基于PLC和變頻器的電機控制技術

1、2013年第 23期 應 用 科 技 科技創(chuàng)新與應用基于 PLC 和變頻器的電機控制技術卞永龍(江蘇省江陰市華西鋼鐵有限公司, 江蘇 江陰 2144201概述變頻調速能夠提升絞車 、 提升機以及通風機等大型設備的使用 效率, 實現對電機的有效控制, 這也成為最有發(fā)展前景和最理想的 調速方式之一 。 采用變頻器構成變頻調速傳動系統(tǒng)的主要目的:一 是可以節(jié)約能源, 降低生產成本, 在實際的應用中用戶可以根據現 場的需要組合選擇不同類型的變頻器, 并且靈活快捷, 構成成本低; 二是能夠改善產品質量, 提高勞動生產率 、 提高生活質量 、 提升設備 的自動化程度以及改善生活環(huán)境 。 當前在工業(yè)自動化控

2、制系統(tǒng)中, 通過 PLC 與變頻器的組合對機械產品進行控制,采用 PLC 與變頻 器的組合形成多樣的 PLC 控制變頻器的方法被普遍采用 。 這種方法 能夠有效的相應故障信息, 其控制更也為簡單, 動作更迅速 、 測量更 精確, 同時具有傳輸距離遠節(jié)省部件經費, 還有較強的抗干擾能力 、 傳輸效率高等優(yōu)點 。 本文選用 S7-200以及 MM440變頻器實現對電 機的 20段調速控制, 更清晰的展示 PLC 和變頻器的電機控制 。 2控制方案2.1PLC 及閉環(huán)控制選擇PLCS7-200應用廣泛, 各種監(jiān)測 、 檢測以及組網運行中都能發(fā) 揮重要作用, PLC 控制變頻器的頻率一般有兩種方法:一

3、是模擬量 控制, 可以使用模擬量輸入和輸出模塊, 根據變頻器的具體要求選 擇 0-10V 電壓或 4-20mA 電流輸出, 控制變頻器的頻率, 變頻器的 頻率反饋 。 根據要求還可以選擇模擬量輸入進行采集 (也可以不采 集, 采用開環(huán)控制 。 二是串行總線通信控制, 在層次較高的變頻器 通接口中可以通過通信模塊頻率來實現 PLC 和變頻器之間的相互 通信 。 系統(tǒng)的物理對象主要有三部分構成即 PLC 、 變頻器以及電機, 在控制選擇中通過可編程控制器來給定輸入, 通過 PLC 來控制變頻 器實現對電機的控制, 控制的效果通過電機的轉速反應, 并反饋給 PLC 的輸入, 經過比較然后發(fā)出輸入值,

4、 最終實現無靜差調速, 這也 就構成了一個變頻調速的閉環(huán)控制系統(tǒng) 。 閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠改善系 統(tǒng)的響應特性, 具有抑制干擾的能力, 能夠在應對外部擾動以及內 部變化中發(fā)揮有效的作用 。 在閉環(huán)的反饋中反饋的信息與輸入給定 的信息之間比之差就是調速的差值, 顯然是可以進一步提升控制精 度的 。 在擾動可以測量的情況下, 除了閉環(huán)之外還可以采用前饋的 控制作為反饋閉環(huán)的補充, 形成復合型的控制系統(tǒng), 這樣也大大提 升了控制的速度和效率 。2.2通訊原理及傳輸技術在通信選擇方式中通常以互聯(lián)網作為參考模型, 采用開放式的 PROFIBUS 總線結構形式,這種總線通常 DP 、 PA 、 FMS 三種兼

5、容模 式 。 其中 DP 模式應用于分散式的 I/O設備通信, 是一種成本較低但 速度高的通信方式,這種總線傳輸距離可以通過 RPPETER 進行擴 展, 采用 RS485作為數據接口, 傳輸的波特率為 (9.6k-12k bps , 傳輸 介質用雙絞電纜和光線都可以實現, 是一個功能比較強大的總線結 構 。 這種總線標準也是國際總線標準 IE61158的重要組成 。 在傳輸 技術中總線傳輸通常使用 RS485傳輸技術, 這種總線結構運行分布 擴展系統(tǒng)而不影響其他站的工作, 其傳輸安裝形式簡單, 與 IEC 標 準的 HZ 類似,在擴展過程中比較靈活允許增加或者移去站點 。 當 總線傳輸被確定

