尚 麗，劉淑芬,葉國平

（蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）

傳統(tǒng)的模擬信號(hào)控制的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)存在抗干擾能力差、對(duì)設(shè)備要求高、控制精度不高等問題，很難適應(yīng)日益復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境[1-4]?？删幊踢壿嬁刂破鳎╬rogrammable logic controller, PLC）具有極高的控制可靠性和靈活度，不僅可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制，還能完成各種順序或者定時(shí)的閉環(huán)控制，目前已在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[5-6]。近年來，高校和企業(yè)合作已成為一種雙方尋求自我發(fā)展的趨勢[7-9]，在此背景下，基于“運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)”課程實(shí)踐教學(xué)建設(shè)的需要，蘇州市職業(yè)大學(xué)和蘇州匯川技術(shù)有限公司進(jìn)行校企合作，共建“高級(jí)智能控制技術(shù)”教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在實(shí)踐教學(xué)過程中，學(xué)生在掌握基本的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目基礎(chǔ)上[10-12]，可以對(duì)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目進(jìn)行拓展和創(chuàng)新，增加已有實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的功能或者自行設(shè)計(jì)新的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，這既鍛煉了學(xué)生獨(dú)立思考和解決問題的能力，又培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新意識(shí)。

1 MD310變頻器多段模式的設(shè)置

對(duì)于不要連續(xù)調(diào)整變頻器運(yùn)行頻率，只要使用若干個(gè)頻率值的應(yīng)用場合，本研究可以采用多段速模式控制電機(jī)速度[6-8]，通過MD310的4個(gè)數(shù)字輸入（digital input, DI）端口DI2—DI5的信號(hào)組合值來選擇多段頻率[4]。MD310最多可以設(shè)定4個(gè)DI端口作為多段頻率指令輸入端，也可以設(shè)定少于4個(gè)DI端口的多段頻率給定的情況，對(duì)于缺少的設(shè)置位，按照“0”狀態(tài)計(jì)算。多段速模式的設(shè)置如圖1所示。

圖1 多段速模式的設(shè)置

由圖1可知，指定DI2—DI5作為多段頻率指定的信號(hào)輸入端，根據(jù)信號(hào)輸入端的四位二進(jìn)制組合值來選擇多段頻率。DI端口的功能碼F4-04—F4-01（F4組功能）對(duì)應(yīng)設(shè)置功能值為12—15，即指定了多段頻率指令輸入端口，而所需的多段頻率則通過變頻器FC組的多段頻率表（FC-00—FC-15）來設(shè)定，同時(shí)通過設(shè)定F0-03的值將“頻率源選擇”指定為多段頻率給定方式。如當(dāng)DI2、DI3、DI4、DI5的二進(jìn)制數(shù)值為0、0、1、0時(shí)，形成的狀態(tài)組合為2，就會(huì)挑選FC-03功能碼對(duì)應(yīng)設(shè)定的頻率值，由（FC-03）×（FC-10）計(jì)算出目標(biāo)運(yùn)行頻率。其中F0-10為基本功能組F0中的一個(gè)功能鍵，用來設(shè)置最大頻率（50～500 Hz），F(xiàn)0-10的出廠默認(rèn)值為50 Hz。F0-03是設(shè)置變頻器主給定頻率源的輸入通道，共有8種（F0-03對(duì)應(yīng)設(shè)置值為2—9）。若設(shè)置F0-03值為2—4時(shí)，則對(duì)應(yīng)通過模擬量輸入端AI1—AI4來選擇主頻來源；若設(shè)置F0-03為5時(shí)，則通過DI5來設(shè)定主頻來源；若設(shè)置F0-03為7—9時(shí)，則分別對(duì)應(yīng)PLC、PID和通信給定選擇的主頻來源。本研究設(shè)置F0-03的值為6，即指定多段頻率表FC組中設(shè)定的頻率作為主頻來源。

2 三段調(diào)速的測試

2.1 控制方案設(shè)計(jì)

