基于西門子S7-200PLC的三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭志冬

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000）

一、引言

在職業(yè)院校的機(jī)電類專業(yè)中，《PLC及其應(yīng)用》是一門地位非常重要的專業(yè)核心課程。這門課程主要培養(yǎng)學(xué)生在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中分析問題和解決問題的能力，課程的特點(diǎn)是突出應(yīng)用性和實(shí)踐性。課程教學(xué)多采用實(shí)踐教學(xué)和理論教學(xué)一體化的教學(xué)模式，實(shí)踐教學(xué)過程中要利用計(jì)算機(jī)和實(shí)訓(xùn)裝置或?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)。其中，電機(jī)的調(diào)試控制及其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是PLC應(yīng)用中最具實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用意義的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容之一[1]。本文將針對(duì)此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)旨在提升職業(yè)院校機(jī)電類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)PLC的興趣和鍛煉PLC在調(diào)速控制中的應(yīng)用能力，為學(xué)生畢業(yè)后在電機(jī)調(diào)速方面的應(yīng)用打下牢靠的基礎(chǔ)。

二、實(shí)驗(yàn)原理

（一）調(diào)速原理

三相交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：

式（1）中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，f為電源頻率，在我國(guó)f=50Hz，p為磁極對(duì)數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率。從電機(jī)轉(zhuǎn)速公式中可以看出，若要改變電機(jī)轉(zhuǎn)速可從改變電源頻率；改變磁極對(duì)數(shù)；改變轉(zhuǎn)差率三個(gè)方面入手。改變磁極對(duì)數(shù)進(jìn)行調(diào)速即變極調(diào)速的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，易于實(shí)現(xiàn)，成本較低但是調(diào)速范圍不夠平滑，為有極變速。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速有變壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和串級(jí)調(diào)速等方法，其中變壓調(diào)速的特點(diǎn)是速范圍不大，效率低；轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，轉(zhuǎn)差功率損耗在電阻上，效率隨轉(zhuǎn)差率增加等比下降，故此法一般不用；串級(jí)調(diào)速的調(diào)速范圍較大，損壞較小，調(diào)速效率較高，啟動(dòng)性能較好，但可靠性低[2]。變頻調(diào)速是這三種方法中調(diào)速性能最好、調(diào)速范圍最廣、效率高，穩(wěn)定性最好的一種。本文的調(diào)速系統(tǒng)采用變頻調(diào)速。

（二）編碼器的測(cè)速原理

光電編碼器是一種將機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量或脈沖信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換傳感器，根據(jù)其刻度方法和輸出形式可分為增量型和絕對(duì)型兩種。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、私服系統(tǒng)、機(jī)器人、雷達(dá)等需要檢測(cè)角度和轉(zhuǎn)速的裝置和設(shè)備中[3]。本文中采用的編碼器型號(hào)為L(zhǎng)PD3806-400BMG5-24C，為增量型編碼器，軸轉(zhuǎn)一周輸出400脈沖，AB兩相輸出，使用時(shí)通過聯(lián)軸器和電機(jī)軸相連，與電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)，輸出脈沖信號(hào)和PLC的輸入端連接，通過PLC內(nèi)部的高速計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。代入式（2）公式中計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。

式（2）中，t為采樣周期，z為編碼器旋轉(zhuǎn)一周輸出的脈沖數(shù)，在此z=400，M為采樣周期內(nèi)計(jì)得的脈沖數(shù)，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)/分鐘。

三、電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）硬件系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件組成中控制核心選擇CPU224XP，通過模擬量模塊輸出模擬量信號(hào)給變頻器模擬量輸入端，控制變頻器的輸出頻率，從而調(diào)節(jié)三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。編碼器對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)并將檢測(cè)信號(hào)傳送給PLC，PLC和觸摸屏實(shí)時(shí)通信、交換數(shù)據(jù)，觸摸屏實(shí)時(shí)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制和監(jiān)控。電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

圖1 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成框圖

（二）系統(tǒng)主要控制設(shè)備型號(hào)及調(diào)速過程介紹

系統(tǒng)的控制核心是CPU224XP，主機(jī)集成14點(diǎn)數(shù)字量輸出，10點(diǎn)數(shù)字量輸出；2路模擬量輸入，1路模擬量輸出。觸摸屏采用西門子Smart700IE，提供了人機(jī)界面的標(biāo)準(zhǔn)功能，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，具備高性價(jià)比；和S7-200西門子PLC組成完美的小型自動(dòng)化解決方案。變頻器采用西門子V20變頻器，變頻器具有調(diào)試過程快捷、易于操作、穩(wěn)定可靠以及經(jīng)濟(jì)高效的特點(diǎn)，內(nèi)置常見的連接宏與應(yīng)用宏，簡(jiǎn)化操作，開箱即用[4]。

