基于PLC的电机调速系统设计
摘要：可编程控制器是以微处理器为核心的计算机控制系统，具有使用方便、通用性强、可靠性高、适应面广、编程简单、抗干扰能力强的特点，广泛应用于工业控制的场合。本文设计了基于西门子S7-200系列PLC对直流电机进行调速控制的方案，使用触摸屏作为控制界面，提高了直流调速系统的控制性能，为实现直流电机的数字控制提供了一种新的方法。
关键词：PLC S7-200 编码器 触摸屏 电机
直流调速系统是工业生产过程中最常用的电气传动装置之一，广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。传统的直流调速控制系统多采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，虽在一定程度上满足了生产要求，但线路复杂，调速性能较差[1]。采用PLC实现直流电机的调速系统，电路设计简单，调速性能更好。
PLC是一种工业控制系统，在结构、性能、功能及编程手段等方面都有独到的特点。在构成上，具有模块结构的特点，有利于维护，并且功能扩充很方便，便于安装。在性能上，可靠性高。PLC的平均无故障时间一般可达三五万小时，并采用在线监控、故障诊断、冗余等技术，提高系统稳定性。在功能上，可进行开关逻辑控制、闭环过程控制、位置控制、数据采集及监控、多PLC分布式控制等功能。在编程手段上，PLC的编程语言直观、简单、方便，易于各行业工程技术人员掌握[2]。
一、系统总体设计
本控制系统设计方案采用西门子S7-200系列PLC作为控制核心，它根据接收的触摸屏设定转速值，向直流电机发出控制信号，并采集旋转编码器的脉冲信号，将脉冲信号转换为实际转速值，发送到触摸屏进行实时显示。系统总体设计图如图1所示：
1、S7-200系列PLC
S7-200是西门子公司生产的一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业、各种场合中的检测、监测及控制的自动化。它具有以下特点：极强的可靠性，极丰富的指令集，易于掌握、便捷的操作，丰富的内置集成功能，实时特性，强劲的通讯能力，丰富的扩展模块。S7-200系列PLC在自动化系统中充分发挥了其强大功能，使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制，应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等[3]。
S7-200系列PLC提供了4个不同的基本型号的8种CPU供您使用，本设计方案采用的是CPU224XP。CPU224XP具有14个数字输入点，10个数字输出点，2个模拟输入点，1个模拟输出点和6个高速计数器(30KHz)，可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展[3]。
2、GT01触摸屏
GT01是松下公司生产的3英寸、3色LED背光灯触摸屏。它不仅能显示信息、图形，还能自由显示按键、指示灯、PLC数据、图表、时钟等。此外，配合设备的状况，它能够切换3色背光灯，使运行状况一目了然。GT01备有5VDC/24VDC两种电源和RS232C/RS422(RS485)两种通信方式，可与各公司的PLC连接通信[4]。
3、电机与驱动器
本设计方案采用的是和利时公司生产的直流无刷电机和驱动器。
4、编码器
旋转式编码器，是将旋转的`机械位移量转换为电气信号，对该信号进行处理后检测位置、速度等信息的传感器。本设计方案采用的是欧姆龙增量式编码器，分辨率为600P/R。
二、系统软件设计
该控制系统的软件设计部分分为PLC程序设计与触摸屏程序设计两部分。
1、PLC程序设计
(1)PLC程序总体设计
PLC程序使用的是STEP7MICROWIN软件，编程语言为梯形图语言。PLC程序的主要任务是完成与触摸屏通信、向直流电机输出控制信号、采集编码器高速脉冲的任务。
S7-200与GT01触摸屏通信采用RS485通信方式，触摸屏可直接对S7-200的内如寄存器进行读写，如I区、Q区、V区、M区、AI区、AQ区等。触摸屏的当前页面保存在S7-200的VW4里。
S7-200向直流电机输出模拟电压信号。模拟电压使用CPU224XP自带的模拟量输出模块产生，通过对AQ区写数据(0-32767)，从而改变输出电压值。
S7-200采用高速计数器采集旋转编码器输出的脉冲信号。
(2)高速计数器
高速计数器可以对普通计数器无能为力的高频率信号进行计数，CPU224XP的最高计数频率为30kHz。S7-200系列PLC中有6个高速计数器，分别是HSC0-HSC5。当高速计数器的当前值等于预制值、外部复位信号有效、计数方向改变时将产生中断，通过中断服务程序实现对控制目标的控制。高速计数器根据计数脉冲、复位脉冲、启动脉冲端子的不同接法可组成12种工作模式，不同的高速计数器有多种功能不同的工作模式[3]。
2、触摸屏编程
触摸屏GT01编程使用的是松下公司的GTWIN编程软件[5]。
(1)按钮开关
按钮开关使用的是按键部件SW。根据需要设置SW开关的动作模式，以及按键与PLC对应的寄存器区。具体设置如图4所示：
(2)加减速控制
加减速控制使用的是功能开关部件FSW，实现的功能是对PLC的VW100进行加减控制。具体设置如图5所示：
(2)速度显示
速度显示使用的是数据部件DATA，它读取PLC中VW200的数据，并显示出来。具体设置如图6所示：
三、结语
本设计采用GT01触摸屏作为控制界面，S7-200PLC作为控制核心，旋转编码器提供反馈信号，实现了对直流电机的转速控制，并能够实时进行转速的显示。实验证明，本方案具有很好的调速控制性能，为实现直流电机的数字控制提供了一种新的方法。
参考文献：
[1]李玮，赵江，刘建业.一种实用的单片机控制的数字式调速系统[J].吉林化工学院学报，2002(6)：35-37.
[2]徐国林.PLC应用技术[M].机械工业出版社，2014.
[3]S7-200可编程控制器系统手册[M].西门子自动化工程有限公司，2004.
[4]可编程智能操作面板GT01技术手册[M].松下电器有限公司，2006.
[5]松下触摸屏软件GTWIN操作手册[M].松下电器有限公司，2006.
【基于PLC的电机调速系统设计】相关文章：
基于plc的变频调速电梯系统开题报告摘要10-25
基于PLC的断路器型式试验系统设计08-29
中频发电机试验站调速系统的改造08-29
基于PLC控制的锅炉实时监控系统08-29
掺混PLC控制系统设计08-29
基于PLC的过程控制08-29
PLC控制的花样喷泉系统11-14
基于云架构的系统安全设计11-12