0 引言
PLC作為一種新型工業控制裝置，以其運行可靠性高、組合靈活、功能強大和維護方便等優點，在工業自動化生產領域中的應用日益廣泛。變頻器也是近幾十年來發展起來的一種交流電動機新型變頻調速裝置，利用變頻器對交流調速系統進行調速控制，具有調速精度高、響應速度快、保護功能完善、過載能力強、易于實現復雜控制等優點。在各種異步電動機調速系統中，效率最高、性能最好的系統是變壓變頻調速系統，變壓變頻調速系統中，調速時必須調節定子電壓和頻率，在這種情況下，機械特性基本上平行移動，而轉差率不變，它是當前交流調速的主要發展方向。隨著PLC技術和變頻器技術的飛速發展，國民經濟生產中對變頻調速技術的精度要求也越來越高。變頻開環調速系統不能滿足高精度的要求，本系統旨在采用PLC與變頻器組合構成的變頻閉環調速系統以達到理想的調速效果。
1 閉環調速系統的組成和工作原理
基于PLC模擬量方式的變頻閉環調速系統主要包括以下組成部分：PLC和其模擬量輸入輸出模塊、變頻器、電動機和旋轉編碼器。其工作原理如圖1所示。
該閉環調速系統中，與電動機同軸相連的光電旋轉編碼器，將電機的轉速轉換成電壓(0V～5V)，反饋到PLC的模擬量模塊的一路輸入端，與給定量(模擬量模塊的另一路模擬量輸入信號，電壓0V～10V)一起在PLC內部通過PID運算處理后，再通過PLC模擬量模塊的輸出端子輸出一路DCOV～IOV的電壓信號來控制變頻器的輸出，從而實現閉環調速控制，以達到運行速度平穩、精確地目的。
2 系統硬件選擇及設置
在該PLC模擬量方式的變頻閉環調速系統中，主要選擇的硬件設備有：西門子S7—200 CPU224XP型PLC、西門子MM420變頻器、EM235模擬量模塊、光電旋轉編碼器和三相異步交流電動機。
2.1 系統硬件選擇
2.1.1 西門子S7—20013PU224XP型PLC目前PLC使用性能較好的有SIMENS公司、日本的三菱、歐姆龍公司，美國的AB公司，一般要根據性價比、以及被控對象的I/O點數、工藝要求、掃描速度、自診斷功能因素，來選擇合適的PLC產品。
本系統選擇德國SIMENS公司s7—200系列CPU224XP型PLC。該產品是SIMENS公司最新推出的一種實用機型。SIEMENS S7—200 CPU一224XP集成14輸入110輸出共24個數字量I/0點，2輸，V1輸出共3個模擬量I/0點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至168路數字量I/O點或38路模擬量I/O點。20KB程序和數據存儲空間，6個獨立的高速計數器(100KHz)，2個100KHz的高速脈沖輸出，2個RS485通訊，編程口，具有PPI通訊協議、MPI通訊協議和自由方式通訊能力。本機還新增多種功能，如內置模擬量I/O，位控特性，自整定PID功能，線性斜坡脈沖指令，診斷LED，數據記錄及配方功能等。是具有模擬量I/O和強大控制能力的新型CPU。非常適合有少量模擬量信號的系統中使用，在有復雜通信要求的場合也非常適用。
2.1.2 變頻器的選型及系統功能的設定
①容量選擇。在變頻調速的情況下，供電頻率值是變化的，電機的實際轉速也會變化。變頻器在與不同型號電動機配合時，必須合理選擇容量。這主要是根據所選擇的電動機參數來選配相應的變頻器。在一臺變頻器驅動一臺電機的情況下，變頻器的容量選擇要保證變頻器的額定電流大干該電動機的額定電流，或者是變頻器所適配的電動機功率大于當前所選擇的電動機的功率。
按連續恒負載運轉時所需的變頻器容量(KVA)的公式計算：
選擇變頻器容量時，應同時滿足三個算式關系，尤其是變頻器電流是一個較關鍵的物理量。考慮到電機性能上的差異及機械負載的不同，變頻器容量應是電機容量的1—2倍，另外，也可根據生產機械所需的實際轉矩與穩定運行時的轉速，求其乘積，得到所需電機的軸上功率，據此確定變頻器容量。
②變頻器品牌的選擇和系統功能的設定。西門子MICROMASTER420是用于控制三相交流電動機速度的變頻器系列。該系列變頻器由微處理器控制，并采用具有現代先進技術水平的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作為功率輸出器件。因此，它們具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。其脈沖寬度調制的開關頻率是可選的，因而降低了電動機運行的噪聲。全面而完善的保護功能為變頻器和電動機提供了良好的保護。MICROMASTER420具有缺省的工廠設置參數，它是給數量眾多的簡單的電動機控制系統供電的理想變頻驅動裝置。除此之外，MICROMASTER420通過參設設置，既可用于單獨驅動系統，也可集成到“自動化系統”。
變頻器在使用時。應根據電動機參數、運行特性及系統功能要求，對變頻器參數進行相關的系統設定。本系統中對變頻器主要參數的設定詳見參數設置表1所示。
2.1.3 EM235模擬量模塊PLC的模擬量處理功能主要是通過