6、后傳輸速率就只能選擇一種, 通常在電纜模式下可 以連接 32個站點,當然也可以使用中繼器將總線的站擴展到 126個 。控制網絡也有兩層結構,首先是工業(yè)以太網,這是用來建立 PCL 、 變頻器與電機之間的控制的 。 通過在 PC 中安裝 CP1613通信 卡 、 在工業(yè)現場 PC 中安裝相應的軟件以及 CP343-1IT 模塊接口, 給 予相應的授權來實現工業(yè)以太網與各個機位 PC 的通信 。 在上機位 中使用 Wincc 組態(tài)監(jiān)控軟件實現集中監(jiān)控 。 第二層就是 DP 網絡 。 利 用利用 S7-200實現對現場 DP 設備的直接控制, 這種網絡適應現場 惡劣 環(huán) 境以 及 實時 處 理工 業(yè)

7、 現 場 數 據 的 能 力 。 因 此 采 用 S7- 200PLC 、 變頻器以及 PROFIBUS 現場總線技術能夠改善傳動性, 有 效的實現對現場設備和過程的遠程監(jiān)控, 大大提升系統(tǒng)的自動化水 平, 系統(tǒng)控制的連續(xù)性提高, 構成較為完善的自動化網絡結構可以 滿足設計的要求并達到良好的經濟效益 。3硬件設計3.1PLC 的選擇目前 PLC 產品主要是美國 、 歐洲和日本三個品牌 。 在信號選擇 中經過反復比較, 從經濟性 、 實用性等角度出發(fā)選中 S7-200系列小 型 PLC , 這種型號的市場占有率比較高, 而且 PLC 功能強大 、 指令比 較豐富 。 這種 PLC 可以連接 7個

8、擴展模塊, 最大擴至 168路數字量 I/O點或 35路模擬量 I/O點, 本機集成 14輸入 /10輸出共 24個數字 量 I/O點 。 6個獨立的 30kHz 高速計數器, 2路獨立的 20kHz 高速脈 沖輸出, 具有 PID 控制器, 還有 16K 字節(jié)程序和數據存儲空間 。 1個 RS485通訊 /編程口,具有 PPI 通訊協(xié)議 、 MPI 通訊協(xié)議和自由方式 通訊能力, I/O端子排可很容易地整體拆卸, 是具有較強控制能力的 控制器 。3.2變頻器選擇MICROMASTER440是用于控制三相交流電動機速度和轉矩的 變頻器 。 本變頻器由微處理器控制, 并采用具有現代先進技術水平

9、的絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT作為功率輸出器件 。 本系列有多種型 號, 可達 250kW(可變轉矩 (VT控制方, 額定功率范圍從 120W 到 200kW(恒定轉矩 (CT控制方式 , 供用戶選用 。 采用脈沖頻率可選的 專用脈寬調制技術, 可使電動機低噪聲運行 。 因此, 它們具有很高的 運行可靠性和功能的多樣性 。 MICROMASTER 440既可用于單獨傳 動系統(tǒng), 也可集成到 “ 自動化系統(tǒng) ” 中 。 由于 MICROMASTER 440具 有全面完善的控制功能, 在設置相關參數以后, 它也可用于更高級 的電動機控制系統(tǒng) 。 全面的保護功能為變頻器和電動機提供了良好 的保護

10、。 MICROMASTER 440具有缺省的工廠設置參數, 它是數量 眾多的可變速控制系統(tǒng)理想的變頻傳動裝置 。3.3異步電機運行方式4結束語在工業(yè)自動化中電機最有效的控制就是 PLC 變頻調速控制, 這 種方法主要通過程序來控制電動機的變頻調速, 實現自動控制 。 本 文所研究的交流電機調速系統(tǒng)采用 PLC 來控制變頻器調速,通過 PLC 的開關量輸入輸出模塊控制變頻器的多功能輸入端 、 實現電機 的多級調速, 充分發(fā)揮可編程控制器的高可靠性 、 靈活性 、 通用性 、 擴展性 等 優(yōu)點 ,并 通過 RS485傳 輸技 術 建立 PLC 與 變頻 器的 PROFIBUSP-DP 通訊進而完成 PLC 控制變頻器調速系統(tǒng)的方案設 計和全部的控制系統(tǒng)設計 。參考文獻1董效龍 .Dong Xiaolong 基于 PLC 和變頻器的變頻恒壓供水系統(tǒng) J.科學之友, 2008(24.2姜興忠, 戴恒陽 . 變頻恒壓供水系統(tǒng)的機理分析 J.電氣傳動自動 化, 2002, 24(4.摘 要 :隨著電工技術以及自控技術的發(fā)展, 繼電器控制已經不能滿足工業(yè)