范然然，俞宗薏，劉方平

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州， 545005）

PLC控制器在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域中已成為重要的控制元器件，其可靠的性能、操作的簡單性對自動化設(shè)備的改造十分有利。西門子S7-1200系列的PLC因其價(jià)格適宜。功能齊全，操作簡便而被大規(guī)模使用[1～2]。

本文以S7-1200PLC為控制核心，設(shè)計(jì)了一套適用于小型三相異步電動機(jī)控制的智能攪拌試驗(yàn)臺自動化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)智能控制攪拌電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對三相異步電機(jī)的無極調(diào)速，通過人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制和監(jiān)控運(yùn)行過程中的電機(jī)轉(zhuǎn)速等功能，通過趨勢圖記錄電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，可以為獲取攪拌試驗(yàn)臺中的電機(jī)速度提供快速調(diào)試作用。此外，通過該自動控制系統(tǒng)對三相異步電機(jī)的控制，降低了人工操作錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。通過對PLC控制系統(tǒng)編程的方式實(shí)現(xiàn)了在更換不同轉(zhuǎn)差率的同極數(shù)電機(jī)時(shí)，可以無需重復(fù)編程便可以實(shí)現(xiàn)精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的功能。

1 智能攪拌平臺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

智能攪拌平臺控制系統(tǒng)包括PLC控制器、人機(jī)交互界面、配電箱以及外圍接線。設(shè)備連接完畢，啟動設(shè)備后，人機(jī)交互界面進(jìn)入正常工作狀態(tài)，可以在觸摸屏上設(shè)置電機(jī)旋轉(zhuǎn)的額定轉(zhuǎn)速和工作轉(zhuǎn)速，并且可以監(jiān)控當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化趨勢，以趨勢圖曲線的形式顯示在觸摸屏上。為保障運(yùn)行的穩(wěn)定性，工作時(shí)正傳啟動、反轉(zhuǎn)啟動和停止由人工操作的觸摸屏控制和實(shí)體按鈕控制兩種形式。觸摸屏控制通過觸摸屏上的定義按鈕進(jìn)行控制電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)和無極速度調(diào)節(jié)。運(yùn)行中觸摸屏信號傳遞給S7-1200PLC，PLC內(nèi)部控制程序發(fā)出相應(yīng)的控制信號給AMB100變頻器，變頻器驅(qū)動三相異步電機(jī)進(jìn)而驅(qū)使攪拌平臺中的攪拌葉輪按照人機(jī)畫面中的設(shè)定方式運(yùn)行，智能攪拌試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 智能攪拌試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

結(jié)合具體現(xiàn)場設(shè)備情況和現(xiàn)有條件，選取了西門子公司S7-1200系列的PLC，其機(jī)構(gòu)簡單，裝調(diào)方便并且指令集功能齊全拓展性能好。采用CPU模塊為CPU1214CDC/DC/DC，訂貨號為6ES7214-1AG40-0XB0V4.2版本為主控單元，該P(yáng)LC為緊湊型PLC，100KB工作存儲器；24VDC電源，板載DI14×24VDC漏型/源型，DQ10×24VDC和AI2；板載6個(gè)高速計(jì)數(shù)器和4路脈沖輸出[3～4]。針對變頻器模擬量控制的需求，還安裝了SM1234AI4/AQ2模擬量控制模塊（訂貨號6ES7234-4HE32-0XB0）用于模擬量控制變頻器無極調(diào)速。對于模擬量輸出信號而言，電流信號更適合遠(yuǎn)距離精確控制，根據(jù)本實(shí)例中的變頻器性能選擇范圍為0～20mA的電信號作為輸出控制信號。

根據(jù)系統(tǒng)生產(chǎn)工藝的要求，三相異步電機(jī)是一臺功率為0.45kW的電機(jī)。額定轉(zhuǎn)速1450r/min，需要無極調(diào)速和正反轉(zhuǎn)啟停控制。選用變頻器調(diào)速，保證轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，選用AMBAM100-1R5G-S2變頻器。根據(jù)工藝流程中的功能設(shè)定，編寫PLC控制模塊的輸入輸出變量表（如表1)，系統(tǒng)硬件接線圖如圖2所示。

