基于PLC和觸摸屏、變頻器的電機正反轉(zhuǎn)多段速控制教學設計

劉琛森

（廣西賀州高級技工學校，廣西賀州，542899）

精品課程的建設對于提升職業(yè)院校的教育模式、提高辦學質(zhì)量、達到人才培養(yǎng)的目標，有非常重要的意義。2021年，筆者所在學校電類專業(yè)挑選了《PLC應用技術(shù)》這門課作為校精品課程進行研發(fā)。PLC是依托微處理器為核心的自動化裝置，廣泛應用于工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中，是一體化專業(yè)的核心課程。結(jié)合新建的PLC實訓室，里面有PLC模塊、觸摸屏模塊、變頻器模塊，需要對PLC這門課程進行結(jié)構(gòu)調(diào)整，加入觸摸屏、變頻器的內(nèi)容，以達到調(diào)整教學資源，優(yōu)化教學內(nèi)容的目的。通過集合骨干專業(yè)教師組成研發(fā)團隊，結(jié)合平時教學成果，參與科研項目的經(jīng)驗，保留了PLC的核心基礎(chǔ)知識，去除老、舊知識點，增加和如今行業(yè)密切相關(guān)的知識模塊。同時把整理、編寫出來的學習任務，在課堂上進行教學驗證，看學生的理解、掌握程度是否能達到預定的教學效果。若不能，或者效果較差，則教師團隊需對該學習任務進行討論、修改，再用到教學中進行檢驗，以達到預期的教學效果。針對學校實訓室的設備，我們總結(jié)提煉了十個PLC這門課程的經(jīng)典學習任務。這些典型的學習任務除了以PLC為核心控制器外，還加入了觸摸屏、變頻器的內(nèi)容，更強調(diào)以培養(yǎng)實踐能力為原則，主動適應社會發(fā)展變化的需要。本文選取其中的一個“基于觸摸屏、變頻器和PLC的電機正反轉(zhuǎn)多段速控制”加以分析，也給需要進行PLC課程內(nèi)容調(diào)整、整合的教師一個參考。

1 任務控制要求

本次學習任務的控制方式可以手動控制和觸摸屏遠程控制兩種方式，具體控制要求如下：

(1)在停止狀態(tài)下，按下正轉(zhuǎn)啟動按鈕SB1,電動機在變頻器驅(qū)動下啟動正轉(zhuǎn)，變頻器每經(jīng)過15S后改變一次輸出頻率帶動電動機正轉(zhuǎn)，按10Hz、20Hz、50Hz依次改變頻率轉(zhuǎn)動。頻率上升到50Hz后，便按50Hz持續(xù)正轉(zhuǎn)。

(2)在停止狀態(tài)下，按下反轉(zhuǎn)啟動按鈕SB2,電動機在變頻器驅(qū)動下啟動反轉(zhuǎn)，變頻器每經(jīng)過15s后改變一次頻率帶動電動機反轉(zhuǎn)，按15Hz、25Hz、35Hz、50Hz依次改變頻率轉(zhuǎn)動。頻率上升到50Hz后，便按50Hz持續(xù)反轉(zhuǎn)。

(3)按下停止按鈕SB3，無論電動機處于什么段速運行，都將停止輸出。

(4)創(chuàng)建觸摸屏界面，能在觸摸屏界面進行電動機的正反轉(zhuǎn)啟動、停止操作，指示燈顯示電動機處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)還是反轉(zhuǎn)狀態(tài)，并能在觸摸屏上顯示電動機的實時頻率。

2 任務實施

■2.1 硬件選型

本教學設計中采用的是三菱FX2N-48MR的PLC，三菱FR-E740型通用變頻器，昆侖通態(tài)TPC7062KX(TX)型號的觸摸屏，80YS減速電機，同時選擇一個組合按鈕用于手動控制操作。

■2.2 I/O地址分配表

在本學習任務中，有3個輸入量，即正轉(zhuǎn)啟動按鈕、反轉(zhuǎn)啟動按鈕、停止按鈕。有5個輸出量，分別控制電動機的正、反轉(zhuǎn)和多段速選擇。具體I/O地址分配表如表1所示。

表1 I/O地址分配表

■2.3 變頻器開關(guān)量輸入與輸出頻率對應關(guān)系表及參數(shù)設置方法

變頻器參數(shù)設置：在變頻器上電沒有輸出狀態(tài)下，P79由2變成1變成內(nèi)部模式，然后找到ALLC由0變?yōu)?恢復出廠設置，再分別設置P4、P5、P6、P7（加速時間）、P8（減速時間）、P24、P25、P26、P27，最后再將P79由1變成2處于外部模式。

表2 變頻器的開關(guān)量輸入與輸出頻率對應關(guān)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 外部接線圖

