探究PLC和變頻器的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙軍

（曹妃甸港港鐵物流有限公司，河北 唐山 063200）

工業(yè)生產(chǎn)離不開大型設(shè)備的支撐，它是提高生產(chǎn)效率的主要?jiǎng)趧?dòng)力，眾所周知，大型設(shè)備在運(yùn)行的過程中需要耗費(fèi)大量的能源，大大提高了生產(chǎn)成本，不利于生產(chǎn)企業(yè)對(duì)成本的把控。電機(jī)變頻控制技術(shù)的應(yīng)用有效解決了以上問題，不僅節(jié)省了大量的生產(chǎn)能源，而且還實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量的提升，給工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展注入了新的動(dòng)力。電機(jī)、變頻器和PLC是構(gòu)成電機(jī)控制系統(tǒng)的三大要素，具有成本低、信號(hào)抗干擾性能強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單易操作等特點(diǎn)，因而被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制中的各個(gè)領(lǐng)域。

1 PLC的組成及工作原理

1.1 PLC的組成

PLC是工業(yè)領(lǐng)域中通用的一種電子控制裝置，它的組成類似普通的微機(jī)系統(tǒng)。PLC分為兩種結(jié)構(gòu)形式，分別是組合式和整體式。其中整體式PLC電子控制裝置的主機(jī)為一體式，系統(tǒng)構(gòu)造單元為整體形式，包括存儲(chǔ)器、電源、中央處理單元、通信接口等，同時(shí)這種形式的主機(jī)還具有獨(dú)立的I/O擴(kuò)散單元，該單元的存在主要以輔助主機(jī)運(yùn)行為主。主機(jī)中的中央處理單元是PLC控制裝置的核心部分，I/O擴(kuò)散單元作為接口電路，主要用于主機(jī)中央處理單元與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接；而組合式PLC電子控制裝置的主機(jī)，它的系統(tǒng)構(gòu)造單元分別被制作成相應(yīng)的電路板或模塊，然后將這些模塊分別插在底板對(duì)應(yīng)的位置上，之后借助底板上的總線，建立各個(gè)模塊之間的連接。裝有中央處理單元的底板被稱為CPU底板，裝有其他單元的底板則被稱為擴(kuò)展底板，通過電纜將這兩種底板建立連接，通常來說，連接底板的電纜的長(zhǎng)度不可超過10cm。不論是整體式PLC電子控制裝置，還是組合式PLC電子控制裝置，都可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行相應(yīng)的組合與配置。PLC電子控制裝置的檔次越高，所應(yīng)用的中央處理單元的位數(shù)也就越多，如此才能保障其運(yùn)算效率，一般而言，小型PLC電子控制裝置大都采用8位微處理器，中型PLC電子控制裝置需要采用16位微處理器，大型PLC電子控制裝置則需要采用高速位片式處理器，以便增強(qiáng)其應(yīng)用性能。

1.2 PLC工作原理

循環(huán)掃描是PLC主要工作方式，正式掃描前，PLC會(huì)先將I/O映像區(qū)的內(nèi)容進(jìn)行清除，自行診斷后開始正式掃描。PLC掃描分為三個(gè)階段進(jìn)行，分別是輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新，運(yùn)行的過程中，對(duì)這三個(gè)階段進(jìn)行反復(fù)循環(huán)掃描，每循環(huán)掃描一次即是一個(gè)掃描周期。

2 對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能進(jìn)行分析

2.1 閉環(huán)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

電機(jī)、變頻器和PLC是構(gòu)成電機(jī)控制系統(tǒng)的三大要素。首先，對(duì)PLC進(jìn)行設(shè)置輸入，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制；其次，再利用變頻器達(dá)到控制電機(jī)的效果；最后，借助電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋給PLC，通過比對(duì)速度信號(hào)，再將準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)輸出到變頻器，從而完成無經(jīng)差調(diào)速。閉環(huán)系統(tǒng)具體運(yùn)行原理為：首先，采用S7-200對(duì)速度信號(hào)進(jìn)行采集，由于S7-200擁有6個(gè)高速計(jì)數(shù)器，具有高速脈沖的采集功能，所以其采集頻率可高達(dá)30千赫茲；其次，在固定的間隔時(shí)間內(nèi)，通過計(jì)數(shù)器計(jì)算當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)脈沖差值的采集。通俗來說，閉環(huán)控制運(yùn)行原理即是通過PLC接收反饋過來的速度信號(hào)，之后對(duì)其進(jìn)行比對(duì)，然后將比對(duì)成功的數(shù)據(jù)輸送到PID的控制部分，以此調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度，從而達(dá)到原定的轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 變頻調(diào)速的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工業(yè)生產(chǎn)中常用的變頻器主要由主電路和控制回路組成，其中主電路主要用于對(duì)電壓和電頻電源的調(diào)節(jié)，其構(gòu)成單元包括整流器、逆變器和中間直流環(huán)節(jié)。整流器主要適用于工頻電源向直流電源轉(zhuǎn)換的情況下；逆變器與整流器的作用完全相反，它是由6個(gè)半導(dǎo)體形式的開關(guān)器件組合而成，由于逆變器是三相橋式的電路，通過對(duì)其中主要開關(guān)進(jìn)行導(dǎo)通控制和有規(guī)律的斷開，即可實(shí)現(xiàn)輸出頻率的任意性，所以適用于直流功率向交流功率轉(zhuǎn)換的情況下；中間直流環(huán)節(jié)的作用其實(shí)就是在中間環(huán)節(jié)進(jìn)行電能的儲(chǔ)存，這是因?yàn)楫惒诫姍C(jī)是逆變器的負(fù)載，為此不論電動(dòng)機(jī)處于何種狀態(tài)，起始功率在因數(shù)方面都不可能是1，從而造成中間環(huán)節(jié)中經(jīng)常出現(xiàn)交換無功率的現(xiàn)象，而在中間直流環(huán)節(jié)中儲(chǔ)存電能，可以達(dá)到緩沖無功能量的效果?？刂苹芈分饕脕砜刂颇孀兤鏖_關(guān)，控制方式包括數(shù)字控制和模擬控制，它是由輸出電路、驅(qū)動(dòng)開關(guān)、檢測(cè)電路、制動(dòng)電路及輸入的控制信號(hào)共同組成，通過對(duì)整流器電壓進(jìn)行控制，達(dá)到保護(hù)電機(jī)的目的。

