基于觸摸屏的提升機變頻多級調速系統設計

高俊嶺 章佩佩 權保同 李國輝

摘要：論文詳細介紹了基于西門子S7系列PLC和觸摸屏的提升機變頻多級調速系統的硬件結構和軟件設計。該系統采用外部開關按鈕控制與觸摸屏控制兩種控制方式，系統運行的可靠性得到了顯著提高。運行情況也表明該系統運行安全可靠，穩定性較高，且采用觸摸屏控制使人機交互更加方便。

關鍵詞：西門子可編程控制器；變頻器；觸摸屏；多級調速

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）03-0245-02

Abstract：The design of hardware and software of variable frequency multistage speed regulation system of hoist Based on SIEMENS S7 series plc and touch screen are introduced. The variable frequency multistage speed regulation system is controlled by external switch button and touch screen so that the reliability of system operation has been significantly improved.The operation results proves that the variable frequency multistage speed regulation system is safe and reliable，also the stability is higher，and that controlled by touch screen make the human-computer interaction more convenient.

Key words：SIEMENS PLC； frequency transformer； touch screen； multi-stage speed regulation

可編程控制器可以控制工業現場的各類設備并能方便地完成各類控制要求，它是標準工業控制器的一種[1-2]。西門子PLC在自動化控制領域中占據著主導地位，由于它體積小、運行速度快、易于通訊、性能優越等特點[3-4]。采用觸摸屏控制可以有效地降低系統外部接線的復雜程度，并且使PLC外部I/O點數的使用減少，同時系統運行維護的便利性也會提高[5-7] 。三相交流電動機的轉矩和速度是變頻器來控制的，它能實現多級調速。采用PLC和觸摸屏來控制變頻器以實現電機多級變速，其運行結果證實，系統運行安全可靠、穩定性較高。

1 電機控制要求

1.1 電機拖動重物過程，重物相對地面的位移與時間的關系

在電機拖動重物移動過程中，人為的安裝有4個光電限位開關。則位移-時間關系圖形如圖1所示：

從圖1中可知，重物初始位置接近在地面，從0至t3時刻為電機正轉，重物上升， t3至t4時刻為電機停轉，重物保持靜止狀態，t4至t7時刻為電機反轉，重物下降。

1.2 電機拖動重物運動過程簡述

1） 當按下觸摸屏上的上行按鈕或外部上行按鈕（SB1），PLC控制變頻器使其輸出頻率為15Hz，變頻器控制三相異步電機啟動，重物就會被提升，重物上升至限位開關2（x1）處時變頻器輸出頻率增加至30Hz。

2） 重物繼續上升到達限位開關3（x2）處時，變頻器輸出頻率又變為15Hz，此時電機依舊向上提升重物，直至重物到達限位開關4（x3）時，變頻器輸出頻率0Hz，電機停止轉動，并保持5s。

3） 5s后變頻器輸出電源改變其相序，并且輸出頻率也由0Hz變為15Hz，此時電機反轉，重物下行，下降過程中經過限位開關3（x2）時，變頻器又將輸出頻率增至30Hz控制電機，使重物繼續下行。

4） 重物一直下行直至限位開關2（x1）處時，變頻器再次改變頻率為15Hz控制電機反轉向下釋放重物。待重物下降至限位開關1（位移接近為0）時，變頻器輸出頻率0Hz，電機停止轉動。

5） 系統重復以上步驟。

2 控制系統的硬件設計

2.1 多級調速系統的硬件結構

控制系統的硬件結構主要由開關電源、交流電源、觸摸屏、PC機、PLC、變頻器、電動機和通信接口電路構成。多級調速系統硬件結構圖如圖2所示：

2.1.1 電源模塊

該系統的交流電源有三路，一路為三相交流380V為變頻器供電，另一路為單相交流220V輸入開關電源，最后一路為單相交流220V給PLC供電。另外，開關電源可以把輸入的單相交流220V電源轉變成直流24V電源并將其輸出為觸摸屏供電，使其正常工作。

2.1.2 可編程控制器

整個控制系統的核心是可編程控制器，這里選用西門子S7系列的PLC，它是外部按鈕開關指令和觸摸屏指令的執行中樞，同時它也是變頻器指令的觸發元件。它在自動化控制領域中占據著主導地位，因為它具有體積小、運行速度快、通訊能力強、性價比高、性能優越等優點。

