基于ＰＬＣ控制的變頻調速系統設計

[摘要] 結合電機速度閉環控制，本文介紹了采用PLC、變頻器和編碼器組成的交流變頻閉環調速系統的工作原理，重點闡述了用PLC實現閉環變頻調速控制的關鍵技術，并指出了設計中應注意的主要問題。

[關鍵詞] 交流調速PLC變頻器

隨著工業控制要求的不斷發展，對電機速度控制的要求也越來越高，一般都需進行閉環控制。交流電機調速的方法很多，調壓、串級、滑差、變頻等方式都不同程度地應用于各種各樣的工控領域。隨著變頻技術的發展，變頻器越來越多地被應用于調速場合。本文介紹的這種使用變頻器實現交流閉環調速的方法，具有系統軟起動、可帶負載起動、配置靈活、控制精度高、可靠、經濟效益明顯等優點， 正運行于許多工控領域中。

一、系統組成及原理

變頻調速系統框圖如圖1所示。系統采用了PLC和變頻器調節交流異步電機轉速的方法。

本文采用全數字式的系統組成，整個系統由PLC(帶高速計數模塊)、三墾vm05變頻器(具有RS一485通信功能)、交流電機及旋轉編碼器組成。其工作原理為：給定的速度與經由PLC高速計數模塊反饋回來的實際速度相減產生速度誤差，經PLC運算可得控制量，再由RS一485接口輸出到變頻器以驅動交流電機，從而達到調節電機轉速的目的。由于PLC與變頻器之間沒有采用D／A進行轉換，而是采用RS一485進行數字通信，有效地提高了系統的抗干擾能力。

由于本系統中選用的PLC為可編程控制器S7—20O(CPU226型)，不能進行浮點運算，因此通過PLC與上位機的通訊接口，將運算數值送入上位機中，由上位機完成神經網絡的計算，計算結果再送到PLC中用于控制。

二、PLC和PC機、變頻器實時通信的實現方法

S7—200系列PLC通信方式有三種:一種是點對點(PPI)方式，用于與西門子公司的PLC編程器或其他該公司人機接口產品的通信，其通信協議是不公開的;第二種為DP方式，這種方式使得PLC可通過Profibus的DP通信接口接入Profibus現場總線網絡，從而擴大PLC的使用范圍;第三種方式是自由口通信方式，由用戶定義通信協議，實現PLC與外設的通信。本系統中采用自由口通信方式CPU226提供2個串口，其中一個端口(Port1)作為DP口，另一個端口(PortO)為自由口，自由口為標準RS一485口，PC／PPI電纜帶有RS232／RS一485電平轉換器，因此在不增加任何硬件的情況下，可以很方便地將PLC和PC機互聯。如圖2所示，在上述通信方式下，由于只有用了二根線進行數據傳送，無法實現硬件握手信號，因此PLC和PC的通信必須協調進行。在本系統中考慮到PLC長期連續工作在采集信號、控制狀態下，而PC機僅作為監控，因此PC機定時發出命令，該命令也作為握手信號。PLC一旦收到命令，在對命令進行確認無誤后，返回該命令作為應答，然后根據命令組織數據并存入指定的數據緩沖區，上傳給PC機，或準備接受PC機下轉的參數，存入指定存儲區。為了驗證數據的正確性，將所有發送的數據累加，并將結果與發送過來的累加和進行比較，若相等則發送成功;反之則放棄這批數據，并發出錯誤信息給對方，要求對方重發，以確保修改后的參數實時傳給下位機。

變頻器與PLC通信。隨著生產工藝對設備自動化的要求越來越高，通信功能已經成為現代變頻器一種“標準配置”。采用通信的好處主要有以下幾點:簡化了硬件;提高了信號的傳輸精度;維護工作量小;能與高層網絡方便地交換信息，從而實現工廠的高度自動化。

整個系統中PLC和變頻器、上位機均通過RS一485進行串行通訊。要實現PLC對變頻器的通信控制，必須對PLC進行編程；通過程序實現PLC對變頻器的各種運行控制和數據的采集。S7—200PLC有數種通信模式，其中一種叫Freeport模式(自由通訊口模式)，在該通信模式下，通信口完全由用戶程序控制，通信協議也由用戶設定。在Freeport模式下，PLC與變頻器之間是主從關系，PLC始終處于主導地位，借助XMT與RCV命令分別來發送和接收數據。

三、設計中應該注意的問題

在變頻調速系統的設計中應該注意以下幾點：

1.變頻器在啟動時，給定電壓應以一定的斜率由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。

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PLC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。

3.變頻器、PLC、接觸器等可安裝在一臺控制柜內，可就地或遠程控操作，方式簡單靈活。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。

4.系統延伸范圍廣，在多臺電機同步 多臺電機跟蹤等應用中， 只需將本系統方法稍加擴展即可實現。

5.電機在變頻或工頻供電方式下切換時，須保證各接觸器閉合和斷開順序以及足夠的延時，以防止電機繞組產生的感應電動勢加載到變頻器的輸出逆變橋上，造成損壞。

6.在大負載情況下，為了減小變頻器高次諧波的影響，可在變頻器的一、二次側加電抗器。

四、結束語

本文介紹了一種用PLC實現電動機變頻調速的理論基礎和實現方法。該變頻閉環調速系統，結構簡單，配置靈活，具有良好的軟啟動性能及帶負載能力，其動態性和穩態性均能滿足高性能要求的生產場合。不僅可以獲得與工控機相當的控制精度，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，值得在設計過程中大力推廣應用。

參考文獻:

[1]劉竟成:交流調速系統.上海:上海交大出版社，1998

[3]王也仿:可編程控制器應用技術.北京:機械工業出版社，2001

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。