自行起吊小车控制系统是一种复杂的工业控制系统。使用PLC来设计和实现该系统，是完全可行的，不仅有利于节约成本，更有利于设备的更新及维护，具有很高的性价比。

　　一、自行起吊小车系统的功能要求

　　一个完备的自行起吊小车系统，应该具有多台小车沿轨道同时自动行走、停止以及有人控制的起吊、放下等功能，能够将各台小车及轨道部分的状态及时反映到控制台，并且实现一定程度的容错、防错和人工复位功能。

　　（一）小车的运行线路

　　为了满足客户的实际需要，本自行起吊小车系统还应具备轨道切换，双线路同时运行的功能，其轨道线路如下图所示：

　　整个系统共有两个上料点，小车分别从A上料点和B上料点起吊重物，然后按逆时针方向运行到下料点，将重物卸下。因为只有一个下料点，所以存在两条线路的动态切换，使走A线的小车只能走A线，走B线的小车只能走B线，最终在下料点前实现小车的积放，等待下料。

　　线路的动态切换，可以通过PLC编程控制实现。为了让PLC知道小车的位置等信息，必须将DI连接到轨道的相应区段上。为了控制小车，使其在道岔切换完成前停止前进，还必须将DO也连接到轨道的相应区段上，小车的DI读到轨道上某段电压的变化后，就会自主判断该前进还是停止。同样，道岔切换电机也由相应DO控制，以完成切换动作。

　　（二）人工控制系统的功能

　　1．中央控制室

　　中央控制室的控制柜门上有开系统、关系统、故障复位等按钮，另外还有显示屏用于系统信息和报警信息的显示。

　　2．上下料点的现场控制盒

　　在上下料点，有供操作员控制小车的控制盒。控制盒提供的功能如下：

　　叫车。 上下料点空闲时，可按叫车按钮，处于等待位的小车就会进入上下料点。

　　下降。 小车定位后，夹具自动下降至一定位置等待，然后可按下降按钮继续下降。

　　上升。 夹具上升到一定位置后，系统自动接管上升动作，直至夹具到顶。

　　打开夹具。 如果夹具夹有重物，可按打开按钮松开重物。

　　关闭夹具。 按关闭按钮可使夹具夹紧重物。

　　放车。 夹具自动上升后按下放车按钮，到顶后小车就驶离上下料点。

　　3．道岔控制盒

　　在轨道线路的每个道岔附近，都安装有手动道岔控制盒，用于特殊情况下道岔的手动切换。

　　（三）小车的功能

　　小车应该能实现可控制的自动前进以及手动前进后退，可以平滑的执行夹具的上升下降动作，可以打开和关闭夹具。可以将自身的状态返回到主控室，并且能接受操作员传来的合法命令。

　　二、控制系统硬件的选择和组态

　　根据以上的系统功能要求，我们决定使用PLC系统以分布式总线结构来实现控制系统的全部功能。其中主PLC系统安装在中央控制室内，子PLC系统安装在每台小车上，它们之间通过Profibus现场总线通讯。

　　（一）硬件选择

　　1．主站PLC系统和子站PLC系统

　　主站的PLC系统采用Siemens的 S7-300系列。

　　S7-300的DI、DO一部分连接于控制柜内，用于开关系统和电源监视，一部分连接于小车运行轨道上，用于轨道的状态监视和控制。

　　子站采用Siemens的ET200S远程I/O系统。ET200S是专用的小型PLC控制器，其用于小车控制的最大特点是：

　（1）自带IM151-7 CPU，可以控制小车完成所有动作，处理大量细节问题。主站只需要发送命令即可，减轻了主站PLC的负担。而且使整个系统易于维护。

　（2）有专用的柔性电机启动器，用于小车夹具开关电机的控制。

　　主站和子站分工合作。每台小车的动作控制功能由其上安装的ET200S来完成，而主站只负责发送命令信号。例如，操作员在现场按下提升按钮，主站接收到DI输入，并转化成提升命令，传递给子站。子站接收到提升命令后，向变频器发出控制字和频率字，并在适当的时候使电机松闸，使夹具上升。

　　ET200S还负责控制小车的前进、后退、在上下料点的精确定位等动作的执行，以及一些错误状态的自动复位等。主站通过在小车轨道上设置电压信号让小车读取，或者直接通过软件设置的通讯区传达命令字来控制小车的运行。

