基于PLC和變頻器的電機控制技術

摘 要：隨著電工技術以及自控技術的發(fā)展，繼電器控制已經(jīng)不能滿足工業(yè)發(fā)展的需求，電機變頻控制成為發(fā)展的趨勢。在工業(yè)自動化中，基于PLC和變頻控制電機已經(jīng)成為基本要求。文章通過PLC開關輸入輸出來控制變頻器的多功能輸入，通過變頻調(diào)速實現(xiàn)電機的控制，通過RS485來建立PLC變頻器的通信，充分發(fā)揮PLC與變頻器的控制功能。

關鍵詞：PLC；變頻器；電機

1 概述

變頻調(diào)速能夠提升絞車、提升機以及通風機等大型設備的使用效率，實現(xiàn)對電機的有效控制，這也成為最有發(fā)展前景和最理想的調(diào)速方式之一。采用變頻器構成變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)的主要目的：一是可以節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本，在實際的應用中用戶可以根據(jù)現(xiàn)場的需要組合選擇不同類型的變頻器，并且靈活快捷，構成成本低；二是能夠改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率、提高生活質(zhì)量、提升設備的自動化程度以及改善生活環(huán)境。當前在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，通過PLC與變頻器的組合對機械產(chǎn)品進行控制，采用PLC與變頻器的組合形成多樣的PLC控制變頻器的方法被普遍采用。這種方法能夠有效的相應故障信息，其控制更也為簡單，動作更迅速、測量更精確，同時具有傳輸距離遠節(jié)省部件經(jīng)費，還有較強的抗干擾能力、傳輸效率高等優(yōu)點。本文選用S7-200以及MM440變頻器實現(xiàn)對電機的20段調(diào)速控制，更清晰的展示PLC和變頻器的電機控制。

2 控制方案

2.1 PLC及閉環(huán)控制選擇

PLCS7-200應用廣泛，各種監(jiān)測、檢測以及組網(wǎng)運行中都能發(fā)揮重要作用，PLC控制變頻器的頻率一般有兩種方法：一是模擬量控制，可以使用模擬量輸入和輸出模塊，根據(jù)變頻器的具體要求選擇0-10V電壓或4-20mA電流輸出，控制變頻器的頻率，變頻器的頻率反饋。根據(jù)要求還可以選擇模擬量輸入進行采集（也可以不采集，采用開環(huán)控制）。二是串行總線通信控制，在層次較高的變頻器通接口中可以通過通信模塊頻率來實現(xiàn)PLC和變頻器之間的相互通信。系統(tǒng)的物理對象主要有三部分構成即PLC、變頻器以及電機，在控制選擇中通過可編程控制器來給定輸入，通過PLC來控制變頻器實現(xiàn)對電機的控制，控制的效果通過電機的轉速反應，并反饋給PLC的輸入，經(jīng)過比較然后發(fā)出輸入值，最終實現(xiàn)無靜差調(diào)速，這也就構成了一個變頻調(diào)速的閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠改善系統(tǒng)的響應特性，具有抑制干擾的能力，能夠在應對外部擾動以及內(nèi)部變化中發(fā)揮有效的作用。在閉環(huán)的反饋中反饋的信息與輸入給定的信息之間比之差就是調(diào)速的差值，顯然是可以進一步提升控制精度的。在擾動可以測量的情況下，除了閉環(huán)之外還可以采用前饋的控制作為反饋閉環(huán)的補充，形成復合型的控制系統(tǒng)，這樣也大大提升了控制的速度和效率。

2.2 通訊原理及傳輸技術

在通信選擇方式中通常以互聯(lián)網(wǎng)作為參考模型，采用開放式的PROFIBUS總線結構形式，這種總線通常DP、PA、FMS三種兼容模式。其中DP模式應用于分散式的I/O設備通信，是一種成本較低但速度高的通信方式，這種總線傳輸距離可以通過RPPETER進行擴展，采用RS485作為數(shù)據(jù)接口，傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿椋?.6k-12k）bps，傳輸介質(zhì)用雙絞電纜和光線都可以實現(xiàn)，是一個功能比較強大的總線結構。這種總線標準也是國際總線標準IE61158的重要組成。在傳輸技術中總線傳輸通常使用RS485傳輸技術，這種總線結構運行分布擴展系統(tǒng)而不影響其他站的工作，其傳輸安裝形式簡單，與IEC標準的HZ類似，在擴展過程中比較靈活允許增加或者移去站點。當總線傳輸被確定后傳輸速率就只能選擇一種，通常在電纜模式下可以連接32個站點，當然也可以使用中繼器將總線的站擴展到126個。

