基于觸摸屏的提升機(jī)變頻多級(jí)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高俊嶺 章佩佩 權(quán)保同 李國(guó)輝

摘要：論文詳細(xì)介紹了基于西門子S7系列PLC和觸摸屏的提升機(jī)變頻多級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用外部開關(guān)按鈕控制與觸摸屏控制兩種控制方式，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性得到了顯著提高。運(yùn)行情況也表明該系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，穩(wěn)定性較高，且采用觸摸屏控制使人機(jī)交互更加方便。

關(guān)鍵詞：西門子可編程控制器；變頻器；觸摸屏；多級(jí)調(diào)速

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各類設(shè)備并能方便地完成各類控制要求，它是標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制器的一種[1-2]。西門子PLC在自動(dòng)化控制領(lǐng)域中占據(jù)著主導(dǎo)地位，由于它體積小、運(yùn)行速度快、易于通訊、性能優(yōu)越等特點(diǎn)[3-4]。采用觸摸屏控制可以有效地降低系統(tǒng)外部接線的復(fù)雜程度，并且使PLC外部I/O點(diǎn)數(shù)的使用減少，同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的便利性也會(huì)提高[5-7] 。三相交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和速度是變頻器來控制的，它能實(shí)現(xiàn)多級(jí)調(diào)速。采用PLC和觸摸屏來控制變頻器以實(shí)現(xiàn)電機(jī)多級(jí)變速，其運(yùn)行結(jié)果證實(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠、穩(wěn)定性較高。

1 電機(jī)控制要求

1.1 電機(jī)拖動(dòng)重物過程，重物相對(duì)地面的位移與時(shí)間的關(guān)系

在電機(jī)拖動(dòng)重物移動(dòng)過程中，人為的安裝有4個(gè)光電限位開關(guān)。則位移-時(shí)間關(guān)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(shí)刻為電機(jī)正轉(zhuǎn)，重物上升， t3至t4時(shí)刻為電機(jī)停轉(zhuǎn)，重物保持靜止?fàn)顟B(tài)，t4至t7時(shí)刻為電機(jī)反轉(zhuǎn)，重物下降。

1.2 電機(jī)拖動(dòng)重物運(yùn)動(dòng)過程簡(jiǎn)述

1） 當(dāng)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(jī)啟動(dòng)，重物就會(huì)被提升，重物上升至限位開關(guān)2（x1）處時(shí)變頻器輸出頻率增加至30Hz。

2） 重物繼續(xù)上升到達(dá)限位開關(guān)3（x2）處時(shí)，變頻器輸出頻率又變?yōu)?5Hz，此時(shí)電機(jī)依舊向上提升重物，直至重物到達(dá)限位開關(guān)4（x3）時(shí)，變頻器輸出頻率0Hz，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，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?yōu)?5Hz，此時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)，重物下行，下降過程中經(jīng)過限位開關(guān)3（x2）時(shí)，變頻器又將輸出頻率增至30Hz控制電機(jī)，使重物繼續(xù)下行。

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

5） 系統(tǒng)重復(fù)以上步驟。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 多級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由開關(guān)電源、交流電源、觸摸屏、PC機(jī)、PLC、變頻器、電動(dòng)機(jī)和通信接口電路構(gòu)成。多級(jí)調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

2.1.1 電源模塊

該系統(tǒng)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(guān)電源，最后一路為單相交流220V給PLC供電。另外，開關(guān)電源可以把輸入的單相交流220V電源轉(zhuǎn)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(gè)控制系統(tǒng)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(guān)指令和觸摸屏指令的執(zhí)行中樞，同時(shí)它也是變頻器指令的觸發(fā)元件。它在自動(dòng)化控制領(lǐng)域中占據(jù)著主導(dǎo)地位，因?yàn)樗哂畜w積小、運(yùn)行速度快、通訊能力強(qiáng)、性價(jià)比高、性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)。

2.1.3 變頻器

變頻器主要由整流、濾波、逆變、驅(qū)動(dòng)單元、微處理單元、檢測(cè)單元等組成。通過開斷內(nèi)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(jī)的實(shí)際需求而定，從而達(dá)到對(duì)交流三相異步電機(jī)調(diào)速目的。

2.1.4 通信模塊

上位機(jī)（PC）經(jīng)過通信電纜與PLC進(jìn)行通信連接，而與觸摸屏進(jìn)行通信連接則是通過通信線，在上位機(jī)上完成對(duì)程序的編制調(diào)試后直接通過通信線下載到觸摸屏程序存儲(chǔ)器中，同時(shí)通過通信電纜將已完善的程序下載到PLC的程序存儲(chǔ)器中，而PLC與觸摸屏之間也是由通信電纜來進(jìn)行通信，觸摸屏上的按鍵指令和外部開關(guān)按鈕指令均加載到控制程序里以執(zhí)行相應(yīng)的操作，從而實(shí)現(xiàn)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(duì)三相異步電機(jī)進(jìn)行變頻多級(jí)調(diào)速。

