PLC—變頻器電機控制實驗臺的設計與實驗項目的開發

王曉紅 李欣

摘要：介紹了PLC-變頻器實驗臺的硬件組成、軟件實現的功能，并結合實驗臺開發了新的實驗項目，通過實驗項目的實施，將當今在自動控制領域廣泛應用的PLC、變頻器及觸摸屏技術引入教學，提高學生工程素質，培養學生創新精神。

關鍵詞：S7-200 PLC；變頻器；觸摸屏

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）37-0241-02

在當今自動化控制領域，PLC、變頻器、觸摸屏技術的綜合應用相當廣泛，PLC具有功能強、可靠性高等一系列優點；變頻器節能、高效、有利于提高經濟效益；觸摸屏逐步取代過去設備的操作面板和指示儀表，成為應用越來越廣泛的人機界面（HMI）。通過將這三種控制技術引入到實驗教學中，使學生在校期間就能掌握當今自動化控制領域的流行技術，從而培養滿足社會需要的高素質的工程技術人才。

一、PLC-變頻器實驗臺實現的功能

實驗臺控制系統采用西門子的SMART LINE 700觸摸屏、S7-224 PLC及SINAMICS V20變頻器，可通過觸摸屏和外部按鈕兩種冗余方式控制交流電動機的運行，功能具體如下：①通過觸摸屏控制交流電動機的運行狀態，在線設置電機的運行速度，可同時設置三段運行速度；變頻調速速度上限設為50Hz，超過此設定范圍，觸摸屏顯示報警信息；觸摸屏能實時顯示交流電動機的運行速度曲線。②在觸摸屏失效的情況下，可通過實驗臺面板上的起停按鈕控制交流電動機的運行。

二、PLC-變頻器實驗臺硬件設計

實驗臺硬件主要包括S7-224 PLC、SINAMICS V20變頻器、SMART LINE 700觸摸屏、直流穩壓電源，電氣原理圖如圖1所示。直流穩壓電源為觸摸屏、PLC提供24V直流電源；PLC的輸入端子I0.0接變頻器的DO2輸出端子作為上電指示；PLC的Q0.0接中間繼電器K1，K1的常開觸點接變頻器的DI1端子用于交流電機的起停控制；PLC的Q1、Q0.2、Q3分別接中間繼電器K2、K3、K4，K2、K3、K4的常開觸點接變頻器的DI2、DI3、DI4端子用于進行交流電機的多段速度控制；PLC的I0.2、I0.3分別接手動按鈕SB1、SB2，實現交流電動機起停的手動控制。

三、PLC-變頻器實驗臺軟件設計

實驗臺軟件設計包括觸摸屏監控界面的設計和PLC控制軟件的設計兩部分，觸摸屏監控界面的設計在西門子的WinCC flexible組態軟件中完成；PLC控制系統的設計采用西門子的STEP7-Micro/WIN32編程軟件；WinCC flexible組態軟件和STEP7-Micro/WIN32編程軟件都是基于Windows的應用軟件，控制軟件設計完成后，通過專用電纜分別與觸摸屏、PLC連接通信，然后將程序下載到觸摸屏、PLC中。

（一）觸摸屏界面的設計

觸摸屏是PLC-變頻器實驗臺的人機界面，實現對交流電動機的實時控制，包括起停控制、運行速度設置；速度越界報警顯示；實時顯示交流電動機運行速度曲線及運行時間。可根據需要設計靈活多變的組態界面，PLC-變頻器實驗臺人機界面組態包括啟動界面、主界面和PLC-變頻器實驗臺介紹界面3個畫面，觸摸屏開啟后，首先進入啟動界面，在啟動界面上可選擇進入主界面和實驗臺介紹界面。①主界面的設計。主界面是PLC-變頻器實驗臺的控制、畫面及數據顯示平臺，實驗臺所有的控制、實時數據和畫面顯示都在主界面中實現，主界面設計如圖2顯示。在主界面中，通過按鈕對交流電機進行起停控制，可同時設定3個運行速度及每個速度所運行的時間，所有速度均以頻率的方式表示，最高上限頻率為50Hz，運行曲線實時繪出交流電機的運行速度，并在實際值中顯示現在的運行速度；左下角的方形按鈕為手動控制與觸摸屏控制方式的切換按鈕。②PLC-變頻器實驗臺介紹界面。在主界面中點擊“實驗臺介紹”進入此界面，介紹實驗臺所能實現的功能，對該設備的操作進行說明。

（二）觸摸屏與PLC之間的通信建立

觸摸屏人機界面設計組態軟件WinCC flexible采用圖形化的編程手法，WinCC flexible與S7-224 PLC之間通信步驟設計如下：①設備連接。利用專用通信電纜將觸摸屏的通信端口與S7-200串行端口連接，在Wincc flexible“設備工具箱”中添加“通用串口設備”，雙擊可修改設備屬性，波特率為9600；觸摸屏設備地址為1，PLC設備地址為2。②定義變量。變量是PLC與觸摸屏之間傳遞信息的媒介，在工作臺窗口中選擇“變量”，通過“新增變量”來添加變量，也可以在監控畫面中通過雙擊指示燈、按鈕等元件，彈出屬性窗口，選擇“動畫連接”的方式實現在完成動畫連接的同時定義數據庫變量。這些變量與PLC的輸入輸出及內部變量一一對應，在觸摸屏界面上的所有操作改變它的內部變量，通過變量將信息傳遞到PLC，實現觸摸屏對交流電機運行的真正監控。

（三）PLC控制程序設計

編寫PLC控制程序首先要確定PLC的輸入、輸出量并進行地址分配，本實驗臺PLC通過三個中間繼電器實現變頻器多段轉速控制，Q0.0～Q0.3分別用于控制電動機的起動/停止、三段速度轉換，I0.0分配給變頻器上電顯示；I0.1、I0.2連接手動起、停按鈕。PLC控制系統的編程采用模塊化編程方法，主要包括主控模塊、初始化模塊、變頻器控制模塊、手動控制模塊。

四、PLC—變頻器電機控制實驗臺實驗項目的開發

結合PLC—變頻器電機控制實驗臺開發了相關的實驗項目，根據實驗項目的要求，學生自擬實驗方案，獨立完成實驗的全過程，撰寫實驗報告。

（一）觸摸屏—PLC組態界面的設計

學生首先要熟悉WinCC flexible組態軟件的編程環境；然后以實驗臺的觸摸屏組態程序為范例，學習組態軟件的編程方法；最后要求學生自己設計控制畫面，在學生進行控制畫面的設計過程中，培養了學生自主設計、創新的能力。

（二）PLC—變頻器交流電機控制程序的設計

學生首先要學會STEP7-Micro/WIN32軟件編程的使用，懂得變頻器的工作原理；清楚觸摸屏、手動按鈕兩種方式控制交流電機運行的工作流程；最后要求學生編寫PLC控制程序。通過本實驗的完成使學生了解PLC的工作原理，掌握PLC的編程、調試方法。

五、結束語

觸摸屏、PLC及變頻器是當今控制領域中應用廣泛的技術，通過開發新的實驗設備，設計新的實驗項目，將這些應用技術引入實驗教學中，使學生掌握簡單的控制系統的設計方法，培養學生分析、解決問題的能力，自主學習的能力，工程技術應用與創新的能力。

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