基于PLC与触摸屏的异步电动机变频调速设计

摘要:PLC 作为工业控制自动化技术的核心，应用十分广泛，如果配以触摸屏与变频器，更能进一步提升自动化程度。文章以单台异步电动机的变频控制为例，介绍了系统的构成、变频器参数的设置、PLC 程序与西门子触摸屏设计的过程和方法。该系统具有界面直观、实时动态性能良好、操作方便等特点，具有较高的推广价值。

关键词:PLC；触摸屏；变频调速

中图分类号:TP311 文献标识码:A 文章编号:1008-8725（2011）10-0040-03

0 前言

    三相异步电动机可采用多种方式来实现调速，其中的变频调速具有调速精度高、保护功能完善、过载能力强、节能显著、使用维护方便、智能化程度高和易于实现复杂控制等优点，已逐渐取代了过去的传统调速方式，在工业应用领域得到推广应用。PLC（可编程序控制器）作为电机一体化器件，具有丰富的模块功能及灵活的组态特点，在此基础上利用触模屏作为人机交相界面，既可以提高系统的可靠性，又可以灵活组态，使操纵变得简单生动。以下以实际生产设备的变频调速为例，论述基于PLC 与触摸屏的电机变频调速系统的设计。

1 设计要求

    （1）电动机能实现单独的低速（10 Hz）、高速（30Hz）正反转控制，具有低速正转点动功能；选择高速运行时，必须先进行低速启动一段时间（由触摸屏设定）后才转入高速运行，以上功能既可用外接按钮，也可用触摸屏控制。

    （2）当电动机工作在低速或高速正反转运行的状态下，按下停止后，电动机必须以直流制动方式进行停车，制动时间为2 s，直流制动的计时时间由触摸屏显示。

    （3）低速正转点动功能控制要求为：①停车时，按下点动按钮，电动机实现低速正转运行，松开按钮后，电动机自动实现按低速直流制动方式停车；②当电动机低速正转运行，按下点动按钮，电动机继续正转运行，松开按钮后，电动机自动实现按低速直流制动方式停车；③无论电动机在低速反转、高速正反转运行的任何状态下，按下点动按钮后，电动机先自动实现直流制动方式停车，然后再进行低速正转运行，松开按钮后，电动机自动实现低速直流制动停车。

    （4）触摸屏要求有电动机工作状态显示。

2 工程分析

    电动机有低速正、反转，高速正、反转及停止5种状态，所以变频器应接受5 个输入状态指令。变频器的控制方式多种多样，常用的有数字量控制，其它的是模拟量、通讯控制等，通常该类装置属于现地控制，电动机与控制装置相距不远，因此采用数字量控制，由PLC 输出。

    现代变频器均具有直流制动功能，当电动机运行时，输入停车指令，变频器立即停止输出，随后将直流电源叠加到电动机的两相绕组上，使得电动机立即由转动状态变为停止状态，实现此功能只需在变频器内作相应的参数设置。

    电动机由停车状态进入运行状态，即可正转亦可反转；处于某一速度运行时，可以变向，因此需要在外部及触摸屏上设置运行方向选择按钮。当电动机处于低速状态时按压高速运行按钮，可否直接转入高速运行？或是经过延时后转入高速运行？这些不同的考虑会影响到PLC 程序的编写，应该从生产设备的实际情况来决定。

    根据以上分析，得出PLC 输入点有5 个，来自按钮；3 个输出点，占用Q0.2,Q0.1,Q0.0;Q0.2 控制运行方向，Q0.1 与Q0.0 状态为“01”时，电机低速运行;为“10”时，电机高速运行;为“00”时，电机停止运行。

3 设备选择

    随着自动化技术的发展，PLC、触摸屏等自动化产品的种类也越来越多。不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用对于提高PLC 控制系统的技术经济指标是非常重要的。PLC 的选择主要应从PLC 的机型、I/O 模块、工作环境、通信网络、与监控系统的通信、可延性、售后服务与技术支持性价比等方面加以综合考虑。此设计的I/O 点数较少，仅与触摸屏通讯，无通讯网络。

    从售后服务与技术支持、维护方便及市场占有率考虑，全部采用西门子的产品，设计有：①S7-200CPU224；②变频器MM420；③触摸屏K-TP178，Micro。硬件接线图如图1 所示。

4 PLC 程序设计

    为使程序的结构清晰，便于设计与维护，整个程序由主程序、低速子程序和高速子程序3 部分构成。

    在主程序中主要完成:①上电初始化；②运行方向的选择控制；③低速子程序和高速子程序的进入控制；④选择高速运行时的低速启动时间参数的传递。低、高速子程序分别处理各自状态下的各种功能要求。

