基于PLC和變頻器的多電機(jī)速度同步控制

付力揚(yáng)+秦永晉

摘 要：文章主要是針對PLC的相關(guān)功能進(jìn)行了分析，其中包括系統(tǒng)以及功能特點(diǎn)、變頻器類型，并且對PLC系統(tǒng)和變頻器的多電機(jī)速度同步控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。對于實(shí)現(xiàn)PLC變頻器的多電機(jī)速度同步控制，以及提高穩(wěn)定性具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：PLC；變頻器；多電機(jī)速度；同步控制

中圖分類號：TN02 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）24-0091-02

PLC系統(tǒng)對于一些非專業(yè)人士來講聽上去有些陌生，這是一種可以編輯程序邏輯的控制器，同時(shí)也是一種電子系統(tǒng)，能夠用來進(jìn)行大量的數(shù)字運(yùn)算操作，它的設(shè)計(jì)最主要的是為了能夠在工業(yè)環(huán)境中進(jìn)行使用，它已經(jīng)成為了工業(yè)生產(chǎn)中主要的不可忽視的部分。當(dāng)前的PLC系統(tǒng)已經(jīng)做到了與信息技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，不斷進(jìn)行功能的進(jìn)一步開發(fā)，功能也日漸多樣化，可以滿足不同的需要，在邏輯控制以及運(yùn)動(dòng)和過程控制方面也發(fā)揮了極大地作用。

1 PLC系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）體積小、節(jié)約能耗、安裝簡單方便。在單個(gè)的小型PLC中，具有大量的編程元件，這些分布的原件都可以被用戶加以利用，每個(gè)元件的的控制功能也不盡相同，所以在用戶使用的時(shí)候可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行安裝，用起來節(jié)能效果也十分滿意，同時(shí)它也能夠適應(yīng)高速的生產(chǎn)速度，定位精度高，操作的誤差也小，質(zhì)量可以得到保證。（2）程序編制相對簡單。PLC系統(tǒng)的編程是采用接線的形式來實(shí)現(xiàn)的，而且由于PLC系統(tǒng)會(huì)編輯相對應(yīng)的梯形圖程序，因此PLC系統(tǒng)一般會(huì)采用提醒語言的來做到相互對應(yīng)。除此之外，為了方便管理，PLC會(huì)采用順序控制法來進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方式規(guī)律極為明顯，可以被容易地掌握。（3）設(shè)計(jì)時(shí)間較短。與繼電器控制裝置相比，PLC中比較復(fù)雜的系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)相應(yīng)的梯形圖程序時(shí)，時(shí)間的使用上占有極大優(yōu)勢，短時(shí)間就可以完成設(shè)計(jì)。并且可以設(shè)置不同類型的產(chǎn)品工位數(shù)和位置參數(shù)。（4）操作靈活方便。PLC系統(tǒng)具有自動(dòng)以及手動(dòng)模式，滿足不同情況下的需要，同時(shí)在操作的時(shí)候還可以下達(dá)啟動(dòng)和暫停的命令，方便應(yīng)對突發(fā)狀況。除此之外它還具有先進(jìn)的計(jì)數(shù)清零的功能，對于調(diào)整氣缸下壓的時(shí)間十分方便。最后，在實(shí)際的操作使用時(shí)，它具有自動(dòng)進(jìn)行送料固定的優(yōu)勢，操作過程中不需要人動(dòng)手，在一定程度上有利于保護(hù)用戶的人身安全，提高操作效率。

2 變頻器的分類

（1）按照變換環(huán)節(jié)可以分為直接式變頻器和間接式變頻器。

直接式變頻器就是把工頻交流直接轉(zhuǎn)換為可以調(diào)節(jié)電壓的交流。間接式變頻器就是要先利用整流器作為媒介進(jìn)行調(diào)整，把工頻交流轉(zhuǎn)化為直流，再把直流轉(zhuǎn)換為可以調(diào)節(jié)電壓的交流。其中間接式的變頻器在使用中最為廣泛。（2）按照直流電源的性質(zhì)可以劃分為電流型變頻器和電壓型變頻器。電流型變頻器可以有效控制電流的變化，促進(jìn)電壓接近正常水平，能夠進(jìn)行緩解無功率，抑制電流過大的現(xiàn)象出現(xiàn)。電壓型變頻器主要優(yōu)勢就是在直流環(huán)節(jié)采用大電感作為儲(chǔ)能元件，有效保證了電壓的平穩(wěn)，減少了運(yùn)行阻力。（3）由于工作原理不同可以劃分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器以及矢量控制變頻器。V/f控制變頻器是指為了能夠保證轉(zhuǎn)矩效果，在變換電源頻率調(diào)整速度的基礎(chǔ)上，保持電動(dòng)機(jī)的磁通不變進(jìn)行的控制設(shè)計(jì)。這個(gè)設(shè)計(jì)在克服低頻率轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用上達(dá)到了良好的效果。轉(zhuǎn)差頻率控制器在V/f的基礎(chǔ)上對電動(dòng)機(jī)頻率進(jìn)行了調(diào)節(jié)，但是這種控制必須要在安裝速度傳感器的條件下進(jìn)行，這屬于閉環(huán)控制，有助于變頻器在運(yùn)行的時(shí)候更穩(wěn)定，能夠及時(shí)響應(yīng)加速減速和負(fù)載變化的命令。矢量控制變頻器是通過控制電動(dòng)機(jī)定子電流的大小來達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的方式，在這個(gè)操作過程中需要具備矢量坐標(biāo)電路。

