基于可編程邏輯控制器的變頻調(diào)速系統(tǒng)研究

鄭田娟

摘 ?要： 以電機(jī)測速為設(shè)計(jì)目標(biāo)，構(gòu)建基于可編程邏輯控制器（PLC），結(jié)合傳感器、變頻器、觸摸屏、組態(tài)軟件等對電動機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速、測速的試驗(yàn)系統(tǒng)研究。根據(jù)實(shí)際情況建立速度?時間曲線模型，利用模擬量輸出模塊FX0N?3A把模擬信號輸出給變頻器控制電機(jī)的實(shí)時轉(zhuǎn)速，觸摸屏實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制實(shí)際轉(zhuǎn)速。通過該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)變頻測速遠(yuǎn)程控制，并對故障進(jìn)行報(bào)警，保證電機(jī)按照實(shí)際要求運(yùn)行。

關(guān)鍵詞： PLC; 變頻器; 調(diào)速; 組態(tài)軟件; 遠(yuǎn)程控制; 測試驗(yàn)證

中圖分類號： TN98?34; TP391 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）19?0164?04

Abstract： ?Since the motor speed detection is taken as the design goal， a testing system is built based on PLC （programmable logic controller）， combining with sensor， frequency converter， touch screen， configuration software， etc.， to carry out variable?frequency speed regulation and speed detection of motors. The velocity?time curve model is established according to the actual situation. The analog signal is output to the frequency converter to control the real?time speed of the motor by means of the analog output module FX0N?3A. The purpose of remote control of the actual speed is achieved by using touch screen. The requirements of remote control of variable?frequency conversion speed detection and the fault alarm are realized in the research of the proposed system， which ensures the motor running in accordance with the actual requirements.

Keywords： PLC; frequency converter; speed regulation; configuration software; remote control; testing verification

0 ?引 ?言

隨著電力電子技術(shù)以及控制技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速在工業(yè)電機(jī)拖動領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用?？删幊炭刂破鱌LC作為替代繼電器的新型控制裝置，簡單可靠、操作方便、通用靈活、體積小、使用壽命長且功能強(qiáng)大，容易使用、可靠性高，常常被用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備的控制。組態(tài)軟件技術(shù)作為用戶可定制功能的軟件平臺工具，可實(shí)時顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速，可進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)速控制，在PC機(jī)上可開發(fā)出友好的人機(jī)界面，通過PLC可以對自動化設(shè)備進(jìn)行“智能”控制;觸摸屏是一種全新的、多媒體人機(jī)交互設(shè)備，用戶只要用手指輕輕地觸摸計(jì)算機(jī)顯示屏上的圖形或文字就能實(shí)現(xiàn)對主機(jī)操作，使人機(jī)交互更為直接。這些技術(shù)的發(fā)展不僅實(shí)現(xiàn)了自動化生產(chǎn)過程的遠(yuǎn)程控制，也為變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用研究帶來了極大的空間。

1 ?變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)總方案

變頻調(diào)速系統(tǒng)采用軟硬件結(jié)合，構(gòu)建基于可編程邏輯控制器（PLC）。結(jié)合傳感器、變頻器、組態(tài)技術(shù)，觸摸屏對電動機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速、測速的試驗(yàn)系統(tǒng)中，PLC是控制中心，采用三菱公司的FR2N?48MR型號;控制終端執(zhí)行部件變頻器采用三菱FR?E740?1.5K變頻器，由變頻器帶動三相交流異步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，可以利用PLC改變電機(jī)正反轉(zhuǎn)及利用組態(tài)軟件計(jì)劃曲線功能實(shí)現(xiàn)分段調(diào)整運(yùn)行速度的目的;選配FX0N?3A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊（D/A），實(shí)現(xiàn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行。再利用傳感器來檢測信號，反映變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)速度的快慢，實(shí)現(xiàn)速度反饋等。在組態(tài)中實(shí)現(xiàn)計(jì)劃速度給定值和轉(zhuǎn)速反饋測量值的顯示與比較誤差，編寫腳本程序?qū)收线M(jìn)行報(bào)警顯示。最后連接好觸摸屏的外圍接線。通過該系統(tǒng)的完整設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)變頻測速遠(yuǎn)程控制的要求，保證電機(jī)按照實(shí)際要求運(yùn)行的可靠性?？傮w設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

