PLC與變頻器在電機(jī)裝配與運行檢測實訓(xùn)系統(tǒng)中的應(yīng)用

李江玲 周旭東

（新疆鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，烏魯木齊 830011）

電機(jī)裝配與運行檢測實訓(xùn)系統(tǒng)是新疆鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院立足已有的實訓(xùn)設(shè)備和自身師資開發(fā)的實訓(xùn)系統(tǒng)，可作為職業(yè)院校技能競賽“電機(jī)裝配與運行檢測”項目的競賽平臺。同時，作為一套與教學(xué)緊密結(jié)合的實訓(xùn)系統(tǒng)，其也能完成課程實驗實訓(xùn)、項目設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等學(xué)習(xí)內(nèi)容，充實了教學(xué)實訓(xùn)設(shè)備，提升了實訓(xùn)教學(xué)能力。

1 控制系統(tǒng)硬件組成

控制系統(tǒng)由PLC、變頻器、磁粉制動器、按鈕開關(guān)、指示燈等元器件組成。本控制系統(tǒng)可以單獨對電動機(jī)進(jìn)行各種控制實訓(xùn)、對電動機(jī)的各種主要參數(shù)進(jìn)行測量、對電動機(jī)的各項參數(shù)與電源頻率之間的關(guān)系進(jìn)行驗證，通過對磁粉制動器的控制來模擬電動機(jī)在不同阻力情況下各種參數(shù)的測量，進(jìn)行恒功率、恒轉(zhuǎn)速、恒轉(zhuǎn)矩綜合實訓(xùn)。另外，可以更換直流電機(jī)、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)，實現(xiàn)對這些電機(jī)的控制。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)的控制流程

本項目使用的PLC為三菱FX2N-48MR，該產(chǎn)品有24個輸入端口和24個繼電器輸出端口，其控制目的是在不同的負(fù)載阻力下實現(xiàn)電動機(jī)的恒功率、恒轉(zhuǎn)矩和恒轉(zhuǎn)速運行。系統(tǒng)的控制流程如下。

調(diào)整可調(diào)電阻，使電動機(jī)處于運行的初始狀態(tài)，此時功率轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測量儀表顯示功率為50W，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為1490r/min，轉(zhuǎn)矩為330mN·m。初始狀態(tài)一旦調(diào)整好后，可調(diào)電阻不再變動。

2.1.1 第一步實現(xiàn)三相異步電動機(jī)恒功率運行

在電動機(jī)運行的初始狀態(tài)下，先按下功率按鈕，然后按壓一級制動按鈕，PLC給磁粉制動器提供1V直流電壓，磁粉制動器給電動機(jī)較小的制動力，此時電動機(jī)的功率將會減小。為了保持電動機(jī)的功率不變，PLC輸出一個控制指令，使變頻器輸出的三相交流電源頻率有一定增量，這個增量需要人工在變頻器上設(shè)定。在設(shè)定頻率時，要觀察功率顯示，當(dāng)功率顯示恢復(fù)到50W時，保存頻率設(shè)定值。

再按壓二級制動按鈕，PLC給磁粉制動器提供2V直流電壓，磁粉制動器給電動機(jī)稍大的制動力，電動機(jī)的功率會減小。為了保持電動機(jī)的功率不變，PLC再輸出一個控制指令，使變頻器輸出的三相交流電源頻率有一定增量，這個增量需要人工在變頻器上設(shè)定。在設(shè)定頻率時，要觀察功率顯示，當(dāng)功率顯示恢復(fù)到50W時，保存頻率設(shè)定值。

最后，按壓三級制動按鈕，PLC給磁粉制動器提供3V直流電壓，磁粉制動器給電動機(jī)較大的制動力，此時電動機(jī)的功率會減小。為了保持電動機(jī)的功率不變，PLC輸出一個控制指令，使變頻器輸出的三相交流電源頻率有一定增量，這個增量需要人工在變頻器上設(shè)定。在設(shè)定頻率時，要觀察功率顯示，當(dāng)功率顯示恢復(fù)到50W時，保存頻率設(shè)定值。

變頻器三個新頻率設(shè)定好后，就能實現(xiàn)按壓任一制動按鈕時，電動機(jī)的輸出功率都不會變。

2.1.2 第二步實現(xiàn)三相異步電動機(jī)恒轉(zhuǎn)速運行

先按壓停止按鈕，使運行的電動機(jī)停止，然后再按壓起動按鈕，使電動機(jī)以初始狀態(tài)運行，再按下轉(zhuǎn)速按鈕，隨后的操作步驟與第一步的方法一樣。不同之處在于，第二步在設(shè)定變頻器頻率時，要看轉(zhuǎn)速表的顯示，在不同的制動力作用下，新設(shè)定的變頻器頻率保證電動機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在1490r/min。

