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毛颜
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1 第 25 卷第 2 期北京石油化工学院学报 Vol.25 No 年 6 月 JournalofBeijingInstituteofPetrochemicalTechnology Jun.2017 췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍文章编号 : (2017) 基于 PLC 自主学习实验平台的构建余涛 1,2, 王伟 2, 杜鹃 1,2, 管悦 2 (1. 北京化工大学自动化系, 北京 ;2. 北京石油化工学院电气工程系, 北京 ) 摘要 : 目前传统的 PLC 实验课大多单纯的为理论教学服务, 实验项目单一, 程序简单且学时紧张, 已经无法满足工业现场的实际需求本实验平台以电机调速系统为例, 以西门子 PLC300 为核心, 将变频器 MM440 触摸屏以及光电编码器三相异步电动机等基本单元通过现场总线连接在一起进行控制学生在学习 PLC 控制技术的同时, 探索如何学习使用与 PLC 相关联的其他设备, 学生通过理论与实践相结合的方式进行 PLC 系统硬件设计软件编程监控画面组态设计数据通讯以及控制理论等方面知识的综合应用关键词 : 电机调速 ;PLC 控制 ; 实验平台 ; 自主学习中图分类号 :TP29 文献标志码 :A DOI: /j.issn TheConstructionofAutonomousLearning ExperimentalPlatformBasedonthePLC YU Tao 1,2,WANG Wei 2,DUJuan 1,2,GUAN Yue 2 (1.BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029,China; 2.BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology,Beijing102617,China) Abstract:Atpresent,mostofthetraditionalPLCexperimentalcoursesareonlyforthetheoretical teaching,buttheexperimentalitemsandprogramsaresingleandeasy,andthelearningṯime isn tenough,whichhasmadeitunableto meettheactualneedsoftheindustrialenvironment. Motorspeedcontrolsystemisoferedtobeanexampleoftheexperimentalplatform,whichis connectedbythefieldbustobecontroled,withplcasthecoreseveralbasicunits,suchasthe SIEMENSS7-300PLC,frequencytransformer MM440,touchscreenandphotoelectricencoding speedsensor,etc.bystudyingplccontroltechnology,studentscanlearnhowtorecognizeand useotherequipments.studentscanverifythetheoryofhands-onpractice,fulfiltheintegrated application of hardware design, software programming, configuration design, data communicationandcontroltheoryoftheplcsystemtocarryonthecomprehensiveapplication. Keywords:motorspeedadjustment;PLCcontrol;experimentalplatform;autonomouslearning 