基于可編程邏輯控制器的變頻器自動(dòng)控制方法研究

王思卓

（吉林煙草工業(yè)有限責(zé)任公司長(zhǎng)春卷煙廠）

0 引言

隨著工業(yè)化程度的逐步加深，變頻器在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域中都取得了非常廣泛的應(yīng)用，對(duì)變頻器的自動(dòng)控制提出了更高的要求[1-2]?？删幊踢壿嬁刂破鞯闹饕δ芫褪菍?shí)現(xiàn)對(duì)變頻器等工業(yè)設(shè)備的自動(dòng)化控制。將可編程邏輯控制器和變頻器一起組成功能性強(qiáng)、穩(wěn)定性高的自動(dòng)控制系統(tǒng)[3]。通過(guò)上位機(jī)（計(jì)算機(jī)）對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和管理，下位機(jī)（可編程邏輯控制器）接收上位機(jī)的控制命令對(duì)被控對(duì)象（變頻器）的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，這樣就實(shí)現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)的集中化管理和分散化控制，能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)流程的全自動(dòng)執(zhí)行，大大提高了生產(chǎn)效率，有助于企業(yè)更好地實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化[4-5]。

1 可編程邏輯控制器

1.1 可編程邏輯控制器概念

隨著可編程邏輯控制器的發(fā)展，其功能也從最基本的邏輯控制發(fā)展到具備數(shù)據(jù)運(yùn)算功能。國(guó)際電工委員會(huì)對(duì)可編程邏輯控制器的定義是：“可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的；它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)并執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和各種數(shù)學(xué)操作運(yùn)算等面向用戶(hù)的指令，并通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入/輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程”[6]。

1.2 可編程邏輯控制器工作原理

可編程邏輯控制器在本質(zhì)上也是工業(yè)計(jì)算機(jī)?？删幊踢壿嬁刂破鞑煌趥鹘y(tǒng)的計(jì)算機(jī)中斷機(jī)制，是工作在循環(huán)掃描機(jī)制下，全部程序掃描一次所用的時(shí)間稱(chēng)為掃描周期[7-8]?？删幊踢壿嬁刂破鞯墓ぷ鬟^(guò)程可以概括描述為五個(gè)步驟，反復(fù)循環(huán)執(zhí)行。

1）CPU診斷：CPU對(duì)可編程控制器自身的硬件狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到硬件狀態(tài)異常時(shí)，會(huì)根據(jù)相應(yīng)的故障類(lèi)型觸發(fā)保護(hù)機(jī)制。

2）數(shù)據(jù)通信：CPU診斷機(jī)制執(zhí)行完畢后，進(jìn)行外部設(shè)備檢查，建立通信，進(jìn)入聯(lián)機(jī)工作狀態(tài)。

3）信號(hào)采集：對(duì)可編程邏輯控制器的輸入信號(hào)進(jìn)行集中采集，CPU一次性讀取輸入接口的全部信號(hào)，存在輸入映像寄存器。

4）執(zhí)行過(guò)程：可編程邏輯控制器根據(jù)程序邏輯，結(jié)合輸入映像、輸出映像以及標(biāo)志寄存器的狀態(tài)，完成相關(guān)運(yùn)算，將結(jié)果存儲(chǔ)在輸出映像寄存器。

5）結(jié)果刷新：對(duì)可編程邏輯控制器的輸出信號(hào)進(jìn)行集中更新，CPU將輸出映像寄存器的狀態(tài)一次性更新到輸出接口，由外部執(zhí)行元件完成邏輯動(dòng)作。

從可編程邏輯控制器輸入信號(hào)變化到輸出信號(hào)做出響應(yīng)，需要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間一般來(lái)說(shuō)是毫秒數(shù)量級(jí)，常規(guī)的工業(yè)控制系統(tǒng)允許這種時(shí)間延遲[9-10]?？删幊踢壿嬁刂破鹘邮芸刂浦噶顣r(shí)，在一個(gè)掃描周期內(nèi)只能處理一條指令，對(duì)一個(gè)掃描周期內(nèi)的后續(xù)指令無(wú)法響應(yīng)，所以要求兩條控制指令的間隔周期必須要大于一個(gè)掃描周期，避免出現(xiàn)指令周期的現(xiàn)象[11-12]。

