王曉紅 李欣

摘要：介紹了PLC-變頻器實(shí)驗(yàn)臺(tái)的硬件組成、軟件實(shí)現(xiàn)的功能，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)臺(tái)開發(fā)了新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施，將當(dāng)今在自動(dòng)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的PLC、變頻器及觸摸屏技術(shù)引入教學(xué)，提高學(xué)生工程素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神。

關(guān)鍵詞：S7-200 PLC；變頻器；觸摸屏

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）37-0241-02

在當(dāng)今自動(dòng)化控制領(lǐng)域，PLC、變頻器、觸摸屏技術(shù)的綜合應(yīng)用相當(dāng)廣泛，PLC具有功能強(qiáng)、可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)；變頻器節(jié)能、高效、有利于提高經(jīng)濟(jì)效益；觸摸屏逐步取代過去設(shè)備的操作面板和指示儀表，成為應(yīng)用越來越廣泛的人機(jī)界面（HMI）。通過將這三種控制技術(shù)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使學(xué)生在校期間就能掌握當(dāng)今自動(dòng)化控制領(lǐng)域的流行技術(shù)，從而培養(yǎng)滿足社會(huì)需要的高素質(zhì)的工程技術(shù)人才。

一、PLC-變頻器實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)的功能

實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)采用西門子的SMART LINE 700觸摸屏、S7-224 PLC及SINAMICS V20變頻器，可通過觸摸屏和外部按鈕兩種冗余方式控制交流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，功能具體如下：①通過觸摸屏控制交流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，在線設(shè)置電機(jī)的運(yùn)行速度，可同時(shí)設(shè)置三段運(yùn)行速度；變頻調(diào)速速度上限設(shè)為50Hz，超過此設(shè)定范圍，觸摸屏顯示報(bào)警信息；觸摸屏能實(shí)時(shí)顯示交流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度曲線。②在觸摸屏失效的情況下，可通過實(shí)驗(yàn)臺(tái)面板上的起停按鈕控制交流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。

二、PLC-變頻器實(shí)驗(yàn)臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)硬件主要包括S7-224 PLC、SINAMICS V20變頻器、SMART LINE 700觸摸屏、直流穩(wěn)壓電源，電氣原理圖如圖1所示。直流穩(wěn)壓電源為觸摸屏、PLC提供24V直流電源；PLC的輸入端子I0.0接變頻器的DO2輸出端子作為上電指示；PLC的Q0.0接中間繼電器K1，K1的常開觸點(diǎn)接變頻器的DI1端子用于交流電機(jī)的起?？刂?；PLC的Q1、Q0.2、Q3分別接中間繼電器K2、K3、K4，K2、K3、K4的常開觸點(diǎn)接變頻器的DI2、DI3、DI4端子用于進(jìn)行交流電機(jī)的多段速度控制；PLC的I0.2、I0.3分別接手動(dòng)按鈕SB1、SB2，實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)起停的手動(dòng)控制。

三、PLC-變頻器實(shí)驗(yàn)臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)軟件設(shè)計(jì)包括觸摸屏監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)和PLC控制軟件的設(shè)計(jì)兩部分，觸摸屏監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)在西門子的WinCC flexible組態(tài)軟件中完成；PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用西門子的STEP7-Micro/WIN32編程軟件；WinCC flexible組態(tài)軟件和STEP7-Micro/WIN32編程軟件都是基于Windows的應(yīng)用軟件，控制軟件設(shè)計(jì)完成后，通過專用電纜分別與觸摸屏、PLC連接通信，然后將程序下載到觸摸屏、PLC中。

（一）觸摸屏界面的設(shè)計(jì)

