基于PLC和觸摸屏的變頻調速實驗裝置的研制

陳群， 陳偉卓

（南通紡織職業(yè)技術學院，江蘇南通226007）

基于PLC和觸摸屏的變頻調速實驗裝置的研制

陳群， 陳偉卓

（南通紡織職業(yè)技術學院，江蘇南通226007）

實驗裝置主要用于交流變頻調速技術等相關課程的教學演示，采用PLC、變頻器、觸摸屏等工控器件，通過PLC程序設計、變頻器參數(shù)設置，由觸摸屏進行操作，可實現(xiàn)電機各種速度的運行及速度的實時顯示。

變頻調速；PLC；觸摸屏

0 引言

近年來，交流變頻調速技術在我國有了突飛猛進地發(fā)展，變頻調速在各方面的優(yōu)異性能，是其他的交流調速方式無法比擬的，因此，國內許多高校的電氣自動化技術、機電一體化技術等專業(yè)，均已將變頻調速技術列為專業(yè)核心課程。為了提高教學效果，增加學生的感性認識，使學生更好地理解變頻調速及其應用，本文制作一種變頻調速實驗裝置，可以實現(xiàn)電機各種速度的運行，而且能將變頻器運行參數(shù)、電機運行的速度曲線顯示在觸摸屏上。

1 系統(tǒng)原理設計

基于PLC和觸摸屏控制的變頻調速實驗裝置，其主要硬件配置為三菱PLC（FX3U-32MR）及D/A模塊、艾默生變頻器（EV1000-4T0022G）、威綸觸摸屏（MT8104T）、歐姆龍編碼器（E6B2-CWZ6C）以及電動機等，利用PLC和變頻器實現(xiàn)對電動機轉速及轉向的控制，同時也可利用觸摸屏和旋轉編碼器實現(xiàn)設置速度和實時速度的顯示。

PLC和觸摸屏用于通訊，通過觸摸屏進行PLC程序設計、變頻器參數(shù)設置，實現(xiàn)電動機各種速度的運行，如正反轉及調速、自動多段速控制、內置PLC控制、數(shù)模轉換和任意速度曲線控制等。在實際操作時，只要先根據相應的動作要求，對照觸摸屏界面，完成變頻器功能參數(shù)設置，然后操作觸摸屏上相應的軟元件按鈕，即可實現(xiàn)對電機的各種調速控制。當采用任意速度曲線控制時，可先由觸摸屏設置給定速度，電動機的實際運行速度和轉向由旋轉編碼器檢測并轉換成脈沖信號，該信號被傳送至PLC輸入端，經D/A模塊運算處理后轉換成相應的數(shù)據，再由變頻器控制電動機轉速，并由觸摸屏進行實時顯示，而且通過更改程序，電動機能以設定的速度變化曲線運行。

本實驗裝置的電氣原理如圖1所示。低壓斷路器QF為電源隔離開關，并起短路和過載保護作用；24V電源模塊用于為觸摸屏供電；變頻器的U、V、W端子接電動機，變頻器的X1、X2、X3、FWD、REV、COM端子分別與PLC的Y1～Y5、COM端子依次相接，通過控制PLC的Y1～Y3、Y4～Y5輸出的不同組合方式，實現(xiàn)對電動機不同速度及正反轉方向的控制；D/A模塊的輸出端子VOUT1及COM1分別與變頻器模擬量給定端子VCI及GND相接，實現(xiàn)了通過PLC改變電機轉速的功能；旋轉編碼器采用的是2相2計數(shù)輸入，編碼器的A相、B相端子分別與PLC的輸入端X0、X1相接，為的是把電機的轉速和轉向反饋給PLC。因高數(shù)計數(shù)器的輸入不能重復使用，為了避免此問題，將X1與X3短接。

圖1 電氣原理圖

2 觸摸屏界面制作

本實驗裝置的操作是通過觸摸屏進行的，所以人機界面的制作是一個不可缺少的環(huán)節(jié)。觸摸屏的界面可以設置成1個主畫面和5個信號畫面，如圖2所示為主畫面，功能鍵S1～S5用于切換到5個信號畫面。信號畫面分為正反轉控制界面、七段速調速控制界面、內置PLC控制多段速界面、數(shù)模轉換界面和任意速度曲線控制界面，其中七段速調速控制的界面如圖3所示。七段速度分別由7個功能鍵自由選擇，與七段速度對應的頻率通過變頻器參數(shù) F3.23～F3.29設定，分別為5 Hz、10 Hz、15 Hz、25 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz；F0.03=1意指變頻器為外部端子運轉控制方式；變頻器多功能端子X1～X3定義為多段頻率端子，由F7.00～F7.02設定；功能鍵“返回主界面”用于切換到主畫面。

