張靖輝，涂冰峰

基于PLC與觸摸屏的異步電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。該設(shè)計(jì)應(yīng)用控制元件的組合，結(jié)合生產(chǎn)的具體情況，按實(shí)際要求實(shí)現(xiàn)對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制，這樣在負(fù)載不斷變化的生產(chǎn)場(chǎng)合，就能進(jìn)行廣泛的應(yīng)用。

PLC；觸摸屏；變頻器；三相電動(dòng)機(jī)控制

現(xiàn)代社會(huì)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(jìn)行調(diào)整，這樣就對(duì)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(duì)設(shè)備成本的控制和具體的功能實(shí)現(xiàn)起到重要的作用。以三相異步電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制，最終保證電機(jī)運(yùn)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(shí)現(xiàn)，而且本身成本較低、操作較簡(jiǎn)單，性能也比較優(yōu)越，維護(hù)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(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)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(jìn)行具體的擴(kuò)展。除此之外，其還有諸多特殊功能，能有效實(shí)現(xiàn)位置和過程的控制。對(duì)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(kuò)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(hào)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(gè)觸摸屏的抗干擾性能非常強(qiáng)，具體的耐壓值達(dá)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(jī)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(gè)CH，12位的最大分辨率。借助于不斷變化的輸出端子，對(duì)于電壓或者電流的狀態(tài)可以進(jìn)行隨意的選擇。借助于緩沖存儲(chǔ)器，F(xiàn)X2N以及FX2N-4DA之間能夠進(jìn)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(chǔ)器數(shù)量達(dá)到了32個(gè)，每一個(gè)的位數(shù)達(dá)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(jī)公司，此變頻器的容量額定數(shù)值為2.7 kVA，電機(jī)對(duì)應(yīng)的容量值為1.5 kW，頻率波動(dòng)允許的范圍在上下5%之內(nèi)，對(duì)加減速度進(jìn)行時(shí)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(duì)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(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)到界面的反饋，這樣用戶就可以實(shí)時(shí)對(duì)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)的速度和設(shè)置速度之間的一致性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

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(dòng)機(jī)、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(duì)系統(tǒng)的程序進(jìn)行控制的器件為PLC，能夠?qū)⑦\(yùn)算數(shù)字量進(jìn)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(jī)進(jìn)行電壓的改變，就需要加控制端到變頻器，電壓控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)速的控制和轉(zhuǎn)變；為了測(cè)算異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，可以借助于旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行，而后PLC收到具體的反饋，實(shí)時(shí)速度被顯示在觸摸屏上，用戶就能實(shí)現(xiàn)很好的監(jiān)測(cè)。具體的系統(tǒng)硬件控制結(jié)構(gòu)可以用下圖進(jìn)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(jì)

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(diǎn)和U、V、W端、電機(jī)三相電源端子、熱繼電器進(jìn)行連接，能夠?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行速度的控制，具體接線的過程中，需要對(duì)電機(jī)和變頻器實(shí)現(xiàn)接地保護(hù)，這一點(diǎn)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)通信，向D/A模塊進(jìn)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(duì)電機(jī)不但可以進(jìn)行正轉(zhuǎn)控制，也能進(jìn)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(duì)于變頻器來講，其10端就會(huì)成為10 V電壓端，5端進(jìn)行接地處理，這樣外部模擬電壓就可以實(shí)現(xiàn)很好的輸入。對(duì)于全部的硬件，都要注意予以接地保護(hù)。

四、系統(tǒng)軟件的具體設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)觸摸屏的具體畫面。對(duì)于觸摸屏進(jìn)行具體的界面編程，選用的軟件為GT-Desiginer，此軟件為三菱電機(jī)免費(fèi)提供。對(duì)需要的界面，該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)很好的編輯功能。對(duì)觸摸屏進(jìn)行具體設(shè)計(jì)的畫面要求，開關(guān)元件名的具體設(shè)置要能被PLC識(shí)別。比如對(duì)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(huì)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(shí)現(xiàn)曲線的平滑展示。在這個(gè)過程中，需要細(xì)化時(shí)間軸，也就是橫軸，按照速度對(duì)特定時(shí)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(jī)實(shí)現(xiàn)照折線轉(zhuǎn)動(dòng)。

圓有一對(duì)應(yīng)的公式，具體表示為x2+y2=r2，設(shè)定速度和時(shí)間成起始值，半徑平方與時(shí)間平方的差并進(jìn)行開方運(yùn)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(diǎn)形式。將要求的速度值與開方求得數(shù)值做差并進(jìn)行倍數(shù)化處理，獲得一定值，循環(huán)每次進(jìn)行的過程中，電機(jī)將會(huì)圍繞半圓進(jìn)行不停的曲線轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.D/A轉(zhuǎn)換程序。下表詳細(xì)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(jìn)制的形式進(jìn)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(gè)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(jī)速度，這個(gè)程序被放置于寄存器D100中，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)D/A模塊的良好控制，尤其是輸入的模擬量的大小。同時(shí)對(duì)D100程序可以進(jìn)行16位的分解，寫前8位入#16緩沖區(qū),保持這8位的同時(shí)，輸入另外4位，最終組合成為12位，最后一步，轉(zhuǎn)換這個(gè)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(xué)技術(shù)，比如嵌入式控制器系統(tǒng)、人機(jī)界面技術(shù)、可編程控制器、變頻器等等，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展顯得更加迅速快捷，工業(yè)自動(dòng)化的可靠、安全、精確目的更容易實(shí)現(xiàn)。借助于非常強(qiáng)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(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度，能夠讓電動(dòng)機(jī)處于安全可靠穩(wěn)定的運(yùn)行狀況之下。

[1]張?jiān)苿?PLC職業(yè)技能培訓(xùn)及視頻精講——三菱FX系列[M].北京：人民郵電出版社，2010.28-46.

[2]張帆.應(yīng)用三菱觸摸屏實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2010，(10):39-40.

[3]黃寧.PLC、觸摸屏和變頻器在循環(huán)雙流化床鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2010，(2):4-8.

[4]劉貴寶.三菱觸摸屏在PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化，2010，(11):80-83.

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