CN220272013U - 基于plc和hmi的多变频器多模式实训系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统，包括：PLC主控系统，包括PLC控制器和HMI模块；多个变频器，均与PLC控制器通讯连接；多个电机，分别与多个变频器连接；其中，PLC控制器具有控制变频器的多种控制模式，HMI模块用于输入指令和显示数据。区别于常规的采用单变频器或单一控制模式的实训装置，本基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统针对多台变频器应用的实际情况而搭建，可适应真实工况，具有多种指令写入方式并可自由切换控制模式，可控制多个变频器，使实训者或学习者在更接近真实的环境中尽快掌握实操技能。

Description

基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统

技术领域

本实用新型涉及教学演示用具技术领域，具体涉及一种基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统。

背景技术

PLC是一种专门为工业环境应用而设计的可编程逻辑控制系统，它采用一种可编程的电子存储器件，可在其内部存储并执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和基础的算术运算等操作指令，通过数字量、模拟量或者通讯的方式来控制各种类型的机械设备动作或实现运动过程的控制。

目前大多数的教学仪器设备厂家为了学生的安全考虑，所生产的PLC与变频器综合实训装置是由多组挂件构成，多数采用集成化箱体的形式，且都是装配好的固化系统。这种实训装置存在的弊端主要是实践训练性较差，学生只能在实训装置规定的安全区域接线或操作，PLC内部程序以及设备的选型也比较固化。学习完成后，学生在实际工作中碰到实际的变频器、实际的编程项目，可能还是不会接线与调试，也不能完全明白程序布局的整体思维，因此传统的实训装置已不能满足广大师生以及实际生产的使用需要。

特别是Modbus总线技术的教学是自动化专业教学的一门重要课程，尤其需要理论和实践相结合，而一套更为接近真实工况的实训装置则能够有效地帮助教学，使学生可以更直观、生动地理解和掌握总线技术，并能有效提高学生的动手操作和现场实物的接线和调试能力，为将来走上工作岗位打下良好基础。

因此，传统的PLC和变频器综合实训平台，存在以下的不足：

1、对单一变频器或少量变频器的控制教学过于理想化，在应对实际问题时显得灵活性不够，学生在学习完成后，面对调试多变频器机组时显得似懂非懂；

2、传统的实训平台功能不够全面，控制模式过于单一，不能够系统地涵盖ModbusRTU通讯、模拟量以及数字量控制的典型应用，也不能实时自由切换控制模式；

3、传统平台对硬件连接和编程调试的综合运用结合不够，比如偏重于编程，缺少软硬件整体的系统设计思维、实物线路连接等实操过程；或偏重于有一定限制的实操，缺少真实工况下的软件开发和现场调试等环节，不方便学习者进行系统地学习、掌握PLC的Modbus总线通讯、模拟量数字量控制技术；

4、现有的实训装置不便于学生更加直观地掌握PLC可编程逻辑控制器与变频器的常用知识，且存在学生的学习过程与实际生产脱轨，就业后可能并不能完全胜任实际工作等问题。

因此，研究设计一种与便于学生掌握理论和实际操作知识，且与实际生产相同的PLC变频器综合实训装置是十分必要的。

实用新型内容

本实用新型是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统。

本实用新型提供了一种基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统，具有这样的特征，包括：PLC主控系统，包括PLC控制器和HMI模块；多个变频器，均与PLC控制器通讯连接；多个电机，分别与多个变频器连接；其中，PLC控制器具有控制变频器的多种控制模式，HMI模块用于输入指令和显示数据。

在本实用新型提供的基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统中，还可以具有这样的特征：PLC主控系统还包括箱体、箱门、断路器、中间继电器、路由器、以及接线插座，PLC控制器、断路器、中间继电器以及路由器均设置在箱体内，HMI模块设置在箱门上，接线插座设置在箱体的底部，PLC控制器、断路器、中间继电器、路由器、HMI模块、以及接线插座之间电连接。

在本实用新型提供的基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统中，还可以具有这样的特征：PLC控制器包括CPU、通讯模块、模拟量输入模块、以及模拟量输出模块。

