基于PLC及其網絡的變頻調速系統的設計

本次設計為了實現能源的利用和發展需要，考慮到在電機的啟動、運行、調速等特性下，采用通用變頻器西門子，能很好地解決轉速之間的各種問題。由PLC完成對數據的采集和對變頻器、電機設備的控制。

1　相關技術概況

1.1　PLC技術的特點及發展

PLC是專門用于工業自動化控制的計算機，但是結構和普通微機一樣，字處理器采用通用或者專門的CPU，能實現數據存儲，此外還設有位處理器，可以進行點運算和控制?？傮w而言，PLC具有可靠性強、操作簡便、靈活性高等優點。

1.2　變頻器的應用及特點

變頻器是應用變頻技術和微電子技術，是通過改變電機工作電頻率，進一步控制交流電動機的電力控制設備。變頻技術從日漸發展和成熟，使得與其他調速系統相比有以下幾點突出優勢：

1.2.1省電節能。這是因為：一，交流電機的效率在所有電機里是最高的；二，變頻器的控制回路沒有過流過壓失相等耗能元件，也不需要調速直流系統中的勵磁電源變壓器等。

1.2.2系統造價低。在同等裝機容量的條件下，交流傳動系統的造價是直流傳動系統的85%-95%，異步電機的價格比直流電機低了1-3倍，目前的變頻器成本約為一千元每千瓦，而直流整流設備約為每套為20000元。

1.2.3維護工作量小。交流電機的維護周期大于3個月，而直流電機維護周期為每個月。

2　系統構成

2.1　方案確定

本次設計采用基于西門子PLC的網絡控制系統，采用S7-400和PROFIBUS-DP總線進行通訊，再通過變頻器進行變頻調速，將寫好的程序錄入S7-400，也可以通過操作員站，通過觸摸屏來實現對電動機的遠程操控。輸入/輸出信號需要在PLC接線端子上進行地址分配才能對PLC控制系統進行設計。軟件的編程需要等I/O地址進行分配之后才能進行，對控制柜和PLC的外圍接線進行電氣接線圖和裝配圖的繪制也是在I/O地址確認之后。

2.2　主電路的設計

本次設計采用交流變頻調速，通過控制變頻器來實現三相異步電動機的開閉環、正反轉和快慢速的轉換。詳細的工作流程如下：

從電網上接入380V的交流電源，空氣開關作為漏電保護，三個熔斷器作為過流保護。電動機的U/V/W接入輸出端口，輸入端口的L1/L2/L3通過A級濾波器，接入交流接觸器KM1，變頻電機的風機通過熱繼電器FR1接入交流接觸器KM2，在接入KM1的電網上。設計中采用熱繼電器進行過載保護，用變頻器控制變頻電機的速度運行，而加減速過程時間的長短和穩速值的大小則根據實際情況在變頻器中進行設定。

2.3　網絡系統組成及說明

本系統變頻器的控制端輸入信號為PLC輸出的模擬量信號，信號的傳輸通道由總線Profibus-DP完成對電動機的自動控制。選擇變頻調速器后，電機的自我保護功能明顯完善，通過對PLC的信號的接受來調控電機的轉速，若出現故障還能發出警告信號，可以即時反饋自身的工作狀態。

3　硬件設計

3.1　變頻調速單元的構成

隨著科技的發展，變頻器產品不斷成熟，性能也不斷得到優化和提高，功能越來越完善，可靠性越來越強。變頻器的基本功能如下：

3.1.1基本功能：能進行頻率的設置和顯示、設定加減速時間和停止控制功能。

3.1.2特殊功能;具有低俗時轉矩補償功能，能通過提升定子電壓來提升轉矩。

3.1.3保護功能：設定了過電流、過載保護和變頻內部模塊的保護功能等等，在非正常狀態下保護變頻器。

3.1.4與上位機通訊功能：與上位機通過RS232接口建立通訊，確保PC的通訊控制。

3.1.5降低沖擊功能：能自動調節載波頻率，來減少和消除機械振動，還能設定不同的跳躍頻率，避免通用變頻器輸出和負載機械設備共振的頻率值。還能在變頻器上電后，便捷改變運轉頻率。

3.1.6多種運行方式功能：可以控制點動和正常運動

3.2　變頻器參數設定

隨著變頻器的性價比越來越高，交流變頻調速的優點也不斷增加，使得目前交流變頻調速已經應用在越來越多的領域，本次設計中用變頻器來控制起停的速度，具體采用西門子MICROMASTER42 0來控制三相交流電動機速度。這一系列有多種型號，功率范圍從7.5KW到90KW不等，用戶可根據實際情況進行選擇。

在水泵和風機的驅動方面，選擇MICROMASTER420變頻器是最適合不過的了。MICROMASTER420變頻器由微處理器控制，功率輸出器件采用的是IGBT，因此具有很強的運行可靠性和功能多樣性，可調制的開關頻率降低了電動機的運行噪聲，優良的保護功能為變頻器和電動機提供了絕佳的保護。

3.3　PLC的選型

本次設計選用的是西門子S7-400和西門子S7-300。S7-400采用模塊化設計，不同性能范圍的模板可以自由組合，擴展簡單方便。一個系統可以包括：電源模板、中央處理器、模擬量輸入/輸出的信號模板、功能模板、接口模板、西門子M7自動化計算機模板等等。西門子S7-400性能優良，適應性強，適用范圍廣。

4　總結

本文涉及利用變頻器和PLC實現了對電動機的控制，通過設備的選擇，參數的設置提高了電動機控制的可靠性。還結合了西門子PLC的功能結構，實現對點擊的遠程控制的參數調節。實踐證明，PLC變頻雕塑電動機控制系統是一種實際可行的控制系統，具有高度可靠性，能輕松實現開閉環控制和正反轉控制。是目前的發展趨勢，具有可觀的發展應用前景。