基于PLC、變頻器、觸摸屏控制皮帶輸送機三段調速

李曉寧

摘 要 本文以皮帶輸送機控制系統為例，詳細給出該系統的PLC硬件設計，觸摸屏人機界面設計、變頻器參數設置和系統程序設計，有效體現了PLC、觸摸屏、變頻器三位一體，觸摸屏成為人機對話的界面，變頻器成為PLC的主要執行機構。在電類及相關專業教學中將傳統學科體系課程的《PLC應用技術》、《變頻器技術》、《觸摸屏技術》進行整合，探討搭建一個融合多項技術平臺的可能性，以適應現代企業的電氣控制要求，使教學內容跟上機電行業新技術發展的步伐，提高學生的學習興趣。

關鍵詞 PLC 觸摸屏 變頻器 皮帶輸送機

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A

0前言

可編程控制器是電氣控制系統的控制核心，它可以實時控制工業現場的各類設備，很方便的完成各類控制要求。通過幾十年的發展，PLC已經走進工業生產和日常生活的各個方面，所以學校的電類和相關專業也因其重要性，逐漸將其加入到教學計劃中，并且PLC與工業機器人、CAD/CDM成為現代工業控制的三大支柱之一。由于可編程控制器工業控制在現代企業中常常與變頻器技術，觸摸屏技術等多項技術有關，因此學校在教學中，對應開設有《PLC應用技術》、《變頻器技術》、《觸摸屏技術》等相關課程，但是如此教學體系的劃分，不但導致可是占用過多，而且可能導致知識點稱為分散、單項的存在，各學科間的銜接不緊湊，甚至出現互相扯皮的現象。學生在畢業后對于由多項技術構成的相對復雜的控制系統，存在技術單一，不能全面掌握、靈活應用等現象。本文以皮帶輸送機為例，詳細給出了該系統的PLC硬件設計、觸摸屏MCGS人機界面設計、變頻器參數設置和系統程序設計，探討搭建一個整合PLC、觸摸屏、變頻器相關知識的平臺的可能性，期待實現教學內容與現代工業生產實際的需要相契合。

1皮帶輸送機控制要求

某工廠有一條皮帶輸送機，由觸摸屏、PLC、變頻器控制，控制要求如下：控制系統分為手動調試和自動運行兩種模式。手動調試分別按下正轉、反轉、皮帶輸送機有相應的動作，高速50HZ、中速30HZ、低速10HZ;手動調試要求觸摸屏有相應的顯示。自動運行，按下正轉啟動按鈕后皮帶輸送正轉50 HZ高速運行，5S后中速30 HZ運行，3S后10 HZ低速運行，5S后皮帶輸送機停止，3S后皮帶輸送反轉10HZ低速運行，5S后中速30HZ運行，3S后高速50 HZ運行，5S后皮帶輸送機停止完成一個周期。當皮帶輸送機運行過程中按下停止按鈕皮帶輸送機應立即停止。自動運行要求觸摸屏有相應的顯示。

2電氣元件的選擇

2.1 PLC的選擇

2.1.1 PLC生產廠家的選擇

確定PLC的生產廠家，主要應該考慮設備用戶的需求。

輸入輸出（I＼O）點數的估算：PLC的輸入輸出（I＼O）點數是PLC的基本參數之一，（I＼O）點的確定應以控制設備所需的所有輸入輸出點的總和為依據。在一般情況下，PLC（I＼O）的點應該有適當的余量，通常根據統計的輸入輸出點數，再增加10%—20%的可擴展余量后，作為輸入輸出點數的估算數據。

2.1.2 PLC存儲容量的估算

PLC存儲器容量是指可編程控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，各種PLC的存儲容量大小可以從該PLC的參數表中找到。程序容量是存儲器中用戶程序所使用的存儲單元的大小，因此存儲器容量應大于程序容量。

2.1.3 PLC通訊功能的選擇

為減輕CPU通信任務，根據網絡組成的實際需要，應選擇具有不同通信功能（如點對點、現場總裁、工業以太網等）的通信處理器。

2.1.4 PLC機型的選擇

按結構分成整體型和模塊型兩類，整體型的點數較少且相對固定，通常用于小型控制系統。這一類PLC的代表有西門子 的S7-200系列。三菱公司的FX的系列，歐姆龍公司的CPMIA系列等。總之選用的一般原則：方便性、通用性和兼容性。

2.2觸摸屏的選擇

根據功能、尺寸、安裝、質量、價格來選擇 ，顯示尺寸主要按使用場所不同來確定，常用的有7寸-65寸。樣式，按使用場所不同來選擇，目前有背掛式、吊頂式、落地式。實訓室選用三菱。

2.3變頻器的選擇

一般根據電機的額定電流，然后查變頻器的樣本，樣本上標示的重載應用有個連續電流量，一般變頻器的額定輸出電流只要超過電機的額定電流就行。根據皮帶輸送機的控制要求，確定系統輸入輸出端子數目，選用三菱FX2N-40MR，有24個輸入端和16個輸出端;確定系統速度的變化，選用三菱通用變頻器FR-D700，有15速調速，可以滿足系統控制要求。觸摸屏選用Kinco步科觸摸屏。

