基于PLC的三相異步電機(jī)控制系統(tǒng)研究

王本超

摘要：三相異步電動(dòng)機(jī)的制造工藝簡單，維修方便，功耗低，電能轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)，調(diào)節(jié)簡單，適用范圍廣泛。本文針對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了PLC在三相異步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)需求和設(shè)計(jì)內(nèi)容，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的作用。

關(guān)鍵詞：PLC;三相異步電動(dòng)機(jī);控制系統(tǒng)

前言

三相異步電動(dòng)機(jī)因其眾多的優(yōu)勢(shì)而受到各大廠商的青睞。但是實(shí)際應(yīng)用中，三相異步電機(jī)一但出現(xiàn)了問題，就會(huì)使其無法充分發(fā)揮其實(shí)際應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，為此，研究者們把PLC技術(shù)和三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)合起來，形成了一個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)。

1、三相異步電動(dòng)機(jī)的控制原理

1.1可編程控制器的應(yīng)用原則

PLC是一種專用于工業(yè)應(yīng)用中的可編程邏輯控制器，它的內(nèi)置內(nèi)存使得硬件裝置能夠按照程序的語言進(jìn)行相應(yīng)的邏輯操作、算術(shù)操作、定時(shí)控制和其它的操作。在指令的執(zhí)行過程中，按順序掃描、連續(xù)周期來完成。與傳統(tǒng)的繼電器控制相比，PLC具有更大的靈活性、可靠性、工作速度和更多的功能，并與三相異步電機(jī)的控制系統(tǒng)配合使用，使其具有更好的適應(yīng)性。

1.2三相異步電動(dòng)機(jī)的控制原理

在采用PLC作為三相異步電機(jī)的主控制器之前，要充分認(rèn)識(shí)其旋轉(zhuǎn)方式、特性等內(nèi)容，以便更好的利用PLC技術(shù)。三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與磁場的轉(zhuǎn)動(dòng)方向有關(guān)，三相電流的相序是影響其轉(zhuǎn)動(dòng)方向的關(guān)鍵因素，因此，三相電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向可以通過開關(guān)三相電機(jī)的任意兩相來實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際操作中，三相異步電動(dòng)機(jī)需要連續(xù)工作，因?yàn)閼T性的作用，功能更強(qiáng)，一旦停電，電動(dòng)機(jī)還會(huì)進(jìn)行緩沖，然后才能停車，這在實(shí)際操作中是不允許的，所以必須要用PLC對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)，當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方向相反時(shí)，三相異步電動(dòng)機(jī)就會(huì)自動(dòng)停車，達(dá)到"即停"的目的。

2、三相異步電動(dòng)機(jī)PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1三相異步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

為了決定三相異步電機(jī)的負(fù)載類型，必須要考慮到PLC的輸出電壓、交流電壓和直流電壓，從而判斷是否采用了可控硅、晶體管和繼電器。在輸入端的設(shè)計(jì)上，我們將PLC的電源設(shè)置在AC85-240的范圍之內(nèi)，這樣可以提高電源的使用范圍和寬度;在輸出環(huán)路的設(shè)計(jì)中，也要考慮設(shè)備的抗干擾能力，它與PLC的輸出帶進(jìn)行了互鎖，在負(fù)載斷電時(shí)，PLC會(huì)受到浪涌的影響，因此需要增加二極管，以吸收電路中的感性負(fù)載和浪涌，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的保護(hù)。在設(shè)計(jì)三相異步電機(jī)的過程中，必須要考慮到PLC的選型和控制要求，這是設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的問題，第二個(gè)問題就是以后的維護(hù)，一般都是選擇自己熟悉的型號(hào)，這樣可以讓用戶更快的了解操作系統(tǒng)。同時(shí)，還要考慮到傳輸速度、通信協(xié)議和接口等因素，使控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)達(dá)到最佳化。

