0 引言

　　PLC作為一種新型工業(yè)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(yōu)點，在工業(yè)自動化生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛。變頻器也是近幾十年來發(fā)展起來的一種交流電動機新型變頻調(diào)速裝置，利用變頻器對交流調(diào)速系統(tǒng)進行調(diào)速控制，具有調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、保護功能完善、過載能力強、易于實現(xiàn)復(fù)雜控制等優(yōu)點。在各種異步電動機調(diào)速系統(tǒng)中，效率最高、性能最好的系統(tǒng)是變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，調(diào)速時必須調(diào)節(jié)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(zhuǎn)差率不變，它是當(dāng)前交流調(diào)速的主要發(fā)展方向。隨著PLC技術(shù)和變頻器技術(shù)的飛速發(fā)展，國民經(jīng)濟生產(chǎn)中對變頻調(diào)速技術(shù)的精度要求也越來越高。變頻開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不能滿足高精度的要求，本系統(tǒng)旨在采用PLC與變頻器組合構(gòu)成的變頻閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)以達到理想的調(diào)速效果。

1 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成和工作原理

　　基于PLC模擬量方式的變頻閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)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(zhuǎn)編碼器。其工作原理如圖1所示。

　　該閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，與電動機同軸相連的光電旋轉(zhuǎn)編碼器，將電機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)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(nèi)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(xiàn)閉環(huán)調(diào)速控制，以達到運行速度平穩(wěn)、精確地目的。

2 系統(tǒng)硬件選擇及設(shè)置

　　在該PLC模擬量方式的變頻閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，主要選擇的硬件設(shè)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(zhuǎn)編碼器和三相異步交流電動機。

　　2.1 系統(tǒng)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(jù)性價比、以及被控對象的I/O點數(shù)、工藝要求、掃描速度、自診斷功能因素，來選擇合適的PLC產(chǎn)品。

　　本系統(tǒng)選擇德國SIMENS公司s7—200系列CPU224XP型PLC。該產(chǎn)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(shù)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(shù)字量I/O點或38路模擬量I/O點。20KB程序和數(shù)據(jù)存儲空間，6個獨立的高速計數(shù)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(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。本機還新增多種功能，如內(nèi)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(shù)據(jù)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(tǒng)中使用，在有復(fù)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(tǒng)功能的設(shè)定

　　①容量選擇。在變頻調(diào)速的情況下，供電頻率值是變化的，電機的實際轉(zhuǎn)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(jù)所選擇的電動機參數(shù)來選配相應(yīng)的變頻器。在一臺變頻器驅(qū)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(dāng)前所選擇的電動機的功率。

　　按連續(xù)恒負(fù)載運轉(zhuǎn)時所需的變頻器容量(KVA)的公式計算：

　　選擇變頻器容量時，應(yīng)同時滿足三個算式關(guān)系，尤其是變頻器電流是一個較關(guān)鍵的物理量。考慮到電機性能上的差異及機械負(fù)載的不同，變頻器容量應(yīng)是電機容量的1—2倍，另外，也可根據(jù)生產(chǎn)機械所需的實際轉(zhuǎn)矩與穩(wěn)定運行時的轉(zhuǎn)速，求其乘積，得到所需電機的軸上功率，據(jù)此確定變頻器容量。

　　②變頻器品牌的選擇和系統(tǒng)功能的設(shè)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(xiàn)代先進技術(shù)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(diào)制的開關(guān)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(shè)置參數(shù)，它是給數(shù)量眾多的簡單的電動機控制系統(tǒng)供電的理想變頻驅(qū)動裝置。除此之外，MICROMASTER420通過參設(shè)設(shè)置，既可用于單獨驅(qū)動系統(tǒng)，也可集成到“自動化系統(tǒng)”。

　　變頻器在使用時。應(yīng)根據(jù)電動機參數(shù)、運行特性及系統(tǒng)功能要求，對變頻器參數(shù)進行相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)定。本系統(tǒng)中對變頻器主要參數(shù)的設(shè)定詳見參數(shù)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)電壓或電流信號，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號存儲到PLC中進行處理。最終PLC處理后的結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流信號去驅(qū)動執(zhí)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(zhuǎn)編碼器輸出的反饋量。使用EM235模塊時，要根據(jù)輸入信號范圍對其輸入信號進行整定。整定的內(nèi)容包括DIP開關(guān)的設(shè)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(guān)選擇需要的輸入范圍(如給定電壓范圍為0V～10V，DIP開關(guān)的狀態(tài)為010001。

