基于PLC的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葛大衛(wèi)

摘 要： 可編程控制器是以微處理器為核心的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有使用方便、通用性強(qiáng)、可靠性高、適應(yīng)面廣、編程簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的場(chǎng)合。本文設(shè)計(jì)了基于西門子S7-200系列PLC對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制的方案，使用觸摸屏作為控制界面，提高了直流調(diào)速系統(tǒng)的控制性能，為實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的數(shù)字控制提供了一種新的方法。

關(guān)鍵詞： PLC S7-200 電機(jī) 編碼器 觸摸屏

直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常用的電氣傳動(dòng)裝置之一，廣泛地應(yīng)用于軋鋼機(jī)、冶金、印刷、金屬切削機(jī)床等許多領(lǐng)域的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。傳統(tǒng)的直流調(diào)速控制系統(tǒng)多采用模擬元件，如晶體管、各種線性運(yùn)算電路等，雖在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求，但線路復(fù)雜，調(diào)速性能較差[1]。采用PLC實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，調(diào)速性能更好。

PLC是一種工業(yè)控制系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)、性能、功能及編程手段等方面都有獨(dú)到的特點(diǎn)。在構(gòu)成上，具有模塊結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，有利于維護(hù)，并且功能擴(kuò)充很方便，便于安裝。在性能上，可靠性高。PLC的平均無故障時(shí)間一般可達(dá)三五萬小時(shí)，并采用在線監(jiān)控、故障診斷、冗余等技術(shù)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。在功能上，可進(jìn)行開關(guān)邏輯控制、閉環(huán)過程控制、位置控制、數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控、多PLC分布式控制等功能。在編程手段上，PLC的編程語言直觀、簡(jiǎn)單、方便，易于各行業(yè)工程技術(shù)人員掌握[2]。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案采用西門子S7-200系列PLC作為控制核心，它根據(jù)接收的觸摸屏設(shè)定轉(zhuǎn)速值，向直流電機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，并采集旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖信號(hào)，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)際轉(zhuǎn)速值，發(fā)送到觸摸屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖如圖1所示：

1.S7-200系列PLC

S7-200是西門子公司生產(chǎn)的一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)、各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。它具有以下特點(diǎn)：極強(qiáng)的可靠性，極豐富的指令集，易于掌握、便捷的操作，豐富的內(nèi)置集成功能，實(shí)時(shí)特性，強(qiáng)勁的通訊能力，豐富的擴(kuò)展模塊。S7-200系列PLC在自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮了其強(qiáng)大功能，使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡(jiǎn)單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制，應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等[3]。

S7-200系列PLC提供了4個(gè)不同的基本型號(hào)的8種CPU供您使用，本設(shè)計(jì)方案采用的是CPU224XP。CPU224XP具有14個(gè)數(shù)字輸入點(diǎn)，10個(gè)數(shù)字輸出點(diǎn)，2個(gè)模擬輸入點(diǎn)，1個(gè)模擬輸出點(diǎn)和6個(gè)高速計(jì)數(shù)器（30KHz），可方便地用數(shù)字量和模擬量擴(kuò)展模塊進(jìn)行擴(kuò)展[3]。

2.GT01觸摸屏

GT01是松下公司生產(chǎn)的3英寸、3色LED背光燈觸摸屏。它不僅能顯示信息、圖形，還能自由顯示按鍵、指示燈、PLC數(shù)據(jù)、圖表、時(shí)鐘等。此外，配合設(shè)備的狀況，它能夠切換3色背光燈，使運(yùn)行狀況一目了然。GT01備有5VDC/24VDC兩種電源和RS232C/RS422（RS485）兩種通信方式，可與各公司的PLC連接通信[4]。

3.電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器

本設(shè)計(jì)方案采用的是和利時(shí)公司生產(chǎn)的直流無刷電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器。

