李嘉豪

(西安科技大學(xué),電氣與控制工程學(xué)院， 陜西，西安 710054)

0 引言

“電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)”是電氣工程及其自動化專業(yè)的主干課程，同時也是一門實踐性很強的課程。由于傳統(tǒng)的PLC實訓(xùn)平臺體積龐大，有一定的局限性，學(xué)生只能在實驗室進行課程實踐和實驗環(huán)節(jié)。因此，為進一步提高本課程的教學(xué)效果，急需研制方便學(xué)生使用的實訓(xùn)裝置，學(xué)生可將該實訓(xùn)裝置帶至圖書館、家里等場所進行實踐練習(xí)，適合實施以學(xué)生為主導(dǎo)的探索式學(xué)習(xí)。在課程實踐中需要學(xué)生自主設(shè)計整個實驗過程，完成硬件組合連接和軟件程序設(shè)計。通過實踐能夠使學(xué)生掌握常規(guī)低壓電器的工作原理，提高學(xué)生運用PLC的實操能力，加深對理論知識的理解。實訓(xùn)裝置以三相異步電動機為被控對象，建立觸摸屏和PLC之間的通信，通過觸摸屏設(shè)計人機交互界面，實現(xiàn)對異步電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)整[1-3]。

1 方案設(shè)計

“電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)”課程中異步電動機變速調(diào)節(jié)和PID調(diào)節(jié)是2個比較典型的實驗。新研制的實訓(xùn)裝置應(yīng)該具有異步電動機變速調(diào)節(jié)和PID調(diào)節(jié)2個實驗功能?？傮w結(jié)構(gòu)采用西門子S7-200 SMART為主控制器，由觸摸屏設(shè)定電動機運行頻率，通過以太網(wǎng)通信將數(shù)據(jù)傳送至PLC，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換子程序處理后送至模擬量輸出模塊，再由模擬量輸出模塊將數(shù)據(jù)傳送至變頻器，從而完成頻率給定，實現(xiàn)電動機速度調(diào)節(jié)；采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器對電動機速度進行采集，并將速度反饋給PLC實現(xiàn)速度閉環(huán)調(diào)節(jié)；利用觸摸屏設(shè)計人機交互界面，與PLC進行通信，由上位機對電動機的運行頻率進行設(shè)定并實時監(jiān)測電動機轉(zhuǎn)速[4]，其設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。同時，為了方便學(xué)生使用，新研制的實訓(xùn)裝置采用便攜式結(jié)構(gòu)設(shè)計，將所有器件合理安裝在手提箱里，并配備漏電保護、過載和短路保護，保障人身安全和設(shè)備使用安全，具有靈活、可靠、安全等特點。

圖1 實訓(xùn)裝置結(jié)構(gòu)圖

2 實訓(xùn)裝置硬件設(shè)計

2.1 硬件選型

根據(jù)實訓(xùn)任務(wù)要求，PLC共需數(shù)字量4路輸入/2路輸出、1路模擬量輸出，本實訓(xùn)裝置選擇西門子S7-200 SMART PLC，CPU ST20模塊+EM AE03模擬量轉(zhuǎn)換模塊；變頻器采用VFD-M變頻器，實現(xiàn)電動機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、變頻調(diào)速控制；增量式旋轉(zhuǎn)編碼器選擇HN3806-AB-400N，每圈輸出400個脈沖，該編碼器體積小、精度高；觸摸屏選用Samkoon，操作簡便、可視性好、可維護性強，可以用來顯示電機轉(zhuǎn)速、參數(shù)設(shè)定、監(jiān)控PLC運行狀態(tài)等。

S7-200 SMART PLC工作電源為直流24 V，故選擇AC 220 V轉(zhuǎn)DC 24 V開關(guān)電源供電，該電源安全、可靠；主回路電源通過空氣開關(guān)接入實訓(xùn)裝置，對電路或電氣設(shè)備短路、嚴重過載及欠電壓等進行保護；交流接觸器的主觸頭可以通過大電流，故選擇交流接觸器作為異步電動機的控制器件；但交流接觸器不具有過電流保護功能，需配備熱繼電器使用以實現(xiàn)電動機的過載保護，其體積小、結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高。裝置硬件選型如表1所示。

表1 裝置硬件選型

2.2 硬件電路設(shè)計

實訓(xùn)裝置硬件接線原理圖如圖2所示，對其中的主要部分進行說明如下。

2.2.1 PLC

S7-200 SMART PLC采用24 V直流電源供電，L+、1M接+24 V，M接0 V；I/O地址分配如表2所示。旋轉(zhuǎn)編碼器增量脈沖由I0.0、I0.1輸入，I0.2、I0.3分別接電動機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制按鈕，Q0.0、Q0.1控制中間繼電器KA1、KA2線圈得電來控制變頻器正、反轉(zhuǎn)輸入端子M0、M1。

