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基于PLC的電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計
摘要：可編程控制器是以微處理器為核心的計算機控制系統(tǒng)，具有使用方便、通用性強、可靠性高、適應(yīng)面廣、編程簡單、抗干擾能力強的特點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的場合。本文設(shè)計了基于西門子S7-200系列PLC對直流電機進行調(diào)速控制的方案，使用觸摸屏作為控制界面，提高了直流調(diào)速系統(tǒng)的控制性能，為實現(xiàn)直流電機的數(shù)字控制提供了一種新的方法。
關(guān)鍵詞：PLC S7-200 編碼器 觸摸屏 電機
直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常用的電氣傳動裝置之一，廣泛地應(yīng)用于軋鋼機、冶金、印刷、金屬切削機床等許多領(lǐng)域的自動控制系統(tǒng)中。傳統(tǒng)的直流調(diào)速控制系統(tǒng)多采用模擬元件，如晶體管、各種線性運算電路等，雖在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求，但線路復(fù)雜，調(diào)速性能較差[1]。采用PLC實現(xiàn)直流電機的調(diào)速系統(tǒng)，電路設(shè)計簡單，調(diào)速性能更好。
PLC是一種工業(yè)控制系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)、性能、功能及編程手段等方面都有獨到的特點。在構(gòu)成上，具有模塊結(jié)構(gòu)的特點，有利于維護，并且功能擴充很方便，便于安裝。在性能上，可靠性高。PLC的平均無故障時間一般可達三五萬小時，并采用在線監(jiān)控、故障診斷、冗余等技術(shù)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。在功能上，可進行開關(guān)邏輯控制、閉環(huán)過程控制、位置控制、數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控、多PLC分布式控制等功能。在編程手段上，PLC的編程語言直觀、簡單、方便，易于各行業(yè)工程技術(shù)人員掌握[2]。
一、系統(tǒng)總體設(shè)計
本控制系統(tǒng)設(shè)計方案采用西門子S7-200系列PLC作為控制核心，它根據(jù)接收的觸摸屏設(shè)定轉(zhuǎn)速值，向直流電機發(fā)出控制信號，并采集旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖信號，將脈沖信號轉(zhuǎn)換為實際轉(zhuǎn)速值，發(fā)送到觸摸屏進行實時顯示。系統(tǒng)總體設(shè)計圖如圖1所示：
1、S7-200系列PLC
S7-200是西門子公司生產(chǎn)的一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)、各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。它具有以下特點：極強的可靠性，極豐富的指令集，易于掌握、便捷的操作，豐富的內(nèi)置集成功能，實時特性，強勁的通訊能力，豐富的擴展模塊。S7-200系列PLC在自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮了其強大功能，使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制，應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護設(shè)備等[3]。
S7-200系列PLC提供了4個不同的基本型號的8種CPU供您使用，本設(shè)計方案采用的是CPU224XP。CPU224XP具有14個數(shù)字輸入點，10個數(shù)字輸出點，2個模擬輸入點，1個模擬輸出點和6個高速計數(shù)器(30KHz)，可方便地用數(shù)字量和模擬量擴展模塊進行擴展[3]。
2、GT01觸摸屏
