基于PLC及其網(wǎng)絡(luò)的變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)能源的利用和發(fā)展需要，考慮到在電機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行、調(diào)速等特性下，采用通用變頻器西門子，能很好地解決轉(zhuǎn)速之間的各種問(wèn)題。由PLC完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集和對(duì)變頻器、電機(jī)設(shè)備的控制。

1　相關(guān)技術(shù)概況

1.1　PLC技術(shù)的特點(diǎn)及發(fā)展

PLC是專門用于工業(yè)自動(dòng)化控制的計(jì)算機(jī)，但是結(jié)構(gòu)和普通微機(jī)一樣，字處理器采用通用或者專門的CPU，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，此外還設(shè)有位處理器，可以進(jìn)行點(diǎn)運(yùn)算和控制。總體而言，PLC具有可靠性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)。

1.2　變頻器的應(yīng)用及特點(diǎn)

變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)和微電子技術(shù)，是通過(guò)改變電機(jī)工作電頻率，進(jìn)一步控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻技術(shù)從日漸發(fā)展和成熟，使得與其他調(diào)速系統(tǒng)相比有以下幾點(diǎn)突出優(yōu)勢(shì)：

1.2.1省電節(jié)能。這是因?yàn)椋阂唬涣麟姍C(jī)的效率在所有電機(jī)里是最高的；二，變頻器的控制回路沒(méi)有過(guò)流過(guò)壓失相等耗能元件，也不需要調(diào)速直流系統(tǒng)中的勵(lì)磁電源變壓器等。

1.2.2系統(tǒng)造價(jià)低。在同等裝機(jī)容量的條件下，交流傳動(dòng)系統(tǒng)的造價(jià)是直流傳動(dòng)系統(tǒng)的85%-95%，異步電機(jī)的價(jià)格比直流電機(jī)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(shè)備約為每套為20000元。

1.2.3維護(hù)工作量小。交流電機(jī)的維護(hù)周期大于3個(gè)月，而直流電機(jī)維護(hù)周期為每個(gè)月。

2　系統(tǒng)構(gòu)成

2.1　方案確定

本次設(shè)計(jì)采用基于西門子PLC的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，采用S7-400和PROFIBUS-DP總線進(jìn)行通訊，再通過(guò)變頻器進(jìn)行變頻調(diào)速，將寫好的程序錄入S7-400，也可以通過(guò)操作員站，通過(guò)觸摸屏來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的遠(yuǎn)程操控。輸入/輸出信號(hào)需要在PLC接線端子上進(jìn)行地址分配才能對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。軟件的編程需要等I/O地址進(jìn)行分配之后才能進(jìn)行，對(duì)控制柜和PLC的外圍接線進(jìn)行電氣接線圖和裝配圖的繪制也是在I/O地址確認(rèn)之后。

2.2　主電路的設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用交流變頻調(diào)速，通過(guò)控制變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)的開(kāi)閉環(huán)、正反轉(zhuǎn)和快慢速的轉(zhuǎn)換。詳細(xì)的工作流程如下：

從電網(wǎng)上接入380V的交流電源，空氣開(kāi)關(guān)作為漏電保護(hù)，三個(gè)熔斷器作為過(guò)流保護(hù)。電動(dòng)機(jī)的U/V/W接入輸出端口，輸入端口的L1/L2/L3通過(guò)A級(jí)濾波器，接入交流接觸器KM1，變頻電機(jī)的風(fēng)機(jī)通過(guò)熱繼電器FR1接入交流接觸器KM2，在接入KM1的電網(wǎng)上。設(shè)計(jì)中采用熱繼電器進(jìn)行過(guò)載保護(hù)，用變頻器控制變頻電機(jī)的速度運(yùn)行，而加減速過(guò)程時(shí)間的長(zhǎng)短和穩(wěn)速值的大小則根據(jù)實(shí)際情況在變頻器中進(jìn)行設(shè)定。