表1 CPU模塊的輸入輸出變量表

3 控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

在由PLC組成的自動工控系統(tǒng)中，對于物理量的控制（如頻率、開度等）是利用數(shù)模轉(zhuǎn)換將PLC輸出的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為符合國際標(biāo)準(zhǔn)的模擬量信號（如電流信號0～20mA、電壓信號0～10V）后，傳送到執(zhí)行器（如變頻器、比例閥等）中去。模擬量模塊在進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換過程中，不同的執(zhí)行器所能接收的電信號類型是不同的，則PLC輸出的設(shè)置也不同。模擬量輸出模塊相應(yīng)的參數(shù)設(shè)定：“輸出類型”用于選擇是輸出的電壓模擬信號還是電流模擬信號，本文選擇電流模擬信號；“輸出范圍”用于設(shè)置模擬信號的范圍，采用默認(rèn)選項(xiàng)；“對CPU STOP模式的響應(yīng)”則可以選擇在CPU為停機(jī)狀態(tài)下該通道上是“使用替代值”還是“保持上一次的值”（即保持停機(jī)前輸出的值），如果選擇輸出指定的值，那么可以在下面的“從RUN模式切換到STOP模式時(shí)通道的替代值”中設(shè)置一個(gè)指定的值，本文選擇使用替代值，并設(shè)置替代值為0。

■3.1 TIA15.1中NORM_X：標(biāo)準(zhǔn)化指令

在S7-1200中對模擬量的控制不同于S7-300/400PLC中的SCALE和UNSCALE，使用NORM_X指令將現(xiàn)場的工程量轉(zhuǎn)換為0.0～1.0之間的比例，進(jìn)而可以與0～27648之間建立起對應(yīng)線性關(guān)系。實(shí)際的物理量控制參數(shù)值被賦予在VALUE中，參數(shù)MIN和MAX定義了被控設(shè)備的物理量上限和下限值，輸出OUT中的結(jié)果經(jīng)過NORM_X計(jì)算為VALUE中數(shù)值在MIN和MAX的比例[5]。標(biāo)準(zhǔn)化值原理圖如圖3所示。

圖3 NORM_X：標(biāo)準(zhǔn)化原理圖

“NORM_X標(biāo)準(zhǔn)化”指令運(yùn)算過程將按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

將輸出的OUT值與數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)值0～27648進(jìn)行相乘，便可以得到控制輸出頻率的電流大小。如果要得到精確控制變頻器頻率的效果，需要對數(shù)值0～27648進(jìn)行實(shí)際檢測，在本案例中，通過不斷地實(shí)驗(yàn)和反復(fù)的調(diào)試，選用0～27328的范圍可以實(shí)現(xiàn)對變頻器0～50Hz精確地輸出控制。

■3.2 PLC控制程序

使用西門子公司PLC編程軟件TIA15.1，根據(jù)PLC的CPU模塊的類型，系統(tǒng)的編程使用LAD語言編寫程序，其中用到了基本邏輯控制指令以及標(biāo)準(zhǔn)化和縮放指令用于模擬量控制。系統(tǒng)首先初始化，按照預(yù)先給定的控制要求，編寫了電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制程序和輔助程序，針對本系統(tǒng)的變頻器無極調(diào)速控制，設(shè)計(jì)了模擬量控制程序，同時(shí)結(jié)合HMI控制，可以實(shí)現(xiàn)對三相異步電機(jī)的無極正反轉(zhuǎn)調(diào)速。三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率、電機(jī)繞組的極數(shù)以及電機(jī)轉(zhuǎn)差率有關(guān)，關(guān)系公式如下（1）：

式中：n：電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；f：電網(wǎng)頻率，Hz；P：電機(jī)繞組極數(shù)；s：電機(jī)轉(zhuǎn)差率。

根據(jù)公式（1）可以在已知額定轉(zhuǎn)速的情況下反推出電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，進(jìn)而可以在TIA15.1中建立起設(shè)定轉(zhuǎn)速與輸出頻率之間的線性關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制?？紤]到后期拓展性的控制要求，在設(shè)計(jì)程序的時(shí)候?qū)㈦姍C(jī)的額定轉(zhuǎn)速作為先知的條件進(jìn)行編程計(jì)算，當(dāng)在HMI界面輸入了三相異步電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速后再輸入設(shè)定轉(zhuǎn)速，此時(shí)PLC才能夠精確控制變頻器的頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制。在FB1中定義形式參數(shù)“額定轉(zhuǎn)速”、“設(shè)定轉(zhuǎn)速”以及“輸出頻率”，圖4(a)中函數(shù)塊FB1為計(jì)算當(dāng)給定一個(gè)額定轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)（1-s）這個(gè)數(shù)據(jù)的值，保證在HMI上輸入設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)，可以計(jì)算出不同額定轉(zhuǎn)速情況下，變頻器當(dāng)前的頻率設(shè)定值應(yīng)為多少。通過在主程序OB1中調(diào)用FB1，定義給各個(gè)管腳參數(shù)，其中DB1.DBD12是在HMI設(shè)備上輸入的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，DB1.DBD16是在HMI設(shè)備上輸入的設(shè)定轉(zhuǎn)速，通過FB1的運(yùn)算，便可以得到此時(shí)需要的頻率值。

