基于PLC和触摸屏、变频器的电机正反转多段速控制教学设计

刘琛森

（广西贺州高级技工学校，广西贺州，542899）

精品课程的建设对于提升职业院校的教育模式、提高办学质量、达到人才培养的目标，有非常重要的意义。2021年，笔者所在学校电类专业挑选了《PLC应用技术》这门课作为校精品课程进行研发。PLC是依托微处理器为核心的自动化装置，广泛应用于工业自动化生产过程中，是一体化专业的核心课程。结合新建的PLC实训室，里面有PLC模块、触摸屏模块、变频器模块，需要对PLC这门课程进行结构调整，加入触摸屏、变频器的内容，以达到调整教学资源，优化教学内容的目的。通过集合骨干专业教师组成研发团队，结合平时教学成果，参与科研项目的经验，保留了PLC的核心基础知识，去除老、旧知识点，增加和如今行业密切相关的知识模块。同时把整理、编写出来的学习任务，在课堂上进行教学验证，看学生的理解、掌握程度是否能达到预定的教学效果。若不能，或者效果较差，则教师团队需对该学习任务进行讨论、修改，再用到教学中进行检验，以达到预期的教学效果。针对学校实训室的设备，我们总结提炼了十个PLC这门课程的经典学习任务。这些典型的学习任务除了以PLC为核心控制器外，还加入了触摸屏、变频器的内容，更强调以培养实践能力为原则，主动适应社会发展变化的需要。本文选取其中的一个“基于触摸屏、变频器和PLC的电机正反转多段速控制”加以分析，也给需要进行PLC课程内容调整、整合的教师一个参考。

1 任务控制要求

本次学习任务的控制方式可以手动控制和触摸屏远程控制两种方式，具体控制要求如下：

(1)在停止状态下，按下正转启动按钮SB1,电动机在变频器驱动下启动正转，变频器每经过15S后改变一次输出频率带动电动机正转，按10Hz、20Hz、50Hz依次改变频率转动。频率上升到50Hz后，便按50Hz持续正转。

(2)在停止状态下，按下反转启动按钮SB2,电动机在变频器驱动下启动反转，变频器每经过15s后改变一次频率带动电动机反转，按15Hz、25Hz、35Hz、50Hz依次改变频率转动。频率上升到50Hz后，便按50Hz持续反转。

(3)按下停止按钮SB3，无论电动机处于什么段速运行，都将停止输出。

(4)创建触摸屏界面，能在触摸屏界面进行电动机的正反转启动、停止操作，指示灯显示电动机处于正转状态还是反转状态，并能在触摸屏上显示电动机的实时频率。

2 任务实施

■2.1 硬件选型

本教学设计中采用的是三菱FX2N-48MR的PLC，三菱FR-E740型通用变频器，昆仑通态TPC7062KX(TX)型号的触摸屏，80YS减速电机，同时选择一个组合按钮用于手动控制操作。

■2.2 I/O地址分配表

在本学习任务中，有3个输入量，即正转启动按钮、反转启动按钮、停止按钮。有5个输出量，分别控制电动机的正、反转和多段速选择。具体I/O地址分配表如表1所示。

表1 I/O地址分配表

■2.3 变频器开关量输入与输出频率对应关系表及参数设置方法

变频器参数设置：在变频器上电没有输出状态下，P79由2变成1变成内部模式，然后找到ALLC由0变为1恢复出厂设置，再分别设置P4、P5、P6、P7（加速时间）、P8（减速时间）、P24、P25、P26、P27，最后再将P79由1变成2处于外部模式。

表2 变频器的开关量输入与输出频率对应关系表

0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 10 1 0 0 1 0 20 1 0 0 0 1 50 0 1 0 1 1 15 0 1 1 0 1 25 0 1 1 1 0 35 0 1 1 1 1 50

■2.4 外部接线图

图1是PLC和变频器的外部接线图，触摸屏接上24V直流电源后，通过RS-232数据线和PLC连接。

图1 外部接线图

■2.5 程序设计

在教学过程中发现，学生对程序设计这一块是比较薄弱的，很多学生在让他们自行设计程序时无从下手，老师一讲解程序又恍然大悟。为了解决好这一教学难点，需要教师在课堂上多引导、并通过举例子启发学生。以这次的学习任务程序书写为例。首先可以帮学生分析整个任务的程序编辑主要分为三大部分。第一部分要解决触摸屏能读取并在屏幕上实时显示电机运转频率，这个可以用传送指令解决。即把相应的频率数值传送到寄存器D0，然后通过和触摸屏的关联，使其能读取频率值并显示在触摸屏幕上；第二部分要解决电动机正转时每经过15s后变频器就改变一次输出频率的问题。可以通过步进指令进行编辑，这里面会用到常用的启—保—停的编程思路，计时用到定时器T,为了解决能在任一速段停止，可以在步进的每步加入控制停止部分的跳转程序。同时为了在触摸屏上也能启动正转，我们可以用M0关联触摸屏的启动按钮，M2关联触摸屏的停止按钮；第三部分就是解决电动机反转时每经过15s后变频器改变一次输出频率的问题，这个和正转的相似，就不重复叙述了。图2是完整的程序。

图2 程序图

下面对程序进行详细的分析：

（1）0-8之间的这部分程序:PLC上电瞬间，停止按钮X002按下或触摸屏上的按钮M2按下时，对频率显示寄存器D0进行清零。

（2）8-30之间的这部分程序：正转状态时，结合变频器的开关量输入与输出频率对应关系表，分别给频率显示寄存器D0赋予低、中、高三个数值，即10Hz、20Hz、50Hz。

