基于PLC的三相異步電機(jī)控制系統(tǒng)研究

牛雅兵

摘要：異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠，得到大量應(yīng)用，但調(diào)速困難是困擾異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的一個(gè)重要難題?；赑LC技術(shù)，與變頻器的配合組成變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三相異步電機(jī)的調(diào)速和調(diào)向控制，邏輯控制器控制變頻器改變?nèi)嚯娫催_(dá)到控制電機(jī)的效果。

關(guān)鍵詞：三相異步電動(dòng)機(jī)；電機(jī)控制；PLC；變頻器

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）06-0012-02

1 緒論

三相異步電動(dòng)機(jī)使用廣泛，機(jī)械制作精簡便于維護(hù)修理，可節(jié)約生產(chǎn)費(fèi)用，電能轉(zhuǎn)化能力強(qiáng)，調(diào)控簡單有效等特點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類居住得到廣泛應(yīng)用。本文針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速難的問題，采用PLC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)PLC控制三相異步電機(jī)系統(tǒng)，以PC組態(tài)軟件為上位機(jī)，PLC為控制器，對(duì)變頻器和電機(jī)實(shí)施控制，達(dá)到調(diào)控電動(dòng)機(jī)的效果。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 電動(dòng)機(jī)選擇

三相鼠籠式電機(jī)的安全性和穩(wěn)定性非常好，應(yīng)用廣泛。鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、重量輕、價(jià)格便宜，得到了廣泛的應(yīng)用。選擇型號(hào)為Y2-632-4電動(dòng)機(jī)，額定電壓為380V，額定電流為0.65A，額定頻率為50Hz，額定轉(zhuǎn)速為為1400r/min，輸出功率為180W，連接方式為三角形接法，絕緣等級(jí)：F。

2.2 方案確定——開環(huán)閉環(huán)分析

變頻系統(tǒng)在程序設(shè)計(jì)中設(shè)有開環(huán)控制模式和閉環(huán)控制模式兩種。主要區(qū)別在閉環(huán)控制模式時(shí)，電動(dòng)機(jī)會(huì)有一個(gè)速度反饋值，PLC給出轉(zhuǎn)速設(shè)定值，與旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)的速度信號(hào)比較，經(jīng)PID數(shù)據(jù)處理后再輸出一定的值調(diào)節(jié)變頻器頻率給定。

開環(huán)控制通過變頻開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是由PLC輸入端口或者上位機(jī)發(fā)送指令，給PLC后會(huì)經(jīng)過內(nèi)部程序運(yùn)行進(jìn)行計(jì)算，最后由PLC的輸出端口傳送數(shù)據(jù)給變頻器，以此控制變頻器運(yùn)行。開環(huán)控制模式的一大特點(diǎn)就是控制路徑只有一條，具有單向傳遞性，控制結(jié)構(gòu)清晰，需要的電氣元件較少，且簡單易修，成本低廉。這種控制方式在抗干擾性較好的條件下精度也很高，外接電路也簡單清晰。因此，本系統(tǒng)采用開環(huán)控制系統(tǒng)就可以滿足要求，在不損失控制效果前提下又便于進(jìn)行初始化的學(xué)習(xí)與實(shí)用性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)操作。

3 硬件選擇與程序設(shè)計(jì)

3.1 變頻器選擇

本設(shè)計(jì)中電機(jī)啟停及速度控制由變頻器來控制，設(shè)計(jì)采用西門子MicroMaster420。MM4系列的變頻器是西門子公司新研發(fā)出來的針對(duì)現(xiàn)在電機(jī)控制要求的新型標(biāo)準(zhǔn)變頻器。該變頻器V/f控制成熟穩(wěn)定，擁有較寬的調(diào)速范圍[1]。物理接口主要為輸入接口和輸出接口，電路設(shè)計(jì)有主電路和控制電路兩個(gè)部分。

3.2 PLC的型號(hào)選擇

選擇了S7-200 PLC（CPU224XP）來設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。可代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器實(shí)施簡單有效地控制操作，上可用來組成高級(jí)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的一個(gè)重要部分。

3.3 開環(huán)控制實(shí)戰(zhàn)方案

用開環(huán)設(shè)計(jì)就能簡單有效的控制三相電機(jī)調(diào)速調(diào)向控制，通過對(duì)西門子MM420變頻器和西門子PLC的CPU224XP硬件著手分析，提出模擬量多段速控制方案。

模擬量多段速控制是利用變頻器模擬量頻率給定功能，變頻可通過參數(shù)設(shè)定通過外部正負(fù)模擬量輸入端口接受電壓或電流的信號(hào)，其信號(hào)范圍如“4到20mA”內(nèi)的所有的點(diǎn)與頻率范圍“0到50Hz”所有的點(diǎn)，一一對(duì)應(yīng)，從而可以實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速。當(dāng)然，我們也可以取其中若干的點(diǎn)，制作成有級(jí)調(diào)速。