表2 I/O地址分配表

2.2.2 旋轉(zhuǎn)編碼器

連接旋轉(zhuǎn)編碼器與PLC之前，第一步先選擇PLC的高速計數(shù)器外部輸入信號和工作模式。根據(jù)PLC的輸入點確定高速計數(shù)HSC0，旋轉(zhuǎn)編碼器為AB正交相輸出，工作模式為10模式。旋轉(zhuǎn)編碼器的電源、0 V端口分別接至PLC的L+和M端口，編碼器的脈沖輸出OUTA、OUTB接至PLC的I0.0和I0.1端口。

2.2.3 變頻器

隔離開關(guān)QS控制變頻器的工作電源，中間繼電器KA1、KA2的常開觸點分別接變頻器數(shù)字量輸入端M0、M1控制異步電動機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，PLC的EM AM03模擬量輸出端0、0M分別接變頻器模擬量輸入控制端口AVI、GND，變頻器的U、V、W三相輸出經(jīng)交流接觸器的主觸點接三相異步電動機。

2.2.4 控制回路

控制回路中，首先接熱繼電器的常閉觸點，實現(xiàn)電動機的過載保護；SB1為停止按鈕，接常閉觸點；SB2為啟動按鈕，接常開觸點；交流接觸器的常開輔助觸點與SB2并聯(lián)，實現(xiàn)互鎖；最后串聯(lián)交流接觸器的線圈，完成控制回路的設(shè)計。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計語言使用梯形圖，需配備西門子S7-200 SMART編譯軟件(STEP 7 MicroWIN SMART V2.4)。該編譯軟件有先進的程序結(jié)構(gòu)、靈活方便的尋址方法、強大的通信功能、簡化復(fù)雜任務(wù)的向?qū)Ш蛶?、PID參數(shù)自整定功能等。學(xué)生根據(jù)控制要求，編寫梯形圖程序，實現(xiàn)相應(yīng)的功能。

3.1 主程序設(shè)計

在主程序設(shè)計中需要先對PLC內(nèi)部寄存器進行初始化，初始化完成后將觸摸屏給定的頻率轉(zhuǎn)換為0～27 648的數(shù)字量，再對該數(shù)字量進行D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為0～10 V的電壓信號；變頻器接收電壓信號并輸出相應(yīng)的頻率使電動機運轉(zhuǎn)；利用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器采集脈沖量并調(diào)用高速計數(shù)器子程序計算電動機轉(zhuǎn)速；得到電動機轉(zhuǎn)速調(diào)用PID子程序，經(jīng)PID算法修改D/A模塊輸出值，判斷實際轉(zhuǎn)速是否與目標(biāo)轉(zhuǎn)速相等，若相等則結(jié)束主程序，若不等則返回PID子程序，經(jīng)算法修改D/A模塊輸出值，構(gòu)成一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)[5-8]。主程序流程圖如圖3所示。

圖2 實訓(xùn)裝置硬件接線原理圖

圖3 主程序流程圖

3.2 子程序設(shè)計

在子程序設(shè)計中,首先對高速計數(shù)器進行初始化;然后啟動定時中斷進入中斷子程序。在中斷子程序中記錄100 ms內(nèi)高速計數(shù)器的脈沖數(shù)并計算電動機的轉(zhuǎn)速；算出電動機轉(zhuǎn)速后中斷返回并進入PID子程序，獲取轉(zhuǎn)速差并通過PID算法計算轉(zhuǎn)速增量，根據(jù)增量修改D/A模塊值，通過比較實際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速是否相等來決定D/A模塊的輸出；若相等，則D/A模塊輸出值保持不變，并進一步判斷轉(zhuǎn)速是否穩(wěn)定，若不穩(wěn)定，返回修改PID參數(shù)。子程序流程圖如圖4所示。

圖4 子程序流程圖

4 實驗調(diào)試與分析

學(xué)生通過新研制的實訓(xùn)裝置需要自行完成硬件電路的搭建、變頻器參數(shù)設(shè)定、觸摸屏畫面設(shè)計、軟件編程、PID參數(shù)整定等來實現(xiàn)異步電動機變速調(diào)節(jié)和PID調(diào)節(jié)2個實驗。

