基于PLC的三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究

王 冬

（黑龍江省機(jī)場管理集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引 言

現(xiàn)階段，為得到較好的控制效果，三相異步電機(jī)變頻調(diào)速控制大多采用數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP），而DSP對于應(yīng)用環(huán)境有著較高要求，在惡劣環(huán)境中應(yīng)用時表現(xiàn)出可靠性較低、系統(tǒng)開發(fā)難度大等問題，不利于三相異步電機(jī)的精準(zhǔn)控制。針對此種情況，設(shè)計(jì)一種基于西門子S7-315型可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和西門子S120驅(qū)動系統(tǒng)的三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，對現(xiàn)有研究進(jìn)行補(bǔ)充完善的同時，解決DSP應(yīng)用環(huán)境的局限性，提高三相異步電機(jī)變頻調(diào)速的控制效果，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和理論意義。

1 基于PLC的三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于PLC的三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)在運(yùn)行過程中主要發(fā)揮3種主要功能：一是系統(tǒng)中所有設(shè)備均通過過程現(xiàn)場總線達(dá)成數(shù)據(jù)交互；二是PLC接收傳感器模塊所采集的三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)速信號，對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理后，根據(jù)處理結(jié)果對驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出上電、斷電以及電機(jī)轉(zhuǎn)速控制指令，同時將相關(guān)控制指令傳輸至上位機(jī)，由上位機(jī)顯示模塊顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；三是驅(qū)動系統(tǒng)在接收PLC控制指令后，對系統(tǒng)電源模塊和電機(jī)模塊進(jìn)行精準(zhǔn)控制。此過程中，如果是存在重大過失，則及時完成斷電操作，以此來保證系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行安全[1,2]。

基于PLC的三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，具體系統(tǒng)接線如圖2所示。

圖1 基于PLC的三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖2 基于PLC的三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)接線

2 基于PLC的三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC選擇

基于PLC的三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的PLC主要選用西門子S7-300系列中S7-315型PLC。此PLC具有模塊化、價格低、通用性和兼容性強(qiáng)、抗震動沖擊性優(yōu)秀以及易于分布式配置等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足特殊環(huán)境條件的三相異步電機(jī)變頻自動化控制，因此對市場上現(xiàn)有諸多PLC進(jìn)行綜合分析研究后，選用此信號PLC作為系統(tǒng)主控PLC[3]。

具體設(shè)計(jì)中，由于PLC內(nèi)置有中央處理器、儲存器、數(shù)字量輸入輸出（Input/Output，I/O）接口、模擬量I/O接口、I/O擴(kuò)展結(jié)構(gòu)、通信接口以及直流電源等多種功能模塊和I/O擴(kuò)展模塊，因此可以根據(jù)系統(tǒng)總體架構(gòu)特點(diǎn)，將大部分功能交由PLC實(shí)現(xiàn)，由此可有效降低系統(tǒng)整體復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)簡化和可靠性提升等作用，進(jìn)一步保障三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)在特殊環(huán)境下的應(yīng)用效果。

2.2 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 驅(qū)動系統(tǒng)選型

驅(qū)動系統(tǒng)選用需結(jié)合PLC和系統(tǒng)需要進(jìn)行綜合選擇。由于設(shè)計(jì)中選擇西門子S7-300系列中S7-315型PLC，為保障PLC與驅(qū)動系統(tǒng)之間的兼容控制效果，在對多種驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析后，選用同為西門子公司生產(chǎn)的西門子S120驅(qū)動系統(tǒng)作為三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的驅(qū)動系統(tǒng)[4]。

具體設(shè)計(jì)中，S120多軸直流/交流（Direct Current/Alternating Current，DC/AC）逆變器采用模塊化設(shè)計(jì)，不同模塊之間采用高速驅(qū)動接口過程現(xiàn)場總線達(dá)成數(shù)據(jù)交互。具體接線過程中需要達(dá)成的要求包括以下幾點(diǎn)：在CU320控制模塊上，每根過程現(xiàn)場總線最多只能夠連接16個控制節(jié)點(diǎn)，每排最多只能夠連接8個控制節(jié)點(diǎn)；具體連接過程中不應(yīng)出現(xiàn)環(huán)形連接情況；各控制節(jié)點(diǎn)連接時不能出現(xiàn)重復(fù)連接的情況。

2.2.2 控制單元

CU320控制單元可通過矢量軸、伺服軸、V/F軸達(dá)成矢量控制、伺服控制器以及V/F控制。雖然無法實(shí)現(xiàn)伺服軸和矢量軸的同時控制，但是可以實(shí)現(xiàn)V/F軸和伺服軸或者矢量軸的混合控制，因此設(shè)計(jì)中可利用此特點(diǎn)減少控制單元的需求量，降低設(shè)計(jì)成本。

2.2.3 電源模塊

電源模塊既是三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中負(fù)載單元的供電單元，也是系統(tǒng)的整流單元和回饋單元，其可以將工頻三相交流電整流處理為直流電，再通過直流電向各負(fù)載模塊進(jìn)行持續(xù)供電。此外，設(shè)計(jì)中為保障系統(tǒng)對電網(wǎng)的利用效率，最終采用主動型電源模塊（Active Line Modules，ALM）。