（1）外部電路設(shè)計(jì)（圖1）。（2）變頻器設(shè)定：MM420通過接收模擬量輸入的電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速的控制。DIN1、DIN2、DIN3此三個(gè)數(shù)字量可通過修改變頻器參數(shù)，改變數(shù)字量端口的功能，完成接通，停止，正反轉(zhuǎn)的命令。取單極性電壓（0到10V）作為模擬量信號(hào)，設(shè)置參數(shù)之前，還需將變頻器自身外部DIP開關(guān)置于“off”位置，因?yàn)椤皁n”代表的是電流信號(hào)。（3）PLC程序設(shè)計(jì)：本程序取了CPU224XP單極性電壓模擬量輸出里面的1V到10V平均10個(gè)點(diǎn)，從而變成了有級(jí)調(diào)速，因?yàn)槭情_環(huán)調(diào)速，做成10段速，便于精準(zhǔn)控制。第一次啟動(dòng)電機(jī)時(shí)，設(shè)定為25Hz的中間保護(hù)速度。除反轉(zhuǎn)按鈕外其他按鈕均為自復(fù)位按鈕，各個(gè)按鈕意義明確，包含了“開通，停止，加速，減速，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)”這些電機(jī)控制的所有基本功能[2]。在達(dá)到最低或最高速時(shí)，有報(bào)警信號(hào)并取消減速或加速的功能。

4 上位機(jī)組態(tài)遠(yuǎn)程控制

4.1 控制要求

按啟動(dòng)按鈕，電機(jī)啟動(dòng)且轉(zhuǎn)速達(dá)到最大速度的一半；按調(diào)速按鈕可以對(duì)電機(jī)加速減速；按下反轉(zhuǎn)按鈕電機(jī)可反轉(zhuǎn)；按停止按鈕電機(jī)依慣性自由停止。

4.2 基于模擬量控制的組態(tài)王控制程序

程序說明：程序和源程序基本相似，只是將實(shí)際的輸入I變量變成內(nèi)部存儲(chǔ)變量以方便“組態(tài)王”軟件動(dòng)畫調(diào)用，最后加了一個(gè)用于顯示當(dāng)前設(shè)定的速度值的程序。

4.3 組態(tài)監(jiān)控項(xiàng)目

（1）新建項(xiàng)目工程，項(xiàng)目及工程名稱都為“基于PLC的三相電機(jī)調(diào)速調(diào)向”。（2）新建一個(gè)控制設(shè)備，雙擊進(jìn)入項(xiàng)目工程新建設(shè)備找到“PLC S7-200系列PPI”，新建后設(shè)備名稱可以取為“S7_200_PLC_ 224XP”，串口選擇“COM4”，定義PLC地址為“2”。（3）添加變量數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)庫中新建數(shù)據(jù)詞典項(xiàng)目里添加各種變量。（4）添加圖形畫面并動(dòng)畫連接，名稱可以取為“My_work_1”選擇合適的按鈕和指示燈后，再進(jìn)行調(diào)用變量，顏色設(shè)置等操作進(jìn)行動(dòng)畫連接最后保存，見圖2。（5）在運(yùn)行系統(tǒng)里面調(diào)用上一步已經(jīng)制作結(jié)束的動(dòng)畫，設(shè)置運(yùn)行系統(tǒng)在主畫面配置里調(diào)用“My_work_1”。（6）回到畫面開發(fā)系統(tǒng)，切換到“View”界面就可以運(yùn)行。

4.4 運(yùn)行調(diào)試

（1）進(jìn)入“View”界面，轉(zhuǎn)速等級(jí)為5，電機(jī)指示燈為紅色，處于停止?fàn)顟B(tài)。（2）點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕電機(jī)啟動(dòng)，按加速按鈕調(diào)速，最大速度后不能再調(diào)，而且最高速度報(bào)警燈亮，其他功能如減速，點(diǎn)動(dòng)，反轉(zhuǎn)等功能均正常。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)一個(gè)基于PLC的電機(jī)控制系統(tǒng)，控制核心為可編程邏輯控制器，用西門子的可編程控制器及應(yīng)用軟件，與變頻器相連，傳送控制指令實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟停等功能，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]王雁博.基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西安文理學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，20（04）：39-41.

[2]李錦花.基于PLC的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)研究[J].電子測(cè)試，2017，（23）：13-14.

Abstract：Asynchronous motors are widely used because of their simple structure and reliable operation. However， the difficulty of speed regulation is an important problem that puzzles the application of asynchronous motors. Based on the PLC technology， the frequency control system is composed of frequency converter to realize the speed regulation and direction control of the three-phase asynchronous motor. The logic controller controls the frequency converter to change the three-phase power to control the effect of the motor.

Key words：three phase asynchronous motor； motor control； PLC； frequency converter