4.編碼器

旋轉(zhuǎn)式編碼器，是將旋轉(zhuǎn)的機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理后檢測(cè)位置、速度等信息的傳感器。本設(shè)計(jì)方案采用的是歐姆龍?jiān)隽渴骄幋a器，分辨率為600P/R。

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分分為PLC程序設(shè)計(jì)與觸摸屏程序設(shè)計(jì)兩部分。

1.PLC程序設(shè)計(jì)

（1）PLC程序總體設(shè)計(jì)

PLC程序使用的是STEP7MICROWIN軟件，編程語言為梯形圖語言。PLC程序的主要任務(wù)是完成與觸摸屏通信、向直流電機(jī)輸出控制信號(hào)、采集編碼器高速脈沖的任務(wù)。

S7-200與GT01觸摸屏通信采用RS485通信方式，觸摸屏可直接對(duì)S7-200的內(nèi)如寄存器進(jìn)行讀寫，如I區(qū)、Q區(qū)、V區(qū)、M區(qū)、AI區(qū)、AQ區(qū)等。觸摸屏的當(dāng)前頁面保存在S7-200的VW4里。

S7-200向直流電機(jī)輸出模擬電壓信號(hào)。模擬電壓使用CPU224XP自帶的模擬量輸出模塊產(chǎn)生，通過對(duì)AQ區(qū)寫數(shù)據(jù)（0-32767），從而改變輸出電壓值。

S7-200采用高速計(jì)數(shù)器采集旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖信號(hào)。

（2）高速計(jì)數(shù)器

高速計(jì)數(shù)器可以對(duì)普通計(jì)數(shù)器無能為力的高頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，CPU224XP的最高計(jì)數(shù)頻率為30kHz。S7-200系列PLC中有6個(gè)高速計(jì)數(shù)器，分別是HSC0-HSC5。當(dāng)高速計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值等于預(yù)制值、外部復(fù)位信號(hào)有效、計(jì)數(shù)方向改變時(shí)將產(chǎn)生中斷，通過中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)控制目標(biāo)的控制。高速計(jì)數(shù)器根據(jù)計(jì)數(shù)脈沖、復(fù)位脈沖、啟動(dòng)脈沖端子的不同接法可組成12種工作模式，不同的高速計(jì)數(shù)器有多種功能不同的工作模式[3]。

2.觸摸屏編程

觸摸屏GT01編程使用的是松下公司的GTWIN編程軟件[5]。

（1）按鈕開關(guān)

按鈕開關(guān)使用的是按鍵部件SW。根據(jù)需要設(shè)置SW開關(guān)的動(dòng)作模式，以及按鍵與PLC對(duì)應(yīng)的寄存器區(qū)。具體設(shè)置如圖4所示：

（2）加減速控制

加減速控制使用的是功能開關(guān)部件FSW，實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)PLC的VW100進(jìn)行加減控制。具體設(shè)置如圖5所示：

（2）速度顯示

速度顯示使用的是數(shù)據(jù)部件DATA，它讀取PLC中VW200的數(shù)據(jù)，并顯示出來。具體設(shè)置如圖6所示：

三、結(jié)語

本設(shè)計(jì)采用GT01觸摸屏作為控制界面，S7-200PLC作為控制核心，旋轉(zhuǎn)編碼器提供反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，并能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)速的顯示。實(shí)驗(yàn)證明，本方案具有很好的調(diào)速控制性能，為實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的數(shù)字控制提供了一種新的方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]李瑋，趙江，劉建業(yè).一種實(shí)用的單片機(jī)控制的數(shù)字式調(diào)速系統(tǒng)[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2002（6）：35-37.

[2]徐國(guó)林.PLC應(yīng)用技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[3]S7-200可編程控制器系統(tǒng)手冊(cè)[M].西門子自動(dòng)化工程有限公司，2004.

[4]可編程智能操作面板GT01技術(shù)手冊(cè)[M].松下電器有限公司，2006.

[5]松下觸摸屏軟件GTWIN操作手冊(cè)[M].松下電器有限公司，2006.