基于PLC與觸摸屏的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速設(shè)計(jì)

摘要:PLC 作為工業(yè)控制自動(dòng)化技術(shù)的核心，應(yīng)用十分廣泛，如果配以觸摸屏與變頻器，更能進(jìn)一步提升自動(dòng)化程度。文章以單臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)的變頻控制為例，介紹了系統(tǒng)的構(gòu)成、變頻器參數(shù)的設(shè)置、PLC 程序與西門子觸摸屏設(shè)計(jì)的過程和方法。該系統(tǒng)具有界面直觀、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)性能良好、操作方便等特點(diǎn)，具有較高的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞:PLC；觸摸屏；變頻調(diào)速

中圖分類號(hào):TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1008-8725（2011）10-0040-03

0 前言

    三相異步電動(dòng)機(jī)可采用多種方式來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，其中的變頻調(diào)速具有調(diào)速精度高、保護(hù)功能完善、過載能力強(qiáng)、節(jié)能顯著、使用維護(hù)方便、智能化程度高和易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸取代了過去的傳統(tǒng)調(diào)速方式，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。PLC（可編程序控制器）作為電機(jī)一體化器件，具有豐富的模塊功能及靈活的組態(tài)特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上利用觸模屏作為人機(jī)交相界面，既可以提高系統(tǒng)的可靠性，又可以靈活組態(tài)，使操縱變得簡單生動(dòng)。以下以實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備的變頻調(diào)速為例，論述基于PLC 與觸摸屏的電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)要求

    （1）電動(dòng)機(jī)能實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的低速（10 Hz）、高速（30Hz）正反轉(zhuǎn)控制，具有低速正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)功能；選擇高速運(yùn)行時(shí)，必須先進(jìn)行低速啟動(dòng)一段時(shí)間（由觸摸屏設(shè)定）后才轉(zhuǎn)入高速運(yùn)行，以上功能既可用外接按鈕，也可用觸摸屏控制。

    （2）當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在低速或高速正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的狀態(tài)下，按下停止后，電動(dòng)機(jī)必須以直流制動(dòng)方式進(jìn)行停車，制動(dòng)時(shí)間為2 s，直流制動(dòng)的計(jì)時(shí)時(shí)間由觸摸屏顯示。

    （3）低速正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)功能控制要求為：①停車時(shí)，按下點(diǎn)動(dòng)按鈕，電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)低速正轉(zhuǎn)運(yùn)行，松開按鈕后，電動(dòng)機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)按低速直流制動(dòng)方式停車；②當(dāng)電動(dòng)機(jī)低速正轉(zhuǎn)運(yùn)行，按下點(diǎn)動(dòng)按鈕，電動(dòng)機(jī)繼續(xù)正轉(zhuǎn)運(yùn)行，松開按鈕后，電動(dòng)機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)按低速直流制動(dòng)方式停車；③無論電動(dòng)機(jī)在低速反轉(zhuǎn)、高速正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的任何狀態(tài)下，按下點(diǎn)動(dòng)按鈕后，電動(dòng)機(jī)先自動(dòng)實(shí)現(xiàn)直流制動(dòng)方式停車，然后再進(jìn)行低速正轉(zhuǎn)運(yùn)行，松開按鈕后，電動(dòng)機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)低速直流制動(dòng)停車。

    （4）觸摸屏要求有電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)顯示。

2 工程分析

    電動(dòng)機(jī)有低速正、反轉(zhuǎn)，高速正、反轉(zhuǎn)及停止5種狀態(tài)，所以變頻器應(yīng)接受5 個(gè)輸入狀態(tài)指令。變頻器的控制方式多種多樣，常用的有數(shù)字量控制，其它的是模擬量、通訊控制等，通常該類裝置屬于現(xiàn)地控制，電動(dòng)機(jī)與控制裝置相距不遠(yuǎn)，因此采用數(shù)字量控制，由PLC 輸出。

    現(xiàn)代變頻器均具有直流制動(dòng)功能，當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，輸入停車指令，變頻器立即停止輸出，隨后將直流電源疊加到電動(dòng)機(jī)的兩相繞組上，使得電動(dòng)機(jī)立即由轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)變?yōu)橥Ｖ範(fàn)顟B(tài)，實(shí)現(xiàn)此功能只需在變頻器內(nèi)作相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。

    電動(dòng)機(jī)由停車狀態(tài)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，即可正轉(zhuǎn)亦可反轉(zhuǎn)；處于某一速度運(yùn)行時(shí)，可以變向，因此需要在外部及觸摸屏上設(shè)置運(yùn)行方向選擇按鈕。當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于低速狀態(tài)時(shí)按壓高速運(yùn)行按鈕，可否直接轉(zhuǎn)入高速運(yùn)行？或是經(jīng)過延時(shí)后轉(zhuǎn)入高速運(yùn)行？這些不同的考慮會(huì)影響到PLC 程序的編寫，應(yīng)該從生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)際情況來決定。