　　S7-300除了控制小车的运行，还负责系统的开关、轨道的切换、状态的显示以及错误状态的手动复位等。

　　主站的S7-300和子站的ET200S上都安装有Profibus-DP接口模块。这样，它们就可以通过Profibus-DP总线传递信息，相互通讯。

图1：自行小车运行线路简图。

　　2．Profibus-DP和Power Rail Booster

　　本系统的主站和子站之间采用Profibus-DP连接和通讯，但是中间需要借助小车轨道来传递信息。由于车间环境恶劣，而轨道完全暴露在外面，没有任何抗干扰措施，不能保证信号传递的完整性和正确性。因此我们采用了Siemens公司专门针对小车控制通讯Profibus-DP总线设计的轨道信号放大器—Power Rail Booster。

　　PRB是用来执行Profibus通过控制器线的连接。例如，在导轨信号传输系统中，来自各种集线器的Profibus-DP总线信号被放大到无噪声水平，传送到滑线导轨传输线上，并在中央控制主机通过PRB将信号还原成Profibus-DP总线信号。

　　通常Profibus-DP的波特率是自动的。经过传输线的波特率一般在9600~500k bits/s 。

　　为了安全的数据传输，除了PRB外，不需其它数据过滤单元。

　　PRB只是一个数据传输通道，因此不需要设置地址，对于用户来说是透明的。

　　在现场每台小车及中央控制PLC的Profibus-DP总线接口处各安装1台PRB即可实现信号传输功能。

　　3．变频器

　　我们选用Siemens的MicroMaster 440变频器来控制小车的行走和升降电机。由于前进电机和升降电机不会同时运行，因此可以使用一台变频器控制两台电机，通过换向接触器来完成切换工作。在换向接触器切换的同时，MicroMaster 440变频器可以自动完成控制参数的切换。

　　MicroMaster 440变频器采用模块化设计。因此只需插入Profibus-DP通讯模块，即可通过Profibus总线与子站PLC通讯。可以很方便的实现控制功能和状态反馈。

　　MicroMaster 440变频器是专门用于起重作业的变频器，可以实现矢量控制方式。在控制行走电机时，因为其功率较小，采用V/F控制方式。而在控制升降电机起吊重物（约500kg）时，则必须使用矢量控制方式。在本系统中，我们在控制升降电机时使用了无传感器的矢量控制方式。变频器可以在两种控制方式中自由切换，分时控制两台电机。

　　4．传感器和位置开关

　　小车上安装有凸轮开关，用于反映夹具的位置，使子站PLC程序可以通过凸轮开关传回来的夹具位置而做出相应的判断，使夹具的升降动作变平滑。

　　为了让小车在上下料点时精确定位，小车上还安装了两个接近开关。而定位点的轨道上则安装了挡板，当小车上的这两个接近开关都接触挡板时，小车停止前进。

　　另外，小车上还安装有用于判断是否夹持有重物的光电开关等。

　　5．中控室的显示屏

　　采用Siemens的OP270显示屏。OP270有一个6英寸的显示窗口，并且已经安装了Windows CE操作系统。可以方便的通过编程器和Protool软件进行编程，完成图形化状态显示，报警信息显示，以及操作控制功能等。

图2： 主站命令提升，子站具体执行

图3： PRB在通讯线路中的位置

　　（二）软件组态

　　1．使用的组态软件

　　为了能使用编程器对选定的硬件进行编程，并且让必须在编程器中先对硬件进行组态，并将组态好的信息通过编程设备电缆下载到PLC中。

　　我们使用Siemens的S7 Step 7 v5.2来完成硬件组态。为了识别ET200S远程I/O站和MicroMas-ter 440变频器，还必须加装S7 Step 7 v5.2 SP1软件包。

　　2．主站PLC系统的组态

　　主站 S7 300系统由S7 315-2 DP CPU，Profibus-DP接口模块，电源模块，数字量/模拟量输入输出模块等部分组成，存储卡使用S7 MMC 64Kbyte。其中输入输出模块的个数可以视实际情况增减。

　　3．子站PLC系统的组态

　　一套ET200S系统包括IM151-7 CPU，Profibus-DP接口模块，电源模块，数字量/模拟量输入输出模块，电机启动器等部分。存储卡使用S7 MMC 64kbyte。其中输入输出模块的个数可以视实际情况增减。每一套ET200S都要进行组态，以对应于每辆小车。

　　4．分布式结构的组态和通讯区设置

　　主站和子站之间是一对多的关系，一台主站与所有子站通过Profibus-DP通讯。这种网络结构也需要进行组态，并下载到PLC中。可以使用Net Pro程序进行网络结构组态和下载。

