曹文燕

（中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心，江蘇 南京210005）

0 引言

隨著工業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，可編程邏輯控制器（PLC）在工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛。因其功能性強(qiáng)、可靠性高、編程簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)工作環(huán)境要求低、控制方便、體積小巧等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域占據(jù)著重要的地位，它是根據(jù)順序邏輯控制的需要而發(fā)展起來的，是專門為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。

隨著社會(huì)進(jìn)步步伐的加快，自動(dòng)化生產(chǎn)流水系統(tǒng)將需要實(shí)現(xiàn)更多復(fù)雜穩(wěn)定的功能，它不僅要求各個(gè)機(jī)構(gòu)能夠自動(dòng)完成預(yù)定的各道工序，而且要求在工件上下料、定位夾緊、工件在工序間的輸送、機(jī)械加工等都能自動(dòng)進(jìn)行。因此，以PC機(jī)作為上位機(jī)，以PLC作為基本控制單元的控制系統(tǒng)在現(xiàn)代化生產(chǎn)中越來越顯示出其優(yōu)越性，故對(duì)基于PLC的生產(chǎn)流水線電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行研究具有非常實(shí)用的意義。

本文設(shè)計(jì)使用PLC配合變頻器、步進(jìn)電機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)流水線上的正向、反向及多段速運(yùn)行，闡述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件及軟件設(shè)計(jì)，分析了系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，通過試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)流水線是在一定的線路上連續(xù)輸送貨物的搬運(yùn)機(jī)械，又稱輸送線或者輸送機(jī)。圖1是某生產(chǎn)流水線的簡(jiǎn)易示意圖。

圖1 某生產(chǎn)流水線簡(jiǎn)易示意圖

根據(jù)設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)思路，采用軟硬件相結(jié)合的方法，利用PLC、變頻器與電機(jī)之間的控制關(guān)系，研究設(shè)計(jì)了生產(chǎn)流水線某一控制電機(jī)的電氣控制系統(tǒng)，其中硬件設(shè)計(jì)部分有PLC I／O地址分配、S7－200接線圖、變頻器多段速控制及參數(shù)設(shè)置、變頻器接線圖等；軟件設(shè)計(jì)部分有SCR指令的應(yīng)用、程序的設(shè)計(jì)編寫、仿真結(jié)果等。圖2是PLC與變頻器組成的控制系統(tǒng)示意圖。

圖2 控制系統(tǒng)示意圖

該控制系統(tǒng)具備啟停、調(diào)試、單選等基本功能，電機(jī)帶動(dòng)的生產(chǎn)流水線某一部分工作臺(tái)能實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及多段速運(yùn)行。

2 控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

PLC可以選擇西門子公司的S7－200系列，它具有體積小、價(jià)格低、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化、功能強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)，適用于單機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的輸入信號(hào)是開關(guān)量信號(hào)，輸出是負(fù)載三相交流電動(dòng)機(jī)接觸器等。表1是PLC I／O地址分配表。由表可知，系統(tǒng)需要12個(gè)輸入點(diǎn)、5個(gè)輸出信號(hào)。課題中使用的S7－200系列CPU 224XP CN型PLC，具有14個(gè)輸入點(diǎn)和10個(gè)輸出點(diǎn)。

表1 I／O地址分配表

PLC控制模塊通過通信電纜將控制信息傳送到變頻器模塊，從而改變電源頻率，再通過通信電纜連接到電動(dòng)機(jī)上，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，繼而改變生產(chǎn)流水線的速度，達(dá)到無極調(diào)速的目的。由于所選用的變頻器具有RS－485通信接口，因此PLC可以通過自有通信接口與變頻器通信，控制變頻器的運(yùn)行，讀取變頻器自身的電壓、電流、功率、頻率累計(jì)運(yùn)行時(shí)間和過壓、過流、過負(fù)載等全部報(bào)警信息。