在“運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)”課程的實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生要完成簡單的異步電機(jī)三段調(diào)速。實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)需安裝與H2U系列PLC配套的編程軟件Auto Shop和觸摸屏HMI界面設(shè)計(jì)軟件InoTouch Editor。HMI界面設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)置了4個(gè)按鍵，分別代表高速、中速、低速和停止，按鍵圖形外觀可以采用不同的顏色加以區(qū)分。PLC編程主要實(shí)現(xiàn)以下功能：按下高速按鍵，電機(jī)高速運(yùn)行；按下中速按鍵，電機(jī)中速運(yùn)行；按下低速按鍵，電機(jī)低速運(yùn)行；按下停止按鍵，電機(jī)停止運(yùn)行。高速、中速和低速之間可以任意切換，不需要電機(jī)先停止運(yùn)行再調(diào)整到設(shè)定的轉(zhuǎn)速。異步電機(jī)三段調(diào)速的變頻器參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 異步電機(jī)三段調(diào)速的變頻器參數(shù)設(shè)置

由表1可知，加速、減速時(shí)間和時(shí)間單位模式的設(shè)置值可以自行調(diào)整。高速、中速和低速的轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為900 r/min、600 r/min、300 r/min。此外，每次設(shè)置變頻器參數(shù)之前，需要先將變頻器參數(shù)恢復(fù)出廠設(shè)置，然后再重新上電設(shè)置其參數(shù)。

2.2 PLC程序設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的控制方案，在初始狀態(tài)，停止按鍵應(yīng)選用常閉觸點(diǎn)，高速、中速和低速按鍵應(yīng)選用常開觸點(diǎn)，并根據(jù)速度之間的互鎖關(guān)系和電機(jī)運(yùn)行速度的自鎖關(guān)系進(jìn)行編程。當(dāng)按下速度按鍵中的任意一個(gè)按鍵時(shí)，電機(jī)運(yùn)行；當(dāng)按下另外一個(gè)速度按鍵改變電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)則從當(dāng)前轉(zhuǎn)速直接跳轉(zhuǎn)至設(shè)定的轉(zhuǎn)速；當(dāng)按下停止按鍵時(shí)，電機(jī)停止運(yùn)行。異步電機(jī)三段調(diào)速的PLC程序流程如圖2所示。

3 十五段調(diào)速的實(shí)現(xiàn)

3.1 控制方案設(shè)計(jì)

在完成三段電機(jī)調(diào)速測試的基礎(chǔ)上，本研究通過設(shè)置MD310變頻器端子DI2—DI5的多段模式及HMI界面，實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)十五段調(diào)速。異步電機(jī)十五段速度的設(shè)定根據(jù)額定轉(zhuǎn)速的比例進(jìn)行分配，本研究設(shè)定相鄰兩段轉(zhuǎn)速之間占額定轉(zhuǎn)速的比例差為6%，異步電機(jī)十五段調(diào)速的變頻器參數(shù)設(shè)置如表2所示。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)選擇的異步電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，異步電機(jī)的第一段到第十五段轉(zhuǎn)速的變化為90～1 350 r/min。假設(shè)多段速度選擇分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式，設(shè)置PLC控制電機(jī)調(diào)速的過程如下：①當(dāng)按下啟動(dòng)按鍵時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)自動(dòng)選擇段數(shù)模式，電機(jī)從第一段轉(zhuǎn)速開始定時(shí)運(yùn)行，定時(shí)結(jié)束后自動(dòng)選擇第二段轉(zhuǎn)速運(yùn)行，以此類推，按照順序進(jìn)行調(diào)速。當(dāng)電機(jī)自動(dòng)完成十五段調(diào)速后，若無其他按鍵按下，則電機(jī)再次選擇第一段轉(zhuǎn)速循環(huán)運(yùn)行。在電機(jī)自動(dòng)調(diào)速過程中，如有其他按鍵按下，則按照按鍵功能運(yùn)行。②如果按下啟動(dòng)按鍵，選擇手動(dòng)操作模式，該模式主要包括按照輸入的段數(shù)、按照輸入的轉(zhuǎn)速和按照輸入的頻率三種調(diào)速方式。③在電機(jī)運(yùn)行過程中，任意時(shí)刻，只要按下停止按鍵，電機(jī)即停止運(yùn)行。選擇任一種調(diào)速方式，對(duì)應(yīng)的段數(shù)、轉(zhuǎn)速和頻率均在HMI界面上顯示。異步電機(jī)十五段調(diào)速的按鍵地址設(shè)置如表3所示。