4.1 硬件搭建

參考硬件接線原理圖完成實訓(xùn)裝置硬件的搭建，實物如圖5所示，各元器件布局合理、符合規(guī)范。變頻器安裝在左上角，與PLC保持一定的距離，減小PLC在變頻器使用過程中產(chǎn)生電磁場的干擾；PLC安裝在導(dǎo)軌上，確保安全穩(wěn)固；觸摸屏安裝在箱蓋上，可操作性強。通過硬件的搭建，學(xué)生可掌握常規(guī)低壓電器的工作原理及使用。

圖5 硬件實物圖

4.2 變頻器參數(shù)設(shè)定

首先需對變頻器參數(shù)進行設(shè)置，按變頻器控制面板“MODE”按鈕，顯示P00(主頻率輸入來源設(shè)定);按變頻器控制面板“ENTER”按鈕，顯示“00”(查找手冊設(shè)置主頻率的來源)。本實驗中設(shè)定為“01”(主頻率輸入由模擬信號0～10 V輸入)，按“ENTER”按鈕，再次進入“P00”;按上、下選擇按鈕，顯示P01(運行信號來源設(shè)定);按“ENTER”按鈕，顯示“00”(查找手冊運行信號的來源)。本實驗中設(shè)定為“00”(通過上、下按鈕改變參數(shù))，按“ENTER”按鈕(表示確定，參數(shù)設(shè)置成功);按“MODE”按鈕，直至回到頻率界面。通過變頻器參數(shù)的設(shè)定，學(xué)生可掌握變頻器的調(diào)試及使用方法。

4.3 觸摸屏設(shè)計

創(chuàng)建一個新的項目，選擇菜單欄下的網(wǎng)絡(luò)，雙擊SIEMENS網(wǎng)絡(luò)設(shè)定通信協(xié)議，制造商選擇SIEMENS，系列選擇對應(yīng)的S7-200 SMART，IP地址要與PLC的IP地址相同，否則通信不成功。設(shè)置完成后在主界面根據(jù)實驗要求設(shè)計監(jiān)控界面，觸摸屏控制界面如圖6所示。通過該過程,學(xué)生可掌握人機交互界面的設(shè)計、觸摸屏和PLC的通信，為設(shè)計更復(fù)雜的自動化控制系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

圖6 觸摸屏控制界面

4.4 實驗測試及分析

異步電動機變速調(diào)節(jié)實驗中，通過觸摸屏設(shè)定異步電動機的不同運行頻率，觀察電動機的實際轉(zhuǎn)速變化，測試結(jié)果如表3所示。通過該過程,學(xué)生可進一步加深對PLC模擬量控制的理解。

表3 改變頻率值測試結(jié)果

PID調(diào)節(jié)實驗中，需要對PID參數(shù)KP、KI、KD進行調(diào)節(jié)，使電動機能夠穩(wěn)定在目標(biāo)轉(zhuǎn)速周圍，具體調(diào)節(jié)過程:初始設(shè)定KP為較大的值，KI、KD設(shè)置為0，觀察速度變化情況，當(dāng)出現(xiàn)振蕩時，記錄此時的系數(shù)值；接下來調(diào)節(jié)KI，設(shè)定一個初始值，當(dāng)擺動在目標(biāo)值附近單一輪回且恢復(fù)慢時，適當(dāng)減小KI，當(dāng)擺動在目標(biāo)位置多次來回波動，加大KI；最后設(shè)置KD，偏離目標(biāo)值大且恢復(fù)慢，加大KD，單位時間內(nèi)偏離目標(biāo)角度誤差不大，但振蕩頻繁，則減小KD。PID調(diào)試測試結(jié)果如表4所示。

表4 PID調(diào)節(jié)測試結(jié)果

實驗過程總結(jié)：通過硬件電路搭建、變頻器參數(shù)設(shè)定、觸摸屏設(shè)計、PID參數(shù)整定等具體的實驗過程，學(xué)生可掌握常規(guī)低壓電器的工作原理、變頻器的使用、人機交互界面的設(shè)計、PLC模擬量控制、PID參數(shù)調(diào)試及自動化控制系統(tǒng)的構(gòu)成。

5 總結(jié)

本實訓(xùn)裝置將觸摸屏、PLC、變頻器、編碼器和三相異步電動機組建成一套完整的電動機調(diào)速系統(tǒng)。學(xué)生通過本實訓(xùn)裝置可完成異步電動機的變速調(diào)節(jié)和PID調(diào)節(jié)2個實驗,進一步加深對PLC控制技術(shù)的理解，并能夠更深層次地掌握PID控制的相關(guān)理論和調(diào)試方法；同時采用便攜式結(jié)構(gòu)設(shè)計，方便學(xué)生自行學(xué)習(xí)和實訓(xùn)，為理論教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合提供了很好的支撐。