基于變頻器和PLC的四輥軸交流傳動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 彥，左為恒，李昌春

(重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶 400030)

0 引言

20世紀(jì)后半葉，變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)和日益完善，成為電力拖動領(lǐng)域的一個(gè)重大事件，該技術(shù)的發(fā)展，促使交流電機(jī)有了性能良好的調(diào)速手段，而交流電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單牢固、價(jià)格低廉，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，但其工作原理的復(fù)雜性對調(diào)速控制提出了很高的要求。

交流電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的種類很多，從早期提出的電壓源型變頻器開始，相繼發(fā)展了電流源型，脈寬調(diào)制(PWM)等多種變頻器。目前變頻調(diào)速的主要方案有:交－交變頻調(diào)速，交－直－交變頻調(diào)速，同步電動機(jī)自控式變頻調(diào)速，正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)變頻調(diào)速，矢量控制變頻調(diào)速等。這些變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展很大程度上依賴于大功率半導(dǎo)體器件的制造水平。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是可關(guān)斷晶閘管(GTO)，電力晶體管(GTR)，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，MOS晶閘管及MTC等具有自關(guān)斷能力全控功率元件的發(fā)展，再加上控制單元也從分離元件發(fā)展到大規(guī)模數(shù)字集成電路及采用微機(jī)控制，從而使變頻裝置的快速性，可靠性和經(jīng)濟(jì)性不斷提高，變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能也得到不斷完善。

四輥軸交流傳動控制系統(tǒng)屬于變頻調(diào)速系統(tǒng)中的一種類型，它是一典型傳動試驗(yàn)機(jī)械對象，可以試驗(yàn)異步電動機(jī)變頻調(diào)速時(shí)的技術(shù)難點(diǎn)，四輥軸交流傳動控制系統(tǒng)可以很好地模擬工業(yè)生產(chǎn)中的一些設(shè)備，如造紙機(jī)、軋鋼機(jī)的多電機(jī)分部傳動。為了生產(chǎn)過程中紙頁、鋼材特性變化的需要，造紙機(jī)、軋鋼機(jī)的分部傳動除了在保證高精度的同步控制外，還必須能夠在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)車速，且各個(gè)分部的速度能單獨(dú)調(diào)節(jié)，這些四輥軸都能夠很好的模擬，此外，四輥軸對于軋鋼機(jī)也有一定的模擬效果。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

四輥軸交流傳動控制系統(tǒng)是一套由四臺變頻器控制四個(gè)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其達(dá)到轉(zhuǎn)速同步的機(jī)械裝置，四臺變頻器由一臺可編程邏輯控制器(PLC)控制，它們之間通過Modbus協(xié)議進(jìn)行通信，在四輥軸系統(tǒng)中還安裝有張力傳感器和速度旋轉(zhuǎn)編碼器，可檢測張力和速度，四輥軸交流傳動控制系統(tǒng)機(jī)械部分的基本圈路圖如圖1所示。

圖1 圈路圖

整個(gè)系統(tǒng)的基本框架如圖2所示。上位機(jī)通過PPI電纜與 PLC通信，進(jìn)行控制。PLC通過Modbus總線和四臺變頻器相聯(lián)，并進(jìn)行相互通信，完成信息數(shù)據(jù)交換，達(dá)到對電機(jī)的變頻控制。

圖2 系統(tǒng)基本組成圖

1.1 變頻器部分的設(shè)計(jì)

1.1.1 變頻器工作原理

異步電動機(jī)調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通常由變頻器主電路給電動機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源。此電源輸出的電壓或電流及頻率，由控制回路的控制指令進(jìn)行控制，而控制指令則是根據(jù)外部的運(yùn)轉(zhuǎn)指令進(jìn)行運(yùn)算獲得。對于需要更精確轉(zhuǎn)速或快速響應(yīng)的場合，運(yùn)算還應(yīng)包含由變頻器主電路和傳動系統(tǒng)檢測出來的信號。變頻器保護(hù)電路的構(gòu)成，除應(yīng)防止因變頻器主電路的過電壓、過電流引起的損壞外，還應(yīng)保護(hù)異步電動機(jī)及傳動系統(tǒng)等。