表2 異步電機(jī)十五段調(diào)速的變頻器參數(shù)設(shè)置

表3 異步電機(jī)十五段調(diào)速的按鍵地址設(shè)置

3.2 觸摸屏HMI界面設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求設(shè)計(jì)的異步電機(jī)調(diào)速時(shí)的HMI主界面如圖3所示。該界面設(shè)置了“總啟動(dòng)”“總停止”“順序運(yùn)行”“鍵入運(yùn)行”四個(gè)按鍵，以及“總停止”“段數(shù)停止”指示燈，同時(shí)異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)相應(yīng)的段數(shù)、轉(zhuǎn)速和頻率都會(huì)實(shí)時(shí)顯示在該界面上。順序運(yùn)行模式下的HMI界面如圖3（a）所示。初始狀態(tài)時(shí)，指示燈的顏色為紅色，段數(shù)、轉(zhuǎn)速和頻率的初始值為0。工作人員可以根據(jù)控制要求，選擇異步電機(jī)自動(dòng)按照“順序運(yùn)行”調(diào)速模式運(yùn)行，也可以手動(dòng)控制異步電機(jī)調(diào)速，選擇“鍵入運(yùn)行”按鍵，進(jìn)入下一級(jí)菜單。根據(jù)輸入的段數(shù)、轉(zhuǎn)速或頻率進(jìn)行調(diào)速。HMI界面上還設(shè)置了一個(gè)按照轉(zhuǎn)速或頻率運(yùn)行的切換按鍵，當(dāng)鍵入一個(gè)轉(zhuǎn)速值或頻率值并按下該切換鍵時(shí)，異步電機(jī)按照當(dāng)前輸入值進(jìn)行調(diào)速。鍵入運(yùn)行模式下的HMI界面如圖3（b）所示。

圖3 異步電機(jī)調(diào)速時(shí)的HMI主界面

3.3 PLC編程設(shè)計(jì)

根據(jù)異步電機(jī)調(diào)速選擇的方式、段數(shù)、轉(zhuǎn)速，以及對(duì)應(yīng)頻率之間的互鎖關(guān)系、電機(jī)運(yùn)行速度的自鎖關(guān)系，采用PLC實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)十五段調(diào)速。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在任一段數(shù)或因故障停止工作時(shí)，只要按下“總停止”按鍵，電機(jī)即停止運(yùn)行。HMI界面顯示能夠保留電機(jī)停止運(yùn)行前的段數(shù)、轉(zhuǎn)速和頻率，并不清空停機(jī)前電機(jī)運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)。異步電機(jī)十五段調(diào)速的PLC程序流程如圖4所示。

圖4 異步電機(jī)十五段調(diào)速的PLC程序流程

3.4 系統(tǒng)調(diào)試與分析

3.4.1 自動(dòng)順序運(yùn)行模式

在觸摸屏HMI界面上，當(dāng)按下“總啟動(dòng)”按鍵，接著按下“順序運(yùn)行”按鍵時(shí)，“總啟動(dòng)”和“段數(shù)啟動(dòng)”的指示燈亮，即背景變成綠色，這時(shí)異步電機(jī)從第一段開始運(yùn)行，設(shè)置每一段電機(jī)運(yùn)行的時(shí)間為10 s，對(duì)應(yīng)的段數(shù)、轉(zhuǎn)速和頻率會(huì)實(shí)時(shí)顯示在HMI界面上的文本框內(nèi)。若定時(shí)時(shí)間到，異步電機(jī)按照順序自動(dòng)運(yùn)行第二段對(duì)應(yīng)的設(shè)定速度，以此類推，直至十五段速度程序全部運(yùn)行完畢，即完成一個(gè)自動(dòng)順序運(yùn)行過程。此時(shí)，如無其他干擾，異步電機(jī)會(huì)再次從第一段設(shè)定的速度開始運(yùn)行，如此循環(huán)，直至按下“總停止”按鍵，異步電機(jī)才停止運(yùn)行。限于篇幅，本研究僅展示異步電機(jī)順序運(yùn)行調(diào)速的部分HMI界面，僅給出段數(shù)為一、三、五和六時(shí)的運(yùn)行界面，如圖5所示。

