基于S7-300 PLC的双电机同步控制在龙门起重机中的应用

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随着 国 民经济 的发展 ，龙 门起重机作为-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拘如(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Pc机 内装w Ncc监 控监控层件，内接cP561 1通讯卡) IPROFIBUS-DPS7 。。PLC J 控制层(cPU 31 5-2DP)IPROFIBUS-DP主站右腿电机 l l 左腿电机编码器l f l 编码器2图 1 系统结构图执行层珊 l 曩Ps 307 s2 C11315"2" I' -jj警 厦 -1 P阱 工日lS(1)：nP er syst帮l证)3矗 口Ⅲ16t眦 盯嘲 蹦 5 国lI8xl$Bit fc2呻l i 6 7 瓣啪I 8 1i曼L口划 o)IM 153-1l 面 .Tin 153"/ 酏钉 lS3-/.4，1∞.哩劲' a34 磕 DIISxDC24 6嚣7 321-11t02-0 0 2 35 瞳 DOI6xlX4V/O S 6ES7 322-i BlDl-OiD 0. 1图2 硬件组态图84 科技资讯 SCIENCE＆ TECHNOLOGY INFORMATION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-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 l700MHZ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WinC CIJPLC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。$7-300 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-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。且S7-300PLC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-致 。

(3)变频调速系统 。本设计采 用Auto-mation 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-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，用于对工 业 技 术 SClENCE＆TECHNOLOGY . 匪圆 图 3 程序流程图图4 系统的实验平台图 5速度曲线图系统进 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[21。S7-300 PLC的电源拈用PS307 5A，CPU选择CPU 31 5-2DP，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Fc 300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 ，与系统设 置- 个误差系数 g进行比较 ，根据转速差进行两种模态的切换 ：当 >g时 ，应用模糊控制快速减少误差 I当

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<-Sl，通过PLC编程 ，给右侧 电机-个额外速度 △V，调节右侧 电机速度直到左侧和右侧门腿行走-致 。

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$7-300 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 -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。