基于ＰＬＣ的變頻器液位控制設計

摘要：隨著電力電子技術(shù)以及工業(yè)自動控制技術(shù)的發(fā)展，使得交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)電機拖動領域得到了廣泛應用。另外，由于PLC的功能強大、容易使用、高可靠性，常常被用來作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和設備的控制。本設計就是利用變頻器和PLC實現(xiàn)水池水位的控制。

關(guān)鍵詞：PLC；系統(tǒng)；控制；設計

前言：變頻器技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)，它建立在控制技術(shù)、電子電力技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的基礎上。它與傳統(tǒng)的交流拖動系統(tǒng)相比，利用變頻器對交流電動機進行調(diào)速控制，有許多優(yōu)點，如節(jié)電、容易實現(xiàn)對現(xiàn)有電動機的調(diào)速控制、可以實現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制、實現(xiàn)速度的精確控制。容易實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)切換，可以進行高額度的起停運轉(zhuǎn)，可以進行電氣制動，可以對電動機進行高速驅(qū)動。完善的保護功能:變頻器保護功能很強，在運行過程中能隨時檢測到各種故障，并顯示故障類別(如電網(wǎng)瞬時電壓降低，電網(wǎng)缺相，直流過電壓，功率模塊過熱，電機短路等)，并立即封鎖輸出電壓。這種“自我保護”的功能，不僅保護了變頻器，還保護了電機不易損壞。

PLC特點：第一，可靠性高、抗干擾能力強，平均故障時間為幾十萬小時。而且PLC采用了許多硬件和軟件抗干擾措施。第二，編程簡單、使用方便目前大多數(shù)PLC采用繼電器控制形式的梯形圖編程方式，很容易被操作人員接受。一些PLC還根據(jù)具體問題設計了如步進梯形指令等，進一步簡化了編程。第三，設計安裝容易，維護工作量少。第四，適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境，采用封裝的方式，適合于各種震動、腐蝕、有毒氣體等的應用場合。第五，與外部設備連接方便，采用統(tǒng)一接線方式的可拆裝的活動端子排，提供不同的端子功能適合于多種電氣規(guī)格。第六，功能完善、通用性強、體積小、能耗低、性能價格比高。

本系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)能源的充分利用和生產(chǎn)的需要，需要對電機進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，考慮到電機的啟動、運行、調(diào)速和制動的特性，采用LG公司的IP5A變頻器，系統(tǒng)中由LG MASTER-K系列PLC完成數(shù)據(jù)的采集和對變頻器、電機等設備的控制任務。基于LG MASTER-K PLC的編程軟件，采用模塊化的程序設計方法，大量采用代碼重用，減少軟件的開發(fā)和維護。系統(tǒng)利用對PLC軟件的設計，實現(xiàn)變頻器的參數(shù)設置、故障診斷和電機的啟動和停止。

1 本設計的控制要求：

系統(tǒng)要求用戶能夠的直觀了解現(xiàn)場設備的工作狀態(tài)及水位的變化；要求用戶能夠遠程控制變頻器的啟動和停止；用戶可自行設置水位的高低，以控制變頻器的起停；變頻器及其他設備的故障信息能夠及時反映在遠程PLC上；具有水位過高、過低報警和提示用戶功能；

2 本設計控制結(jié)構(gòu):

由于現(xiàn)場有一臺電機作為被控對象，可以使用單臺PLC進行單個對象的控制，只要適當?shù)倪x用高性能的PLC，完全能夠勝任此功能。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

PLC采集傳感器、監(jiān)控電機及變頻器等有關(guān)的各類對象的信息。本系統(tǒng)中，對電機采用一臺變頻器來進行頻率的調(diào)節(jié)控制。采用PLC輸出的模擬量信號作為變頻器的控制端輸入信號，從而控制電機轉(zhuǎn)速大小，并且向PLC反饋自身的工作狀態(tài)信號，當發(fā)生故障時，能夠向PLC發(fā)出報警信號。由于變頻調(diào)速是通過改變電動機定子供電頻率以改變同步轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，故在調(diào)速過程中從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差功率，因此具有高效率、寬范圍、高精度的調(diào)速性能。

