基于PLC和觸摸屏的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

0 引 言
    可編程邏輯控制器(PLC)以其編程簡單方便、控制穩(wěn)定可靠、功能強大等優(yōu)點通常作為控制器廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域。觸摸屏作為人機交互界面在一定程度上減少PLC的外部I／O點的使用以及減輕系統(tǒng)外部按鈕開關(guān)的連線復(fù)雜程度，同時也提高了運行維護的方便性。隨著工業(yè)現(xiàn)場對控制設(shè)備小型化、易操作化、智能化的要求的不斷提高，基于PLC和觸摸屏的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用前景將非常廣闊。本文采用三菱PLC(Fx2N－64MR)、海泰克觸摸屏(PWS6AOOT)、倫茨變頻器和外部按鈕實現(xiàn)兩臺三相異步電機的交流變頻調(diào)速實驗系統(tǒng)設(shè)計。實際運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，控制性能良好。

1 控制系統(tǒng)要求
    本套系統(tǒng)要求能夠?qū)崿F(xiàn)兩臺三相異步電動機的如下狀態(tài)的控制：正轉(zhuǎn)；反轉(zhuǎn)；停止；點動；加速；減速。要求可以由觸摸屏或外部按鈕實現(xiàn)上述功能，兩種開關(guān)量輸入方式互為冗余備用，以提高控制系統(tǒng)的可靠性。另外，對于各種開關(guān)量狀態(tài)及硬件不正常狀態(tài)需要指示燈顯示。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
    交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括：可編程控制模塊、控制指令輸入模塊、D／A轉(zhuǎn)換模塊、變頻器調(diào)節(jié)模塊。

2．1 模塊功能
2．1．1 可編程控制模塊
    該模塊是整個控制系統(tǒng)控制的核心處理器，是觸摸屏指令和按鈕開關(guān)指令的執(zhí)行中樞和變頻器指令觸發(fā)元件。
2．1．2 控制指令輸入模塊
    該模塊就是給PLC加載控制指令以實現(xiàn)相應(yīng)的輸出操作。這里指令輸入可由觸摸屏按鍵實現(xiàn)，也可以由外部開關(guān)按鈕實現(xiàn)，兩種指令輸入方式互為備用。為避免由按鈕開關(guān)指令實現(xiàn)眾多指令會導(dǎo)致接線復(fù)雜情況出現(xiàn)，可以對重要的開關(guān)量實現(xiàn)冗余備用，非重要開關(guān)量僅由觸摸屏按鍵實現(xiàn)。
2．1．3 D／A模塊
    D／A是將PLC輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓量以實現(xiàn)變頻調(diào)速的目的。此系統(tǒng)采用的FX2N－2DA模塊，該模塊有兩路模擬量輸出以實現(xiàn)對兩臺變頻器的控制。
2．1．4 變頻器調(diào)節(jié)模塊
    變頻器可根據(jù)PLC加載在其輸入控制端子的指令執(zhí)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，能夠執(zhí)行三相異步電動機的各種工作狀態(tài)。
2．2 模塊通信
    PC機通過專用電纜與PLC模塊和觸摸屏模塊進行通信連接，編制調(diào)試程序完畢可以直接下載到觸摸屏和PLC各自程序存儲器。PLC模塊與觸摸屏之間由專用電纜連接，觸摸屏按鍵指令可以由通信電纜加載到控制程序以執(zhí)行相應(yīng)的操作。另外，外部按鈕指令直接加載在PLC輸入端以實現(xiàn)相應(yīng)的指令操作。PLC與D／A模塊由擴展電纜連接，將PLC輸出數(shù)字量轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的兩路電壓信號加載到變頻器輸入端子以實現(xiàn)調(diào)速控制。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
3．1 PLC程序設(shè)計
3．1．1 輸入、輸出地址分配
    根據(jù)控制系統(tǒng)要求，確定開關(guān)量輸入、輸出數(shù)量并對PLC分別地址分配。
    X00～X04、X10～X14分別分配給電動機1、2的開關(guān)量輸入端子(包括正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、點動、停止)和變頻器故障輸入端子。
    Y00～Y04、Y10～Y14分別分配給電動機1、2的開關(guān)量輸出指示(包括正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、點動、停止)和觸摸屏故障指示。
    Y20～Y22、Y30～Y32分別連接兩臺變頻器的E1、E2和28控制端子。其中，E1端子功能為高電平時激活固定給定轉(zhuǎn)速；E2端子控制旋轉(zhuǎn)方向；28端子控制電機啟動和停止。
    M00～M05、M10～X15分別分配給觸摸屏的1、2按鍵指令的PLC寫入地址(包括正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、點動、加速、減速、停止)。
    此外，寄存器D1、D2分別為存儲兩臺電機的D／A待轉(zhuǎn)換數(shù)值，寄存器M8000監(jiān)視PLC運行狀態(tài)。
3．1．2 程序流程設(shè)計
    PLC程序采用三菱FXGP－WIN－E編程軟件實現(xiàn)，程序采用模塊化、功能化結(jié)構(gòu)，便于擴展應(yīng)用，對應(yīng)的程序流程圖如圖2所示。

3．2 觸摸屏程序設(shè)計
    本系統(tǒng)的觸摸屏人機交互界面的開發(fā)平臺，采用海泰克觸摸屏的Hitech ADP編程軟件實現(xiàn)。該軟件類似于組態(tài)軟件，采用圖形化的編程方法，只需將相關(guān)元件拖到預(yù)先定義的畫面上，根據(jù)需要設(shè)置相關(guān)參數(shù)、合理配置PLC寫入地址即可完成操作。
    Hitech ADP編程軟件對編程PC機要求不高，利用觸摸屏自帶RS 232串口或者USB接口通信，將設(shè)計完成后的人機交互界面下載到觸摸屏。對于兩臺電動機分別設(shè)計了正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、點動、加速、減速、停止以及速度顯示控鍵，可由相應(yīng)的控鍵實現(xiàn)對電機運轉(zhuǎn)狀態(tài)的控制和監(jiān)控。觸摸屏上電后自動進入所設(shè)計的畫面，操作人員可以根據(jù)需要直接通過人機交互的方式，對下位機PLC進行控制。人機界面如圖3所示。

4 結(jié) 語
    基于可編程控制器和觸摸屏的三相異步電機的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)充分利用了PLC強大的邏輯處理功能和人機界面的良好的交互性，避免傳統(tǒng)的繼電器一接觸器控制電路的復(fù)雜接線，降低了對運行人員的技術(shù)要求；同時對重要開關(guān)輸入量實現(xiàn)觸摸屏按鍵和外部按鈕冗余備用模式，提高了系統(tǒng)的可靠性，為現(xiàn)場操作人員對運行過程的實時監(jiān)控和維護帶來了方便。同時，本系統(tǒng)作為專業(yè)實驗室綜合試驗系統(tǒng)的子系統(tǒng)之一，將理論與實際相結(jié)合，對學(xué)生掌握新技術(shù)新理念，提高動手能力，有很好的指導(dǎo)意義和現(xiàn)實意義。