛应用于现场工业控制中，本文主要研究大起重量、大跨度龙门起重机两个门腿的同步控制。文章详细分析了龙门起重机两门腿变频调速系统的结构，设计了两门腿电机同步运行控制系统和软件系统。实验结果表明，该系统同步控制效果良好。

关键词：同步控制 PLC 变频器 监控系统

中图分类号：TH45 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（b）-0084-02

随着国民经济的发展，龙门起重机作为一种物料搬运机械在各个行业的应用越来越广泛。而目前很多龙门起重机系统由于两个门腿不同步、超负荷作业以及机械振动冲击过大等因素导致比如脱轨这样的严重问题。因此，本文主要针对该问题，设计了两个门腿的同步控制方案，改善电气传动，减少起制动冲击，保持起重机门腿的稳定的同步运动。

1 系统结构

龙门起重机的两门腿系统结构如（图1）所示，它由工控机、可编程控制器（PLC）、两个变频器，两个异步交流电动机和编码器等构成。其中工控机为监控层，用于对现场设备运行情况的监控。PLC为控制层，它将设备的信息传送给工控机，并通过变频器实现对电机的同步控制。变频器作为执行层，它把PLC的控制信号放大处理后，实现对电机的控制，并通过光电编码器实现对转速的闭环控制。而各层之间的通信，根据现场设备到控制器的连接方式，采用PROFIBUS总线的线形结构。下面对系统的主要部分作一下详细介绍。

（1）工控机。工业控制计算机采用研华工控生产的CPU为Pentium Iv 1700MHZ的工控机。由于在控制龙门起重机两个门腿电机的过程中，要同时运监控软件WinCC和PLC编程软件STEP7 V5.4这两个大型软件，因此内存采用512MB。并且在计算机上插接了CP5611现场总线接口卡，使工控机通过PROFIBUS总线与PLC通信。通过监控软件WinCC对系统进行开发，通过PROFIBUS总线实现与下位机PLC的通信，实现对现场设备的实时监控。并通过其强大的人机界面，可以使操作员直观的看到现场设备的操作情况，并能够对现场故障等状况做出及时的反应。

（2）可编程控制器。根据龙门起重机实际应用的要求，选择西门子S7-300 plc作为其中枢控制系统。S7-300 PLC不需要附加任何硬件、软件和编制程序，就可以通过PROFIBUS-DP总线接口，建立一个DP网络。而PLC控制系统通过DP网络，实现与上位机WinCC的通信，同时和变频器进行数据的读写，并通过编制变频器控制程序，实现对变频器各个参数的修改，对电动机的状态信息进行有选择的读取[1]。且S7-300 PLC可以通过使用模糊-PID控制实现对右腿电机速度调节，使龙门起重机两门腿的速度协调一致。

（3）变频调速系统。本设计采用Automation Drive FC300变频器，它是丹佛斯公司生产的变频调速设备，它采用了VVCplus控制原理，能够承受极大的负载冲击，并且对参数变化能够快速反应。FC300是丹佛斯变频器的一种新型产品，它能够灵活的和第三方设备进行网络组态，可以作为PROFIBUS总线的从站，挂在DP网络中，方便的实现与主站PLC的通信，实现对电机的变频调速控制。

2 控制系统设计

根据现场实际情况及需要，龙门起重机变频调速同步控制系统主要由上位机（WinCC监控系统）、下位机（PLC控制系统）、变频器等组成。上位机作为监控层，用于对系统进行监控，本控制系统使用WinCC监控软件来实现，它能够解决在生产和过程自动化中有关可视化和控制任务的工业控制系统，同时它能够提供图形显示、归档、消息及报表的功能模块，并具有快速画面更新，数据采集和归档及强大的通信功能。

龙门起重机大车行走程序要完成控制两个门腿行走的功能，必须设计变频调速系统，本设计应用PLC和变频器组成该系统[2]。S7-300 PLC的电源模块用PS307 5A，CPU选择CPU315-2DP，本系统使用两个变频器对电机控制，且变频器与PLC之间的通信采用PROFIBUS-DP总线形式，所以组态了变频器硬件，并通过PROFIBUS总线与PLC连接。组态后的控制系统硬件配置如图2所示。

3 系统软件设计

龙门起重机的两门腿同步控制系统的主程序的流程图如图3所示，分别设计了变频器控制程序，实现对电机的启动、速度和停止控制，并应用FC300变频器内部闭环PID控制，实现对两门腿电机的速度闭环控制[3]。

同时在PLC程序中，应用模糊-PID控制实现两个门腿的同步运行。PLC对主、从电机反馈的两个门腿电机转速信号进行比较，得出转速差e1及转差率ε，与系统设置一个误差系数εg进行比较，根据转速差进行两种模态的切换：当ε>εg时，应用模糊控制快速减少误差；当ε

为了提高两门腿的同步运行精度，除了对其速度进行同步控制外，还对两个门腿的位移进行判断调节。通过角度电位器等器件，计算两门腿的偏移距离S，并把S值与允许误差值S1进行比较，如果S>S1或者-S

4 实验结果

龙门起重机两门腿同步控制系统的实验设备如图4所示，中间为研华工控机，左边为S7-300 PLC，右边是两台FC300变频器，它们之间用PROFIBUS-DP总线进行连接。完成硬件组态和软件编程后，对系统进行在线调试，得出该系统两电机同步运动效果良好，如图5所示为两电机速度曲线图，设定的两电机速度上升和下降时间分别为为3 s、5 s。由图可以看出本系统可以实现两电机的速度跟随。

5 结论

双电机同步控制系统可以广泛应用于现场工业控制中，而本文的研究主要针对大跨度、大起重量龙门起重机门腿的同步控制运动。在整个国民经济的发展中，龙门起重机作为物料搬运机械中的一种，它起着非常重要的作用。因此对龙门起重机的电气控制系统的研究意义非常重大。本文采用可编程控制器与变频器组成的变频调速技术应用于龙门起重机同步控制系统，提高了系统运行的稳定性和可靠性，同时应用监控软件对现场状况进行监控，便于及时的发现、处理故障。本电控系统的研究对龙门起重机向自动化、大型化、智能化及高效率化的方向发展具有重大作用。该系统经过修改，还可应用于其他多电机同步控制的场合。

参考文献

[1] 龚仲华.S7-200/300/400 PLC应用技术-提高篇[M].人民邮电出版社，2008.

[2] 薄关锋.基于PLC的桥式抓斗起重机变频控制系统优化设计[J].电气传动自动化，2011（1）.

[3] 孙怡.基于模糊PID控制的多电机同步控制系统的研究[D].华东理工大学，2012.