PLC變頻調(diào)速器對多電機(jī)系統(tǒng)的控制

王晶超

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

可編程邏輯控制器（PLC）是一種以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字邏輯運(yùn)算控制裝置，雖然PLC 已經(jīng)發(fā)展了很長一段時(shí)間，并且功能已經(jīng)逐漸趨于完善。傳統(tǒng)的對電機(jī)的控制方案缺乏精度，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且還無法實(shí)現(xiàn)對多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行控制的目的，而PLC 具有穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、編程簡單等優(yōu)點(diǎn)，所有被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中。目前PLC 不僅能實(shí)現(xiàn)邏輯控制，而且還能對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的處理和分析，這對于多電機(jī)的控制就更加具有優(yōu)勢了。

1 PLC變頻控制器的特點(diǎn)

由于現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)越來越先進(jìn)，相應(yīng)的耗能也越來越大，為了優(yōu)化電機(jī)的工作性能，避免不必要的浪費(fèi)，因此對于電機(jī)的控制要求也變得越來越高。當(dāng)前為了給生產(chǎn)活動(dòng)提供足夠的能量，通常需要對多臺電機(jī)進(jìn)行供能，而不同的生產(chǎn)線對于能量的需求不同，這就使多臺電機(jī)有可能同時(shí)對一條生產(chǎn)線供能，也有可能各臺電機(jī)以不同的頻率獨(dú)立地對不同的生產(chǎn)線供能，這時(shí)就需要變頻器協(xié)調(diào)各個(gè)電機(jī)的工作。通常1 個(gè)變頻器對應(yīng)1 個(gè)電機(jī)的頻率控制，然而對于多電機(jī)系統(tǒng)來說，這樣就會(huì)產(chǎn)生不必要的浪費(fèi)，而且還會(huì)使控制系統(tǒng)更加復(fù)雜。因此，基于PLC的變頻調(diào)速器應(yīng)運(yùn)而生，PLC 可以通過自身存儲的邏輯運(yùn)算程序，對各臺電機(jī)進(jìn)行控制，以此來優(yōu)化電機(jī)的運(yùn)行過程[1]。PLC 實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制需要4 個(gè)步驟，分別是信息采樣、輸入選擇、內(nèi)部處理以及輸出執(zhí)行，這4 個(gè)步驟構(gòu)成一個(gè)周期。PLC 變頻調(diào)速器還具有很多優(yōu)點(diǎn)，其自身的體積小、結(jié)構(gòu)簡單，所以不會(huì)占用更多的空間，而且便于安裝與維護(hù)，PLC 自帶的模塊化結(jié)構(gòu)，可以使操作更加簡單，而且還能根據(jù)不同需求添加不同的功能模塊，PLC 對于能量的要求不高，所以具有更高的經(jīng)濟(jì)性且抗干擾能力強(qiáng)，適用于工廠中較為復(fù)雜的環(huán)境，PLC 系統(tǒng)的編程也很簡單，只需要具備一定的C 語言知識就能進(jìn)行編程，這使其更具有操作性，而且還能縮短開發(fā)周期。

2 PLC變頻調(diào)速器的構(gòu)成

2.1 變頻器

變頻器就是一種通過改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)電機(jī)輸出頻率的設(shè)備。變頻器由于在交流電動(dòng)機(jī)調(diào)頻工作中的使用越來越頻繁，因此其發(fā)展極為迅速，現(xiàn)今已具備耗能低、效率高、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。

目前變頻器的種類有很多，例如交—交變頻調(diào)速器、交—直—交變頻調(diào)速器、同步電動(dòng)機(jī)自控式變頻調(diào)速器、正弦波脈寬調(diào)制變頻調(diào)速器、矢量控制變頻調(diào)速器等。變頻器最主要的部分有3 個(gè)，分別是整流電路、直流中間電路和逆變電路，通過這些電路的共同運(yùn)作，使變頻器對電機(jī)的控制精度、靈敏度變得越來越高，而且還具有噪音低、低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。對多電機(jī)進(jìn)行控制的變頻調(diào)速器采用的是同步電動(dòng)機(jī)自控式變頻調(diào)速的方法，該種方法調(diào)速范圍廣，而且速度調(diào)節(jié)較為平滑，可以使電機(jī)運(yùn)行的更加穩(wěn)定，可以在轉(zhuǎn)矩和功率不變的條件下實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)整。在對變頻器進(jìn)行選擇時(shí)要注意變頻器的容量是否與電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)相匹配，否則互不兼容就可能出現(xiàn)運(yùn)行問題，并且還要注意并聯(lián)追加投入啟動(dòng)、輕載電動(dòng)機(jī)額定功率等問題。

