一種基于PLC的電機轉(zhuǎn)速控制教學(xué)裝置的設(shè)計

路澤永

(承德石油高等專科學(xué)校 電氣與電子工程系，河北 承德 067000)

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一種基于PLC的電機轉(zhuǎn)速控制教學(xué)裝置的設(shè)計

路澤永

(承德石油高等專科學(xué)校 電氣與電子工程系，河北 承德 067000)

在PLC課程教學(xué)中，高速計數(shù)器指令及應(yīng)用較為抽象，學(xué)生學(xué)起來比較困難，傳統(tǒng)的教學(xué)方式無法達(dá)到好的效果。將編碼器引入到PLC實訓(xùn)教學(xué)中，設(shè)計了一種電機轉(zhuǎn)速控制裝置，采用S7-200PLC為控制器，實時檢測電機轉(zhuǎn)速，通過PID控制算法控制變頻器輸出，使轉(zhuǎn)速控制在一定范圍內(nèi)。該實訓(xùn)教學(xué)裝置的應(yīng)用加深了學(xué)生對高速計數(shù)器指令及編碼器使用的理解和認(rèn)識，教學(xué)效果良好。

轉(zhuǎn)速控制；編碼器；S7-200；高速計數(shù)器

PLC課程是電氣自動化專業(yè)比較重要的一門專業(yè)課，旨在培養(yǎng)學(xué)生在電氣自動化設(shè)備運行與維護崗位中的解決實際問題的能力，突出實踐性、工程性和應(yīng)用性[1]。PLC教學(xué)往往采用實訓(xùn)教學(xué)的方式進行。在實施課程過程中，對于指令的學(xué)習(xí)是利用計算機、PLC實訓(xùn)臺進行學(xué)習(xí)。其中，高速計數(shù)器指令的學(xué)習(xí)過程中，涉及到的知識點較多，編程時需要注意的地方也比較繁瑣，且如果缺少合適的被控對象會使學(xué)生理解起來更加困難。筆者利用設(shè)備轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)為背景，通過引入編碼器，使學(xué)生在應(yīng)用高速器指令時有的放矢，可以深入理解該指令的強大功能。

1 裝置硬件組成及工作原理

基于編碼器的電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)以S7-200 PLC為控制核心，CPU型號為224XP CN。本機集成14路輸入/10路輸出共24個數(shù)字量I/O點，2通道輸入/1通道輸出共3個模擬量通道；最多連接7個PLC擴展模塊，最大擴展值至168路數(shù)字量I/O點或38路模擬量I/O點。編碼器的輸出信號直接連接到PLC的數(shù)字輸入端，經(jīng)過PLC中的計算程序?qū)崟r算出電機的實時轉(zhuǎn)速，經(jīng)過與設(shè)定值的比較，通過PID控制算法控制變頻器在 0～50 Hz 之間進行調(diào)速，最終使設(shè)備轉(zhuǎn)速滿足控制要求。

1.1 編碼器工作原理

傳統(tǒng)的編碼器從工作原理上可分為增量式和絕對式兩種類型[2]。以增量式旋轉(zhuǎn)編碼器為例，編碼器與旋轉(zhuǎn)機械同軸連接并轉(zhuǎn)動，其內(nèi)部其通過一個光敏元件透光和一個不透光的擋板來產(chǎn)生脈沖信號，此脈沖信號與轉(zhuǎn)速有對應(yīng)關(guān)系。通過轉(zhuǎn)化其角度碼盤的時序和相位關(guān)系，可得出其角度碼盤角度位移量增加(正方向)或減少(負(fù)方向)，因此可以對設(shè)備進行角度測量和角速度測量。編碼器將脈沖信號輸出到PLC接口，再通過 PLC 高速計數(shù)器進行計數(shù)，最終經(jīng)過程序處理轉(zhuǎn)換成直線位移或設(shè)備的轉(zhuǎn)速，這也是現(xiàn)在編碼器用來測量轉(zhuǎn)速的一種主要方式。

1.2 PLC與編碼器接線圖

系統(tǒng)采用西門子MM440通用變頻器控制電動機轉(zhuǎn)速，頻率控制信號來自S7-200 PLC輸出的4～20 mA 模擬量控制信號，調(diào)頻范圍為0～50 Hz。系統(tǒng)連接圖如圖2所示。

本實訓(xùn)中采用的編碼器為瑞普ZSP3806-003G-400B-12-24C，工作方式為模式0，帶有內(nèi)部方向控制的單向計數(shù)器，信號輸入點占用10.0，用來接收來自編碼器的脈沖信號。

1.3 系統(tǒng)測速方法

工程上常用的測速方法主要有M測速法、T測速法及M/T測速法三種方式[3]。其中較為常用和容易實現(xiàn)的測速法為M測速法。本設(shè)計采用M測速法，即在一個固定的時間間隔T內(nèi)，通過測量編碼器所產(chǎn)生的脈沖個數(shù)從而獲得被測速度的方法。假設(shè)旋轉(zhuǎn)編碼器每旋轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的脈沖數(shù)為D，并且在固定的時間T(s)內(nèi)，測得的脈沖個數(shù)為M，則被測轉(zhuǎn)速公式為：

