电气控制与PLC应用技术项目式教程 三菱机型 教学课件 晏华成 模块六 PLC、触摸屏及变频器的综合应用

1、在线教务辅导网：在线教务辅导网： 教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网 QQ:349134187 或者直接输入下面地址：或者直接输入下面地址： 项目一项目一触摸屏控制步进电动机的正反转触摸屏控制步进电动机的正反转 触摸屏、变频器、触摸屏、变频器、PLCPLC在恒压供水系统中的应用在恒压供水系统中的应用 项目二项目二 项目一项目一 触摸屏控制步进电动机的正反转触摸屏控制步进电动机的正反转 一一 任务导入任务导入 用触摸屏设计一个三相步进电动机的控制系统，控制要求如下：用触摸屏设计一个三相步进电动机的控制系统，控制要求如下： （1）三相步进电动机按照

2、三相六拍的方式运行，可以在触摸屏）三相步进电动机按照三相六拍的方式运行，可以在触摸屏 上输入任意每步的时间间隔；上输入任意每步的时间间隔； （2）触摸屏上能控制步进电动机的正转、反转和停止；）触摸屏上能控制步进电动机的正转、反转和停止； （3）触摸屏上能够显示正转、反转的步数，无论是哪个方向，）触摸屏上能够显示正转、反转的步数，无论是哪个方向， 当步数是当步数是1000时都要停机；时都要停机； （4）触摸屏上要显示步进电动机每一相的状态。）触摸屏上要显示步进电动机每一相的状态。 步进电动机如何实现正反转控制呢？触摸屏又是如何控制步进步进电动机如何实现正反转控制呢？触摸屏又是如何控制步进 电动机

3、运行并将步进电动机的运行状态显示出来呢？电动机运行并将步进电动机的运行状态显示出来呢？ 二二 相关知识相关知识 学习情境学习情境1 1 步进电动机控制原理分析步进电动机控制原理分析 步进电动机是一种专门用于位置和速度精确控制的特种电动步进电动机是一种专门用于位置和速度精确控制的特种电动 机，由于其工作原理易学易用，成本低、电动机和驱动器不机，由于其工作原理易学易用，成本低、电动机和驱动器不 易损坏，近年来在各行各业的控制设备中获得了越来越广泛易损坏，近年来在各行各业的控制设备中获得了越来越广泛 的应用，图的应用，图6-1为步进电动机外形图。为步进电动机外形图。 图图6-1步进电动机外形图步进电

4、动机外形图 1、步进电动机的工作方式。本项目以三相步进电机、步进电动机的工作方式。本项目以三相步进电机 来说明其工作方式。步进电动机工作时以电脉冲信号向来说明其工作方式。步进电动机工作时以电脉冲信号向A、 B、C三相控制绕组轮流通过电流，转子就向一个方向一步三相控制绕组轮流通过电流，转子就向一个方向一步 一步地转动。定子绕组每改变一次通电方式，步进电动机就一步地转动。定子绕组每改变一次通电方式，步进电动机就 走一步，称其为一拍。如果每拍只有一相绕组通电，称为走一步，称其为一拍。如果每拍只有一相绕组通电，称为 “单单”通电；如果每拍同时有两相绕组通电，称为通电；如果每拍同时有两相绕组通电，称为“

5、双双”通通 电。电。 2、转速控制。以单三拍的工作方式为例，必须使脉、转速控制。以单三拍的工作方式为例，必须使脉 冲发生器输出周期为冲发生器输出周期为T的三个控制脉冲信号的三个控制脉冲信号Y0、Y1、Y2按照单按照单 三拍的通电方式接通，其接通顺序如图三拍的通电方式接通，其接通顺序如图6-2所示：所示： 图图6-2 三个控制脉冲信号的接通顺序三个控制脉冲信号的接通顺序 该过程对应于三相步进电机的通电顺序如图该过程对应于三相步进电机的通电顺序如图6-3所示：所示： 图图6-3 三相步进电动机的通电顺序三相步进电动机的通电顺序 选择不同的脉冲周期选择不同的脉冲周期T，可以获得不同频率的控制脉冲，可

