基于變頻器和PLC的四輥軸交流傳動控制系統設計

王 彥，左為恒，李昌春

(重慶大學電氣工程學院，重慶 400030)

0 引言

20世紀后半葉，變頻調速技術的出現和日益完善，成為電力拖動領域的一個重大事件，該技術的發展，促使交流電機有了性能良好的調速手段，而交流電機因其結構簡單牢固、價格低廉，在工業生產中得到了廣泛應用，但其工作原理的復雜性對調速控制提出了很高的要求。

交流電動機變頻調速系統的種類很多，從早期提出的電壓源型變頻器開始，相繼發展了電流源型，脈寬調制(PWM)等多種變頻器。目前變頻調速的主要方案有:交－交變頻調速，交－直－交變頻調速，同步電動機自控式變頻調速，正弦波脈寬調制(SPWM)變頻調速，矢量控制變頻調速等。這些變頻調速技術的發展很大程度上依賴于大功率半導體器件的制造水平。隨著電力電子技術的發展，特別是可關斷晶閘管(GTO)，電力晶體管(GTR)，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，MOS晶閘管及MTC等具有自關斷能力全控功率元件的發展，再加上控制單元也從分離元件發展到大規模數字集成電路及采用微機控制，從而使變頻裝置的快速性，可靠性和經濟性不斷提高，變頻調速系統的性能也得到不斷完善。

四輥軸交流傳動控制系統屬于變頻調速系統中的一種類型，它是一典型傳動試驗機械對象，可以試驗異步電動機變頻調速時的技術難點，四輥軸交流傳動控制系統可以很好地模擬工業生產中的一些設備，如造紙機、軋鋼機的多電機分部傳動。為了生產過程中紙頁、鋼材特性變化的需要，造紙機、軋鋼機的分部傳動除了在保證高精度的同步控制外，還必須能夠在一定的范圍內調節車速，且各個分部的速度能單獨調節，這些四輥軸都能夠很好的模擬，此外，四輥軸對于軋鋼機也有一定的模擬效果。

1 系統設計

四輥軸交流傳動控制系統是一套由四臺變頻器控制四個異步電機的轉速，使其達到轉速同步的機械裝置，四臺變頻器由一臺可編程邏輯控制器(PLC)控制，它們之間通過Modbus協議進行通信，在四輥軸系統中還安裝有張力傳感器和速度旋轉編碼器，可檢測張力和速度，四輥軸交流傳動控制系統機械部分的基本圈路圖如圖1所示。

圖1 圈路圖

整個系統的基本框架如圖2所示。上位機通過PPI電纜與 PLC通信，進行控制。PLC通過Modbus總線和四臺變頻器相聯，并進行相互通信，完成信息數據交換，達到對電機的變頻控制。

圖2 系統基本組成圖

1.1 變頻器部分的設計

1.1.1 變頻器工作原理

異步電動機調速運轉時，通常由變頻器主電路給電動機提供調壓調頻電源。此電源輸出的電壓或電流及頻率，由控制回路的控制指令進行控制，而控制指令則是根據外部的運轉指令進行運算獲得。對于需要更精確轉速或快速響應的場合，運算還應包含由變頻器主電路和傳動系統檢測出來的信號。變頻器保護電路的構成，除應防止因變頻器主電路的過電壓、過電流引起的損壞外，還應保護異步電動機及傳動系統等。

變頻器分為交－交和交－直－交兩種形式。交－交變頻器可以將工頻交流電直接變換成頻率電壓均可控的交流電，又稱直接式變頻器。而交－直－交變頻器則是先把工頻交流電通過整流器變成直流電，再把直流電變換成頻率、電壓均可控的交流電，又稱間接式變頻器。通用變頻器大多是交－直－交變頻器，由四部分構成:整流器、平波電路、逆變器、控制電路。

給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分，稱為主電路，主電路包括整流器、中間直流環節(又稱平波電路)、逆變器。通用變頻器由主電路和控制電路組成。

(1)整流器。電網側的變流器Ⅰ為整流器，其作用是把工頻電源變換成直流電源。

(2)逆變器。負載側的變換器Ⅱ為逆變器。與整流器的作用相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流頻率。逆變器最常見的結構形式是利用6個半導體主開關器件組成的三相橋式逆變電路。通過有規律的控制逆變器中的主開關的導通和關斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出波形。