控制網(wǎng)絡也有兩層結構，首先是工業(yè)以太網(wǎng)，這是用來建立PCL、變頻器與電機之間的控制的。通過在PC中安裝CP1613通信卡、在工業(yè)現(xiàn)場PC中安裝相應的軟件以及CP343-1IT模塊接口，給予相應的授權來實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)與各個機位PC的通信。在上機位中使用Wincc組態(tài)監(jiān)控軟件實現(xiàn)集中監(jiān)控。第二層就是DP網(wǎng)絡。利用利用S7-200實現(xiàn)對現(xiàn)場DP設備的直接控制，這種網(wǎng)絡適應現(xiàn)場惡劣環(huán)境以及實時處理工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的能力。因此采用S7-200PLC、變頻器以及PROFIBUS現(xiàn)場總線技術能夠改善傳動性，有效的實現(xiàn)對現(xiàn)場設備和過程的遠程監(jiān)控，大大提升系統(tǒng)的自動化水平，系統(tǒng)控制的連續(xù)性提高，構成較為完善的自動化網(wǎng)絡結構可以滿足設計的要求并達到良好的經(jīng)濟效益。

3 硬件設計

3.1 PLC的選擇

目前PLC產(chǎn)品主要是美國、歐洲和日本三個品牌。在信號選擇中經(jīng)過反復比較，從經(jīng)濟性、實用性等角度出發(fā)選中S7-200系列小型PLC，這種型號的市場占有率比較高，而且PLC功能強大、指令比較豐富。這種PLC可以連接7個擴展模塊，最大擴至168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點，本機集成14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點。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，還有16K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。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，是具有較強控制能力的控制器。

3.2 變頻器選擇

MICROMASTER440是用于控制三相交流電動機速度和轉矩的變頻器。本變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進技術水平的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為功率輸出器件。本系列有多種型號，可達250kW（可變轉矩（VT）控制方，額定功率范圍從120W到200kW（恒定轉矩（CT）控制方式），供用戶選用。采用脈沖頻率可選的專用脈寬調(diào)制技術，可使電動機低噪聲運行。因此，它們具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。MICROMASTER 440既可用于單獨傳動系統(tǒng)，也可集成到“自動化系統(tǒng)”中。由于MICROMASTER 440具有全面完善的控制功能，在設置相關參數(shù)以后，它也可用于更高級的電動機控制系統(tǒng)。全面的保護功能為變頻器和電動機提供了良好的保護。MICROMASTER 440具有缺省的工廠設置參數(shù)，它是數(shù)量眾多的可變速控制系統(tǒng)理想的變頻傳動裝置。

3.3 異步電機運行方式

3.3.1 根據(jù)電磁力定律，在感應電動勢的作用下，轉子導體中將產(chǎn)生與感應電動勢方向基本一致的感生電流。載流的轉子導體在定子產(chǎn)生的磁場磁場中受到電磁力作用，電磁力對電機轉子軸形成電磁轉矩，驅(qū)動電機轉子沿著旋轉磁場方向旋轉，當電動機軸上帶機械負載時，便向外輸出機械能。

3.3.2 當三相異步電機接入三相交流電源（各相差120度電角度）時，三相定子繞組流過三相對稱電流產(chǎn)生的三相磁動勢并產(chǎn)生旋轉磁場，該磁場以同步轉速n0沿定子和轉子內(nèi)圓空間作順時針方向旋轉。

3.3.3 該旋轉磁場與轉子導體有相對切割運動，根據(jù)電磁感應原理，轉子導體產(chǎn)生感應電動勢并產(chǎn)生感應電流。

4 結束語

在工業(yè)自動化中電機最有效的控制就是PLC變頻調(diào)速控制，這種方法主要通過程序來控制電動機的變頻調(diào)速，實現(xiàn)自動控制。本文所研究的交流電機調(diào)速系統(tǒng)采用PLC來控制變頻器調(diào)速，通過PLC的開關量輸入輸出模塊控制變頻器的多功能輸入端、實現(xiàn)電機的多級調(diào)速，充分發(fā)揮可編程控制器的高可靠性、靈活性、通用性、擴展性等優(yōu)點，并通過RS485傳輸技術建立PLC與變頻器的PROFIBUSP-DP通訊進而完成PLC控制變頻器調(diào)速系統(tǒng)的方案設計和全部的控制系統(tǒng)設計。

參考文獻

[1]董效龍.Dong Xiaolong基于PLC和變頻器的變頻恒壓供水系統(tǒng)[J].科學之友，2008（24）.

[2]姜興忠，戴恒陽.變頻恒壓供水系統(tǒng)的機理分析[J].電氣傳動自動化，2002，24（4）.