摘要：可編程控制器（PLC）近年來在工業(yè)自動(dòng)控制、機(jī)電一體化、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)等方面得到了廣泛的應(yīng)用，而觸摸屏是一種實(shí)際應(yīng)用越來越廣泛的人機(jī)界面（HMI）。本文主要研究了可編程控制器（PLC）+觸摸屏（HMI）的控制方式在履帶式起重機(jī)上控制系統(tǒng)上的應(yīng)用，利用PLC控制三相異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)履帶式起重機(jī)的卷揚(yáng)、變幅、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并使用通信線纜將PLC與觸摸屏連接起來。操作人員通過觸摸屏向PLC發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)各種現(xiàn)場作業(yè)。

關(guān)鍵詞：可編程控制器（PLC），觸摸屏（HMI）， 履帶式起重機(jī)

0引言

      履帶式起重機(jī)自產(chǎn)生以來就在實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。利用PLC+觸摸屏的方式控制履帶式起重機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)。PLC發(fā)明時(shí)最初目的就是為了邏輯開關(guān)量控制，而起重機(jī)的電動(dòng)機(jī)控制恰恰就是電動(dòng)機(jī)的邏輯開關(guān)量控制。PLC主要通過軟件控制的方式取代了傳統(tǒng)的利用繼電器控制的方式，觸摸屏也通過軟件控制的方式取代了傳統(tǒng)的控制面板和指示燈。因?yàn)镻LC+觸摸屏的外圍電路較少，所以大大提高了系統(tǒng)的可靠性與抗干擾能力。由于PLC和觸摸屏簡單易用的編程環(huán)境，無需重新設(shè)置外部硬件，便可以根據(jù)系統(tǒng)控制的要求，在最短的時(shí)間內(nèi)滿足其要求，使系統(tǒng)的“柔性”大大提高。

1履帶式起重機(jī)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

      依據(jù)自動(dòng)控制理論，PLC在整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)中是作為控制器來使用的；接在PLC的輸出端子的接觸器是作為放大元件來使用的；三相交流異步電動(dòng)機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中是作為執(zhí)行元件來使用的；吊鉤和重物、臂架、上回轉(zhuǎn)部分等是被控對象；限位開關(guān)是作為傳感器來使用的。整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)離散的系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，是以觸摸屏發(fā)出的控制信號和反饋信號作為PLC的輸入信號；PLC的輸出信號驅(qū)動(dòng)放大元件接觸器完成對執(zhí)行元件三相交流異步電動(dòng)機(jī)的控制。最后由三相異步電動(dòng)機(jī)來控制吊鉤等被控對象。

整個(gè)系統(tǒng)的方塊圖如下圖：

圖一  履帶式起重機(jī)控制系統(tǒng)方塊圖

本系統(tǒng)的觸摸屏的設(shè)計(jì)依據(jù)下圖：

圖二觸摸屏的設(shè)計(jì)流程

      對于一個(gè)由PLC控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本上可以依據(jù)下圖二，本文也主要是按照該流程設(shè)計(jì)的。

圖三PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

      本系統(tǒng)的核心控制部件可編程控制器選用的是日本三菱公司FX2N系列的FX2N-48MR-001（48指24個(gè)輸入點(diǎn)、24個(gè)輸出點(diǎn)；M指基本單元；R指繼電器輸出；001指交流電源供電）。觸摸屏是人與機(jī)器之間交流信息的窗口，人可以通過該窗口向機(jī)器發(fā)送命令，可以通過觸摸屏的屏幕監(jiān)控機(jī)器的狀態(tài)，本系統(tǒng)采用的是HITECH觸摸屏，HITECH PWS3760是一種配備有10.4寸LCD顯示屏及12.1寸類比式觸控面板的觸摸屏這種面板具有防水、防塵功能，特別適合于履帶式起重機(jī)工作時(shí)的潮濕、灰塵環(huán)境。PWS3760面板采用高亮度256色，面板上所顯示的內(nèi)容可以由設(shè)計(jì)者根據(jù)客戶的需求而設(shè)計(jì)，例如面板顏色、按鈕功能、按鈕圖案等都可由設(shè)計(jì)者自由靈活的搭配運(yùn)用，以達(dá)到最佳效果。

