基于組態(tài)軟件、變頻器和PLC控制的電機調速系統(tǒng)的設計

李澤洪

[摘 要]本系統(tǒng)由PLC、變頻器（具有 RS—485 通信功能）、交流電機組成。通過組態(tài)軟件建立PLC與上位PC機之間的通信連接，實現(xiàn)上位機監(jiān)控，再利用 PLC+變頻器實現(xiàn)對三相異步電動機的變頻調速控制。

[關鍵詞]組態(tài)軟件；PLC；變頻器；

[中圖分類號]TM921.51 [文獻標識碼]A

對于高職高專學生來說，PLC技術、變頻器技術、組態(tài)技術三門課程是生產過程自動化技術專業(yè)必修的核心課程。本選題能夠將三門課程知識有機地結合在一起，對于培養(yǎng)學生具備對生產過程控制系統(tǒng)的設計、安裝、調試、維護能力有極大的幫助。

基于PLC可靠性高、抗干擾能力強、系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便、容易改造的特點，本設計以 PLC作為控制核心，結合變頻器、組態(tài)軟件等完成對電動機速度的控制。這樣基于組態(tài)軟件建立PLC與上位PC機之間的通信連接實現(xiàn)遠程操作控制，既可以改善操作人員的工作環(huán)境，又可以提高工作的安全性。

1 系統(tǒng)設計的總體構架

通過對系統(tǒng)的總體分析，該變頻調速系統(tǒng)的設計實現(xiàn)過程分為兩個步驟：

（1）基層PLC+變頻器實現(xiàn)對三相異步電動機的控制。

（2）實現(xiàn)PLC與上位PC機之間的通信連接，實現(xiàn)上位機監(jiān)控。

本系統(tǒng)由 PLC、變頻器（具有 RS—485 通信功能）、交流電機組成。其工作原理為：給定的速度與經由經 PLC 運算可得控制量，再由RS—485接口輸出到變頻器以驅動交流電機，從而達到調節(jié)電機轉速的目的。由于PLC與變頻器之間沒有采用 D/A 進行轉換，而是采用 RS—485 進行數(shù)字通信，有效地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

2 PLC與變頻器實現(xiàn)變頻調速

我們將采用八段速、無極調速及采用光電編碼器的閉環(huán)控制方法實現(xiàn)對電動機的控制。

（1）八段速控制。八段速控制就是在變頻器中設定八個頻率，通過PLC的八個控制按鈕輸入分別控制一種頻率輸出，即實現(xiàn)一個按鈕控制一種電動機的轉速。具體實現(xiàn)過程如下：編寫PLC梯形圖程序使輸出端子Q0.0～Q0.2的輸出狀態(tài)組合成八種狀態(tài)，即000～111。每一種狀態(tài)用一個控制開關控制，這樣共有八個控制開關控制PLC 的Q0.0～Q0.2輸出的八種狀態(tài)。將PLC的三個輸出端子與變頻器的控制電路端子7～9依次相連。通過對變頻器P09、P32～P38參數(shù)的設定確定出各個狀態(tài)輸出頻率的大小，這樣就實現(xiàn)了每一個控制開關控制變頻器的一種輸出頻率，將變頻器與電動機連接起來，通過對八個控制開關的通斷控制就實現(xiàn)了PLC對電動機的八段速控制。

（2）無極調速控制。本控制方案采用PWM技術對電動機進行控制，實現(xiàn)的功能是結合組態(tài)軟件實現(xiàn)在上位機組態(tài)界面上輸入一個頻率來控制電動機按這一頻率運行。具體實現(xiàn)過程如下，通過軟件編程使PLC輸出一路PWM脈沖，連接于變頻器的控制電路端子的9號端子。改變PWM脈沖的占空比即可改變變頻器的輸出頻率，這樣我們就可以在組態(tài)軟件中通過設定PWM脈沖的占空比來確定電動機的轉速。

（3）采用光電編碼器的閉環(huán)控制。本方案采用增量式光電編碼器作為閉環(huán)控制的反饋輸入，具體實現(xiàn)過程：PLC控制電動機按同一速度運轉，用光電編碼器檢測電動機當前轉一圈所產生的脈沖數(shù)，將它傳回給PLC。用PLC編程將脈沖數(shù)轉換成電動機的轉速，然后與電動機的預設值進行比較，若有偏差則通過PID算法將誤差消除，使電動機能按照預定的轉速進行運轉。

3 WinCC與 PLC之間通信的實現(xiàn)

WinCC 與 S7- 200 PLC 之間的通信原理WinCC 與 S7-200 PLC 之間的通信結構層次如圖 1 所示。

WinCC 采用變量管理器進行變量的集中管理。WinCC 變量管理器管理運行時的 WinCC 變量，從過程中取出請求的變量值。該過程通過集成在WinCC 項目中的通信驅動程序完成。通信驅動程序利用其通道單元構成 WinCC 與過程處理之間的接口。WinCC 通信驅動程序采用通信處理器向S7- 200 PLC發(fā)送請求消息，然后，通信處理器將回答相應的消息請求的過程值發(fā)回 WinCC 。本系統(tǒng)中通信驅動程序選用 Modbus Serial. CHN 。

4 WinCC監(jiān)控界面設計

本系統(tǒng)中監(jiān)控軟件主要完成的任務是監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行過程，所設計的WinCC 監(jiān)控主界面不僅具有設置變頻器運行所需的參數(shù)、控制變頻器的運行/停止以及運行頻率的改變、監(jiān)視輸出電流、電壓、頻率等功能，而且還具有實時曲線查詢、歷史曲線查詢和報警顯示等功能，實現(xiàn)了對變頻器的遠程智能化監(jiān)控。

5 結語

現(xiàn)場調試和運行表明，本文所設計的基于組態(tài)軟件、變頻器和 PLC 控制的電機調速系統(tǒng)實現(xiàn)了對三相交流電動機調速控制，也對變頻器運行過程和狀態(tài)的監(jiān)控，有效地提高了系統(tǒng)的自動化水平。系統(tǒng)安裝維護方便，運行穩(wěn)定、可靠；監(jiān)控軟件功能齊全，人機界面友好，使用方便。

[參考文獻]

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