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基于PLC的電機調速系統設計
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，具有使用方便、通用性強、可靠性高、適應面廣、編程簡單、抗干擾能力強的特點，廣泛應用于工業控制的場合。本文設計了基于西門子S7-200系列PLC對直流電機進行調速控制的方案，使用觸摸屏作為控制界面，提高了直流調速系統的控制性能，為實現直流電機的數字控制提供了一種新的方法。
關鍵詞：PLC S7-200 編碼器 觸摸屏 電機
直流調速系統是工業生產過程中最常用的電氣傳動裝置之一，廣泛地應用于軋鋼機、冶金、印刷、金屬切削機床等許多領域的自動控制系統中。傳統的直流調速控制系統多采用模擬元件，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要求，但線路復雜，調速性能較差[1]。采用PLC實現直流電機的調速系統，電路設計簡單，調速性能更好。
PLC是一種工業控制系統，在結構、性能、功能及編程手段等方面都有獨到的特點。在構成上，具有模塊結構的特點，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，并采用在線監控、故障診斷、冗余等技術，提高系統穩定性。在功能上，可進行開關邏輯控制、閉環過程控制、位置控制、數據采集及監控、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，易于各行業工程技術人員掌握[2]。
一、系統總體設計
本控制系統設計方案采用西門子S7-200系列PLC作為控制核心，它根據接收的觸摸屏設定轉速值，向直流電機發出控制信號，并采集旋轉編碼器的脈沖信號，將脈沖信號轉換為實際轉速值，發送到觸摸屏進行實時顯示。系統總體設計圖如圖1所示：
1、S7-200系列PLC
S7-200是西門子公司生產的一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業、各種場合中的檢測、監測及控制的自動化。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在自動化系統中充分發揮了其強大功能，使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制，應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關的工業及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環境保護設備等[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，本設計方案采用的是CPU224XP。CPU224XP具有14個數字輸入點，10個數字輸出點，2個模擬輸入點，1個模擬輸出點和6個高速計數器(30KHz)，可方便地用數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數據、圖表、時鐘等。此外，配合設備的狀況，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、電機與驅動器
本設計方案采用的是和利時公司生產的直流無刷電機和驅動器。
4、編碼器
旋轉式編碼器，是將旋轉的機械位移量轉換為電氣信號，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、系統軟件設計
該控制系統的軟件設計部分分為PLC程序設計與觸摸屏程序設計兩部分。
1、PLC程序設計
(1)PLC程序總體設計
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。
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的內如寄存器進行讀寫，如I區、Q區、V區、M區、AI區、AQ區等。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生，通過對AQ區寫數據(0-32767)，從而改變輸出電壓值。
S7-200采用高速計數器采集旋轉編碼器輸出的脈沖信號。
(2)高速計數器
高速計數器可以對普通計數器無能為力的高頻率信號進行計數，CPU224XP的最高計數頻率為30kHz。S7-200系列PLC中有6個高速計數器，分別是HSC0-HSC5。當高速計數器的當前值等于預制值、外部復位信號有效、計數方向改變時將產生中斷，通過中斷服務程序實現對控制目標的控制。高速計數器根據計數脈沖、復位脈沖、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
按鈕開關使用的是按鍵部件SW。根據需要設置SW開關的動作模式，以及按鍵與PLC對應的寄存器區。具體設置如圖4所示：
(2)加減速控制
加減速控制使用的是功能開關部件FSW，實現的功能是對PLC的VW100進行加減控制。具體設置如圖5所示：
(2)速度顯示
速度顯示使用的是數據部件DATA，它讀取PLC中VW200的數據，并顯示出來。具體設置如圖6所示：
三、結語
本設計采用GT01觸摸屏作為控制界面，S7-200PLC作為控制核心，旋轉編碼器提供反饋信號，實現了對直流電機的轉速控制，并能夠實時進行轉速的顯示。實驗證明，本方案具有很好的調速控制性能，為實現直流電機的數字控制提供了一種新的方法。
參考文獻：
[1]李瑋，趙江，劉建業.一種實用的單片機控制的數字式調速系統[J].吉林化工學院學報，2002(6)：35-37.
[2]徐國林.PLC應用技術[M].機械工業出版社，2014.
[3]S7-200可編程控制器系統手冊[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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