變頻器分為交－交和交－直－交兩種形式。交－交變頻器可以將工頻交流電直接變換成頻率電壓均可控的交流電，又稱直接式變頻器。而交－直－交變頻器則是先把工頻交流電通過整流器變成直流電，再把直流電變換成頻率、電壓均可控的交流電，又稱間接式變頻器。通用變頻器大多是交－直－交變頻器，由四部分構(gòu)成:整流器、平波電路、逆變器、控制電路。

給異步電動機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，稱為主電路，主電路包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)(又稱平波電路)、逆變器。通用變頻器由主電路和控制電路組成。

(1)整流器。電網(wǎng)側(cè)的變流器Ⅰ為整流器，其作用是把工頻電源變換成直流電源。

(2)逆變器。負(fù)載側(cè)的變換器Ⅱ?yàn)槟孀兤?。與整流器的作用相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流頻率。逆變器最常見的結(jié)構(gòu)形式是利用6個(gè)半導(dǎo)體主開關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路。通過有規(guī)律的控制逆變器中的主開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出波形。

Joan Rubin認(rèn)為“學(xué)習(xí)策略是語言學(xué)習(xí)者用以獲取知識的技術(shù)或手段?！盵14]她指出,有意識地采用學(xué)習(xí)策略的學(xué)習(xí)者能夠幫助自己習(xí)得第二語言。按照她的研究,優(yōu)秀語言學(xué)習(xí)者具備的條件之一就是要在犯錯中提高自己的語言糾錯意識，不斷調(diào)整自己的學(xué)習(xí)策略。

(3)平波電路(中間直流環(huán)節(jié))。由于逆變器的負(fù)載為異步電動機(jī)，是感性負(fù)載。無論電動機(jī)處于電動狀態(tài)還是發(fā)電狀態(tài)，其功率因數(shù)總不會等于1。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動機(jī)之間總會有無功功率的交換，這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件——電容器或電感器來緩沖，所以中間直流環(huán)節(jié)實(shí)際上是中間直流儲能環(huán)節(jié)。

(4)控制電路?？刂齐娐烦Ｓ蛇\(yùn)算電路，檢測電路，控制信號的輸入、輸出電路，驅(qū)動電路和制動電路等構(gòu)成。其主要任務(wù)是完成對逆變器的開關(guān)控制，對整流器的電壓控制，以及完成各種保護(hù)功能等，控制方法有模擬控制或數(shù)字控制，主要靠軟件完成各種功能。

異步電動機(jī)在再生制動區(qū)域(轉(zhuǎn)差率為負(fù))使用制動回路，再生能量儲存于平波回路電容器中，使直流電壓升高。一般情況下，由機(jī)械系統(tǒng)(含電動機(jī))慣量積蓄的能量比電容儲存的能量大，需要快速制動時(shí)，可用可逆變流器向電源反饋或設(shè)置制動回路(開關(guān)和電阻)把再生功率消耗掉，以免直流電路電壓上升。

1.1.2 變頻器線路連接

變頻器部分是系統(tǒng)的重要硬件部分，其主要由變頻器和三相異步電動機(jī)組成，通過變頻器可以輸出電壓或頻率可變的交流電提供給電動機(jī)，這樣調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率就可以調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。

變頻器選用ABB公司生產(chǎn)的變頻器，共四個(gè)，其中有兩個(gè)ACS 550系列變頻器，其型號為ACS550-01-03A3;另外兩個(gè)為ACS 800系列變頻器，其型號為ACS800-01-0003。每個(gè)變頻器帶一個(gè)異步電動機(jī)，異步電動機(jī)的額定功率為1.1 kW，為了實(shí)時(shí)地知道電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，在電動機(jī)的軸上可以安裝一個(gè)光電旋轉(zhuǎn)編碼器，將電動機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電信號，再將電信號傳送給數(shù)顯表，這樣，通過數(shù)顯表可以顯示電動機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速。編碼器的型號為 E6B2C-WZ6C，為直流24 V，500線/r。變頻器部分的電路圖如圖3所示。