其中，PLC控制器的型号可以为西门子S7-1200，CPU的型号为1214C AC/DC/R，通讯模块的型号为CM 1241，模拟量输入模块的型号为SM 1231AI4，模拟量输出模块的型号为SM1232AQ4。

在本实用新型提供的基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统中，还可以具有这样的特征：HMI模块为触摸屏。

其中，触摸屏的型号可以为西门子KTP900 Basic PN。

在本实用新型提供的基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统中，还可以具有这样的特征：PLC控制器具有RS485端口、AO端口、AI端口、以及DO端口，每个变频器支持ModbusRTU协议且具有RS485端口、AI端口、AO端口、以及DI端口，每个变频器的RS485端口与PLC控制器的RS485端口通讯连接，每个变频器的AI端口与PLC控制器的AO端口通讯连接，每个变频器的AO端口与PLC控制器的AI端口通讯连接，每个变频器的DI端口与PLC控制器的DO端口通讯连接。

在本实用新型提供的基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统中，还可以具有这样的特征：控制模式包括0～10V模拟量+数字量的控制模式、总线通讯控制模式。

在本实用新型提供的基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统中，还可以具有这样的特征，还包括：电源供电系统，用于向PLC主控系统、多个变频器、多个电机供电及对供电提供控制和电气保护。

其中，电源供电系统可包括电源开关箱和分别用于控制各个变频器和各个电机所连电缆的多个电源开关。

实用新型的作用与效果

根据本实用新型所涉及的基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统，包括PLC主控系统、多个变频器、以及多个电机，其中，PLC主控系统包括PLC控制器和HMI模块，多个变频器均与PLC控制器通讯连接，多个电机分别与多个变频器连接，PLC控制器具有控制变频器的多种控制模式，HMI模块用于输入指令和显示数据。区别于常规的采用单变频器或单一控制模式的实训装置，本基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统针对多台变频器应用的实际情况而搭建，可适应真实工况，具有多种指令写入方式并可自由切换控制模式，可控制多个变频器，使实训者或学习者在更接近真实的环境中尽快掌握实操技能。

附图说明

图1是本实用新型实施例中基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统的拓扑结构示意图；

图2是本实用新型实施例中PLC主控系统的结构示意图；

图3是本实用新型实施例中基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统的工作流程；

图4是本实用新型实施例中PLC程序界面的示意图；

图5是本实用新型实施例中HMI模块的主监控界面的示意图；

图6是本实用新型实施例中HMI模块的变频器参数设置和显示界面的示意图。

附图标记说明：

10PLC主控系统；11箱体；12箱门；13PLC控制器；14断路器；15中间继电器；16路由器；17HMI模块；18接线插座；20变频器；30电机；40电源供电系统；41电源开关箱；42电源开关。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本实用新型作具体阐述。

实施例

图1是基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统的拓扑结构示意图。

如图1所示，本实施例提供了一种基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统，包括PLC主控系统10、多个变频器20、多个电机30、以及电源供电系统40。

图2是PLC主控系统10的结构示意图。

如图2所示，PLC主控系统10采用PLC控制箱的形式，主要包括箱体11、箱门12、PLC控制器13、断路器14、中间继电器15、路由器16、HMI模块17、以及接线插座18。其中，PLC控制器13主要包括CPU、通讯模块、模拟量输入模块、以及模拟量输出模块，PLC控制器13、断路器14、中间继电器15以及路由器16均设置在箱体11内，HMI模块17设置在箱门12上，接线插座18设置在箱体11的底部，PLC控制器13、断路器14、中间继电器15、路由器16、HMI模块17、以及接线插座18之间电连接。

在本实施例中，PLC控制器13的型号为西门子S7-1200，CPU的型号为1214C AC/DC/R，通信模块的型号为CM 1241，带有RS422/RS485端口和DB9接线插座，模拟量输入模块的型号为SM 1231AI4(四通道输入)，具有AI端口，模拟量输出模块的型号为SM 1232AQ4(四通道输出)，具有AO端口和DO端口；HMI模块17采用触摸屏，型号为西门子KTP900 Basic PN，带9英寸TFT显示屏，并具有1个PROFINET端口和1个USB端口。

