基于PLC的变频电机调速系统控制-

基于PLC的变频电机调速系统控制摘要随着电动机的不断地发展，人们一直追求的都是电动机的高精度、高效率以及高力矩等性能。各行各业的自动化设备对驱动电机的控制精度提出了更高的需求，这些设备中往往都有着变频电机的身影，变频电机的结构特性使其对高启动转矩、大转矩、低惯量特点的应用场合非常适用。本文以自动化工厂中应用广泛的变频电机基础，在对其基本工作原理与控制方式进行学习分析后，提出了基于PLC调速控制的硬件和软件系统设计方案。硬件设计部分包括了西门子S7-1200系列PLC、增量型编码器、变频器的选型和主回路以及IO外接电路图绘制，设计了变频系统多功能端子和模拟量输入两种调速模式。软件设计部分主要介绍了伺服系统的PID算法原理，并在西门子博途编程软件平台上编写了PLC梯形图程序、人机界面组态和PID仿真程序，运用PLCSIM仿真软件实现虚拟PIC和人机界面的通讯，通过曲线图直观的展现了变频系统速度闭环控制过程中PID算法对速度调整的作用，并对程序运行工作过程中相关变量进行监测和更改。关键词变频电机；PLC；调速；PID

等1章绪论十九世纪二十年代，丹麦物理学家HansOrsted（汉斯·奥斯特）在哥本哈根大学任教过程中发现了通过电流的导线会对附近的磁针产生力的作用从而提出了电流磁效应理论，诞生了电磁学。紧接着的英国著名物理学家和化学家MichaelFaraday（迈克尔·法拉第）在实验室设计出了第一台电动机模型，其广阔的前景引发了众多科学家投入精力来对电动机进行完善。最终，随着第一台实用发电机的成功发明，第二次工业革命拉开序幕。如今，电动机的发展已经获得了巨大的成功，从最初的直流电机和交流电机两种基本模型，到应用于各个细分领域的众多电机种类，人们一直追求的都是电动机的高精度、高效率以及高力矩等性能，比如变频电机、伺服电机、步进电机等等。随着近年来国家对工业4.0和智能制造战略的推进，自动化设备的生产能力决定了国家制造能力，这些设备都对驱动装置的转速、精度和稳定性提出了相当高的要求，这些设备中往往都有着变频电机的身影。随着电动机技术发展的同时，可编程序控制器(PLC)首次在美国通用汽车生产线运用以来，PLC技术也得到了飞快的发展，在常规的布尔信号逻辑控制基础上已经扩展了模拟量控制、过程控制、位置控制、强大的数据处理能力以及工业总线网络通信能力在各行各业中得到了广泛的运用。现如今的企业对产品的精度和质量要求在不断提高，对产品制造产线中的速度控制精度要求更加严格，PLC拥有功能强大的闭环速度算法功能,而且大部分品牌的都已经针对这种应用场景设计了专门电机的PID控制模块，这些算法模块的组合使得PLC可以满足任何工业需求。。所以将PLC运用变频电机的控制中实现高精度、稳定以及功能强大的自动化调速方案是个值得我们探讨的问题。第2章变频控制系统2.1变频系统简介变频器主要由整流、中间直流环节、逆变、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。其中整流器的作用是把工频电源变换成直流电源。逆变器与整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率。逆变器的结构形式是利半导体开关器件组成的三相桥式逆变器电路。通过有规律的控制逆变器中主开关的导通和断开，可以得到任意频率的三相交流输出波形。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。变频调速的基本控制方式三种：常规V/F控制、开环矢量控制、闭环矢量控制。2.2变频器选择本次论文设计选用汇川MD500系列通用型变频器。该系列变频器可支持三相和单相的AC220V或者AC380V电源输入，有着低速高转矩输出和良好的动态特性，超强的过载能力，可以通过多功能输入端子和模拟量输入端子进行调速。图1-1变频器接线图图1-1是伺服驱动器主电路接线图，R/S/T接线端子接入三相交流输入电源，U/V/W红白黑三色电源线与伺服电机连接，PE端子和电机的接地线相连。