林如夢(mèng) 姜 濤

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

隨著現(xiàn)代數(shù)字電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，可編程控制器在工業(yè)控制中占據(jù)越來(lái)越重要的位置，再加上工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備小型化、操作靈活性要求的不斷提升，觸摸屏技術(shù)在未來(lái)工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用程度將會(huì)越來(lái)越高[1-3]。本文在電封閉傳動(dòng)帶疲勞壽命試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用S7-300系列PLC構(gòu)建相應(yīng)的控制系統(tǒng)，結(jié)合觸摸屏SIMATIC MP377，通過(guò)控制變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速加載。試驗(yàn)要求對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集監(jiān)控，PLC則與遠(yuǎn)控、監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行RS485實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)PID控制等復(fù)雜算法。

1 系統(tǒng)方案

1.1 控制要求

該試驗(yàn)臺(tái)是以電流作為反饋能量的疲勞壽命試驗(yàn)臺(tái)，采用先進(jìn)成熟的共直流母線技術(shù)。系統(tǒng)工作時(shí)，傳動(dòng)帶在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下按試驗(yàn)規(guī)定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，變頻器2調(diào)節(jié)負(fù)載電機(jī)電樞電流，使負(fù)載電機(jī)正常工作，實(shí)現(xiàn)加載轉(zhuǎn)矩恒定，并返送能量，供驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用或回饋電網(wǎng)；同時(shí)，變頻器1維持驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，以滿足試驗(yàn)要求。

1.2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、PLC控制單元、觸摸屏（HMI設(shè)備）和現(xiàn)場(chǎng)變頻調(diào)速加載設(shè)備等部分組成。測(cè)控系統(tǒng)選用SIMATIC S7-300系列PLC、ABB-ACS800系列和ABB-ACS550系列變頻器、SIMATIC MP377觸摸屏等。

控制單元采用SIMATIC S7-300系列PLC（包括CPU314、CP340、SM331模擬量輸入模塊、SM332模擬量輸入模塊、SM323數(shù)字量I/O模塊），S7-300系列PLC多點(diǎn)接口（MPI）集成在CPU中，通過(guò)MPI通信接口連接人機(jī)界面，接收SIMATIC MP377觸摸屏輸入的信息。經(jīng)運(yùn)算后，變頻器接收PLC輸出模擬量及運(yùn)行指令，變頻器向PLC反饋實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)和故障報(bào)警狀態(tài)信號(hào)。PLC與計(jì)算機(jī)采用RS485通信方式，保證遠(yuǎn)控、監(jiān)測(cè)的可靠性和實(shí)時(shí)性。采用觸摸屏作為人機(jī)界面設(shè)備，方便輸入試驗(yàn)的運(yùn)行要求，并結(jié)合計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控以及電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的功能[4-5]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1.1 變頻調(diào)速加載電路

據(jù)系統(tǒng)恒轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的要求，變頻調(diào)速加載電路主要由變頻器主電路、三相異步電動(dòng)機(jī)、空氣開關(guān)、交流接觸器、熔斷器及電流互感器等部件構(gòu)成。主要通過(guò)PLC輸出變頻器控制信號(hào)及交流接觸器控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中變頻器1連接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，變頻器2連接負(fù)載電機(jī)，利用交流接觸器得電和失電，從而控制變頻器電源連接和變頻器之間直流母線的互連，回收和利用負(fù)載電機(jī)所產(chǎn)生的再生電能，供驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用來(lái)達(dá)到節(jié)能目的。

2.1.2 PLC控制電路

PLC控制電路主要分為系統(tǒng)PLC數(shù)字量輸入接口電路、模擬量輸入接口電路、數(shù)字量輸出接口電路和模擬量輸出接口電路。SIMATIC S7-300系列PLC的CPU模塊及模擬量輸出模塊，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器（ACS550變頻器）和加載電機(jī)變頻器（ACS800變頻器）的模擬量輸入端，組成調(diào)速加載系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)穩(wěn)定的調(diào)速加載過(guò)程，系統(tǒng)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，靈活性高。試驗(yàn)開始時(shí)，變頻器接收S7-300 PLC輸出數(shù)字量信號(hào)，控制系統(tǒng)電機(jī)的啟動(dòng)運(yùn)行，并將接收的S7-300 PLC輸出模擬量信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，從而控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)載電機(jī)電樞電流，保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和加載電機(jī)扭矩恒定[6]。

2.2 觸摸屏設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)帶疲勞壽命試驗(yàn)過(guò)程可視化，本設(shè)計(jì)采用了12英寸寬屏的SIMATIC MP377觸摸屏，并采用西門子WinCC flexible觸摸屏編程軟件，進(jìn)行控制面板設(shè)計(jì)，該軟件具有多種功能塊庫(kù)，將之用于組態(tài)用戶界面，用以操作和監(jiān)視機(jī)器與設(shè)備。

在觸摸屏上設(shè)置轉(zhuǎn)速值后，需要經(jīng)過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換，使電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與觸摸屏設(shè)定轉(zhuǎn)速一致。驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器（ACS550變頻器）模擬輸入AI1端口速度給定1（0～10V），0與10V分別對(duì)應(yīng)最小轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)速，根據(jù)PLC的AO1輸出模塊0～10V給定ACS550變頻器可接受的電壓值，從而轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速值，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定，保證電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速與輸入信號(hào)成線性關(guān)系。同理，根據(jù)PLC的AO2輸出模塊4～20mA給定ACS800變頻器可接受的電流值，從而轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值[7]。

2.3 PLC軟件設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)電封閉變頻調(diào)速加載系統(tǒng)的控制，包括驅(qū)動(dòng)/加載電機(jī)啟停、數(shù)據(jù)采集與處理、故障報(bào)警等功能，根據(jù)系統(tǒng)控制要求，系統(tǒng)最終選擇在STEP7環(huán)境下采用順序控制設(shè)計(jì)法進(jìn)行直觀梯形圖的程序編程。系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，在輸入信號(hào)的作用下，使各個(gè)控制設(shè)備自動(dòng)地依次進(jìn)行操作。主程序流程如圖1所示。

3 結(jié)語(yǔ)

基于PLC與HMI設(shè)計(jì)的電封閉傳動(dòng)帶疲勞壽命試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，充分利用了PLC控制的靈活性以及其在現(xiàn)代觸摸屏在工業(yè)可視化方面的便捷性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)試驗(yàn)流程、試驗(yàn)所規(guī)定的相關(guān)參數(shù)的有效管理，同時(shí)能夠保證轉(zhuǎn)動(dòng)帶轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩全自動(dòng)控制，并對(duì)試驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)生數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)顯示和記錄，使傳動(dòng)帶疲勞壽命試驗(yàn)管理水平與試驗(yàn)效率得到了全面提升，具有很高的應(yīng)用與推廣價(jià)值。

圖1 主程序流程