可编程逻辑控制器 (Programmable Logic Controler,PLC) 应用技术作为自动化领域的一门核心技术, 是电气技术控制理论及计算机技术等多学科相互交叉融合的一门技术, 既强调理论, 又偏重实际应用传统 PLC 教学模式, 首先是完成 PLC 具体的工作原理操作方法和工程应用等有关理论知识的学习, 学生主要是感性的认识, 对控制系统的构建及有关理论知识的工程应用理解不够到位, 从而影响了学生的学习兴趣和学习主动性由于可编程逻辑控制器实验教学的基础数字量控制中, 一般采用发光二极管等方式代替控制对象实物, 学生不能在实验变化过程中观察到中间变量的变化 ; 而采收稿日期 : 作者简介 : 余涛 (1990 ), 男, 硕士生, 研究方向为 PLC 与电气传动, @qq.com

2 第 2 期余涛等. 基于 PLC 自主学习实验平台的构建 69 用软件仿真模拟 PLC 控制对象的方式, 无法接触现 [1] 场的真实生产环境笔者以物理仿真的方式构建以三相电机为控制对象的实验平台硬件平台以西门子 S7-300CPU 为核心控制器件, 平台硬件由通讯模块三相电机编码测速器变频器触摸屏组成, 可以实现 PROFIBUS-DP 和以太网通讯 2 种通讯模式 1 系统总体结构该实验平台系统结构框架如图 1 所示该系统由 PLC 中央处理单元输入输出单元人机界面监控单元速度检测与变频控制单元安全保护单元等组成, 以此为基础可以构建 2 个核心功能 : 图 1 系统结构图 Fig.1 Systemstructurediagram 功能 1: 在 STEP7 软件内完成电梯逻辑控制和通讯设置的编程, 通过 DP 通讯控制变频器 MM440 [3] 的参数, 以实现通讯输出点直接控制变频器利用光电旋转编码器测量三相异步电动机的转速, 构成闭环矢量控制系统, 以实现异步电机的启动停 [4] 止正反转多级变速和点动功能 2: 在 Wincc 触摸屏上, 创建电源开关按钮电机速度控制按钮和电机启动停止按钮等, 以实现指令控制, 控制器 PLCS7-300 接收各个传感器采集到三相异步电动机的参数如电压电流转速和输出频率等信号, 以曲线和数字的形式在 Wincc 触摸屏显示出来, 并且速度数值以曲线的形式显示出来, 以达到数据监测的目的 2 实验系统硬件构建实验平台控制器为西门子 PLCS DP, 模块 SM232 和模块 SM334 是带有数字量和模拟量的 I/O 口, 为满足异步电动机和 PLC 的控制和操作需要, 选择西门子 MM440 变频器, 用 BOP 模式进行变频器初始化和对应电动机参数设置 ; 光电旋转编码器选择 5V 增量式轻载型以太网通讯模块型号为 CP-1243; 电动机选择运行性能好结构简单的三 [5] 相鼠笼式异步电动机, 其接线方式采用星形接线 ; 系统提供了西门子 PS-307 直流电源模块, 其可以提供 24V 直流电源输出针对本实验平台, 以 VVVF 调速系统为例进行设计说明根据三相异步电动机的启动停止速度变化等实际的操作开关和反映当前运动状态的状态量值, 调速系统共有 8 个数字量输入, 用继电器开关控制闭合,7 个数字量输出,1 个模拟量输入用电位器控制,3 个模拟量输出, 具体输入输出 I/O 分配如表 1 所示 PLC 和 WINCC 之间采用以太网通讯, PLC 和变频器间采用 Profibus-DP 通讯, 进行控制字和状态字的传递, 共享数据库三相交流电源在接入变频器前, 用断路器和接触器将电源与变频器隔开, 进行电路保护, 硬件结构如图 2 所示以 Step7-Professional 和 SIMATIC WINCC 为开发平台进行 PLC 编程硬件组态监控界面组态和通讯组态, 完成自控系统调试控制器参数整定和控制算法测试采用西门子精智面板 SIMATICPANEL [6] 作为触摸屏表 1 输入输出 I/O 点 Table1 In-outI/Opoint 输入变量名称偏移地址输出变量名称偏移地址启动 