圖2 觸摸屏主畫面

圖3 七段速調速控制界面

3 PLC程序設計

由系統(tǒng)要求可知，PLC程序分為電機正反轉及調速、七段速調速控制、內置PLC控制、數(shù)模轉換及任意速度曲線控制5個模塊。下面列舉2個模塊。

1）七段速調速控制模塊。

七段速調速控制的PLC程序如圖4所示。按下主畫面上的功能鍵S2，進入七段速調速程序的應用，七段速度分別由觸摸屏上的7個按鈕M41～M47自由選擇，通過脈沖傳送指令，實現(xiàn)對電動機不同速度及轉向的控制，其中一速、三速、四速、七速時電機為正轉，二速、五速、六速時電機為反轉。當按下停止按鈕M40時，M110～M117全部復位，電機停轉。

圖4 七段速調速控制梯形圖

2）任意速度曲線控制模塊。

本裝置不僅可以控制電機正反轉及調速，還可以根據生產要求，通過更改程序，使電動機能以設定的速度變化曲線運行，并在觸摸屏上顯示實時速度曲線。

速度曲線采用采點方式設置，即先將所給定的速度曲線分成若干個點，然后將每個點的值通過變址指令實時傳送給數(shù)據寄存器D，進行設置速度顯示，再將D的值進行運算后給D/A模塊處理，最終由測速指令檢測編碼器的脈沖個數(shù)，從而計算出電機的實時轉速并進行顯示。下面以正弦速度曲線為例加以說明。

正弦速度線設置如圖5所示，其最大速度為300 r/s，周期為6×2=12 s，若每0.1 s取一個點，需要120個點，則每0.1 s增加的角度為360°/120=3°。正弦速度線控制的梯形圖程序如圖6所示，速度檢測梯形圖程序如圖7所示。

圖5 正弦速度曲線

圖6 正弦速度線控制程序

圖7 速度檢測梯形圖程序

當M90、M80接通時，每隔0.1 s將D80中的值加1，并乘3先轉化為度數(shù)、再乘相應系數(shù)轉化為弧度后存入D88、D89中，然后求出各時刻的正弦值存入D90、D91中，再將其轉換為轉速并取整，將最終結果存放在D94中并進行設置速度的顯示。當D80的值等于120時，D80被清零，停止該段速度線的運行。

當電機運轉時（Y4或Y5接通），就執(zhí)行速度檢測指令，將100 ms內檢測到X3的脈沖數(shù)存放在D180中，由于E6B2-CWZ6C型旋轉編碼器每轉脈沖數(shù)為360個，根據公式

即可求出電動機的實時轉速n，并存放在D47中，其值再經D/A模塊處理，以便顯示實時速度。通過M8251可監(jiān)視C251的加/減計數(shù)狀態(tài)，由此判斷出電機的旋轉方向。

4 結語

本裝置的實際運行結果表明，人機交互界面友好，操作方便，運行安全穩(wěn)定，有利于加強學生對簡單工業(yè)控制系統(tǒng)設計思想的掌握，較好地培養(yǎng)學生科技創(chuàng)新與工程實踐能力，很適合用于變頻調速技術等課程的教學。

［1］ 三菱FX系列可編程序控制器編程手冊［M］.三菱公司，2001.

［2］ EV1000系列通用變頻器用戶手冊［M］.艾默生網絡能源有限公司，2004.

［3］ 威綸EB8000軟件使用手冊［M］.臺灣威綸公司，2010.

（編輯： 啟 迪）

Development of Frequency Conversion Speed Regulator Based on PLC and Touch Screen

CHEN Qun，CHEN Weizhuo
（Nantong Textile Vocational Technology College,Nantong 226007,China）

This experiment equipment is mainly used for ac variable frequency speed regulation technology and related teaching demonstration.The equipment adopts industrial control device such as the PLC,inverter,touch screen. Through the PLC program design,inverter parameter Settings,touch screen operation,the operation of the motor speed and display is realized.

frequency control;PLC;touch screen

TP 272

A

1002－2333（2014）04－0134－03

陳群（1965—），女，副教授，研究方向為電氣自動化技術。

2014-01-10

江蘇省高等學校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃資助項目（201310958006Y）