摘  要：本文介紹了一種礦用繩鋸機控制系統，該系統使用可編程控制器、人機界面和變頻器等工控元件設計構成，相比目前市場中的通用型礦用繩鋸機，具有操作簡單、切割效果更好等優點。

關鍵詞：礦用繩鋸機      變頻器      可編程控制器      人機界面  

Abstract: This paper describes a mine wire saw control system, the system using a programmable controller, HMI (Human Machine Interface) and inverters, and so on. Compared with the universal wire saw in nowadays market, it has a simpler operation, and a better cutting result.

Key words: Mine wire saw      Inverter      PLC     HMI

1引言

目前，市場中所出現的礦用繩鋸機都是操作人員在現場作業，控制操作系統與繩鋸機執行單元間隔不遠，現場操作人員長期處于高粉塵和強噪音的環境中，對身體危害極大。

本文設計了一種遠程控制的模式，使繩鋸機執行主體與控制系統分離，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臺繩鋸機設備，而且各機器運轉狀態都實時顯示在人機界面上，更加清晰直觀。

2系統結構框圖如圖1所示

   圖1 系統結構框圖   

由圖1的結構框圖可以看出，系統由一臺人機界面(HMI)、一臺可編程控制器(PLC)和多臺變頻器(VFD)及電機(MOTOR)構成。

PLC是控制系統的核心，HMI是控制系統與操作人員的接口，而VFD是PLC與MOTOR電機的接口，MOTOR是執行單元。

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控制其轉速和方向。

本系統結構設計理念在于將執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境的時間和次數，更有利于保護操作人員身體安全與健康。同時，本系統結構適合于多臺執行單元的集中控制，減少操作人員，提高了工作效率。

3硬件選型

按照預定設計要求，本包裝機需完成人機交互、電機調速等功能，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PLC選用臺達DVP16ES200T，該機型內建RS-232及RS485，兼容MODBUS ASCII/RTU通訊協議，并帶有4路高速脈沖輸出功能，為將來系統擴展使用步進電機等器件提供保證。

臺達DVP16ES200T詳細參數如表1所示。

表1 DVP16ES200T參數

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動；內建RS232通訊和MODBUS通訊協議，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主機進行聯機通訊。

3.3變頻器(VFD)

由于現有礦用繩鋸機的主切割電機額定功率為35kW，故本系統變頻器選用臺達VFD-370F。該型號變頻器適用電機功率為37kW，可以滿足本系統需要。

臺達VFD-370F變頻器參數如表2所示。

表2 VFD-370F變頻器參數

4程序設計

本控制系統的程序設計主要在于PLC與VFD之間的RS485通訊。在本節內容中，作者主要對程序的主體結構和一些需要注意的細節地方進行講解，并不完全涉及到本控制系統的全部詳細程序。

    臺達VFD-370F變頻器使用的RS485通訊協議為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協議，PLC協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絡接口，因此需要配置相應的接頭，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的距離。

在本系統中，多機聯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。

圖3 多臺VFD與主機PLC聯機的菊花接法接線圖

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據在PLC程序中進行配置(如表3所示)，發送給變頻器，就可以相應地控制變頻器的運行。

表3 VFD-370F變頻器必要參數設置

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)設置地址為03H的變頻器允許正反轉

說明：查閱VFD-370F變頻器操作說明書可知，H0204為VFD-370F變頻器正反轉的通訊地址，向改地址寫入允許正反轉的指令數據H00，即可實現所需的操作。

(2)設置地址為05H的變頻器正轉且輸出頻率為50Hz

說明：查閱VFD-370F變頻器操作說明書可知，H2000為VFD-370F變頻器方向設定的通訊地址，向改地址寫入允許正轉的指令數據H12，即可實現電機正轉；H2001為VFD-370F變頻器頻率設定的通訊地址，向改地址寫入50Hz對應的的指令數據K5000，即可實現電機轉動頻率為50Hz，從而最終實現所需的操作。

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，而控制系統的其他操作，如控制邏輯、HMI通訊配置、狀態采集等在此不做詳細說明。

本文僅簡述了基本的控制結構和控制操作程序語句，讀者可根據本文的內容自己進行擴充實踐，完整地得出本系統的實際效果。

6結束語

本控制系統在現場測試環境中已經通過驗證，控制效果和操作性達到使用單位的認可。由此可見，本文介紹的控制結構和控制思路，在實際環境中具有推廣性，值得礦用繩鋸機生產廠家和使用單位的借鑒應用。

作者簡介

石宗甜（1984-）男 工程師，現就職于桂林電器科學研究院，主要研究方向為自動化控制系統設計開發、高頻高壓開關電源設計研發、嵌入式控制系統設計研發等。

參考文獻

[1]臺達集團中達電通股份有限公司.DVP-PLC應用技術手冊[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人機界面應用技術手冊[Z].2010.

[4]臺達集團中達電通股份有限公司.VFD-F變頻器應用技術手冊[Z].2008.