圖1是PLC和變頻器的外部接線圖，觸摸屏接上24V直流電源后，通過RS-232數(shù)據(jù)線和PLC連接。

圖1 外部接線圖

■2.5 程序設計

在教學過程中發(fā)現(xiàn)，學生對程序設計這一塊是比較薄弱的，很多學生在讓他們自行設計程序時無從下手，老師一講解程序又恍然大悟。為了解決好這一教學難點，需要教師在課堂上多引導、并通過舉例子啟發(fā)學生。以這次的學習任務程序書寫為例。首先可以幫學生分析整個任務的程序編輯主要分為三大部分。第一部分要解決觸摸屏能讀取并在屏幕上實時顯示電機運轉(zhuǎn)頻率，這個可以用傳送指令解決。即把相應的頻率數(shù)值傳送到寄存器D0，然后通過和觸摸屏的關(guān)聯(lián)，使其能讀取頻率值并顯示在觸摸屏幕上；第二部分要解決電動機正轉(zhuǎn)時每經(jīng)過15s后變頻器就改變一次輸出頻率的問題?？梢酝ㄟ^步進指令進行編輯，這里面會用到常用的啟—?！５木幊趟悸?，計時用到定時器T,為了解決能在任一速段停止，可以在步進的每步加入控制停止部分的跳轉(zhuǎn)程序。同時為了在觸摸屏上也能啟動正轉(zhuǎn)，我們可以用M0關(guān)聯(lián)觸摸屏的啟動按鈕，M2關(guān)聯(lián)觸摸屏的停止按鈕；第三部分就是解決電動機反轉(zhuǎn)時每經(jīng)過15s后變頻器改變一次輸出頻率的問題，這個和正轉(zhuǎn)的相似，就不重復敘述了。圖2是完整的程序。

圖2 程序圖

下面對程序進行詳細的分析：

（1）0-8之間的這部分程序:PLC上電瞬間，停止按鈕X002按下或觸摸屏上的按鈕M2按下時，對頻率顯示寄存器D0進行清零。

（2）8-30之間的這部分程序：正轉(zhuǎn)狀態(tài)時，結(jié)合變頻器的開關(guān)量輸入與輸出頻率對應關(guān)系表，分別給頻率顯示寄存器D0賦予低、中、高三個數(shù)值，即10Hz、20Hz、50Hz。

（3）30-64之間的這部分程序：反轉(zhuǎn)狀態(tài)時，結(jié)合變頻器的開關(guān)量輸入與輸出頻率對應關(guān)系表，分別給頻率顯示寄存器D0賦予四個頻率段的數(shù)值，即15Hz、25Hz、35Hz、50Hz。

（4）64-67之間的這部分程序:PLC上電，開始執(zhí)行步進程序的S0這步。

（5）68-87之間的這部分程序：對Y000-Y004進行了復位，如果按下啟動按鈕X000，開始進入到正轉(zhuǎn)運行這部分的程序，程序跳轉(zhuǎn)到步進S10這步；如果按下反轉(zhuǎn)按鈕X001，開始進入到反轉(zhuǎn)運行這部分的程序，程序跳轉(zhuǎn)到步進S13這步。這里還通過Y0、Y1的常閉觸點讓正反轉(zhuǎn)啟動進行了互鎖，保證運行的安全。

（6）87、88這部分的程序：正轉(zhuǎn)10Hz運行15s，15s的時間一到，則跳轉(zhuǎn)到步進的S11步；如果時間未達到15s，按下停止按鈕X002或觸摸屏上的停止按鈕M2，電機停止正轉(zhuǎn)。

（7）103、104這部分程序：反轉(zhuǎn)15Hz的頻率運行，15s的時間一到，則跳轉(zhuǎn)到步進的S14步；如果時間未達到15s，按下停止按鈕X002或觸摸屏上的停止按鈕M2，電機停止反轉(zhuǎn)。

（8）120、121這部分程序：正轉(zhuǎn)20Hz運行15s，15s的時間一到，則跳轉(zhuǎn)到步進的S12步；如果時間未達到15s，按下停止按鈕X002或觸摸屏上的停止按鈕M2，電機停止正轉(zhuǎn)。

（9）136、137這部分程序：反轉(zhuǎn)25Hz的頻率運行，15s的時間一到，則跳轉(zhuǎn)到步進的S15步；如果時間未達到15s，按下停止按鈕X002或觸摸屏上的停止按鈕M2，電機停止反轉(zhuǎn)。

（10）153、154這部分程序：正轉(zhuǎn)50Hz運行15s，15s的時間一到，如果沒有按下停止按鈕，則電機持續(xù)正轉(zhuǎn)；如果時間未達到15s或已超過15s，按下停止按鈕X002或觸摸屏上的停止按鈕M2，電機停止正轉(zhuǎn)。

（11）172、173這部分程序：反轉(zhuǎn)35Hz的頻率運行，15s的時間一到，則跳轉(zhuǎn)到步進的S16步；如果時間未達到15s，按下停止按鈕X002或觸摸屏上的停止按鈕M2，電機停止反轉(zhuǎn)。

