基于S7-200 smartPLC的调速系统实验平台设计与调试

程刚;焦尚彬;李生民;孙旭霞;刘涵;郑朝阳

【摘 要】设计了一套基于S7-200 smart PLC的直流电机风扇调速系统实训平台,由红外对管采集电机转速,经过控制器判断比较,调节PWM占空比实现对电机转速的调控,并采用Smart 700 IE V3设计人机交互界面,形成一套完整的自动化控制系统.该平台利于学生对PLC控制技术的掌握,对开拓学生思路、增强学生自学能力、培养学生创新实践能力具有显著作用. 【期刊名称】《实验技术与管理》 【年(卷),期】2019(036)003 【总页数】5页(P116-120)

【关键词】可编程逻辑控制器;实践教学;PWM调速;人机交互 【作 者】程刚;焦尚彬;李生民;孙旭霞;刘涵;郑朝阳

【作者单位】西安理工大学自动化与信息工程学院 ,陕西西安 710048;西安理工大学信息与控制工程国家级实验教学示范中心 ,陕西西安 710048;西安理工大学自动化与信息工程学院 ,陕西西安 710048;西安理工大学信息与控制工程国家级实验教学示范中心 ,陕西西安 710048;西安理工大学自动化与信息工程学院 ,陕西西安 710048;西安理工大学自动化与信息工程学院 ,陕西西安 710048;西安理工大学自动化与信息工程学院 ,陕西西安 710048;西安理工大学信息与控制工程国家级实验教学示范中心 ,陕西西安 710048;西安理工大学自动化与信息工程学院 ,陕西西安 710048

【正文语种】中 文 【中图分类】TP273-33

生产实训是我校自动化、电智等专业的必修实践环节,旨在培养学生的实践能力和应用创新能力。本实验平台以多孔板为载体,严格按照电气规范、合理布局电气元器件,采用Siemens S7-200 smart PLC为控制器,通过PLC的高速脉冲输出口,实现对直流电机风扇的PWM调速控制,同时实现与Smart 700 IE V3触摸屏通信,通过触摸屏可实现对直流电机风扇正转、反转、加速、减速、速度设定以及显示当前速度等功能,达到稳定、快速、准确的跟踪效果。该平台具有组成简单、容易上手的特点,既能激发学生兴趣,又能为学生提供良好的实验环境[1-3]。 1 平台设计

本平台主要由转速检测模块、控制模块、人机交互模块组成。用红外对管检测风扇转速,将光信号转换为脉冲信号,送至PLC中,经过判断比较,执行相应程序,控制直流电机转速,同时PLC与触摸屏进行上下位通信,可通过上位界面对风扇转速进行控制,形成一套完整自动化控制系统[4-6],平台设计框图如图1所示。 图1 平台设计框图 1.1 转速检测模块

转速检测模块是由一对红外对管构成的检测电路,如图2所示,D2管发射红外光 ,D1管接收红外光,当风扇旋转时,由于扇叶的遮挡,红外发射管与接收管之间的红外光时断时续；当D2管发射的红外光被遮挡时,D1管反向截止,此时将集电极C为高电平；反之,当D2发射的红外光未被遮挡时,集电极为低电平。这样即可将光信号转换为电脉冲信号,一个脉冲信号即表示转过一片扇叶,将脉冲信号送至PLC输入端口I0.5,同时通过其内部的计时器对接收一定数目的脉冲计时,根据脉冲数目及

所用时间就可计算出风扇的转速,最后通过数字显示部分将转速显示出来[7-10]。需要强调的是,风扇有两片扇叶,因此,2个脉冲计1圈,将脉冲数量转换为风扇转速时需要特别注意。

图2 红外对管工作电路图 1.2 控制模块 1.2.1 硬件部分

本实验平台控制器选用Siemens S7-200 smart PLC,型号为ST20,利用PLC自带高速计数口,测得转速信号,与给定信号比较得偏差信号,PLC对偏差信号进行处理,并给出控制信号[11],控制原理图见图3。 图3 控制原理框图

图4为直流电机(以下简称电机)驱动控制电路,因其形状酷似字母H,得名H桥驱动电路,电路主要由4个达林顿管,4个与门及若干其他器件组成。 图4 直流电机H桥驱动电路图

电机的运转控制信号PWM_L和PWM_R,分别为左转和右转脉冲控制信号。以右转为例说明如下：跳线帽接通J3、J4,此时因为J4接地,所以Q7导通；J3的引脚2与PLC的高速脉冲输出口相接,发出脉宽可调的PWM波,当PWM 为高电平时,Q9导通,电机得电,向右旋转；当PWM为低电平时,Q6导通,此时电机不导通,但因两端的容性电压而继续惯性旋转,当下一个高电平到来,电机又得电导通,周而复始,保证电机一直向右旋转[12],当改变高电平导通的时间,即调节PWM的占空比,可实现调速的目的。

同理,跳线帽接通J6、J8,J6的引脚1通占空比可调的PWM,即可实现电机左转,从而实现控制电机正反转的目的。 1.2.2 软件部分

根据控制原理图,编写相应的软件程序,以实现预期功能。配套的有西门子STEP 7-

MicroWIN SMART编程软件,采用梯形图编写。对电机转速的控制算法设计了以下3种方案：

(1) 简单比较算法：当前转速大于预设转速时,减小PWM占空比；当前转速小于预设转速时,增大PWM占空比；当前转速等于预设转速时,不作任何操作。基于这一简单原则,便可初步对电机转速进行控制,但当预设转速与当前转速相差较大时,系统响应时间过长。其程序流程如图5所示。 图5 简单比较算法程序流程图