2.1.3 第三步實現(xiàn)三相異步電動機(jī)恒轉(zhuǎn)矩運行

先按壓停止按鈕，使運行的電動機(jī)停止，然后再按壓起動按鈕，使電動機(jī)以初始狀態(tài)運行，再按下轉(zhuǎn)矩按鈕，隨后的操作步驟與第一步的方法一樣。不同之處在于，第三步在設(shè)定變頻器頻率時，要看轉(zhuǎn)矩表的顯示，在不同的制動力作用下，新設(shè)定的變頻器頻率保證電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩保持在330mN·m。

2.2 變頻器頻率設(shè)定

以上三步需要設(shè)定10個頻率，在變頻器上就需要用到組合頻率設(shè)定，需要用到變頻器P4、P5、P6、P24、P25、P26、P27、P80、P81、P82參數(shù)的設(shè)定。這10個參數(shù)的設(shè)定需要變頻器外部端子RH、RM、RL、REX四個端子組合來實現(xiàn)，理論上來講四個端子的組合能獲得16種頻率，這里只需要用到10個頻率，具體的組合如表1所示。

在電動機(jī)遇到阻力時，事先設(shè)定好的頻率就會輸出，使電動機(jī)事先指定的參數(shù)保持恒定，這些參數(shù)中P6設(shè)定為50Hz，供電動機(jī)在初始狀態(tài)下運行使用。

2.3 PLC的端口分配表

通過本系統(tǒng)動作過程的分析，人們可以獲知PLC控制系統(tǒng)需要幾個輸入端口和輸出端口，明白PLC端口與按鈕、變頻器和磁粉制動器的對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)這些對應(yīng)關(guān)系，人們可以設(shè)計控制電路和控制程序，PLC的端口分配如表2所示，電路示意圖如圖1所示。

表1 變頻器參數(shù)與外接端子的對應(yīng)關(guān)系

表2 PLC的端口分配

圖1 電路示意圖

2.4 控制程序設(shè)計

根據(jù)以上三個控制流程、變頻器的頻率設(shè)置和PLC端口的分配表，人們就可以編制控制程序?？刂瞥绦蛴锰菪螆D來編制，程序由啟動停止程序、運行模式選擇程序、制動等級選擇程序、變頻器邏輯編碼程序、變頻器頻率控制程序、指示燈控制程序等組成。

啟動停止程序采用停止優(yōu)先的帶自鎖的控制程序。運行模式選擇程序由一個三選一程序組成，該程序能夠保證在同時按壓功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩按鈕時，保證只有一種運行模式有效，并且三種運行模式可以隨時轉(zhuǎn)換。制動等級選擇程序也由一個三選一程序組成，該程序能夠保證在同時按壓一級制動、二級制動、三級制動按鈕時，保證只有一種制動模式有效，并且三種制動模式可以隨時轉(zhuǎn)換。變頻器邏輯控制程序用十個標(biāo)志繼電器控制變頻器而獲得十種頻率。變頻器頻率控制程序通過10種電源頻率，可以獲得三相異步電動機(jī)的初始狀態(tài)以及在不同制動力矩的情況下恒功率、恒轉(zhuǎn)速和恒轉(zhuǎn)矩四種運行狀態(tài)。指示燈程序是控制各類指示燈的程序，指示燈分別由PLC的輸出端口Y00-Y07來控制，對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

3 系統(tǒng)控制擴(kuò)展

本文只探討了三種控制方式，事實上，系統(tǒng)可以很方便地進(jìn)行控制擴(kuò)展，如電動機(jī)及機(jī)械傳動部件裝調(diào)、PLC接觸器控制三相異步電動機(jī)點動加連續(xù)運行控制與調(diào)試、PLC接觸器控制三相異步電動機(jī)Y-Δ降壓啟動控制與檢測、PLC接觸器控制雙速三相異步電動機(jī)控制與檢測、PLC變頻器控制三相異步電動機(jī)多段速正反轉(zhuǎn)控制、PLC變頻器控制多段速三相異步電動機(jī)參數(shù)檢測、PLC變頻器控制磁粉制動器、三相異步電動機(jī)多阻力恒功率控制、PLC變頻器控制磁粉制動器、三相異步電動機(jī)多阻力恒轉(zhuǎn)速控制、PLC變頻器控制磁粉制動器、三相異步電動機(jī)多阻力恒轉(zhuǎn)矩控制、PLC變頻器控制磁粉制動器以及三相異步電動機(jī)多阻力恒功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩綜合控制等。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)中，電機(jī)的運行頻率只能根據(jù)制動等級按鈕的按壓來獲得，這個頻率是事先根據(jù)設(shè)定的條件人工設(shè)定好的，因此它是一個開環(huán)系統(tǒng)，目前尚不能實現(xiàn)PLC根據(jù)測量儀表送來的數(shù)據(jù)通過計算來控制變頻器輸出頻率的功能，

故系統(tǒng)還可以進(jìn)一步研究開發(fā)為閉環(huán)控制。

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