变频器有两种速度控制模式，包括模拟量调速和多功能端子调速。在模拟量调速模式下，通过AI1和GND模拟量输入端子来进行控制，给定的模拟量信号为-10V-+10V，对应着电机-1500r/min—+1500r/min的转速。在多功能端子模式下，通过X1-X5多功能端子的通断控制变频器提前设定好的频率值来实现速度控制。第3章可编程控制器3.1PLC特点（1）可靠性稳定性高传统继电器-接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触头使设备之间电气接线变的十分复杂，回路中继电器的每一个线圈和触点接头都是一个故障点。设备运行时的震动，生产环境的温度和湿度都能造成接头的松动、老化、锈蚀，所以传统的继电器控制系统故障率较高。PLC端口只需要接入输入和输出信号，通过软件编程替代了传统控制方式所采用数量众多的电磁继电器和时间继电器组成的逻辑控制电路，因此电气控制系统内部的线圈和触点之间导线可以减少近六成，同时可编程逻辑控制器的输入和输出部件由晶闸管等电子器件组成，相较于传统的继电器，这种没有触点的设计不仅可以大大提高系统的稳定性和可靠性，而且可以支持微秒级的高速输入和输出。（2）功能强大易扩展从第一台PLC诞生发展到如今，随着计算机通讯技术和工业制造能力的发展，市面上各个厂家在研究生产PLC时，都会考虑到产品面向的领域和应用场景。PLC已经从最原始的布尔逻辑控制应用已经扩展到支持文件处理、PID控制以及机器人运动控制的功能。而且为了针对各个领域不同的使用场景，PLC基本设计成模块化，在应用时可以根据实际应用所需选择不同通道的数量的I/O模块、模拟量模块或者通讯模块，扩展及其容。在扩展能力上，每个厂家都开发出自己独有的通讯总线，支持远程I/O扩展，功能强大。3.2PLC选择由于一个品牌的PLC所包括的CPU和模块种类很多，为了保证设计系统的功能性和经济性，需要在进行PLC硬件控制电路设计之前，对PLC所接入信号类型以及控制对象的属性、各类信号的数量以及PLC外围工业设备接口进行综合分析。PLC选型分析一般从下面几个方面进行：（1）信号类型，判断信号属于开关量还是模拟量，开关量需要区分是无极性的继电器触点信号还是PNP或者NPN信号，模拟量需要区分是属于比如4-20mA、0-10V，-10V-+10V中哪种类型；（2）电源规格，电源规格包括CPU和扩展I/O模块、模拟量模块、通讯模块的供电电源规格，比如AC220V模块和DC24输入模块不能混淆使用。还需要判断接入信号和输出信号的电压和电流和模块的额定值是否匹配，比如根据晶闸管输出模块的电压来选择适配的继电器线圈，另外晶闸管输出端口载流量一般在200mA，继电器输出端口可达5A，输出模块要根据控制电流来选择；（3）统计系统需要接入的信号数量以及系统被控对象的数量，得到DI、DO、AI、AO等端口的所需个数，然后根据相应品牌的模块规格进行合理选择，保证备用端口数量在15%-25%之间；（4）根据外围智能设备的布置和通讯接口协议来匹配合适数量的通讯模块。本次设计的变频电机调速控制系统中只涉及到基本逻辑，模拟量控制以及高速脉冲输出，所以根据以上的选型步骤和标准，并且考虑到调速和PID仿真实现，最终选择了可以基于西门子公司博途平台编程的S7-1200系列产品。基于以上因素的考虑，并根据DI、DO、AI的总数量，在此基础上预留一定的备用点。最终选择的型号是6ES7214-1AG40-0XB0，即直流供电电压，晶体管数字量输入和输出系列。表3-1CPU1214C技术规范 序号 功能 参数1供电电压20.4-28.8VDC2数字输入点数143继电器输出点数104模拟输入点数25模拟量输入类型0-10V6数字量范围0-276487通讯总线PROFINET(LAN)×2由表3-1可知，CPU1214C满足系统所需的部分接口需求外，但是还缺1个AO输出点，所以还需要选择6ES7232-4HB32-0XB0模拟量输出模块一个，具体技术规范如表3-3。