I1.0 电压电流 PQW259 停止 I1.1 启动停止 Q1.0~1.1 正向转动 I1.2 电机频率 PQW258 反向转动 I1.3 输出转速 PQW257 高速开关 I1.4 高速输出点 Q1.4 中速开关 I1.5 中速输出点 Q1.5 低速开关 I1.6 低速输出点 Q1.6 点动开关 I1.7 正转接口 Q1.2 变速输入 PIW256 反转接口 Q1.3 在闭环调速系统中, 与电动机同轴相连的光电编码器将电机的转速转换成电压脉冲信号, 反馈到变频器 MM440, 其 Z 相用于基准点定位, 其 A 相和 B 相用于输出正转反转时的电压脉冲信号, 经过变频器 MM440 高频计数处理后, 将实际速度值通过 DP 线反馈到 PLC 控制器中, 实际速度值与给定速度量一起在 PLC 内部通过 PID 运算处理后, 缩小误差, 再通过调节输出电压的大小, 控制变频器 MM440 改变输出频率, 从而实现闭环调速控制, 以达到运行速度平稳精确的目的

3 70 北京石油化工学院学报 2017 年第 25 卷 Fig.2 图 2 硬件结构图 Hardwarestructurediagram 3 实验系统的软件设计 3.1 控制程序设计采用梯形图进行逻辑编程, 将控制程序下载到 PLC 控制器中系统启动时, 光电编码器记录初始采样点, 控制程序设置初始速度为零, 电动机初始正向转动, 选择模式为点动或者长动 ; 将初始设定速度写入, 并读取运行参数 ; 通过继电器开关或者触摸屏上的按钮, 选择电动机的运行状态, 如启动停止正反转多级变速等 ; 光电编码器和变频器 MM440 把电动机的转速负载电压电流等数据传送到 PLC 控制器中进行处理, 并传送到触摸屏显示或者经过 PID 模块进行优化, 最后判断是否要重新进行下一个扫描周期, 程序流程图如图 3 所示 3.2 PID 理论的应用实验平台通过继电器开关和触摸屏上的按钮来实现运动控制, 在软件编程中调用功能模块 FB41 来实现 PID 控制在闭环调速系统中, 光电编码器通过联轴器固定在电动机轴承上, 在相同的规定检测时间内, 光电编码器输出等数量的脉冲信号, 直接传送到变频器 MM440 中, 高频计数模块处理后, 通过 DP 通讯反馈到 PLC 中, 得到速度反馈值, 通过图 3 程序流程图 Fig.3 Programflowchart PID 运算处理后, 差值为正, 减速, 差值为负, 加速再通过 PLC 模拟量的输出端子输出一路 DC0~10 V 的电压信号来控制变频器的输出, 从而实现闭环 [8] 调速控制, 达到运行速度平稳精确的目的设 e (t) 为实际速度值与设定速度值的误差,u(t) 为实际速度输出,e(t) 和 u(t) 的关系表达式为 :

4 第 2 期余涛等. 基于 PLC 自主学习实验平台的构建 71 D(S)= U (S) é E(S) =KP 1+ 1 ù ë ê T is +TD S û ú (1) e(t) 和 u(t) 的传递函数表达式为 : é u(t)=kp e(t)+ 1 T t de(t) ù e(t)dt+t D ë ê i 0 dt û ú 比例 P 控制, 快速到达设定参数附近, 但存在稳态误差 ; 积分 I 控制, 消除稳态误差 ; 微分 D 控制, 反映系统偏差变化趋势 e(t)-e(t-1), 超前控制, 提前消除偏差积分微分不能单独起作用, 必须与比例控制配合首先在程序中插入程序块 OB35, 定时 200ms 执行 1 次, 然后在 OB35 块里面插入 FB41, 生成 DB20 数据块, 采样时间 cycle 设置为 200ms, 使用 PID 控制的参数大部分为缺省值, 需要设置的参数直接在程序 FB41 引脚端口上设置, 参数示例如下 : (1)MAN_ON:BOOL 量, 设置为 true, 手动 ; (2)SP_INT:MD2, 实验的速度设定值, 需转化为工程值 (0~100.0); (3)PV _IN:MD6, 实际速度测量值, 要从 PIW256 转换为工程值 (0~100.0); (4)MAN:MD10,OP 值 : 手动状态下的速度输出, 