基于HMI与PLC的变频调速系统的设计

摘 要：介绍了触摸屏在交流变频调速系统的应用与发展，阐述了应用于实验室教学活动中的触摸屏在可编程控制器(PLC)控制变频器完成多段速和无级调速两种速度控制模式中的应用。实际运行证明，该系统成本低，运行可靠，柔性强，响应速度快，安全性较高，对学生掌握工控中简单系统的建立有着很好的启发作用，具有很好的教学效果。

关键词：PLC;HMI;变频器;无级调速;多段调速

中图分类号：TP23文献标识码：B文章编号：1004373X(2008)1910502

Frequency Conversion Speed Regulation System Based on HMI and PLC

LI Shiwei1,2,ZHENG Ping2,SHAO Zihui2,LIU Jun2,REN Fang2,REN Fengjuan2

(1.North University of China,Taiyuan,030051,China;2.School of Electrical & Information Engineering,Xihua University,Chengdu,610039,China)

Abstract：Application and development of touch screen in speed regulation system,HMI application in two speeding- control model,multi-speeding operation and step-less speeding operation with PLC controlling inverter are elaborated,which system is used in laboratory education.It is proved by real running that this system has low cost,good degree of reliability,soft quality,quickly response and high security.It has good enlightened effect for students to know how to build a simple system in industrial control,and reaches good teaching effect.

Keywords：PLC;HMI;inverter;step-less speed operation;multi-speed operation

收稿日期：20080320

基金项目：四川省精品课程建设项目《可编程控制器原理及应用》(项目编号XHJP060102)

随着国内自动化技术方面的发展,人机界面HMI产品越来越受到人们的关注。人机界面能够取代传统的控制面板功能,从而达到节省PLC的I/O模组、按钮开关、数字设定、指示灯等的目的，触摸屏监控平台作为交流变频调速系统的人机交互界面，在未来的工业领域将会不断得到普及，特别是随着可编程控制器在工业控制中占据越来越重要的位置，以及工业现场对设备小型化，易操作化的要求的不断提升，触摸屏技术的应用前景将越来越受到重视。本文提出了一种基于HMI和PLC的调速系统的设计方法，经验证，控制效果良好。

1 系统组成与连接

1.1 系统组成

本系统主要包括以下三个模块：人机交互模块、可编程控制模块、变频器调节模块。

1.1.1 人机交互模块

此模块建立的主要工作包括触摸屏的选择，上位机交互界面设计、触摸屏与PC的通信及触摸屏与PLC的通信设计。此处使用的是三菱F940GOT-LWD-C型触摸屏。

1.1.2 可编程控制模块

该模块作为系统控制核心，是触摸屏指令的执行中枢和变频器的指令触发机构。此处使用的是日本三菱微型可编程控制器MELSEC-F的FX2N系列中FX2N-32MR型可编程控制器。

1.1.3 变频器调节模块

此模块为控制执行模块的前端，连接电机以实现对电机的多段调速和无级调速控制。系统连接框图如图1所示。

1.2 系统的连接

1.2.1 触摸屏与PLC之间的连接与通信

触摸屏的电源由PLC提供，为24 V DC的直流电源，PLC的COM端接触摸屏的“24 V负”，PLC的“24 V正”接触摸屏的“24 V正”，触摸屏同时也要接地；PC与触摸屏的通信通过RS 232C通信电缆通过串口通信的方式实现，连接完成后将电脑上制作好的用户画面传至触摸屏，完成PC与触摸屏的通信；PC与PLC通信通过一条SC-90电缆线实现，连接完成后再将PC机上编制好的梯形图程序下载至PLC。触摸屏与PLC的通信是通过FX-50DU-CABO型连接用电缆来实现。

1.2.2 PLC与变频器的连接

通过PLC对变频器的控制，实现电机的两种控制模式，即多段调速及无级调速。如图2所示，FX2N-32MR的Y001～Y004作为控制输出端，直接与变频器的多功能输入端连接，实现多段调速控制，通过RS 485通信直接将调速指令发给变频器完成无级调速［2］。

2 软件设计

2.1 触摸屏软件设计

触摸屏人机交互界面的开发平台，采用三菱公司的FX-PCS-DU-WIN-C编程软件，该软件类似于组态软件，不用编制程序，只须将相关元件拖到预先定义的画面上，根据需要设置相关参数、合理配置地址即可完成操作。FX-PCS-DU-WIN-C编程软件的运行环境一般是在计算机上，因此，利用触摸屏自带的RS 232接口与PC机RS 232串型接口通信，可以将设计完成后的人机交互界面下载到触摸屏。触摸屏上电后(使用24 V电源，可由PLC直接供给)直接进入所设计的画面，操作人员可以根据需要直接通过人机交互的方式，对下位机PLC进行控制和监视［6］。交互界面如图3所示。

其中，对于多段调速界面，此处设置了七种转速选择触摸键位，正反转各一个触摸键位，启动停止各一个键位；无级调速界面中，为了便于理解，给出系统框图，设置了正反转触摸键位各一个，输入频率框和输出频率框各一个，写入和读取控制按键各一个。当输入频率写入输入框后，需要按动写入按键，将频率写入PLC,通过PLC发送到变频器进行控制。按动读取键位时，变频器的实时运行频率显示在输出频率框内。

2.2 PLC软件设计

PLC软件设计主要包括两大部分，即：PLC与触摸屏的通信程序设计，通过在FX-PCS-DU-WIN-C软件中建立触摸键与PLC继电器的通道连接既可完成,即在设计触摸屏界面时编制完毕；PLC与变频器的通信程序设计，通过控制PLC输出寄存器的高低电平，来设置变频器RH、RM、RL的控制组合方式，通过对输出电平的控制实现对电机的多段速调速输出,程序流程如图5所示；在无级调速中，PLC响应触摸屏的按键动作，按照与触摸屏的通道设置，通过RS 485通讯模式从变频器读取数据和向变频器写入数据来改变变频器的运行频率，从而控制电机的转速，以达到对电机实现无级调速的目的。程序流程如图6所示。

3 结 语

基于 HMI和PLC的变频调速系统,使操作过程更为简便,实现了控制过程的智能化与可视化，提高了系统的可靠性，优化了PLC 控制系统的实时操作性能,达到了节省 PLC的 I/O模组、按钮开关、数字设定、指示灯等的目的，为现场操作人员对运行过程的实时监控和维护带来了方便。 同时，本系统作为实验室试验系统的子系统之一，将理论与实际相结合，对学生掌握相关理论，提高动手能力，有着很好的指导意义和现实意义，提高了学生的感性认识和理性思维，并在实际应用中得到了较好的反馈。

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作者简介 李世伟 男，1980年出生，硕士，助教，西华大学电气信息学院2005级研究生。主要研究方向为网络控制技术。

郑 萍 女，1957年出生，本科，教授。主要研究方向为网络控制技术。