基于PLC和触摸屏的变频调速实验装置的研制

陈群， 陈伟卓

（南通纺织职业技术学院，江苏南通226007）

基于PLC和触摸屏的变频调速实验装置的研制

陈群， 陈伟卓

（南通纺织职业技术学院，江苏南通226007）

实验装置主要用于交流变频调速技术等相关课程的教学演示，采用PLC、变频器、触摸屏等工控器件，通过PLC程序设计、变频器参数设置，由触摸屏进行操作，可实现电机各种速度的运行及速度的实时显示。

变频调速；PLC；触摸屏

0 引言

近年来，交流变频调速技术在我国有了突飞猛进地发展，变频调速在各方面的优异性能，是其他的交流调速方式无法比拟的，因此，国内许多高校的电气自动化技术、机电一体化技术等专业，均已将变频调速技术列为专业核心课程。为了提高教学效果，增加学生的感性认识，使学生更好地理解变频调速及其应用，本文制作一种变频调速实验装置，可以实现电机各种速度的运行，而且能将变频器运行参数、电机运行的速度曲线显示在触摸屏上。

1 系统原理设计

基于PLC和触摸屏控制的变频调速实验装置，其主要硬件配置为三菱PLC（FX3U-32MR）及D/A模块、艾默生变频器（EV1000-4T0022G）、威纶触摸屏（MT8104T）、欧姆龙编码器（E6B2-CWZ6C）以及电动机等，利用PLC和变频器实现对电动机转速及转向的控制，同时也可利用触摸屏和旋转编码器实现设置速度和实时速度的显示。

PLC和触摸屏用于通讯，通过触摸屏进行PLC程序设计、变频器参数设置，实现电动机各种速度的运行，如正反转及调速、自动多段速控制、内置PLC控制、数模转换和任意速度曲线控制等。在实际操作时，只要先根据相应的动作要求，对照触摸屏界面，完成变频器功能参数设置，然后操作触摸屏上相应的软元件按钮，即可实现对电机的各种调速控制。当采用任意速度曲线控制时，可先由触摸屏设置给定速度，电动机的实际运行速度和转向由旋转编码器检测并转换成脉冲信号，该信号被传送至PLC输入端，经D/A模块运算处理后转换成相应的数据，再由变频器控制电动机转速，并由触摸屏进行实时显示，而且通过更改程序，电动机能以设定的速度变化曲线运行。

本实验装置的电气原理如图1所示。低压断路器QF为电源隔离开关，并起短路和过载保护作用；24V电源模块用于为触摸屏供电；变频器的U、V、W端子接电动机，变频器的X1、X2、X3、FWD、REV、COM端子分别与PLC的Y1～Y5、COM端子依次相接，通过控制PLC的Y1～Y3、Y4～Y5输出的不同组合方式，实现对电动机不同速度及正反转方向的控制；D/A模块的输出端子VOUT1及COM1分别与变频器模拟量给定端子VCI及GND相接，实现了通过PLC改变电机转速的功能；旋转编码器采用的是2相2计数输入，编码器的A相、B相端子分别与PLC的输入端X0、X1相接，为的是把电机的转速和转向反馈给PLC。因高数计数器的输入不能重复使用，为了避免此问题，将X1与X3短接。

图1 电气原理图

2 触摸屏界面制作

本实验装置的操作是通过触摸屏进行的，所以人机界面的制作是一个不可缺少的环节。触摸屏的界面可以设置成1个主画面和5个信号画面，如图2所示为主画面，功能键S1～S5用于切换到5个信号画面。信号画面分为正反转控制界面、七段速调速控制界面、内置PLC控制多段速界面、数模转换界面和任意速度曲线控制界面，其中七段速调速控制的界面如图3所示。七段速度分别由7个功能键自由选择，与七段速度对应的频率通过变频器参数 F3.23～F3.29设定，分别为5 Hz、10 Hz、15 Hz、25 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz；F0.03=1意指变频器为外部端子运转控制方式；变频器多功能端子X1～X3定义为多段频率端子，由F7.00～F7.02设定；功能键“返回主界面”用于切换到主画面。