    根據(jù)以上分析，得出PLC 輸入點(diǎn)有5 個(gè)，來自按鈕；3 個(gè)輸出點(diǎn)，占用Q0.2,Q0.1,Q0.0;Q0.2 控制運(yùn)行方向，Q0.1 與Q0.0 狀態(tài)為“01”時(shí)，電機(jī)低速運(yùn)行;為“10”時(shí)，電機(jī)高速運(yùn)行;為“00”時(shí)，電機(jī)停止運(yùn)行。

3 設(shè)備選擇

    隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，PLC、觸摸屏等自動(dòng)化產(chǎn)品的種類也越來越多。不同型號(hào)的PLC，其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價(jià)格等也各有不同，適用的場(chǎng)合也各有側(cè)重。因此，合理選用對(duì)于提高PLC 控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是非常重要的。PLC 的選擇主要應(yīng)從PLC 的機(jī)型、I/O 模塊、工作環(huán)境、通信網(wǎng)絡(luò)、與監(jiān)控系統(tǒng)的通信、可延性、售后服務(wù)與技術(shù)支持性價(jià)比等方面加以綜合考慮。此設(shè)計(jì)的I/O 點(diǎn)數(shù)較少，僅與觸摸屏通訊，無通訊網(wǎng)絡(luò)。

    從售后服務(wù)與技術(shù)支持、維護(hù)方便及市場(chǎng)占有率考慮，全部采用西門子的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)有：①S7-200CPU224；②變頻器MM420；③觸摸屏K-TP178，Micro。硬件接線圖如圖1 所示。

4 PLC 程序設(shè)計(jì)

    為使程序的結(jié)構(gòu)清晰，便于設(shè)計(jì)與維護(hù)，整個(gè)程序由主程序、低速子程序和高速子程序3 部分構(gòu)成。

    在主程序中主要完成:①上電初始化；②運(yùn)行方向的選擇控制；③低速子程序和高速子程序的進(jìn)入控制；④選擇高速運(yùn)行時(shí)的低速啟動(dòng)時(shí)間參數(shù)的傳遞。低、高速子程序分別處理各自狀態(tài)下的各種功能要求。

    （1）低速子程序：主要采用順序控制繼電器指令（LSCR,SCRT,SCRE），分為四步。第一步根據(jù)方向選擇（M20.0 的狀態(tài)）的不同進(jìn)入第二步即正轉(zhuǎn)或第三步即反轉(zhuǎn)；在第二步中，將二進(jìn)制的1 送入QB0,然后判斷M20.0 是否變位，若變位則跳轉(zhuǎn)至第三步，接著判斷是否出現(xiàn)需要制動(dòng)停車的情況，若符合，則跳轉(zhuǎn)至第四步（制動(dòng)停車）；在第三步中，將二進(jìn)制的101 送入QB0,然后判斷M20.0 是否變位，若變位則跳轉(zhuǎn)至第二步，接著判斷是否出現(xiàn)需要制動(dòng)停車的情況，若符合，則跳轉(zhuǎn)至第四步（制動(dòng)停車）；在第四步中，將二進(jìn)制的0 送入QB0,同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)2 s 的定時(shí)器T38。當(dāng)T38 時(shí)間到，如果點(diǎn)動(dòng)按鈕仍按下，則跳轉(zhuǎn)至第二步，否則退出子程序。

    （2）高速子程序：采用與低速子程序相似的設(shè)計(jì)方法。當(dāng)處于高速運(yùn)行狀態(tài)，按下點(diǎn)動(dòng)按鈕后，要求電動(dòng)機(jī)先自動(dòng)實(shí)現(xiàn)直流制動(dòng)停車；然后再進(jìn)行低速正轉(zhuǎn)運(yùn)行，松開按鈕后，電動(dòng)機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)低速直流制動(dòng)停車。此功能在此子程序?qū)崿F(xiàn)，不跳轉(zhuǎn)到低速子程序，目的是避免程序的結(jié)構(gòu)松散，保持清晰性。

