摘要：可编程控制器（PLC）近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛的应用，而触摸屏是一种实际应用越来越广泛的人机界面（HMI）。本文主要研究了可编程控制器（PLC）+触摸屏（HMI）的控制方式在履带式起重机上控制系统上的应用，利用PLC控制三相异步电动机实现履带式起重机的卷扬、变幅、回转运动，并使用通信线缆将PLC与触摸屏连接起来。操作人员通过触摸屏向PLC发出指令，实现各种现场作业。
关键词：可编程控制器（PLC），触摸屏（HMI）， 履带式起重机
0引言
履带式起重机自产生以来就在实际工程中得到了广泛的应用。利用PLC+触摸屏的方式控制履带式起重机有很多优点。PLC发明时最初目的就是为了逻辑开关量控制，而起重机的电动机控制恰恰就是电动机的逻辑开关量控制。PLC主要通过软件控制的方式取代了传统的利用继电器控制的方式，触摸屏也通过软件控制的方式取代了传统的控制面板和指示灯。因为PLC+触摸屏的外围电路较少，所以大大提高了系统的可靠性与抗干扰能力。由于PLC和触摸屏简单易用的编程环境，无需重新设置外部硬件，便可以根据系统控制的要求，在最短的时间内满足其要求，使系统的“柔性”大大提高。
1履带式起重机控制系统的总体设计
依据自动控制理论，PLC在整个闭环控制系统中是作为控制器来使用的；接在PLC的输出端子的接触器是作为放大元件来使用的；三相交流异步电动机在整个系统中是作为执行元件来使用的；吊钩和重物、臂架、上回转部分等是被控对象；限位开关是作为传感器来使用的。整个系统是一个离散的系统（计算机系统）。系统运行时，是以触摸屏发出的控制信号和反馈信号作为PLC的输入信号；PLC的输出信号驱动放大元件接触器完成对执行元件三相交流异步电动机的控制。最后由三相异步电动机来控制吊钩等被控对象。
整个系统的方块图如下图：
图一 履带式起重机控制系统方块图
本系统的触摸屏的设计依据下图：
图二触摸屏的设计流程
对于一个由PLC控制的系统设计基本上可以依据下图二，本文也主要是按照该流程设计的。
图三PLC系统设计流程
2系统的硬件设计
本系统的核心控制部件可编程控制器选用的是日本三菱公司FX2N系列的FX2N-48MR-001（48指24个输入点、24个输出点；M指基本单元；R指继电器输出；001指交流电源供电）。触摸屏是人与机器之间交流信息的窗口，人可以通过该窗口向机器发送命令，可以通过触摸屏的屏幕监控机器的状态，本系统采用的是HITECH触摸屏，HITECH PWS3760是一种配备有10.4寸LCD显示屏及12.1寸类比式触控面板的触摸屏这种面板具有防水、防尘功能，特别适合于履带式起重机工作时的潮湿、灰尘环境。PWS3760面板采用高亮度256色，面板上所显示的内容可以由设计者根据客户的需求而设计，例如面板颜色、按钮功能、按钮图案等都可由设计者自由灵活的搭配运用，以达到最佳效果。
PLC控制系统的部分I/O点分配如下表所示：
表一PLC控制系统的I/O点分配
虽然PLC的可靠性非常的高，能够在恶劣的环境下稳定运行，但为了延PLC的使用寿命和日常维护方便，还是应该将PLC和必要的外围电路一起安装在小型的控制箱中并经常进行日常的维护与保养，最大限度的延长设备的使用寿命。
履带式起重机使用的PLC外部接线简图如下所示：
图四 PLC外部接线简图
在本系统中主电路中的1RD、2RD、3RD为熔断器。熔断器与空气开关在主电路中串联，联合起到保护主电路的作用。熔断器只起到保护三台电动机电路的作用，而空气开关不仅有保护三台电动机电路的作用，更重要的是保护整个起重机电力系统的安全运行。在三相交流电的主电路的A相中串联电流互感器，起到监视主电路电流变化的作用。YB为电磁制动器，采用的是切断电源制动的电磁制动器。当电动机切断电源后电磁制动器自动加紧电动机的旋转轴，实现卷扬、回转、变幅运动的制动。当电动机加电后，电磁离合器自动松开，实现卷扬、回转、变幅运动。下图为系统的主电路简图：
图五 系统的主电路简图
3控制系统的软件设计
系统软件有两方面组成：主控PLC程序和人机交互界面触摸屏程序。主控PLC程序用于控制卷扬机构、回转机构、变幅机构，完成起重机的现场作业。触摸屏程序完成操作人员同PLC之间的对话，主要是各个操作界面之间的相互切换和每个操作界面各个按键动作与所对应的PLC程序内部寄存器的通信。
