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觸摸屏結合PLC在變頻電源中的應用

發布者：用戶投稿發布時間：2008/5/6 17:13:44

摘要：介紹了觸摸屏的功能特點以及與PLC聯機在變頻電源系統中的應用。PLC作為系統的控制單元在參數進行人機交互的時候有一定欠缺，觸摸屏作為人機接口，使系統界面友好，簡單直觀，便于操作，在實際應用中取得明顯效果。
關鍵詞：觸摸屏 PLC 變頻電源系統人機界面

一、引言

可編程序控制器（PLC）作為中央處理單元由于其運算速度高，指令豐富，功能強大，可靠性高，抗干擾能力強而廣泛應用于各種工業控制場合。但是由于其本身不具備人機交互功能，在工藝參數較多，需要人機交互時，使用具有觸摸操作功能的觸摸屏（Touch Panel Monitor）就是一種很好的選擇。在本套變頻電源系統中，通過觸摸屏和PLC結合使用，可以在觸摸屏中直接設定目標電壓值與目標頻率值，并可實時監控到電源系統實際電流、電壓、頻率的大小，以及具有報警功能。其操作簡單，功能強大，界面友好直觀，在生產應用中取得很好的效果。

二、系統硬件組成與結構原理

本套系統用于變頻空調壓縮機的測試平臺。該測試平臺要求電源輸出電壓可變范圍80～480V，頻率可變范圍20～200Hz，以便對空調壓縮機的工作性能進行全面測試。本套變頻電源系統由變頻器、勵磁單元、異步驅動電機和同步發電機機組、PLC以及人機界面組成。各部分說明如下：

1)變頻器選用ABB公司的ASC600變頻器，該系列具有高可靠性，控制精確，自保護系統優良等特點。變頻器的作用是根據PLC給定的電機速度和編碼盤反饋的實際速度值，通過一定參數的PID調節對異步驅動電機的轉速進行實時控制，使電動機運行在給定的轉速，從而使與電動機同軸聯結的同步發電機輸出的電壓為給定的頻率。

2)勵磁單元采用ABB公司的直流電源DCS500。該裝置采用可控硅整流，具有良好的電流調節性能和保護功能。選擇外部控制后，可根據PLC的給定值直接控制電流，以起到調節同步電動機勵磁電流的大小，進而控制同步發電機的端電壓大小的作用。

3)異步電動機與同步發電機同軸連接，通過變頻器控制電動機的轉速可以準確控制發電機輸出電流的頻率大小，而同步發電機輸出電壓幅值E與磁通Φ有關，因此調節勵磁單元所提供的勵磁電流即可以控制發電機輸出電壓的幅值。最終達到電壓、頻率分別可調，波形為正弦波。

4) PLC作為控制單元，是整個系統的控制核心。選用OMRON公司的CPM2A。一是輸出給變頻器轉速信號，控制電機轉速；二是按照一定的控制策略給出勵磁單元的控制信號，實現同步發電機輸出電壓可調。從而實現整個變頻電源輸出頻率、幅值的連續可調。同時，與觸摸屏進行實時通訊，為觸摸屏的顯示提供數據，并對于觸摸屏輸入的信息進行處理等。

5) 觸摸屏采用OMRON公司NT31C。觸摸屏實現了電流、電壓、頻率的實時顯示，電壓、頻率目標值的設定以及產生報警信息等。

系統硬件結構如圖1所示：

圖1 變頻電源系統硬件結構

三、觸摸屏特點功能

觸摸屏監控器（簡稱PT）是90年代出現的新型可編程終端，是新一代高科技人機界面產品。適于在惡劣的工業環境中應用，可代替普通或工控計算機作為人機界面，具有交互性好，可靠性高，編程簡單，與PLC聯結簡便等特點。PT的主要功能有[1]：

1）PT主要用于實時顯示設備或系統在操作狀態方面的實時信息。
2）觸摸屏上的觸摸按鈕可產生相應的開關信號，或輸入數值、字符給PLC進行數據交換，從而產生相應的動作控制系統或設備的運行。
3）可多幅畫面重疊或切換顯示，顯示圖形、字符串、報警信息、歷史記錄、趨勢圖等。

四、PLC在勵磁調節中的作用

與電力系統的同步電機勵磁調節器不同，此設備作為變頻電源給獨立的負載供電，而不是無窮大電網。故在勵磁調節中，減少了很多故障發生的可能性，但同時又有電壓、頻率調節范圍寬、調節精度高和一定的動態響應要求。由于頻率調節范圍要求在20－200Hz，電壓調節范圍在80－480V，投切負載頻繁，這些都加大了對勵磁調節器的要求。對本系統而言，同步發電機的動態過程主要有電壓變化、頻率變化、突加負載、突甩負載、脈沖干擾等等。怎樣保證在各種各樣的運行狀態下都能靈活、準確地應用各種合適的控制策略，使得同步機能正常工作，同時具有良好的響應速度是本系統實現的關鍵所在。下面就其中最重要的電壓調節和頻率調節這兩個動態過程作定性的分析。

