三相異步電機的交流變頻調速實驗系統設計

　0 引 言

　　可編程邏輯控制器(PLC)以其編程簡單方便、控制穩定可靠、功能強大等優點通常作為控制器廣泛應用于現代工業控制領域。觸摸屏作為人機交互界面在一定程度上減少PLC的外部I／O點的使用以及減輕系統外部按鈕開關的連線復雜程度，同時也提高了運行維護的方便性。隨著工業現場對控制設備小型化、易操作化、智能化的要求的不斷提高，基于PLC和觸摸屏的交流變頻調速系統的應用前景將非常廣闊。本文采用三菱PLC(Fx2N－64MR)、海泰克觸摸屏(PWS6AOOT)、倫茨變頻器和外部按鈕實現兩臺三相異步電機的交流變頻調速實驗系統設計。實際運行結果表明，該系統運行穩定可靠，控制性能良好。

　　1 控制系統要求

　　本套系統要求能夠實現兩臺三相異步電動機的如下狀態的控制：正轉；反轉；停止；點動；加速；減速。要求可以由觸摸屏或外部按鈕實現上述功能，兩種開關量輸入方式互為冗余備用，以提高控制系統的可靠性。另外，對于各種開關量狀態及硬件不正常狀態需要指示燈顯示。

　　2 控制系統硬件設計

　　交流變頻調速系統的硬件結構如圖1所示。

　　控制系統硬件結構主要包括：可編程控制模塊、控制指令輸入模塊、D／A轉換模塊、變頻器調節模塊。

　　2．1 模塊功能

　　2．1．1 可編程控制模塊

　　該模塊是整個控制系統控制的核心處理器，是觸摸屏指令和按鈕開關指令的執行中樞和變頻器指令觸發元件。

　　2．1．2 控制指令輸入模塊

　　該模塊就是給PLC加載控制指令以實現相應的輸出操作。這里指令輸入可由觸摸屏按鍵實現，也可以由外部開關按鈕實現，兩種指令輸入方式互為備用。為避免由按鈕開關指令實現眾多指令會導致接線復雜情況出現，可以對重要的開關量實現冗余備用，非重要開關量僅由觸摸屏按鍵實現。

　　2．1．3 D／A模塊

　　D／A是將PLC輸出的數字量轉換成模擬電壓量以實現變頻調速的目的。此系統采用的FX2N－2DA模塊，該模塊有兩路模擬量輸出以實現對兩臺變頻器的控制。

　　2．1．4 變頻器調節模塊

　　變頻器可根據PLC加載在其輸入控制端子的指令執行相應的調節，能夠執行三相異步電動機的各種工作狀態。

　　2．2 模塊通信

　　PC機通過專用電纜與PLC模塊和觸摸屏模塊進行通信連接，編制調試程序完畢可以直接下載到觸摸屏和PLC各自程序存儲器。PLC模塊與觸摸屏之間由專用電纜連接，觸摸屏按鍵指令可以由通信電纜加載到控制程序以執行相應的操作。另外，外部按鈕指令直接加載在PLC輸入端以實現相應的指令操作。PLC與D／A模塊由擴展電纜連接，將PLC輸出數字量轉換成對應的兩路電壓信號加載到變頻器輸入端子以實現調速控制。

　　3 控制系統軟件設計

　　3．1 PLC程序設計

　　3．1．1 輸入、輸出地址分配

　　根據控制系統要求，確定開關量輸入、輸出數量并對PLC分別地址分配。

　　X00～X04、X10～X14分別分配給電動機1、2的開關量輸入端子(包括正轉、反轉、點動、停止)和變頻器故障輸入端子。

　　Y00～Y04、Y10～Y14分別分配給電動機1、2的開關量輸出指示(包括正轉、反轉、點動、停止)和觸摸屏故障指示。

　　Y20～Y22、Y30～Y32分別連接兩臺變頻器的E1、E2和28控制端子。其中，E1端子功能為高電平時激活固定給定轉速；E2端子控制旋轉方向；28端子控制電機啟動和停止。

　　M00～M05、M10～X15分別分配給觸摸屏的1、2按鍵指令的PLC寫入地址(包括正轉、反轉、點動、加速、減速、停止)。

　　此外，寄存器D1、D2分別為存儲兩臺電機的D／A待轉換數值，寄存器M8000監視PLC運行狀態。

　　3．1．2 程序流程設計

　　PLC程序采用三菱FXGP－WIN－E編程軟件實現，程序采用模塊化、功能化結構，便于擴展應用，對應的程序流程圖如圖2所示。

　　3．2 觸摸屏程序設計

　　本系統的觸摸屏人機交互界面的開發平臺，采用海泰克觸摸屏的Hitech ADP編程軟件實現。該軟件類似于組態軟件，采用圖形化的編程方法，只需將相關元件拖到預先定義的畫面上，根據需要設置相關參數、合理配置PLC寫入地址即可完成操作。

　　Hitech ADP編程軟件對編程PC機要求不高，利用觸摸屏自帶RS 232串口或者USB接口通信，將設計完成后的人機交互界面下載到觸摸屏。對于兩臺電動機分別設計了正轉、反轉、點動、加速、減速、停止以及速度顯示控鍵，可由相應的控鍵實現對電機運轉狀態的控制和監控。觸摸屏上電后自動進入所設計的畫面，操作人員可以根據需要直接通過人機交互的方式，對下位機PLC進行控制。人機界面如圖3所示。

　　4 結 語

　　基于可編程控制器和觸摸屏的三相異步電機的交流變頻調速系統充分利用了PLC強大的邏輯處理功能和人機界面的良好的交互性，避免傳統的繼電器一接觸器控制電路的復雜接線，降低了對運行人員的技術要求；同時對重要開關輸入量實現觸摸屏按鍵和外部按鈕冗余備用模式，提高了系統的可靠性，為現場操作人員對運行過程的實時監控和維護帶來了方便。同時，本系統作為專業實驗室綜合試驗系統的子系統之一，將理論與實際相結合，對學生掌握新技術新理念，提高動手能力，有很好的指導意義和現實意義。