系統(tǒng)由觸摸屏設(shè)定變頻器的頻率輸出命令，通過RS485和CPU224XP進(jìn)行通信，PLC接收到命令后，通過程序指令從主機(jī)集成的模擬量輸出端口輸出一個(gè)模擬量信號(hào)，去控制變頻器V20的模擬量控制端，從而輸出符合設(shè)定要求的電源頻率電壓給三相交流異步電動(dòng)機(jī)，控制電機(jī)調(diào)速，通過光電編碼器進(jìn)行測(cè)速，并將測(cè)速信號(hào)反饋給PLC，通過RS485將轉(zhuǎn)速信息傳遞個(gè)觸摸屏顯示在屏幕上。

四、電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

（一）高速計(jì)數(shù)器指令

西門子S7-200CPU提供了多個(gè)高速計(jì)數(shù)器以響應(yīng)快速的脈沖輸入信號(hào)。CPU224XP支持6個(gè)高速計(jì)數(shù)器HSC0-HSC5。S7-200CPU可以定義4種工作類型，每種工作類型可以設(shè)定3種工作狀態(tài)，共計(jì)12種工作模式。高速計(jì)數(shù)器編程時(shí)需要完成以下步驟：（1）根據(jù)計(jì)數(shù)器工作模式，設(shè)置控制字節(jié)。（2）使用HDEF定義計(jì)數(shù)器號(hào)（3）設(shè)置計(jì)數(shù)方向（4）設(shè)置初始值（5）設(shè)置預(yù)制值（6）設(shè)定中斷程序（7）執(zhí)行HSC指令，激活計(jì)數(shù)器[5]。

高速計(jì)數(shù)器有兩條工作指令，即高速計(jì)數(shù)器定義指令HDEF和高速計(jì)數(shù)器執(zhí)行指令HSC。HDEF可用于定義高數(shù)計(jì)數(shù)器HSC0-HSC5的工作模式，即確定高速計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘、方向、起始和復(fù)原功能。HSC用于配置和控制相應(yīng)的高速計(jì)數(shù)器，參數(shù)N用于定義高速計(jì)數(shù)器的編號(hào)N=（0-5）。

（二）PLC程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，程序設(shè)計(jì)所用高速計(jì)數(shù)器為HSC0，模式設(shè)定為0，為內(nèi)部方向控制的單向計(jì)數(shù)器，無復(fù)位。主程序?yàn)椋喝绻冾l器故障信號(hào)為0，則正常啟動(dòng)變頻器。通過觸摸屏的轉(zhuǎn)速控制對(duì)話框輸入需要的轉(zhuǎn)速頻率如30Hz，通過PLC將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)輸出控制變頻器，變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，編碼器檢測(cè)到轉(zhuǎn)速并以脈沖信號(hào)的形式輸送給PLC的高速計(jì)數(shù)器的脈沖輸入端，經(jīng)過程序計(jì)算后得出轉(zhuǎn)速的具體數(shù)值，并將數(shù)據(jù)傳送給觸摸屏[6]。主程序流程圖見圖2。

圖2 主程序流程圖

中斷程序采用200ms定時(shí)中斷程序，中斷時(shí)將采樣的脈沖數(shù)傳送給PLC，經(jīng)過計(jì)算得出轉(zhuǎn)速的具體數(shù)值，最終將數(shù)據(jù)傳給觸摸屏并通過顯示屏顯示[6]。中斷程序流程圖見圖3。

圖3 中斷程序流程圖

五、電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)試

將硬件系統(tǒng)連接好后，接通電源，打開西門子Step7Micro/Win編程軟件，編寫好程序后通過PPI編程電纜下載到PLC中去。在觸摸屏中輸入設(shè)定電機(jī)的頻率，通過編碼器測(cè)定轉(zhuǎn)速后，經(jīng)過程序計(jì)算，將轉(zhuǎn)速信息傳遞給觸摸屏，并最終顯示在屏幕上。仿真調(diào)試如圖4所示。

圖4 電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)試仿真結(jié)果

六、結(jié)語

本文采用CPU224XP作為電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制核心，上位機(jī)采用西門子Smart700IE，通過RS485進(jìn)行通信，采用光電編碼器作為測(cè)量轉(zhuǎn)速的傳感器。作為PLC的一種控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，方便學(xué)生學(xué)習(xí)硬件組成和指令含義，在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中取得了良好的效果。該控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程中的電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制及測(cè)速要求，使學(xué)生對(duì)轉(zhuǎn)速控制與測(cè)速有了一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)，并學(xué)習(xí)了模擬量的使用方法，高速計(jì)數(shù)器指令的應(yīng)用，學(xué)習(xí)興趣得到了極大的提高[7]。該裝置可以用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)及科研和振興工程的職工培訓(xùn)等方面。