圖4 轉(zhuǎn)速與頻率轉(zhuǎn)換程序

本方法的優(yōu)勢在于更換另外型號的同極數(shù)電機(jī)，但是轉(zhuǎn)差率或者額定轉(zhuǎn)速不一樣的三相異步電動機(jī)時(shí)可以較為精確的對其實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制，這對于不同型號電機(jī)的運(yùn)行具有良好的兼容性。PLC模擬量控制變頻器輸入頻率的控制程序如圖5所示。

圖5 NORM_X實(shí)現(xiàn)頻率控制程序

■3.3 人機(jī)交互界面（HMI）設(shè)計(jì)

HMI設(shè)備采用的是威綸通MT8101iE，10.1TFT LCD主板涂層保護(hù)處理，在嚴(yán)苛的環(huán)境中，能防止腐蝕。Utility Manager組態(tài)軟件提供了豐富的設(shè)計(jì)元素，對工業(yè)控制器的兼容性較強(qiáng)，TIA15.1編程中的地址可以快速地導(dǎo)入到組態(tài)軟件中去，實(shí)現(xiàn)快速建立變量。S7-1200與威綸通觸摸屏通訊時(shí)要將威綸通中PLC的設(shè)備屬性選擇為Siemens S7-1200/S7-1500 (Absolute Addressing)(Ethernet)，以絕對地址的形式進(jìn)行通訊，否則將會出現(xiàn)找不到PLC地址的情況。依靠HMI可以遠(yuǎn)程檢測控制PLC控制系統(tǒng)，根據(jù)控制要求，在畫面中設(shè)定了電機(jī)運(yùn)行的監(jiān)控畫面，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，關(guān)聯(lián)電機(jī)轉(zhuǎn)速到轉(zhuǎn)速趨勢圖能夠就電機(jī)轉(zhuǎn)速變化對攪拌系統(tǒng)的影響進(jìn)行定性分析。針對需要方便調(diào)速的需求，設(shè)置手動數(shù)值輸入和滑動調(diào)節(jié)輸入兩種方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速設(shè)定。此外，在畫面中用戶還可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)登錄、正反轉(zhuǎn)控制等功能，人機(jī)交互界面如圖6所示。經(jīng)過運(yùn)行測試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)有效，控制便捷，符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 智能攪拌試驗(yàn)臺控制界面

4 總結(jié)

以智能攪拌控制平臺為設(shè)計(jì)參數(shù)，通過對系統(tǒng)控制器S7-1200PLC進(jìn)行設(shè)計(jì)編程，間接對變頻器AMBAM100-1R5G-S2等二次設(shè)備進(jìn)行控制，使用工業(yè)以太網(wǎng)將PLC-變頻器控制系統(tǒng)與HMI系統(tǒng)畫面連接在一起，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的監(jiān)控和對設(shè)備自動化控制的功能。本方法可以在更換另外型號的同極數(shù)電機(jī)，但是轉(zhuǎn)差率或者額定轉(zhuǎn)速不一樣的三相異步電動機(jī)時(shí)可以較為精確的對其實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速控制，而不需要重新編寫PLC控制程序，這對于更換系統(tǒng)運(yùn)行電機(jī)具有良好的兼容性。對PLC和變頻器的綜合應(yīng)用，使得整個(gè)系統(tǒng)控制邏輯更緊湊，電機(jī)運(yùn)行更加準(zhǔn)確，效率更高，操作性更好，大大增強(qiáng)了智能攪拌控制平臺的工作效率，為攪拌系統(tǒng)工作做進(jìn)一步速度控制參數(shù)優(yōu)化提供了技術(shù)支持和保證。