基于PLC控制的三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭偉衛(wèi)

(河南能源化工集團(tuán) 永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600)

在當(dāng)今調(diào)速領(lǐng)域，變頻調(diào)速已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了與直流調(diào)速相媲美的調(diào)速性能，變頻調(diào)速取代直流調(diào)速已成必然趨勢[1-3]。在工業(yè)控制方面，PLC控制系統(tǒng)正在逐步取代繼電器—接觸器控制系統(tǒng)。本文將PLC控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)結(jié)合起來，運(yùn)用PLC來控制變頻調(diào)速系統(tǒng)，為今后設(shè)計(jì)高性能的調(diào)速系統(tǒng)打下良好的基礎(chǔ)[4-6]。

1 變頻調(diào)速系統(tǒng)功能

在DJDK-1型實(shí)驗(yàn)臺上構(gòu)建一個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)主要功能[7-11]：①可以進(jìn)行工頻與變頻的切換；②變頻時(shí)電機(jī)可正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，正向點(diǎn)動、反向點(diǎn)動，當(dāng)正轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)可以選擇低速、中速、高速等運(yùn)行方式；③電路系統(tǒng)具有自保、過載、過流、過壓等相關(guān)保護(hù)措施，各運(yùn)行狀態(tài)下有相關(guān)指示燈提示；④當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，并自動切換為工頻運(yùn)行；⑤變頻器控制策略采用帶編碼器反饋的矢量控制方式；⑥設(shè)計(jì)出上位機(jī)與PLC通信的電氣圖。

2 變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。變頻器和三相異步電動機(jī)構(gòu)成了1個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)，并通過旋轉(zhuǎn)編碼器將電動機(jī)的速度信號以脈沖的形式反饋給變頻器，從而構(gòu)成了1個(gè)速度反饋的閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)；變頻器由PLC控制，當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)有報(bào)警信息時(shí)，變頻器可將報(bào)警信號發(fā)送給PLC，由PLC來執(zhí)行相關(guān)的動作；PLC可與上位機(jī)相互通信，PLC的各種操作可通過上位機(jī)監(jiān)測，上位機(jī)發(fā)出的操作命令也可通過PLC來執(zhí)行。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

3 硬件配置及系統(tǒng)電氣圖

3.1 設(shè)備選型

(1)交流電動機(jī)。DJ24三相鼠籠式電動機(jī)，容量Pn=180W；線電壓Un=380V；線電流0.6A；頻率50 Hz；轉(zhuǎn)速1 400 r/min。

(2)PLC。S7-300系列PLC，電源為PS307 2A，CPU為CPU313C-2DP，數(shù)字輸入模塊為SM321 DI16×DC24 V，數(shù)字輸出模塊為SM322 DO32×DC24 V/0.5 A，前連接器390-1AJ00-0AA0，20針型。

(3)變頻器。西門子A型MM440變頻器，并帶基本操作面板(BOP)和編碼器模板。

(4)旋轉(zhuǎn)編碼器。DD03-3型旋轉(zhuǎn)編碼器，該編碼器為增量式光電編碼器。

3.2 總體設(shè)計(jì)電氣圖

變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。系統(tǒng)包括：變頻主電路，工頻主電路；PLC控制電路；繼電器接觸器電路；接地電路；熱繼電器FR設(shè)定值為電動機(jī)額定電流的1.8～2.0倍。

圖2 變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)Fig.2 Electrical diagram of hardware design for variable frequency speed regulation system

其中，變頻器、PLC、三相異步電動機(jī)都做接地保護(hù)，旋轉(zhuǎn)編碼器的屏蔽電纜屏蔽層接變頻器的 PE端，從而接地。MM440的輸入端口見表1。

表1 MM440的輸入端口Tab.1 Input port of MM440

4 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置及PLC程序設(shè)計(jì)

4.1 變頻器參數(shù)設(shè)置

依照變頻器說明書對變頻器相關(guān)參數(shù)號進(jìn)行設(shè)置，如電機(jī)相關(guān)參數(shù)：額定電壓、額定電流、額定功率、額定轉(zhuǎn)速等，保護(hù)相關(guān)參數(shù)、頻率相關(guān)參數(shù)、端口定義等。限于篇幅,本文僅列出高、中、低三段速相關(guān)參數(shù)設(shè)置，見表2。

表2 高、中、低三速度參數(shù)設(shè)置Tab.2 High,medium and low speed parameter settings

4.2 PLC程序設(shè)計(jì)

(1)工頻、變頻選擇。工頻、變頻選擇梯形圖如圖3所示。

圖3 工頻、變頻選擇梯形圖Fig.3 Ladder diagram of power frequency and frequency conversion selection