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(3)平波電路(中間直流環節)。由于逆變器的負載為異步電動機，是感性負載。無論電動機處于電動狀態還是發電狀態，其功率因數總不會等于1。因此，在中間直流環節和電動機之間總會有無功功率的交換，這種無功能量要靠中間直流環節的儲能元件——電容器或電感器來緩沖，所以中間直流環節實際上是中間直流儲能環節。

(4)控制電路?？刂齐娐烦Ｓ蛇\算電路，檢測電路，控制信號的輸入、輸出電路，驅動電路和制動電路等構成。其主要任務是完成對逆變器的開關控制，對整流器的電壓控制，以及完成各種保護功能等，控制方法有模擬控制或數字控制，主要靠軟件完成各種功能。

異步電動機在再生制動區域(轉差率為負)使用制動回路，再生能量儲存于平波回路電容器中，使直流電壓升高。一般情況下，由機械系統(含電動機)慣量積蓄的能量比電容儲存的能量大，需要快速制動時，可用可逆變流器向電源反饋或設置制動回路(開關和電阻)把再生功率消耗掉，以免直流電路電壓上升。

1.1.2 變頻器線路連接

變頻器部分是系統的重要硬件部分，其主要由變頻器和三相異步電動機組成，通過變頻器可以輸出電壓或頻率可變的交流電提供給電動機，這樣調節變頻器的輸出頻率就可以調節電動機的轉速，從而實現變頻調速。

變頻器選用ABB公司生產的變頻器，共四個，其中有兩個ACS 550系列變頻器，其型號為ACS550-01-03A3;另外兩個為ACS 800系列變頻器，其型號為ACS800-01-0003。每個變頻器帶一個異步電動機，異步電動機的額定功率為1.1 kW，為了實時地知道電動機的轉速，在電動機的軸上可以安裝一個光電旋轉編碼器，將電動機的轉速轉換為電信號，再將電信號傳送給數顯表，這樣，通過數顯表可以顯示電動機的當前轉速。編碼器的型號為 E6B2C-WZ6C，為直流24 V，500線/r。變頻器部分的電路圖如圖3所示。

圖3 變頻器接線圖

1#變頻器和2#變頻器為ACS550，3#變頻器和4#變頻器為ACS800。

圖3 中1#變頻器的 DI1、DI2、DI3、DI4 接的是PLC S7 －226 的輸出端子 103、104、105、106，2#變頻器的 DI1、DI2、DI3、DI4接的是 PLC S7－226 的輸出端子203、204、205、206。其中 DI1定義為電機的起動與停止，DI1為1時變頻器起動電動機，DI1為0時變頻器停止電動機;DI2、DI3、DI4可以自由定義。變頻器的參數設置通過控制面板的操作實現，變頻器的兩個端子AI1+、AI1-接的就是操作面板。圖中F11和F21都是空氣開關。

圖3 中3#變頻器的 DI1、DI2、DI3、DI4 接的是PLC S7 －226 的輸出端子 303、304、305、306，4#變頻器的 DI1、DI2、DI3、DI4接的是 PLC S7－226 的輸出端子403、404、405、406。其中 DI1定義為電機的起動與停止，DI1為1時變頻器起動電動機，DI1為0時變頻器停止電動機;DI2、DI3、DI4可以自由定義。變頻器的參數設置通過控制面板的操作實現，變頻器的兩個端子AI1+、AI1-接的就是操作面板。圖中F31和F41都是空氣開關。

1.2 PLC部分的設計

PLC選擇的是西門子公司生產的S7-226，該型號PLC的輸入輸出觸點足以滿足系統的需求，還可滿足功能模塊的擴展。PLC輸入觸點的定義如圖4所示，輸出觸點接的是四臺變頻器的DI1、DI2、DI3、DI4 四個端子。

根據四輥軸系統的性能要求，需要占用PLC 19個輸入點，16個輸出點，其I/O口分配如表1所示。

圖4中單動/聯動1按鈕的作用是切換2#電機是和1#電機同時起停，還是2#電機單獨起停;單動/聯動2按鈕的作用是切換3#電機是和2#電機同時起停，還是3#電機單獨起停;單動/聯動3按鈕的作用是切換4#電機是和2#電機同時起停，還是4#電機單獨起停;開關F005是保護開關。