6、以获得不同频率的控制脉冲， 实现对步进电动机的调速。实现对步进电动机的调速。 3、正反转控制。通过调换相序，即改变、正反转控制。通过调换相序，即改变Y0、Y1和和Y2接接 通的顺序，以实现步进电动机的正、反转控制，如图通的顺序，以实现步进电动机的正、反转控制，如图6-4所示。所示。 图图6-4 三相步进电机正反转控制三相步进电机正反转控制 4、步数控制。通过脉冲计数器，控制脉冲的个数，实现对、步数控制。通过脉冲计数器，控制脉冲的个数，实现对 步进电动机步数的控制。步进电动机步数的控制。 学习情境学习情境2 2 触摸屏概述触摸屏概述 人机界面人机界面HMI（Human Machine Inter

7、face）是系统与用）是系统与用 户之间进行信息交互的媒介。近年来，随着信息技术与计算户之间进行信息交互的媒介。近年来，随着信息技术与计算 机技术的迅速发展，人机界面在工业控制中已得到了广泛的机技术的迅速发展，人机界面在工业控制中已得到了广泛的 应用。触摸屏是图式操作终端（应用。触摸屏是图式操作终端（Graph Operation Terminal， GOT）在工业控制中的通俗叫法，是目前最新的一种交互式）在工业控制中的通俗叫法，是目前最新的一种交互式 图视化人机界面设备。图视化人机界面设备。 图图6-5所示是触摸屏的外观，由于这种液晶显示器具有人所示是触摸屏的外观，由于这种液晶显示器具有人

8、体感应功能，当用手指触摸屏幕上的图形时，可以发出操作体感应功能，当用手指触摸屏幕上的图形时，可以发出操作 指令，所以称为触摸屏。当触摸的画面不同或触摸画面的部指令，所以称为触摸屏。当触摸的画面不同或触摸画面的部 位不同时，发出的指令也不一样。位不同时，发出的指令也不一样。 图图6-5 触摸屏外观触摸屏外观 按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，把触摸屏分按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，把触摸屏分 为电阻式、电容感应式、红外线式以及表面声波式四类。为电阻式、电容感应式、红外线式以及表面声波式四类。 三菱公司生产的触摸屏有三菱公司生产的触摸屏有F900系列、系列、A900系列、系列、GT11

9、和和 GT15系列，种类达数十种，而系列，种类达数十种，而GT11和和F900系列触摸屏是目前系列触摸屏是目前 应用最广泛的，现以应用最广泛的，现以GT11系列的典型产品系列的典型产品GT1155-Q-C为例来为例来 说触摸屏的使用。说触摸屏的使用。 1、GT1155-Q-C的功能的功能 触摸屏安装在控制面板或操作面板的表面上并连接到触摸屏安装在控制面板或操作面板的表面上并连接到PLC。 通过触摸屏画面可以监视各种设备并改变通过触摸屏画面可以监视各种设备并改变PLC数据。触摸屏画数据。触摸屏画 面主要有以下几个常用的功能：面主要有以下几个常用的功能： 1) 画面显示功能。画面显示功能。GT11

10、55-Q-C的画面分为系统画面和用的画面分为系统画面和用 户画面。图户画面。图6-6为系统主菜单画面，同时按下为系统主菜单画面，同时按下GOT画面的左右上画面的左右上 方方 两点，可实现系统画面与用户画面的切换。正常工作时，系两点，可实现系统画面与用户画面的切换。正常工作时，系 统上电后，屏幕显示用户画面。统上电后，屏幕显示用户画面。 图图6-6 系统主菜单画面系统主菜单画面 2)画面操作功能。画面操作功能。3)检测监视功能。检测监视功能。4)数据采样功能。数据采样功能。5)报报 警功能。警功能。6)其他功能。其他功能。 2、GOT与计算机、与计算机、PLC的连接的连接 GT1155-Q-C有

