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基于PLC与触摸屏的异步电动机变频调速设计

2020-02-10 15:28

  作者: TouchScreen 时间:2012-05-08 源于:中国触摸屏网总点击:

  【导读】:PLC作为工业控制自动化技术的核心,应用十分广泛,如果配以触摸屏与变频器,更能进一步提升自动化程度。文章以单台异步电动机的变频控制为例,介绍了系统的构成、变频器参数的设置、PLC 程序与西门子触摸屏设计的过程和方法。

  摘要:PLC 作为工业控制自动化技术的核心,应用十分广泛,如果配以触摸屏与变频器,更能进一步提升自动化程度。文章以单台异步电动机的变频控制为例,介绍了系统的构成、变频器参数的设置、PLC 程序与西门子触摸屏设计的过程和方法。该系统具有界面直观、实时动态性能良好、操作方便等特点,具有较高的推广价值。

  三相异步电动机可采用多种方式来实现调速,其中的变频调速具有调速精度高、保护功能完善、过载能力强、节能显著、使用维护方便、智能化程度高和易于实现复杂控制等优点,已逐渐取代了过去的传统调速方式,在工业应用领域得到推广应用。PLC(可编程序控制器)作为电机一体化器件,具有丰富的模块功能及灵活的组态特点,在此基础上利用触模屏作为人机交相界面,既可以提高系统的可靠性,又可以灵活组态,使操纵变得简单生动。以下以实际生产设备的变频调速为例,论述基于PLC 与触摸屏的电机变频调速系统的设计。

  (1)电动机能实现单独的低速(10 Hz)、高速(30Hz)正反转控制,具有低速正转点动功能;选择高速运行时,必须先进行低速启动一段时间(由触摸屏设定)后才转入高速运行,以上功能既可用外接按钮,也可用触摸屏控制。

  (2)当电动机工作在低速或高速正反转运行的状态下,按下停止后,电动机必须以直流制动方式进行停车,制动时间为2 s,直流制动的计时时间由触摸屏显示。

  (3)低速正转点动功能控制要求为:①停车时,按下点动按钮,电动机实现低速正转运行,松开按钮后,电动机自动实现按低速直流制动方式停车;②当电动机低速正转运行,按下点动按钮,电动机继续正转运行,松开按钮后,电动机自动实现按低速直流制动方式停车;③无论电动机在低速反转、高速正反转运行的任何状态下,按下点动按钮后,电动机先自动实现直流制动方式停车,然后再进行低速正转运行,松开按钮后,电动机自动实现低速直流制动停车。

  电动机有低速正、反转,高速正、反转及停止5种状态,所以变频器应接受5 个输入状态指令。变频器的控制方式多种多样,常用的有数字量控制,其它的是模拟量、通讯控制等,通常该类装置属于现地控制,电动机与控制装置相距不远,因此采用数字量控制,由PLC 输出。

  现代变频器均具有直流制动功能,当电动机运行时,输入停车指令,变频器立即停止输出,随后将直流电源叠加到电动机的两相绕组上,使得电动机立即由转动状态变为停止状态,实现此功能只需在变频器内作相应的参数设置。

  电动机由停车状态进入运行状态,即可正转亦可反转;处于某一速度运行时,可以变向,因此需要在外部及触摸屏上设置运行方向选择按钮。当电动机处于低速状态时按压高速运行按钮,可否直接转入高速运行?或是经过延时后转入高速运行?这些不同的考虑会影响到PLC 程序的编写,应该从生产设备的实际情况来决定。

  根据以上分析,得出PLC 输入点有5 个,来自按钮;3 个输出点,占用Q0.2,Q0.1,Q0.0;Q0.2 控制运行方向,Q0.1 与Q0.0 状态为“01”时,电机低速运行;为“10”时,电机高速运行;为“00”时,电机停止运行。