　　为了将命令传递给子站，还应该在主站和子站系统上分别开辟用于通讯的虚拟I/O区。主站上的每一块虚拟I/O区对应于一台小车上的虚拟I/O区。这样主站程序只要按一定的格式输出虚拟DO，子站的虚拟DI就会接收到信号，同样的，子站可以通过虚拟DO将自身的状态返回到主站，以供主站监视和判断。可以在硬件组态过程中通过HW config程序设置通讯区，因为虚拟I/O并不是硬件上真实存在的，因此可以设置得很大，只要不超出存储单元的容量就行。

　　5．组态信息的下载

　　HW config程序和Net pro程序都提供组态信息的下载。设置好编程器与PLC的连接后，就可以将组态好的硬件和网络结构信息通过编程设备电缆下载到相应的PLC中。下载完成后如果诊断无误，那么硬件的设置工作就完成了，可以开始进一步的工艺流程编程设计。

　　三、PLC编程实现控制功能

　　（一）使用的编程软件

　　编程软件仍然使用的是S7 Step 7 v5.2，它可在组态好的项目中为 S7300/400系统创建可编程逻辑控制程序。并支持程序的offline调试（须加装 S7 PLCSIM软件包）、online程序和硬件调试以及程序下载等。

　　（二）使用的编程语言

　　S7 Step 7提供了3种编程语言，分别是LAD（梯形逻辑）、STL（语句表）和FBD（功能块图）。可以根据实际情况自由选择一种编程语言，LAD和FBD都可以自动转换成等效的STL。也可以在一段程序中同时使用不同的编程语言。由于STL语言最为简洁、效率最高，本系统大部分程序使用STL编写，小部分程序使用LAD编写。

　　（三）设计程序时的一些问题

　　工业生产中，最重要的是要保证生产安全，尤其是在进行重物起吊作业时。为了确保操作现场人员的绝对安全，除了在小车运行线路下安装防护网、在中控室和操作现场安装紧停按钮外，还必须在控制程序设计时，便将安全问题作为首要的考虑。

　　例如，主控室内控制柜保险丝的监控、延时开关系统、轨道和小车各种异常状态下的自动应对措施和报警显示等，都需要通过PLC编程实现。

　　同时，为了保证DO输出的正确性，必须确保每个重要DO都有相应的DI返回。并通过程序判断，如果输出了DO却没有收到相应的DI输入，应立即关闭系统并报警。如以下的STL语句：

　　A O 1.1  // 有DO输出

　　AN I 3.1  // 却没有相应的DI返回

　　S M 0.1  // 内存位置1表示出现错误

　　另外，还设置有定位超时、上升动作超时、下降动作超时，夹具没有到位等错误监视程序，确保每一个小车动作和轨道切换动作都有相应的时间限制。STL语句大致如下：

　　A M 10.0  // 正在执行上升动作

　　L S5T#10s  // 最长为10秒钟

　　SD T20  // 延时接通定时器（如10秒未到而动作结束，则不会接通）

　　A T20  // 10秒钟到，定时器接通

　　AN M 3.0  // 夹具还没有到顶

　　S M 0.2  // 内存位置1表示出现错误

　　最后，由于现场情况比较复杂，干扰比较严重，DI信号可能会时断时续。因此在程序中并不直接使用DI，而是将DI集中映射到内存位中，并在映射过程中通过延时断开实现信号的滤波，而在程序中使用滤波后的稳定的内存位。这个映射过程，实际上是软硬件的一个接口。通过它，还实现了软硬件的相对独立性。即硬件DO、DI功能的改变，并不会导致软件的大量修改，只需要修改这个映射接口即可，十分方便。

　　（四）程序的调试和下载

　　如果安装了PLCSIM硬件模拟器，可以使用该模拟器仿真硬件，用于调试每一段程序。每一段程序在正式下载之前，最好先通过模拟器调试。

　　调试没有问题，就可以将程序通过编程设备电缆下载到相应的PLC内。本系统使用PC Adapter进行连接。

　　Step 7也支持实时online调试。能实时监控硬件DO/DI、内存位、定时器、计数器等的状态，可以方便的进行现场调试。

　　通过不断的现场调试，整个系统最终工作在非常稳定的状态下。

　　四、总结

　　通过PLC系统控制工业流程是自动化领域的趋势。本自行小车控制系统采用PLC进行控制，相对于传统的DCS方式，不仅极大的节省了成本，缩短了工期，而且易于设计、扩充、修改和维护，性能更加强大和可靠，具有无可比拟的优势。系统完工后，小车运行频率和起吊重量均达到国内领先水平，深受用户好评。