11、三个连接口：一个有三个连接口：一个RS232.连接口，用于与个人连接口，用于与个人 计算机计算机(GT Designer2，用于传送用户画面，用于传送用户画面) 或连接机器通信；一或连接机器通信；一 个个RS422连接口，用于与连接机器通信；一个连接口，用于与连接机器通信；一个USB串口，用于与串口，用于与 个人计算机个人计算机(GT Designer2)通信，可实现画面的高速传送。通信，可实现画面的高速传送。 学习情境学习情境3 3 触摸屏画面制作软件的使用触摸屏画面制作软件的使用 三菱触摸屏的用户画面制作软件有三菱触摸屏的用户画面制作软件有FX-PCS-DU/WIN-C和和GT- Desi

12、gner等，前者主要用于制作等，前者主要用于制作F900系列触摸屏的画面，后者系列触摸屏的画面，后者 用于高档触摸屏（如用于高档触摸屏（如A900系列、系列、GT11系列、系列、GT15系列）画面系列）画面 的制作，也可用于的制作，也可用于F900系列触摸屏。系列触摸屏。 这里主要介绍这里主要介绍GT- Designer2软件的使用。软件的使用。 1、新建工程、新建工程 图图6-7 新建新建/打开工程画面打开工程画面 6-8 新建工程向导画面新建工程向导画面 图图6-9 GOT系统设置画面系统设置画面 图图6-10 GOT系统确认画面系统确认画面 图图6-11 选择连接机器画面选择连接机器画面

13、 图图6-12 连接机器端口设置画面连接机器端口设置画面 图图6-13 通信驱动程序选择画面通信驱动程序选择画面 图图6-14 连接机器设置确认画面连接机器设置确认画面 图图6-15 画面切换软元件设置画面画面切换软元件设置画面 图图6-16 向导结束画面向导结束画面 图图6-17 软件开发界面软件开发界面 2、软件界面、软件界面 3、对象功能设置、对象功能设置 三、项目实施三、项目实施 1、PLC和触摸屏软元件分配和触摸屏软元件分配 M1正转起动，正转起动，M2反转起动，反转起动，M0停止，间隔时间停止，间隔时间 D70，正转步数，正转步数D50，反转步数，反转步数D51，A相相Y0，B相相

14、 Y1，C相相Y2。 2、触摸屏画面设计、触摸屏画面设计 (1)文本对象。单击图形文本对象。单击图形/对象工具栏中对象工具栏中 按钮，弹出如图按钮，弹出如图6-18 所示的文本设置窗口。所示的文本设置窗口。 图图6-18 文本设置窗口文本设置窗口 （2）数值输入。间隔时间设置需要用数值输入对象来实现。单）数值输入。间隔时间设置需要用数值输入对象来实现。单 击单击图形击单击图形/对象工具栏中按钮对象工具栏中按钮 ，弹出如图，弹出如图6-19所示的所示的 数值输入窗口。数值输入窗口。 图图6-19 数值输入设置窗口数值输入设置窗口 （3）数值显示。正转步数、反转步数显示需要用数值显示对象）数值显示

15、。正转步数、反转步数显示需要用数值显示对象 来实现。正转步数显示的设置如下：单击单击图形来实现。正转步数显示的设置如下：单击单击图形/对象对象 工具栏中按钮工具栏中按钮 ，弹出如图，弹出如图6-20所示的数值显示窗口。所示的数值显示窗口。 图图6-20 数值显示设置窗口数值显示设置窗口 （4）触摸开关。正转起动、反转起动、停止需要用触摸开关对）触摸开关。正转起动、反转起动、停止需要用触摸开关对 象来实现。以正转起动按钮为例，先单击单击图形象来实现。以正转起动按钮为例，先单击单击图形/对象工对象工 具栏中具栏中 按钮中位开关，弹出如图按钮中位开关，弹出如图6-21所示的位开关窗口。所示的位开关窗

16、口。 图图6-21 触摸开关的设置触摸开关的设置1 图图6-22 触摸开关的设置触摸开关的设置2 图图6-23 触摸开关的设置触摸开关的设置3 （5）位指示灯。步进电动机每一相的状态要在触摸屏上显示出）位指示灯。步进电动机每一相的状态要在触摸屏上显示出 来，这需要用位指示灯对象来实现，先单击单击图形来，这需要用位指示灯对象来实现，先单击单击图形/对象工具对象工具 栏中栏中 按钮，弹出如图按钮，弹出如图6-24所示的指示灯显示设置窗口。所示的指示灯显示设置窗口。 图图6-24 位指示灯设置位指示灯设置1 图图6-25 位指示灯设置位指示灯设置2 （6）触摸屏画面。根据上述操作设计的步进电动机正反