3 設備的選型

3.1 PLC及其擴展模塊的選型：

本系統(tǒng)有一臺電機、一個液位傳感器、一個變頻器、五個繼電器，共有十八個I/O點，它們構(gòu)成被控對象。綜合分析各類PLC的特點，最終選LG公司的K-120系列PLC。由于K7M-DR40集成24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O 點，完全能滿足控制要求。此PLC可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量I/O 點或35路模擬量I/O 點。26K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1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。I/O端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內(nèi)部集成特殊功能。

3.2 變頻器模塊的選型：

目前，市場上存在各種各樣的變頻器，本設計采用LG公司的IP5A變頻器。IP5A系列傳動產(chǎn)品最大的優(yōu)點就是在全功率范圍內(nèi)統(tǒng)一使用了相同的控制技術(shù)，例如啟動向?qū)В远x編程，DTC控制，通用備件，通用的接口技術(shù)，以及用于選型、調(diào)試和維護的通用軟件工具。內(nèi)含啟動引導程序，令您調(diào)試易如反掌；自定義編程：內(nèi)置可編程模塊，猶如PLC令您發(fā)揮自如；體積小巧：內(nèi)置濾波器，斬波器及電抗器、性能卓越。

4 系統(tǒng)的控制流程：

4.1 程序設計前準備工作

了解系統(tǒng)概況，形成整體概念，熟悉被控對象、編制出高質(zhì)量的程序，充分利用手頭的硬件和軟件工具。

4.2 程序框圖設計

這步的主要工作是根據(jù)軟件設計規(guī)格書的總體要求和控制系統(tǒng)具體要求，確定應用程序的基本結(jié)構(gòu)、按程序設計標準繪制出程序結(jié)構(gòu)框圖，然后在根據(jù)工藝要求，繪制出各功能單元的詳細功能框圖。

4.3 編寫程序

編寫程序就是根據(jù)設計出的框圖逐條地編寫控制程序，這是整個程序設計工作的核心部分。

4.4 程序測試和調(diào)試

程序測試和調(diào)試不同，軟件測試的目的是盡可能多地發(fā)現(xiàn)軟件中的錯誤，軟件調(diào)試的任務是進一步診斷和改正軟件中的錯誤。

4.5 編寫程序說明書

程序說明書是對程序的綜合說明，是整個程序設計工作的總結(jié)。

下面是系統(tǒng)設計流程圖：

5 程序結(jié)構(gòu)：

本程序分為三部分：主程序、各個子程序、和中斷程序（見第四章）。邏輯運算及報警處理等放在主程序中。系統(tǒng)初始化的一些工作及液位顯示放在子程序中完成，用以節(jié)省時間。利用定時中斷功能實現(xiàn)PID控制的定時采樣及輸出控制。在本系統(tǒng)中，只用比例積分控制，確定增益和時間常數(shù)為：增益Kc=0.25；采樣時間Ts=0.1S；積分時間Ti=30S；微分時間Td=0S。

6 PLC編程軟件。

本設計使用的是軟件是KGL_WC，該軟件主要協(xié)助用戶開發(fā)應用程序，除了具有創(chuàng)建程序的相關(guān)功能，還有一些文檔管理等工具性功能，還可直接通過軟件設置PLC的工作方式、參數(shù)和運行監(jiān)控等。該軟件可以工作于聯(lián)機和離線兩種工作方式，所謂聯(lián)機是指直接與PLC連接，允許兩者之間進行通信，如上裝或下載用戶程序和組態(tài)數(shù)據(jù)等。離線則是指不直接與PLC聯(lián)系，所有程序及參數(shù)暫時存入磁盤，聯(lián)機后再下載至PLC。