GT01是松下公司生產(chǎn)的3英寸、3色LED背光燈觸摸屏。它不僅能顯示信息、圖形，還能自由顯示按鍵、指示燈、PLC數(shù)據(jù)、圖表、時鐘等。此外，配合設(shè)備的狀況，它能夠切換3色背光燈，使運行狀況一目了然。GT01備有5VDC/24VDC兩種電源和RS232C/RS422(RS485)兩種通信方式，可與各公司的PLC連接通信[4]。
3、電機與驅(qū)動器
本設(shè)計方案采用的是和利時公司生產(chǎn)的直流無刷電機和驅(qū)動器。
4、編碼器
旋轉(zhuǎn)式編碼器，是將旋轉(zhuǎn)的機械位移量轉(zhuǎn)換為電氣信號，對該信號進行處理后檢測位置、速度等信息的傳感器。本設(shè)計方案采用的是歐姆龍增量式編碼器，分辨率為600P/R。
二、系統(tǒng)軟件設(shè)計
該控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分分為PLC程序設(shè)計與觸摸屏程序設(shè)計兩部分。
1、PLC程序設(shè)計
(1)PLC程序總體設(shè)計
PLC程序使用的是STEP7MICROWIN軟件，編程語言為梯形圖語言。PLC程序的主要任務(wù)是完成與觸摸屏通信、向直流電機輸出控制信號、采集編碼器高速脈沖的任務(wù)。
S7-200與GT01觸摸屏通信采用RS485通信方式，觸摸屏可直接對S7-200的內(nèi)如寄存器進行讀寫，如I區(qū)、Q區(qū)、V區(qū)、M區(qū)、AI區(qū)、AQ區(qū)等。觸摸屏的當前頁面保存在S7-200的VW4里。
S7-200向直流電機輸出模擬電壓信號。模擬電壓使用CPU224XP自帶的模擬量輸出模塊產(chǎn)生，通過對AQ區(qū)寫數(shù)據(jù)(0-32767)，從而改變輸出電壓值。
S7-200采用高速計數(shù)器采集旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖信號。
(2)高速計數(shù)器
高速計數(shù)器可以對普通計數(shù)器無能為力的高頻率信號進行計數(shù)，CPU224XP的最高計數(shù)頻率為30kHz。S7-200系列PLC中有6個高速計數(shù)器，分別是HSC0-HSC5。當高速計數(shù)器的當前值等于預(yù)制值、外部復(fù)位信號有效、計數(shù)方向改變時將產(chǎn)生中斷，通過中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)對控制目標的控制。高速計數(shù)器根據(jù)計數(shù)脈沖、復(fù)位脈沖、啟動脈沖端子的不同接法可組成12種工作模式，不同的高速計數(shù)器有多種功能不同的工作模式[3]。
2、觸摸屏編程
觸摸屏GT01編程使用的是松下公司的GTWIN編程軟件[5]。
(1)按鈕開關(guān)
按鈕開關(guān)使用的是按鍵部件SW。根據(jù)需要設(shè)置SW開關(guān)的動作模式，以及按鍵與PLC對應(yīng)的寄存器區(qū)。具體設(shè)置如圖4所示：
(2)加減速控制
加減速控制使用的是功能開關(guān)部件FSW，實現(xiàn)的功能是對PLC的VW100進行加減控制。具體設(shè)置如圖5所示：
(2)速度顯示
速度顯示使用的是數(shù)據(jù)部件DATA，它讀取PLC中VW200的數(shù)據(jù)，并顯示出來。具體設(shè)置如圖6所示：
三、結(jié)語
本設(shè)計采用GT01觸摸屏作為控制界面，S7-200PLC作為控制核心，旋轉(zhuǎn)編碼器提供反饋信號，實現(xiàn)了對直流電機的轉(zhuǎn)速控制，并能夠?qū)崟r進行轉(zhuǎn)速的顯示。實驗證明，本方案具有很好的調(diào)速控制性能，為實現(xiàn)直流電機的數(shù)字控制提供了一種新的方法。
參考文獻：
[1]李瑋，趙江，劉建業(yè).一種實用的單片機控制的數(shù)字式調(diào)速系統(tǒng)[J].吉林化工學院學報，2002(6)：35-37.
[2]徐國林.PLC應(yīng)用技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社，2014.
[3]S7-200可編程控制器系統(tǒng)手冊[M].西門子自動化工程有限公司，2004.
[4]可編程智能操作面板GT01技術(shù)手冊[M].松下電器有限公司，2006.
[5]松下觸摸屏軟件GTWIN操作手冊[M].松下電器有限公司，2006.
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