17、转控制）触摸屏画面。根据上述操作设计的步进电动机正反转控制 的触摸屏画面如图的触摸屏画面如图6-26所示。所示。 图图6-26 触摸屏画面触摸屏画面 3、程序设计、程序设计 根据控制要求、触摸屏与根据控制要求、触摸屏与PLC的输入输出分配以及触摸屏的画的输入输出分配以及触摸屏的画 面，面，PLC的控制程序如图的控制程序如图6-27所示。所示。 利用利用DECO解码指令将解码指令将D0中的数值解码到中的数值解码到M10M15（六拍），（六拍）， 利用利用M10M15触点控制相应的输出继电器（触点控制相应的输出继电器（Y0Y2），它们之），它们之 间的关系如下：间的关系如下： M10M11M12M

18、13M14M15 正序脉冲：正序脉冲： AABBBCCCA 反序脉冲：反序脉冲： CACBCBABA 图图6-27 步进电动机正反转控制程序步进电动机正反转控制程序 3. 3.系统调试系统调试 四、知识拓展四、知识拓展 在工业应用中，一个步进电机控制系统通常由控制器、步进在工业应用中，一个步进电机控制系统通常由控制器、步进 电机驱动器和步进电机三部分组成。控制器可以是电机驱动器和步进电机三部分组成。控制器可以是PLC、单、单 片机和定位模块，其主要作用是产生脉冲和方向信号。片机和定位模块，其主要作用是产生脉冲和方向信号。 FX2N系列系列PLC（晶体管输出型）可通过特定的输出口（晶体管输出型）

19、可通过特定的输出口 （Y000、Y001）输出指定频率及数量的脉冲串。步进电机）输出指定频率及数量的脉冲串。步进电机 驱动器的主要作用是将接收到的脉冲信号依一定的规律分配驱动器的主要作用是将接收到的脉冲信号依一定的规律分配 给电动机的各个绕组和将脉冲信号进行功率放大，从而控制给电动机的各个绕组和将脉冲信号进行功率放大，从而控制 每一相的绕组是否得电。每一相的绕组是否得电。 （一）（一） 脉冲输出指令脉冲输出指令PLSYPLSY 脉冲输出指令脉冲输出指令PLSY的助记符、操作数等指令属性如表的助记符、操作数等指令属性如表6-1所所 示。示。 表表6-1 PLSY指令的属性指令的属性 取反传送指令

20、的表现形式有取反传送指令的表现形式有BMOV、BMOVP，16位指令占位指令占 用用5步，指令占用步，指令占用7步。步。 指令名 称 助记 符 功能 号 操作数 S1.S2.D. 脉冲输 出 PLSY FNC5 7 K、H、KnX、 KnY、KnM、 KnS、T、C、 D、V、Z K、H、KnX、 KnY、KnM、 KnS、T、C、 D、V、Z Y000、Y001 PLSY指令是以指定的频率，产生定量脉冲的指令是以指定的频率，产生定量脉冲的 指令，指令，PLSY指令的使用说明如图指令的使用说明如图6-28所示：所示： 图图6-28 PLSY指令的使用说明指令的使用说明 当当X010为为ON时，

21、执行脉冲输出指令。当时，执行脉冲输出指令。当X010中中 途变为途变为OFF时，脉冲输出中止，当时，脉冲输出中止，当X010再次为再次为ON时，时， 重新从零开始输出。设定脉冲量输出结束时，指令重新从零开始输出。设定脉冲量输出结束时，指令 执行结束标志执行结束标志M8029置置1。 （二）（二） 步进电动机驱动器步进电动机驱动器 步进电动机驱动器是与步进电动机配套使用的一种装置，步进电动机驱动器是与步进电动机配套使用的一种装置， 它是按照控制器发来的脉冲它是按照控制器发来的脉冲/方向指令对步进电动机线圈进行方向指令对步进电动机线圈进行 控制，从而控制电动机转轴的位置和速度。步进电动机驱动控制，

