基于PLC與觸摸屏的異步電動機控制

張靖輝，涂冰峰

基于PLC與觸摸屏的異步電動機控制

張靖輝，涂冰峰

本文研究的主要內(nèi)容為借助于觸摸屏、PLC、D/A模塊和具體的變頻器，實現(xiàn)對電機的控制。該設(shè)計應用控制元件的組合，結(jié)合生產(chǎn)的具體情況，按實際要求實現(xiàn)對三相異步電動機的調(diào)速控制，這樣在負載不斷變化的生產(chǎn)場合，就能進行廣泛的應用。

PLC；觸摸屏；變頻器；三相電動機控制

現(xiàn)代社會新產(chǎn)品的更新速度不斷加快，客觀上要求生產(chǎn)設(shè)備不斷地進行調(diào)整，這樣就對生產(chǎn)設(shè)備提出了很高的要求。如果電氣控制系統(tǒng)本身規(guī)模不大，電氣控制元件的合理選擇就對設(shè)備成本的控制和具體的功能實現(xiàn)起到重要的作用。以三相異步電動機的調(diào)速控制為例，合理的選擇PLC和觸摸屏，借助于變頻器實現(xiàn)對電動機的調(diào)速控制，最終保證電機運行符合生產(chǎn)要求，各種不同工藝情況之下的監(jiān)控和控制要求都能得到很好的實現(xiàn)，而且本身成本較低、操作較簡單，性能也比較優(yōu)越，維護起來非常方便等等。

一、選擇合適的系統(tǒng)硬件

1.選擇PLC。程序選擇使用的控制器為三菱FX2N系列，該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等功能，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的生產(chǎn)過程。其基本的單元能夠連接，還能夠?qū)卧M行具體的擴展。除此之外，其還有諸多特殊功能，能有效實現(xiàn)位置和過程的控制。對于網(wǎng)絡(luò)通信而言，使用多種RS-232C/RS-422/RS-485不同的串行或者擴展通信模塊予以有效的支持。

2.選擇合適的觸摸屏。本系統(tǒng)選擇的觸摸屏的具體型號系列是GT1150-QSBD-C，具體的像素分辨率是320*240，顏色顯現(xiàn)是256，內(nèi)置的I/F包括了RS-422、RS-232、USB等等，電源的電壓是DC24V，這個觸摸屏的抗干擾性能非常強，具體的耐壓值達到了AC 500 V，壽命很長。

3.選擇D/A模塊。模擬量的輸出模塊選擇的為三菱電機FX2N-4DA，作為專用的FX系列模擬量輸出的模塊，具體包括了4個CH，12位的最大分辨率。借助于不斷變化的輸出端子，對于電壓或者電流的狀態(tài)可以進行隨意的選擇。借助于緩沖存儲器，F(xiàn)X2N以及FX2N-4DA之間能夠進行很好的數(shù)據(jù)交換，一般而言，F(xiàn)X2N-4DA包括的總緩沖存儲器數(shù)量達到了32個，每一個的位數(shù)達到了16位。

4.選擇變頻器。系統(tǒng)中使用的變頻器為FR-700-740-1.5 k，生產(chǎn)廠家是三菱電機公司，此變頻器的容量額定數(shù)值為2.7 kVA，電機對應的容量值為1.5 kW，頻率波動允許的范圍在上下5%之內(nèi)，對加減速度進行時間的設(shè)定，范圍在0～3600秒，加減速度的模型也可以選擇設(shè)定為S形或者直線形，對于小型電氣系統(tǒng)而言，使用可以得到很好的滿足。

5.選擇旋轉(zhuǎn)編碼器。系統(tǒng)選擇使用的旋轉(zhuǎn)編碼器為S50-J3V100系列，此編碼器能夠有效地監(jiān)測電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)到界面的反饋，這樣用戶就可以實時對系統(tǒng)實際運轉(zhuǎn)的速度和設(shè)置速度之間的一致性進行監(jiān)測。

二、系統(tǒng)本身的硬件控制組成

本系統(tǒng)控制部分的主要組成包括了觸摸屏、旋轉(zhuǎn)編碼器、異步電動機、PLC、D/A轉(zhuǎn)換模塊以及變頻器等等。觸摸屏能夠非常友好地顯示系統(tǒng)控制界面，觸摸屏還能便捷化操作，對系統(tǒng)的程序進行控制的器件為PLC，能夠?qū)⑦\算數(shù)字量進行模擬量的轉(zhuǎn)換，此轉(zhuǎn)換依賴的模塊為D/A模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。為了能夠?qū)Ξ惒诫姍C進行電壓的改變，就需要加控制端到變頻器，電壓控制電機，實現(xiàn)運速的控制和轉(zhuǎn)變；為了測算異步電動機的運轉(zhuǎn)速度，可以借助于旋轉(zhuǎn)編碼器進行，而后PLC收到具體的反饋，實時速度被顯示在觸摸屏上，用戶就能實現(xiàn)很好的監(jiān)測。具體的系統(tǒng)硬件控制結(jié)構(gòu)可以用下圖進行詳情的展示。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