PLC程序：
起重机的主控PLC程序，使用梯形图(Ladder Diagram)编程语言编写。PLC的程序中，主要使用了经典的起保停电路设计思想。在自动归位部分使用了顺序控制中的步进梯形指令。因为自动归位指令也要控制卷扬机构的电动机QD、变幅机构的电动机BD和回转机构的电动机SD，如此，就会和前面的程序产生冲突，发生双线圈输出。为解决这个问题，引入了辅助继电器M20-M24。台湾泉毅公司的触摸屏编程软件ADP v3.2不允许用按钮来控制输入映像寄存器X，所以我们只能用触摸屏上的按钮来控制辅助寄存器M。再由辅助寄存器M来控制输出映像寄存器Y以达到控制卷扬、变幅、回转电动机的目的。因为辅助寄存器M30-M35、M40-M46也要控制电动机的运行，所以也有互锁的要求，在程序中有所体现。
触摸屏按键所使用的辅助寄存器M，部分介绍如下表所示：
表 2触摸屏按键介绍
另有部分辅助寄存器需要简要说明见下表，
表3其余辅助寄存器详细使用说明
本系统的卷扬、变幅、回转运动由操作员手动控制。只有自动归位是全自动顺序控制。自动归位用于操作人员快速的将吊钩和臂架放回初始位置，结束整个现场作业。其主要工艺流程如下图：
图六 自动归位的流程
作为操作现场的各种反馈信号非常的重要，它不仅能够反馈到PLC并且能够经过程序的处理，使PLC发出相应的控制信号，并且能够反馈到触摸屏使操作者能够监控整个操作过程。
部分反馈信号PLC程序I/O点分配：
表四 反馈信号PLC程序I/O点分配
PLC程序各个部分的功能及实现方法不一一做详细介绍，这里只对部分的程序做详细的介绍：
人机交互界面ADP程序：
本系统利用台湾泉毅公司ADP v3.2编程软件对履带式起重机的电气控制系统进行了人机界面的编程。起重机触摸屏软件一共有六个显示界面：开机界面、主界面、卷扬界面、变幅界面、回转界面和自动归位界面。每个界面之间利用界面切换按钮进行了连接，以利于操作人员方便的控制起重机系统，实现各个界面之间进行自由的切换。每个按钮和指示灯都标注了相应的内容，以利于操作人员理解从而达到更快、更好的掌握触摸屏控制起重机的技术。
主界面为主要操作界面，剩余四个界面通过每个界面上的“返回”按钮返回到上一级界面（即主界面）。利用主界面及下属的四个具体动作控制界面操作人员可以方便的控制起重机系统，实现各种现场作业。下面从主界面和一个分界面（变幅）做简单的介绍。
主界面：如下图所示，该界面共含有四个界面切换按钮，分别是“卷扬”按钮（通用键K1）、“变幅”按钮（K2）、“回转”按钮（K3）和“自动归位”按钮（K4）。该界面包含一个“电机启动”按钮，同时包含两个保持型按钮（相当于常开按钮）用来改变三相交流电的接入顺序，按下“电源正相序接入”按钮（F7）可以使电源正相序接入；同理，按下“电源逆相序接入”按钮（F8）可以使电源逆相序接入。注意，在进行卷扬、回转、变幅、自动归位之前必须先按下“电机启动”按钮和“电源正/逆向序接入”这两个按钮中的一个（指示灯亮起即变为红色）。默认情况，应按下“电源正相序接入”按钮。
图七 主界面
分界面：分界面是一种友好的具体动作控制操作界面，操作者不仅能够通过它控制起重机的各种动作，并且能够通过反馈信号监控现场的各种操作，能够快速的确定设备的运行情况，判断出现故障的位置，缩小保养和维修的成本。
起重机吊钩中心与起重机回转中心轴线之间的距离称为幅度。起重机变幅，扩大了作业范围，即由垂直上下的直线作业范围扩大为一个面的作业范围。履带式起重机使用钢丝绳变幅机构。下图便是控制变幅的触摸屏操作界面。该界面含有两个保持型按钮，按下“开始变幅”（通用键K7）或“停止变幅”（通用键K6）按钮，则会产生信号输入到M44或M45，进而使PLC便能够控制相应的电动机进行开始或停止变幅，对应的“变幅指示灯”读取辅助寄存器M5的值使该指示灯常亮或常暗。该界面含有两个交替型按钮，把该类按钮的“特性”栏内的“变量”项中的“写至”内容设定为希望信号输入到的辅助寄存器的编号。按下“增大幅度”（通用键F1）或“减小变幅”（通用键F2）按钮产生信号输入到M31或M30，进而使PLC控制变幅电动机进行增大或减小幅度的动作。