3 變頻器在多電機(jī)時(shí)的控制方式

3.1 正弦脈寬調(diào)制的控制方式

當(dāng)電動(dòng)機(jī)在磁通方面不發(fā)生任何變化時(shí)，通過采用這種控制方式，可以改變電源頻率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)速度的目的。通常來說，這種控制方式所應(yīng)用的變頻器，其組成結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，由于這種控制方式為開環(huán)式，為此普通變頻器無法達(dá)到實(shí)際控制標(biāo)準(zhǔn)。如果電源頻率處于低頻狀態(tài)時(shí)，則需要進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，從而更改低頻特性方面的轉(zhuǎn)矩。這種控制方式不僅具有低成本、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，而且在機(jī)械特性方面具有較好的硬度，可以滿足大部分平滑調(diào)速的需求，所以這種控制模式已經(jīng)逐漸應(yīng)用于各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域。

3.2 矢量控制方式

矢量控制方式是指將異步電動(dòng)機(jī)的定子交流電流在Ia、Ib、Ic這三相坐標(biāo)下，完成三相到二相的更換。定子交流電流即是指，在二相靜止坐標(biāo)下對(duì)Ia1和Ib1進(jìn)行校正，使兩者效果相等，之后采用磁場(chǎng)定向?qū)烧哌M(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)換，從而達(dá)到Im1、It1的相等效果。通過采用這種方式模仿直流電機(jī)的控制方式，以此達(dá)到直流電機(jī)的控制量，之后與之相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)進(jìn)行反交換，從而達(dá)到對(duì)異步電動(dòng)機(jī)控制的目的。矢量控制方式其實(shí)就是將交流電機(jī)于直流電機(jī)的效果相等，對(duì)其速度和磁場(chǎng)進(jìn)行有效控制，通過對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行控制，使其變?yōu)槎ㄏ?，從而?duì)定子電流進(jìn)行分解，最終達(dá)到正交或解耦控制效果。然而，這種控制方式存在一些不足之處，這是因?yàn)槭噶孔儞Q過程較為復(fù)雜，無法對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行準(zhǔn)確的觀測(cè)，以至于實(shí)際效果可能與預(yù)期效果存在一些差距。

3.3 轉(zhuǎn)差頻率的控制方式

這種控制方式以正弦脈寬調(diào)制控制方式為基礎(chǔ)，結(jié)合異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的電源頻率，從而達(dá)到直接控制轉(zhuǎn)矩的目的。在調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率的過程中，使用這種控制方式還需結(jié)合預(yù)期的轉(zhuǎn)矩，這樣才能使電動(dòng)機(jī)獲得相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩輸出。在實(shí)際操作的過程中，應(yīng)用轉(zhuǎn)差頻率的控制方式，需要提前在控制系統(tǒng)中安裝速度感應(yīng)器，同時(shí)，還需借助閉環(huán)控制方式，即通過電流反饋，達(dá)到對(duì)電流頻率及電流控制的效果，從而增強(qiáng)變頻器的穩(wěn)定性。如此一來，即便電機(jī)在運(yùn)行的過程中發(fā)生急速性的加、減速，或者負(fù)載發(fā)生異變，都可以做出良好的響應(yīng)。

3.4 直接轉(zhuǎn)矩控制

上述講到矢量控制方式在實(shí)際操作中存在著諸多的不足之處，而直接轉(zhuǎn)矩控制方式可以很好地彌補(bǔ)矢量控制方式中存在的缺陷，這是因?yàn)橄噍^矢量控制方式，直接轉(zhuǎn)矩控制方式省略了煩瑣的計(jì)算步驟，在實(shí)際操作中對(duì)直流電機(jī)與交流電機(jī)的相等效果沒有硬性要求，更無須對(duì)直流電機(jī)的控制方式進(jìn)行模仿，而是通過創(chuàng)新和優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將其簡(jiǎn)化，以此增強(qiáng)動(dòng)靜態(tài)性能的穩(wěn)定性?，F(xiàn)階段，這種控制方式在較大交流傳動(dòng)功率方面有著廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié)語

綜上所述，PLC是工業(yè)領(lǐng)域中通用的一種電子控制裝置，它的組成類似普通的微機(jī)系統(tǒng)，是構(gòu)成電機(jī)控制系統(tǒng)的主要要素之一，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，對(duì)促進(jìn)我國(guó)工業(yè)發(fā)展具有重要的價(jià)值與意義，其獨(dú)特的性能，可以優(yōu)化及改善生產(chǎn)過程，增強(qiáng)控制效果。在工業(yè)領(lǐng)域未來的進(jìn)化中，PLC電子控制裝置要想長(zhǎng)久保持在其中的優(yōu)勢(shì)與地位，應(yīng)充分結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)需求，則需要進(jìn)一步研究與優(yōu)化PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)。