模擬量輸入、輸出模塊及用戶程序來完成。模擬量模塊接受各種傳感器輸出的標準電壓或電流信號，并將其轉換成數字信號存儲到PLC中進行處理。最終PLC處理后的結果為標準電壓或電流信號去驅動執行元件。
EM235模塊是一個輸入輸出混合模塊，該模塊可以同時連接4路模擬量輸入和1路模擬量輸出。使用該模塊主要是用來采集兩個信號，一個是給定電壓，另一個是旋轉編碼器輸出的反饋量。使用EM235模塊時，要根據輸入信號范圍對其輸入信號進行整定。整定的內容包括DIP開關的設置和輸入信號的整定。具體步驟如下：
①在模塊脫離電源的情況下，通過DIP開關選擇需要的輸入范圍(如給定電壓范圍為0V～10V，DIP開關的狀態為010001。
②接通CPU及電源模塊，并使模塊穩定15min。
③用給定電位器，給模塊輸入一個零值信號。
④調節偏置電位器，并讀取和修改模擬量輸入映像寄存器AIW相應地址中的讀數，使該讀數值為零。讀取模擬量輸入映像寄存器AIW中的數據可使用PLC程序來完成，參考程序如圖2所示。
通過STEP7/一Micro/WIN編程軟件監控，可觀察AIW中的數據是否為所需值。
⑤將一個滿刻度信號加到模擬量模塊輸入端，調節增益電位器直到讀數為32000。
2.1.4旋轉編碼器旋轉編碼器是用來測量轉速的裝置，光電式旋轉編碼器通過光電轉換，可將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉換成相應的電脈沖以數字量輸出(REP o它分為單路輸出和雙路輸出兩種。技術參數主要有每轉脈沖數和供電電壓等。單路輸出是指旋轉編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉編碼器輸出兩組A/B相位差90度的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以測量轉速，還可以判斷旋轉的方向。
2.2 系統電氣接線原理如圖系統電氣接線原理如圖3所示。
圖3系統電氣原理圖
圖中旋轉編碼器的轉速輸出端(輸出0V～5V電壓)與EM235模塊的電壓輸入端A+和A-相連接，將直流給定電源的輸出端(輸出電壓范圍0V～IOV)與EM235模塊的B+和B-相連接，作為給定量輸入值。經PLC處理后的數據由EM235模擬量輸出端子送到變頻器的AIN+和AIN一腳。在電路系統中，為保證正常運行安全，必須將設備可靠的接地，因此，變頻器的接地端也應可靠接地。
3 系統軟件
在該閉環調速系統中，軟件設計主要是指PLC程序設計。PLC程序設計的主要任務是接受外部開關信號(按鈕)的輸入和兩路模擬量輸入(即給定量和反饋量)，對模擬量輸入數據進行標準化整定，并完成PID運算，并將運算結果進行整定后，由模擬量輸出端子送出。參考程序如圖4所示。
圖4基于PLC模擬量的變頻閉環調速系統參考程序
4 控制系統設計及實施時注意事項
4.1 變頻器在啟動時，給定電壓應以～定的斜率由0逐步達到設定值，以實現軟起動的功能，減小起動電流對電網的沖擊，節約電能。但在啟動階段不能進行PID調節，以防出現震蕩。
4.2 用PLC組成閉環自控系統，在實現自動調節的過程中，為防止PIE的掃描周期的影響，PLC運算應采用定時中斷的方式，定時中斷的時間周期，可根據系統的調速指標和控制精度來設定，同時還需要考慮系統在加給定到系統運行輸出的時間延遲。
4.3 在使用EM235模塊時，要根據輸入信號范圍對其輸入信號進行整定。
4.4 在本系統中，PID運算雖然是由PLC內部編程的形式(即PID回路指令)實現的，但一定要注意比例系數、積分時間和微分時間的設置，過程量參數在寫入參數表時的標準化處理以及運算結果工程量處理。
5 結束語
由PLC、變頻器和旋轉編碼器實現三相交流異步電動機變頻閉環調速控制系統，具有結構簡單，配置靈活，良好的軟啟動性能及帶負載能力等特點。其動態性和穩態性均能滿足高性能要求的生產場合。不僅可以獲得相當的控制精度，而且還可以獲得更高的可靠性和更強的抗干擾能力，滿足了高穩定性和快速性要求，經濟效益顯著。若生產需要，本系統也可方便接入DCS或上位機，建立人機界面的監控系統等。目前此模式下的調速系統，已廣泛的應用于工業生產及日常生活中，如：PLC控制的空壓機變頻調速系統、基于PLC的變頻恒壓供水系統、PLC變頻調速系統在物料攪拌系統中的應用等等。此技術值探討和推廣。
核心關注：拓步ERP系統平臺是覆蓋了眾多的業務領域、行業應用，蘊涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業務管理理念，功能涉及供應鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業務領域的管理，全面涵蓋了企業關注ERP管理系統的核心領域，是眾多中小企業信息化建設首選的ERP管理軟件信賴品牌。
轉載請注明出處：拓步ERP資訊網http://www.guhuozai8.cn/
本文標題：PLC在變頻閉環調速系統中的應用
相關文章