2 ?變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一般的測速設(shè)計(jì)可以使 PLC控制的工業(yè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變簡單、降低成本、提高精度和運(yùn)行的可靠性，可以推廣到日常生產(chǎn)的數(shù)控加工等高可靠性的工業(yè)控制系統(tǒng)中進(jìn)行轉(zhuǎn)速信號測量。

將觸摸屏應(yīng)用在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，可以提高調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)用性和靈活性，操作簡便、直觀，利用觸摸屏遠(yuǎn)程控制電機(jī)的啟動、停止。在電機(jī)啟動后，傳感器測速系統(tǒng)將轉(zhuǎn)速信號反饋給PLC，PLC再將對應(yīng)的模擬量輸出給觸摸屏。觸摸屏實(shí)時顯示對應(yīng)的轉(zhuǎn)速值和轉(zhuǎn)速波形，通過觀察觸摸屏上的數(shù)值和轉(zhuǎn)速波形，可以判斷電機(jī)是否按照設(shè)定的要求運(yùn)轉(zhuǎn)。

電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行曲線如圖2所示。通過觸摸屏TPC與PLC、變頻器的通信連接，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

2.1 ?PLC設(shè)計(jì)

PLC程序如圖3所示。一旦通電，M8000閉合，數(shù)據(jù)寄存器D5存放計(jì)劃曲線的給定速度值，先經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，處理為輸入對應(yīng)的電壓信號，處理后的值存放在D7中，這時按下X1啟動按鈕，M0得電自鎖，M0常開觸點(diǎn)閉合，把D7的值寫入通道16中，也就是寫入D/A轉(zhuǎn)換的值，同時，使#17對應(yīng)[b2]的值為1，然后再使#17對應(yīng)[b2]的值為0，獲得下降沿，啟動D/A轉(zhuǎn)換，判斷如果D5的值小于0，Y1得電反轉(zhuǎn)啟動，判斷如果D5的值大于0，Y2得電正轉(zhuǎn)啟動，按下X2電機(jī)停止。

2.2 ?變頻器參數(shù)設(shè)置

變頻器主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

變頻器與PLC的硬件線路連接如圖4，圖5所示。

變頻器與PLC的硬件線路連接時：PLC的輸出Y1接變頻器的開關(guān)量控制端子STR，代表Y1得電，變頻器STR有效，電機(jī)反轉(zhuǎn)啟動;PLC的輸出Y2接變頻器的開關(guān)量控制端子STF，代表Y2得電，變頻器STF有效，電機(jī)正轉(zhuǎn)啟動。注意COM接到SD上。頻率信號輸入主要是通過FX0N?3A模塊把轉(zhuǎn)換后的模擬電壓信號，通過輸出VOUT端子接到變頻器的模擬電壓輸入端子2上，F(xiàn)X0N?3A模塊的COM端子接到變頻器的模擬輸入公共端子5上。因?yàn)槟M信號抗干擾能力差，可以加上屏蔽線，但注意，屏蔽線的地要接到5號端子上，而不是接到變頻器的接地端子。

2.3 ?運(yùn)行調(diào)試

將組態(tài)程序下載到TPC7062K上，再將TPC7062K嵌入式一體化觸摸屏與三菱FX2N?48MR的PLC相連接，連接好后，即可進(jìn)行TPC+PLC+變頻器的速度調(diào)節(jié)控制。將編寫好的PLC程序下載到三菱FX2N?48MR， PLC把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，通過FX0N?3A模塊，用0～10 V的模擬電壓信號控制變頻器，按照給定的模擬量信號進(jìn)行頻率的輸出，帶動電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，可以看到計(jì)劃曲線是否按照自己設(shè)定的曲線進(jìn)行運(yùn)行。系統(tǒng)軟件界面如圖6所示。同時，還可以把曲線對應(yīng)的組態(tài)數(shù)據(jù)通過一個輸入框顯示出來，與后面測速系統(tǒng)組態(tài)顯示的轉(zhuǎn)速值比較，誤差較大時，顯示故障報(bào)警。

