基于PLC的多機驅動功率平衡研究

陳曉川

【摘? 要】自PLC自動控制技術得到運用以來，不僅解放了勞動力，而且提高了生產效率。PLC與變頻器的結合，能夠有效改善變頻器在處理數據中存在不足的問題，變頻器的參數通過Modbus現場總線反饋到PLC，利用PLC進行設定參數的優化，實現多電機驅動的輸送功率平衡。

【Abstract】Since the PLC automatic control technology has been used， not only the labor force has been liberated， but also the production efficiency has been improved. The combination of PLC and frequency converter can effectively improve the problem of the lack of frequency converter in processing data. The parameters of frequency converter are fed back to PLC through Modbus field bus， and PLC is used to optimize the setting parameters， so as to realize the transmission power balance by multi-motor driving.

【關鍵詞】PLC;變頻器;功率平衡;現場總線

【Keywords】PLC; frequency converter; power balance; field bus

【中圖分類號】TD528? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）05-0176-02

1 引言

隨著自動化產業的持續發展，氣力輸送系統由于結構簡單，在鋼廠、電力行業領域得到了廣泛應用，但由于動力消耗相對大，對運量大并且需要長距離輸送的物料有一定的限制，逐步被帶式輸送機所代替，研究開發具有可變頻啟動、可變頻調速、具有集中統一控制功能的帶式輸送機刻不容緩。在采用變頻器控制電機驅動的同時，保持功率平衡是系統長期穩定運行的必要條件。對于不同的負載，每臺變頻器將分別根據其自行估算的轉速補償其滑差，以實現無偏差地達到給定轉速。但在實際運行過程中，由于每臺電機和傳動機構的不同造成的誤差會導致出現某臺電動機出力大，某臺電動機出力小的情況，在比較極端的情況下，會出現部分電機處于電動運行模式，另一部分電機處于發電運行模式，使系統不能穩定運行，甚至短時間內就會對設備造成損害。

因此，類似這樣的常規傳動模式并不能滿足系統的實際工作要求，在實際運行過程中，系統還要求各傳動點電動機功率盡可能保持平衡。

2 現場設備配置

2.1 變頻器的選擇

多機驅動控制系統中，低速驗帶和大力矩重載啟動必須通過有速度傳感器的速度閉環來控制，否則就會出現低速脈動轉矩，使皮帶出現振顫現象，無法進行低速驗帶工作，也會降低啟動力矩。施耐德公司的“無速度傳感器矢量控制技術”不僅解決低速驗帶和重載啟動問題，又可使系統更簡化，減少故障點，提高可靠性，使整個系統故障停運時間大大減少。所以選擇變頻器時，可選擇具有“無速度傳感器矢量控制技術”的施耐德ATV320變頻器。

2.2 電機的選擇

每一組電機內部力矩平衡是多電機驅動要解決的最主要問題，負載變化、電機參數及皮帶松緊等因素，都會對電機的速度和出力產生擾動性影響。為了使系統穩定工作，幾臺電機必須保持一致的速度，同時，盡可能保持均勻的出力，異步電動機具有結構簡單、運行可靠、價格低廉、維護方便等一系列優點，并且在調速性能方面完全可與直流電動機相媲美。因此，可采用性價比更高的異步電機。

3 系統控制原理

本系統利用PLC實時調節變頻器輸入頻率達到功率平衡，主要系統設備包括：6臺異步電機、6臺施耐德ATV320變頻器、西門子博途1500系列控制器以及相應的繼電器等保護系統的輔助裝置。每臺變頻器控制一臺異步電機，由于ATV320變頻器采用數字化技術，內部有微處理器進行邏輯運算和數據處理，精度高、可靠性好，同時，還具有RS485串行通訊口，Modbus-RTU通訊穩定可靠，接線簡單，在傳輸過程中不會造成損耗，而且響應速度率也會很高。因此，采用Modbus-RTU實現西門子1500PLC與6臺變頻器之間的通訊，可以實現PLC和變頻器之間的實時通訊和控制。變頻器的運行參數通過Modbus現場總線反饋到控制系統中，PLC根據采集的參數實時調節變頻器的輸出頻率，從而通過變頻器控制電機頻率達到功率平衡的目的。

4 PLC程序設計

4.1 PLC硬件選型及網絡配置

采用西門子IPC827C工控機及24寸三星液晶顯示器，上位機監視畫面使用WinCC7.3軟件，PLC選用西門子1500系列，CPU型號為1511C-1PN及相應的編程軟件TIA Portal 15.1。上位機和PLC之間通過以太網進行通訊，PLC和6臺變頻器通過Modbus協議進行數據通訊，系統結構圖如圖1所示。

4.2 PLC與變頻器的通訊配置

在OB100中，調用系統Modbus指令庫MB_COMM_LOAD，對硬件標識符、波特率、奇偶校驗位等基本參數進行初始化;在OB1里，調用系統Modbus指令庫MB_MSSTER用作數據的讀寫控制。由于PLC是與6臺變頻器進行通訊，且需要的變頻器的通訊數據是不連續的，為了避免出現同時搶占總線進入發送狀態導致通訊錯誤，因此，控制讀寫通訊還需要采用輪詢的方式。

4.3 基于PLC的多驅平衡控制邏輯說明

假定需要調整的第1臺變頻器為主機，其余的5臺變頻器為從機。同時，給定主機和從機相同的運行頻率，根據主機和從機的反饋電流，計算偏差電流與平均電流的比值，適當調整主機的輸出頻率來實現功率平衡。調節控制邏輯的具體方式如下：

①設定參數：限幅系數A、疊加系數B（1）、偏差系數C（0.05）、調節間隔時間T（ms）;

②采集數據：主機電流I1，從機2電流I2，從機3電流I3，從機4電流I4，從機5電流I5，從機6電流I6，計算主機與從機2、從機3、從機4、從機5、從機6的平均電流I0=（I1+I2+I3+I4+I5+I6）÷6;

③平均電流I0×偏差系數C作為調節條件E;

④限幅范圍D為主機輸出頻率與限幅系數A的乘積;

⑤當主機電流與平均電流的差值ISUB=I1-I0的絕對值大于調節條件E，計算單次調節量N1，N1=（ISUB÷I0）×B;

⑥每間隔時間T執行一次判斷，累計調節量N=N1+N2+......+Nx，當N>D，則N=D，當N<-D，則N=-D;

⑦主機輸出頻率F=F0+N。

同理，再假定第二、第三、第四、第五、第六變頻器為主機，適當調整輸出頻率。

4.4 實驗結果分析

采用多驅平衡控制前后電流曲線如圖2所示，在沒有采用多驅平衡控制時，電機反饋電流波動明顯（5.0～8.0A），且容易造成電機過載導致電機自我保護而停止運行。采用多驅平衡控制后，大部分電流反饋值趨于平穩（6.0～7.0A），功率平衡控制效果顯著。

5 結語

采用基于PLC的多驅平衡控制具有實時控制且穩定可靠的優點，通過實時采集各電機電流，設置各調節參數，PLC進行運算后實時調節輸出頻率，從而實現驅動電機的功率平衡控制，使各電機在額定功率下運行，保證系統安全、穩定工作。

【參考文獻】

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