PLC控制系統(tǒng)的部分I/O點(diǎn)分配如下表所示：

表一PLC控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)分配

      雖然PLC的可靠性非常的高，能夠在惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，但為了延PLC的使用壽命和日常維護(hù)方便，還是應(yīng)該將PLC和必要的外圍電路一起安裝在小型的控制箱中并經(jīng)常進(jìn)行日常的維護(hù)與保養(yǎng)，最大限度的延長設(shè)備的使用壽命。

履帶式起重機(jī)使用的PLC外部接線簡圖如下所示：

圖四  PLC外部接線簡圖

      在本系統(tǒng)中主電路中的1RD、2RD、3RD為熔斷器。熔斷器與空氣開關(guān)在主電路中串聯(lián)，聯(lián)合起到保護(hù)主電路的作用。熔斷器只起到保護(hù)三臺電動(dòng)機(jī)電路的作用，而空氣開關(guān)不僅有保護(hù)三臺電動(dòng)機(jī)電路的作用，更重要的是保護(hù)整個(gè)起重機(jī)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。在三相交流電的主電路的A相中串聯(lián)電流互感器，起到監(jiān)視主電路電流變化的作用。YB為電磁制動(dòng)器，采用的是切斷電源制動(dòng)的電磁制動(dòng)器。當(dāng)電動(dòng)機(jī)切斷電源后電磁制動(dòng)器自動(dòng)加緊電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)卷揚(yáng)、回轉(zhuǎn)、變幅運(yùn)動(dòng)的制動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)加電后，電磁離合器自動(dòng)松開，實(shí)現(xiàn)卷揚(yáng)、回轉(zhuǎn)、變幅運(yùn)動(dòng)。下圖為系統(tǒng)的主電路簡圖：

圖五 系統(tǒng)的主電路簡圖

3控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

      系統(tǒng)軟件有兩方面組成：主控PLC程序和人機(jī)交互界面觸摸屏程序。主控PLC程序用于控制卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)，完成起重機(jī)的現(xiàn)場作業(yè)。觸摸屏程序完成操作人員同PLC之間的對話，主要是各個(gè)操作界面之間的相互切換和每個(gè)操作界面各個(gè)按鍵動(dòng)作與所對應(yīng)的PLC程序內(nèi)部寄存器的通信。

PLC程序：

      起重機(jī)的主控PLC程序，使用梯形圖(Ladder Diagram)編程語言編寫。PLC的程序中，主要使用了經(jīng)典的起保停電路設(shè)計(jì)思想。在自動(dòng)歸位部分使用了順序控制中的步進(jìn)梯形指令。因?yàn)樽詣?dòng)歸位指令也要控制卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)QD、變幅機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)BD和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)SD，如此，就會和前面的程序產(chǎn)生沖突，發(fā)生雙線圈輸出。為解決這個(gè)問題，引入了輔助繼電器M20-M24。臺灣泉毅公司的觸摸屏編程軟件ADP v3.2不允許用按鈕來控制輸入映像寄存器X，所以我們只能用觸摸屏上的按鈕來控制輔助寄存器M。再由輔助寄存器M來控制輸出映像寄存器Y以達(dá)到控制卷揚(yáng)、變幅、回轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的目的。因?yàn)檩o助寄存器M30-M35、M40-M46也要控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，所以也有互鎖的要求，在程序中有所體現(xiàn)。

觸摸屏按鍵所使用的輔助寄存器M，部分介紹如下表所示：

表 2觸摸屏按鍵介紹

另有部分輔助寄存器需要簡要說明見下表，

表3其余輔助寄存器詳細(xì)使用說明

      本系統(tǒng)的卷揚(yáng)、變幅、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由操作員手動(dòng)控制。只有自動(dòng)歸位是全自動(dòng)順序控制。自動(dòng)歸位用于操作人員快速的將吊鉤和臂架放回初始位置，結(jié)束整個(gè)現(xiàn)場作業(yè)。其主要工藝流程如下圖：

