基于PLC的冷軋張力控制系統中變頻器的設計

趙明明

（丹東市中等職業技術專業學校，遼寧丹東 118000）

基于PLC的冷軋張力控制系統中變頻器的設計

趙明明

（丹東市中等職業技術專業學校，遼寧丹東 118000）

隨著電力電子技術、微機控制技術的迅猛發展，變頻調速技術越來越廣泛地應用于工業領域。變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電動機工作電源的頻率和幅值來控制交流電動機的電力傳動元件。它可以應用在很多場合。有通用變頻器，簡易型通用變頻器，高性能通用變頻器，專用變頻器之分。變頻器的應用對當今社會各產業有著很重要的意義。

PLC 變頻器 張力控制 PLD

近年來隨著電力電子技術、微機控制技術的迅猛發展，變頻調速技術越來越廣泛地應用于工業領域。變頻器是應用變頻技術與微電子技術通過改變電動機工作電源的頻率和幅值來控制交流電動機的電力傳動元件，它可以應用在很多場合。有通用變頻器，簡易型通用變頻器，高性能通用變頻器，專用變頻器之分。變頻器的應用對當今社會各產業有著很重要的意義。

1 變頻器與PLC的連接方式

PLC與變頻器有3種連接方法：（1）利用PLC的模擬量輸出模塊控制變頻器，這種方法PLC的模擬量輸出模塊輸出0～5U電壓或4～20MA電流，將其送給變頻器的模擬電壓或電流輸入端，控制變頻器的輸出頻率。它的優點為硬件接線簡單，但是PLC的模擬量出模塊很貴，成本太高了。（2）PLC通過PS-485通信接口控制變頻器。這種系統中FX2N-64MR為系統核心，FX2N-485-BD為FX2N系列PLC的通信適配器，用于PLC和變頻器之間的數據發送和接收。SCO9電攬用于PLC和計算機之間的數據傳送。它的優點是硬件接線簡單，但是點增加通信用的接口模塊，缺點是模塊價格也比較高，步熟通信的人利用起來很復雜，不容易學。（3）利用PLC的開關量輸入，輸出模塊控制變頻器，PLC的開關量輸出，輸入端大多數能夠與變頻器的開關量輸入，輸出端直接相連。它的優點是接線比較很簡單，抗干擾能力強，用PLC的開關量輸出模塊可以控制變頻器的正反轉調速，能基本實現復雜要求。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和數據的采集。

PLC程序與變頻器連接基本操作步驟：（1）對變頻器進行初始化設定，參數設置。如果在進行初始化設定時有一個錯誤的設定，會造成整個系統無法傳輸。（2）復位變頻器確保參數生效。（3）對西門子進行設置，包括通信格式進行設定，波特率，數據長度，奇偶校驗，停止位和數據格式等，設定后必須從啟。（4）電纜制作及PLC與變頻器連接。（5）編寫程序。

變頻器與PLC相連接應該注意：（1）對PLC本身應按規定的接線標準和接地條件進行接地，而且應注意避免和變頻器共同的接地線，應該將它們分開。（2）當電源條件不好時，應該在西門子PLC的電源模塊及電源線上接入噪聲濾波器等抗噪聲變頻器。（3）當變頻器和PLC需要放在一個柜中的，應該把PLC的電線與變頻器電線各自扎好分開。（4）通過使用屏弊線和雙絞線抑制噪聲干擾。（5）在PLC和變頻器連接時，應注意出現干擾，避免使變頻器誤工作造成設備損壞。

2 矢量控制

矢量控制的基本思想是：仿照直流電動機的調速特點，使異步交流電動機的轉速也能通過控制兩個互相獨立的直流，控制兩個互相獨立的直流磁場進行調節。矢量控制實現的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉矩的目的。矢量控制方式有基于轉差頻率控制的矢量控制和無速度檢測器的矢量控制兩種。基于轉差頻率控制的矢量控制方式是Uf恒定控制的基礎上，通過檢測異步電動機實際速度，并得到與之相對應的頻率，在根據系統相達到的轉矩（按式3-3），控制定子電流矢量對變頻器的輸出頻率控制，這樣的方式能提高動態性能。

定子電流I1，轉矩電流I2和勵磁電流IM三者之間關系如下：

由于轉差頻率fs=s所以

由于轉矩電流過渡過程中波動還要根據3-6的條件對電動機定子電流的相位進行控制。

從圖3-6中看出，與一般的轉差頻率頻率控制方式對比，基于轉差頻率控制的矢量控制方式在輸出轉矩方面有所提高。

無速度傳感器矢量控制方式是分別對基本勵磁電流和轉矩電流進行檢測，在通過控制電動機的定子繞組上的電壓和頻率來控制勵磁電流和轉矩電流的指令值和檢測得到的值維持一致，實現矢量控制。用無速度傳感器矢量控制方式時，電動機的轉速按（3-7）計算。

3 PID控制

調節器控制規律為微分，比例，積分控制；稱它都PID控制，其中P為比列，I為積分，D為微分。它們一般情況下步單獨使用，組合成PI控制，PD控制，PID控制等方式。PID控制是至今用的最廣泛的，它具有結構簡單，穩定性較好，使用方便等優點。PID控制是由于系統產生誤差，用比列，積分，微分計算得出的控制量進行控制誤差。

（1）比例控制是最簡單的方式，系統控制器輸出信號與輸入誤差信號成比例關系。但是比例控制存在輸出穩態誤差。（2）積分控制中控制器的輸出信號與輸入誤差信號成正比關系。當一個系統進行穩定運行狀態時存在穩態誤差，稱此系統為穩態誤差系統。將應采用積分控制，積分項對誤差取決于時間的積分，時間越長，積分項會越大，即使誤差很小，積分項也會隨著時間變長而贈大，會使穩態誤差減小。（3）微分控制中控制器的輸出信號與輸入誤差信號的微分成正比關系。當一個系統在進行消除誤差時會出現振蕩，嚴重的話還可能失穩，采用微分項來抑制這種情況。（4）PI控制是P比例和I積分運算之和，用PI控制時，可以去除掉改變目標值和外來干擾等產生的偏差，但是由于積分工作太快對變化的偏差作用不明顯。（5）PD控制是積分和微分運算之和，PD控制用于過程本身沒有制動作用的負載。

量，對系統被控對象進行控制。PID的數學表達式為：

式中：u為PID控制器的輸出；

T為PID控制器的采樣周期；

ei為第i時刻（SV-PV）誤差值，SV為被控量的設定值，PV為被控量的實際值。

變頻器用來實現PID控制兩種情況：（1）變頻器內部設置的PID功能，輸入信號通過變頻器端子進行輸入，反饋信號也給變頻器的控制端，在變頻器的內部進行PID調節，以實現PID控制。（2）是外部進行的PID控制，將輸入信號與反饋量比較后，把比較完的輸入信號給到變頻器的端子，以改變輸出頻率。變頻器的PID控制與傳感器組成閉環控制。有實現自動調節功能。PID控制主要用來實現定值控制，適用與冷軋剛恒張力控制系統。

［1］李長軍，王勇.變頻器技術一學就會.北京：電子工業出版社，2012：140-144.

［2］陳立香.變頻調速.北京：機械工業出版社，2009：118-122.

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趙明明（1988—），女，漢族，教師，研究方向：PLC編程。