基于PLC的交流異步電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計

楊古榮

摘 要：本設(shè)計主要以可編程控制器（PLC）為運算終端即控制機構(gòu)，以直流測速電機和觸摸屏為信號輸入和命令輸入機構(gòu)，以變頻器為執(zhí)行機構(gòu)，從而控制三相異步電機為達到轉(zhuǎn)速恒定的目的

關(guān)鍵詞：PLC；交流異步電機；轉(zhuǎn)速閉環(huán)

可編程控制器（PLC）是一種工業(yè)控制計算機，是繼續(xù)計算機、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動裝置。它具有抗干擾能力強，價格便宜，可靠性強，編程簡樸，易學(xué)易用等特點，在工業(yè)領(lǐng)域中深受工程操作人員的喜歡，因此PLC已在工業(yè)控制的各個領(lǐng)域中被廣泛地使用。

交流異步電動機是一種將電能轉(zhuǎn)化為機械能的電力拖動裝置。它主要由定子、轉(zhuǎn)子和它們之間的氣隙構(gòu)成。對定子繞組通往三相交流電源后，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場并切割轉(zhuǎn)子，獲得轉(zhuǎn)矩。三相交流異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、價格便宜、過載能力強及使用、安裝、維護方便等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

變頻調(diào)速已被公認為是最理想、最有發(fā)展前景的調(diào)速方式之一，采用變頻器構(gòu)成變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)的主要目的，一是為了滿足提高勞動生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高設(shè)備自動化程度、提高生活質(zhì)量及改善生活環(huán)境等要求；二是為了節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本。用戶根據(jù)自己的實際工藝要求和運用場合選擇不同類型的變頻器。

圖1 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

工作原理：一個單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。給定與反饋回來的偏差輸入控制器，經(jīng)過控制器PID運算在輸出給執(zhí)行器，執(zhí)行器輸出給被控對象，被控對象輸出一個值，這個值會反復(fù)變化接近給定。

PID控制器：控制器為PLC，PID為PLC中的一個模塊。在模塊中只要將給定和反饋量設(shè)定好，其輸出結(jié)果就是PID運算后的結(jié)果。當(dāng)然采樣時間，KP，TI，TD，需要自己設(shè)定。具體的設(shè)定值要根據(jù)機器的不同來確定。

變頻調(diào)速原理：被控對象是一個交流異步鼠籠電機，根據(jù)交流異步電機的特性，其轉(zhuǎn)速與供電三相電源的頻率有關(guān)，有公式理想轉(zhuǎn)速。因此可以通過變頻器改變供電電源的頻率對轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。

設(shè)計中主要接線就是PLC與變頻器，變頻器與負載電機，以及測速電機和PLC之間的接線，其中為了能實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)，選取PLC的Q0.0和Q0.1作為正反轉(zhuǎn)的信號輸出端，電機的轉(zhuǎn)速用PLC的模擬量輸出端口給變頻器傳送數(shù)值，PLC主要用模擬量輸入模塊采集測速電機發(fā)出的數(shù)據(jù)。

圖2 閉環(huán)系統(tǒng)硬件接線圖

為更直觀的反饋和現(xiàn)實電機調(diào)速的整個過程，此設(shè)計還增加了一個用于人際互動的交互式觸摸屏結(jié)合組態(tài)軟件從而更好的控制電機和反饋相關(guān)參數(shù)。

最左邊是認為輸入數(shù)據(jù)，設(shè)定電機轉(zhuǎn)速，電機設(shè)定速度與實際轉(zhuǎn)速均采用柱狀圖形式顯示，這樣更直觀明了，同時可以做一個對比，上面四個按鈕用于控制電機的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，停止和退出控制，其中由于電機速度永遠大于零，所以為了區(qū)分電機正反轉(zhuǎn)，在電機反轉(zhuǎn)是采用反轉(zhuǎn)按鈕閃爍來標明電機反轉(zhuǎn)狀態(tài)，按鈕下方是電機轉(zhuǎn)速趨勢圖，這樣工作中可直觀看出電機轉(zhuǎn)速變化情況，最下方是用于監(jiān)測電機運行時間。

外圍接線，屏幕設(shè)計工作后最重要的是編寫PLC主控制程序部分程序

網(wǎng)絡(luò)1和網(wǎng)絡(luò)2用于控制電機正反轉(zhuǎn)和停止（Q0.0正轉(zhuǎn)，Q0.1反轉(zhuǎn)），網(wǎng)絡(luò)3用于電機轉(zhuǎn)速標幺化，網(wǎng)絡(luò)4用于反饋轉(zhuǎn)速值，網(wǎng)絡(luò)5為PID程序的調(diào)用，網(wǎng)絡(luò)6和網(wǎng)絡(luò)7用于實際轉(zhuǎn)速在人機界面上顯示，網(wǎng)絡(luò)8和網(wǎng)絡(luò)9用于計算系統(tǒng)運行時間并在人機界面上顯示，PLC程序設(shè)計完成后還有一個重要任務(wù)是PID參數(shù)，設(shè)置確定比列系數(shù)Kp時：首先去掉PID的積分項和微分項，輸入設(shè)定系數(shù)允許輸出最大的60%-70%，比列系數(shù)由Kp由0開始逐漸增大，直至系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩，再反過來，直至系統(tǒng)震蕩消失。記錄此時的比例系數(shù)Kp，設(shè)定的比例系數(shù)為當(dāng)前值的60%-70%。設(shè)定一個較大的積分時間常數(shù)，然后逐漸減小Ti直至出現(xiàn)震蕩，然后在反過來逐漸增大積分時間常數(shù)，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時的Ti。微分時間常數(shù)設(shè)為0。

設(shè)計說明：由于最后一個要求顯示系統(tǒng)運行時間，只是在測試時使用，所以就只用了一個計數(shù)器（C9）和特殊功能寄存器（SM0.5）結(jié)合，所以最大計時時間只是32767S，如果在工業(yè)中應(yīng)用，應(yīng)使用多個計數(shù)器擴展構(gòu)成長定時電路。由于控制要求簡單，只是實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)，而沒有電流閉環(huán)和一些其他要求。所以直接調(diào)用了PLC內(nèi)部的PID模塊，建立一個PID向?qū)?，這個模塊的主要工作是根據(jù)測得的反饋電壓，調(diào)節(jié)比列系數(shù)Kp，積分時間Ti，微分時間Td參數(shù)，還有一種方法建立子程序，參照PID回路表中各個參數(shù)的地址偏移量設(shè)置各項參數(shù)，在主程序中調(diào)用。