基于西门子S7-200PLC的三相异步电动机调速实验系统设计

郭志冬

（三门峡职业技术学院，河南 三门峡 472000）

一、引言

在职业院校的机电类专业中，《PLC及其应用》是一门地位非常重要的专业核心课程。这门课程主要培养学生在工业自动化控制系统中分析问题和解决问题的能力，课程的特点是突出应用性和实践性。课程教学多采用实践教学和理论教学一体化的教学模式，实践教学过程中要利用计算机和实训装置或实验系统进行学习。其中，电机的调试控制及其实验系统是PLC应用中最具实用价值和应用意义的实践教学内容之一[1]。本文将针对此实验系统进行设计旨在提升职业院校机电类专业学生学习PLC的兴趣和锻炼PLC在调速控制中的应用能力，为学生毕业后在电机调速方面的应用打下牢靠的基础。

二、实验原理

（一）调速原理

三相交流异步电动机的转速公式为：

式（1）中，n为电机转速，f为电源频率，在我国f=50Hz，p为磁极对数，s为转差率。从电机转速公式中可以看出，若要改变电机转速可从改变电源频率；改变磁极对数；改变转差率三个方面入手。改变磁极对数进行调速即变极调速的特点是结构简单，运行可靠，易于实现，成本较低但是调速范围不够平滑，为有极变速。改变转差率调速有变压调速、转子串电阻调速和串级调速等方法，其中变压调速的特点是速范围不大，效率低；转子串电阻调速方法的特点是结构简单，价格便宜，转差功率损耗在电阻上，效率随转差率增加等比下降，故此法一般不用；串级调速的调速范围较大，损坏较小，调速效率较高，启动性能较好，但可靠性低[2]。变频调速是这三种方法中调速性能最好、调速范围最广、效率高，稳定性最好的一种。本文的调速系统采用变频调速。

（二）编码器的测速原理

光电编码器是一种将机械几何位移量转换成数字量或脉冲信号的光电转换传感器，根据其刻度方法和输出形式可分为增量型和绝对型两种。这是目前应用最多的传感器，广泛应用于数控机床、私服系统、机器人、雷达等需要检测角度和转速的装置和设备中[3]。本文中采用的编码器型号为LPD3806-400BMG5-24C，为增量型编码器，轴转一周输出400脉冲，AB两相输出，使用时通过联轴器和电机轴相连，与电机同步旋转，输出脉冲信号和PLC的输入端连接，通过PLC内部的高速计数器对脉冲数进行计数。代入式（2）公式中计算出电机转速。

式（2）中，t为采样周期，z为编码器旋转一周输出的脉冲数，在此z=400，M为采样周期内计得的脉冲数，n为电机转速，单位为转/分钟。

三、电机调速实验系统硬件设计

（一）硬件系统组成设计

系统硬件组成中控制核心选择CPU224XP，通过模拟量模块输出模拟量信号给变频器模拟量输入端，控制变频器的输出频率，从而调节三相异步电动机的转速。编码器对转速进行检测并将检测信号传送给PLC，PLC和触摸屏实时通信、交换数据，触摸屏实时对电机转速系统进行转速控制和监控。电机调速系统的组成框图如图1所示。

图1 电机调速系统的组成框图

（二）系统主要控制设备型号及调速过程介绍

系统的控制核心是CPU224XP，主机集成14点数字量输出，10点数字量输出；2路模拟量输入，1路模拟量输出。触摸屏采用西门子Smart700IE，提供了人机界面的标准功能，经济实用，具备高性价比；和S7-200西门子PLC组成完美的小型自动化解决方案。变频器采用西门子V20变频器，变频器具有调试过程快捷、易于操作、稳定可靠以及经济高效的特点，内置常见的连接宏与应用宏，简化操作，开箱即用[4]。

系统由触摸屏设定变频器的频率输出命令，通过RS485和CPU224XP进行通信，PLC接收到命令后，通过程序指令从主机集成的模拟量输出端口输出一个模拟量信号，去控制变频器V20的模拟量控制端，从而输出符合设定要求的电源频率电压给三相交流异步电动机，控制电机调速，通过光电编码器进行测速，并将测速信号反馈给PLC，通过RS485将转速信息传递个触摸屏显示在屏幕上。

四、电机调速实验系统程序设计

（一）高速计数器指令

西门子S7-200CPU提供了多个高速计数器以响应快速的脉冲输入信号。CPU224XP支持6个高速计数器HSC0-HSC5。S7-200CPU可以定义4种工作类型，每种工作类型可以设定3种工作状态，共计12种工作模式。高速计数器编程时需要完成以下步骤：（1）根据计数器工作模式，设置控制字节。（2）使用HDEF定义计数器号（3）设置计数方向（4）设置初始值（5）设置预制值（6）设定中断程序（7）执行HSC指令，激活计数器[5]。

高速计数器有两条工作指令，即高速计数器定义指令HDEF和高速计数器执行指令HSC。HDEF可用于定义高数计数器HSC0-HSC5的工作模式，即确定高速计数器的时钟、方向、起始和复原功能。HSC用于配置和控制相应的高速计数器，参数N用于定义高速计数器的编号N=（0-5）。

（二）PLC程序设计

本系统中，程序设计所用高速计数器为HSC0，模式设定为0，为内部方向控制的单向计数器，无复位。主程序为：如果变频器故障信号为0，则正常启动变频器。通过触摸屏的转速控制对话框输入需要的转速频率如30Hz，通过PLC将频率信号转化为模拟电压信号输出控制变频器，变频器控制电机转动，编码器检测到转速并以脉冲信号的形式输送给PLC的高速计数器的脉冲输入端，经过程序计算后得出转速的具体数值，并将数据传送给触摸屏[6]。主程序流程图见图2。

图2 主程序流程图

中断程序采用200ms定时中断程序，中断时将采样的脉冲数传送给PLC，经过计算得出转速的具体数值，最终将数据传给触摸屏并通过显示屏显示[6]。中断程序流程图见图3。

图3 中断程序流程图

五、电机调速实验系统调试

将硬件系统连接好后，接通电源，打开西门子Step7Micro/Win编程软件，编写好程序后通过PPI编程电缆下载到PLC中去。在触摸屏中输入设定电机的频率，通过编码器测定转速后，经过程序计算，将转速信息传递给触摸屏，并最终显示在屏幕上。仿真调试如图4所示。

图4 电机调速实验系统调试仿真结果

六、结语

本文采用CPU224XP作为电机调速系统的控制核心，上位机采用西门子Smart700IE，通过RS485进行通信，采用光电编码器作为测量转速的传感器。作为PLC的一种控制系统，结构简单，实现容易，方便学生学习硬件组成和指令含义，在实训教学中取得了良好的效果。该控制系统可以实现工业过程中的电机转速的控制及测速要求，使学生对转速控制与测速有了一个感性的认识，并学习了模拟量的使用方法，高速计数器指令的应用，学习兴趣得到了极大的提高[7]。该装置可以用于工业现场及科研和振兴工程的职工培训等方面。