本項(xiàng)目主要從變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，有級分段調(diào)速與無級模擬調(diào)速的應(yīng)用入手，根據(jù)電機(jī)運(yùn)行的給定值曲線，利用組態(tài)軟件中的計(jì)劃曲線功能進(jìn)行數(shù)字量調(diào)速的分析與設(shè)計(jì)，接著結(jié)合數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊FX0N?3A的實(shí)際應(yīng)用，從與變頻器及PLC的外圍接線入手，設(shè)置好變頻器的參數(shù)，再利用PLC程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)換，控制電機(jī)的啟停與正反轉(zhuǎn)。最后，對系統(tǒng)硬軟件運(yùn)行調(diào)試，給出系統(tǒng)運(yùn)行的界面，觀察電機(jī)是否按照實(shí)際曲線運(yùn)行。

3 ?測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于使用普通計(jì)數(shù)器的檢測范圍有限，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差較大，為了解決這一問題，直接改成使用高速計(jì)數(shù)器，在實(shí)驗(yàn)過程中，將脈沖信號輸入到PLC的高速輸入端X0上（X0為高速輸入端，其最高頻率為2 kHz）， 再利用PLC的測速功能指令“SPD”將100 ms中的脈沖數(shù)存入PLC數(shù)據(jù)單元D0中，然后再根據(jù)M法測速公式，由PLC計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。該測量方法無需使用定時器功能，只需讀取高速計(jì)數(shù)器當(dāng)中的數(shù)據(jù)便可以計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速，程序結(jié)構(gòu)簡潔明了，效率高。

3.1 ?硬件電路和電氣控制系統(tǒng)接線圖

根據(jù)實(shí)際PLC模塊，I/O分配表和I/O接線圖連接PLC各模塊，并通過PC機(jī)聯(lián)機(jī)，實(shí)現(xiàn)程序控制要求。單擊“啟動”按鈕，啟動電機(jī)，電機(jī)開始工作，傳感器檢測磁片并將獲得的信號傳送到PLC中，PLC中計(jì)數(shù)器開始工作，在PC機(jī)上計(jì)算轉(zhuǎn)速。

3.2 ?梯形圖程序

根據(jù)控制要求、I/O分配表，利用SPD速度檢測指令將100 ms中的脈沖數(shù)存入PLC數(shù)據(jù)單元D0中，然后再根據(jù)M法測速公式，編寫PLC程序，計(jì)算出測量速度值。即先利用MULP乘法指令將D0乘以60，存到D1，再用除法指令MULP將D1值除以6（每轉(zhuǎn)6個脈沖）存放到D2中，最后D2除以100（計(jì)時時間）后的值存到數(shù)據(jù)單元D3中，其中D3為速度測量結(jié)果。主要對檢測元件傳感器的選型、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程圖進(jìn)行分析闡述，同時對軟硬件進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)分析。首先分析測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟及流程，然后，對硬件計(jì)數(shù)器及軟件速度檢測指令進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，接下來，結(jié)合測速的實(shí)時性及精度要求進(jìn)行分析，確定最終測速方案，分析PLC的I/O地址分配，編寫測速程序，并進(jìn)行硬件電路的接線。

