基于PLC與觸摸屏的異步電動機變頻調速設計

摘要:PLC 作為工業控制自動化技術的核心，應用十分廣泛，如果配以觸摸屏與變頻器，更能進一步提升自動化程度。文章以單臺異步電動機的變頻控制為例，介紹了系統的構成、變頻器參數的設置、PLC 程序與西門子觸摸屏設計的過程和方法。該系統具有界面直觀、實時動態性能良好、操作方便等特點，具有較高的推廣價值。

關鍵詞:PLC；觸摸屏；變頻調速

中圖分類號:TP311 文獻標識碼:A 文章編號:1008-8725（2011）10-0040-03

0 前言

    三相異步電動機可采用多種方式來實現調速，其中的變頻調速具有調速精度高、保護功能完善、過載能力強、節能顯著、使用維護方便、智能化程度高和易于實現復雜控制等優點，已逐漸取代了過去的傳統調速方式，在工業應用領域得到推廣應用。PLC（可編程序控制器）作為電機一體化器件，具有豐富的模塊功能及靈活的組態特點，在此基礎上利用觸模屏作為人機交相界面，既可以提高系統的可靠性，又可以靈活組態，使操縱變得簡單生動。以下以實際生產設備的變頻調速為例，論述基于PLC 與觸摸屏的電機變頻調速系統的設計。

1 設計要求

    （1）電動機能實現單獨的低速（10 Hz）、高速（30Hz）正反轉控制，具有低速正轉點動功能；選擇高速運行時，必須先進行低速啟動一段時間（由觸摸屏設定）后才轉入高速運行，以上功能既可用外接按鈕，也可用觸摸屏控制。

    （2）當電動機工作在低速或高速正反轉運行的狀態下，按下停止后，電動機必須以直流制動方式進行停車，制動時間為2 s，直流制動的計時時間由觸摸屏顯示。

    （3）低速正轉點動功能控制要求為：①停車時，按下點動按鈕，電動機實現低速正轉運行，松開按鈕后，電動機自動實現按低速直流制動方式停車；②當電動機低速正轉運行，按下點動按鈕，電動機繼續正轉運行，松開按鈕后，電動機自動實現按低速直流制動方式停車；③無論電動機在低速反轉、高速正反轉運行的任何狀態下，按下點動按鈕后，電動機先自動實現直流制動方式停車，然后再進行低速正轉運行，松開按鈕后，電動機自動實現低速直流制動停車。

    （4）觸摸屏要求有電動機工作狀態顯示。

2 工程分析

    電動機有低速正、反轉，高速正、反轉及停止5種狀態，所以變頻器應接受5 個輸入狀態指令。變頻器的控制方式多種多樣，常用的有數字量控制，其它的是模擬量、通訊控制等，通常該類裝置屬于現地控制，電動機與控制裝置相距不遠，因此采用數字量控制，由PLC 輸出。

    現代變頻器均具有直流制動功能，當電動機運行時，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機的兩相繞組上，使得電動機立即由轉動狀態變為停止狀態，實現此功能只需在變頻器內作相應的參數設置。

    電動機由停車狀態進入運行狀態，即可正轉亦可反轉；處于某一速度運行時，可以變向，因此需要在外部及觸摸屏上設置運行方向選擇按鈕。當電動機處于低速狀態時按壓高速運行按鈕，可否直接轉入高速運行？或是經過延時后轉入高速運行？這些不同的考慮會影響到PLC 程序的編寫，應該從生產設備的實際情況來決定。

    根據以上分析，得出PLC 輸入點有5 個，來自按鈕；3 個輸出點，占用Q0.2,Q0.1,Q0.0;Q0.2 控制運行方向，Q0.1 與Q0.0 狀態為“01”時，電機低速運行;為“10”時，電機高速運行;為“00”時，電機停止運行。

3 設備選擇

    隨著自動化技術的發展，PLC、觸摸屏等自動化產品的種類也越來越多。不同型號的PLC，其結構形式、性能、容量、指令系統、編程方式、價格等也各有不同，適用的場合也各有側重。因此，合理選用對于提高PLC 控制系統的技術經濟指標是非常重要的。PLC 的選擇主要應從PLC 的機型、I/O 模塊、工作環境、通信網絡、與監控系統的通信、可延性、售后服務與技術支持性價比等方面加以綜合考慮。此設計的I/O 點數較少，僅與觸摸屏通訊，無通訊網絡。

    從售后服務與技術支持、維護方便及市場占有率考慮，全部采用西門子的產品，設計有：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 程序設計

