摘要：可編程控制器（PLC）近年來在工業(yè)自動控制、機電一體化、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)等方面得到了廣泛的應用，而觸摸屏是一種實際應用越來越廣泛的人機界面（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上控制系統(tǒng)上的應用，利用PLC控制三相異步電動機實現(xiàn)履帶式起重機的卷揚、變幅、回轉(zhuǎn)運動，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，實現(xiàn)各種現(xiàn)場作業(yè)。

關鍵詞：可編程控制器（PLC），觸摸屏（HMI）， 履帶式起重機

0引言

      履帶式起重機自產(chǎn)生以來就在實際工程中得到了廣泛的應用。利用PLC+觸摸屏的方式控制履帶式起重機有很多優(yōu)點。PLC發(fā)明時最初目的就是為了邏輯開關量控制，而起重機的電動機控制恰恰就是電動機的邏輯開關量控制。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。因為PLC+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，無需重新設置外部硬件，便可以根據(jù)系統(tǒng)控制的要求，在最短的時間內(nèi)滿足其要求，使系統(tǒng)的“柔性”大大提高。

1履帶式起重機控制系統(tǒng)的總體設計

      依據(jù)自動控制理論，PLC在整個閉環(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；三相交流異步電動機在整個系統(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；限位開關是作為傳感器來使用的。整個系統(tǒng)是一個離散的系統(tǒng)（計算機系統(tǒng)）。系統(tǒng)運行時，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)動放大元件接觸器完成對執(zhí)行元件三相交流異步電動機的控制。最后由三相異步電動機來控制吊鉤等被控對象。

整個系統(tǒng)的方塊圖如下圖：

圖一  履帶式起重機控制系統(tǒng)方塊圖

本系統(tǒng)的觸摸屏的設計依據(jù)下圖：

圖二觸摸屏的設計流程

      對于一個由PLC控制的系統(tǒng)設計基本上可以依據(jù)下圖二，本文也主要是按照該流程設計的。

圖三PLC系統(tǒng)設計流程

2系統(tǒng)的硬件設計

      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個輸入點、24個輸出點；M指基本單元；R指繼電器輸出；001指交流電源供電）。觸摸屏是人與機器之間交流信息的窗口，人可以通過該窗口向機器發(fā)送命令，可以通過觸摸屏的屏幕監(jiān)控機器的狀態(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工作時的潮濕、灰塵環(huán)境。PWS3760面板采用高亮度256色，面板上所顯示的內(nèi)容可以由設計者根據(jù)客戶的需求而設計，例如面板顏色、按鈕功能、按鈕圖案等都可由設計者自由靈活的搭配運用，以達到最佳效果。

PLC控制系統(tǒng)的部分I/O點分配如下表所示：

表一PLC控制系統(tǒng)的I/O點分配

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

履帶式起重機使用的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。熔斷器與空氣開關在主電路中串聯(lián)，聯(lián)合起到保護主電路的作用。熔斷器只起到保護三臺電動機電路的作用，而空氣開關不僅有保護三臺電動機電路的作用，更重要的是保護整個起重機電力系統(tǒng)的安全運行。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為電磁制動器，采用的是切斷電源制動的電磁制動器。當電動機切斷電源后電磁制動器自動加緊電動機的旋轉(zhuǎn)軸，實現(xiàn)卷揚、回轉(zhuǎn)、變幅運動的制動。當電動機加電后，電磁離合器自動松開，實現(xiàn)卷揚、回轉(zhuǎn)、變幅運動。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)的軟件設計

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

PLC程序：

      起重機的主控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)典的起保停電路設計思想。在自動歸位部分使用了順序控制中的步進梯形指令。因為自動歸位指令也要控制卷揚機構(gòu)的電動機QD、變幅機構(gòu)的電動機BD和回轉(zhuǎn)機構(gòu)的電動機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以達到控制卷揚、變幅、回轉(zhuǎn)電動機的目的。因為輔助寄存器M30-M35、M40-M46也要控制電動機的運行，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使用說明

      本系統(tǒng)的卷揚、變幅、回轉(zhuǎn)運動由操作員手動控制。只有自動歸位是全自動順序控制。自動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)束整個現(xiàn)場作業(yè)。其主要工藝流程如下圖：

圖六 自動歸位的流程

      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)控整個操作過程。

部分反饋信號PLC程序I/O點分配：

表四 反饋信號PLC程序I/O點分配

      PLC程序各個部分的功能及實現(xiàn)方法不一一做詳細介紹，這里只對部分的程序做詳細的介紹：

人機交互界面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的電氣控制系統(tǒng)進行了人機界面的編程。起重機觸摸屏軟件一共有六個顯示界面：開機界面、主界面、卷揚界面、變幅界面、回轉(zhuǎn)界面和自動歸位界面。每個界面之間利用界面切換按鈕進行了連接，以利于操作人員方便的控制起重機系統(tǒng)，實現(xiàn)各個界面之間進行自由的切換。每個按鈕和指示燈都標注了相應的內(nèi)容，以利于操作人員理解從而達到更快、更好的掌握觸摸屏控制起重機的技術。