三、系統(tǒng)的硬件電路的具體設(shè)計

1.連接主電路。使用熔斷器連接變頻器R、S、T端和380伏的電壓，能夠很好的供電給變頻器，而借助于主觸點和U、V、W端、電機三相電源端子、熱繼電器進行連接，能夠?qū)﹄姍C進行速度的控制，具體接線的過程中，需要對電機和變頻器實現(xiàn)接地保護，這一點要予以充分的注意。

2.連接控制電路。使用RS422串口電纜（1根即可） 連接PLC，進而實現(xiàn)通信，向D/A模塊進行供電的模塊為PLC輸出+24電源，注意：需要連接D/A模塊“-24 V”端和“COM”端（PLC），PLC Y5表示的為正轉(zhuǎn)輸出，PLC Y6表示的為反轉(zhuǎn)輸出，連接它們和STF、STR端（變頻器的），最終做到對電機不但可以進行正轉(zhuǎn)控制，也能進行反轉(zhuǎn)控制。連接VOUT端（位于D/A模塊上）和模擬電壓輸入端（位于變頻器上），短接D/A IOUT端和VI-端，對于變頻器來講，其10端就會成為10 V電壓端，5端進行接地處理，這樣外部模擬電壓就可以實現(xiàn)很好的輸入。對于全部的硬件，都要注意予以接地保護。

四、系統(tǒng)軟件的具體設(shè)計

1.設(shè)計觸摸屏的具體畫面。對于觸摸屏進行具體的界面編程，選用的軟件為GT-Desiginer，此軟件為三菱電機免費提供。對需要的界面，該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)很好的編輯功能。對觸摸屏進行具體設(shè)計的畫面要求，開關(guān)元件名的具體設(shè)置要能被PLC識別。比如對于狀態(tài)指示燈，設(shè)置其軟元件名稱為Yxxxx（PLC中某一具體線圈的名稱），故而在該線圈得電的狀況下，指示燈就會發(fā)亮，效果更加的直觀、顯現(xiàn)。

2.曲線的具體算法。折線本身具有線形性，借助于這一具體的特性，每次加減速度的固定數(shù)值，最終實現(xiàn)曲線的平滑展示。在這個過程中，需要細化時間軸，也就是橫軸，按照速度對特定時間段內(nèi)需要增減的速度數(shù)，然后再將此特定的值從數(shù)據(jù)寄存器（PLC中表示速度的位置）上予以定值的加減，電機實現(xiàn)照折線轉(zhuǎn)動。

圓有一對應的公式，具體表示為x2+y2=r2，設(shè)定速度和時間成起始值，半徑平方與時間平方的差并進行開方運算就是速度。需要予以特別注意的是，開方的過程中指令是浮點形式。將要求的速度值與開方求得數(shù)值做差并進行倍數(shù)化處理，獲得一定值，循環(huán)每次進行的過程中，電機將會圍繞半圓進行不停的曲線轉(zhuǎn)動。

3.D/A轉(zhuǎn)換程序。下表詳細地展示了FX2N-4DA緩沖寄存器(BFM)之具體的分配情況。BFM#16:由BFM#17(數(shù)字值)指定的通道的D/A轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被寫，用二進制的形式進行D/A轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的表示，寫的順序按照下端8位和高端4位這兩個部分具體開展。

緩沖寄存器(BFM)分配

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BFM#17：b0—借助于變1為0，開始CH2 D/A的轉(zhuǎn)換；b1—變1為0,開始CH1 D/A轉(zhuǎn)換；b2—變1為0，保持D/A轉(zhuǎn)換8位下端數(shù)據(jù)。D/A轉(zhuǎn)換模塊的功能：轉(zhuǎn)換PLC數(shù)字量為具體的模擬量，借助于理論電機速度，這個程序被放置于寄存器D100中，最終實現(xiàn)對D/A模塊的良好控制，尤其是輸入的模擬量的大小。同時對D100程序可以進行16位的分解，寫前8位入#16緩沖區(qū),保持這8位的同時，輸入另外4位，最終組合成為12位，最后一步，轉(zhuǎn)換這個通道的數(shù)據(jù)，完成執(zhí)行。

伴隨快速發(fā)展的各種不同科學技術(shù)，比如嵌入式控制器系統(tǒng)、人機界面技術(shù)、可編程控制器、變頻器等等，工業(yè)自動化技術(shù)發(fā)展顯得更加迅速快捷，工業(yè)自動化的可靠、安全、精確目的更容易實現(xiàn)。借助于非常強大的各種PLC、變頻器、觸摸屏等等，本系統(tǒng)能夠很好地控制電動機的運行速度，能夠讓電動機處于安全可靠穩(wěn)定的運行狀況之下。

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責任編輯：郭一鶴

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1671-6531（2012）06-0038-02

張靖輝/鄭州市電子信息工程學校助理講師（河南鄭州450007）；涂冰峰/鄭州市電子信息工程學校講師（河南鄭州450007）。