基于可編程邏輯控制器的變頻調速系統研究

隨著電力電子技術以及控制技術的發展，交流變頻調速在工業電機拖動領域得到了廣泛應用。可編程控制器PLC作為替代繼電器的新型控制裝置，簡單可靠、操作方便、通用靈活、體積小、使用壽命長且功能強大，容易使用、可靠性高，常常被用于現場數據的采集和設備的控制。組態軟件技術作為用戶可定制功能的軟件平臺工具，可實時顯示電機轉速，可進行遠程調速控制，在PC機上可開發出友好的人機界面，通過PLC可以對自動化設備進行“智能”控制；觸摸屏是一種全新的、多媒體人機交互設備，用戶只要用手指輕輕地觸摸計算機顯示屏上的圖形或文字就能實現對主機操作，使人機交互更為直接。這些技術的發展不僅實現了自動化生產過程的遠程控制，也為變頻調速系統的應用研究帶來了極大的空間。
1、變頻調速系統設計總方案
變頻調速系統采用軟硬件結合，構建基于可編程邏輯控制器（PLC）。結合傳感器、變頻器、組態技術，觸摸屏對電動機進行變頻調速、測速的試驗系統中，PLC是控制中心，采用三菱公司的FR2N?48MR型號；控制終端執行部件變頻器采用三菱FR?E740?1.5K變頻器，由變頻器帶動三相交流異步電機運轉，可以利用PLC改變電機正反轉及利用組態軟件計劃曲線功能實現分段調整運行速度的目的；選配FX0N?3A數模轉換模塊（D/A），實現電機連續運行。再利用傳感器來檢測信號，反映變頻器運轉速度的快慢，實現速度反饋等。在組態中實現計劃速度給定值和轉速反饋測量值的顯示與比較誤差，編寫腳本程序對故障進行報警顯示。最后連接好觸摸屏的外圍接線。通過該系統的完整設計，實現變頻測速遠程控制的要求，保證電機按照實際要求運行的可靠性。總體設計框架如圖1所示。

圖1 總體設計框架圖
2、變頻調速系統設計
一般的測速設計可以使PLC控制的工業系統結構變簡單、降低成本、提高精度和運行的可靠性，可以推廣到日常生產的數控加工等高可靠性的工業控制系統中進行轉速信號測量。
將觸摸屏應用在變頻調速系統中，可以提高調速系統的實用性和靈活性，操作簡便、直觀，利用觸摸屏遠程控制電機的啟動、停止。在電機啟動后，傳感器測速系統將轉速信號反饋給PLC，PLC再將對應的模擬量輸出給觸摸屏。觸摸屏實時顯示對應的轉速值和轉速波形，通過觀察觸摸屏上的數值和轉速波形，可以判斷電機是否按照設定的要求運轉。電機的實際運行曲線如圖2所示。通過觸摸屏TPC與PLC、變頻器的通信連接，達到控制電機轉速的目的。

圖2 電機運行曲線給定值
2.1PLC設計
PLC程序如圖3所示。一旦通電，M8000閉合，數據寄存器D5存放計劃曲線的給定速度值，先經過數據處理，處理為輸入對應的電壓信號，處理后的值存放在D7中，這時按下X1啟動按鈕，M0得電自鎖，M0常開觸點閉合，把D7的值寫入通道16中，也就是寫入D/A轉換的值，同時，使#17對應b2的值為1，然后再使#17對應b2的值為0，獲得下降沿，啟動D/A轉換，判斷如果D5的值小于0，Y1得電反轉啟動，判斷如果D5的值大于0，Y2得電正轉啟動，按下X2電機停止。
2.2變頻器參數設置
變頻器主要參數設置如表1所示。

圖3 PLC測試程序
變頻器與PLC的硬件線路連接如圖4，圖5所示。
變頻器與PLC的硬件線路連接時：PLC的輸出Y1接變頻器的開關量控制端子STR，代表Y1得電，變頻器STR有效，電機反轉啟動；PLC的輸出Y2接變頻器的開關量控制端子STF，代表Y2得電，變頻器STF有效，電機正轉啟動。注意COM接到SD上。頻率信號輸入主要是通過FX0N?3A模塊把轉換后的模擬電壓信號，通過輸出VOUT端子接到變頻器的模擬電壓輸入端子2上，FX0N?3A模塊的COM端子接到變頻器的模擬輸入公共端子5上。因為模擬信號抗干擾能力差，可以加上屏蔽線，但注意，屏蔽線的地要接到5號端子上，而不是接到變頻器的接地端子。
表1 變頻器主要參數設置表

圖4 變頻器與PLC的硬件線路連接圖
2.3運行調試
將組態程序下載到TPC7062K上，再將TPC7062K嵌入式一體化觸摸屏與三菱FX2N?48MR的PLC相連接，連接好后，即可進行TPC+PLC+變頻器的速度調節控制。將編寫好的PLC程序下載到三菱FX2N?48MR，PLC把數據轉換后，通過FX0N?3A模塊，用0~10V的模擬電壓信號控制變頻器，按照給定的模擬量信號進行頻率的輸出，帶動電動機運轉，可以看到計劃曲線是否按照自己設定的曲線進行運行。系統軟件界面如圖6所示。同時，還可以把曲線對應的組態數據通過一個輸入框顯示出來，與后面測速系統組態顯示的轉速值比較，誤差較大時，顯示故障報警。

