0 引言

　　PLC作為一種新型工業(yè)控制裝置，以其運(yùn)行可靠性高、組合靈活、功能強(qiáng)大和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)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(lái)發(fā)展起來(lái)的一種交流電動(dòng)機(jī)新型變頻調(diào)速裝置，利用變頻器對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速控制，具有調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、保護(hù)功能完善、過(guò)載能力強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制等優(yōu)點(diǎn)。在各種異步電動(dòng)機(jī)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(shí)必須調(diào)節(jié)定子電壓和頻率，在這種情況下，機(jī)械特性基本上平行移動(dòng)，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(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)的精度要求也越來(lái)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(dá)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)同軸相連的光電旋轉(zhuǎn)編碼器，將電機(jī)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(hào)，電壓0V～10V)一起在PLC內(nèi)部通過(guò)PID運(yùn)算處理后，再通過(guò)PLC模擬量模塊的輸出端子輸出一路DCOV～I(xiàn)OV的電壓信號(hào)來(lái)控制變頻器的輸出，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速控制，以達(dá)到運(yùn)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P(yáng)LC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(dòng)機(jī)。

　　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(guó)的AB公司，一般要根據(jù)性價(jià)比、以及被控對(duì)象的I/O點(diǎn)數(shù)、工藝要求、掃描速度、自診斷功能因素，來(lái)選擇合適的PLC產(chǎn)品。

　　本系統(tǒng)選擇德國(guó)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(shí)用機(jī)型。SIEMENS S7—200 CPU一224XP集成14輸入110輸出共24個(gè)數(shù)字量I/0點(diǎn)，2輸，V1輸出共3個(gè)模擬量I/0點(diǎn)，可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或38路模擬量I/O點(diǎn)。20KB程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，6個(gè)獨(dú)立的高速計(jì)數(shù)器(100KHz)，2個(gè)100KHz的高速脈沖輸出，2個(gè)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(jī)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(qiáng)大控制能力的新型CPU。非常適合有少量模擬量信號(hào)的系統(tǒng)中使用，在有復(fù)雜通信要求的場(chǎng)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

　�、偃萘窟x擇。在變頻調(diào)速的情況下，供電頻率值是變化的，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速也會(huì)變化。變頻器在與不同型號(hào)電動(dòng)機(jī)配合時(shí)，必須合理選擇容量。這主要是根據(jù)所選擇的電動(dòng)機(jī)參數(shù)來(lái)選配相應(yīng)的變頻器。在一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)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(dòng)機(jī)的額定電流，或者是變頻器所適配的電動(dòng)機(jī)功率大于當(dāng)前所選擇的電動(dòng)機(jī)的功率。

　　按連續(xù)恒負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的變頻器容量(KVA)的公式計(jì)算：

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

　�、谧冾l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(dòng)機(jī)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(jìn)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(yùn)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(dòng)機(jī)運(yùn)行的噪聲。全面而完善的保護(hù)功能為變頻器和電動(dòng)機(jī)提供了良好的保護(hù)。MICROMASTER420具有缺省的工廠設(shè)置參數(shù)，它是給數(shù)量眾多的簡(jiǎn)單的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)供電的理想變頻驅(qū)動(dòng)裝置。除此之外，MICROMASTER420通過(guò)參設(shè)設(shè)置，既可用于單獨(dú)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，也可集成到“自動(dòng)化系統(tǒng)”。

　　變頻器在使用時(shí)。應(yīng)根據(jù)電動(dòng)機(jī)參數(shù)、運(yùn)行特性及系統(tǒng)功能要求，對(duì)變頻器參數(shù)進(jìn)行相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)定。本系統(tǒng)中對(duì)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(guò)

　　模擬量輸入、輸出模塊及用戶程序來(lái)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(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到PLC中進(jìn)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(hào)去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件。

　　EM235模塊是一個(gè)輸入輸出混合模塊，該模塊可以同時(shí)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(lái)采集兩個(gè)信號(hào)，一個(gè)是給定電壓，另一個(gè)是旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的反饋量。使用EM235模塊時(shí)，要根據(jù)輸入信號(hào)范圍對(duì)其輸入信號(hào)進(jìn)行整定。整定的內(nèi)容包括DIP開關(guān)的設(shè)置和輸入信號(hào)的整定。具體步驟如下：

　�、僭谀�塊脫離電源的情況下，通過(guò)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。

　�、诮油–PU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(gè)零值信號(hào)。

　　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(lái)完成，參考程序如圖2所示。

　　通過(guò)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。

　�、輰⒁粋�(gè)滿刻度信號(hào)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(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速的裝置，光電式旋轉(zhuǎn)編碼器通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，可將輸出軸的角位移、角速度等機(jī)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(guò)這兩組脈沖不僅可以測(cè)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～I(xiàn)OV)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(yùn)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(jì)主要是指PLC程序設(shè)計(jì)。PLC程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是接受外部開關(guān)信號(hào)(按鈕)的輸入和兩路模擬量輸入(即給定量和反饋量)，對(duì)模擬量輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化整定，并完成PID運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果進(jìn)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(jì)及實(shí)施時(shí)注意事項(xiàng)

　　4.1 變頻器在啟動(dòng)時(shí)，給定電壓應(yīng)以～定的斜率由0逐步達(dá)到設(shè)定值，以實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)的功能，減小起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，節(jié)約電能。但在啟動(dòng)階段不能進(jìn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)的過(guò)程中，為防止PIE的掃描周期的影響，PLC運(yùn)算應(yīng)采用定時(shí)中斷的方式，定時(shí)中斷的時(shí)間周期，可根據(jù)系統(tǒng)的調(diào)速指標(biāo)和控制精度來(lái)設(shè)定，同時(shí)還需要考慮系統(tǒng)在加給定到系統(tǒng)運(yùn)行輸出的時(shí)間延遲。

　　4.3 在使用EM235模塊時(shí)，要根據(jù)輸入信號(hào)范圍對(duì)其輸入信號(hào)進(jìn)行整定。

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

5 結(jié)束語(yǔ)

　　由PLC、變頻器和旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)三相交流異步電動(dòng)機(jī)變頻閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，配置靈活，良好的軟啟動(dòng)性能及帶負(fù)載能力等特點(diǎn)。其動(dòng)態(tài)性和穩(wěn)態(tài)性均能滿足高性能要求的生產(chǎn)場(chǎng)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(qiáng)的抗干擾能力，滿足了高穩(wěn)定性和快速性要求，經(jīng)濟(jì)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(jī)，建立人機(jī)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(jī)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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