PLC控制電機(jī)變頻調(diào)速試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

霍海波

摘 要：PLC（可編程控制器）是一種高性能、高效率與高精度的裝置，具有操作便捷、性能可靠、人機(jī)交互、壽命長(zhǎng)以及通用靈活等優(yōu)點(diǎn)，作為繼電器的替代裝置被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集以及設(shè)備控制環(huán)節(jié)中，滿足用戶的定制功能需求。本文基于PLC控制器組態(tài)軟件技術(shù)、變頻器等進(jìn)行了電機(jī)變頻調(diào)速試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，旨在為PLC在變頻調(diào)速中的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：可編程控制器;組態(tài)軟件技術(shù);變頻器

中圖分類號(hào)：TM921.51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）14-0080-03

Design and Implementation of Frequency Conversion Speed Regulation

Test System for Motor Controlled by PLC

HUO Haibo

（Sanmenxia Polytechnic，Sanmenxia Henan 472000）

Abstract： PLC （Programmable Logic Controller） is a kind of device with high performance， high efficiency and high precision. It has the advantages of convenient operation， reliable performance， human-computer interaction， long life and general flexibility. As an alternative device of relay， it is widely used in the field data acquisition and equipment control links to meet the user's customization function. Demand. Based on the configuration software technology of PLC controller and frequency converter， this paper designed and implements the test system of motor frequency conversion speed regulation， aiming at providing reference for the application of PLC in frequency conversion speed regulation.

Keywords： Programmable Logic Controller;configuration software technology;frequency converter

可編程程序控制器（PLC）的核心在于微處理器，具有豐富的輸入和輸出接口，驅(qū)動(dòng)力極強(qiáng)。PLC的軟件需要根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，硬件則需要根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇和配置。隨著PLC的運(yùn)用和發(fā)展，其已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域最受歡迎的一種控制器[1]。PLC不僅能滿足自動(dòng)化控制的客觀需求，同時(shí)其自身具有的優(yōu)勢(shì)可以更好地解決工業(yè)領(lǐng)域關(guān)注的問題，如可靠性、靈活性、安全性、方便性等。變頻器可實(shí)現(xiàn)電機(jī)供電電壓與供電頻率的改變，能有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能，且將其應(yīng)用在生產(chǎn)中可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。將可編程程序控制器與變頻器應(yīng)用于工業(yè)電機(jī)領(lǐng)域中，能夠滿足用戶的定制功能需求，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制或者調(diào)速控制。

1 PLC控制器變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)

第一，PLC能夠?qū)崿F(xiàn)變頻調(diào)速，且能節(jié)約能源。傳統(tǒng)的控制技術(shù)雖然耗電功率并不高，但負(fù)載量大，占據(jù)了電機(jī)大部分的容量，因此，提高電機(jī)的節(jié)能性具有重要意義。通過PLC控制器的應(yīng)用，能夠?qū)Ω鱾€(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)備進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)良好的節(jié)能減排效果。相關(guān)研究調(diào)查顯示，PLC控制節(jié)能效率可達(dá)30%～60%，為企業(yè)發(fā)展節(jié)省大量的成本[2]。

第二，PLC控制器方便對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行制動(dòng)進(jìn)行控制。將PLC控制器應(yīng)用于電機(jī)中可以很快地實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，進(jìn)而避免或者減少電機(jī)因沖擊電流受到的影響，并且能較好地避免電機(jī)燒毀的情況。PLC控制器應(yīng)用在變頻調(diào)速中，可以自行設(shè)定加速和減速的時(shí)間。由于PLC控制器下初始啟動(dòng)階段的電流并不大，因此在較高頻率狀態(tài)下也可完成啟?？刂啤LC控制器自身具備回路制動(dòng)功能，一部分能量由制動(dòng)電阻消耗，一部分能量反饋回供電系統(tǒng)中，但這種方式將導(dǎo)致成本投入增加。PLC控制器用于變頻調(diào)節(jié)可進(jìn)行部分直流制動(dòng)，通常是將直流電壓附加于電動(dòng)機(jī)中，最終實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

第三，PLC控制器可顯著提高電機(jī)的效率。PLC控制器被廣泛應(yīng)用于傳送、機(jī)床和起重等機(jī)械設(shè)備中，能提高電機(jī)等設(shè)備的使用效率。

第四，PLC控制器變頻調(diào)速精度非常高，是基于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與控制技術(shù)等多種技術(shù)的。變頻調(diào)速系統(tǒng)的綜合性、系統(tǒng)性非常強(qiáng)，能較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的變頻調(diào)速，且對(duì)速度的控制十分精準(zhǔn)。