    為使程序的結構清晰，便于設計與維護，整個程序由主程序、低速子程序和高速子程序3 部分構成。

    在主程序中主要完成:①上電初始化；②運行方向的選擇控制；③低速子程序和高速子程序的進入控制；④選擇高速運行時的低速啟動時間參數的傳遞。低、高速子程序分別處理各自狀態下的各種功能要求。

    （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。第一步根據方向選擇（M20.0 的狀態）的不同進入第二步即正轉或第三步即反轉；在第二步中，將二進制的1 送入QB0,然后判斷M20.0 是否變位，若變位則跳轉至第三步，接著判斷是否出現需要制動停車的情況，若符合，則跳轉至第四步（制動停車）；在第三步中，將二進制的101 送入QB0,然后判斷M20.0 是否變位，若變位則跳轉至第二步，接著判斷是否出現需要制動停車的情況，若符合，則跳轉至第四步（制動停車）；在第四步中，將二進制的0 送入QB0,同時啟動定時2 s 的定時器T38。當T38 時間到，如果點動按鈕仍按下，則跳轉至第二步，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計方法。當處于高速運行狀態，按下點動按鈕后，要求電動機先自動實現直流制動停車；然后再進行低速正轉運行，松開按鈕后，電動機自動實現低速直流制動停車。此功能在此子程序實現，不跳轉到低速子程序，目的是避免程序的結構松散，保持清晰性。

5 變頻器參數設置

    MM420 一共有4 個數字輸入端，默認的是5,6,7號，3 號端子默認是模擬輸入，可以通過參數設置擴展為第4 個數字輸入端。該設計即可用4 個數字輸入端，也可以只要默認的3 個數字輸入端，下面的設置只利用默認的3 個數字輸入端。P0304-P0311 為電機參數，按銘牌輸入，其它參數如下：P0700=2,P1000 =3,P0701 =16，P0702 =16,P0703=12,P1001 =10,P1002=30,P1233=2。

6 觸摸屏組態設計

    上位機采用SIMATIC WinCC flexible2007 組態軟件，為用戶提供實時監控，設計步驟如下：

    （1）創建畫面：添加2 個畫面，畫面1 是起始畫面，放置1 個按鈕；畫面2 用于監控，，放置6 個按鈕，“返回”切換到畫面1，其它5 個用于控制，放置2個I/O 域，用于動態顯示直流制動時間與低速啟動設定時間，其它為文本域。詳見圖2。

    （2） 為了滿足觸摸屏與PLC 之間的數據交換，設置如下變量：“低速啟動時間與直流制動計時”的數據類型為Int，作定時時間設定與制動計時顯示用，尋址PLC 的VW。“低速運行、高速運行、換向運行、低速正轉點動、停止、顯示低速、顯示高速、顯示停止、顯示運行方向、顯示制動”的數據類型均為Bool,分別與PLC 某一位元件對應，其中“低速運行、高速運行、換向運行、低速正轉點動、停止”作控制用、“顯示低速、顯示高速、顯示停止、顯示運行方向、顯示制動”用于電動機工作狀態顯示。

    （3）函數使用。由于按鈕按下時，觸點接通，松手時觸點斷開，為此控制用的按鈕需要用函數來實現，按下時用SetBit（）、釋放時用ResetBit( )。

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

    （5）通訊設置：觸摸屏與PLC 設置相同的站號、波特率。

7 程序調試

    設計過程中可能會遇到各種問題，可采用分段調試，這樣便于發現錯誤，及時更正。實際中，首先PLC 接上按鈕，按下列順序調試：①主程序；②低速子程序；③高速子程序。通過觀察PLC 輸出點的表示燈判斷程序的正確與否，然后接上觸摸屏。變頻器設置好參數后，單獨外接紐子開關調試。調試中應注意：觸摸屏的采集周期設置100MS；K-TP 178 Micro 采用串口通訊，不能熱插拔；觸摸屏設定的時間為秒，PLC 中要用MUL 指令轉換后作為定時器的定時值。待分段調試完成后，聯機調試。結果表明，全部實現各種功能要求，電機運行良好。

8 結語

    PLC 與變頻器組成的交流調速系統具有響應速度快、節省能源與投資等特點。觸摸屏的操作方便、實時性好，能夠直觀反映設備的工作狀態，減輕工作人員的勞動強度。如果有多臺電機需要聯動控制，可進一步通過RS485 方式的多機通訊來實現，提高系統的自動化水平，具有推廣價值。

參考文獻：
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