圖六 自動(dòng)歸位的流程

      作為操作現(xiàn)場的各種反饋信號非常的重要，它不僅能夠反饋到PLC并且能夠經(jīng)過程序的處理，使PLC發(fā)出相應(yīng)的控制信號，并且能夠反饋到觸摸屏使操作者能夠監(jiān)控整個(gè)操作過程。

部分反饋信號PLC程序I/O點(diǎn)分配：

表四 反饋信號PLC程序I/O點(diǎn)分配

      PLC程序各個(gè)部分的功能及實(shí)現(xiàn)方法不一一做詳細(xì)介紹，這里只對部分的程序做詳細(xì)的介紹：

人機(jī)交互界面ADP程序：

      本系統(tǒng)利用臺灣泉毅公司ADP v3.2編程軟件對履帶式起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了人機(jī)界面的編程。起重機(jī)觸摸屏軟件一共有六個(gè)顯示界面：開機(jī)界面、主界面、卷揚(yáng)界面、變幅界面、回轉(zhuǎn)界面和自動(dòng)歸位界面。每個(gè)界面之間利用界面切換按鈕進(jìn)行了連接，以利于操作人員方便的控制起重機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)界面之間進(jìn)行自由的切換。每個(gè)按鈕和指示燈都標(biāo)注了相應(yīng)的內(nèi)容，以利于操作人員理解從而達(dá)到更快、更好的掌握觸摸屏控制起重機(jī)的技術(shù)。

      主界面為主要操作界面，剩余四個(gè)界面通過每個(gè)界面上的“返回”按鈕返回到上一級界面（即主界面）。利用主界面及下屬的四個(gè)具體動(dòng)作控制界面操作人員可以方便的控制起重機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種現(xiàn)場作業(yè)。下面從主界面和一個(gè)分界面（變幅）做簡單的介紹。

主界面：如下圖所示，該界面共含有四個(gè)界面切換按鈕，分別是“卷揚(yáng)”按鈕（通用鍵K1）、“變幅”按鈕（K2）、“回轉(zhuǎn)”按鈕（K3）和“自動(dòng)歸位”按鈕（K4）。該界面包含一個(gè)“電機(jī)啟動(dòng)”按鈕，同時(shí)包含兩個(gè)保持型按鈕（相當(dāng)于常開按鈕）用來改變?nèi)嘟涣麟姷慕尤腠樞?，按下“電源正相序接入”按鈕（F7）可以使電源正相序接入；同理，按下“電源逆相序接入”按鈕（F8）可以使電源逆相序接入。注意，在進(jìn)行卷揚(yáng)、回轉(zhuǎn)、變幅、自動(dòng)歸位之前必須先按下“電機(jī)啟動(dòng)”按鈕和“電源正/逆向序接入”這兩個(gè)按鈕中的一個(gè)（指示燈亮起即變?yōu)榧t色）。默認(rèn)情況，應(yīng)按下“電源正相序接入”按鈕。

圖七 主界面

分界面：分界面是一種友好的具體動(dòng)作控制操作界面，操作者不僅能夠通過它控制起重機(jī)的各種動(dòng)作，并且能夠通過反饋信號監(jiān)控現(xiàn)場的各種操作，能夠快速的確定設(shè)備的運(yùn)行情況，判斷出現(xiàn)故障的位置，縮小保養(yǎng)和維修的成本。

