基于PLC、变频器、触摸屏控制皮带输送机三段调速

李晓宁

摘 要 本文以皮带输送机控制系统为例，详细给出该系统的PLC硬件设计，触摸屏人机界面设计、变频器参数设置和系统程序设计，有效体现了PLC、触摸屏、变频器三位一体，触摸屏成为人机对话的界面，变频器成为PLC的主要执行机构。在电类及相关专业教学中将传统学科体系课程的《PLC应用技术》、《变频器技术》、《触摸屏技术》进行整合，探讨搭建一个融合多项技术平台的可能性，以适应现代企业的电气控制要求，使教学内容跟上机电行业新技术发展的步伐，提高学生的学习兴趣。

关键词 PLC 触摸屏 变频器 皮带输送机

中图分类号：TP273文献标识码：A

0前言

可编程控制器是电气控制系统的控制核心，它可以实时控制工业现场的各类设备，很方便的完成各类控制要求。通过几十年的发展，PLC已经走进工业生产和日常生活的各个方面，所以学校的电类和相关专业也因其重要性，逐渐将其加入到教学计划中，并且PLC与工业机器人、CAD/CDM成为现代工业控制的三大支柱之一。由于可编程控制器工业控制在现代企业中常常与变频器技术，触摸屏技术等多项技术有关，因此学校在教学中，对应开设有《PLC应用技术》、《变频器技术》、《触摸屏技术》等相关课程，但是如此教学体系的划分，不但导致可是占用过多，而且可能导致知识点称为分散、单项的存在，各学科间的衔接不紧凑，甚至出现互相扯皮的现象。学生在毕业后对于由多项技术构成的相对复杂的控制系统，存在技术单一，不能全面掌握、灵活应用等现象。本文以皮带输送机为例，详细给出了该系统的PLC硬件设计、触摸屏MCGS人机界面设计、变频器参数设置和系统程序设计，探讨搭建一个整合PLC、触摸屏、变频器相关知识的平台的可能性，期待实现教学内容与现代工业生产实际的需要相契合。

1皮带输送机控制要求

某工厂有一条皮带输送机，由触摸屏、PLC、变频器控制，控制要求如下：控制系统分为手动调试和自动运行两种模式。手动调试分别按下正转、反转、皮带输送机有相应的动作，高速50HZ、中速30HZ、低速10HZ;手动调试要求触摸屏有相应的显示。自动运行，按下正转启动按钮后皮带输送正转50 HZ高速运行，5S后中速30 HZ运行，3S后10 HZ低速运行，5S后皮带输送机停止，3S后皮带输送反转10HZ低速运行，5S后中速30HZ运行，3S后高速50 HZ运行，5S后皮带输送机停止完成一个周期。当皮带输送机运行过程中按下停止按钮皮带输送机应立即停止。自动运行要求触摸屏有相应的显示。

2电气元件的选择

2.1 PLC的选择

2.1.1 PLC生产厂家的选择

确定PLC的生产厂家，主要应该考虑设备用户的需求。

输入输出（I＼O）点数的估算：PLC的输入输出（I＼O）点数是PLC的基本参数之一，（I＼O）点的确定应以控制设备所需的所有输入输出点的总和为依据。在一般情况下，PLC（I＼O）的点应该有适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%—20%的可扩展余量后，作为输入输出点数的估算数据。

2.1.2 PLC存储容量的估算

PLC存储器容量是指可编程控制器本身能提供的硬件存储单元大小，各种PLC的存储容量大小可以从该PLC的参数表中找到。程序容量是存储器中用户程序所使用的存储单元的大小，因此存储器容量应大于程序容量。

2.1.3 PLC通讯功能的选择

为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能（如点对点、现场总裁、工业以太网等）的通信处理器。

2.1.4 PLC机型的选择

按结构分成整体型和模块型两类，整体型的点数较少且相对固定，通常用于小型控制系统。这一类PLC的代表有西門子 的S7-200系列。三菱公司的FX的系列，欧姆龙公司的CPMIA系列等。总之选用的一般原则：方便性、通用性和兼容性。

2.2触摸屏的选择

根据功能、尺寸、安装、质量、价格来选择 ，显示尺寸主要按使用场所不同来确定，常用的有7寸-65寸。样式，按使用场所不同来选择，目前有背挂式、吊顶式、落地式。实训室选用三菱。

2.3变频器的选择

一般根据电机的额定电流，然后查变频器的样本，样本上标示的重载应用有个连续电流量，一般变频器的额定输出电流只要超过电机的额定电流就行。根据皮带输送机的控制要求，确定系统输入输出端子数目，选用三菱FX2N-40MR，有24个输入端和16个输出端;确定系统速度的变化，选用三菱通用变频器FR-D700，有15速调速，可以满足系统控制要求。触摸屏选用Kinco步科触摸屏。

