基于PLC與觸摸屏的變頻調速測控系統*

寇志偉， 崔嘯鳴， 徐明娜， 馬德智， 李文軍

(1. 內蒙古工業大學 工程訓練中心，內蒙古 呼和浩特 010051； 2. 內蒙古工業大學 電力學院，內蒙古 呼和浩特 010051)

0 引 言

本文提出了一種基于PLC和HMI的變頻調速測控方案，解決了上述問題，全面提升了變頻調速系統的應用性能與技術水平。

1 系統方案

1.1 控制要求

工程應用要求改進變頻器的控制策略，具有友好的人機交互界面，能夠實現變頻調速系統的智能控制及工作狀態動態檢測；具備完善的保護、報警及處理功能；易于擴展，實現工業組網及上位機遠程監控，以適應電力拖動系統的發展趨勢，提高實際應用能力。

1.2 系統組成

基于上述要求及電氣控制原理構建測控系統，選用西門子S7-200PLC(包括CPU224XP、數字量模塊EM223及模擬量模塊EM235)、富士多功能變頻器5000G11S、步科的Eview系列工業觸摸屏ET070等組成，鑒于交流拖動系統調速應用的多樣性，調速電路設置了1#、2#兩個調速單元，可根據需要單獨運行，也可以并聯運行，系統結構如圖1所示。

圖1 變頻調速測控系統圖

2 系統設計

2.1 硬件電路設計

根據設計方案及電氣控制系統的特點，硬件電路由變頻器調速電路與PLC控制電路組成。

(1) 變頻器調速電路。

變頻器調速電路主要由變頻器的主電路、三相異步電動機及斷路器、接觸器等構成，如圖2所示。PLC輸出的變頻器控制信號及交流接觸器控

圖2 變頻器調速電路

制信號控制變頻器驅動三相異步電動機M1、M2、M3實現調速。其中變頻器1驅動電機M1，變頻器2驅動電機M2或M3，控制電源輔助輸入端子R0、T0連接于變頻器開關外側的主電源上，以防止變頻器保護功能動作時變頻器開關斷開使變頻器的控制電路失電。

(2) PLC控制電路。

PLC控制主要由PLC、變頻器的控制電路及觸摸屏構成，完成對變頻器調速電路的控制及監測，如圖3所示。CPU224XP工作電源及輸出接觸器線圈采用AC 220V電源供電，觸摸屏ET070、EM223、EM235與CPU224XP的輸入點采用DC 24 V電源供電。觸摸屏與PLC以RS485串

由表1可以看出，伊利股份的凈資產收益率從2012年的23.41%下降到2013年的19.77%，趨勢同樣變化的還有主營業務利潤率和銷售毛利率，在2012年到2013年均處于下降趨勢，伊利股份2013年三季度凈利大幅低于市場預期，僅增長28.6%，而市場普遍預期在60%以上，也略低于37.6%的預期。

行通信方式通信，PLC與變頻器采用控制端子連接的方式。PLC的數字量輸入點I0.0～I0.2分別輸入熱繼電器動合信號FR1及變頻器多功能輸出信號，I2.0～I2.3輸入變頻器的總報警信號，其他輸入點保留未用；數字量輸出點Q0.0～Q0.3控制變頻器1的多功能輸入端子X1～X4，Q0.4～Q1.1控制主電路接觸器KM1～KM6，Q2.0 ～Q2.3控制變頻器2的多功能輸入端子X1～X4，Q2.4～Q2.7控制變頻器1、2的FWD、REV端子；模擬量輸入點AIW0、AIW2輸入變頻器1、2的PID反饋信號，AIW4、AIW6輸入變頻器1、2的頻率監視信號，輸出點AQW0、AQW2輸出變頻器1、2的頻率控制信號。

2.2 觸摸屏設計

Eview觸摸屏界面采用Kinco公司的HMIware組態軟件開發。根據控制要求，觸摸屏組態采用分頁設計，分為系統主界面、總控界面、頻率監測、系統設定、用戶管理和歷史查詢6個頁面，組態結構及總控界面如圖4所示。

圖4 觸摸屏總控界面

2.3 PLC程序設計

(1) 模擬量處理。

調速電路中變頻器1、2的頻率控制信號由PLC的AQW0、AQW2給定，選擇0～10V的電壓信號。變頻器1、2的頻率監視信號(0～10V)由FMA端子輸入到PLC的AIW4、AIW6，經過PLC程序的模擬量運算后在觸摸屏上顯示變頻器的輸出頻率及當前電動機的轉速。設置變頻器的參數F03=50Hz、F30=100%、F31=0，輸入的頻率監測模擬量AIWX對應的PLC中的整數值為YX，對應的頻率與轉速為fX、nX，則系統的頻率及轉速的計算式為式(1)～式(3) 。