需要说明的是，本实施例的PLC主控系统10仅以西门子S7-1200为例，不局限于此，本领域技术人员可以根据需要选择现有技术中的其他PLC主控系统。

如图1所示，多个变频器20均与PLC主控系统10通讯连接，每个变频器20连接并控制一个电机30。具体地，每个变频器20支持Modbus RTU协议且具有RS485端口、AI端口、AO端口、以及DI端口。每个变频器20的R485端口与PLC主控系统10的RS485端口连接，在本实施例中采用的通讯线缆为RVVSP-2×1.0mm²；每个变频器20的AI端口与PLC主控系统10的一个AO端口连接，在本实施例中采用的通讯线缆为RVVP-3×1.0mm²；每个变频器20的AO端口与PLC主控系统10的一个AI端口连接，在本实施例中采用的通讯线缆为RVVP-3×1.0mm²；每个变频器20的DI端口与PLC主控系统10的一个DO端口连接，在本实施例中采用的通讯线缆为RVV-2×1.0mm2。

电源供电系统40包括电源开关箱41和多个电源开关42，每个电源开关42控制一个变频器20和一个电机30的支路电缆。电源供电系统40可根据实际需求设置AC380V或AC220V交流电源。主断路器14、各分支断路器14可相互配合，对主电缆提供必要的电气保护，如过载保护、过压欠压保护、短路保护等。

图3是基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统的工作流程，图4是PLC程序界面的示意图，图5是HMI模块17的主监控界面的示意图，图6是HMI模块17的变频器20参数设置和显示界面的示意图。

PLC控制器13对变频器20可采用多种控制模式，多种控制模式之间可以通过HMI模块17进行切换。本实施例以两种控制模式为例，分别是0～10V模拟量+数字量的控制模式以及总线通讯控制模式。

如图3所示，当本多变频器多模式实训系统初始化后，首先需要在HMI模块17上选择PLC控制器13对变频器20的控制模式，即指令写入方式，见图5。

如选择了总线通讯控制模式，PLC控制器13将以Modbus RTU协议用通讯的方式给出运行频率和正反转指令。此时需要分别设置变频器1～3的给定频率值和从站地址。需要说明的是，本多变频器多模式实训系统支持通过PLC控制器13的RS485端口最多控制31台变频器。本实施例仅以三台变频器20为例进行说明。

在总线通讯控制模式中，PLC控制器13作为主站，各个变频器20均作为从站。主-从站之间通讯的波特率默认设置为9600b/s，各从站的地址与PLC控制器13的PLC程序中的地址需一一对应，无报警时则通讯建立完成。变频器1～3的给定频率值可以设置为不同数值。设置完成后，在HMI模块17上选择正转或反转运行，则PLC控制器13将通过RS485端口控制各个变频器20以各自设置好的频率运行。此时PLC控制器13将再次通过RS485总线读取到各个变频器20的基础运行参数，包括母线电压、运行频率、设定频率、输出电压、输出电流、输出功率等，并在HMI模块17上显示出来，见图6。为了对变频器20的模拟量输出端口以及PLC控制器13中的模拟量指令进一步熟悉，本实施例中的电机30转速将通过变频器20的AO端口给到PLC控制器13的AI端口，并在HMI模块17上显示，而不以通讯的方式读取。

如选择了0～10V模拟量+数字量的控制模式，PLC控制器13将以0～10V模拟量输出的方式给出运行频率，以数字量输出的方式给出正/反转指令。

此时需要分别设置变频器1～3的频率给定电压值，可以设置为不同数值。设置完成后，在HMI模块17上选择正转或反转运行，则PLC控制器13将通过0～10V模拟量输出端口+数字量端口组合的方式，控制各个变频器20以各自设置好的频率电压正转或反转运行。在此模式下，关于运行参数的读取以Modbus RTU的方式进行。此时PLC控制器13通过RS485总线读取到各个变频器20的基础运行参数，包括母线电压、运行频率、设定频率、输出电压、输出电流、输出功率等，并在HMI模块17上显示出来。同样，为了对变频器20的模拟量输出端口以及PLC控制器13中的模拟量指令进一步熟悉，本实施例中的电机30转速仍然通过变频器20的AO端口给到PLC控制器13的AI端口，并在HMI模块17上显示，而不以通讯的方式读取。