2.2 多級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

圖3為系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)原理圖，其中圖3（a）為控制系統(tǒng)的主回路圖，三相交流電源380V經(jīng)過一組空氣開關(guān)再與變頻器相連，而變頻器輸出端又與三相異步電動(dòng)機(jī)相連控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。圖3（b）為其控制系統(tǒng)的控制回路圖，主單元為PLC，將外部按鈕開關(guān)和光電限位開關(guān)分別作為PLC的輸入，輸出接點(diǎn)則與變頻器相接。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC輸入輸出地址分配

開關(guān)量的輸入、輸出個(gè)數(shù)由系統(tǒng)的控制而定，因此開關(guān)量地址需要在PLC中對(duì)其進(jìn)行分配[8]。

I0.0～I(xiàn)0.2分別分配給外部開關(guān)按鈕，SB1為正轉(zhuǎn)或者上行按鈕、SB2為停止按鈕、SB3為反轉(zhuǎn)或者下行按鈕。

I0.3～I(xiàn)0.6分別分配給四個(gè)限位開關(guān)，用來作為多級(jí)調(diào)速的分界點(diǎn)，四個(gè)限位開關(guān)的位置安排為從下往上分別為限位開關(guān)1、限位開關(guān)2、限位開關(guān)3和限位開關(guān)4。

Q0.0、Q0.1作為變頻器控制端的輸入信號(hào)，用來控制變頻器的輸出電源相序，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)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(yǔ)言

PLC有5種編程語(yǔ)言，分別為順序功能流程圖、指令表、功能模塊圖、結(jié)構(gòu)化文本和梯形圖。

該系統(tǒng)采用的PLC編程語(yǔ)言為梯形圖，與其他語(yǔ)言相比較，該語(yǔ)言具備對(duì)應(yīng)性和直觀性的特點(diǎn)，因?yàn)樗c電氣結(jié)構(gòu)原理圖保持高度一致，使之更易于掌握。

3.3 觸摸屏設(shè)置

本系統(tǒng)采用臺(tái)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(tài)軟件Easy Builder8000，采用圖形化編程方法，根據(jù)需要設(shè)置參數(shù)，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(jī)通信，只要將設(shè)計(jì)好的人機(jī)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(yīng)的按鍵控制電機(jī)進(jìn)行多級(jí)調(diào)速，圖4為觸摸屏控制界面圖。

圖4中左側(cè)設(shè)置了3個(gè)虛擬控制按鈕，分別為上行、停止和下行控制按鈕，圖右側(cè)設(shè)有上行和下行的2個(gè)狀態(tài)指示燈，即當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)，重物上行，則上行指示燈就會(huì)常亮，當(dāng)按下停止鍵時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，上行指示燈熄滅。反之，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，重物下行，則下行指示燈常亮。而當(dāng)按下停止鍵時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，下行指示燈熄滅。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于觸摸屏的提升機(jī)變頻多級(jí)調(diào)速系統(tǒng)通過利用觸摸屏人機(jī)界面優(yōu)越的交互性和PLC強(qiáng)大的邏輯處理功能，在很大程度上減少了傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)多級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的接線數(shù)量，同時(shí)由于系統(tǒng)采用外部按鈕與觸摸屏的雙重控制，系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性也得到了明顯提升，給系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與維護(hù)帶來了更多便利。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李華.PLC的前景與未來[J].湖南科技學(xué)院院報(bào)，2012，13（7）：23-25.

[2] 李昀昭. 基于虛擬仿真和觸摸屏技術(shù)的PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2014，（1）：1-3.

[3] 西門子公司.S7-200可編程控制器系統(tǒng)手冊(cè)[M].2013.

[4] 張霞.淺談PLC控制步進(jìn)電機(jī)方法[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2014（11）.

[5] 崔建平，趙振，王秋敏.PLC和觸摸屏在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2007（8）：160-161.

[6] 曹亞麗，宋愛娟. PLC 電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 可編程控制器與工廠自動(dòng)化，2011.

[7] 柳鵬，趙榮祥，韓林.觸摸屏結(jié)合PLC在變頻電源中的應(yīng)用[J].機(jī)電工程，2003（3）：37-39.

[8] 鄒禮明，裴海龍，賀躍幫，等.基于PLC和觸摸屏的雙頭盲孔鉆機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，31（1）：139-141.