由圖5可知，異步電機(jī)在每一段運(yùn)行時(shí)的段數(shù)、轉(zhuǎn)速和頻率是變化的。需要注意的是，在七段以下，異步電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的多段調(diào)速，這主要是因?yàn)镕4-01和F4-02功能鍵在七段以下可以設(shè)置異步電機(jī)的正反轉(zhuǎn)功能，但如果需要八段以上的調(diào)速，則必須將F4-01、F4-02與F4-03、F4-04組成多段數(shù)頻率設(shè)置表，才能實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)八段以上的調(diào)速。

圖5 異步電機(jī)順序運(yùn)行調(diào)速的部分HMI界面

3.4.2 手動(dòng)操作運(yùn)行模式

在圖3（b）中，如果先按下“總啟動(dòng)”按鍵，選擇“鍵入運(yùn)行”按鍵，“總啟動(dòng)”和“段數(shù)啟動(dòng)”的指示燈亮，同時(shí)彈出“鍵入運(yùn)行”的下一級(jí)菜單。在此菜單上，可以通過 “鍵入段數(shù)”“鍵入轉(zhuǎn)速”和“鍵入頻率”三種模式來完成電機(jī)調(diào)速。選擇“鍵入段數(shù)”操作時(shí)，則彈出“請(qǐng)鍵入段數(shù)”的界面，點(diǎn)擊相應(yīng)的文本框，彈出數(shù)字鍵盤，操作人員輸入1～15內(nèi)任意數(shù)字，系統(tǒng)根據(jù)輸入的數(shù)字選擇對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。如在數(shù)字鍵盤上輸入“12”，按下“確定”按鍵后，電機(jī)按照第十二段速度運(yùn)行，對(duì)應(yīng)的段數(shù)、轉(zhuǎn)速和頻率會(huì)顯示在HMI界面上。同理，選擇“鍵入轉(zhuǎn)速”時(shí)，則彈出“請(qǐng)鍵入轉(zhuǎn)速”的界面，點(diǎn)擊相應(yīng)的文本框，也會(huì)彈出一個(gè)數(shù)字鍵盤，操作人員輸入0～1 350內(nèi)的任意數(shù)字。如果輸入的轉(zhuǎn)速值是按照額定轉(zhuǎn)速的固定比例分配的，則電機(jī)按照設(shè)定的速度運(yùn)行。反之，電機(jī)則自動(dòng)選擇最接近的轉(zhuǎn)速值來運(yùn)行，對(duì)應(yīng)的段數(shù)、轉(zhuǎn)速和頻率會(huì)顯示在HMI界面上。同理，選擇“鍵入頻率”時(shí)，則彈出“請(qǐng)輸入頻率”的界面，點(diǎn)擊相應(yīng)的文本框，在彈出的數(shù)字鍵盤內(nèi)輸入0～50內(nèi)的任意值（電機(jī)頻率的最大值為50 Hz），如果輸入的頻率值不是按照固定比例分配的，則電機(jī)自動(dòng)選擇最接近的設(shè)定頻率運(yùn)行，相應(yīng)的段數(shù)、轉(zhuǎn)速和頻率會(huì)顯示在HMI界面上。HMI界面上設(shè)置了一個(gè)轉(zhuǎn)速和頻率運(yùn)行的切換按鍵，如果需要從“鍵入轉(zhuǎn)速”模式切換到“鍵入頻率”模式，則必須先按下切換按鍵，電機(jī)才能按照新的鍵入模式調(diào)速。異步電機(jī)鍵入模式運(yùn)行時(shí)的HMI界面如圖6所示。

圖6 異步電機(jī)鍵入模式運(yùn)行時(shí)的HMI界面

4 結(jié)論

本研究基于匯川H2U系列PLC的校企共建的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)多段數(shù)的自動(dòng)和手動(dòng)調(diào)速。經(jīng)測試，設(shè)計(jì)的十五段PLC控制程序及觸摸屏HMI界面是正確可行的。用戶可以根據(jù)自己的意愿選擇“鍵入段數(shù)” “鍵入轉(zhuǎn)速”和“鍵入頻率”的調(diào)速方式，靈活地實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的多段調(diào)速。該調(diào)速方案用于“運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)”課程的實(shí)踐教學(xué)時(shí)，不僅可以拓展該課程的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，還可以鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考和解決問題的能力，同時(shí)對(duì)實(shí)際的工程應(yīng)用也有一定的借鑒意義。