3 PLC的硬件设计

3.1输入/输出端子设计

3.1.1输入端子

根据系统控制要求，皮带输送机正转、反转、高速、中速、低速、停止占用六个输入端子，同时这些相应操作按钮也与人机界面组态按钮相对应，既能单独调试PLC的程序，又能单独用触摸屏来控制。操作按钮可以使用人机界面组态按钮来实现，不需要占用输入端子。

3.1.2输出端子

系统中的变频器调速使用5个功能端，占用5个输出端子。而运行指示灯、电源指示灯使用触摸屏插入元件构件实现，各个工作区速度显示使用触摸屏实现，不占用端子。

3.2 PLC输入/输出端子分配

系统中皮带输送机手动调试与自动运行在触摸屏首页设置为触摸键，分别链接到调试界面与运行界面，运行指示灯和电源指示灯设置为触摸屏插入元件指示灯显示，三个工作区速度通过PLC把数据传给寄存器D0，再由触摸屏显示出来。

3.3 PLC硬件连接图

根据皮带输送机控制要求和PLC输入输出端子分配情况，设计皮带输送机控制系统硬件连接图。其中触摸屏和PLC之间通讯使用“RS—485转换器”专用通信电缆。

4触摸屏MCGSE人机界面设计

打开Ev500-V1.6-CHS组态软件，根据触摸屏的类型选择MT4300C，设计人机界面画面。为了能够达到利用触摸屏操作画面实时操作皮带输送机的效果，必须将人机界面中的图形对象和PLC中的编程软元件进行关联，如表1所示。并对相应的图示部件进行组态参数的设定，最后通USB通讯线将组态画面下载到触摸屏上。

5变频器参数设置

通用变频器绝大多数是交—直—交型变频器，其主要是由整流回路（交—直变换）、直流滤波电路（能耗电路）及逆变电路（直—交变换）组成，还包括有限电流电路、制动电路、控制电路等组成部分。变频器的使用主要是通过改变变频器的输出频率从而改变电动机的转速，以便获得满意的交流电动机调速效果。变频器常见的频率给定信号的方式有操作板给定，外部端子信号给定，模拟信号给定，脉冲信号给定，和通信方式给定等。根据控制要求，采用变频器外部端子STF、STR、RH、RM、RL来进行调速。通过查找三菱通用变频器FR-D700使用说明，确定变频器参数设置。

表1：参数设置表

6系统程序设计

PLC程序设计法有经验法、顺序控制设计法。其中顺序控制设计法是一种新颖的，按照生产工艺顺序进行的编程设计方法，它简单易学，很容易被初学者接受，有经验的工程师使用顺序控制设计法，也会提高设计的效率，程序调试、修改和阅读也更方便。现根据皮带输送机的控制要求，启动FXGPWIN软件，新建文件，选择所使用的PLC类型FX2N，编制的梯形图（略）。在皮带输送机控制系统中，要求停止按钮在任何时候都可以按下，而且不管在任何时候按下停止按钮，系统立刻停止，同时Y4用来输出皮带输送机正转，Y3用来输出皮带输送机反转，Y2用来输出高速，Y1用来输出中速，Y0用来输出低速，自动运行部分，用X6作为启动按钮，用T0，T1，T2，T3，T4，T5，T6来控制高中低速的变化，X5为停止按钮。当Y2，Y1，Y0线圈得电时，把对应频率传给一个寄存器D0，再由触摸屏显示出来。

7结束语

传统教学体系是根据课程内容的結构，按照知识点、技能点划分，期望通过学科教学进度，有序形成学生的职业技能。但实际上这种教学体系的分割造成了学生职业技能技术单一，缺乏对多项技术综合利用的能力，不能完全符合职业技能的系统性要求。本文旨在探讨将多个学科的知识点进行整合，使用一个完整的项目，给学生营造一个真正的工作情景，以此来解决教学过程中职业技能培养培养在专业课程中单项、分散、关联性弱、不成系统的问题。实践证明;基于PLC变频器触摸屏综合利用自动生产线控制系统有效体现了PLC、触摸屏、变频器三位一体，触摸屏称为人机对话的界面，变频器称为PLC的主要执行机构，能适应可编程控制器在现代企业的应用常常与变频器、触摸屏技术等多项技术构成现代电器控制系统的现实需要，是多学科知识点整合的一次成功尝试，是教学内容跟上机电行业新技术发展的步伐，对以后教学内容整合改革有一定的指导意义。

参考文献

[1] 陈慧敏.PLC应用技术仿真教学探讨[M].教育出版社.

[2] 秦春斌.PLC基础及应用教程[M].机械工业出版社，2010.

[3] 阮友德.电气控制与PLC[M].人民邮电出版社，2009.