22、从而控制电动机转轴的位置和速度。步进电动机驱动 器接收的外部信号有脉冲信号（器接收的外部信号有脉冲信号（CP，或称，或称PU）和方向信号）和方向信号 （DIR），另外步进电机在停止时，通常有一相得电，电机），另外步进电机在停止时，通常有一相得电，电机 的转子被锁住，所以当需要转子松开时，应该使用脱机信号的转子被锁住，所以当需要转子松开时，应该使用脱机信号 （FREE，或称，或称EN）。图）。图6-29为步进电动机驱动器外形，图为步进电动机驱动器外形，图6- 30为步进电动机、步进电动机驱动器和为步进电动机、步进电动机驱动器和PLC间的连接图。间的连接图。 图图6-29 步进电动机驱动器外形步进

23、电动机驱动器外形 图图6-30 步进电动机、步进电动机驱动器和步进电动机、步进电动机驱动器和PLC间的连接图间的连接图 （三）（三） 应用案例应用案例 利用利用PLC作为上位机，控制步进电动机按一定的角度旋转。作为上位机，控制步进电动机按一定的角度旋转。 控制要求为：按下起动按钮，步进电动机顺时针转控制要求为：按下起动按钮，步进电动机顺时针转2周，停周，停5s； 逆时针转逆时针转1周，停周，停2s；如此循环进行，按下停止按钮，电动机；如此循环进行，按下停止按钮，电动机 马上停止（电动机的轴锁住）。按下脱机按钮，电动机的轴马上停止（电动机的轴锁住）。按下脱机按钮，电动机的轴 松开。松开。PLC控

24、制程序如图控制程序如图6-31所示。所示。 图图6-31 PLC控制程序控制程序 项目二项目二 触摸屏、变频器、触摸屏、变频器、PLCPLC在恒压供水系统在恒压供水系统 中的应用中的应用 一一 任务导入任务导入 设计一设计一PID控制的恒压供水系统。其控制要求如下：控制的恒压供水系统。其控制要求如下： （1）共有两台水泵，按设计要求一台运行，一台备用，自动运）共有两台水泵，按设计要求一台运行，一台备用，自动运 行时泵运行累计行时泵运行累计100h轮换一次，手动时不切换；轮换一次，手动时不切换； （2）两台水泵分别由）两台水泵分别由M1、M2电动机拖动，电动机同步转速为电动机拖动，电动机同步转速

25、为 3000转转/min，由，由KM1、KM2控制；控制； （3）切换后起动和停电后起动须）切换后起动和停电后起动须5s报警，运行异常可自动切换报警，运行异常可自动切换 到备用泵，并报警；到备用泵，并报警； （4）PLC采用的采用的PID调节指令；调节指令； （5）变频器（使用三菱）变频器（使用三菱FR-A740）采用）采用PLC的特殊功能单元的特殊功能单元 FX0N-3A的模拟输出，调节电动机的转速；的模拟输出，调节电动机的转速； （6）水压在）水压在010kg可调，通过触摸屏（使用三菱可调，通过触摸屏（使用三菱GT1155-Q-C） 输入调节；输入调节； （7）触摸屏可以显示设定水压、实际

26、水压、水泵的运行时间、）触摸屏可以显示设定水压、实际水压、水泵的运行时间、 转速、报警信号等；转速、报警信号等； （8）变频器的其余参数自行设定。）变频器的其余参数自行设定。 从上述的控制要求可知，该恒压供水系统是通过压力传感器采从上述的控制要求可知，该恒压供水系统是通过压力传感器采 集管网的压力，经集管网的压力，经A/D处理后转换为数字量送给处理后转换为数字量送给PLC，经，经PLC的的 PID运算后送给运算后送给D/A处理模块，最后用处理模块，最后用D/A处理后的模拟信号来处理后的模拟信号来 控制变频器的频率，进而控制电动机的转速，实现管网的压力控制变频器的频率，进而控制电动机的转速，实现