2.2.4 電機(jī)模塊

電機(jī)模塊是三相異步電機(jī)供電模塊，其與控制單元之間主要采用過程現(xiàn)場總線達(dá)成數(shù)據(jù)交互。具體設(shè)計(jì)中，電機(jī)模塊與ALM電源模塊相連，經(jīng)過ALM模塊，電源模塊整流后形成的PWM波形控制絕緣柵雙極性晶體管，進(jìn)而產(chǎn)生幅值和頻率均可調(diào)的三相交流電，實(shí)現(xiàn)三相異步電機(jī)變頻調(diào)節(jié)的控制效果。

2.2.5 傳感器模塊

傳感器模塊的主要作用在于采集電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)、直流母線電壓以及三相交流電數(shù)據(jù)。所采集的數(shù)據(jù)通過過程現(xiàn)場總線傳輸至控制模塊，為控制模塊的精準(zhǔn)控制提供數(shù)據(jù)支持。具體設(shè)計(jì)中，采用SMC20轉(zhuǎn)換模塊作為設(shè)傳感器模塊。但考慮到每個轉(zhuǎn)換模塊只能連接一個轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，而系統(tǒng)中采用2臺電機(jī)，因此需要配置2個SMC20轉(zhuǎn)換模塊。

2.3 過程現(xiàn)場總線設(shè)計(jì)

過程現(xiàn)場總線具有現(xiàn)場設(shè)備級高速數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)勢，主要表現(xiàn)為主站與從站之間周期性數(shù)據(jù)交互方面。另外，過程現(xiàn)場總線可以為系統(tǒng)提供非周期性通信組態(tài)、診斷以及報(bào)警處理，經(jīng)過過程現(xiàn)場總線處理后還可以實(shí)現(xiàn)故障的快速定位處理。

3 基于PLC的三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)配置

三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)采用STARTER軟件作為現(xiàn)場調(diào)試軟件，該軟件可以對現(xiàn)場裝置實(shí)施在線監(jiān)控、數(shù)據(jù)修改、故障檢測以及設(shè)備復(fù)位等操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)跟蹤記錄與處理等功能。

3.2 硬件組態(tài)設(shè)計(jì)

硬件組態(tài)設(shè)計(jì)采用STEP7編程軟件。具體標(biāo)準(zhǔn)中需要采用PC/MPI適配器和RS-232C標(biāo)準(zhǔn)通信電纜來實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與PLC之間的數(shù)據(jù)交互。交互設(shè)計(jì)中采用編程軟件構(gòu)建新項(xiàng)目，在硬件配置對話框中選擇驅(qū)動系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備連接及參數(shù)配置，再對驅(qū)動系統(tǒng)的各連接硬件進(jìn)行組合參數(shù)配置，存儲項(xiàng)目至PLC中，另外對驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)速，避免各設(shè)備分配地址、站點(diǎn)保持一致以及波特率的非一致性[5,6]。

具體設(shè)計(jì)中為整流器、主電機(jī)以及負(fù)載電機(jī)配置的地址參數(shù)分別為256-259、260-279、280-299，所設(shè)置的參數(shù)類型分別為PZD2/2、PZD10/10、PZD10/10。通常情況下，在完成硬件組網(wǎng)后，各設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址無須進(jìn)行手動設(shè)置，系統(tǒng)可自動為完成組態(tài)的硬件配置網(wǎng)絡(luò)地址，但考慮到部分硬件設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址需要進(jìn)行手動微調(diào)，因而在此進(jìn)行介紹說明。

3.3 PLC程序設(shè)計(jì)

基于PLC的三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的電機(jī)控制流程如圖3所示。在系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)會先對硬件設(shè)備參數(shù)變量進(jìn)行初始化處理，然后按照順序依次啟動電源模塊、主電機(jī)以及負(fù)載電機(jī)。電源模塊啟動后需要實(shí)施預(yù)充電，在經(jīng)過電源模塊處理后的直流母線電壓達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定閾值后，系統(tǒng)才能夠先后啟動兩臺電機(jī)，如果是無法完成正常啟動，系統(tǒng)則會自動實(shí)施斷電保護(hù)。

圖3 基于PLC的三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的電機(jī)控制流程

4 三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐分析

根據(jù)以上三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)，于某石油鉆井現(xiàn)場對現(xiàn)有鉆井變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。其中，1#主電機(jī)主要用于實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)驅(qū)動輸出，2#電機(jī)主要用于實(shí)現(xiàn)負(fù)載調(diào)整，兩臺電機(jī)之間通過聯(lián)軸器進(jìn)行連接，分別使用不同的變頻器電機(jī)模塊進(jìn)行驅(qū)動控制[7,8]。

以空載工況進(jìn)行應(yīng)用分析，根據(jù)應(yīng)用結(jié)果可知，在空載工況下，三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)分別實(shí)施2°、50°以及100°的精準(zhǔn)定位控制，進(jìn)而確認(rèn)3種角定位條件下的誤差分別為1.5°、-0.96°、-0.69°。此誤差可滿足電機(jī)控制要求，確認(rèn)空載工況下三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用效果較好[9,10]。

5 結(jié) 論

本文介紹了一種基于PLC的三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)方案，此設(shè)計(jì)主要分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用PLC和驅(qū)動系統(tǒng)作為控制單元，其所集成的功能可有效簡化系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)可靠性，進(jìn)而降低系統(tǒng)開發(fā)成本和系統(tǒng)可靠性，促使系統(tǒng)更適合特殊環(huán)境下的使用和控制。