3 PLC的硬件設計

3.1輸入/輸出端子設計

3.1.1輸入端子

根據系統控制要求，皮帶輸送機正轉、反轉、高速、中速、低速、停止占用六個輸入端子，同時這些相應操作按鈕也與人機界面組態按鈕相對應，既能單獨調試PLC的程序，又能單獨用觸摸屏來控制。操作按鈕可以使用人機界面組態按鈕來實現，不需要占用輸入端子。

3.1.2輸出端子

系統中的變頻器調速使用5個功能端，占用5個輸出端子。而運行指示燈、電源指示燈使用觸摸屏插入元件構件實現，各個工作區速度顯示使用觸摸屏實現，不占用端子。

3.2 PLC輸入/輸出端子分配

系統中皮帶輸送機手動調試與自動運行在觸摸屏首頁設置為觸摸鍵，分別鏈接到調試界面與運行界面，運行指示燈和電源指示燈設置為觸摸屏插入元件指示燈顯示，三個工作區速度通過PLC把數據傳給寄存器D0，再由觸摸屏顯示出來。

3.3 PLC硬件連接圖

根據皮帶輸送機控制要求和PLC輸入輸出端子分配情況，設計皮帶輸送機控制系統硬件連接圖。其中觸摸屏和PLC之間通訊使用“RS—485轉換器”專用通信電纜。

4觸摸屏MCGSE人機界面設計

打開Ev500-V1.6-CHS組態軟件，根據觸摸屏的類型選擇MT4300C，設計人機界面畫面。為了能夠達到利用觸摸屏操作畫面實時操作皮帶輸送機的效果，必須將人機界面中的圖形對象和PLC中的編程軟元件進行關聯，如表1所示。并對相應的圖示部件進行組態參數的設定，最后通USB通訊線將組態畫面下載到觸摸屏上。

5變頻器參數設置

通用變頻器絕大多數是交—直—交型變頻器，其主要是由整流回路（交—直變換）、直流濾波電路（能耗電路）及逆變電路（直—交變換）組成，還包括有限電流電路、制動電路、控制電路等組成部分。變頻器的使用主要是通過改變變頻器的輸出頻率從而改變電動機的轉速，以便獲得滿意的交流電動機調速效果。變頻器常見的頻率給定信號的方式有操作板給定，外部端子信號給定，模擬信號給定，脈沖信號給定，和通信方式給定等。根據控制要求，采用變頻器外部端子STF、STR、RH、RM、RL來進行調速。通過查找三菱通用變頻器FR-D700使用說明，確定變頻器參數設置。

表1：參數設置表

6系統程序設計

PLC程序設計法有經驗法、順序控制設計法。其中順序控制設計法是一種新穎的，按照生產工藝順序進行的編程設計方法，它簡單易學，很容易被初學者接受，有經驗的工程師使用順序控制設計法，也會提高設計的效率，程序調試、修改和閱讀也更方便。現根據皮帶輸送機的控制要求，啟動FXGPWIN軟件，新建文件，選擇所使用的PLC類型FX2N，編制的梯形圖（略）。在皮帶輸送機控制系統中，要求停止按鈕在任何時候都可以按下，而且不管在任何時候按下停止按鈕，系統立刻停止，同時Y4用來輸出皮帶輸送機正轉，Y3用來輸出皮帶輸送機反轉，Y2用來輸出高速，Y1用來輸出中速，Y0用來輸出低速，自動運行部分，用X6作為啟動按鈕，用T0，T1，T2，T3，T4，T5，T6來控制高中低速的變化，X5為停止按鈕。當Y2，Y1，Y0線圈得電時，把對應頻率傳給一個寄存器D0，再由觸摸屏顯示出來。

7結束語

傳統教學體系是根據課程內容的結構，按照知識點、技能點劃分，期望通過學科教學進度，有序形成學生的職業技能。但實際上這種教學體系的分割造成了學生職業技能技術單一，缺乏對多項技術綜合利用的能力，不能完全符合職業技能的系統性要求。本文旨在探討將多個學科的知識點進行整合，使用一個完整的項目，給學生營造一個真正的工作情景，以此來解決教學過程中職業技能培養培養在專業課程中單項、分散、關聯性弱、不成系統的問題。實踐證明;基于PLC變頻器觸摸屏綜合利用自動生產線控制系統有效體現了PLC、觸摸屏、變頻器三位一體，觸摸屏稱為人機對話的界面，變頻器稱為PLC的主要執行機構，能適應可編程控制器在現代企業的應用常常與變頻器、觸摸屏技術等多項技術構成現代電器控制系統的現實需要，是多學科知識點整合的一次成功嘗試，是教學內容跟上機電行業新技術發展的步伐，對以后教學內容整合改革有一定的指導意義。

參考文獻

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