2.2系統(tǒng)規(guī)劃

三相鼠籠電動(dòng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、價(jià)格低廉而被廣泛采用。目前變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)分為閉環(huán)和開環(huán)兩種，不同的是，在閉環(huán)運(yùn)行時(shí)，如果電機(jī)在閉環(huán)運(yùn)行時(shí)速度反饋、PLC轉(zhuǎn)速設(shè)定值以及轉(zhuǎn)速編碼等，經(jīng)過PID數(shù)據(jù)的比較，將一個(gè)給定的數(shù)字頻率輸出到變頻器。在開環(huán)方式下，變頻調(diào)速系統(tǒng)需要由PLC將特定的命令發(fā)送到輸入或主機(jī)，PLC內(nèi)的程序會(huì)根據(jù)指令進(jìn)行運(yùn)算，并判定是否將數(shù)據(jù)傳送到輸出端，從而控制變頻設(shè)備的工作狀況。開環(huán)方式與閉環(huán)方式不同，其特點(diǎn)是只有一條控制路徑，具有單向性、結(jié)構(gòu)簡單、清晰、使用單元數(shù)少、成本低等特點(diǎn)。在這種方式下，抗干擾性更好，精度更高，能夠滿足實(shí)際需要。開環(huán)控制系統(tǒng)被用于本論文的設(shè)計(jì)，其目標(biāo)是在確保運(yùn)行效果的同時(shí)具有較高的操縱性。

2.3軟體的選取及程式的編制

（1）選擇頻率轉(zhuǎn)換器。在這一設(shè)計(jì)中，電機(jī)的啟動(dòng)、停止、轉(zhuǎn)速等都要通過變頻控制來調(diào)節(jié)，這里就是西門子的MicroMaster420。NM4型變頻器是西門子公司研制的一種用于異步電機(jī)控制系統(tǒng)的變頻器，它的頻率范圍比常規(guī)變頻器大，它采用了一個(gè)物理接口，它是一個(gè)主要的輸入和輸出接口，包含了一個(gè)主電路、一個(gè)控制電路兩個(gè)部分。

（2）選用PLC的機(jī)型。在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，要按實(shí)際情況選用PLC，并綜合考慮實(shí)際情況，最后決定采用S7-200PLC，取代傳統(tǒng)的電機(jī)繼電器控制設(shè)備，進(jìn)行應(yīng)用升級(jí)。

（3）實(shí)際開環(huán)控制。開環(huán)控制是一種簡單有效的控制三相電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和方向的方法，本文以西門子MM420和西門子CPU224XPPLC為例，給出了一系列的仿真、多級(jí)速控方案。模擬多段速度控制是利用變頻調(diào)速系統(tǒng)的模擬頻率，它可以接收外設(shè)的正、負(fù)兩個(gè)模擬輸入端的電壓和電流，在"4～20mA"范圍的全部點(diǎn)和頻率范圍，"0～50Hz"范圍內(nèi)的所有點(diǎn)和頻率范圍，并在"0～50Hz"范圍內(nèi)尋找相應(yīng)的位置，從而達(dá)到無極控制。①調(diào)速裝置。MM420從模擬輸入端接受電壓信號(hào)，進(jìn)行無級(jí)變速控制。通過調(diào)整變頻調(diào)制解調(diào)器的參數(shù)，DIN1、DIN2、DIN3三個(gè)數(shù)值，完成開關(guān)、停止、正、反轉(zhuǎn)等操作。②可編程控制器。在三相異步電動(dòng)機(jī)的控制軟件中，利用CPU224XP的單極電壓模擬器，它的輸出為1-10V，總共10個(gè)點(diǎn)，通過開環(huán)調(diào)速，它可以被設(shè)定為10檔，從而達(dá)到三相異步電動(dòng)機(jī)的精確調(diào)節(jié)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，應(yīng)把中間保護(hù)轉(zhuǎn)速設(shè)置為25赫茲。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，每個(gè)按鈕都有相應(yīng)的復(fù)位系統(tǒng)，每個(gè)按鍵的作用都不一樣，比如"啟動(dòng)、停止、加速"，這些都是根據(jù)用戶的要求來完成的，為了保證設(shè)備的安全，它還會(huì)在低速時(shí)發(fā)出警告，提醒操作者調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3、結(jié)論

目前，隨著機(jī)械行業(yè)的自動(dòng)化水平的提高，PLC已成為各種設(shè)備的優(yōu)化升級(jí)的核心，采用PLC技術(shù)進(jìn)行三相異步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)，可以解決原有電機(jī)的速度問題，從而使三相異步電動(dòng)機(jī)的其它功能得到進(jìn)一步的完善和提高。在未來的工作中，我們必須加強(qiáng)對(duì)PLC技術(shù)和三相異步電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)的研究，以滿足不同行業(yè)對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的要求，進(jìn)一步改進(jìn)三相異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能降耗，并將PLC技術(shù)運(yùn)用到三相異步電動(dòng)機(jī)的控制上。

參考文獻(xiàn)

[1]沈誠.基于PLC的三相異步電機(jī)控制系統(tǒng)研究[J].南方農(nóng)機(jī)，2020，51（12）：157.