（12)189、190這部分程序：反轉(zhuǎn)50Hz運行15s，15s的時間一到，如果沒有按下停止按鈕，則電機持續(xù)反轉(zhuǎn)；如果時間未達到15s或已超過15s，按下停止按鈕X002或觸摸屏上的停止按鈕M2，電機停止反轉(zhuǎn)。

（13）210、211這部分程序：步進程序結(jié)束，整個程序結(jié)束。

■2.6 觸摸屏界面的設計

完成本學習任務采用的是MCGSE組態(tài)軟件進行觸摸屏界面的設計。該軟件呈現(xiàn)的是全中文界面，對于英語基礎(chǔ)較差的中職生也是能夠輕松掌控的。軟件以小窗口為單元，使用者可以根據(jù)自己的實際需求創(chuàng)建操作系統(tǒng)界面，可操作性強，學生也容易理解和掌握。首先，我們在實時數(shù)據(jù)庫中建立三個開關(guān)量，分別是正轉(zhuǎn)啟動、反轉(zhuǎn)啟動、停止；然后在觸摸屏設備窗口選擇三菱FX系列編程口，并通過串口設備屬性，在改變屬性菜單中選擇CPU類型，我選擇的是FX2N，與實際一致；最后增加九條通道，對輸入輸出變量進行關(guān)聯(lián)。圖3是觸摸屏的組態(tài)界面。

圖3 觸摸屏組態(tài)界面

■2.7 調(diào)試運行

在程序調(diào)試正確的情況下，在教師監(jiān)控下進行負載調(diào)試。調(diào)試過程注意用電規(guī)范。

調(diào)試過程：

（1）按下正轉(zhuǎn)啟動按鈕SB1,電動機正轉(zhuǎn)，變頻器每經(jīng)過15s后改變一次輸出頻率帶動電動機正轉(zhuǎn)，按10Hz、20Hz、50Hz依次改變頻率轉(zhuǎn)動。頻率上升到50Hz后，便按50Hz持續(xù)正轉(zhuǎn)。觸摸屏顯示界面上正轉(zhuǎn)指示燈亮，同時實時顯示電動機轉(zhuǎn)動頻率。

（2）按下停止按鈕SB3，電動機停止正轉(zhuǎn)。

（3）按下反轉(zhuǎn)啟動按鈕SB2,電動機反轉(zhuǎn)，變頻器每經(jīng)過15s后改變一次頻率帶動電動機反轉(zhuǎn)，按15Hz、25Hz、35Hz、50Hz依次改變頻率轉(zhuǎn)動。頻率上升到50Hz后，便按50Hz持續(xù)反轉(zhuǎn)。觸摸屏顯示界面上反轉(zhuǎn)指示燈亮，同時實時顯示電動機轉(zhuǎn)動頻率。

（4）按下停止按鈕SB3，電動機停止反轉(zhuǎn)。

3 思考與練習

本任務主要是對電動機的正反轉(zhuǎn)進行了多段速控制，結(jié)合我們生活中常見的洗衣機的工作過程，還可以對本學習任務做如下拓展：

（1）按下啟動按鈕，洗衣機開始進水。水位達到最高位停止進水，洗衣機開始正轉(zhuǎn)洗滌。按正轉(zhuǎn)24s，暫停5s，反轉(zhuǎn)24s，暫停5s為一個小周期，工作3次后，開始排水。

（2）排水后水位開始下降，下降到最低水位后，開始脫水和繼續(xù)排水。脫水時間為15s。脫水完成后，就完成了一個大的周期。完成3個大周期后，洗衣機完成本次洗滌并通過蜂鳴器報警；如果未完成3個周期，則繼續(xù)開始進水，重復第1部分的工作流程。

（3）洗衣機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)洗滌要求用變頻器進行多段速控制。這里我們可以考慮電機的3段速運行。分別為30Hz運行8s、50Hz運行8s，20Hz運行8s。

（4）脫水時變頻器的速度為50Hz，加、減速的時間是4s。

（5）觸摸屏的界面設置上有啟動、停止按鈕、進水、脫水、洗滌完成、正轉(zhuǎn)運行時間、反轉(zhuǎn)運行時間、小周期次數(shù)、大周期次數(shù)等參數(shù)。

4 結(jié)束語

本學習任務以圍繞PLC這門核心課程，延伸了觸摸屏、變頻器的相關(guān)知識，達到將多門課程知識點融會貫通、舉一反三的目的。這也為聚焦課標，重組教材如何開展教學提供了參考。實際教學過程中，學生對實用性強，一個學習任務涵蓋了多門課程知識點的教學方式非常感興趣。將工程專業(yè)要素融入實訓教學中，讓學生在實訓過程中培養(yǎng)了團隊合作、分析解決問題的能力，增強了職業(yè)教育的適應性。