(2)電動機(jī)正反轉(zhuǎn)啟動及高中低速度運(yùn)行選擇。正反轉(zhuǎn)啟動及高、中、低速度運(yùn)行選擇梯形圖如圖4所示。

圖4 正反轉(zhuǎn)啟動及高、中、低速度運(yùn)行選擇梯形圖Fig.4 Selection ladder diagram of forward and reverse starting and high,medium and low speed operation

(3)正反向點(diǎn)動的選擇。正反向點(diǎn)動的選擇梯形圖如圖5所示。

圖5 正反向點(diǎn)動的選擇梯形圖Fig.5 Selection ladder diagram of positive and negative point motion

(4)變頻器故障。變頻器故障梯形圖如圖6所示。

圖6 變頻器故障梯形圖Fig.6 Frequency converter fault ladder diagram

5 調(diào)試運(yùn)行

(1)按變頻調(diào)速系統(tǒng)電氣圖連接各個(gè)硬件，合上閘刀開關(guān)Qs。

(2)在STEP 7中創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目，組態(tài)硬件，并編寫程序，通過編程電纜將組態(tài)信息和程序下載到S7-300 PLC中；在變頻器的基本操作面板上，設(shè)置 P0010=30，P0907=1，按下P鍵，恢復(fù)變頻器到出廠缺省值，然后設(shè)置參數(shù)如前。

(3)工頻運(yùn)行。閉合SB1時(shí)，KA3線圈帶電，指示燈H1亮，常開接點(diǎn)KA3閉合，從而KM3線圈帶電，主觸頭KM3閉合，電動機(jī)工頻運(yùn)行；按下SB5，KA3線圈失電，指示燈H1滅，常開接點(diǎn)KA3斷開，從而KM3線圈失電，主觸頭KM3斷開，電動機(jī)停止運(yùn)行。

(4)變頻運(yùn)行。閉合SB2時(shí)，KA1和KA2線圈同時(shí)帶電，指示燈H2亮，常開接點(diǎn)KA1和KA2閉合，從而KM1和KM2線圈帶電，主觸頭KM1和KM2閉合，從而變頻器接入電路；按下SB5時(shí)，KA1和KA2線圈同時(shí)失電，指示燈H2滅，常開接點(diǎn)KA1和KA2斷開，從而KM1和KM2線圈失電，主觸頭KM1和KM2斷開，從而將變頻器從電路中切除。

(5)電動機(jī)正轉(zhuǎn)和停止。先把SB2閉合，將變頻器接入電路；閉合SB3，則Q4.3為邏輯“1”，變頻器數(shù)字輸入接口“5”為“ON”，電動機(jī)開始按所設(shè)置的8 s斜坡上升時(shí)間正向啟動，經(jīng)8 s電動機(jī)正向運(yùn)行速度為1 400 r/min，對應(yīng)頻率為50 Hz，此時(shí)指示燈H3亮；按下SB5，則Q4.3為邏輯“0”，變頻器數(shù)字輸入接口“5”為“OFF”，電動機(jī)開始按所設(shè)置的8 s斜坡下降時(shí)間正向停車，經(jīng)8 s電動機(jī)停止運(yùn)行。

(6)電動機(jī)反轉(zhuǎn)和停止。先把SB2閉合，將變頻器接入電路；閉合SB4，則Q4.4為邏輯“1”，變頻器數(shù)字輸入接口“6”為“ON”，電動機(jī)開始按所設(shè)置的8 s斜坡上升時(shí)間反向啟動，經(jīng)8 s電動機(jī)反向運(yùn)行速度為1 400 r/min，對應(yīng)頻率為50 Hz，此時(shí)指示燈H4亮；按下SB5，則Q4.4為邏輯“0”，變頻器數(shù)字輸入接口“6”為“OFF”，電動機(jī)開始按所設(shè)置的8 s斜坡下降時(shí)間反向停車，經(jīng)8 s電動機(jī)停止運(yùn)行。由于PLC程序中已經(jīng)設(shè)置了正反轉(zhuǎn)的互鎖，不會出現(xiàn)誤操作。

(7)電動機(jī)低速運(yùn)行。先閉合SB2，將變頻器接入電路；閉合SB6，PLC 輸出端Q4.6，Q4.5邏輯分別為“0”、“1”，變頻器“6”、“5”端口，為“OFF”、“ON”，變頻器工作在由P1001參數(shù)所設(shè)定的頻率為20 Hz的頻段上，電動機(jī)運(yùn)行在由20 Hz所對應(yīng)的560 r/min的轉(zhuǎn)速上，指示燈H5亮。按下SB5，則Q4.3為邏輯“0”，變頻器數(shù)字輸入接口“5”為“OFF”，電動機(jī)停止運(yùn)行，指示燈H5滅。