2.2 可編程邏輯控制器（PLC）

可編程邏輯控制器（PLC）已經(jīng)發(fā)展了很長時(shí)間，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，目前生產(chǎn)可編程邏輯控制器的廠家有很多，例如飛思卡爾、施耐德、歐姆龍等。每個(gè)公司生產(chǎn)的可編程邏輯控制器都有其自身的特點(diǎn)，因此，在可編程邏輯控制器的選擇上就有多種方案。這里對西門子S7 系列的PLC 進(jìn)行簡要分析，S7 系列的PLC 功能較為齊全且操作簡便，很適用于對多個(gè)電機(jī)進(jìn)行控制，并且其自身包含的3 個(gè)程序?qū)τ诙嚯姍C(jī)的控制有很大的幫助。1）誤差分析程序，對于電機(jī)的各個(gè)運(yùn)行參數(shù)來說，沒有一組完全標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)來對應(yīng)電機(jī)的每個(gè)運(yùn)行狀態(tài)，或多或少都會(huì)有波動(dòng)，即使是同一臺電機(jī)也不能做到完全相同，這就導(dǎo)致多電機(jī)共同運(yùn)行時(shí)無法統(tǒng)一，而誤差分析程序可以對這些偏差進(jìn)行監(jiān)控并作出相應(yīng)的調(diào)整，以此來使多電機(jī)的運(yùn)行更加一致[2]。2）PID 控制，PID 控制可以有效地消除系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差，而且還能使系統(tǒng)的響應(yīng)速度得到提升，從而使控制指令更快速精準(zhǔn)。3）模糊控制程序，當(dāng)負(fù)載直接與電機(jī)連接時(shí)，一旦負(fù)載產(chǎn)生擾動(dòng)，僅依靠PID 控制可能無法及時(shí)作出反應(yīng)，而模糊控制程序可以時(shí)刻對電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)變化就能作出反應(yīng)的目標(biāo)，使控制更加精準(zhǔn)。

3 PLC變頻調(diào)速器的設(shè)計(jì)要求

3.1 對于變頻器調(diào)速功能的要求

對于平常的三相異步電動(dòng)機(jī)來說，其運(yùn)行機(jī)理就是當(dāng)三相交流電輸入電機(jī)當(dāng)中時(shí)，繞組產(chǎn)生磁場，使內(nèi)部的轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，只要對電源的頻率進(jìn)行調(diào)整就可以對電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，對繞組的任意兩相進(jìn)行交換，還能夠改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。三相異步電動(dòng)機(jī)中旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速被稱為同步轉(zhuǎn)速，由于在正常的運(yùn)行過程中，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速往往和同步轉(zhuǎn)速有一定差異，所以一定要對電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算，三相異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與同步頻率、轉(zhuǎn)差率、電源頻率、極對數(shù)有關(guān)，對任意參數(shù)進(jìn)行調(diào)整都可以實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速改變，因此，對于變頻器的調(diào)速系統(tǒng)來說，要著重分析和處理這些參數(shù)，這樣才能更好地實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的控制需求[3]。

3.2 PLC變頻調(diào)速器硬件設(shè)計(jì)

在PLC 變頻調(diào)速器中，PLC 是核心硬件，PLC 變頻調(diào)速器把從輸入模塊中收集的運(yùn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為直流式或交流式的電平信號，通過分析采集到的運(yùn)行狀態(tài)來給變頻調(diào)速器下發(fā)反饋指令，以此來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制。在日常的生產(chǎn)活動(dòng)當(dāng)中，工作人員將事先做好的與生產(chǎn)活動(dòng)相對應(yīng)的程序信息存儲到PLC 變頻調(diào)速器的存儲模塊當(dāng)中，PLC 變頻調(diào)速器根據(jù)不同的生產(chǎn)活動(dòng)來控制電機(jī)系統(tǒng)。對于PLC 輸入模塊的配置，要考慮傳輸量、信號電壓大小等因素。另外就是數(shù)字模擬轉(zhuǎn)化模塊，其是對不同種類的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化傳遞的關(guān)鍵，所以要合理地對數(shù)字模擬轉(zhuǎn)化模塊進(jìn)行配置，這樣才能使多電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行更加協(xié)調(diào)。