電壓調節：在頻率保持不變的情況下，當給定電壓變化∆V時，調節器通過調節勵磁電流輸出，從而改變磁通Φm，使勵磁電動勢E0重新平衡電樞反應電勢，同時補償由于定子電流變化而產生的電壓變動。

頻率調節：當需要頻率調節時，PLC控制變頻器對原動機進行速度調節，使原動機運行在給定速度。同時由于頻率的變化，在不飽和的情況下造成勵磁電動勢及電機內部參數xd、xq的明顯變化，設頻率增加∆ω，則E0隨之增大，電機參數xd、xq也將增大，端電壓將隨之變化，為保持端電壓不變，則又要調節勵磁電流改變磁通Φm 以達到新的平衡點。

鑒于本系統的調節要求，調節器采用被調電壓偏差負反饋原理的閉環控制系統。針對頻率、電壓調節的特性以及高頻、低頻、高壓、低壓過程中采用分段控制，采用變參數調節以達到系統的最優性能。

程序流程圖如圖2所示：

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圖2 系統程序流圖

五、觸摸屏畫面設計

下面介紹本套變頻電源系統中觸摸屏的應用。觸摸屏畫面由支持軟件進行設計，然后從支持工具（個人電腦）中下載到PT即可使用。支持工具與PT之間的連接電纜見圖3所示。觸摸屏與PLC之間通過RS232通信電纜以HOST LINK（主從連接）方式進行連接，PT與PLC之間的電纜連接方式見圖3。由PLC對PT狀態控制區和通知區進行讀寫達到兩者之間的信息交互。PLC讀PT狀態通知區中的數據，得到當前畫面號，而通過寫PT狀態控制區的數據，強制切換畫面。

圖3 觸摸屏與支持工具、PLC之間的連接電纜

5.1歡迎頁面的設計

在支持工具上，創建一個歡迎頁面，整個頁面為一個透明的觸摸按鈕，其功能為切換畫面，當點擊頁面任一部分時即進入參數顯示頁面。當外界無動作時，由PLC編程實現30秒后，改寫狀態控制區中的數據，將參數顯示頁面載入。在歡迎頁面上的觸摸按鈕上可放置文本，對系統進行說明與標注等。

5.2參數顯示頁面的設計

在這套系統中，用戶需要觀察的量為輸出三相電流，電壓以及頻率的大小。因此，設置三組數字顯示區，分別顯示電壓、電流與頻率值，在數字內存表中占據相應的存貯空間，同時，通過數字內存表的地址與PLC數字存儲區的位置對應起來。系統啟動后，由傳感器、編碼盤等將電壓、電流與頻率信號送入PLC進行處理，因PLC數字存儲區的地址與PT內存表相關聯，此時，PT就可以實時顯示這三組數據。數據的精度與位數根據實際情況在PT的數字內存表的屬性中設置。

5.3參數設置頁面的設計

用戶需要設定的量為電壓，頻率的目標值，這是利用撥碼開關型數字設定輸入區達到這一目的的。用戶可直接在撥碼開關上進行增減操作以得到需要的目標值。在撥碼開關上設定之后，點擊“確定”按鈕，該數值送入

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PLC目標值保存單元，點擊“取消”按鈕，則維持原數值不變。數值的位數、精度以及該數值在PLC內存單元中的地址都是在撥碼開關的屬性中設置的。見圖4所示。

圖4 參數設置頁面

在調節過程中，頻率和電壓要符合一定的關系，因此頻率電壓均不能無限制增大，同時兩者應有互鎖功能。兩者具體關系是根據異步電機頻率與電壓的關系以及同步機勵磁與電壓的關系確定的，見圖5，系統工作在陰影所示工作區中。而互鎖則是在PLC編程中實現的。

圖5 系統工作區域

5.4報警信息頁面的設計

根據實際可能出現的電機過溫（由電機內置的溫度傳感器檢測報告）、過流和系統急停這三種故障設定報警頁面。報警頁面是由一些PT元件庫中的標準燈來組成。當PLC檢測到有報警信息時，PT控制區內的數據相應改變，強制切換到報警頁面，每個標準燈都與PLC中表示報警有無的一個位相對應，這樣，根據每個燈的開與關狀態就能具體確定是哪里的故障，從而采取相應的措施。

5.5幫助頁面的設計

考慮到工業現場的需要，在頁面設計時，增加了大量幫助頁面，包括PT的維護，系統的使用，參數的設置等。

六、總結

本套電源系統中，需要在線更新的量為電壓與頻率的設定值，采用觸摸屏作為人機交互工具，簡單直觀，便于操作。但在實際使用中還是有一些限制的，如PLC與觸摸屏之間距離不能過大，觸摸屏本身比較貴等。PLC作為中央處理單元，兩者在變頻電源系統中結合使用，實現了該系統的變頻調壓作用，輸出波形為理想正弦波，具有調節范圍廣的特點，在實際使用中取得良好的效果。