(1)

(2)

(3)

(2) PLC的程序設計。

PLC的程序采用STE P7-Micro/WIN SP9編程工具編寫，根據控制要求與I/O配置，規劃程序結構，建立符號表編寫程序，控制程序由主程序、1#調速系統子程序、2#調速系統子程序、顯示子程序、保護與報警子程序組成，主程序流程如圖5所示。

圖5 PLC主程序流程

3 調速應用舉例

3.1 電機切換

變頻調速系統可以由一臺變頻器控制兩臺電氣參數不同的電動機交替工作，需要切換工作電機及相應的功能參數。以系統2#調速電路為例，設置變頻器2參數E01=12(X1端子)，作為M2、M3的切換信號，當X1與CM斷開時，變頻器2運行M2的功能參數；當X1與CM閉合時，變頻器2運行M3的功能參數。設置E24=14(Y5端子)，當X1端子切換信號輸入時，Y5端子輸出電動機切換信號，PLC根據Y5端子信號切接觸器KM5，接通接觸器KM6，電動機M2停止，M3起動。

3.2 電源切換

交流拖動系統電動機的工頻與變頻電源切換是調速系統的基本功能，經常使用的電源切換情形有故障切換與滿載切換兩種。

(1) 故障切換。

在不允許隨意停機的調速系統中，變頻器一旦出現跳閘停機應立即將電動機切換到工頻電源。以系統1#調速電路為例，設置變頻器1參數為F36=0、E01=8(X1端子)、E02=9(X2端子)，當變頻器總報警輸出有效(30A與30C閉合)或外部報警有效(THR端子接通)時，PLC輸出將變頻電源KM2切除，延時一定時間后將工頻電源KM3投入。排除故障后，按下按鈕接通復位端子X1(RST)，觸點復位，PLC切除工頻電源投入變頻電源，實現故障保護及電源切換。

(2) 滿載切換。

節能控制是變頻調速系統的優點之一，如果變頻器達到滿載輸出，就失去了節能作用，此時應將電動機切換到工頻電源。以1#調速電路為例，設置變頻器1參數為E24=2(Y5端子)、E31=50Hz、E32=0Hz。當變頻器輸出頻率達到50Hz時，Y5端子輸出ON信號，PLC切除變頻電源KM2，投入工頻電源KM3。當變頻器輸出頻率小于50Hz時，Y5端子停止輸出ON信號，PLC切除工頻電源KM3，再次投入變頻電源KM2，實現調速系統的滿載切換。

3.3 并聯運行

在流水線、傳送帶等控制系統中，經常需要兩臺或多臺變頻器并聯或比例運行。設置1#調速電路變頻器1的參數F03=50Hz、F17=80%，2#調速電路變頻器2參數F03=50Hz、F17=40%，則1#調速電路輸出頻率為40Hz，2#調速電路輸出頻率為20Hz，實現調速系統的比例運行。

3.4 自動升降速度運行

自動升降速端子為數字控制方式的頻率給定端子，其頻率控制比模擬量端子控制的穩定性好，不受干擾信號的影響，在以PLC為核心的調速系統中，應用較多。以系統2#調速電路為例，設置變頻器2的參數F01=8、E03=17(X3端子)、E04=18(X4端子)，變頻器的頻率由端子X3、X4控制，PLC輸出X3信號時變頻器的輸出頻率按設定的加速時間上升，斷開時，輸出頻率保持；PLC輸出X4信號時變頻器的輸出頻率按設定的減速時間下降，斷開時，輸出頻率保持，實現調速系統的數字方式控制頻率。

3.5 PID控制

PID控制是閉環控制系統的比例(P)、積分(I)、微分(D)控制算法，其根據設定值與被控對象的實際值的偏差，按照PID算法計算控制器的輸出量，控制執行機構去影響被控對象的變化。使用PID控制可以使調速系統獲得良好的閉環控制性能。基于PLC的變頻調速系統有兩種PID控制方法： (1) 使用變頻器內部的PID控制功能，通過控制對象傳感器將檢測控制量反饋給變頻器，在變頻器內部進行PID調節以改變輸出頻率。(2) 利用PLC的PID控制功能將給定量與控制對象傳感器的檢測量比較后輸出給變頻器的頻率控制端進行實現。

4 結 語

基于PLC與觸摸屏的變頻調速測控系統具有調速性能好、保護功能完善、節省能源與投資、智能化程度高和易于實現復雜控制等優點。如果多臺電動機需要并聯調速測控，可使用RS485串行通信方式與上位機組態軟件實現；若改變控制策略及相應程序可以直接應用于工程調速系統；稍作改造也可以用于組態技術、PLC與觸摸屏自動控制的試驗裝置，因此系統擴展性好，具有應用與推廣價值。

【參 考 文 獻】

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