第五，PLC控制器具有自我保護(hù)功能。PLC控制器在工作過程中，可以對(duì)自身出現(xiàn)的故障進(jìn)行檢測(cè)和預(yù)警，并及時(shí)找到故障原因，提出維修措施，讓設(shè)備及時(shí)恢復(fù)正常運(yùn)行。同時(shí)，可以對(duì)變頻器和電機(jī)進(jìn)行有效保護(hù)，避免其受到人為與自然因素的破壞。

2 PLC控制電機(jī)變頻調(diào)速試驗(yàn)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

以驅(qū)動(dòng)物料皮帶的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)攪拌罐的電機(jī)為例。

2.1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的目標(biāo)要求

①要求能在PC界面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)的啟動(dòng)和停止;②現(xiàn)場(chǎng)工藝流程可瀏覽;③電機(jī)頻率可根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行設(shè)置，電子具備自行調(diào)速功能;④操作界面可顯示變頻器故障信息;⑤物料倉(cāng)無(wú)物料狀態(tài)檢測(cè)可顯示;⑥物料倉(cāng)電磁閥可打開與關(guān)閉;⑦顯示電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)的數(shù)量與被控制對(duì)象的數(shù)量不大，采用單臺(tái)PLC控制多個(gè)對(duì)象的策略，并保證所選用的PLC具有高性能。同時(shí)，為了方便用戶的使用，在本次試驗(yàn)中每臺(tái)電機(jī)使用一臺(tái)變頻器進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)控制，變頻器控制端的輸入信號(hào)采用輸出的模擬信號(hào)。變頻調(diào)速器具有自我保護(hù)、電機(jī)保護(hù)功能，能接收PLC信號(hào)并控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)將工作狀態(tài)信號(hào)反饋到PLC中，進(jìn)而能在故障出現(xiàn)的第一時(shí)間及時(shí)將報(bào)警信號(hào)反饋到PLC與上位機(jī)中。為了成功實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，關(guān)鍵在于改變電動(dòng)機(jī)定子的供電頻率，進(jìn)而改變同步轉(zhuǎn)速。在調(diào)速中，高速改變到低速可保證有限的轉(zhuǎn)差功率，從而使調(diào)速性能的效率更高、范圍更寬、精度更高。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.3 控制策略

此次所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用閉環(huán)控制策略（見圖2），輸入和輸出信號(hào)采用反饋信號(hào)和輸入信號(hào)，經(jīng)正反饋或負(fù)反饋運(yùn)算后生成新的信號(hào)，并輸入系統(tǒng)中。該控制策略精度高，能控制輸出值在要求范圍內(nèi)。

2.4 硬件設(shè)計(jì)

2.4.1 上位機(jī)。為了保證控制系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互功能，采用觸摸式PC作為PLC的上位機(jī)。

2.4.2 微處理器。微處理器（CPU）是PLC變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心，如同人體的中樞系統(tǒng)一樣。PLC變頻調(diào)速系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)都依賴于CPU的指揮和調(diào)節(jié)。PLC通常采用的CPU微處理器主要有三種類型：一是單片機(jī);二是通用式處理器;三是位片式微處理器。其中，單片機(jī)主要有8031型、8051型處理器;通用式處理器包括8位機(jī)和16位機(jī)等;位片式微處理器主要有AMD2901型、AMD2903型等。通常情況下，中型PLC控制器采用的是單片機(jī)或者是16位通用式微處理器，而大型的PLC控制器，則采用位片式微處理器。

2.4.3 變頻器。電機(jī)由變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)，一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)情況下，要確保變頻器的容量高于所驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的額定功率，根據(jù)相應(yīng)的公式計(jì)算出連續(xù)恒負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的變頻器容量。本次設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)傳送帶的電機(jī)屬于有載啟動(dòng)類型，電機(jī)軸上功率需要14kW，按照1.5倍容量進(jìn)行變頻器的選擇，其功率應(yīng)達(dá)到21kW以上;驅(qū)動(dòng)攪拌罐電機(jī)軸上功率20kW，選擇1.5倍容量變頻器，其功率要達(dá)到30kW以上。

2.4.4 存儲(chǔ)器。PLC變頻調(diào)速系統(tǒng)的存儲(chǔ)器有系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器兩種。其中，系統(tǒng)存儲(chǔ)器主要是用于系統(tǒng)性的應(yīng)用程序;用戶存儲(chǔ)器則是在使用過程中對(duì)用戶編制代碼。PLC變頻調(diào)速系統(tǒng)的存儲(chǔ)器要具有造價(jià)低、能耗低且使用壽命較長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)。

2.4.5 編程器。編程器是PLC變頻調(diào)速系統(tǒng)重要的外圍設(shè)備，可以為用戶提供程序?qū)懽髌脚_(tái)，同時(shí)可對(duì)所寫的程序進(jìn)行調(diào)試檢查。編程器包含圖形編輯器和簡(jiǎn)易編輯器。簡(jiǎn)易編程器的功能較少，適用于小型PLC變頻調(diào)速系統(tǒng);圖形編程器可以進(jìn)行指令編程、脫機(jī)和聯(lián)機(jī)編程及梯形圖編程，具有功能強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