3.3 PLC變頻調(diào)速器軟件設(shè)計(jì)

PLC 變頻調(diào)速器所使用的編程環(huán)境通常為STEP7-Micro/WIN V4.0 SP4，STEP7-Micro/WIN 指令庫Library 以及USS Protocol V2.2 等。PLC 通過發(fā)出電信號的方式對變頻調(diào)速器進(jìn)行控制，通信系統(tǒng)就是實(shí)現(xiàn)對變頻調(diào)速器有效控制的關(guān)鍵部分。通信系統(tǒng)采用子程序的方式進(jìn)行編制，通過調(diào)用相對應(yīng)的子程序?qū)崿F(xiàn)對變頻調(diào)速器的控制。當(dāng)PLC 變頻調(diào)速器啟動(dòng)后，開始對電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行掃描，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)周期結(jié)束后，設(shè)置發(fā)送標(biāo)志和復(fù)位接收完成信號，然后將點(diǎn)擊運(yùn)行參數(shù)設(shè)置成USS 協(xié)議格式進(jìn)行發(fā)送，然后再對變頻器和電機(jī)的狀態(tài)盡行掃描，最后再對運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析并下達(dá)不同的調(diào)整指令。

3.4 通信協(xié)議的選擇

通信協(xié)議是指雙方實(shí)體完成通信或服務(wù)所必須遵循的規(guī)則和約定，它也是人和PLC 之間進(jìn)行信息交互的規(guī)則。選用一個(gè)合適的通信協(xié)議有助于PLC 合理完成某一項(xiàng)工作。除了一些通用的PLC 通信協(xié)議外，不同的PLC 廠商都有著各自加密的通信協(xié)議，例如美系廠家Rockwell 生產(chǎn)的PLC支持DF1 協(xié)議，AB 的PLC 還支持OPC 和DDE 協(xié)議，而GE 的PLC 則支持SNP 協(xié)議。而我們所舉的西門子S7 系列的PLC 則支持PPI 協(xié)議、MPI 協(xié)議以及USS 協(xié)議，目前西門子生產(chǎn)的PLC 最常用的就是PPI 協(xié)議，主機(jī)向輔機(jī)發(fā)出信號后，輔機(jī)進(jìn)行響應(yīng)，但輔機(jī)不能主動(dòng)向主機(jī)發(fā)出信號，對于多電機(jī)的控制系統(tǒng)，這樣的控制模式缺陷很大，因此PPI 協(xié)議不適用多電機(jī)的控制系統(tǒng)。而在USS 協(xié)議中，變頻器可以通過子程序?qū)㈦姍C(jī)的預(yù)定參數(shù)寫入 USS 協(xié)議中，并將協(xié)議指令發(fā)送給主程序，因此其更適用于多電機(jī)的控制系統(tǒng)。

4 PLC 變頻調(diào)速器對多電機(jī)控制的方案

對于多臺電機(jī)運(yùn)行的系統(tǒng)來說，其控制方案主要有3種。1）并聯(lián)控制，這種控制也很好理解，就是PLC 變頻調(diào)速器給出一個(gè)信號，所有的電機(jī)都會(huì)接到信號并改變運(yùn)行狀態(tài)，雖然并聯(lián)系統(tǒng)傳遞給各個(gè)電機(jī)的信號還是會(huì)有特別短暫的延遲，但不影響運(yùn)行，可以忽略不計(jì)，然而對于并聯(lián)系統(tǒng)來說，一旦其中的某一個(gè)電機(jī)停止運(yùn)行，會(huì)給其他電機(jī)帶了沖擊，影響其他電機(jī)的穩(wěn)定性，因此，這種控制方案并不適用于復(fù)雜的工作環(huán)境當(dāng)中。2）串聯(lián)控制，串聯(lián)控制最大的問題就是會(huì)使輸入信號遲滯，而且越靠后的電機(jī)接收到信號的時(shí)間就越晚，而且當(dāng)1 臺電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，就可能使整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)停止工作，因此，串聯(lián)并不適用于對多臺電機(jī)的自動(dòng)控制。3）補(bǔ)償控制，首先在PLC 變頻控制器對各個(gè)電機(jī)下達(dá)統(tǒng)一信號的同時(shí)，系統(tǒng)還會(huì)對2 臺電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行比對，然后通過差值補(bǔ)償器來進(jìn)一步完成同步控制指令。該種控制方案能使電機(jī)的運(yùn)行更加穩(wěn)定，同時(shí)可以使同步程度更高，因此其是多電機(jī)控制最理想的方案。

5 結(jié)語

PLC 作為可塑性較強(qiáng)的一個(gè)硬件設(shè)施，人們可以利用它的模塊化系統(tǒng)根據(jù)自身的需求給PLC 添加不同的功能，從而實(shí)現(xiàn)對多電機(jī)的自動(dòng)控制。PLC 因其體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，十分適用于工業(yè)領(lǐng)域中各種復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境當(dāng)中，而且還有較好的經(jīng)濟(jì)性。隨著科技的發(fā)展，PLC 相關(guān)技術(shù)還會(huì)與其他技術(shù)結(jié)合，從而形成功能更齊全、更快捷方便的自動(dòng)控制系統(tǒng)，總之要不斷對PLC 控制技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，從而推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的發(fā)展。