      起重機(jī)吊鉤中心與起重機(jī)回轉(zhuǎn)中心軸線之間的距離稱為幅度。起重機(jī)變幅，擴(kuò)大了作業(yè)范圍，即由垂直上下的直線作業(yè)范圍擴(kuò)大為一個(gè)面的作業(yè)范圍。履帶式起重機(jī)使用鋼絲繩變幅機(jī)構(gòu)。下圖便是控制變幅的觸摸屏操作界面。該界面含有兩個(gè)保持型按鈕，按下“開始變幅”（通用鍵K7）或“停止變幅”（通用鍵K6）按鈕，則會產(chǎn)生信號輸入到M44或M45，進(jìn)而使PLC便能夠控制相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行開始或停止變幅，對應(yīng)的“變幅指示燈”讀取輔助寄存器M5的值使該指示燈常亮或常暗。該界面含有兩個(gè)交替型按鈕，把該類按鈕的“特性”欄內(nèi)的“變量”項(xiàng)中的“寫至”內(nèi)容設(shè)定為希望信號輸入到的輔助寄存器的編號。按下“增大幅度”（通用鍵F1）或“減小變幅”（通用鍵F2）按鈕產(chǎn)生信號輸入到M31或M30，進(jìn)而使PLC控制變幅電動(dòng)機(jī)進(jìn)行增大或減小幅度的動(dòng)作。

      該界面含有兩個(gè)限位指示燈：當(dāng)臂架升高到最高限位時(shí)，臂架觸及限位開關(guān)便產(chǎn)生信號輸入到X14，“臂架上升限位指示燈”讀取X14的信號，該指示燈便會變亮，并立即停止變幅電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作。當(dāng)臂架低于最高限位時(shí)，該指示燈常暗，變幅電動(dòng)機(jī)正常工作；當(dāng)臂架下降到最低限位時(shí)臂架觸及限位開關(guān)便產(chǎn)生信號輸入到X15，“臂架下降限位指示燈”讀取X15的信號，該指示燈便會變亮，并立即停止變幅電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作。當(dāng)臂架高于最低限位時(shí)該指示燈常暗，變幅電動(dòng)機(jī)正常工作。

      該界面含有三個(gè)狀態(tài)指示燈?！氨奂芟陆?上升指示燈”讀取Y4/Y3的信號，在臂架下降/上升過程中一直亮，直到觸及限位開關(guān)燈滅。

      “變幅電動(dòng)機(jī)過電流保護(hù)”指示燈會自動(dòng)讀取X20的信號，該信號來自變幅電動(dòng)機(jī)中串接的過電流繼電器，當(dāng)出現(xiàn)過電流時(shí)該指示燈變暗，變幅電動(dòng)機(jī)便自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)故障解除后，必須由操作員手動(dòng)將常閉開關(guān)合上（過電流繼電器主要用于重載或頻繁啟動(dòng)的場合，作為電動(dòng)機(jī)主電路的過載和短路保護(hù)）。

      該界面含有換畫面按鈕。按下“返回”按鈕，觸摸屏立刻返回到主界面，達(dá)到快速操作的目的。急停按鈕主要是為了處置緊急事件而為了急停而設(shè)置的，一般不使用。

圖八  變幅界面

4 PLC與觸摸屏相互通信 

      觸摸屏和PLC能否實(shí)現(xiàn)正常的通信是整個(gè)控制系統(tǒng)能否成功的關(guān)鍵，對各項(xiàng)參數(shù)必須正確設(shè)定。觸摸屏可以與很多品牌的PLC通信連接，并可以雙向交流信息及顯示不同的操作界面，編輯界面前必須先定義觸摸屏系統(tǒng)用控制暫存區(qū)和狀態(tài)應(yīng)答暫存區(qū)，這些區(qū)對應(yīng)于PLC的暫存器位址。具體實(shí)現(xiàn)互相通信的方法如下：

ADP3 的設(shè)定：

      在HITECH  ADP3軟件界面中點(diǎn)擊“應(yīng)用” →“設(shè)定工作參數(shù)”，打開如下圖所示的設(shè)定工作參數(shù)界面?？梢詫υ摻缑嬷泻袑?yīng)的應(yīng)用名稱、PLC種類、人機(jī)界面型號、控制區(qū)、狀態(tài)區(qū)、預(yù)設(shè)數(shù)值格式及預(yù)設(shè)起始界面等系統(tǒng)信息進(jìn)行設(shè)定。依照本系統(tǒng)的實(shí)際情況，可進(jìn)行如下設(shè)定：如圖所示在“設(shè)定應(yīng)用”項(xiàng)中可做如下設(shè)定：“應(yīng)用名稱”為“履帶式起重機(jī)控制系統(tǒng)”；“人機(jī)界面型號”為“PWS3760”；“PLC種類”為“Mitsubishi FX2N”；“控制區(qū)”中“地址”為“D0” 、“長度”為“10”；“狀態(tài)區(qū)”為“D10”；“預(yù)設(shè)”中“預(yù)設(shè)起始畫面”為“1—開機(jī)界面”，其余項(xiàng)為默認(rèn)值即可。