图2 触摸屏主画面

图3 七段速调速控制界面

3 PLC程序设计

由系统要求可知，PLC程序分为电机正反转及调速、七段速调速控制、内置PLC控制、数模转换及任意速度曲线控制5个模块。下面列举2个模块。

1）七段速调速控制模块。

七段速调速控制的PLC程序如图4所示。按下主画面上的功能键S2，进入七段速调速程序的应用，七段速度分别由触摸屏上的7个按钮M41～M47自由选择，通过脉冲传送指令，实现对电动机不同速度及转向的控制，其中一速、三速、四速、七速时电机为正转，二速、五速、六速时电机为反转。当按下停止按钮M40时，M110～M117全部复位，电机停转。

图4 七段速调速控制梯形图

2）任意速度曲线控制模块。

本装置不仅可以控制电机正反转及调速，还可以根据生产要求，通过更改程序，使电动机能以设定的速度变化曲线运行，并在触摸屏上显示实时速度曲线。

速度曲线采用采点方式设置，即先将所给定的速度曲线分成若干个点，然后将每个点的值通过变址指令实时传送给数据寄存器D，进行设置速度显示，再将D的值进行运算后给D/A模块处理，最终由测速指令检测编码器的脉冲个数，从而计算出电机的实时转速并进行显示。下面以正弦速度曲线为例加以说明。

正弦速度线设置如图5所示，其最大速度为300 r/s，周期为6×2=12 s，若每0.1 s取一个点，需要120个点，则每0.1 s增加的角度为360°/120=3°。正弦速度线控制的梯形图程序如图6所示，速度检测梯形图程序如图7所示。

图5 正弦速度曲线

图6 正弦速度线控制程序

图7 速度检测梯形图程序

当M90、M80接通时，每隔0.1 s将D80中的值加1，并乘3先转化为度数、再乘相应系数转化为弧度后存入D88、D89中，然后求出各时刻的正弦值存入D90、D91中，再将其转换为转速并取整，将最终结果存放在D94中并进行设置速度的显示。当D80的值等于120时，D80被清零，停止该段速度线的运行。

当电机运转时（Y4或Y5接通），就执行速度检测指令，将100 ms内检测到X3的脉冲数存放在D180中，由于E6B2-CWZ6C型旋转编码器每转脉冲数为360个，根据公式

即可求出电动机的实时转速n，并存放在D47中，其值再经D/A模块处理，以便显示实时速度。通过M8251可监视C251的加/减计数状态，由此判断出电机的旋转方向。

4 结语

本装置的实际运行结果表明，人机交互界面友好，操作方便，运行安全稳定，有利于加强学生对简单工业控制系统设计思想的掌握，较好地培养学生科技创新与工程实践能力，很适合用于变频调速技术等课程的教学。

［1］ 三菱FX系列可编程序控制器编程手册［M］.三菱公司，2001.

［2］ EV1000系列通用变频器用户手册［M］.艾默生网络能源有限公司，2004.

［3］ 威纶EB8000软件使用手册［M］.台湾威纶公司，2010.

（编辑： 启 迪）

Development of Frequency Conversion Speed Regulator Based on PLC and Touch Screen

CHEN Qun，CHEN Weizhuo
（Nantong Textile Vocational Technology College,Nantong 226007,China）

This experiment equipment is mainly used for ac variable frequency speed regulation technology and related teaching demonstration.The equipment adopts industrial control device such as the PLC,inverter,touch screen. Through the PLC program design,inverter parameter Settings,touch screen operation,the operation of the motor speed and display is realized.

frequency control;PLC;touch screen

TP 272

A

1002－2333（2014）04－0134－03

陈群（1965—），女，副教授，研究方向为电气自动化技术。

2014-01-10

江苏省高等学校大学生创新创业训练计划资助项目（201310958006Y）