  随着自动化技术的发展,PLC、触摸屏等自动化产品的种类也越来越多。不同型号的PLC,其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同,适用的场合也各有侧重。因此,合理选用对于提高PLC 控制系统的技术经济指标是非常重要的。PLC 的选择主要应从PLC 的机型、I/O 模块、工作环境、通信网络、与监控系统的通信、可延性、售后服务与技术支持性价比等方面加以综合考虑。此设计的I/O 点数较少,仅与触摸屏通讯,无通讯网络。

  从售后服务与技术支持、维护方便及市场占有率考虑,全部采用西门子的产品,设计有:①S7-200CPU224;②变频器MM420;③触摸屏K-TP178,Micro。硬件接线 PLC 程序设计

  为使程序的结构清晰,便于设计与维护,整个程序由主程序、低速子程序和高速子程序3 部分构成。

  (1)低速子程序:主要采用顺序控制继电器指令(LSCR,SCRT,SCRE),分为四步。第一步根据方向选择(M20.0 的状态)的不同进入第二步即正转或第三步即反转;在第二步中,将二进制的1 送入QB0,然后判断M20.0 是否变位,若变位则跳转至第三步,接着判断是否出现需要制动停车的情况,若符合,则跳转至第四步(制动停车);在第三步中,将二进制的101 送入QB0,然后判断M20.0 是否变位,若变位则跳转至第二步,接着判断是否出现需要制动停车的情况,若符合,则跳转至第四步(制动停车);在第四步中,将二进制的0 送入QB0,同时启动定时2 s 的定时器T38。当T38 时间到,如果点动按钮仍按下,则跳转至第二步,否则退出子程序。

  MM420 一共有4 个数字输入端,默认的是5,6,7号,3 号端子默认是模拟输入,可以通过参数设置扩展为第4 个数字输入端。该设计即可用4 个数字输入端,也可以只要默认的3 个数字输入端,下面的设置只利用默认的3 个数字输入端。P0304-P0311 为电机参数,按铭牌输入,其它参数如下:P0700=2,P1000 =3,P0701 =16,P0702 =16,P0703=12,P1001 =10,P1002=30,P1233=2。

  (2) 为了满足触摸屏与PLC 之间的数据交换,设置如下变量:“低速启动时间与直流制动计时”的数据类型为Int,作定时时间设定与制动计时显示用,寻址PLC 的VW。“低速运行、高速运行、换向运行、低速正转点动、停止、显示低速、显示高速、显示停止、电脑控制电机显示运行方向、显示制动”的数据类型均为Bool,分别与PLC 某一位元件对应,其中“低速运行、高速运行、换向运行、低速正转点动、停止”作控制用、“显示低速、显示高速、显示停止、显示运行方向、显示制动”用于电动机工作状态显示。

  设计过程中可能会遇到各种问题,可采用分段调试,这样便于发现错误,及时更正。实际中,首先PLC 接上按钮,按下列顺序调试:①主程序;②低速子程序;③高速子程序。通过观察PLC 输出点的表示灯判断程序的正确与否,然后接上触摸屏。变频器设置好参数后,单独外接纽子开关调试。调试中应注意:触摸屏的采集周期设置100MS;K-TP 178 Micro 采用串口通讯,不能热插拔;触摸屏设定的时间为秒,PLC 中要用MUL 指令转换后作为定时器的定时值。待分段调试完成后,联机调试。结果表明,全部实现各种功能要求,电机运行良好。

  PLC 与变频器组成的交流调速系统具有响应速度快、节省能源与投资等特点。触摸屏的操作方便、实时性好,能够直观反映设备的工作状态,减轻工作人员的劳动强度。如果有多台电机需要联动控制,可进一步通过RS485 方式的多机通讯来实现,提高系统的自动化水平,具有推广价值。

  [1] 廖常初.西门子人机界面(触摸屏)组态与应用技术[M].北京:机械工业出版社,2008.[2] 廖常初.PLC 编程及应用[M].北京:机械工业出版社,2009.

  [3] 严盈富.监控组态软件与PLC 入门[M].北京:人民邮电出版社,2006.[4] 袁秀英.组态控制技术[M].北京:电子工业出版社,2007.

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