觸摸屏是PLC-變頻器實(shí)驗(yàn)臺(tái)的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)控制，包括起?？刂?、運(yùn)行速度設(shè)置；速度越界報(bào)警顯示；實(shí)時(shí)顯示交流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度曲線及運(yùn)行時(shí)間?？筛鶕?jù)需要設(shè)計(jì)靈活多變的組態(tài)界面，PLC-變頻器實(shí)驗(yàn)臺(tái)人機(jī)界面組態(tài)包括啟動(dòng)界面、主界面和PLC-變頻器實(shí)驗(yàn)臺(tái)介紹界面3個(gè)畫面，觸摸屏開啟后，首先進(jìn)入啟動(dòng)界面，在啟動(dòng)界面上可選擇進(jìn)入主界面和實(shí)驗(yàn)臺(tái)介紹界面。①主界面的設(shè)計(jì)。主界面是PLC-變頻器實(shí)驗(yàn)臺(tái)的控制、畫面及數(shù)據(jù)顯示平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)所有的控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和畫面顯示都在主界面中實(shí)現(xiàn)，主界面設(shè)計(jì)如圖2顯示。在主界面中，通過按鈕對(duì)交流電機(jī)進(jìn)行起?？刂?，可同時(shí)設(shè)定3個(gè)運(yùn)行速度及每個(gè)速度所運(yùn)行的時(shí)間，所有速度均以頻率的方式表示，最高上限頻率為50Hz，運(yùn)行曲線實(shí)時(shí)繪出交流電機(jī)的運(yùn)行速度，并在實(shí)際值中顯示現(xiàn)在的運(yùn)行速度；左下角的方形按鈕為手動(dòng)控制與觸摸屏控制方式的切換按鈕。②PLC-變頻器實(shí)驗(yàn)臺(tái)介紹界面。在主界面中點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)臺(tái)介紹”進(jìn)入此界面，介紹實(shí)驗(yàn)臺(tái)所能實(shí)現(xiàn)的功能，對(duì)該設(shè)備的操作進(jìn)行說明。

（二）觸摸屏與PLC之間的通信建立

觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)組態(tài)軟件WinCC flexible采用圖形化的編程手法，WinCC flexible與S7-224 PLC之間通信步驟設(shè)計(jì)如下：①設(shè)備連接。利用專用通信電纜將觸摸屏的通信端口與S7-200串行端口連接，在Wincc flexible“設(shè)備工具箱”中添加“通用串口設(shè)備”，雙擊可修改設(shè)備屬性，波特率為9600；觸摸屏設(shè)備地址為1，PLC設(shè)備地址為2。②定義變量。變量是PLC與觸摸屏之間傳遞信息的媒介，在工作臺(tái)窗口中選擇“變量”，通過“新增變量”來添加變量，也可以在監(jiān)控畫面中通過雙擊指示燈、按鈕等元件，彈出屬性窗口，選擇“動(dòng)畫連接”的方式實(shí)現(xiàn)在完成動(dòng)畫連接的同時(shí)定義數(shù)據(jù)庫變量。這些變量與PLC的輸入輸出及內(nèi)部變量一一對(duì)應(yīng)，在觸摸屏界面上的所有操作改變它的內(nèi)部變量，通過變量將信息傳遞到PLC，實(shí)現(xiàn)觸摸屏對(duì)交流電機(jī)運(yùn)行的真正監(jiān)控。

（三）PLC控制程序設(shè)計(jì)

編寫PLC控制程序首先要確定PLC的輸入、輸出量并進(jìn)行地址分配，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)PLC通過三個(gè)中間繼電器實(shí)現(xiàn)變頻器多段轉(zhuǎn)速控制，Q0.0～Q0.3分別用于控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)/停止、三段速度轉(zhuǎn)換，I0.0分配給變頻器上電顯示；I0.1、I0.2連接手動(dòng)起、停按鈕。PLC控制系統(tǒng)的編程采用模塊化編程方法，主要包括主控模塊、初始化模塊、變頻器控制模塊、手動(dòng)控制模塊。

四、PLC—變頻器電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)

結(jié)合PLC—變頻器電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)開發(fā)了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的要求，學(xué)生自擬實(shí)驗(yàn)方案，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的全過程，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

（一）觸摸屏—PLC組態(tài)界面的設(shè)計(jì)

學(xué)生首先要熟悉WinCC flexible組態(tài)軟件的編程環(huán)境；然后以實(shí)驗(yàn)臺(tái)的觸摸屏組態(tài)程序?yàn)榉独?，學(xué)習(xí)組態(tài)軟件的編程方法；最后要求學(xué)生自己設(shè)計(jì)控制畫面，在學(xué)生進(jìn)行控制畫面的設(shè)計(jì)過程中，培養(yǎng)了學(xué)生自主設(shè)計(jì)、創(chuàng)新的能力。

（二）PLC—變頻器交流電機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)

學(xué)生首先要學(xué)會(huì)STEP7-Micro/WIN32軟件編程的使用，懂得變頻器的工作原理；清楚觸摸屏、手動(dòng)按鈕兩種方式控制交流電機(jī)運(yùn)行的工作流程；最后要求學(xué)生編寫PLC控制程序。通過本實(shí)驗(yàn)的完成使學(xué)生了解PLC的工作原理，掌握PLC的編程、調(diào)試方法。

五、結(jié)束語

觸摸屏、PLC及變頻器是當(dāng)今控制領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的技術(shù)，通過開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將這些應(yīng)用技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使學(xué)生掌握簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題的能力，自主學(xué)習(xí)的能力，工程技術(shù)應(yīng)用與創(chuàng)新的能力。

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