(2) 优化比较算法：即对算法1进行优化,添加对预设转速与当前转速之差是否过大的判断,进而调整占空比、增减步长。该方法具有差值大时步长大、差值小时步长小的特点,可快速达到预期。其程序流程见图6。 图6 优化比较算法程序流程图

(3) PID算法：调用STEP 7-MicroWIN SMART中的PID模块,利用PID向导对其进行配置。该方法与前两种方法相比具有简洁高效的优点。 1.3人机交互模块

1.3.1 Smart 700 IE V3触摸屏

本平台触摸屏采用西门子Smart 700 IE V3真彩型触摸屏,其自带以太网口,具有画质清晰、功能齐全、性价比高的特点[13]。

该触摸屏配套有西门子WinCC flexible SMART V3组态软件,其功能非常强大且使用方便。通过下述3个步骤即可完成触摸屏界面的配置：

(1) 创建新项目：打开项目向导,选择 “创建一个空项目”,在出现的“设备选择”对话框中,双击文件夹“Smart Line”中Smart 700 IE V3,创建一个新的项目。 (2) 与PLC建立连接：打开“连接”对话框中的连接表,双击连接表,自动生成名为“连接_1”的变量,通信驱动程序选择“SIMATIC S7 200 Smart”,在连接表的下方点击“参数”,接口选项选择以太网,并配置Smart 700 IE V3及PLC的IP地址,

即可建立起PLC与触摸屏的连接。由于在触摸屏中是对PLC中变量直接操作,因此需在触摸屏中组态变量。具体操作：打开变量编辑器,在变量表中生成与PLC符号表中相同的变量,以便在组态画面时,将PLC中的变量与触摸屏中的按钮、I/O域等对象关联。

(3) 上位界面设计：WinCC flexible SMART V3组态软件中提供了丰富的元件资源,用户可根据项目实际需要,设计上位监控界面,可以实时显示下位PLC的数据,具有很好的人机交互性。 1.3.2 上位界面组态设计

在画面中心位置设计“当前转速”“预设转速”显示栏,在其下方位置设计“正转起动”“反转起动”,“加速”“减速”“停止”5个按钮,如图7所示。 点击“正转起动”或“反转起动”,电机便开始工作,可通过“加速”或“减速”按钮对当前转速进行控制,也可从“预设转速”I/O域手动输入预设转速。“运行指示”用于指示当前工作状态。为保护电机,设置转速限制,即转速仅在0～3 600 r/min范围内有效。若超出范围,系统自动向范围内取值设置转速,即预设转速大于3 600 r/min或小于0 r/min时,系统自动设置转速为3600 r/min或0 r/min。当转速为0 r/min或3600 r/min,转速限制指示灯由绿变红闪烁,表示已达风扇工作极限。

图7 人机交互界面示意图

2 平台搭建

本实训平台主要由S7-200 SMART型PLC、24 V开关电源、SMART 700 IE V3触摸屏、电机控制回路、测速模块、若干导线及接线端子组成。接线图如图8所示。

图8 实训平台接线图

严格按照接线图完成系统搭建,PLC安装至导轨上,确保安全稳固,走线规整美观,元件位置摆放合理,不同导线以线标区分,以便调试及后续检查修理[14]。同时,本平台对金属外壳做接地处理,确保操作人员的人身安全[15]。平台实物如图9所示。 图9 实验平台实物图 3 调试结果与分析

设计了基于PLC 的直流电机PWM 调速系统, 并利用WinCC flexible SMART V3构建了系统监控画面, 实现了对电机转速n的实时测量及转速预设。

实验结果如图10所示,可以发现，在预设转速3 000 r/min时,电机转速由0加速至3 000 r/min,3种控制算法中PID算法表现最好,调节时间最短,转速可在1 s左右便达到预设值,且准确度优良,达到了快、稳、准的控制要求。优化比较算法与简单比较算法相比,调节时间显著缩短,系统响应速度提高约1倍,且未出现超调。 图10 不同控制算法调试结果对比图

简单比较算法思维过程偏感性,实现起来较为容易,但效果不佳；优化比较算法是简单比较算法的提升,实现起来也相对复杂一点,效果一般；PID算法需一定理论基础,实现起来较为复杂,但效果很好。

可根据由易到难、由浅入深的原则进行实验,以便在此过程中激发学生兴趣,引导学生层层深入,积极探索,真正实现理论联系实际。 4 结语

本文针对基于PLC的调速实验平台进行了功能设计,以实现该平台更好地为理论教学与实践教学的结合服务。本实验教学平台使学生在汲取知识时由被动接受转为主动研究,真正实现了以学生为中心的实践教学方法。平台具有较高的可靠性、可操作性和安全性,实现了理论与实践环节的有机结合,对于学生了解和掌握通信技术、S7-200 SMART、SMART 700 IE V3触摸屏技术都具有一定的帮助作用。本平台为解决目前高校PLC实验平台的设计及培养学生实践动手能力提供一个可行的思

路。 参考文献

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