基于PLC的三相異步電機控制系統研究

牛雅兵

摘要：異步電動機結構簡單、運行可靠，得到大量應用，但調速困難是困擾異步電動機應用的一個重要難題。基于PLC技術，與變頻器的配合組成變頻調速系統實現三相異步電機的調速和調向控制，邏輯控制器控制變頻器改變三相電源達到控制電機的效果。

關鍵詞：三相異步電動機；電機控制；PLC；變頻器

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）06-0012-02

1 緒論

三相異步電動機使用廣泛，機械制作精簡便于維護修理，可節約生產費用，電能轉化能力強，調控簡單有效等特點，在工農業生產和人類居住得到廣泛應用。本文針對異步電動機調速難的問題，采用PLC技術，實現PLC控制三相異步電機系統，以PC組態軟件為上位機，PLC為控制器，對變頻器和電機實施控制，達到調控電動機的效果。

2 系統方案設計

2.1 電動機選擇

三相鼠籠式電機的安全性和穩定性非常好，應用廣泛。鼠籠式異步電動機結構簡單、運行可靠、重量輕、價格便宜，得到了廣泛的應用。選擇型號為Y2-632-4電動機，額定電壓為380V，額定電流為0.65A，額定頻率為50Hz，額定轉速為為1400r/min，輸出功率為180W，連接方式為三角形接法，絕緣等級：F。

2.2 方案確定——開環閉環分析

變頻系統在程序設計中設有開環控制模式和閉環控制模式兩種。主要區別在閉環控制模式時，電動機會有一個速度反饋值，PLC給出轉速設定值，與旋轉編碼器檢測的速度信號比較，經PID數據處理后再輸出一定的值調節變頻器頻率給定。

開環控制通過變頻開環調速系統是由PLC輸入端口或者上位機發送指令，給PLC后會經過內部程序運行進行計算，最后由PLC的輸出端口傳送數據給變頻器，以此控制變頻器運行。開環控制模式的一大特點就是控制路徑只有一條，具有單向傳遞性，控制結構清晰，需要的電氣元件較少，且簡單易修，成本低廉。這種控制方式在抗干擾性較好的條件下精度也很高，外接電路也簡單清晰。因此，本系統采用開環控制系統就可以滿足要求，在不損失控制效果前提下又便于進行初始化的學習與實用性強的實驗操作。

3 硬件選擇與程序設計

3.1 變頻器選擇

本設計中電機啟停及速度控制由變頻器來控制，設計采用西門子MicroMaster420。MM4系列的變頻器是西門子公司新研發出來的針對現在電機控制要求的新型標準變頻器。該變頻器V/f控制成熟穩定，擁有較寬的調速范圍[1]。物理接口主要為輸入接口和輸出接口，電路設計有主電路和控制電路兩個部分。

3.2 PLC的型號選擇

選擇了S7-200 PLC（CPU224XP）來設計控制系統?？纱鎮鹘y繼電器實施簡單有效地控制操作，上可用來組成高級自動化控制系統的一個重要部分。

3.3 開環控制實戰方案

用開環設計就能簡單有效的控制三相電機調速調向控制，通過對西門子MM420變頻器和西門子PLC的CPU224XP硬件著手分析，提出模擬量多段速控制方案。

模擬量多段速控制是利用變頻器模擬量頻率給定功能，變頻可通過參數設定通過外部正負模擬量輸入端口接受電壓或電流的信號，其信號范圍如“4到20mA”內的所有的點與頻率范圍“0到50Hz”所有的點，一一對應，從而可以實現無極調速。當然，我們也可以取其中若干的點，制作成有級調速。

（1）外部電路設計（圖1）。（2）變頻器設定：MM420通過接收模擬量輸入的電壓信號，實現無極調速的控制。DIN1、DIN2、DIN3此三個數字量可通過修改變頻器參數，改變數字量端口的功能，完成接通，停止，正反轉的命令。取單極性電壓（0到10V）作為模擬量信號，設置參數之前，還需將變頻器自身外部DIP開關置于“off”位置，因為“on”代表的是電流信號。（3）PLC程序設計：本程序取了CPU224XP單極性電壓模擬量輸出里面的1V到10V平均10個點，從而變成了有級調速，因為是開環調速，做成10段速，便于精準控制。第一次啟動電機時，設定為25Hz的中間保護速度。除反轉按鈕外其他按鈕均為自復位按鈕，各個按鈕意義明確，包含了“開通，停止，加速，減速，正轉，反轉”這些電機控制的所有基本功能[2]。在達到最低或最高速時，有報警信號并取消減速或加速的功能。

4 上位機組態遠程控制

4.1 控制要求

按啟動按鈕，電機啟動且轉速達到最大速度的一半；按調速按鈕可以對電機加速減速；按下反轉按鈕電機可反轉；按停止按鈕電機依慣性自由停止。

4.2 基于模擬量控制的組態王控制程序

程序說明：程序和源程序基本相似，只是將實際的輸入I變量變成內部存儲變量以方便“組態王”軟件動畫調用，最后加了一個用于顯示當前設定的速度值的程序。

4.3 組態監控項目

（1）新建項目工程，項目及工程名稱都為“基于PLC的三相電機調速調向”。（2）新建一個控制設備，雙擊進入項目工程新建設備找到“PLC S7-200系列PPI”，新建后設備名稱可以取為“S7_200_PLC_ 224XP”，串口選擇“COM4”，定義PLC地址為“2”。（3）添加變量數據，在數據庫中新建數據詞典項目里添加各種變量。（4）添加圖形畫面并動畫連接，名稱可以取為“My_work_1”選擇合適的按鈕和指示燈后，再進行調用變量，顏色設置等操作進行動畫連接最后保存，見圖2。（5）在運行系統里面調用上一步已經制作結束的動畫，設置運行系統在主畫面配置里調用“My_work_1”。（6）回到畫面開發系統，切換到“View”界面就可以運行。

4.4 運行調試

（1）進入“View”界面，轉速等級為5，電機指示燈為紅色，處于停止狀態。（2）點擊啟動按鈕電機啟動，按加速按鈕調速，最大速度后不能再調，而且最高速度報警燈亮，其他功能如減速，點動，反轉等功能均正常。

5 結語

本文設計一個基于PLC的電機控制系統，控制核心為可編程邏輯控制器，用西門子的可編程控制器及應用軟件，與變頻器相連，傳送控制指令實現電機的啟停等功能，具有廣泛的應用前景。

參考文獻

[1]王雁博.基于PLC的步進電機控制系統設計[J].西安文理學院學報（自然科學版），2017，20（04）：39-41.

[2]李錦花.基于PLC的電動機控制系統設計及實現研究[J].電子測試，2017，（23）：13-14.

Abstract：Asynchronous motors are widely used because of their simple structure and reliable operation. However， the difficulty of speed regulation is an important problem that puzzles the application of asynchronous motors. Based on the PLC technology， the frequency control system is composed of frequency converter to realize the speed regulation and direction control of the three-phase asynchronous motor. The logic controller controls the frequency converter to change the three-phase power to control the effect of the motor.

Key words：three phase asynchronous motor； motor control； PLC； frequency converter