圖3為S7－200PLC（CPU 224XP CN）DC電源／DC輸入／DC輸出端子接線圖，DC輸入端由1M、I0.0～I(xiàn)0.7構(gòu)成的第一組和由2M、I1.0～I(xiàn)1.5構(gòu)成的第二組組成，1M和2M分別為各組公共端，DC24V的負(fù)極接公共端1M或者2M，輸入開關(guān)的一端接DC24V的正極，輸入開關(guān)的另一端接CPU 224XP CN各輸入端；DC輸出端由1M、1L＋、Q0.0～Q0.4構(gòu)成的第一組和由2M、2L＋、Q0.5～Q1.1構(gòu)成的第二組組成，1M 和2M分別為各組公共端，DC24V的負(fù)極接1M、2M端，正極接1L＋、2L＋端，Q0.1～Q0.4輸出一端接 CPU 224XP CN各輸出端，另一端分別與變頻器端7、端8、端16、端5連接。

圖3 S7－200 PLC外部接線圖

變頻器主電路的組成有3個(gè)部分，分別是整流器、平波回路和逆變器。圖4是變頻器接線圖。

圖4 變頻器接線示意圖

變頻器是通過整流、斬波、逆變等基本過程以及對(duì)電力半導(dǎo)體器件（如IGBT等）的PWM控制等，將電壓和頻率固定不變的工頻交流電電源變換為電壓或頻率可變的交流電電源，最終實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速運(yùn)行。

變頻調(diào)速是通過改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率來改變其同步轉(zhuǎn)速n的，變頻器的多段速通過功能端子控制，這些功能端子按照二進(jìn)制的規(guī)律組合接通時(shí)，變頻器輸出各固定頻率。MMV變頻器最多可以通過3個(gè)端子組合閉合控制生成8種固定頻率，根據(jù)f＝nP／60可知能得到8段速。S7－200PLC輸出點(diǎn)與MMV變頻器的對(duì)應(yīng)關(guān)系應(yīng)該如表2所示。

表2 PLC輸出點(diǎn)與變頻器對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2 軟件設(shè)計(jì)

STEP7－Micro／Win32是運(yùn)行在計(jì)算機(jī) Windows系統(tǒng)環(huán)境下的西門子S7－200系列PLC的編程軟件，其界面簡(jiǎn)單、實(shí)用，功能強(qiáng)大，易于操作人員掌握和使用。通過PC／PPI編程電纜連接計(jì)算機(jī)的RS－232串口和S7－200PLC的RS－485通信接口后，編程軟件就可以向PLC下載或從PLC上載所編寫的應(yīng)用程序。程序運(yùn)行過程中還可以對(duì)PLC運(yùn)行的情況進(jìn)行監(jiān)控，或通過強(qiáng)制命令對(duì)PLC進(jìn)行調(diào)試。

STEP7－Micro／Win32的主界面中，系統(tǒng)菜單和工具欄提供各種功能，指令樹結(jié)構(gòu)列出了編輯資源，包括程序塊、符號(hào)表、狀態(tài)圖、數(shù)據(jù)塊、通信塊等，還有所有可用指令。在編輯區(qū)，可進(jìn)行程序編輯。這種編程結(jié)構(gòu)使用了模塊化編程體系，程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組織方便、層次清楚，有利于編寫規(guī)模較大的程序。

PLC程序可以采用梯形圖、語句表、程序塊等形式表示。為了與繼電器—接觸器系統(tǒng)相承接，采用梯形圖形式對(duì)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行編程。梯形圖與繼電器—接觸器系統(tǒng)的原理圖從本質(zhì)上相一致，設(shè)計(jì)方法為參照繼電器原理圖在保持原有控制邏輯的基礎(chǔ)上改繪。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于PLC的生產(chǎn)流水線電氣控制系統(tǒng)，這種集變頻啟動(dòng)、PLC、現(xiàn)代控制理論于一體的新型流水線自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)智能控制，使生產(chǎn)流水線與主機(jī)的自動(dòng)化水平相同，有利于自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

［1］鐘肇新.可編程控制器原理及應(yīng)用［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2004.

［2］范永勝，王岷.電器控制與PLC應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2004.