基于PLC和變頻器的電機(jī)控制技術(shù)

1、2013年第 23期 應(yīng) 用 科 技 科技創(chuàng)新與應(yīng)用基于 PLC 和變頻器的電機(jī)控制技術(shù)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(diào)速能夠提升絞車(chē) 、 提升機(jī)以及通風(fēng)機(jī)等大型設(shè)備的使用 效率, 實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的有效控制, 這也成為最有發(fā)展前景和最理想的 調(diào)速方式之一 。 采用變頻器構(gòu)成變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的主要目的:一 是可以節(jié)約能源, 降低生產(chǎn)成本, 在實(shí)際的應(yīng)用中用戶可以根據(jù)現(xiàn) 場(chǎng)的需要組合選擇不同類型的變頻器, 并且靈活快捷, 構(gòu)成成本低; 二是能夠改善產(chǎn)品質(zhì)量, 提高勞動(dòng)生產(chǎn)率 、 提高生活質(zhì)量 、 提升設(shè)備 的自動(dòng)化程度以及改善生活環(huán)境 。 當(dāng)前在工業(yè)自動(dòng)化控

2、制系統(tǒng)中, 通過(guò) PLC 與變頻器的組合對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)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(yīng)故障信息, 其控制更也為簡(jiǎn)單, 動(dòng)作更迅速 、 測(cè)量更 精確, 同時(shí)具有傳輸距離遠(yuǎn)節(jié)省部件經(jīng)費(fèi), 還有較強(qiáng)的抗干擾能力 、 傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn) 。 本文選用 S7-200以及 MM440變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)電 機(jī)的 20段調(diào)速控制, 更清晰的展示 PLC 和變頻器的電機(jī)控制 。 2控制方案2.1PLC 及閉環(huán)控制選擇PLCS7-200應(yīng)用廣泛, 各種監(jiān)測(cè) 、 檢測(cè)以及組網(wǎng)運(yùn)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(jù)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(jù)要求還可以選擇模擬量輸入進(jìn)行采集 (也可以不采 集, 采用開(kāi)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(guò)通信模塊頻率來(lái)實(shí)現(xiàn) PLC 和變頻器之間的相互 通信 。 系統(tǒng)的物理對(duì)象主要有三部分構(gòu)成即 PLC 、 變頻器以及電機(jī), 在控制選擇中通過(guò)可編程控制器來(lái)給定輸入, 通過(guò) PLC 來(lái)控制變頻 器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制, 控制的效果通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)速反應(yīng), 并反饋給 PLC 的輸入, 經(jīng)過(guò)比較然后發(fā)出輸入值,

4、 最終實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速, 這也 就構(gòu)成了一個(gè)變頻調(diào)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(yīng)特性, 具有抑制干擾的能力, 能夠在應(yīng)對(duì)外部擾動(dòng)以及內(nèi) 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(diào)速的差值, 顯然是可以進(jìn)一步提升控制精 度的 。 在擾動(dòng)可以測(cè)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(bǔ)充, 形成復(fù)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(shù)在通信選擇方式中通常以互聯(lián)網(wǎng)作為參考模型, 采用開(kāi)放式的 PROFIBUS 總線結(jié)構(gòu)形式,這種總線通常 DP 、 PA 、 FMS 三種兼

5、容模 式 。 其中 DP 模式應(yīng)用于分散式的 I/O設(shè)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(guò) RPPETER 進(jìn)行擴(kuò) 展, 采用 RS485作為數(shù)據(jù)接口, 傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿?(9.6k-12k bps , 傳輸 介質(zhì)用雙絞電纜和光線都可以實(shí)現(xiàn), 是一個(gè)功能比較強(qiáng)大的總線結(jié) 構(gòu) 。 這種總線標(biāo)準(zhǔn)也是國(guó)際總線標(biāo)準(zhǔn) IE61158的重要組成 。 在傳輸 技術(shù)中總線傳輸通常使用 RS485傳輸技術(shù), 這種總線結(jié)構(gòu)運(yùn)行分布 擴(kuò)展系統(tǒng)而不影響其他站的工作, 其傳輸安裝形式簡(jiǎn)單, 與 IEC 標(biāo) 準(zhǔn)的 HZ 類似,在擴(kuò)展過(guò)程中比較靈活允許增加或者移去站點(diǎn) 。 當(dāng) 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(gè)站點(diǎn),當(dāng)然也可以使用中繼器將總線的站擴(kuò)展到 126個(gè) ?？刂凭W(wǎng)絡(luò)也有兩層結(jié)構(gòu),首先是工業(yè)以太網(wǎng),這是用來(lái)建立 PCL 、 變頻器與電機(jī)之間的控制的 。 通過(guò)在 PC 中安裝 CP1613通信 卡 、 在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng) PC 中安裝相應(yīng)的軟件以及 CP343-1IT 模塊接口, 給 予相應(yīng)的授權(quán)來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)與各個(gè)機(jī)位 PC 的通信 。 在上機(jī)位 中使用 Wincc 組態(tài)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控 。 第二層就是 DP 網(wǎng)絡(luò) 。 利 用利用 S7-200實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng) DP 設(shè)備的直接控制, 這種網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng) 惡劣 環(huán) 境以 及 實(shí)時(shí) 處 理工 業(yè)