圖3 變頻器接線圖

1#變頻器和2#變頻器為ACS550，3#變頻器和4#變頻器為ACS800。

圖3 中1#變頻器的 DI1、DI2、DI3、DI4 接的是PLC S7 －226 的輸出端子 103、104、105、106，2#變頻器的 DI1、DI2、DI3、DI4接的是 PLC S7－226 的輸出端子203、204、205、206。其中 DI1定義為電機(jī)的起動與停止，DI1為1時(shí)變頻器起動電動機(jī)，DI1為0時(shí)變頻器停止電動機(jī);DI2、DI3、DI4可以自由定義。變頻器的參數(shù)設(shè)置通過控制面板的操作實(shí)現(xiàn)，變頻器的兩個(gè)端子AI1+、AI1-接的就是操作面板。圖中F11和F21都是空氣開關(guān)。

圖3 中3#變頻器的 DI1、DI2、DI3、DI4 接的是PLC S7 －226 的輸出端子 303、304、305、306，4#變頻器的 DI1、DI2、DI3、DI4接的是 PLC S7－226 的輸出端子403、404、405、406。其中 DI1定義為電機(jī)的起動與停止，DI1為1時(shí)變頻器起動電動機(jī)，DI1為0時(shí)變頻器停止電動機(jī);DI2、DI3、DI4可以自由定義。變頻器的參數(shù)設(shè)置通過控制面板的操作實(shí)現(xiàn)，變頻器的兩個(gè)端子AI1+、AI1-接的就是操作面板。圖中F31和F41都是空氣開關(guān)。

1.2 PLC部分的設(shè)計(jì)

PLC選擇的是西門子公司生產(chǎn)的S7-226，該型號PLC的輸入輸出觸點(diǎn)足以滿足系統(tǒng)的需求，還可滿足功能模塊的擴(kuò)展。PLC輸入觸點(diǎn)的定義如圖4所示，輸出觸點(diǎn)接的是四臺變頻器的DI1、DI2、DI3、DI4 四個(gè)端子。

根據(jù)四輥軸系統(tǒng)的性能要求，需要占用PLC 19個(gè)輸入點(diǎn)，16個(gè)輸出點(diǎn)，其I/O口分配如表1所示。

圖4中單動/聯(lián)動1按鈕的作用是切換2#電機(jī)是和1#電機(jī)同時(shí)起停，還是2#電機(jī)單獨(dú)起停;單動/聯(lián)動2按鈕的作用是切換3#電機(jī)是和2#電機(jī)同時(shí)起停，還是3#電機(jī)單獨(dú)起停;單動/聯(lián)動3按鈕的作用是切換4#電機(jī)是和2#電機(jī)同時(shí)起停，還是4#電機(jī)單獨(dú)起停;開關(guān)F005是保護(hù)開關(guān)。

表1 PLC I/O口分配

1.3 Modbus通信的硬件連接

四臺變頻器和PLC之間通過Modbus協(xié)議進(jìn)行通信，因此需要相應(yīng)的硬件設(shè)置。

(1)通信口設(shè)置。

①PLC側(cè):S7-226上集成有兩個(gè)通信口(PORT0與PORT1)，可采用其中之一與變頻器進(jìn)行通信，S7-226上的通信口是符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170中Profibus標(biāo)準(zhǔn)的RS-485兼容9針D型連接器，表2給出了通信口插針的分配。

② 變頻器ACS550側(cè):因?yàn)锳CS550內(nèi)置有Modbus協(xié)議，則其與PLC進(jìn)行Modbus通信時(shí)，不需要外加Modbus通信模塊。可通過變頻器控制板端子X1:28～32上的RS-485接口與PLC進(jìn)行Modbus通信，通信時(shí)只需要用到29、30兩個(gè)端子。

圖4 PLC電路接線圖

③變頻器ACS800側(cè):因?yàn)锳CS800沒有內(nèi)置的Modbus協(xié)議，故與PLC進(jìn)行Modbus通信時(shí)，需要選用Modbus通信模塊，選用的模塊型號為RMBA-01。只需用到端口組X2中的端子1(數(shù)據(jù)線負(fù)極)、2(數(shù)據(jù)線正極)，即可與PLC通信。