4 ?系統(tǒng)現(xiàn)場測試與驗(yàn)證

在完成基本的調(diào)速系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)后，對系統(tǒng)的測速方案做了比較深入的研究，并對系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能進(jìn)行了詳細(xì)的測試驗(yàn)證。現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)測試證明，本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速測速系統(tǒng)可以很好地利用一體化觸摸屏實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的模擬量連續(xù)調(diào)速功能，實(shí)現(xiàn)真正意義上的無極調(diào)速，并與轉(zhuǎn)速測量值比較，顯示在組態(tài)中。對于誤差較大的故障情況，編寫相應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)報(bào)警功能，并可以通過PLC對故障情況進(jìn)行停機(jī)處理。利用組態(tài)軟件建立電機(jī)測速組態(tài)顯示界面。通過監(jiān)控軟件監(jiān)控現(xiàn)場運(yùn)行界面，啟動按鈕，使得轉(zhuǎn)動源開始工作，霍爾傳感器測的脈沖信號輸入到PLC中，PLC獲得脈沖并通過計(jì)算得到轉(zhuǎn)速顯示在組態(tài)中。根據(jù)觸摸屏實(shí)際調(diào)速系統(tǒng)對電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的精度，電機(jī)測速本身的準(zhǔn)確度，電機(jī)可能出現(xiàn)的故障情況，對給定轉(zhuǎn)速值與測量值誤差較大及電機(jī)不正常運(yùn)行情況進(jìn)行分析，利用組態(tài)軟件編寫腳本程序，實(shí)現(xiàn)誤差顯示與報(bào)警功能。在循環(huán)策略里編寫程序，即前面已完成的設(shè)計(jì)中D5存放的是給定值，D3存放的是測量值，如果測量值小于等于給定值的0.95，或測量值大于等于給定值的1.05，讓故障報(bào)警燈亮，用M2開關(guān)量控制故障報(bào)警燈。

在MCGS環(huán)境中，一般正常運(yùn)行時，組態(tài)顯示界面如圖7所示。即此時當(dāng)速度給定值為1 133，速度測量值顯示1 133，說明是電機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)，故障報(bào)警燈處于正常顯示狀態(tài)，顯示青色。

當(dāng)測量值小于0.95給定值，如速度給定值為1 133，速度測量值顯示1 050，說明是電機(jī)故障狀態(tài)，故障報(bào)警燈處于報(bào)警狀態(tài)，顯示紅色。故障顯示界面如圖8a）所示。當(dāng)測量值大于1.05給定值，如速度給定值為1 133，速度測量值顯示1 200，電機(jī)也處于故障狀態(tài)，故障報(bào)警燈處于報(bào)警狀態(tài)，顯示紅色。故障顯示界面如圖8b）所示。

在腳本程序中用M2代表故障報(bào)警燈，所以數(shù)據(jù)對象設(shè)置中，利用M2開關(guān)量控制故障報(bào)警顯示。PLC測試程序加上[M2]，X001為啟動按鈕，X002為停止按鈕，故障顯示燈亮?xí)r，[M2]動作，電機(jī)停止。

5 ?結(jié) ?語

綜上所述，基于PLC和變頻器的電動機(jī)的變頻調(diào)速測速系統(tǒng)是一個涉及多種器件并運(yùn)用綜合知識體系完成的一個項(xiàng)目，系統(tǒng)完全移植采用現(xiàn)實(shí)工業(yè)設(shè)備與工業(yè)控制方案，通過其系統(tǒng)構(gòu)建、軟件編程、組態(tài)設(shè)計(jì)、控制整定以及調(diào)試運(yùn)行等對典型工業(yè)分布式控制系統(tǒng)進(jìn)行完整開發(fā)。采用PC和PLC上、下位機(jī)聯(lián)合方式實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的良好交互性，使得操作員能更加方便快捷地進(jìn)行操作。利用PLC的各項(xiàng)強(qiáng)大功能，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)參數(shù)的測量和控制。除可以連接觸摸屏的直接調(diào)控外，也可通過PC對PLC的控制實(shí)現(xiàn)調(diào)控，具有極強(qiáng)的糾錯功能和故障報(bào)警能力，為操作員的及時監(jiān)控和參數(shù)修改提供了快捷途徑。

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