基于触摸屏的提升机变频多级调速系统设计

高俊岭 章佩佩 权保同 李国辉

摘要：论文详细介绍了基于西门子S7系列PLC和触摸屏的提升机变频多级调速系统的硬件结构和软件设计。该系统采用外部开关按钮控制与触摸屏控制两种控制方式，系统运行的可靠性得到了显著提高。运行情况也表明该系统运行安全可靠，稳定性较高，且采用触摸屏控制使人机交互更加方便。

关键词：西门子可编程控制器；变频器；触摸屏；多级调速

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：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

可编程控制器可以控制工业现场的各类设备并能方便地完成各类控制要求，它是标准工业控制器的一种[1-2]。西门子PLC在自动化控制领域中占据着主导地位，由于它体积小、运行速度快、易于通讯、性能优越等特点[3-4]。采用触摸屏控制可以有效地降低系统外部接线的复杂程度，并且使PLC外部I/O点数的使用减少，同时系统运行维护的便利性也会提高[5-7] 。三相交流电动机的转矩和速度是变频器来控制的，它能实现多级调速。采用PLC和触摸屏来控制变频器以实现电机多级变速，其运行结果证实，系统运行安全可靠、稳定性较高。

1 电机控制要求

1.1 电机拖动重物过程，重物相对地面的位移与时间的关系

在电机拖动重物移动过程中，人为的安装有4个光电限位开关。则位移-时间关系图形如图1所示：

从图1中可知，重物初始位置接近在地面，从0至t3时刻为电机正转，重物上升， t3至t4时刻为电机停转，重物保持静止状态，t4至t7时刻为电机反转，重物下降。

1.2 电机拖动重物运动过程简述

1） 当按下触摸屏上的上行按钮或外部上行按钮（SB1），PLC控制变频器使其输出频率为15Hz，变频器控制三相异步电机启动，重物就会被提升，重物上升至限位开关2（x1）处时变频器输出频率增加至30Hz。

2） 重物继续上升到达限位开关3（x2）处时，变频器输出频率又变为15Hz，此时电机依旧向上提升重物，直至重物到达限位开关4（x3）时，变频器输出频率0Hz，电机停止转动，并保持5s。

3） 5s后变频器输出电源改变其相序，并且输出频率也由0Hz变为15Hz，此时电机反转，重物下行，下降过程中经过限位开关3（x2）时，变频器又将输出频率增至30Hz控制电机，使重物继续下行。

4） 重物一直下行直至限位开关2（x1）处时，变频器再次改变频率为15Hz控制电机反转向下释放重物。待重物下降至限位开关1（位移接近为0）时，变频器输出频率0Hz，电机停止转动。

5） 系统重复以上步骤。

2 控制系统的硬件设计

2.1 多级调速系统的硬件结构

控制系统的硬件结构主要由开关电源、交流电源、触摸屏、PC机、PLC、变频器、电动机和通信接口电路构成。多级调速系统硬件结构图如图2所示：

2.1.1 电源模块

该系统的交流电源有三路，一路为三相交流380V为变频器供电，另一路为单相交流220V输入开关电源，最后一路为单相交流220V给PLC供电。另外，开关电源可以把输入的单相交流220V电源转变成直流24V电源并将其输出为触摸屏供电，使其正常工作。

2.1.2 可编程控制器

整个控制系统的核心是可编程控制器，这里选用西门子S7系列的PLC，它是外部按钮开关指令和触摸屏指令的执行中枢，同时它也是变频器指令的觸发元件。它在自动化控制领域中占据着主导地位，因为它具有体积小、运行速度快、通讯能力强、性价比高、性能优越等优点。

2.1.3 变频器

变频器主要由整流、滤波、逆变、驱动单元、微处理单元、检测单元等组成。通过开断内部的IGBT来控制变频器输出的电源电压和频率，变频器所提供的电源电压是由电机的实际需求而定，从而达到对交流三相异步电机调速目的。