    （1）低速子程序：主要采用顺序控制继电器指令（LSCR,SCRT,SCRE），分为四步。第一步根据方向选择（M20.0 的状态）的不同进入第二步即正转或第三步即反转；在第二步中，将二进制的1 送入QB0,然后判断M20.0 是否变位，若变位则跳转至第三步，接着判断是否出现需要制动停车的情况，若符合，则跳转至第四步（制动停车）；在第三步中，将二进制的101 送入QB0,然后判断M20.0 是否变位，若变位则跳转至第二步，接着判断是否出现需要制动停车的情况，若符合，则跳转至第四步（制动停车）；在第四步中，将二进制的0 送入QB0,同时启动定时2 s 的定时器T38。当T38 时间到，如果点动按钮仍按下，则跳转至第二步，否则退出子程序。

    （2）高速子程序：采用与低速子程序相似的设计方法。当处于高速运行状态，按下点动按钮后，要求电动机先自动实现直流制动停车；然后再进行低速正转运行，松开按钮后，电动机自动实现低速直流制动停车。此功能在此子程序实现，不跳转到低速子程序，目的是避免程序的结构松散，保持清晰性。

5 变频器参数设置

    MM420 一共有4 个数字输入端，默认的是5,6,7号，3 号端子默认是模拟输入，可以通过参数设置扩展为第4 个数字输入端。该设计即可用4 个数字输入端，也可以只要默认的3 个数字输入端，下面的设置只利用默认的3 个数字输入端。P0304-P0311 为电机参数，按铭牌输入，其它参数如下：P0700=2,P1000 =3,P0701 =16，P0702 =16,P0703=12,P1001 =10,P1002=30,P1233=2。

6 触摸屏组态设计

    上位机采用SIMATIC WinCC flexible2007 组态软件，为用户提供实时监控，设计步骤如下：

    （1）创建画面：添加2 个画面，画面1 是起始画面，放置1 个按钮；画面2 用于监控，，放置6 个按钮，“返回”切换到画面1，其它5 个用于控制，放置2个I/O 域，用于动态显示直流制动时间与低速启动设定时间，其它为文本域。详见图2。

    （2） 为了满足触摸屏与PLC 之间的数据交换，设置如下变量：“低速启动时间与直流制动计时”的数据类型为Int，作定时时间设定与制动计时显示用，寻址PLC 的VW。“低速运行、高速运行、换向运行、低速正转点动、停止、显示低速、显示高速、显示停止、显示运行方向、显示制动”的数据类型均为Bool,分别与PLC 某一位元件对应，其中“低速运行、高速运行、换向运行、低速正转点动、停止”作控制用、“显示低速、显示高速、显示停止、显示运行方向、显示制动”用于电动机工作状态显示。

    （3）函数使用。由于按钮按下时，触点接通，松手时触点断开，为此控制用的按钮需要用函数来实现，按下时用SetBit（）、释放时用ResetBit( )。

    （4）为了显示电机的工作状态，将变量（例如“显示低速”）与画面2 文本域（“低速”）连接，选择对象状态属性为“可见”，范围为“1 至1”。

    （5）通讯设置：触摸屏与PLC 设置相同的站号、波特率。

7 程序调试

    设计过程中可能会遇到各种问题，可采用分段调试，这样便于发现错误，及时更正。实际中，首先PLC 接上按钮，按下列顺序调试：①主程序；②低速子程序；③高速子程序。通过观察PLC 输出点的表示灯判断程序的正确与否，然后接上触摸屏。变频器设置好参数后，单独外接纽子开关调试。调试中应注意：触摸屏的采集周期设置100MS；K-TP 178 Micro 采用串口通讯，不能热插拔；触摸屏设定的时间为秒，PLC 中要用MUL 指令转换后作为定时器的定时值。待分段调试完成后，联机调试。结果表明，全部实现各种功能要求，电机运行良好。

8 结语

    PLC 与变频器组成的交流调速系统具有响应速度快、节省能源与投资等特点。触摸屏的操作方便、实时性好，能够直观反映设备的工作状态，减轻工作人员的劳动强度。如果有多台电机需要联动控制，可进一步通过RS485 方式的多机通讯来实现，提高系统的自动化水平，具有推广价值。

参考文献：
[1] 廖常初.西门子人机界面(触摸屏)组态与应用技术[M].北京：机械工业出版社,2008.
[2] 廖常初.PLC 编程及应用[M].北京：机械工业出版社,2009.
[3] 严盈富.监控组态软件与PLC 入门[M].北京：人民邮电出版社，2006.
[4] 袁秀英.组态控制技术[M].北京：电子工业出版社,2007.