（3）30-64之间的这部分程序：反转状态时，结合变频器的开关量输入与输出频率对应关系表，分别给频率显示寄存器D0赋予四个频率段的数值，即15Hz、25Hz、35Hz、50Hz。

（4）64-67之间的这部分程序:PLC上电，开始执行步进程序的S0这步。

（5）68-87之间的这部分程序：对Y000-Y004进行了复位，如果按下启动按钮X000，开始进入到正转运行这部分的程序，程序跳转到步进S10这步；如果按下反转按钮X001，开始进入到反转运行这部分的程序，程序跳转到步进S13这步。这里还通过Y0、Y1的常闭触点让正反转启动进行了互锁，保证运行的安全。

（6）87、88这部分的程序：正转10Hz运行15s，15s的时间一到，则跳转到步进的S11步；如果时间未达到15s，按下停止按钮X002或触摸屏上的停止按钮M2，电机停止正转。

（7）103、104这部分程序：反转15Hz的频率运行，15s的时间一到，则跳转到步进的S14步；如果时间未达到15s，按下停止按钮X002或触摸屏上的停止按钮M2，电机停止反转。

（8）120、121这部分程序：正转20Hz运行15s，15s的时间一到，则跳转到步进的S12步；如果时间未达到15s，按下停止按钮X002或触摸屏上的停止按钮M2，电机停止正转。

（9）136、137这部分程序：反转25Hz的频率运行，15s的时间一到，则跳转到步进的S15步；如果时间未达到15s，按下停止按钮X002或触摸屏上的停止按钮M2，电机停止反转。

（10）153、154这部分程序：正转50Hz运行15s，15s的时间一到，如果没有按下停止按钮，则电机持续正转；如果时间未达到15s或已超过15s，按下停止按钮X002或触摸屏上的停止按钮M2，电机停止正转。

（11）172、173这部分程序：反转35Hz的频率运行，15s的时间一到，则跳转到步进的S16步；如果时间未达到15s，按下停止按钮X002或触摸屏上的停止按钮M2，电机停止反转。

（12)189、190这部分程序：反转50Hz运行15s，15s的时间一到，如果没有按下停止按钮，则电机持续反转；如果时间未达到15s或已超过15s，按下停止按钮X002或触摸屏上的停止按钮M2，电机停止反转。

（13）210、211这部分程序：步进程序结束，整个程序结束。

■2.6 触摸屏界面的设计

完成本学习任务采用的是MCGSE组态软件进行触摸屏界面的设计。该软件呈现的是全中文界面，对于英语基础较差的中职生也是能够轻松掌控的。软件以小窗口为单元，使用者可以根据自己的实际需求创建操作系统界面，可操作性强，学生也容易理解和掌握。首先，我们在实时数据库中建立三个开关量，分别是正转启动、反转启动、停止；然后在触摸屏设备窗口选择三菱FX系列编程口，并通过串口设备属性，在改变属性菜单中选择CPU类型，我选择的是FX2N，与实际一致；最后增加九条通道，对输入输出变量进行关联。图3是触摸屏的组态界面。

图3 触摸屏组态界面

■2.7 调试运行

在程序调试正确的情况下，在教师监控下进行负载调试。调试过程注意用电规范。

调试过程：

（1）按下正转启动按钮SB1,电动机正转，变频器每经过15s后改变一次输出频率带动电动机正转，按10Hz、20Hz、50Hz依次改变频率转动。频率上升到50Hz后，便按50Hz持续正转。触摸屏显示界面上正转指示灯亮，同时实时显示电动机转动频率。

（2）按下停止按钮SB3，电动机停止正转。

（3）按下反转启动按钮SB2,电动机反转，变频器每经过15s后改变一次频率带动电动机反转，按15Hz、25Hz、35Hz、50Hz依次改变频率转动。频率上升到50Hz后，便按50Hz持续反转。触摸屏显示界面上反转指示灯亮，同时实时显示电动机转动频率。

（4）按下停止按钮SB3，电动机停止反转。

3 思考与练习

本任务主要是对电动机的正反转进行了多段速控制，结合我们生活中常见的洗衣机的工作过程，还可以对本学习任务做如下拓展：

（1）按下启动按钮，洗衣机开始进水。水位达到最高位停止进水，洗衣机开始正转洗涤。按正转24s，暂停5s，反转24s，暂停5s为一个小周期，工作3次后，开始排水。

（2）排水后水位开始下降，下降到最低水位后，开始脱水和继续排水。脱水时间为15s。脱水完成后，就完成了一个大的周期。完成3个大周期后，洗衣机完成本次洗涤并通过蜂鸣器报警；如果未完成3个周期，则继续开始进水，重复第1部分的工作流程。

（3）洗衣机的正转、反转洗涤要求用变频器进行多段速控制。这里我们可以考虑电机的3段速运行。分别为30Hz运行8s、50Hz运行8s，20Hz运行8s。

（4）脱水时变频器的速度为50Hz，加、减速的时间是4s。

（5）触摸屏的界面设置上有启动、停止按钮、进水、脱水、洗涤完成、正转运行时间、反转运行时间、小周期次数、大周期次数等参数。

4 结束语

本学习任务以围绕PLC这门核心课程，延伸了触摸屏、变频器的相关知识，达到将多门课程知识点融会贯通、举一反三的目的。这也为聚焦课标，重组教材如何开展教学提供了参考。实际教学过程中，学生对实用性强，一个学习任务涵盖了多门课程知识点的教学方式非常感兴趣。将工程专业要素融入实训教学中，让学生在实训过程中培养了团队合作、分析解决问题的能力，增强了职业教育的适应性。