2 Sinamics S120變頻器

本文的研究中采用德國(guó)西門(mén)子公司的Sinamics S120變頻器，該變頻器集V/f控制功能、矢量控制功能及伺服控制功能于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)異步電機(jī)、同步電機(jī)、扭矩電機(jī)、直線(xiàn)電機(jī)的控制，其控制功能優(yōu)異，能夠滿(mǎn)足多種工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的需求[13]。

Sinamics S120變頻器采用模塊化構(gòu)成方式，由控制單元CU320、濾波器模塊、四象限整流模塊、陪試逆變器模塊和被試逆變器模塊構(gòu)成[14]。S120的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Sinamics S120結(jié)構(gòu)圖

控制單元即CU320，是變頻器的控制核心，負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)整個(gè)變頻器中的所有功能模塊，完成四象限整流模塊的電壓環(huán)、電流環(huán)控制，被試逆變模塊的轉(zhuǎn)速環(huán)控制，陪試逆變模塊的轉(zhuǎn)矩環(huán)控制，并且各個(gè)模塊之間能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的交互；濾波器模塊對(duì)來(lái)自電網(wǎng)的交流電壓和交流電流進(jìn)行濾波；四象限整流模塊能夠?qū)㈦娋W(wǎng)的三相交流電變換成直流電，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動(dòng)；逆變模塊能夠?qū)⒅绷麟娮儞Q成三相交流電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。

3 自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

3.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)

自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要功能有兩個(gè)：一個(gè)是對(duì)變頻器的工作流程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制；另一個(gè)是對(duì)工作流程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)，并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的處理。要完成變頻器的自動(dòng)化運(yùn)行，搭建自動(dòng)控制系統(tǒng)，具體硬件設(shè)備包括：電源設(shè)備、數(shù)據(jù)采集裝置、上位機(jī)（計(jì)算機(jī)）、下位機(jī)（可編程邏輯控制器）、Sinamics S120變頻器、電機(jī)、調(diào)壓器、接觸器等，具體如圖2所示。

圖2 異步電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)在整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中充當(dāng)上位機(jī)的角色，是自動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。它可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)、通信方式的配置和控制參數(shù)的設(shè)置等?？删幊踢壿嬁刂破鞒洚?dāng)下位機(jī)的角色，接收來(lái)自于上位機(jī)的指令，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行控制。

電源設(shè)備包含有24V直流電源、380V三相交流電源、三相調(diào)壓器。24V直流電源為可編程邏輯控制器、變頻器、傳感器等提供工作電源；380V三相交流電源輸入到變頻器，經(jīng)過(guò)功率變換后用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電壓傳感器和電流傳感器分別用于測(cè)量變頻器的輸出電壓和輸出電流，功率傳感器用于測(cè)量變頻器輸出的有功功率和無(wú)功功率。這些電參量傳感器采集到的信號(hào)送入可編程邏輯控制器的模擬量采集通道進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，參與自動(dòng)控制系統(tǒng)的邏輯控制。速度傳感器采集到的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)送入到可編程邏輯控制器的高速采集端口。全部采集到的傳感器信號(hào)都通過(guò)Profibus-DP總線(xiàn)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行處理和顯示。

3.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)

Profibus（Process Field Bus）是一種國(guó)際通用的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，最顯著的特點(diǎn)是開(kāi)放性，不僅可以用于組建工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中的車(chē)間級(jí)別通信網(wǎng)，進(jìn)行可編程邏輯控制器之間的通信，進(jìn)行可編程邏輯控制器與計(jì)算機(jī)之間的通信，進(jìn)行可編程邏輯控制器與編程器之間的通信；可用于實(shí)現(xiàn)組建生產(chǎn)線(xiàn)內(nèi)部的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行可編程邏輯控制器與遠(yuǎn)程輸入輸出單元，可編程邏輯控制器與變頻器之間的通信；還可以實(shí)現(xiàn)可編程邏輯控制器與分布式控制系統(tǒng)中的過(guò)程控制設(shè)備的通信。

Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的差異可以細(xì)分為Profibus-DP、Profibus-PA和Profibus-FMS三種。本文所用到的可編程邏輯控制器與變頻器之間的通信采用的是Profibus-DP，構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，主要實(shí)現(xiàn)可編程控制器與變頻器之間的主站-從站通信?；赟7-300可編程邏輯控制器（主站）和Sinamics S120變頻器（從站）構(gòu)建的通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在上位機(jī)、可編程邏輯控制器、變頻器之間的數(shù)據(jù)傳輸，并通過(guò)上位機(jī)對(duì)組態(tài)在網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

數(shù)據(jù)在通信網(wǎng)絡(luò)中的傳輸是基于報(bào)文實(shí)現(xiàn)的，報(bào)文是指網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締卧?，?bào)文中包含了完整的數(shù)據(jù)信息。本文中的自動(dòng)控制系統(tǒng)采用了S7-300可編程邏輯控制器和Sinamics S120變頻器，變頻器中的四象限整流模塊需要對(duì)應(yīng)選擇“SIEMENS telegram 370-PZD1/1”報(bào)文，逆變模塊需要對(duì)應(yīng)選擇“Standard telegram 1-PZD2/2”報(bào)文，但是由于需要讀取變頻器逆變模塊的參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文長(zhǎng)度不夠，需要進(jìn)行擴(kuò)展。

四象限整流模塊報(bào)文“SIEMENS telegram 370-PZD1/1”中包含有一個(gè)發(fā)送字和一個(gè)接收字，通過(guò)該報(bào)文能夠控制四象限整流模塊的控制，控制字中的Bit0位負(fù)責(zé)四象限整流模塊的啟停，當(dāng)Bit0=1時(shí)，四象限整流模塊開(kāi)始工作，中間直流回路建立，達(dá)到600V。當(dāng)Bit0=0時(shí)，四象限整流模塊停止工作；Bit10用于請(qǐng)求可編程邏輯控制器控制，只有Bit10=1時(shí)，才能夠通過(guò)可編程邏輯控制器對(duì)四象限整流模塊進(jìn)行控制。

逆變模塊報(bào)文“Standard telegram 1-PZD2/2”中包含有兩個(gè)發(fā)送字和兩個(gè)接收字，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，并返回電機(jī)的某些運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。控制字中的Bit0位負(fù)責(zé)逆變模塊的啟?？刂疲?dāng)Bit0=1時(shí)，電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行，當(dāng)Bit0=0時(shí)，電機(jī)停止運(yùn)行，Bit10用于請(qǐng)求可編程邏輯控制器控制，只有Bit10=1時(shí)，才能夠通過(guò)可編程邏輯控制器對(duì)逆變模塊進(jìn)行控制?？刂谱值牡诙€(gè)字為速度目標(biāo)值，狀態(tài)字的第二個(gè)字為速度實(shí)際值。

4 運(yùn)用實(shí)例分析

以電機(jī)空載運(yùn)行為例，來(lái)分析可編程控制器對(duì)變頻器的自動(dòng)化控制流程，電機(jī)的空載運(yùn)行流程如圖3所示，監(jiān)控界面如圖4所示。

圖3 電機(jī)空載運(yùn)行流程

圖4 電機(jī)空載監(jiān)控界面

根據(jù)試驗(yàn)流程圖和監(jiān)控界面，需要對(duì)運(yùn)行的初始電壓和采集點(diǎn)數(shù)進(jìn)行設(shè)定，然后才能啟動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行電機(jī)。電機(jī)在給定電壓下以空載狀態(tài)運(yùn)行，對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，若系統(tǒng)運(yùn)行正常，則執(zhí)行數(shù)據(jù)采集功能；若不正常，則停機(jī)根據(jù)故障代碼進(jìn)行檢查。全部數(shù)據(jù)采集完畢后，電機(jī)停止運(yùn)行，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

電機(jī)空載運(yùn)行自動(dòng)化流程控制代碼如圖5所示。

圖5 電機(jī)空載運(yùn)行自動(dòng)化流程梯形圖

5 結(jié)束語(yǔ)

基于可編程邏輯控制器對(duì)變頻器進(jìn)行自動(dòng)化控制，能夠充分發(fā)揮可編程邏輯控制器的自動(dòng)化流程控制功能，有效實(shí)現(xiàn)變頻器等設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行，極大提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，以最少的人員配置實(shí)現(xiàn)最大的生產(chǎn)規(guī)模，有效降低企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本，促進(jìn)企業(yè)健康發(fā)展。