　　②接通CPU及電源模塊，并使模塊穩(wěn)定15min。

　　③用給定電位器，給模塊輸入一個零值信號。

　　④調(diào)節(jié)偏置電位器，并讀取和修改模擬量輸入映像寄存器AIW相應(yīng)地址中的讀數(shù)，使該讀數(shù)值為零。讀取模擬量輸入映像寄存器AIW中的數(shù)據(jù)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(jiān)控，可觀察AIW中的數(shù)據(jù)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(diào)節(jié)增益電位器直到讀數(shù)為32000。

　　2.1.4旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器是用來測量轉(zhuǎn)速的裝置，光電式旋轉(zhuǎn)編碼器通過光電轉(zhuǎn)換，可將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖以數(shù)字量輸出(REP o它分為單路輸出和雙路輸出兩種。技術(shù)參數(shù)主要有每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)和供電電壓等。單路輸出是指旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。

　　2.2 系統(tǒng)電氣接線原理如圖系統(tǒng)電氣接線原理如圖3所示。

圖3系統(tǒng)電氣原理圖

　　圖中旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)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(jīng)PLC處理后的數(shù)據(jù)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(tǒng)中，為保證正常運行安全，必須將設(shè)備可靠的接地，因此，變頻器的接地端也應(yīng)可靠接地。

3 系統(tǒng)軟件

　　在該閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，軟件設(shè)計主要是指PLC程序設(shè)計。PLC程序設(shè)計的主要任務(wù)是接受外部開關(guān)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(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化整定，并完成PID運算，并將運算結(jié)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(huán)調(diào)速系統(tǒng)參考程序

4 控制系統(tǒng)設(shè)計及實施時注意事項

　　4.1 變頻器在啟動時，給定電壓應(yīng)以～定的斜率由0逐步達到設(shè)定值，以實現(xiàn)軟起動的功能，減小起動電流對電網(wǎng)的沖擊，節(jié)約電能。但在啟動階段不能進行PID調(diào)節(jié)，以防出現(xiàn)震蕩。

　　4.2 用PLC組成閉環(huán)自控系統(tǒng)，在實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的過程中，為防止PIE的掃描周期的影響，PLC運算應(yīng)采用定時中斷的方式，定時中斷的時間周期，可根據(jù)系統(tǒng)的調(diào)速指標(biāo)和控制精度來設(shè)定，同時還需要考慮系統(tǒng)在加給定到系統(tǒng)運行輸出的時間延遲。

　　4.3 在使用EM235模塊時，要根據(jù)輸入信號范圍對其輸入信號進行整定。

　　4.4 在本系統(tǒng)中，PID運算雖然是由PLC內(nèi)部編程的形式(即PID回路指令)實現(xiàn)的，但一定要注意比例系數(shù)、積分時間和微分時間的設(shè)置，過程量參數(shù)在寫入?yún)��?shù)表時的標(biāo)準(zhǔn)化處理以及運算結(jié)果工程量處理。

5 結(jié)束語

　　由PLC、變頻器和旋轉(zhuǎn)編碼器實現(xiàn)三相交流異步電動機變頻閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單，配置靈活，良好的軟啟動性能及帶負(fù)載能力等特點。其動態(tài)性和穩(wěn)態(tài)性均能滿足高性能要求的生產(chǎn)場合。不僅可以獲得相當(dāng)?shù)目刂凭�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(wěn)定性和快速性要求，經(jīng)濟效益顯著。若生產(chǎn)需要，本系統(tǒng)也可方便接入DCS或上位機，建立人機界面的監(jiān)控系統(tǒng)等。目前此模式下的調(diào)速系統(tǒng)，已廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中，如：PLC控制的空壓機變頻調(diào)速系統(tǒng)、基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)、PLC變頻調(diào)速系統(tǒng)在物料攪拌系統(tǒng)中的應(yīng)用等等。此技術(shù)值探討和推廣。  

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