PLC—变频器电机控制实验台的设计与实验项目的开发

2015-12-10王晓红李欣

教育教学论坛 2015年37期

王晓红李欣

摘要：介绍了PLC-变频器实验台的硬件组成、软件实现的功能，并结合实验台开发了新的实验项目，通过实验项目的实施，将当今在自动控制领域广泛应用的PLC、变频器及触摸屏技术引入教学，提高学生工程素质，培养学生创新精神。

关键词：S7-200 PLC；变频器；触摸屏

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）37-0241-02

在当今自动化控制领域，PLC、变频器、触摸屏技术的综合应用相当广泛，PLC具有功能强、可靠性高等一系列优点；变频器节能、高效、有利于提高经济效益；触摸屏逐步取代过去设备的操作面板和指示仪表，成为应用越来越广泛的人机界面（HMI）。通过将这三种控制技术引入到实验教学中，使学生在校期间就能掌握当今自动化控制领域的流行技术，从而培养满足社会需要的高素质的工程技术人才。

一、PLC-变频器实验台实现的功能

实验台控制系统采用西门子的SMART LINE 700触摸屏、S7-224 PLC及SINAMICS V20变频器，可通过触摸屏和外部按钮两种冗余方式控制交流电动机的运行，功能具体如下：①通过触摸屏控制交流电动机的运行状态，在线设置电机的运行速度，可同时设置三段运行速度；变频调速速度上限设为50Hz，超过此设定范围，触摸屏显示报警信息；触摸屏能实时显示交流电动机的运行速度曲线。②在触摸屏失效的情况下，可通过实验台面板上的起停按钮控制交流电动机的运行。

二、PLC-变频器实验台硬件设计

实验台硬件主要包括S7-224 PLC、SINAMICS V20变频器、SMART LINE 700触摸屏、直流稳压电源，电气原理图如图1所示。直流稳压电源为触摸屏、PLC提供24V直流电源；PLC的输入端子I0.0接变频器的DO2输出端子作为上电指示；PLC的Q0.0接中间继电器K1，K1的常开触点接变频器的DI1端子用于交流电机的起停控制；PLC的Q1、Q0.2、Q3分别接中间继电器K2、K3、K4，K2、K3、K4的常开触点接变频器的DI2、DI3、DI4端子用于进行交流电机的多段速度控制；PLC的I0.2、I0.3分别接手动按钮SB1、SB2，实现交流电动机起停的手动控制。

三、PLC-变频器实验台软件设计

实验台软件设计包括触摸屏监控界面的设计和PLC控制软件的设计两部分，触摸屏监控界面的设计在西门子的WinCC flexible组态软件中完成；PLC控制系统的设计采用西门子的STEP7-Micro/WIN32编程软件；WinCC flexible组态软件和STEP7-Micro/WIN32编程软件都是基于Windows的应用软件，控制软件设计完成后，通过专用电缆分别与触摸屏、PLC连接通信，然后将程序下载到触摸屏、PLC中。

（一）触摸屏界面的设计

触摸屏是PLC-变频器实验台的人机界面，实现对交流电动机的实时控制，包括起停控制、运行速度设置；速度越界报警显示；实时显示交流电动机运行速度曲线及运行时间。可根据需要设计灵活多变的组态界面，PLC-变频器实验台人机界面组态包括启动界面、主界面和PLC-变频器实验台介绍界面3个画面，触摸屏开启后，首先进入启动界面，在启动界面上可选择进入主界面和实验台介绍界面。①主界面的设计。主界面是PLC-变频器实验台的控制、画面及数据显示平台，实验台所有的控制、实时数据和画面显示都在主界面中实现，主界面设计如图2显示。在主界面中，通过按钮对交流电机进行起停控制，可同时设定3个运行速度及每个速度所运行的时间，所有速度均以频率的方式表示，最高上限频率为50Hz，运行曲线实时绘出交流电机的运行速度，并在实际值中显示现在的运行速度；左下角的方形按钮为手动控制与触摸屏控制方式的切换按钮。②PLC-变频器实验台介绍界面。在主界面中点击“实验台介绍”进入此界面，介绍实验台所能实现的功能，对该设备的操作进行说明。

（二）触摸屏与PLC之间的通信建立

触摸屏人机界面设计组态软件WinCC flexible采用图形化的编程手法，WinCC flexible与S7-224 PLC之间通信步骤设计如下：①设备连接。利用专用通信电缆将触摸屏的通信端口与S7-200串行端口连接，在Wincc flexible“设备工具箱”中添加“通用串口设备”，双击可修改设备属性，波特率为9600；触摸屏设备地址为1，PLC设备地址为2。②定义变量。变量是PLC与触摸屏之间传递信息的媒介，在工作台窗口中选择“变量”，通过“新增变量”来添加变量，也可以在监控画面中通过双击指示灯、按钮等元件，弹出属性窗口，选择“动画连接”的方式实现在完成动画连接的同时定义数据库变量。这些变量与PLC的输入输出及内部变量一一对应，在触摸屏界面上的所有操作改變它的内部变量，通过变量将信息传递到PLC，实现触摸屏对交流电机运行的真正监控。

（三）PLC控制程序设计

编写PLC控制程序首先要确定PLC的输入、输出量并进行地址分配，本实验台PLC通过三个中间继电器实现变频器多段转速控制，Q0.0～Q0.3分别用于控制电动机的起动/停止、三段速度转换，I0.0分配给变频器上电显示；I0.1、I0.2连接手动起、停按钮。PLC控制系统的编程采用模块化编程方法，主要包括主控模块、初始化模块、变频器控制模块、手动控制模块。

四、PLC—变频器电机控制实验台实验项目的开发

结合PLC—变频器电机控制实验台开发了相关的实验项目，根据实验项目的要求，学生自拟实验方案，独立完成实验的全过程，撰写实验报告。

（一）触摸屏—PLC组态界面的设计

学生首先要熟悉WinCC flexible组态软件的编程环境；然后以实验台的触摸屏组态程序为范例，学习组态软件的编程方法；最后要求学生自己设计控制画面，在学生进行控制画面的设计过程中，培养了学生自主设计、创新的能力。

（二）PLC—变频器交流电机控制程序的设计

学生首先要学会STEP7-Micro/WIN32软件编程的使用，懂得变频器的工作原理；清楚触摸屏、手动按钮两种方式控制交流电机运行的工作流程；最后要求学生编写PLC控制程序。通过本实验的完成使学生了解PLC的工作原理，掌握PLC的编程、调试方法。

五、结束语

触摸屏、PLC及变频器是当今控制领域中应用广泛的技术，通过开发新的实验设备，设计新的实验项目，将这些应用技术引入实验教学中，使学生掌握简单的控制系统的设计方法，培养学生分析、解决问题的能力，自主学习的能力，工程技术应用与创新的能力。

参考文献：

[1]金英姬.基于PLC与触摸屏实现液压教学实验台控制系统的研究[J].教学与管理，2012，4（29）.

[2]郭西进，任良才等.PLC综合实训平台的设计与实现[J].实验室研究与探索，2011，6（30）.

[3]李宁.基于小型PLC和MCGS触摸屏的变频调速系统设计[J].轻工科技，2014，10（191）.