(2)S7-226與ACS550和ACS800之間的通信連接。PLC與四臺變頻器(兩臺ACS550，兩臺ACS800)之間的Modbus通信連接可用屏蔽雙絞線，屏蔽層只需單端接地，如圖5所示。

(3)終端電阻的設(shè)置。PLC側(cè)在Pin#口3(TxD/RxD+)、8(TxD/RxD-)之間連220 Ω 電阻。而變頻器側(cè)，只需將ACS550的終端跳線開關(guān)(J2)撥到ON，ACS800的模塊RMBA-01上的總線終端開關(guān)(S1)打到ON即可。

表2 S7-226通信口引腳分配

圖5 PLC和變頻器通信連接圖

2 控制程序設(shè)計(jì)

四輥軸交流傳動控制系統(tǒng)要能夠正常的工作，不僅需要硬件的合理設(shè)計(jì)，同時(shí)需要進(jìn)行相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，需要的軟件設(shè)計(jì)即為PLC控制程序的設(shè)計(jì)，考慮到四輥軸交流傳動控制系統(tǒng)的性能要求，控制程序必須實(shí)現(xiàn)如下功能。

(1)PLC和變頻器之間能夠進(jìn)行Modbus通信，PLC把一個(gè)頻率值給定某一個(gè)變頻器后，相對應(yīng)的變頻器能夠收到正確的頻率給定值。

(2)每臺變頻器均可由操作臺上的相應(yīng)按鈕控制，以1#變頻器為例，如按一下1#變頻器起動按鈕，1#變頻器能夠起動電機(jī)，按一下1#變頻器停止按鈕，1#變頻器能夠停止電機(jī)，按下1#變頻器加速按鈕后，1#變頻器的輸出頻率值能夠不斷上升，除非按鈕松開或者輸出頻率達(dá)到最大值50 Hz;按下1#變頻器減速按鈕后，1#變頻器的輸出頻率能夠不斷下降，除非按鈕松開或者輸出頻率達(dá)到最小值 0 Hz。2#、3#、4#變頻器同上，并且四臺電機(jī)可以進(jìn)行單動/聯(lián)動選擇。

(3)為了保證四臺電機(jī)的運(yùn)行同步性，控制程序中必須有速度鏈子程序，當(dāng)1#電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化時(shí)，后面電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須相應(yīng)的變化。

因?yàn)槭褂玫腜LC為S7-226，使用到的PLC內(nèi)部寄存器如表3所示。

表3 使用到的PLC內(nèi)部寄存器表

控制程序的流程圖如圖6所示。其中初始化程序在系統(tǒng)首次運(yùn)行掃描時(shí)將十六進(jìn)制數(shù)C9移至特殊寄存器SMB130，因?yàn)镾MB130控制自由端口1的通信方式，而16#C9為2#11001001，表示端口1通信方式如下:使用的是自由口協(xié)議;波特率為9 600 b/s;校驗(yàn)方式為偶校驗(yàn);且每個(gè)字符為8位數(shù)據(jù)，完成初始化后系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行循環(huán)主程序，完成所要求的設(shè)計(jì)功能。

圖6 程序流程圖

3 結(jié)語

本文闡述系統(tǒng)設(shè)計(jì)的詳細(xì)過程，實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度同步控制。四輥軸交流傳動系統(tǒng)作為一種非常好的試驗(yàn)裝置，除了介紹的基本功能外，還可以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配的功能，加裝張力傳感器和壓力傳感器后，還能夠?qū)崿F(xiàn)張力的恒定控制。同時(shí)，還可以加裝一個(gè)觸摸屏，通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)四臺電機(jī)的起動、停止，S7-200可以進(jìn)行端口擴(kuò)展，加一些擴(kuò)展模塊，實(shí)現(xiàn)其他功能，因?yàn)镾7-300系列PLC功能更加強(qiáng)大，也可以加上一個(gè)S7-300系列PLC，讓兩個(gè)PLC進(jìn)行通信，從而去模擬更復(fù)雜的特性。

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