工程值 (0~100.0); (5)GAIN:MD14,PID 的 K p 值, 默认写 1~2, 调试时再修正 ; (6)TI:MW28,PID 的 K i 值默认写 T#30S, 调试时再修正 ; (7)DEAD_ W:MD22, 为 SP 和 PV 的偏差死区, 默认 0, 调试时再修正 ; (8)LMN:MD26, 最终用 FC106 转换为 word 型 MOVE 到 PQW257 4 通信和监控 4.1 以太网通信和 DP 通信在触摸屏上通过不同画面将 PLC 内部数据输入输出状态和变频器的各参数显示出来, 实时监控全机的工作状态, 并根据现场的情况, 通过触摸屏设置和修改 PLC 内部需要用户设定的参数, 及时发现问题并解决问题上位计算机 (PC) 通过 CP343-1 接口模块与可编程控制器 (PLC) 进行以太网通讯, 通讯协议为 CP-TCPIP 协议, 控制面板 PG/PC 接口设置为工业以太网的通用网口, 并且根据当前 PC 机的物理地址设置好组态的 IP 地址打开 WinccFlexible, 设置触摸屏与 PC 机通讯方式为 Enthernet,IP 地址设置为 , 选择传送指令设置好参数进行下载变频器 MM440 恢复出厂设置, 电动机参数的设置 [9] 如表 2 所示表 2 变频器参数设置 Table2 Inverterparameterseting 参数功能和含义设置值 P0003 访问等级为标准级 1 P0700 命令源为 BOP 面板 1 P1040 MOP 设定值 25 P0100 功率 kw, 频率 Hz 0 P0304 电动机的额定电压 380 P0305 电动机的额定电流 0.4 P0307 电动机的额定功率 0.07 P0310 电动机的额定频率 50 P0311 电动机的额定转速 1430 P1080 电动机最小频率 0 P1082 电动机最大频率 50 P1120 斜坡上升时间 1 P1121 斜坡下降时间 1 P1058 正向点动频率 10 P1059 反向点动频率 10 P1060 点动斜坡上升时间 5 P1061 点动斜坡下降时间 5 P 允许反向 0 西门子 PLC315-2DP 和变频器 MM440 通过 DP 线相连, 接口参数采用缺省设置, 即 : 地址 2, 最高地址 126, 波特率 1.5Mbps, 协议 DP DPmaster system 总线挂上远程 I/O 口模块, 设置从站地址为 3, 并且在 DP 总线挂上 MasterDrives 站通讯方式设定为 :PPO1 类型, 这种模式为 4PKW/2PZD, 通讯报文通过参数标识符值 PKW 和过程数据 PZD 传递在 PZD 区设置控制字, 如启动停止变速等 ; 在 PKW 区读取系统参数, 如电流电压转 [11] 速等 4.2 监控组态设计在 Wincc 平台, 将实验中的所有可显示变量进行图形设计和变量赋值, 显示在触摸屏上, 以方便进 [7] 行实验, 查看变量参数通过以下几步建立一个新工程 :1 定义设备 : 将项目中所需各个设备列表 ; 2 设计图形界面 ( 定义画面 ): 模拟实际的工业现场和相应的控制设备 ;3 构造数据库 ( 定义变量 ): 储存和反映工控对象的各种数据, 如频率电压电流等 ; 建立动画连接 : 画面编辑器中, 用基本元件或图形库中对象制作生产工艺流程监控画面, 并将变量与每个对象连接 ;5 运行和调试 : 使系统能够从 PLC 中读取数据并控制外部设备的工作状态, 实现对电机的实时监控监控画面如图 4 所示, 该监控画面由电源开关按钮和电机正反向按钮电机操作

72 北京石油化工学院学报 2017 年第 25 卷按钮电机参数显示和电机转速实时曲线 4 部分组成 [10] PLC 控制技术的综合应用, 可自主灵活地构建 PLC 应用技术实验, 如变频调速实验逻辑控制实验等, 便于理解和掌握西门子 PLC 的核心应用技术, 包括西门子硬件间通讯软件梯形图编写变频器应用 [12] 人机监控界面组态等该自主学习平台也可以为学生 PLC