表1 PLC I/O口分配

1.3 Modbus通信的硬件連接

四臺變頻器和PLC之間通過Modbus協議進行通信，因此需要相應的硬件設置。

(1)通信口設置。

①PLC側:S7-226上集成有兩個通信口(PORT0與PORT1)，可采用其中之一與變頻器進行通信，S7-226上的通信口是符合歐洲標準EN50170中Profibus標準的RS-485兼容9針D型連接器，表2給出了通信口插針的分配。

② 變頻器ACS550側:因為ACS550內置有Modbus協議，則其與PLC進行Modbus通信時，不需要外加Modbus通信模塊。可通過變頻器控制板端子X1:28～32上的RS-485接口與PLC進行Modbus通信，通信時只需要用到29、30兩個端子。

圖4 PLC電路接線圖

③變頻器ACS800側:因為ACS800沒有內置的Modbus協議，故與PLC進行Modbus通信時，需要選用Modbus通信模塊，選用的模塊型號為RMBA-01。只需用到端口組X2中的端子1(數據線負極)、2(數據線正極)，即可與PLC通信。

(2)S7-226與ACS550和ACS800之間的通信連接。PLC與四臺變頻器(兩臺ACS550，兩臺ACS800)之間的Modbus通信連接可用屏蔽雙絞線，屏蔽層只需單端接地，如圖5所示。

(3)終端電阻的設置。PLC側在Pin#口3(TxD/RxD+)、8(TxD/RxD-)之間連220 Ω 電阻。而變頻器側，只需將ACS550的終端跳線開關(J2)撥到ON，ACS800的模塊RMBA-01上的總線終端開關(S1)打到ON即可。

表2 S7-226通信口引腳分配

圖5 PLC和變頻器通信連接圖

2 控制程序設計

四輥軸交流傳動控制系統要能夠正常的工作，不僅需要硬件的合理設計，同時需要進行相應的軟件設計，需要的軟件設計即為PLC控制程序的設計，考慮到四輥軸交流傳動控制系統的性能要求，控制程序必須實現如下功能。

(1)PLC和變頻器之間能夠進行Modbus通信，PLC把一個頻率值給定某一個變頻器后，相對應的變頻器能夠收到正確的頻率給定值。

(2)每臺變頻器均可由操作臺上的相應按鈕控制，以1#變頻器為例，如按一下1#變頻器起動按鈕，1#變頻器能夠起動電機，按一下1#變頻器停止按鈕，1#變頻器能夠停止電機，按下1#變頻器加速按鈕后，1#變頻器的輸出頻率值能夠不斷上升，除非按鈕松開或者輸出頻率達到最大值50 Hz;按下1#變頻器減速按鈕后，1#變頻器的輸出頻率能夠不斷下降，除非按鈕松開或者輸出頻率達到最小值 0 Hz。2#、3#、4#變頻器同上，并且四臺電機可以進行單動/聯動選擇。

(3)為了保證四臺電機的運行同步性，控制程序中必須有速度鏈子程序，當1#電機的轉速變化時，后面電機的轉速必須相應的變化。

因為使用的PLC為S7-226，使用到的PLC內部寄存器如表3所示。

表3 使用到的PLC內部寄存器表

控制程序的流程圖如圖6所示。其中初始化程序在系統首次運行掃描時將十六進制數C9移至特殊寄存器SMB130，因為SMB130控制自由端口1的通信方式，而16#C9為2#11001001，表示端口1通信方式如下:使用的是自由口協議;波特率為9 600 b/s;校驗方式為偶校驗;且每個字符為8位數據，完成初始化后系統進入運行循環主程序，完成所要求的設計功能。

圖6 程序流程圖

3 結語

本文闡述系統設計的詳細過程，實現電機速度同步控制。四輥軸交流傳動系統作為一種非常好的試驗裝置，除了介紹的基本功能外，還可以實現負荷分配的功能，加裝張力傳感器和壓力傳感器后，還能夠實現張力的恒定控制。同時，還可以加裝一個觸摸屏，通過觸摸屏實現四臺電機的起動、停止，S7-200可以進行端口擴展，加一些擴展模塊，實現其他功能，因為S7-300系列PLC功能更加強大，也可以加上一個S7-300系列PLC，讓兩個PLC進行通信，從而去模擬更復雜的特性。

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