3 基于PLC系統(tǒng)和變頻器的多電機(jī)速度同步控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)方案。基于PLC和變頻器的多電機(jī)速度同步控制的設(shè)計(jì)上，可以通過補(bǔ)償?shù)目刂圃O(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。首先必須要設(shè)計(jì)一臺(tái)主要電動(dòng)機(jī)，其次設(shè)計(jì)幾臺(tái)輔助電動(dòng)機(jī)利用主電動(dòng)機(jī)發(fā)出的指令來操作其他的輔助電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)之間首尾相連。這種方式可以保障其中任意一臺(tái)電動(dòng)機(jī)發(fā)生意外的情況下不會(huì)對前面的電動(dòng)機(jī)造成影響，但是對于后面的電動(dòng)機(jī)會(huì)造成相應(yīng)的影響。還有一種方式是并聯(lián)的方式，這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)所有電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速跟主電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速同步。（2）系統(tǒng)硬件的構(gòu)成。同步控制系統(tǒng)是采用小型PLC控制系統(tǒng)控制兩臺(tái)變頻器的表現(xiàn)，其中PLC作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，對變頻器的各個(gè)電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行讀取，準(zhǔn)確計(jì)算電動(dòng)機(jī)的理論速度，設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的速度，讓電動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定協(xié)調(diào)地運(yùn)轉(zhuǎn)。除此之外還有PC機(jī)、變頻器、人機(jī)界面等組成。

4 基于模糊PID補(bǔ)償算法的同步控制

PID控制器就是利用PID的控制原理來調(diào)整系統(tǒng)中偏差的工具，極大程度的保障實(shí)際值與預(yù)期值的統(tǒng)一。之所以被稱為模糊控制，是因?yàn)樗诳刂频臅r(shí)候合理地利用了模糊數(shù)學(xué)的思想以及控制方法。在本項(xiàng)研究中，PID補(bǔ)償算法采用的是兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)來作為一主一從進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中在對主電機(jī)進(jìn)行操作控制的時(shí)候，嚴(yán)格按照操作人員的命令進(jìn)行，利用電動(dòng)機(jī)的測試速度來反映出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)速度，得到結(jié)果后把數(shù)據(jù)反映給PLC系統(tǒng)或者對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器。在這之后可以根據(jù)反饋給PLC的數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，得到真實(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。在PLC中利用安裝的轉(zhuǎn)速補(bǔ)償信號控制器進(jìn)行PID補(bǔ)償信號的運(yùn)算，從而保障達(dá)到高精度的運(yùn)行。計(jì)算后會(huì)得到相應(yīng)的附加值，通過輔助電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，就可以系統(tǒng)的保障多個(gè)電機(jī)可以同步控制的目標(biāo)。

5 系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

（1）PLC與變頻器的通信。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)來看，以前的PLC與變頻器的通信通常是采用比較傳統(tǒng)的方式，其中主要是利用PLC的數(shù)字輸出來實(shí)現(xiàn)變頻器的啟動(dòng)與停止的。但是長久下來，漸漸暴落出許多難以避免的問題，比如控制系統(tǒng)中硬件的價(jià)格過高，增加了支出的費(fèi)用。而且實(shí)際運(yùn)行過程中容易受到外界因素的干擾出現(xiàn)噪音，還經(jīng)常受到硬件自身的局限性困擾，可以用來交換的信息少之又少。而目前就可以利用PLC進(jìn)行通信，有效解決出現(xiàn)的這些困擾，這種通信方式具有通信量大，傳送信息速度快以及費(fèi)用低等特點(diǎn)。（2）PLC與監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間的通信。在監(jiān)控計(jì)算機(jī)和PLC之間，可以使用雙絞屏蔽電纜達(dá)到通信的目的，其中要確保終端電阻為15，在PLC設(shè)計(jì)中，應(yīng)該把PLC系統(tǒng)作為主要的控制站點(diǎn)，在線路的連接上，采用串聯(lián)USS的方法讓變頻器之間相連接，還要保障準(zhǔn)確的下載系統(tǒng)的程序以及畫面，控制好電機(jī)的啟動(dòng)和停止。最后準(zhǔn)備工作也要保障及時(shí)做到位，工作方式的選擇、頻率以及運(yùn)行速度的設(shè)置、報(bào)警器的安裝，在一切準(zhǔn)備就緒以后對設(shè)計(jì)進(jìn)行不斷地調(diào)試，保障達(dá)到期望的目標(biāo)。（3）系統(tǒng)的調(diào)試。連接PLC、系統(tǒng)上位機(jī)以及變頻器，使連接符合預(yù)期的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，連接完畢后對電動(dòng)機(jī)和編碼器進(jìn)行連接，使它們與變頻器之間按標(biāo)準(zhǔn)有效連接。連接完畢后，按照系統(tǒng)的要求進(jìn)行不斷地設(shè)計(jì)與調(diào)試，使運(yùn)行效果和預(yù)期的目標(biāo)之間的差距不斷縮小。endprint

