基于PLC和触摸屏的交流变频调速系统设计

引言

可编程逻辑控制器(PLC)以其编程简单方便、控制稳定可靠、功能强大等优点通常作为控制器广泛应用于现代工业控制领域。触摸屏作为人机交互界面在一定程度上减少PLC的外部I/O点的使用以及减轻系统外部按钮开关的连线复杂程度，同时也提高了运行维护的方便性。随着工业现场对控制设备小型化、易操作化、智能化的要求的不断提高，基于PLC和触摸屏的交流变频调速系统的应用前景将非常广阔。本文采用三菱PLC(Fx2N-64MR)、海泰克触摸屏(PWS6AOOT)、伦茨变频器和外部按钮实现两台三相异步电机的交流变频调速实验系统设计。实际运行结果表明，该系统运行稳定可靠，控制性能良好。

1 控制系统要求

本套系统要求能够实现两台三相异步电动机的如下状态的控制：正转;反转;停止;点动;加速;减速。要求可以由触摸屏或外部按钮实现上述功能，两种开关量输入方式互为冗余备用，以提高控制系统的可靠性。另外，对于各种开关量状态及硬件不正常状态需要指示灯显示。

2 控制系统硬件设计

交流变频调速系统的硬件结构如图1所示。

控制系统硬件结构主要包括：可编程控制模块、控制指令输入模块、D/A转换模块、变频器调节模块。

2.1 模块功能

2.1.1 可编程控制模块

该模块是整个控制系统控制的核心处理器，是触摸屏指令和按钮开关指令的执行中枢和变频器指令触发元件。

2.1.2 控制指令输入模块

该模块就是给PLC加载控制指令以实现相应的输出操作。这里指令输入可由触摸屏按键实现，也可以由外部开关按钮实现，两种指令输入方式互为备用。为避免由按钮开关指令实现众多指令会导致接线复杂情况出现，可以对重要的开关量实现冗余备用，非重要开关量仅由触摸屏按键实现。

2.1.3 D/A模块

D/A是将PLC输出的数字量转换成模拟电压量以实现变频调速的目的。此系统采用的FX2N-2DA模块，该模块有两路模拟量输出以实现对两台变频器的控制。

2.1.4 变频器调节模块

变频器可根据PLC加载在其输入控制端子的指令执行相应的调节，能够执行三相异步电动机的各种工作状态。

2.2 模块通信

PC机通过专用电缆与PLC模块和触摸屏模块进行通信连接，编制调试程序完毕可以直接下载到触摸屏和PLC各自程序存储器。PLC模块与触摸屏之间由专用电缆连接，触摸屏按键指令可以由通信电缆加载到控制程序以执行相应的操作。另外，外部按钮指令直接加载在PLC输入端以实现相应的指令操作。PLC与D/A模块由扩展电缆连接，将PLC输出数字量转换成对应的两路电压信号加载到变频器输入端子以实现调速控制。

3 控制系统软件设计

3.1 PLC程序设计

3.1.1 输入、输出地址分配

根据控制系统要求，确定开关量输入、输出数量并对PLC分别地址分配。

X00～X04、X10～X14分别分配给电动机1、2的开关量输入端子(包括正转、反转、点动、停止)和变频器故障输入端子。

Y00～Y04、Y10～Y14分别分配给电动机1、2的开关量输出指示(包括正转、反转、点动、停止)和触摸屏故障指示。

Y20～Y22、Y30～Y32分别连接两台变频器的E1、E2和28控制端子。其中，E1端子功能为高电平时激活固定给定转速;E2端子控制旋转方向;28端子控制电机启动和停止。

M00～M05、M10～X15分别分配给触摸屏的1、2按键指令的PLC写入地址(包括正转、反转、点动、加速、减速、停止)。

此外，寄存器D1、D2分别为存储两台电机的D/A待转换数值，寄存器M8000监视PLC运行状态。

3.1.2 程序流程设计

PLC程序采用三菱FXGP-WIN-E编程软件实现，程序采用模块化、功能化结构，便于扩展应用，对应的程序流程图如图2所示。

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3.2 触摸屏程序设计

本系统的触摸屏人机交互界面的开发平台，采用海泰克触摸屏的Hitech ADP编程软件实现。该软件类似于组态软件，采用图形化的编程方法，只需将相关元件拖到预先定义的画面上，根据需要设置相关参数、合理配置PLC写入地址即可完成操作。

Hitech ADP编程软件对编程PC机要求不高，利用触摸屏自带RS 232串口或者USB接口通信，将设计完成后的人机交互界面下载到触摸屏。对于两台电动机分别设计了正转、反转、点动、加速、减速、停止以及速度显示控键，可由相应的控键实现对电机运转状态的控制和监控。触摸屏上电后自动进入所设计的画面，操作人员可以根据需要直接通过人机交互的方式，对下位机PLC进行控制。人机界面如图3所示。

4 结语

基于可编程控制器和触摸屏的三相异步电机的交流变频调速系统充分利用了PLC强大的逻辑处理功能和人机界面的良好的交互性，避免传统的继电器一接触器控制电路的复杂接线，降低了对运行人员的技术要求;同时对重要开关输入量实现触摸屏按键和外部按钮冗余备用模式，提高了系统的可靠性，为现场操作人员对运行过程的实时监控和维护带来了方便。同时，本系统作为专业实验室综合试验系统的子系统之一，将理论与实际相结合，对学生掌握新技术新理念，提高动手能力，有很好的指导意义和现实意义。