基于PLC和变频器的电机控制技术

1、2013年第 23期 应 用 科 技 科技创新与应用基于 PLC 和变频器的电机控制技术卞永龙(江苏省江阴市华西钢铁有限公司, 江苏 江阴 2144201概述变频调速能够提升绞车 、 提升机以及通风机等大型设备的使用 效率, 实现对电机的有效控制, 这也成为最有发展前景和最理想的 调速方式之一 。 采用变频器构成变频调速传动系统的主要目的:一 是可以节约能源, 降低生产成本, 在实际的应用中用户可以根据现 场的需要组合选择不同类型的变频器, 并且灵活快捷, 构成成本低; 二是能够改善产品质量, 提高劳动生产率 、 提高生活质量 、 提升设备 的自动化程度以及改善生活环境 。 当前在工业自动化控

2、制系统中, 通过 PLC 与变频器的组合对机械产品进行控制,采用 PLC 与变频 器的组合形成多样的 PLC 控制变频器的方法被普遍采用 。 这种方法 能够有效的相应故障信息, 其控制更也为简单, 动作更迅速 、 测量更 精确, 同时具有传输距离远节省部件经费, 还有较强的抗干扰能力 、 传输效率高等优点 。 本文选用 S7-200以及 MM440变频器实现对电 机的 20段调速控制, 更清晰的展示 PLC 和变频器的电机控制 。 2控制方案2.1PLC 及闭环控制选择PLCS7-200应用广泛, 各种监测 、 检测以及组网运行中都能发 挥重要作用, PLC 控制变频器的频率一般有两种方法:一

3、是模拟量 控制, 可以使用模拟量输入和输出模块, 根据变频器的具体要求选 择 0-10V 电压或 4-20mA 电流输出, 控制变频器的频率, 变频器的 频率反馈 。 根据要求还可以选择模拟量输入进行采集 (也可以不采 集, 采用开环控制 。 二是串行总线通信控制, 在层次较高的变频器 通接口中可以通过通信模块频率来实现 PLC 和变频器之间的相互 通信 。 系统的物理对象主要有三部分构成即 PLC 、 变频器以及电机, 在控制选择中通过可编程控制器来给定输入, 通过 PLC 来控制变频 器实现对电机的控制, 控制的效果通过电机的转速反应, 并反馈给 PLC 的输入, 经过比较然后发出输入值,

4、 最终实现无静差调速, 这也 就构成了一个变频调速的闭环控制系统 。 闭环控制系统能够改善系 统的响应特性, 具有抑制干扰的能力, 能够在应对外部扰动以及内 部变化中发挥有效的作用 。 在闭环的反馈中反馈的信息与输入给定 的信息之间比之差就是调速的差值, 显然是可以进一步提升控制精 度的 。 在扰动可以测量的情况下, 除了闭环之外还可以采用前馈的 控制作为反馈闭环的补充, 形成复合型的控制系统, 这样也大大提 升了控制的速度和效率 。2.2通讯原理及传输技术在通信选择方式中通常以互联网作为参考模型, 采用开放式的 PROFIBUS 总线结构形式,这种总线通常 DP 、 PA 、 FMS 三种兼

5、容模 式 。 其中 DP 模式应用于分散式的 I/O设备通信, 是一种成本较低但 速度高的通信方式,这种总线传输距离可以通过 RPPETER 进行扩 展, 采用 RS485作为数据接口, 传输的波特率为 (9.6k-12k bps , 传输 介质用双绞电缆和光线都可以实现, 是一个功能比较强大的总线结 构 。 这种总线标准也是国际总线标准 IE61158的重要组成 。 在传输 技术中总线传输通常使用 RS485传输技术, 这种总线结构运行分布 扩展系统而不影响其他站的工作, 其传输安装形式简单, 与 IEC 标 准的 HZ 类似,在扩展过程中比较灵活允许增加或者移去站点 。 当 总线传输被确定