2.1.3 變頻器

變頻器主要由整流、濾波、逆變、驅動單元、微處理單元、檢測單元等組成。通過開斷內部的IGBT來控制變頻器輸出的電源電壓和頻率，變頻器所提供的電源電壓是由電機的實際需求而定，從而達到對交流三相異步電機調速目的。

2.1.4 通信模塊

上位機（PC）經過通信電纜與PLC進行通信連接，而與觸摸屏進行通信連接則是通過通信線，在上位機上完成對程序的編制調試后直接通過通信線下載到觸摸屏程序存儲器中，同時通過通信電纜將已完善的程序下載到PLC的程序存儲器中，而PLC與觸摸屏之間也是由通信電纜來進行通信，觸摸屏上的按鍵指令和外部開關按鈕指令均加載到控制程序里以執行相應的操作，從而實現雙重控制，互為冗余。PLC模擬量輸出端接到變頻器的輸入端用以控制變頻器的頻率輸出，最終對三相異步電機進行變頻多級調速。

2.2 多級調速系統的電路設計

圖3為系統的電路設計原理圖，其中圖3（a）為控制系統的主回路圖，三相交流電源380V經過一組空氣開關再與變頻器相連，而變頻器輸出端又與三相異步電動機相連控制電機轉速。圖3（b）為其控制系統的控制回路圖，主單元為PLC，將外部按鈕開關和光電限位開關分別作為PLC的輸入，輸出接點則與變頻器相接。

3 控制系統的軟件設計

3.1 PLC輸入輸出地址分配

開關量的輸入、輸出個數由系統的控制而定，因此開關量地址需要在PLC中對其進行分配[8]。

I0.0～I0.2分別分配給外部開關按鈕，SB1為正轉或者上行按鈕、SB2為停止按鈕、SB3為反轉或者下行按鈕。

I0.3～I0.6分別分配給四個限位開關，用來作為多級調速的分界點，四個限位開關的位置安排為從下往上分別為限位開關1、限位開關2、限位開關3和限位開關4。

Q0.0、Q0.1作為變頻器控制端的輸入信號，用來控制變頻器的輸出電源相序，從而實現電動機正反轉控制。

觸摸屏的上行、停止和下行按鍵指令的PLC寫入地址為M0.0～M0.2。

3.2 PLC的編程語言

PLC有5種編程語言，分別為順序功能流程圖、指令表、功能模塊圖、結構化文本和梯形圖。

該系統采用的PLC編程語言為梯形圖，與其他語言相比較，該語言具備對應性和直觀性的特點，因為它與電氣結構原理圖保持高度一致，使之更易于掌握。

3.3 觸摸屏設置

本系統采用臺灣威綸通科技有限公司的MT6000系列觸摸屏，并配合該公司的組態軟件Easy Builder8000，采用圖形化編程方法，根據需要設置參數，再合理配置PLC的寫入地址。MT6000系列觸摸屏利用自帶的USB接口與PC機通信，只要將設計好的人機交互界面下載到觸摸屏，觸摸屏與PLC通信之后就可以用相應的按鍵控制電機進行多級調速，圖4為觸摸屏控制界面圖。

圖4中左側設置了3個虛擬控制按鈕，分別為上行、停止和下行控制按鈕，圖右側設有上行和下行的2個狀態指示燈，即當電機正轉，重物上行，則上行指示燈就會常亮，當按下停止鍵時，電機停止轉動，上行指示燈熄滅。反之，電動機反轉，重物下行，則下行指示燈常亮。而當按下停止鍵時，電機停止轉動，下行指示燈熄滅。

4 結束語

基于觸摸屏的提升機變頻多級調速系統通過利用觸摸屏人機界面優越的交互性和PLC強大的邏輯處理功能，在很大程度上減少了傳統電動機多級調速系統的接線數量，同時由于系統采用外部按鈕與觸摸屏的雙重控制，系統的穩定性與可靠性也得到了明顯提升，給系統的實時監控與維護帶來了更多便利。

參考文獻：

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