该界面含有两个限位指示灯：当臂架升高到最高限位时，臂架触及限位开关便产生信号输入到X14，“臂架上升限位指示灯”读取X14的信号，该指示灯便会变亮，并立即停止变幅电动机的动作。当臂架低于最高限位时，该指示灯常暗，变幅电动机正常工作；当臂架下降到最低限位时臂架触及限位开关便产生信号输入到X15，“臂架下降限位指示灯”读取X15的信号，该指示灯便会变亮，并立即停止变幅电动机的动作。当臂架高于最低限位时该指示灯常暗，变幅电动机正常工作。
该界面含有三个状态指示灯。“臂架下降/上升指示灯”读取Y4/Y3的信号，在臂架下降/上升过程中一直亮，直到触及限位开关灯灭。
“变幅电动机过电流保护”指示灯会自动读取X20的信号，该信号来自变幅电动机中串接的过电流继电器，当出现过电流时该指示灯变暗，变幅电动机便自动停止运转，当故障解除后，必须由操作员手动将常闭开关合上（过电流继电器主要用于重载或频繁启动的场合，作为电动机主电路的过载和短路保护）。
该界面含有换画面按钮。按下“返回”按钮，触摸屏立刻返回到主界面，达到快速操作的目的。急停按钮主要是为了处置紧急事件而为了急停而设置的，一般不使用。
图八 变幅界面
4 PLC与触摸屏相互通信
触摸屏和PLC能否实现正常的通信是整个控制系统能否成功的关键，对各项参数必须正确设定。触摸屏可以与很多品牌的PLC通信连接，并可以双向交流信息及显示不同的操作界面，编辑界面前必须先定义触摸屏系统用控制暂存区和状态应答暂存区，这些区对应于PLC的暂存器位址。具体实现互相通信的方法如下：
ADP3 的设定：
在HITECH ADP3软件界面中点击“应用” →“设定工作参数”，打开如下图所示的设定工作参数界面。可以对该界面中含有对应的应用名称、PLC种类、人机界面型号、控制区、状态区、预设数值格式及预设起始界面等系统信息进行设定。依照本系统的实际情况，可进行如下设定：如图所示在“设定应用”项中可做如下设定：“应用名称”为“履带式起重机控制系统”；“人机界面型号”为“PWS3760”；“PLC种类”为“Mitsubishi FX2N”；“控制区”中“地址”为“D0” 、“长度”为“10”；“状态区”为“D10”；“预设”中“预设起始画面”为“1—开机界面”，其余项为默认值即可。
图九 触摸屏通信参数设置一
如下图所示在“通讯设定”项中可做如下设定：“预设地址/站号”中“PLC”为“1”、“人机界面”为“0”；“传输速率”为“9600”；“资料位”为“7 bits”；“校验位”为“偶数”；“停止位”为“1 bit”；“与PLC连线所用的通讯端口”为“COM1”，其余项为默认值即可。
图十 触摸屏通信参数设置二
PLC的设定：
在设定触摸屏的工作参数以后便可根据触摸屏的设定来设定相应PLC的参数，具体设置如下：在PLC编程界面中点击“PLC”选中“串行口设置（D8120）（e）... ”，在“串口设置（D8120）”框中进行如下设置：“协议”为 “RS instruction”、“数据位”为“7”、“奇偶校验”为“Even”、“停止位”为“1”、“传送数率”为“9600”、“硬件”为“Normal/RS—232C” 其余的为默认值即可。
图十一 PLC通信参数设置
设定完以后，就可以把PLC的程序和相应的设定值一块下载到MITSUBISHI FX2N—48MR并把触摸屏程序下载到HITECH触摸屏中，这样就完成了系统的通讯设置。，然后用通信电缆将二者连接起来，就可以完成二者的通信。
5结束语
本文主要研究了利用PLC+触摸屏控制履带式起重机的方案，有很好的实际应用前景，他能够极大的提高履带式起重机的平均故障间隔时间（MTBF，Mean Time Between Failure）并能够缩短设备出现故障时的故障修理平均时间（MTTR，Mean Time To Repair），从而大大降低履带式起重机的维护运营成本。其实PLC+触摸屏的控制方式不仅可以应用在传统的电动机驱动的履带式起重机上，而且完全可以应用在以液压为主要动力的履带式或轮胎式起重机上，只是PLC的控制对象变了，由原来的电动机变为电磁阀。PLC和触摸屏中的程序很容易改写，有利于在原有系统的基础上进行升级和改装。
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附图：
附：英文介绍
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
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