2.4.6 I/O擴(kuò)展單元。I/O擴(kuò)展單元完成輸入和輸出點(diǎn)的擴(kuò)展，如果輸出點(diǎn)數(shù)高于PLC規(guī)定的要求，則利用該擴(kuò)展單元進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)展，讓最終的輸出點(diǎn)數(shù)符合PLC的要求范圍。

2.5 軟件設(shè)計(jì)

2.5.1 上位機(jī)采用的軟件。系統(tǒng)要求上位機(jī)能直接控制電機(jī)啟動(dòng)/停止，方便打開/關(guān)閉物料倉(cāng)電磁閥，便于設(shè)定電機(jī)頻率。同時(shí)，對(duì)下位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)時(shí)反映電機(jī)運(yùn)行的速度和物料情況，同時(shí)顯示變頻器的故障信息。該系統(tǒng)的配置最低要求如下。CPU：PⅢ 1G，內(nèi)存256M，與下位PLC之間的通信采用485BD通信用板?？刂葡到y(tǒng)軟件采用組態(tài)軟件，組態(tài)軟件為一組功能強(qiáng)大的軟件包，人機(jī)交互界面友好，并且不用編寫代碼程序便可滿足自身的需求，組態(tài)軟件具有開發(fā)靈活簡(jiǎn)便所開發(fā)產(chǎn)品畫面豐富生動(dòng)的特點(diǎn)，可應(yīng)用于儀表控制表溫、回路調(diào)節(jié)圖、實(shí)時(shí)曲線等工業(yè)控制中。此外，組態(tài)軟件用于工業(yè)控制系統(tǒng)軟件中，可以顯著提高軟件系統(tǒng)開發(fā)速度，確保系統(tǒng)軟件的可靠性、成熟性和易維護(hù)性。

2.5.2 上位機(jī)和PLC之間的通信。①軟件實(shí)現(xiàn)：通過變量實(shí)現(xiàn)PLC和PC之間的通信，變量為二者之間數(shù)據(jù)交換的最重要一種的通信方式;②硬件：上位機(jī)PC通過通信接口FX-232A模塊與PLC串行通信接口連接，對(duì)PLC進(jìn)行集中監(jiān)控和管理;③組態(tài)王建立新工程的一般過程：第一，定義畫面（設(shè)計(jì)圖形界面）;第二，定義設(shè)備;第三，定義變量;第四，建立動(dòng)畫鏈接;第五，運(yùn)行和調(diào)試。

2.5.3 變頻器和PLC之間的通信。變頻器和PLC之間的通信通過兩對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行連接，主要包括變頻器SDA與PLC通信板RDA連接，采用RDB連接實(shí)現(xiàn)變頻器SDB與PLC通信，RDA與PLC通信板SDA連接，RDB與PLC通信板SDB連接，SG與PLC通信板SG連接。

2.5.4 PLC程序。PLC程序設(shè)計(jì)分為4個(gè)模塊，即按鈕處理模塊（負(fù)責(zé)處理各電機(jī)與電磁閥的啟/?？刂疲?、報(bào)警處理模塊、變頻器設(shè)定模塊和變頻器給定模塊。

2.5.5 擴(kuò)展模塊。PLC的種類繁多，因此，要根據(jù)需要選擇合適的PLC，選擇流程如下。第一，定義PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，包括模擬量、開關(guān)量與特殊功能模塊;第二，建立I/O分配表，繪制PLC輸入及輸出線路圖;第三，根據(jù)流程圖制作用戶程序，裝入存儲(chǔ)器并進(jìn)行初步測(cè)試。

3 系統(tǒng)的抗干擾措施

①分開敷設(shè)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的電力電纜;②必要時(shí)，所選用的輸入/輸出信號(hào)的電纜要帶有屏蔽層，并且讓一端接地;③多芯電纜備用芯一端接地，以擴(kuò)大屏蔽效果，并且抑制芯線之間發(fā)生信號(hào)干擾的情況;④同一電平等級(jí)信號(hào)通過一條多芯電纜進(jìn)行傳輸，避免發(fā)生干擾;⑤PLC電柜設(shè)置獨(dú)立的接地線，電阻<10Ω;⑥PLC電纜設(shè)置中要盡可能地避開電磁的干擾;⑦PLC必須安裝于專門電柜中，并注意周圍的環(huán)境是否合適，盡量避免油煙、有腐蝕性氣體。

4 結(jié)語(yǔ)

PLC控制電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)利用PLC技術(shù)、變頻技術(shù)和組態(tài)軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了控制設(shè)備、傳感設(shè)備和電機(jī)的結(jié)合，從而可合理地控制和保障電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

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