6、后传输速率就只能选择一种, 通常在电缆模式下可 以连接 32个站点,当然也可以使用中继器将总线的站扩展到 126个 。控制网络也有两层结构,首先是工业以太网,这是用来建立 PCL 、 变频器与电机之间的控制的 。 通过在 PC 中安装 CP1613通信 卡 、 在工业现场 PC 中安装相应的软件以及 CP343-1IT 模块接口, 给 予相应的授权来实现工业以太网与各个机位 PC 的通信 。 在上机位 中使用 Wincc 组态监控软件实现集中监控 。 第二层就是 DP 网络 。 利 用利用 S7-200实现对现场 DP 设备的直接控制, 这种网络适应现场 恶劣 环 境以 及 实时 处 理工 业

7、 现 场 数 据 的 能 力 。 因 此 采 用 S7- 200PLC 、 变频器以及 PROFIBUS 现场总线技术能够改善传动性, 有 效的实现对现场设备和过程的远程监控, 大大提升系统的自动化水 平, 系统控制的连续性提高, 构成较为完善的自动化网络结构可以 满足设计的要求并达到良好的经济效益 。3硬件设计3.1PLC 的选择目前 PLC 产品主要是美国 、 欧洲和日本三个品牌 。 在信号选择 中经过反复比较, 从经济性 、 实用性等角度出发选中 S7-200系列小 型 PLC , 这种型号的市场占有率比较高, 而且 PLC 功能强大 、 指令比 较丰富 。 这种 PLC 可以连接 7个

8、扩展模块, 最大扩至 168路数字量 I/O点或 35路模拟量 I/O点, 本机集成 14输入 /10输出共 24个数字 量 I/O点 。 6个独立的 30kHz 高速计数器, 2路独立的 20kHz 高速脉 冲输出, 具有 PID 控制器, 还有 16K 字节程序和数据存储空间 。 1个 RS485通讯 /编程口,具有 PPI 通讯协议 、 MPI 通讯协议和自由方式 通讯能力, I/O端子排可很容易地整体拆卸, 是具有较强控制能力的 控制器 。3.2变频器选择MICROMASTER440是用于控制三相交流电动机速度和转矩的 变频器 。 本变频器由微处理器控制, 并采用具有现代先进技术水平

9、的绝缘栅双极型晶体管 (IGBT作为功率输出器件 。 本系列有多种型 号, 可达 250kW(可变转矩 (VT控制方, 额定功率范围从 120W 到 200kW(恒定转矩 (CT控制方式 , 供用户选用 。 采用脉冲频率可选的 专用脉宽调制技术, 可使电动机低噪声运行 。 因此, 它们具有很高的 运行可靠性和功能的多样性 。 MICROMASTER 440既可用于单独传 动系统, 也可集成到 “ 自动化系统 ” 中 。 由于 MICROMASTER 440具 有全面完善的控制功能, 在设置相关参数以后, 它也可用于更高级 的电动机控制系统 。 全面的保护功能为变频器和电动机提供了良好 的保护

10、。 MICROMASTER 440具有缺省的工厂设置参数, 它是数量 众多的可变速控制系统理想的变频传动装置 。3.3异步电机运行方式4结束语在工业自动化中电机最有效的控制就是 PLC 变频调速控制, 这 种方法主要通过程序来控制电动机的变频调速, 实现自动控制 。 本 文所研究的交流电机调速系统采用 PLC 来控制变频器调速,通过 PLC 的开关量输入输出模块控制变频器的多功能输入端 、 实现电机 的多级调速, 充分发挥可编程控制器的高可靠性 、 灵活性 、 通用性 、 扩展性 等 优点 ,并 通过 RS485传 输技 术 建立 PLC 与 变频 器的 PROFIBUSP-DP 通讯进而完成 PLC 控制变频器调速系统的方案设 计和全部的控制系统设计 。参考文献1董效龙 .Dong Xiaolong 基于 PLC 和变频器的变频恒压供水系统 J.科学之友, 2008(24.2姜兴忠, 戴恒阳 . 变频恒压供水系统的机理分析 J.电气传动自动 化, 2002, 24(4.摘 要 :随着电工技术以及自控技术的发展, 继电器控制已经不能满足工业