27、管网的压力 恒定？恒定？PLC的的PID控制是如何实现的？控制是如何实现的？PLC又是如何来控制变频又是如何来控制变频 器的呢？器的呢？ 二、相关知识二、相关知识 学习情境学习情境1 PID控制概述控制概述 自动控制系统由被控对象及控制器两部分组成。自动控制系统由被控对象及控制器两部分组成。 控制器按实际需要以某种规律向被控对象发出控制控制器按实际需要以某种规律向被控对象发出控制 信号，以达到预期的控制目的。控制器是对偏差信信号，以达到预期的控制目的。控制器是对偏差信 号进行加工、处理的重要环节，其输出信号随偏差号进行加工、处理的重要环节，其输出信号随偏差 信号的变化而变化的规律称为控制规律。

28、信号的变化而变化的规律称为控制规律。 PID控制由三种基本的控制作用组合而成，这三控制由三种基本的控制作用组合而成，这三 种基本控制作用分别为比例控制（种基本控制作用分别为比例控制（P）、积分控制）、积分控制 （I）和微分控制（）和微分控制（D），是利用），是利用PI控制和控制和PD控制的控制的 优点组合而成的。优点组合而成的。 图图6-32 PI控制控制 图图6-33 PD控制控制 图图6-34 负作用控制过程负作用控制过程 图图6-35 正作用控制过程正作用控制过程 学习情境学习情境2 PLC2 PLC的的PIDPID指令指令 PID指令的助记符、操作数等指令属性如表指令的助记符、操作数等

29、指令属性如表6-2所示。所示。 表表6-2 PID指令的属性指令的属性 PID指令是将当前过程值指令是将当前过程值S2.与设定值与设定值S1.之差进之差进 行行PID运算，得到当前输出控制值，并将送到目标运算，得到当前输出控制值，并将送到目标D. 中，中， PID指令的使用说明如图指令的使用说明如图6-36所示。所示。 指令名 称 助记符功能号 操作数 S1.S2.S3.D. PID运 算 PIDFNC88D0D7975 图图6-36 PID指令的使用说明指令的使用说明 学习情境学习情境3 3 变频器的操作模式变频器的操作模式 所谓变频器的操作模式是指输入变频器的启停指令及设定频所谓变频器的操

30、作模式是指输入变频器的启停指令及设定频 率的方法。三菱率的方法。三菱FR-A740变频器的操作模式有以下几种：变频器的操作模式有以下几种： 1、PU操作操作 变频器的变频器的PU操作就是在操作就是在PU操作模式下，通过操作模式下，通过PU单元对变频单元对变频 器进行的参数设定、频率写入、运行控制等一系列的操作。器进行的参数设定、频率写入、运行控制等一系列的操作。 在在PU模式时，需将模式时，需将Pr79设定为设定为1（ Pr79=1）。）。 2、EXT运行操作运行操作 变频器的变频器的EXT运行操作（即外部操作）就是利用变频器的外运行操作（即外部操作）就是利用变频器的外 部端子上的输入信号来控

31、制变频器的启停和运行频率的操作。部端子上的输入信号来控制变频器的启停和运行频率的操作。 在在EXT运行操作模式时，需将运行操作模式时，需将Pr79设定为设定为2（ Pr79=2）。）。 3、变频器的组合操作、变频器的组合操作 变频器的组合操作就是通过变频器的组合操作就是通过PU单元和外部端子上的输入信号单元和外部端子上的输入信号 来共同控制变频器的启停和运行频率的操作。来共同控制变频器的启停和运行频率的操作。 三、项目实施三、项目实施 1、I/O分配分配 （1）触摸屏输入，）触摸屏输入，M500：自动起动；：自动起动；M100：手动：手动1号泵；号泵； M101：手动：手动2号泵；号泵；M102：停止；：停止；M103：运行时间复位；：运行时间复位； M104：清除报警；：清除报警；D500：水压设定。：水压设定。 （2）触摸屏输出，）触摸屏输出，Y0：1号泵运行指示；号泵运行指示；Y1：2号泵运行指号泵运行指 示，示，T20：1号泵故障；号泵故障；T21：2号泵故障；号泵故障；D101：当前水压；：当前水压； D502：泵累计运行的时