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 S7-200高速計數(shù)器

S7-200系列PLC是SIEMENS公司推出的一種小型PLC。S7-200自帶了高速輸入和高速輸出功能，根據(jù)CPU的不同，所帶數(shù)量不同。高速計數(shù)器對CPU掃描速率無法控制的高速事件進行計數(shù)，最多可配置12種不同的操作模式。高速計數(shù)器的最高計數(shù)頻率取決于CPU類型，本設(shè)計選用的是CPU224 XP，支持HSC0～HSC5共六種高速計數(shù)器[4]。高速計數(shù)器指令有2條：高速計數(shù)器定義指令HDEF和高速計數(shù)器執(zhí)行指令HSC。

高速計數(shù)器定義(HDEF)指令選擇特定的高速計數(shù)器(HSCx)的操作模式。模式選擇定義高速計數(shù)器的時鐘、方向、起始和復(fù)原功能。高速計數(shù)器(HSC)指令根據(jù)HSC特殊內(nèi)存位的狀態(tài)配 置和控制高速計數(shù)器。參數(shù)N指定高速計數(shù)器的號碼。圖3所示為高速計數(shù)器指令。

高速計數(shù)器的編程主要有以下6個步驟：1)定義計數(shù)器和使用模式；2)設(shè)置計數(shù)器控制字；3)寫入計數(shù)器初始值；4)寫入預(yù)制值；5)設(shè)置并使能中斷服務(wù)程序；6)啟動高速計數(shù)器。

2.2 PLC程序設(shè)計

本設(shè)計中采用HSC0，模式0，帶有內(nèi)部方向控制的單向計數(shù)器，無復(fù)位。中斷程序為200 ms定時中斷，將采樣脈沖數(shù)存入變量，通過程序按照M測速法計算出設(shè)備轉(zhuǎn)速并輸出給PID控制器，PID控制器控制變頻器調(diào)速。

1)主程序設(shè)計。主程序包括3個網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)1為初始化程序，PLC上電即執(zhí)行初始化程序(見圖4)，執(zhí)行一次子程序SBR_0。

網(wǎng)絡(luò)2為轉(zhuǎn)速計算程序，程序的計算按照M測速法，本設(shè)計中T=200 ms，編碼器為400線。200 ms內(nèi)的計數(shù)值存在VD100中，最后的轉(zhuǎn)速存放在VD200中(見圖5)。

網(wǎng)絡(luò)3為PID控制變頻器程序，通過PID向?qū)Ш苋菀讓崿F(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制功能的子程序，在主程序中進行調(diào)用即可(見圖6)。

2)子程序設(shè)計。子程序?qū)Ω咚儆嫈?shù)器進行初始化及對中斷初始化，最后啟動高速計數(shù)器(見圖7)。

3)中斷程序設(shè)計。中斷程序主要負(fù)責(zé)讀數(shù)和重新啟動高速計數(shù)器，程序略。

3 實訓(xùn)內(nèi)容

裝置可以完成以下PLC實訓(xùn)內(nèi)容：高速計數(shù)器指令應(yīng)用、中斷程序應(yīng)用、子程序調(diào)用、PID程序調(diào)節(jié)、變頻器控制、編碼器數(shù)據(jù)采集等，內(nèi)容非常豐富。

4 結(jié)束語

筆者采用編碼器和S7-200高速計數(shù)器以及PID調(diào)節(jié)器實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)動裝置轉(zhuǎn)速的測量和控制。作為一種PLC實訓(xùn)裝置，組成簡單，容易上手，為學(xué)生理解PLC指令提供了非常好的控制對象，且在實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)中取得了良好的效果。裝置能實現(xiàn)工業(yè)過程中對位移、轉(zhuǎn)速、位置的測量及控制要求，使學(xué)生在實訓(xùn)過程中進一步增強了感性認(rèn)識，學(xué)習(xí)興趣也得到提高。裝置也可以應(yīng)用于對外培訓(xùn)及科研等工作領(lǐng)域。

[1] 路澤永. 一種基于PID電加熱溫度控制實訓(xùn)裝置的開發(fā)設(shè)計[J].承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報,2014(1):18-22.

[2] 張偉.通過S7-200 高速計數(shù)器和編碼器進行定位控制[J].南新疆有色金屬,2015(6):92-94.

[3] 雷聲勇,許梅艷.基于PLC+編碼器的自動化生產(chǎn)線產(chǎn)品分揀速度測控系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化應(yīng)用.2015(12):162-164.

[4] S7-200PLC可編程控制器系統(tǒng)手冊[Z].西門子公司,2008:118-132.

Design of Motor Speed-Control Teaching Equipment Based on PLC

LU Ze-yong

(Department of Electrical and Electronic Engineering, Chengde Petroleum College,Chengde 067000， Hebei, China)

In the PLC course teaching, hign-speed counter instruction and application is too abstract for students, and the traditional teaching methods cannot achieve good results. This artcal introduces the encoder to PLC teaching and desings a kind of motor speed control device. The controller of the device is S7-200PCL. It takes motor speed in real time detection, puts out the control signal using the PID algorithm. Finally, the speed will be controlled in a certain range. The application of the practice teaching device deepened students’ understanding of high speed counter instruction and the using method of encoder, and the teaching effect is good.

speed control; encoder; S7-200; high-speed counter

2016-09-23

路澤永(1981-)，男，河北廊坊人，講師，碩士，主要研究方向為工業(yè)自動化控制，E-mail:luzeyong1981@163.com。

TP273-46

A

1008-9446(2017)02-0029-04