表3-3扩展模块技术规范 序号 功能 参数1模拟量输出点数22模拟量规格±10VDC/0-20mA/4-20mA3数字量范围电压-27648—+27648/电流0-27648第4章系统硬件设计4.1电气原理图4.1.1主回路原理图图4-1主回路电气原理图图4-1是变频电机调速系统主回路原理图，系统供电是与变频电机额定电压相匹配的AC380V，50HZ电源，动力回路设计了单独的分断路器Q1进行短路保护，，由于变频器SF内部IGBT元件短路损坏的时间远小于断路器过流跳闸保护动作时间，所以变频器前端还选用了F1三极快速熔断器进行保护。F2是两相熔断器，为主回路控制电路提供过流保护，直流电源G1可以将AC220V主回路电源转变成DC24V控制电源，并能在输入电压有一定范围波动的情况下保证稳压输出，同时可以实现电磁隔离功能，防止线路上的电磁干扰对控制回路元器件尤其是PLC有干扰。CPU的电源由直流电源G1提供。4.1.2PLC回路原理图图4-2CPU回路电气原理图图4-2是CPU外围硬件电路接线图。CPU的接线端子中有两组L+/M端子，一组是接入DC24V供电电源，另外一组是自带的DC24V输出电源，可以给传感器进行供电。正常情况使用时变频电机编码器是直接接入驱动器的编码器信号端子中，形成闭环控制，由变频器内置的算法可实现旋转速度高精度调节的功能，但是在本论文中为了仿真出变频电机PID闭环算法对速度调节的效果，将编码器的信号输出端接入了PLC的高速计数输入端，通过PLC的程序来实现PID算法控制。带灯按钮SB1和SB2控制主回路电源通断，带灯按钮SB3和SB4分别实现模拟量调速和多段速调速切换控制，电位器WXJ的功能是给PLC输入一个0-10V的电压，PLC根据当前选择的调速模式将该电压值线性转换为模拟量速度给定值以实现速度的控制。数字量输入端子I0.0和I0.1设置成高速计数模式，接入变频电机编码器的脉冲信号，其余端子分别接入主令控制按钮和开关的输入信号以及其他反馈信号，由于CPU数字量输入端子属于源型输入模块，所以需要接入高电平。模拟量信号电位器接入PLC自带的模拟量输入端子。PLC输出端子类型为晶体管形式，不能直接控制AC220V回路，只能直接接入外围电路来控制DC24V控制回路动作，虽然PLC内部已经采取了光耦隔离高压电路的措施，但是当短路或者接线错误故障发生时，输出端子上的高电压仍然会很容易把晶体管触点烧坏，严重时可能会对PLC内部电路造成破坏。为了提高安全性我在设计中除了高速脉冲输出的端子外，采用了中间继电器K1-K5来进行电气隔离。图4-3模拟量扩展模块硬件连接图图4-3是模拟量扩展模块硬件电路接线图，L+/M端子是接入DC24V供电电源，输出电压为0-10V，模拟量模块设置为-10V-+10V输入模式。第5章系统软件设计5.1I/O分配表变频电机调速控制系统的I/O分配表如表5-1所示。表5-1系统的I/O分配表数字量输入DII0.0编码器信号AI0.6正转I0.1编码器信号BI0.7反转I0.2主电源通I1.0停止I0.3主电源断I1.1伺服驱动器故障I0.4模拟量调速I1.2接触器吸合I0.5多段速调速数字量输出DOQ0.0主电源通指示Q0.5正转Q0.1模拟量调速指示Q0.6反转Q0.2多段速调速指示Q0.7中速Q0.3系统故障Q1.0高速Q0.4接触器吸合模拟量输入AIIW2电位器模拟量输出AQQW2模拟量输出给定5.2PLC程序设计图5-1PLC组态设置如图5-1所示，在进行PLC梯形图程序编写前，首先需要在博图软件中对控制系统的硬件进行组态，通过右侧的设备概览窗口选定本次论文设计需要的模块型号将其添加至导轨中，其中CPU在导轨的1号机架，AQ扩展模块在2号机架。图5-2PLC高速计数格式设置如图5-2所示，为了实现编码器高速脉冲读取，需要对CPU的IO点格式进行设置。选择高速计数端子类型为频率，根据编码器输出信号类型选择A/B计数器，时钟发生器A设为I0.0输入地址，时钟发生器B设为I0.1输入地址，读取的脉冲个数存放到ID1000地址中，该地址占用4个字节。