基于可編程邏輯控制器的變頻器自動控制方法研究

王思卓

（吉林煙草工業有限責任公司長春卷煙廠）

0 引言

隨著工業化程度的逐步加深，變頻器在工業生產的各個領域中都取得了非常廣泛的應用，對變頻器的自動控制提出了更高的要求[1-2]?？删幊踢壿嬁刂破鞯闹饕δ芫褪菍崿F對變頻器等工業設備的自動化控制。將可編程邏輯控制器和變頻器一起組成功能性強、穩定性高的自動控制系統[3]。通過上位機（計算機）對自動控制系統進行監控和管理，下位機（可編程邏輯控制器）接收上位機的控制命令對被控對象（變頻器）的運行狀態進行控制，這樣就實現了工業生產的集中化管理和分散化控制，能夠實現工業生產流程的全自動執行，大大提高了生產效率，有助于企業更好地實現經濟效益最大化[4-5]。

1 可編程邏輯控制器

1.1 可編程邏輯控制器概念

隨著可編程邏輯控制器的發展，其功能也從最基本的邏輯控制發展到具備數據運算功能。國際電工委員會對可編程邏輯控制器的定義是：“可編程序控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計的；它采用了可編程序的存儲器，用來在其內部存儲并執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和各種數學操作運算等面向用戶的指令，并通過數字式或模擬式的輸入/輸出，控制各種類型的機械或生產過程”[6]。

1.2 可編程邏輯控制器工作原理

可編程邏輯控制器在本質上也是工業計算機?？删幊踢壿嬁刂破鞑煌趥鹘y的計算機中斷機制，是工作在循環掃描機制下，全部程序掃描一次所用的時間稱為掃描周期[7-8]。可編程邏輯控制器的工作過程可以概括描述為五個步驟，反復循環執行。

1）CPU診斷：CPU對可編程控制器自身的硬件狀態進行檢測，當檢測到硬件狀態異常時，會根據相應的故障類型觸發保護機制。

2）數據通信：CPU診斷機制執行完畢后，進行外部設備檢查，建立通信，進入聯機工作狀態。

3）信號采集：對可編程邏輯控制器的輸入信號進行集中采集，CPU一次性讀取輸入接口的全部信號，存在輸入映像寄存器。

4）執行過程：可編程邏輯控制器根據程序邏輯，結合輸入映像、輸出映像以及標志寄存器的狀態，完成相關運算，將結果存儲在輸出映像寄存器。

5）結果刷新：對可編程邏輯控制器的輸出信號進行集中更新，CPU將輸出映像寄存器的狀態一次性更新到輸出接口，由外部執行元件完成邏輯動作。

從可編程邏輯控制器輸入信號變化到輸出信號做出響應，需要經過一定的時間，這個時間一般來說是毫秒數量級，常規的工業控制系統允許這種時間延遲[9-10]?？删幊踢壿嬁刂破鹘邮芸刂浦噶顣r，在一個掃描周期內只能處理一條指令，對一個掃描周期內的后續指令無法響應，所以要求兩條控制指令的間隔周期必須要大于一個掃描周期，避免出現指令周期的現象[11-12]。

2 Sinamics S120變頻器

本文的研究中采用德國西門子公司的Sinamics S120變頻器，該變頻器集V/f控制功能、矢量控制功能及伺服控制功能于一體，能夠實現對異步電機、同步電機、扭矩電機、直線電機的控制，其控制功能優異，能夠滿足多種工業生產領域的需求[13]。

Sinamics S120變頻器采用模塊化構成方式，由控制單元CU320、濾波器模塊、四象限整流模塊、陪試逆變器模塊和被試逆變器模塊構成[14]。S120的結構如圖1所示。

圖1 Sinamics S120結構圖

控制單元即CU320，是變頻器的控制核心，負責控制和協調整個變頻器中的所有功能模塊，完成四象限整流模塊的電壓環、電流環控制，被試逆變模塊的轉速環控制，陪試逆變模塊的轉矩環控制，并且各個模塊之間能夠實現數據的交互；濾波器模塊對來自電網的交流電壓和交流電流進行濾波；四象限整流模塊能夠將電網的三相交流電變換成直流電，能夠實現能量的雙向流動；逆變模塊能夠將直流電變換成三相交流電，驅動電機運行。

3 自動控制系統實現原理

3.1 自動控制系統架構

自動控制系統的主要功能有兩個：一個是對變頻器的工作流程實現自動化控制；另一個是對工作流程實現自動化檢測，并進行相關數據的處理。要完成變頻器的自動化運行，搭建自動控制系統，具體硬件設備包括：電源設備、數據采集裝置、上位機（計算機）、下位機（可編程邏輯控制器）、Sinamics S120變頻器、電機、調壓器、接觸器等，具體如圖2所示。

