基于調節器模擬給定的變頻調速系統設計

肖寶興

【摘要】調節器除了具有調節功能還兼有比例放大以及比例積分放大功能，本系統設計最初的信號源來自調節器，本身就是運算放大器，可形成開環與閉環兩種結構形式。以調節器的輸出信號作為調速系統的輸入信號，發給可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC），經過模擬量處理功能邏輯處理后再發送到變頻器模擬量輸入端，變頻器的輸出端接交流電動機，由變頻器拖動電動機實現連續平滑地調速，與此同時，觸摸屏負責實時顯示電動機運行速度及其變化。

【關鍵詞】調節器;PLC;變頻器;觸摸屏;調速

一、調節器

調節器基本器件是運算放大器，自身的輸入信號由可調直流電源提供，控制電路可形成比例放大器以及比例積分放大器。前者只將當前信號放大，放大倍數由電阻比值決定，與歷史積累無關;后者可降低信號響應速度并與歷史積累有關，積分效果由反饋回路中電容值決定。如不需要放大或積分，可將反饋回路短路，使輸出信號與輸入信號成為1：1，也即開環控制。調節器的輸出信號送到PLC的模擬量輸入端口。控制電路中還包括測速反饋環節，與給定信號共同作用到輸入端，給定與反饋比較環節也稱為封鎖環節，當反饋大于給定時會使調節器的輸出信號降為最低。

二、可編程序邏輯控制器（PLC）

可編程序邏輯控制器從最早的只能實現簡單的數字量邏輯控制到現在的模擬量控制、聯網通信等，目前仍然處在控制系統中的核心位置，用戶為其編寫程序使之實現各種過程控制、運動控制。

本題中要實現模擬量信號的控制以及觸摸屏與PLC聯網控制，PLC選用西門子$7-200CPU226型機，其主機對外數字量I/O點數為40個，還要加上一塊模擬量擴展模塊EM235，此模塊可提供4個模擬量輸入點、1個模擬量輸出點，主機與擴展模塊之間用自身的通信口及電纜即可實現連接。模擬量輸出為變頻器模擬量輸入提供信號，經過邏輯運算以及PID處理過的模擬量變成電壓信號送到變頻器，此量值還要送到數據變量寄存器V，為觸摸屏提供信號。

模擬量經過PID處理后的輸出信號特別適合用于空調、溫度調節以及壓力調節等場合。

三、變頻器

變頻器的作用是拖動電動機實現變速運行，影響速度的三要素是電動機定子繞組極對數（p）、旋轉磁場與轉子速度間的轉差率（s）、供電電源頻率（f），其中改變頻率為最佳的調速方式。使用變頻器首先要將對外線路接好，然后選擇控制方式，再有就是設置參數。本題選擇外控模擬量輸入方式，輸入信號由PLC提供。

四、觸摸屏

西門子觸摸屏面板TPl77A不管是加工自動化、過程自動化或樓宇自動化，都有著廣泛的應用，TPl77A通過RS 422/485（IF 1B）接口與西門子S7-200PLC連接。

TPl77A觸摸屏應用軟件WinCC flexible用于組態用戶界面以操作和監視生產設備。在工藝過程日趨復雜、對機器和設備功能的要求不斷增加的環境中，操作員希望獲得最大的透明性，人機界面（HMI）提供了這種透明性。在應用軟件WinCC flexible上組態電動機變速運行畫面。

（一）建立項目

雙擊桌面WinCCflexible的圖標，創建一個空項目，如果是打開一個已有的也要從此進入。

（二）設備選擇

選擇設備時要選擇觸摸屏型號，本題需使用TPl77A型，點擊后進入下一個界面。

（三）組態制作

在此可完成畫面的制作、實現觸摸屏與核心控制器件PLC之間的通信連接、建立畫面上可動圖素與PLC變量之間的對應關系等。可建立與選擇畫面，進行變量的設置，還可進行連接的設置，也就是設置觸摸屏與PLC之間進行信號往來所需參數及設備選擇等。

（四）可變數據的制作

像日期、溫度、速度等值在實際工程中總是變化著的，本題的速度值也是在不斷變化著的，在觸摸屏上顯示這樣的變量就要依靠PLC的數據變量寄存器V，V中的數據變化，觸摸屏上顯示的數據也跟著同步變化。顯示的數據是動態的，電動機速度變化時這里會出現可變數據。點擊工具欄中“I/O域”，將光標拖到工作區的某個位置放下，然后雙擊此圖標就會出現屬性欄，字體大小、顏色、數據位數、進制等都可設置，需連接字型V，比如VWIO。

（五）棒圖的生成與組態

觸摸屏界面設計除了窗口顯示實時速度值，還要有變化過程的浮動標，在此稱為棒圖。在工具欄中找到棒圖點擊后出現屬性設置欄，在此可設置最高速度值位、最低位、顯示顏色、背景顏色、與PLC連接的變量、升降移動方向、是否需要刻度、刻度量程等。

（六）通信下載

先保證PLC中有下載的程序。0口用來與電腦連接通信，1口可留作與觸摸屏通信用，PLC與觸摸屏的通信波特率要一致。

觸摸屏與電腦的通信，觸摸屏上電后出現對話框，按下Transfer鍵，使觸摸屏處于等待傳送模式。用PPI通信電纜，點“傳送”后相關設置就送到觸摸屏中，然后拔下PPI電纜換成網絡電纜，將觸摸屏與PLC連接好，通上電兩者就可進行信號往來，實現控制了。