图5-3控制模式切换程序图5-5为系统模拟量调速和多段速切换控制程序，由于模拟量和多段速调速按钮都是自复位形式按钮，所以需要利用Q0.1和Q0.2选择对各自的输入信号进行自锁，系统收到脉冲信号后自锁回路能使其一直输出，但是同一时间只存在一种控制模式，所以程序中利用I0.4和I0.5中闭点串联进各自回路中形成互锁。图5-4正反转控制程序图5-4为正反转程序，在多段速调速模式下，收到主接触器吸合反馈信号后，可以利用正反转自复位形式按钮控制电机低速正反转。图5-5速度控制程序图5-5为速度控制程序，在多段速调速模式下，通过低速和高速按钮可以控制电机的转动速度，两者输出信号彼此互锁。图5-6模拟量设置采集程序变频电机PID调速我们需要计算出给定目标速度值、真实的速度反馈值以及PID控制器的输出值。下面我们分别来对这三个值的求解过程进行编程说明。第一步，计算出给定目标速度值（r/min），由于本设计中所使用的电位器为模拟量信号，所以需要对PLC进行模数处理后的数字量值进行换算后才可以得出与目标测量单位相匹配的参数。本次设计选择电压输入模式，即电位器的输出电压直接对应对应输出电压模拟量范围的为0-10V，相匹配的数字量范围为0-27648，利用NORM_X和SCALE_X函数进行相应的线性转换，在NORM_X中：OUT=(VALUE–MIN)/(MAX–MIN)假设IW2寄存器读出的数字量为13824，则计算出的OUT值为0.5，在SCALE_X中：OUT=[VALUE∗(MAX–MIN)]+MIN代入NORM_X计算的输出值得出最终的电压值为5V，具体计算程序段如图5-6所示。图5-7目标转速换算程序在得到输入电压后我们需要将其换算成r/min单位以表示实际需要的转速，从前文可以得知，模拟量调速模式下0-10V对应的是电机的0-1500r/min，在程序中，也可以把输入的0-10V电位器信号转换成目标转速存入地址MD62，如图5-7所示。图5-9编码器脉冲计数程序第二步需要通过编码器反馈的值得出电机的实际转速（r/min），图5-9为编码器脉冲计数程序，在组态设置中对I0.0和I0.1设置成计算频率的模式，所以通过CTRL_HSC实现对高速计数通道1的频率数据读取。图5-10反馈转速计算程序图5-10是速度计算程序，由于上述程序读取的频率格式形式是DWORD，为了方便后续换算，需要利用CONV指令将其转换成real格式存放到MD308中，频率代表每秒钟检测到的脉冲个数，而选用的编码器每转动一圈会输出2500个脉冲，每个脉冲代表电机转动了1/2500圈，该值与MD308相乘，然后换算成r/min单位就可以求出当前电机的转速值。图5-11PID算法程序第三步需要根据转速目标值和反馈值通过PID算法得出最终的输出值，如图5-11所示，调用博途中PID_Compact工艺对象。需要指出的是，PID工艺对象必须放在100ms循环OB块中才能启动，将计算出的输出值写入MD22中的。图5-12目标值单位换算程序如图5-12所示，通过数学换算程序将MD22中单位为r/min的数值换算成标准的模拟量值。5.5组态程序变频电机控制系统的人机界面主画面如图5-13所示。图5-15人接界面主画面主画面大体上包括三个功能区域：1）电机速度控制区：将实物按钮和电位器功能移植到了组态触摸屏上，实现虚拟按钮对程序的启停和控制模式切换等功能。当前转速显示编码器反馈回来的实时转速（r/min），电动机符号会根据电位器给定的模拟量值大小进行不同速度的旋转，可以直观的展现当前的转速。2）PID设置区：该部分组要对PID算法模块的指标进行设置，其中给定值指的是通过电位器输入信号换算出来的目标转速（r/min），P值、I值和D值对应算法程序的三要素。3）波形图展示区：该部分可以将伺服电机转速的目标值、输出值以及给定值大小。第6章仿真与调试图6-5系统初始状态如图6-5所示，通过触摸屏启动变频驱动系统主回路供电电源后，依次选择多段速调速模式，因为此时还未给定正反转信号，所以电机并未开始转动。图6-6系统加速阶段如图6-6所示，给定正转