当本多变频器多模式实训系统有故障时，将实时在HMI模块17上显示报警信息。在以上的实训完成后，可在HMI模块17上选择停止，变频机组(包括变频器20和电机30)正常停机，结束整个系统的运行。

此外，需要说明的是，上述两种控制模式均属于现有技术，本申请不包括对程序本身的改进。

实施例的作用与效果

根据本实用新型所涉及的基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统，包括PLC主控系统、多个变频器、以及多个电机，其中，PLC主控系统包括PLC控制器和HMI模块，多个变频器均与PLC控制器通讯连接，多个电机分别与多个变频器连接，PLC控制器具有控制变频器的多种控制模式，HMI模块用于输入指令和显示数据。区别于常规的采用单变频器或单一控制模式的实训装置，本基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统针对多台变频器应用的实际情况而搭建，可适应真实工况，具有多种指令写入方式并可自由切换控制模式，可控制多个变频器，可使实训者或学习者在更接近真实的环境中尽快掌握以下技能：模拟量、数字量在实际变频器、PLC上的接线和调试；西门子PLC主站Modbus RTU指令的编写和调试，变频从站中各通讯地址的识读；西门子S7-1200 PLC主程序以及子程序的编写，FC功能块及DB数据块的使用，模拟量输入输出指令的编写调试；西门子博途软件的熟悉以及HMI画面的编辑、组态及调试。

上述实施方式为本实用新型的优选案例，并不用来限制本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统，其特征在于，包括：

PLC主控系统，包括PLC控制器和HMI模块；

多个变频器，均与所述PLC控制器通讯连接；

多个电机，分别与多个所述变频器连接；

其中，所述PLC控制器具有控制所述变频器的多种控制模式，

所述HMI模块用于输入指令和显示数据。

2.根据权利要求1所述的基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统，其特征在于：

其中，所述PLC主控系统还包括箱体、箱门、断路器、中间继电器、路由器、以及接线插座，

所述PLC控制器、所述断路器、所述中间继电器以及所述路由器均设置在所述箱体内，

所述HMI模块设置在所述箱门上，

所述接线插座设置在所述箱体的底部，

所述PLC控制器、断路器、中间继电器、所述路由器、所述HMI模块、以及所述接线插座之间电连接。

3.根据权利要求1所述的基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统，其特征在于：

其中，所述PLC控制器包括CPU、通讯模块、模拟量输入模块、以及模拟量输出模块。

4.根据权利要求3所述的基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统，其特征在于：

其中，所述PLC控制器的型号为西门子S7-1200，

所述CPU的型号为1214C AC/DC/R，

所述通讯模块的型号为CM 1241，

所述模拟量输入模块的型号为SM 1231AI4，

所述模拟量输出模块的型号为SM 1232AQ4。

5.根据权利要求1所述的基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统，其特征在于：

其中，所述HMI模块为触摸屏。

6.根据权利要求5所述的基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统，其特征在于：

其中，所述触摸屏的型号为西门子KTP900 Basic PN。

7.根据权利要求1所述的基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统，其特征在于：

其中，所述PLC控制器具有RS485端口、AO端口、AI端口、以及DO端口，

每个所述变频器支持Modbus RTU协议且具有RS485端口、AI端口、AO端口、以及DI端口，

每个所述变频器的RS485端口与所述PLC控制器的RS485端口通讯连接，

每个所述变频器的AI端口与所述PLC控制器的AO端口通讯连接，

每个所述变频器的AO端口与所述PLC控制器的AI端口通讯连接，

每个所述变频器的DI端口与所述PLC控制器的DO端口通讯连接。

8.根据权利要求1所述的基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统，其特征在于：

其中，所述控制模式包括0～10V模拟量+数字量的控制模式、总线通讯控制模式。

9.根据权利要求1所述的基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统，其特征在于，还包括：

电源供电系统，用于向所述PLC主控系统、多个所述变频器、多个所述电机供电及对供电提供控制和电气保护。

10.根据权利要求9所述的基于PLC和HMI的多变频器多模式实训系统，其特征在于：

其中，所述电源供电系统包括电源开关箱和分别用于控制各个所述变频器和各个所述电机所连电缆的多个电源开关。