圖5 頻率信號輸入

圖6 系統軟件界面
本項目主要從變頻調速技術的應用，有級分段調速與無級模擬調速的應用入手，根據電機運行的給定值曲線，利用組態軟件中的計劃曲線功能進行數字量調速的分析與設計，接著結合數模轉換模塊FX0N?3A的實際應用，從與變頻器及PLC的外圍接線入手，設置好變頻器的參數，再利用PLC程序實現數字量與模擬量的轉換，控制電機的啟停與正反轉。最后，對系統硬軟件運行調試，給出系統運行的界面，觀察電機是否按照實際曲線運行。
3、測速系統設計
由于使用普通計數器的檢測范圍有限，導致實驗結果的誤差較大，為了解決這一問題，直接改成使用高速計數器，在實驗過程中，將脈沖信號輸入到PLC的高速輸入端X0上（X0為高速輸入端，其最高頻率為2kHz），再利用PLC的測速功能指令“SPD”將100ms中的脈沖數存入PLC數據單元D0中，然后再根據M法測速公式，由PLC計算出電機的轉速。該測量方法無需使用定時器功能，只需讀取高速計數器當中的數據便可以計算出電機轉速，程序結構簡潔明了，效率高。
3.1硬件電路和電氣控制系統接線圖
根據實際PLC模塊，I/O分配表和I/O接線圖連接PLC各模塊，并通過PC機聯機，實現程序控制要求。單擊“啟動”按鈕，啟動電機，電機開始工作，傳感器檢測磁片并將獲得的信號傳送到PLC中，PLC中計數器開始工作，在PC機上計算轉速。
3.2梯形圖程序
根據控制要求、I/O分配表，利用SPD速度檢測指令將100ms中的脈沖數存入PLC數據單元D0中，然后再根據M法測速公式，編寫PLC程序，計算出測量速度值。即先利用MULP乘法指令將D0乘以60，存到D1，再用除法指令MULP將D1值除以6（每轉6個脈沖）存放到D2中，最后D2除以100（計時時間）后的值存到數據單元D3中，其中D3為速度測量結果。主要對檢測元件傳感器的選型、系統設計的流程圖進行分析闡述，同時對軟硬件進行綜合設計分析。首先分析測速系統設計步驟及流程，然后，對硬件計數器及軟件速度檢測指令進行分析設計，接下來，結合測速的實時性及精度要求進行分析，確定最終測速方案，分析PLC的I/O地址分配，編寫測速程序，并進行硬件電路的接線。
4、系統現場測試與驗證
在完成基本的調速系統軟、硬件設計后，對系統的測速方案做了比較深入的研究，并對系統的遠程控制功能進行了詳細的測試驗證。現場實驗測試證明，本項目所設計的變頻調速測速系統可以很好地利用一體化觸摸屏實現對電機的模擬量連續調速功能，實現真正意義上的無極調速，并與轉速測量值比較，顯示在組態中。
對于誤差較大的故障情況，編寫相應的程序實現報警功能，并可以通過PLC對故障情況進行停機處理。利用組態軟件建立電機測速組態顯示界面。通過監控軟件監控現場運行界面，啟動按鈕，使得轉動源開始工作，霍爾傳感器測的脈沖信號輸入到PLC中，PLC獲得脈沖并通過計算得到轉速顯示在組態中。根據觸摸屏實際調速系統對電機轉速控制的精度，電機測速本身的準確度，電機可能出現的故障情況，對給定轉速值與測量值誤差較大及電機不正常運行情況進行分析，利用組態軟件編寫腳本程序，實現誤差顯示與報警功能。在循環策略里編寫程序，即前面已完成的設計中D5存放的是給定值，D3存放的是測量值，如果測量值小于等于給定值的0.95，或測量值大于等于給定值的1.05，讓故障報警燈亮，用M2開關量控制故障報警燈。
在MCGS環境中，一般正常運行時，組態顯示界面如圖7所示。即此時當速度給定值為1133，速度測量值顯示1133，說明是電機正常運行狀態，故障報警燈處于正常顯示狀態，顯示青色。

圖7 正常運行時界面
當測量值小于0.95給定值，如速度給定值為1133，速度測量值顯示1050，說明是電機故障狀態，故障報警燈處于報警狀態，顯示紅色。故障顯示界面如圖8a）所示。當測量值大于1.05給定值，如速度給定值為1133，速度測量值顯示1200，電機也處于故障狀態，故障報警燈處于報警狀態，顯示紅色。故障顯示界面如圖8b）所示。

圖8 故障顯示
在腳本程序中用M2代表故障報警燈，所以數據對象設置中，利用M2開關量控制故障報警顯示。PLC測試程序加上M2，X001為啟動按鈕，X002為停止按鈕，故障顯示燈亮時，M2動作，電機停止。
5、結語
綜上所述，基于PLC和變頻器的電動機的變頻調速測速系統是一個涉及多種器件并運用綜合知識體系完成的一個項目，系統完全移植采用現實工業設備與工業控制方案，通過其系統構建、軟件編程、組態設計、控制整定以及調試運行等對典型工業分布式控制系統進行完整開發。采用PC和PLC上、下位機聯合方式實現人機界面的良好交互性，使得操作員能更加方便快捷地進行操作。利用PLC的各項強大功能，實現對電機參數的測量和控制。除可以連接觸摸屏的直接調控外，也可通過PC對PLC的控制實現調控，具有極強的糾錯功能和故障報警能力，為操作員的及時監控和參數修改提供了快捷途徑。