2.3　網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成及說(shuō)明

本系統(tǒng)變頻器的控制端輸入信號(hào)為PLC輸出的模擬量信號(hào)，信號(hào)的傳輸通道由總線Profibus-DP完成對(duì)電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)控制。選擇變頻調(diào)速器后，電機(jī)的自我保護(hù)功能明顯完善，通過(guò)對(duì)PLC的信號(hào)的接受來(lái)調(diào)控電機(jī)的轉(zhuǎn)速，若出現(xiàn)故障還能發(fā)出警告信號(hào)，可以即時(shí)反饋?zhàn)陨淼墓ぷ鳡顟B(tài)。

3　硬件設(shè)計(jì)

3.1　變頻調(diào)速單元的構(gòu)成

隨著科技的發(fā)展，變頻器產(chǎn)品不斷成熟，性能也不斷得到優(yōu)化和提高，功能越來(lái)越完善，可靠性越來(lái)越強(qiáng)。變頻器的基本功能如下：

3.1.1基本功能：能進(jìn)行頻率的設(shè)置和顯示、設(shè)定加減速時(shí)間和停止控制功能。

3.1.2特殊功能;具有低俗時(shí)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能，能通過(guò)提升定子電壓來(lái)提升轉(zhuǎn)矩。

3.1.3保護(hù)功能：設(shè)定了過(guò)電流、過(guò)載保護(hù)和變頻內(nèi)部模塊的保護(hù)功能等等，在非正常狀態(tài)下保護(hù)變頻器。

3.1.4與上位機(jī)通訊功能：與上位機(jī)通過(guò)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(dòng)調(diào)節(jié)載波頻率，來(lái)減少和消除機(jī)械振動(dòng)，還能設(shè)定不同的跳躍頻率，避免通用變頻器輸出和負(fù)載機(jī)械設(shè)備共振的頻率值。還能在變頻器上電后，便捷改變運(yùn)轉(zhuǎn)頻率。

3.1.6多種運(yùn)行方式功能：可以控制點(diǎn)動(dòng)和正常運(yùn)動(dòng)

3.2　變頻器參數(shù)設(shè)定

隨著變頻器的性價(jià)比越來(lái)越高，交流變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)也不斷增加，使得目前交流變頻調(diào)速已經(jīng)應(yīng)用在越來(lái)越多的領(lǐng)域，本次設(shè)計(jì)中用變頻器來(lái)控制起停的速度，具體采用西門子MICROMASTER42 0來(lái)控制三相交流電動(dòng)機(jī)速度。這一系列有多種型號(hào)，功率范圍從7.5KW到90KW不等，用戶可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

在水泵和風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方面，選擇MICROMASTER420變頻器是最適合不過(guò)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(qiáng)的運(yùn)行可靠性和功能多樣性，可調(diào)制的開(kāi)關(guān)頻率降低了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行噪聲，優(yōu)良的保護(hù)功能為變頻器和電動(dòng)機(jī)提供了絕佳的保護(hù)。

3.3　PLC的選型

本次設(shè)計(jì)選用的是西門子S7-400和西門子S7-300。S7-400采用模塊化設(shè)計(jì)，不同性能范圍的模板可以自由組合，擴(kuò)展簡(jiǎn)單方便。一個(gè)系統(tǒng)可以包括：電源模板、中央處理器、模擬量輸入/輸出的信號(hào)模板、功能模板、接口模板、西門子M7自動(dòng)化計(jì)算機(jī)模板等等。西門子S7-400性能優(yōu)良，適應(yīng)性強(qiáng)，適用范圍廣。

4　總結(jié)

本文涉及利用變頻器和PLC實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制，通過(guò)設(shè)備的選擇，參數(shù)的設(shè)置提高了電動(dòng)機(jī)控制的可靠性。還結(jié)合了西門子PLC的功能結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)擊的遠(yuǎn)程控制的參數(shù)調(diào)節(jié)。實(shí)踐證明，PLC變頻雕塑電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)是一種實(shí)際可行的控制系統(tǒng)，具有高度可靠性，能輕松實(shí)現(xiàn)開(kāi)閉環(huán)控制和正反轉(zhuǎn)控制。是目前的發(fā)展趨勢(shì)，具有可觀的發(fā)展應(yīng)用前景。