5 72 北京石油化工学院学报 2017 年第 25 卷按钮电机参数显示和电机转速实时曲线 4 部分组成 [10] PLC 控制技术的综合应用, 可自主灵活地构建 PLC 应用技术实验, 如变频调速实验逻辑控制实验等, 便于理解和掌握西门子 PLC 的核心应用技术, 包括西门子硬件间通讯软件梯形图编写变频器应用 [12] 人机监控界面组态等该自主学习平台也可以为学生 PLC 应用技术创新实验和大赛等提供实验条件参考文献 [1] 张晓坤. 可编程控制器原理及应用 [M]. 西安 : 西北工 5 实验分析图 4 监控画面图 Fig.4 Monitorscreen 以电机调速系统为例, 学生在触摸屏或者控制程序里设置电动机额定转速, 将程序下载到 PLC 控制器中 ; 打开开始按钮继电器开关, 电动机启动, PLC 将中速指令 1000r/min 发给变频器 MM440, 变频器输出特定频率, 电动机转速在 20s 内从 0 线性增加到 1000r/min, 然后进入 20s 恒转速阶段 ; 接着按下高速开关, 光电编码器测量速度, 将速度信号反馈回变频器, 通过以太网线传输给 PLC 控制器, 电动机在 10s 内, 转速增加到 1400r/min, 保持该速度 25s; 然后按下低速开关, 恒速进入减速阶段,5s 后, 转速为 300r/min, 持续 10s 后, 制动,5s 后电动机速度降为 0 电动机转速和电压电流参数可以在监控画面中看到, 如图 4 所示系统的各种参数可以很清晰的在监控画面上显示 6 结语业大学出版社,1998: [2] 王志奎. 可编程序控制器和交流变频器在开环闭环调速系统中的应用 [J]. 现代电子技术,2002(7): [3] 王永华. 现代电气控制及 PLC 应用技术 [M]. 北京 : 北京航空航天大学出版社,2008:2-40. [4] 柴瑞娟. 西门子 PLC 编程技术及工程应用 [M]. 北京 : 机械工业出版社,2007: [5] 陈浩编. 案例解说 PLC 触摸屏及变频器综合应用 [M]. 北京 : 中国电力出版社,2007: [6] 陈元勇.PLC 控制电机变频调速试验系统的设计与实现 [D]. 山东 : 山东大学,2008. [7] 尹刚. 基于 PLC 的变频调速电梯系统设计 [D]. 沈阳 : 沈阳工业大学,2008. [8] 梁首发. 西门子 S7-300 及工控组态软件 WinCC 的应用 [J]. 中国仪器仪表,2002(1): [9] 许世法. 基于 PC 的软 PLC- 上位机系统设计与实现 [D]. 成都 : 西华大学,2007. [10] 丁莉君. 监控计算机与 PLC 数据通信的研究与应用 [D]. 西安 : 西安建筑科技大学,2007. [11] 焦志刚, 崔瀚. 基于 WinCC 的 S7-200PLC 实验系统设计 [J]. 制造业自动化,2011(5): [12] 蔡小亮. 基于 PLC 和 WinCC 的智能双腔监测换热器系统 [J]. 化工自动化及仪表,2010(2): 开发的实验平台力争以最小型的控制系统实现

控制器 EtherCAT EtherCAT EtherCAT 接下一个电机驱动模块 (X4) 接下一个电机驱动模块 (X5) X11 IN X4 IN X3 OUT X5 IN X6 OUT X2 X1 X4 IN X3 OUT X5 IN X6 OUT X2 X1 SYS STA DC BUS D

控制器 EtherCAT EtherCAT EtherCAT 接下一个电机驱动模块 (X4) 接下一个电机驱动模块 (X5) X11 IN X4 IN X3 OUT X5 IN X6 OUT X2 X1 X4 IN X3 OUT X5 IN X6 OUT X2 X1 SYS STA DC BUS D 控制器 thert thert thert 接下一个电机驱动模块 () 接下一个电机驱动模块 () 电机驱动模块电机驱动模块电源模块接下一个电机驱动模块 () 接下一个电机驱动模块 () 接下一个电机驱动模块 () 接下一个电机驱动模块 () X 0 X 0 4 /RK /RK 注注制动电阻阻值 Ω Φ 80: 适用电机驱动模块型号 8-M-XXXX--XX Φ : 适用电机驱动模块型号