郭志冬

（三門峽職業(yè)技術(shù)學院，河南 三門峽 472000）

一、引言

在職業(yè)院校的機電類專業(yè)中，《PLC及其應用》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)學生在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中分析問題和解決問題的能力，課程的特點是突出應用性和實踐性。課程教學多采用實踐教學和理論教學一體化的教學模式，實踐教學過程中要利用計算機和實訓裝置或?qū)嶒炏到y(tǒng)進行學習。其中，電機的調(diào)試控制及其實驗系統(tǒng)是PLC應用中最具實用價值和應用意義的實踐教學內(nèi)容之一[1]。本文將針對此實驗系統(tǒng)進行設(shè)計旨在提升職業(yè)院校機電類專業(yè)學生學習PLC的興趣和鍛煉PLC在調(diào)速控制中的應用能力，為學生畢業(yè)后在電機調(diào)速方面的應用打下牢靠的基礎(chǔ)。

二、實驗原理

（一）調(diào)速原理

三相交流異步電動機的轉(zhuǎn)速公式為：

式（1）中，n為電機轉(zhuǎn)速，f為電源頻率，在我國f=50Hz，p為磁極對數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率。從電機轉(zhuǎn)速公式中可以看出，若要改變電機轉(zhuǎn)速可從改變電源頻率；改變磁極對數(shù)；改變轉(zhuǎn)差率三個方面入手。改變磁極對數(shù)進行調(diào)速即變極調(diào)速的特點是結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，易于實現(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)速和串級調(diào)速等方法，其中變壓調(diào)速的特點是速范圍不大，效率低；轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法的特點是結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，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；串級調(diào)速的調(diào)速范圍較大，損壞較小，調(diào)速效率較高，啟動性能較好，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）編碼器的測速原理

光電編碼器是一種將機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量或脈沖信號的光電轉(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型兩種。這是目前應用最多的傳感器，廣泛應用于數(shù)控機床、私服系統(tǒng)、機器人、雷達等需要檢測角度和轉(zhuǎn)速的裝置和設(shè)備中[3]。本文中采用的編碼器型號為LPD3806-400BMG5-24C，為增量型編碼器，軸轉(zhuǎn)一周輸出400脈沖，AB兩相輸出，使用時通過聯(lián)軸器和電機軸相連，與電機同步旋轉(zhuǎn)，輸出脈沖信號和PLC的輸入端連接，通過PLC內(nèi)部的高速計數(shù)器對脈沖數(shù)進行計數(shù)。代入式（2）公式中計算出電機轉(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)計得的脈沖數(shù)，n為電機轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)/分鐘。

三、電機調(diào)速實驗系統(tǒng)硬件設(shè)計

（一）硬件系統(tǒng)組成設(shè)計

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)三相異步電動機的轉(zhuǎn)速。編碼器對轉(zhuǎn)速進行檢測并將檢測信號傳送給PLC，PLC和觸摸屏實時通信、交換數(shù)據(jù)，觸摸屏實時對電機轉(zhuǎn)速系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)速控制和監(jiān)控。電機調(diào)速系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

圖1 電機調(diào)速系統(tǒng)的組成框圖

（二）系統(tǒng)主要控制設(shè)備型號及調(diào)速過程介紹

系統(tǒng)的控制核心是CPU224XP，主機集成14點數(shù)字量輸出，10點數(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，提供了人機界面的標準功能，經(jīng)濟實用，具備高性價比；和S7-200西門子PLC組成完美的小型自動化解決方案。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)濟高效的特點，內(nèi)置常見的連接宏與應用宏，簡化操作，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進行通信，PLC接收到命令后，通過程序指令從主機集成的模擬量輸出端口輸出一個模擬量信號，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機，控制電機調(diào)速，通過光電編碼器進行測速，并將測速信號反饋給PLC，通過RS485將轉(zhuǎn)速信息傳遞個觸摸屏顯示在屏幕上。

四、電機調(diào)速實驗系統(tǒng)程序設(shè)計

（一）高速計數(shù)器指令

西門子S7-200CPU提供了多個高速計數(shù)器以響應快速的脈沖輸入信號。CPU224XP支持6個高速計數(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12種工作模式。高速計數(shù)器編程時需要完成以下步驟：（1）根據(jù)計數(shù)器工作模式，設(shè)置控制字節(jié)。（2）使用HDEF定義計數(shù)器號（3）設(shè)置計數(shù)方向（4）設(shè)置初始值（5）設(shè)置預制值（6）設(shè)定中斷程序（7）執(zhí)行HSC指令，激活計數(shù)器[5]。

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

（二）PLC程序設(shè)計

本系統(tǒng)中，程序設(shè)計所用高速計數(shù)器為HSC0，模式設(shè)定為0，為內(nèi)部方向控制的單向計數(shù)器，無復位。主程序為：如果變頻器故障信號為0，則正常啟動變頻器。通過觸摸屏的轉(zhuǎn)速控制對話框輸入需要的轉(zhuǎn)速頻率如30Hz，通過PLC將頻率信號轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號輸出控制變頻器，變頻器控制電機轉(zhuǎn)動，編碼器檢測到轉(zhuǎn)速并以脈沖信號的形式輸送給PLC的高速計數(shù)器的脈沖輸入端，經(jīng)過程序計算后得出轉(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定時中斷程序，中斷時將采樣的脈沖數(shù)傳送給PLC，經(jīng)過計算得出轉(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、電機調(diào)速實驗系統(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)定電機的頻率，通過編碼器測定轉(zhuǎn)速后，經(jīng)過程序計算，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 電機調(diào)速實驗系統(tǒng)調(diào)試仿真結(jié)果

六、結(jié)語

本文采用CPU224XP作為電機調(diào)速系統(tǒng)的控制核心，上位機采用西門子Smart700IE，通過RS485進行通信，采用光電編碼器作為測量轉(zhuǎn)速的傳感器。作為PLC的一種控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)容易，方便學生學習硬件組成和指令含義，在實訓教學中取得了良好的效果。該控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)工業(yè)過程中的電機轉(zhuǎn)速的控制及測速要求，使學生對轉(zhuǎn)速控制與測速有了一個感性的認識，并學習了模擬量的使用方法，高速計數(shù)器指令的應用，學習興趣得到了極大的提高[7]。該裝置可以用于工業(yè)現(xiàn)場及科研和振興工程的職工培訓等方面。