6 監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)

監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)主要是包括人機(jī)界面的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì)。人機(jī)界面在人們的生活中比較常見的就是像觸摸屏，設(shè)計(jì)的目的是為了人們在使用時(shí)更便捷、能夠用起來滿足大多數(shù)人的要求，方便對系統(tǒng)的控制。設(shè)計(jì)時(shí)要掌握各自使用的范圍以及各自的優(yōu)點(diǎn)以及缺點(diǎn)。系統(tǒng)及面就是反應(yīng)軟件功能的界面，系統(tǒng)功能規(guī)律條例的設(shè)計(jì)對于用戶的控制來講更加方便，設(shè)計(jì)界面時(shí)，要考慮到用戶的使用感受，使系統(tǒng)的整個(gè)功能清楚明了的展現(xiàn)在每位用戶面前，并且還要起到引領(lǐng)用戶進(jìn)行合理操作的作用。

7 基于PLC系統(tǒng)以及變頻器實(shí)現(xiàn)速度的穩(wěn)定性的控制

如何有效保障PLC系統(tǒng)以及變頻器速度的穩(wěn)定性是目前急于解決的問題，針對這一現(xiàn)狀，就要積極探索找到合理的應(yīng)對措施。例如，再電機(jī)的調(diào)水過程中，啟動(dòng)電機(jī)就可以讓水泵扇葉進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并且大多數(shù)情況下，需要電機(jī)同時(shí)工作來完成工作目標(biāo)。以往大多數(shù)情況下都是利用直流電機(jī)來來調(diào)節(jié)和控制電機(jī)的運(yùn)行速度，在電位機(jī)的控制下，會(huì)出現(xiàn)各種不同的反應(yīng)。因此調(diào)水程序中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生速度變化大的現(xiàn)象，這樣對于程序的穩(wěn)定性是一個(gè)極大的威脅，速度比率會(huì)產(chǎn)生明顯的變化，失去原有的平衡，這樣帶來的后果可能會(huì)是水泵軸承的破壞，又或者是調(diào)水效果的不達(dá)標(biāo)。而且在運(yùn)行期間，PLC程序一般會(huì)采用循環(huán)掃描的工作方式，我們在程序運(yùn)行的時(shí)候，要不斷降低工作量以及存儲(chǔ)量，計(jì)算強(qiáng)度難以保持原有的水平，這樣在同步狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)速度德爾穩(wěn)定性也會(huì)有一定的難度。因此PLC狀態(tài)下可以將模糊控制理論以及PID控制算法很好地結(jié)合起來，這樣就能夠有效地保障速度的穩(wěn)定性以及統(tǒng)一性。

8 結(jié)束語

隨和科技水平的不斷提高以及人們要求的不斷變化，變頻器的控制技術(shù)能夠逐漸變得成熟，慢慢達(dá)到與科技水平的相適應(yīng)。變頻器的控制技術(shù)目前已經(jīng)被運(yùn)用到了多個(gè)領(lǐng)域。其中在多電機(jī)的控制中，要想實(shí)現(xiàn)多電機(jī)速度的同步控制，就必須最大程度的結(jié)合PLC帶來的優(yōu)勢，把電動(dòng)機(jī)的使用具體化細(xì)致化，保障細(xì)節(jié)方面不出現(xiàn)漏洞，同時(shí)還要采取必要的措施來保障系統(tǒng)的可靠性，防止因?yàn)殡娏骰蛘唠妷旱牟环€(wěn)定造成對系統(tǒng)運(yùn)行的威脅。最后還要不斷與科技和經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，調(diào)整設(shè)計(jì)的思路，吸收優(yōu)秀科技成果，不斷實(shí)踐探索，才能夠更好的實(shí)現(xiàn)PLC和變頻器的多電機(jī)速度同步控制。

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