      主界面為主要操作界面，剩余四個界面通過每個界面上的“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具體動作控制界面操作人員可以方便的控制起重機系統(tǒng)，實現(xiàn)各種現(xiàn)場作業(yè)。下面從主界面和一個分界面（變幅）做簡單的介紹。

主界面：如下圖所示，該界面共含有四個界面切換按鈕，分別是“卷揚”按鈕（通用鍵K1）、“變幅”按鈕（K2）、“回轉(zhuǎn)”按鈕（K3）和“自動歸位”按鈕（K4）。該界面包含一個“電機啟動”按鈕，同時包含兩個保持型按鈕（相當于常開按鈕）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，在進行卷揚、回轉(zhuǎn)、變幅、自動歸位之前必須先按下“電機啟動”按鈕和“電源正/逆向序接入”這兩個按鈕中的一個（指示燈亮起即變?yōu)榧t色）。默認情況，應按下“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作控制操作界面，操作者不僅能夠通過它控制起重機的各種動作，并且能夠通過反饋信號監(jiān)控現(xiàn)場的各種操作，能夠快速的確定設備的運行情況，判斷出現(xiàn)故障的位置，縮小保養(yǎng)和維修的成本。

      起重機吊鉤中心與起重機回轉(zhuǎn)中心軸線之間的距離稱為幅度。起重機變幅，擴大了作業(yè)范圍，即由垂直上下的直線作業(yè)范圍擴大為一個面的作業(yè)范圍。履帶式起重機使用鋼絲繩變幅機構(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，進而使PLC便能夠控制相應的電動機進行開始或停止變幅，對應的“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。該界面含有兩個交替型按鈕，把該類按鈕的“特性”欄內(nèi)的“變量”項中的“寫至”內(nèi)容設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，進而使PLC控制變幅電動機進行增大或減小幅度的動作。

      該界面含有兩個限位指示燈：當臂架升高到最高限位時，臂架觸及限位開關便產(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機的動作。當臂架低于最高限位時，該指示燈常暗，變幅電動機正常工作；當臂架下降到最低限位時臂架觸及限位開關便產(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機的動作。當臂架高于最低限位時該指示燈常暗，變幅電動機正常工作。

      該界面含有三個狀態(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，直到觸及限位開關燈滅。

      “變幅電動機過電流保護”指示燈會自動讀取X20的信號，該信號來自變幅電動機中串接的過電流繼電器，當出現(xiàn)過電流時該指示燈變暗，變幅電動機便自動停止運轉(zhuǎn)，當故障解除后，必須由操作員手動將常閉開關合上（過電流繼電器主要用于重載或頻繁啟動的場合，作為電動機主電路的過載和短路保護）。

      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能否實現(xiàn)正常的通信是整個控制系統(tǒng)能否成功的關鍵，對各項參數(shù)必須正確設定。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)應答暫存區(qū)，這些區(qū)對應于PLC的暫存器位址。具體實現(xiàn)互相通信的方法如下：

ADP3 的設定：

      在HITECH  ADP3軟件界面中點擊“應用” →“設定工作參數(shù)”，打開如下圖所示的設定工作參數(shù)界面?？梢詫υ摻缑嬷泻袑膽妹Q、PLC種類、人機界面型號、控制區(qū)、狀態(tài)區(qū)、預設數(shù)值格式及預設起始界面等系統(tǒng)信息進行設定。依照本系統(tǒng)的實際情況，可進行如下設定：如圖所示在“設定應用”項中可做如下設定：“應用名稱”為“履帶式起重機控制系統(tǒng)”；“人機界面型號”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”；“預設”中“預設起始畫面”為“1—開機界面”，其余項為默認值即可。

圖九 觸摸屏通信參數(shù)設置一

      如下圖所示在“通訊設定”項中可做如下設定：“預設地址/站號”中“PLC”為“1”、“人機界面”為“0”；“傳輸速率”為“9600”；“資料位”為“7 bits”；“校驗位”為“偶數(shù)”；“停止位”為“1 bit”；“與PLC連線所用的通訊端口”為“COM1”，其余項為默認值即可。

圖十  觸摸屏通信參數(shù)設置二 

PLC的設定：

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

圖十一 PLC通信參數(shù)設置

      設定完以后，就可以把PLC的程序和相應的設定值一塊下載到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的方案，有很好的實際應用前景，他能夠極大的提高履帶式起重機的平均故障間隔時間（MTBF，Mean Time Between Failure）并能夠縮短設備出現(xiàn)故障時的故障修理平均時間（MTTR，Mean Time To Repair），從而大大降低履帶式起重機的維護運營成本。其實PLC+觸摸屏的控制方式不僅可以應用在傳統(tǒng)的電動機驅(qū)動的履帶式起重機上，而且完全可以應用在以液壓為主要動力的履帶式或輪胎式起重機上，只是PLC的控制對象變了，由原來的電動機變?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)的基礎上進行升級和改裝。

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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