7、 現(xiàn) 場(chǎng) 數(shù) 據(jù) 的 能 力 。 因 此 采 用 S7- 200PLC 、 變頻器以及 PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)能夠改善傳動(dòng)性, 有 效的實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)控, 大大提升系統(tǒng)的自動(dòng)化水 平, 系統(tǒng)控制的連續(xù)性提高, 構(gòu)成較為完善的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以 滿足設(shè)計(jì)的要求并達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)效益 。3硬件設(shè)計(jì)3.1PLC 的選擇目前 PLC 產(chǎn)品主要是美國(guó) 、 歐洲和日本三個(gè)品牌 。 在信號(hào)選擇 中經(jīng)過(guò)反復(fù)比較, 從經(jīng)濟(jì)性 、 實(shí)用性等角度出發(fā)選中 S7-200系列小 型 PLC , 這種型號(hào)的市場(chǎng)占有率比較高, 而且 PLC 功能強(qiáng)大 、 指令比 較豐富 。 這種 PLC 可以連接 7個(gè)

8、擴(kuò)展模塊, 最大擴(kuò)至 168路數(shù)字量 I/O點(diǎn)或 35路模擬量 I/O點(diǎn), 本機(jī)集成 14輸入 /10輸出共 24個(gè)數(shù)字 量 I/O點(diǎn) 。 6個(gè)獨(dú)立的 30kHz 高速計(jì)數(shù)器, 2路獨(dú)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間 。 1個(gè) 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(qiáng)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(dòng)機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩的 變頻器 。 本變頻器由微處理器控制, 并采用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)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(hào), 可達(dá) 250kW(可變轉(zhuǎn)矩 (VT控制方, 額定功率范圍從 120W 到 200kW(恒定轉(zhuǎn)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(diào)制技術(shù), 可使電動(dòng)機(jī)低噪聲運(yùn)行 。 因此, 它們具有很高的 運(yùn)行可靠性和功能的多樣性 。 MICROMASTER 440既可用于單獨(dú)傳 動(dòng)系統(tǒng), 也可集成到 “ 自動(dòng)化系統(tǒng) ” 中 。 由于 MICROMASTER 440具 有全面完善的控制功能, 在設(shè)置相關(guān)參數(shù)以后, 它也可用于更高級(jí) 的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng) 。 全面的保護(hù)功能為變頻器和電動(dòng)機(jī)提供了良好 的保護(hù)

10、。 MICROMASTER 440具有缺省的工廠設(shè)置參數(shù), 它是數(shù)量 眾多的可變速控制系統(tǒng)理想的變頻傳動(dòng)裝置 。3.3異步電機(jī)運(yùn)行方式4結(jié)束語(yǔ)在工業(yè)自動(dòng)化中電機(jī)最有效的控制就是 PLC 變頻調(diào)速控制, 這 種方法主要通過(guò)程序來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速, 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制 。 本 文所研究的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用 PLC 來(lái)控制變頻器調(diào)速,通過(guò) PLC 的開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊控制變頻器的多功能輸入端 、 實(shí)現(xiàn)電機(jī) 的多級(jí)調(diào)速, 充分發(fā)揮可編程控制器的高可靠性 、 靈活性 、 通用性 、 擴(kuò)展性 等 優(yōu)點(diǎn) ,并 通過(guò) RS485傳 輸技 術(shù) 建立 PLC 與 變頻 器的 PROFIBUSP-DP 通訊進(jìn)而完成 PLC 控制變頻器調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè) 計(jì)和全部的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 。參考文獻(xiàn)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(xué)之友, 2008(24.2姜興忠, 戴恒陽(yáng) . 變頻恒壓供水系統(tǒng)的機(jī)理分析 J.電氣傳動(dòng)自動(dòng) 化, 2002, 24(4.摘 要 :隨著電工技術(shù)以及自控技術(shù)的發(fā)展, 繼電器控制已經(jīng)不能滿足工業(yè)