5 變頻器參數(shù)設(shè)置

    MM420 一共有4 個(gè)數(shù)字輸入端，默認(rèn)的是5,6,7號(hào)，3 號(hào)端子默認(rèn)是模擬輸入，可以通過參數(shù)設(shè)置擴(kuò)展為第4 個(gè)數(shù)字輸入端。該設(shè)計(jì)即可用4 個(gè)數(shù)字輸入端，也可以只要默認(rèn)的3 個(gè)數(shù)字輸入端，下面的設(shè)置只利用默認(rèn)的3 個(gè)數(shù)字輸入端。P0304-P0311 為電機(jī)參數(shù)，按銘牌輸入，其它參數(shù)如下：P0700=2,P1000 =3,P0701 =16，P0702 =16,P0703=12,P1001 =10,P1002=30,P1233=2。

6 觸摸屏組態(tài)設(shè)計(jì)

    上位機(jī)采用SIMATIC WinCC flexible2007 組態(tài)軟件，為用戶提供實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)計(jì)步驟如下：

    （1）創(chuàng)建畫面：添加2 個(gè)畫面，畫面1 是起始畫面，放置1 個(gè)按鈕；畫面2 用于監(jiān)控，，放置6 個(gè)按鈕，“返回”切換到畫面1，其它5 個(gè)用于控制，放置2個(gè)I/O 域，用于動(dòng)態(tài)顯示直流制動(dòng)時(shí)間與低速啟動(dòng)設(shè)定時(shí)間，其它為文本域。詳見圖2。

    （2） 為了滿足觸摸屏與PLC 之間的數(shù)據(jù)交換，設(shè)置如下變量：“低速啟動(dòng)時(shí)間與直流制動(dòng)計(jì)時(shí)”的數(shù)據(jù)類型為Int，作定時(shí)時(shí)間設(shè)定與制動(dòng)計(jì)時(shí)顯示用，尋址PLC 的VW。“低速運(yùn)行、高速運(yùn)行、換向運(yùn)行、低速正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)、停止、顯示低速、顯示高速、顯示停止、顯示運(yùn)行方向、顯示制動(dòng)”的數(shù)據(jù)類型均為Bool,分別與PLC 某一位元件對(duì)應(yīng)，其中“低速運(yùn)行、高速運(yùn)行、換向運(yùn)行、低速正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)、停止”作控制用、“顯示低速、顯示高速、顯示停止、顯示運(yùn)行方向、顯示制動(dòng)”用于電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)顯示。

    （3）函數(shù)使用。由于按鈕按下時(shí)，觸點(diǎn)接通，松手時(shí)觸點(diǎn)斷開，為此控制用的按鈕需要用函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，按下時(shí)用SetBit（）、釋放時(shí)用ResetBit( )。

    （4）為了顯示電機(jī)的工作狀態(tài)，將變量（例如“顯示低速”）與畫面2 文本域（“低速”）連接，選擇對(duì)象狀態(tài)屬性為“可見”，范圍為“1 至1”。

    （5）通訊設(shè)置：觸摸屏與PLC 設(shè)置相同的站號(hào)、波特率。

7 程序調(diào)試

    設(shè)計(jì)過程中可能會(huì)遇到各種問題，可采用分段調(diào)試，這樣便于發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，及時(shí)更正。實(shí)際中，首先PLC 接上按鈕，按下列順序調(diào)試：①主程序；②低速子程序；③高速子程序。通過觀察PLC 輸出點(diǎn)的表示燈判斷程序的正確與否，然后接上觸摸屏。變頻器設(shè)置好參數(shù)后，單獨(dú)外接紐子開關(guān)調(diào)試。調(diào)試中應(yīng)注意：觸摸屏的采集周期設(shè)置100MS；K-TP 178 Micro 采用串口通訊，不能熱插拔；觸摸屏設(shè)定的時(shí)間為秒，PLC 中要用MUL 指令轉(zhuǎn)換后作為定時(shí)器的定時(shí)值。待分段調(diào)試完成后，聯(lián)機(jī)調(diào)試。結(jié)果表明，全部實(shí)現(xiàn)各種功能要求，電機(jī)運(yùn)行良好。

8 結(jié)語

    PLC 與變頻器組成的交流調(diào)速系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、節(jié)省能源與投資等特點(diǎn)。觸摸屏的操作方便、實(shí)時(shí)性好，能夠直觀反映設(shè)備的工作狀態(tài)，減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。如果有多臺(tái)電機(jī)需要聯(lián)動(dòng)控制，可進(jìn)一步通過RS485 方式的多機(jī)通訊來實(shí)現(xiàn)，提高系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，具有推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：
[1] 廖常初.西門子人機(jī)界面(觸摸屏)組態(tài)與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008.
[2] 廖常初.PLC 編程及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009.
[3] 嚴(yán)盈富.監(jiān)控組態(tài)軟件與PLC 入門[M].北京：人民郵電出版社，2006.
[4] 袁秀英.組態(tài)控制技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2007.