(8)電動機(jī)中速運(yùn)行。先閉合SB2，將變頻器接入電路；閉合SB6，PLC 輸出端Q4.6，Q4.5邏輯分別為“0”、“1”，變頻器“6”、“5”端口，為“OFF”、“ON”，變頻器工作在由P1001參數(shù)所設(shè)定的頻率為30 Hz的頻段上，電動機(jī)運(yùn)行在由30 Hz所對應(yīng)的840 r/min的轉(zhuǎn)速上，對應(yīng)指示燈H6亮。按下SB5，則Q4.3為邏輯“0”，變頻器數(shù)字輸入接口“5”為“OFF”，電動機(jī)停止運(yùn)行，指示燈H6滅。

(9)電動機(jī)高速運(yùn)行。先閉合SB2，將變頻器接入電路；閉合SB6，PLC 輸出端Q4.6，Q4.5邏輯分別為“0”、“1”，變頻器“6、”“5”端口，為“OFF”、“ON”，變頻器工作在由P1001參數(shù)所設(shè)定的頻率為40Hz的頻段上，電動機(jī)運(yùn)行在由40Hz所對應(yīng)的1 120 r/min的轉(zhuǎn)速上，對應(yīng)指示燈H7亮。按下SB5，則Q4.3為邏輯“0”，變頻器數(shù)字輸入接口“5”為“OFF”，電動機(jī)停止運(yùn)行，指示燈H7滅。

(10)電動機(jī)正向點(diǎn)動運(yùn)行。當(dāng)按下正向點(diǎn)動帶鎖按鈕SB9時(shí)，PLC數(shù)字輸出端口Q4.7為邏輯“1”，變頻器數(shù)字輸入端口“16”為“ON”，電動機(jī)按所設(shè)置的4 s點(diǎn)動斜坡上升時(shí)間正向點(diǎn)動運(yùn)行，經(jīng)4 s后穩(wěn)定運(yùn)行在420 r/min的轉(zhuǎn)速上，與所設(shè)置的15 Hz頻率對應(yīng)，此時(shí)指示燈H8亮。當(dāng)松開正向點(diǎn)動帶鎖按鈕SB9時(shí)，PLC數(shù)字輸出端口Q4.7為邏輯“0”，變頻器數(shù)字輸入端口“16”為“OFF”，電動機(jī)按所設(shè)置的4 s點(diǎn)動斜坡下降時(shí)間停車，此時(shí)指示燈H8滅。

(11)電動機(jī)反向點(diǎn)動運(yùn)行。當(dāng)按下反向點(diǎn)動帶鎖按鈕SB10時(shí)，PLC數(shù)字輸出端口Q5.0為邏輯“1”，變頻器數(shù)字輸入端口“17”為“ON”，電動機(jī)按所設(shè)置的4 s點(diǎn)動斜坡上升時(shí)間反向點(diǎn)動運(yùn)行，經(jīng)4 s后穩(wěn)定運(yùn)行在420 r/min的轉(zhuǎn)速上，與所設(shè)置的15 Hz頻率對應(yīng)，此時(shí)指示燈H9亮。當(dāng)松開反向點(diǎn)動帶鎖按鈕SB10時(shí)，PLC數(shù)字輸出端口Q5.0為邏輯“0”，變頻器數(shù)字輸入端口“17”為“OFF”，電動機(jī)按所設(shè)置的4 s點(diǎn)動斜坡下降時(shí)間停車，此時(shí)指示燈H9滅。

(12)變頻器故障。當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，變頻器通過端口“18”，將信號輸入PLC的I1.2地址中，此時(shí)，Q6.3輸出邏輯為“1”，繼電器KA4帶電，常開接點(diǎn)KA4閉合，接觸器KA3線圈帶電，其常開觸點(diǎn)KM3閉合，電動機(jī)轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行。

當(dāng)變頻器故障修復(fù)后，端口“18”輸出為“OFF”，經(jīng)I1.2，Q6.3輸出為邏輯“0”，繼電器KA4復(fù)位，接觸器KM3復(fù)位，電動機(jī)停止運(yùn)行。

(13)變頻器過載。變頻器過載時(shí)，變頻器跳閘，同時(shí)報(bào)警，只有變頻器系統(tǒng)復(fù)位后，才可重新進(jìn)行相關(guān)的操作。

6 結(jié)論

本文基于DJDK-1型試驗(yàn)臺，設(shè)計(jì)了一個(gè)PLC控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)可以進(jìn)行工頻與變頻的切換；變頻時(shí)電機(jī)可正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，正向點(diǎn)動、反向點(diǎn)動，以及當(dāng)正轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)可以選擇低速、中速、高速等運(yùn)行方式；電路系統(tǒng)具有自保、過載、過流、過壓等相關(guān)的保護(hù)措施，各運(yùn)行狀態(tài)下有相關(guān)的指示燈提示；當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，并自動切換為工頻運(yùn)行；變頻器控制策略采用帶編碼器反饋的矢量控制方式，速度控制的精度較高，速度控制和轉(zhuǎn)矩控制的動態(tài)性能也較好。經(jīng)調(diào)試，系統(tǒng)正常運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)計(jì)是穩(wěn)定可靠的。