圖2 異步電機測試系統結構

計算機在整個自動控制系統中充當上位機的角色，是自動控制系統的關鍵。它可以實現自動控制系統的硬件組態、通信方式的配置和控制參數的設置等?？删幊踢壿嬁刂破鞒洚斚挛粰C的角色，接收來自于上位機的指令，對自動控制系統中的設備進行控制。

電源設備包含有24V直流電源、380V三相交流電源、三相調壓器。24V直流電源為可編程邏輯控制器、變頻器、傳感器等提供工作電源；380V三相交流電源輸入到變頻器，經過功率變換后用于驅動電機。電壓傳感器和電流傳感器分別用于測量變頻器的輸出電壓和輸出電流，功率傳感器用于測量變頻器輸出的有功功率和無功功率。這些電參量傳感器采集到的信號送入可編程邏輯控制器的模擬量采集通道進行AD轉換，參與自動控制系統的邏輯控制。速度傳感器采集到的電機轉速信號送入到可編程邏輯控制器的高速采集端口。全部采集到的傳感器信號都通過Profibus-DP總線傳輸到上位機進行處理和顯示。

3.2 自動控制系統網絡通信實現

Profibus（Process Field Bus）是一種國際通用的現場總線標準，最顯著的特點是開放性，不僅可以用于組建工廠自動化網絡中的車間級別通信網，進行可編程邏輯控制器之間的通信，進行可編程邏輯控制器與計算機之間的通信，進行可編程邏輯控制器與編程器之間的通信；可用于實現組建生產線內部的現場總線網絡，進行可編程邏輯控制器與遠程輸入輸出單元，可編程邏輯控制器與變頻器之間的通信；還可以實現可編程邏輯控制器與分布式控制系統中的過程控制設備的通信。

Profibus現場總線標準協議，根據應用場合的差異可以細分為Profibus-DP、Profibus-PA和Profibus-FMS三種。本文所用到的可編程邏輯控制器與變頻器之間的通信采用的是Profibus-DP，構建現場總線網絡，主要實現可編程控制器與變頻器之間的主站-從站通信?；赟7-300可編程邏輯控制器（主站）和Sinamics S120變頻器（從站）構建的通信網絡，實現數據在上位機、可編程邏輯控制器、變頻器之間的數據傳輸，并通過上位機對組態在網絡中的設備進行實時監控。

數據在通信網絡中的傳輸是基于報文實現的，報文是指網絡中數據傳輸的基本單元，報文中包含了完整的數據信息。本文中的自動控制系統采用了S7-300可編程邏輯控制器和Sinamics S120變頻器，變頻器中的四象限整流模塊需要對應選擇“SIEMENS telegram 370-PZD1/1”報文，逆變模塊需要對應選擇“Standard telegram 1-PZD2/2”報文，但是由于需要讀取變頻器逆變模塊的參數，標準報文長度不夠，需要進行擴展。

四象限整流模塊報文“SIEMENS telegram 370-PZD1/1”中包含有一個發送字和一個接收字，通過該報文能夠控制四象限整流模塊的控制，控制字中的Bit0位負責四象限整流模塊的啟停，當Bit0=1時，四象限整流模塊開始工作，中間直流回路建立，達到600V。當Bit0=0時，四象限整流模塊停止工作；Bit10用于請求可編程邏輯控制器控制，只有Bit10=1時，才能夠通過可編程邏輯控制器對四象限整流模塊進行控制。

逆變模塊報文“Standard telegram 1-PZD2/2”中包含有兩個發送字和兩個接收字，能夠實現對電機的控制，并返回電機的某些運行狀態參數?？刂谱种械腂it0位負責逆變模塊的啟?？刂疲擝it0=1時，電機開始運行，當Bit0=0時，電機停止運行，Bit10用于請求可編程邏輯控制器控制，只有Bit10=1時，才能夠通過可編程邏輯控制器對逆變模塊進行控制。控制字的第二個字為速度目標值，狀態字的第二個字為速度實際值。

4 運用實例分析

以電機空載運行為例，來分析可編程控制器對變頻器的自動化控制流程，電機的空載運行流程如圖3所示，監控界面如圖4所示。

圖3 電機空載運行流程

圖4 電機空載監控界面

根據試驗流程圖和監控界面，需要對運行的初始電壓和采集點數進行設定，然后才能啟動系統開始運行電機。電機在給定電壓下以空載狀態運行，對電壓進行調節，若系統運行正常，則執行數據采集功能；若不正常，則停機根據故障代碼進行檢查。全部數據采集完畢后，電機停止運行，進行數據處理與分析。

電機空載運行自動化流程控制代碼如圖5所示。

圖5 電機空載運行自動化流程梯形圖

5 結束語

基于可編程邏輯控制器對變頻器進行自動化控制，能夠充分發揮可編程邏輯控制器的自動化流程控制功能，有效實現變頻器等設備的自動化運行，極大提高企業的生產效率，以最少的人員配置實現最大的生產規模，有效降低企業的運營成本，促進企業健康發展。