2.1.4 通信模块

上位机（PC）经过通信电缆与PLC进行通信连接，而与触摸屏进行通信连接则是通过通信线，在上位机上完成对程序的编制调试后直接通过通信线下载到触摸屏程序存储器中，同时通过通信电缆将已完善的程序下载到PLC的程序存储器中，而PLC与触摸屏之间也是由通信电缆来进行通信，触摸屏上的按键指令和外部开关按钮指令均加载到控制程序里以执行相应的操作，从而实现双重控制，互为冗余。PLC模拟量输出端接到变频器的输入端用以控制变频器的频率输出，最终对三相异步电机进行变频多级调速。

2.2 多級调速系统的电路设计

图3为系统的电路设计原理图，其中图3（a）为控制系统的主回路图，三相交流电源380V经过一组空气开关再与变频器相连，而变频器输出端又与三相异步电动机相连控制电机转速。图3（b）为其控制系统的控制回路图，主单元为PLC，将外部按钮开关和光电限位开关分别作为PLC的输入，输出接点则与变频器相接。

3 控制系统的软件设计

3.1 PLC输入输出地址分配

开关量的输入、输出个数由系统的控制而定，因此开关量地址需要在PLC中对其进行分配[8]。

I0.0～I0.2分别分配给外部开关按钮，SB1为正转或者上行按钮、SB2为停止按钮、SB3为反转或者下行按钮。

I0.3～I0.6分别分配给四个限位开关，用来作为多级调速的分界点，四个限位开关的位置安排为从下往上分别为限位开关1、限位开关2、限位开关3和限位开关4。

Q0.0、Q0.1作为变频器控制端的输入信号，用来控制变频器的输出电源相序，从而实现电动机正反转控制。

触摸屏的上行、停止和下行按键指令的PLC写入地址为M0.0～M0.2。

3.2 PLC的编程语言

PLC有5种编程语言，分别为顺序功能流程图、指令表、功能模块图、结构化文本和梯形图。

该系统采用的PLC编程语言为梯形图，与其他语言相比较，该语言具备对应性和直观性的特点，因为它与电气结构原理图保持高度一致，使之更易于掌握。

3.3 触摸屏设置

本系统采用台湾威纶通科技有限公司的MT6000系列触摸屏，并配合该公司的组态软件Easy Builder8000，采用图形化编程方法，根据需要设置参数，再合理配置PLC的写入地址。MT6000系列触摸屏利用自带的USB接口与PC机通信，只要将设计好的人机交互界面下载到触摸屏，触摸屏与PLC通信之后就可以用相应的按键控制电机进行多级调速，图4为触摸屏控制界面图。

图4中左侧设置了3个虚拟控制按钮，分别为上行、停止和下行控制按钮，图右侧设有上行和下行的2个状态指示灯，即当电机正转，重物上行，则上行指示灯就会常亮，当按下停止键时，电机停止转动，上行指示灯熄灭。反之，电动机反转，重物下行，则下行指示灯常亮。而当按下停止键时，电机停止转动，下行指示灯熄灭。

4 结束语

基于触摸屏的提升机变频多级调速系统通过利用触摸屏人机界面优越的交互性和PLC强大的逻辑处理功能，在很大程度上减少了传统电动机多级调速系统的接线数量，同时由于系统采用外部按钮与触摸屏的双重控制，系统的稳定性与可靠性也得到了明显提升，给系统的实时监控与维护带来了更多便利。

参考文献：

[1] 李华.PLC的前景与未来[J].湖南科技学院院报，2012，13（7）：23-25.

[2] 李昀昭. 基于虚拟仿真和触摸屏技术的PLC实验教学平台的研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2014，（1）：1-3.

[3] 西门子公司.S7-200可编程控制器系统手册[M].2013.

[4] 张霞.浅谈PLC控制步进电机方法[J].中国新技术新产品，2014（11）.

[5] 崔建平，赵振，王秋敏.PLC和触摸屏在控制系统中的应用[J].机械工程与自动化，2007（8）：160-161.

[6] 曹亚丽，宋爱娟. PLC 电梯控制系统设计[J]. 可编程控制器与工厂自动化，2011.

[7] 柳鹏，赵荣祥，韩林.触摸屏结合PLC在变频电源中的应用[J].机电工程，2003（3）：37-39.

[8] 邹礼明，裴海龙，贺跃帮，等.基于PLC和触摸屏的双头盲孔钻机控制系统设计[J].现代电子技术，2009，31（1）：139-141.