圖九 觸摸屏通信參數(shù)設(shè)置一

      如下圖所示在“通訊設(shè)定”項(xiàng)中可做如下設(shè)定：“預(yù)設(shè)地址/站號”中“PLC”為“1”、“人機(jī)界面”為“0”；“傳輸速率”為“9600”；“資料位”為“7 bits”；“校驗(yàn)位”為“偶數(shù)”；“停止位”為“1 bit”；“與PLC連線所用的通訊端口”為“COM1”，其余項(xiàng)為默認(rèn)值即可。

圖十  觸摸屏通信參數(shù)設(shè)置二 

PLC的設(shè)定：

      在設(shè)定觸摸屏的工作參數(shù)以后便可根據(jù)觸摸屏的設(shè)定來設(shè)定相應(yīng)PLC的參數(shù)，具體設(shè)置如下：在PLC編程界面中點(diǎn)擊“PLC”選中“串行口設(shè)置（D8120）（e）... ”，在“串口設(shè)置（D8120）”框中進(jìn)行如下設(shè)置：“協(xié)議”為 “RS instruction”、“數(shù)據(jù)位”為“7”、“奇偶校驗(yàn)”為“Even”、“停止位”為“1”、“傳送數(shù)率”為“9600”、“硬件”為“Normal/RS—232C” 其余的為默認(rèn)值即可。

圖十一 PLC通信參數(shù)設(shè)置

      設(shè)定完以后，就可以把PLC的程序和相應(yīng)的設(shè)定值一塊下載到MITSUBISHI FX2N—48MR并把觸摸屏程序下載到HITECH觸摸屏中，這樣就完成了系統(tǒng)的通訊設(shè)置。，然后用通信電纜將二者連接起來，就可以完成二者的通信。

5結(jié)束語

      本文主要研究了利用PLC+觸摸屏控制履帶式起重機(jī)的方案，有很好的實(shí)際應(yīng)用前景，他能夠極大的提高履帶式起重機(jī)的平均故障間隔時(shí)間（MTBF，Mean Time Between Failure）并能夠縮短設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)的故障修理平均時(shí)間（MTTR，Mean Time To Repair），從而大大降低履帶式起重機(jī)的維護(hù)運(yùn)營成本。其實(shí)PLC+觸摸屏的控制方式不僅可以應(yīng)用在傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的履帶式起重機(jī)上，而且完全可以應(yīng)用在以液壓為主要?jiǎng)恿Φ穆膸交蜉喬ナ狡鹬貦C(jī)上，只是PLC的控制對象變了，由原來的電動(dòng)機(jī)變?yōu)殡姶砰y。PLC和觸摸屏中的程序很容易改寫，有利于在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級和改裝。

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附圖：

附：英文介紹
The application of touch screen (HMI) and PLC in the control system of the crawler crane

Abstract:In recent years, Programmable Logic Controller (PLC) has been widely used in industrial automation，mechanical and electrical integration, and the transformation of traditional industries, while the touch screen is a more practical application of a wide range of human-machine interface (HMI). This paper mainly studies the control mode of programmable logic controller (PLC)  and touch screen (HMI) on the application of the crawler crane control system ,which can use PLC  to  controll three-phase asynchronous motor for crawler cranes’ hoisting, amplitude, and rotary movement.And also communication cable must be used to connect the PLC and touch screen (HMI).The operator can give directions to the PLC to achieve a variety of on-site operations.through the touch screen (HMI).
Keywords: Programmable Logic Controller (PLC), touch screen (HMI), crawler cranes