基于PLC和變頻器的電機控制技術

摘 要：隨著電工技術以及自控技術的發展，繼電器控制已經不能滿足工業發展的需求，電機變頻控制成為發展的趨勢。在工業自動化中，基于PLC和變頻控制電機已經成為基本要求。文章通過PLC開關輸入輸出來控制變頻器的多功能輸入，通過變頻調速實現電機的控制，通過RS485來建立PLC變頻器的通信，充分發揮PLC與變頻器的控制功能。

關鍵詞：PLC；變頻器；電機

1 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的主要目的：一是可以節約能源，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境。當前在工業自動化控制系統中，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省部件經費，還有較強的抗干擾能力、傳輸效率高等優點。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

2.1 PLC及閉環控制選擇

PLCS7-200應用廣泛，各種監測、檢測以及組網運行中都能發揮重要作用，PLC控制變頻器的頻率一般有兩種方法：一是模擬量控制，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，經過比較然后發出輸入值，最終實現無靜差調速，這也就構成了一個變頻調速的閉環控制系統。閉環控制系統能夠改善系統的響應特性，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揮有效的作用。在閉環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，除了閉環之外還可以采用前饋的控制作為反饋閉環的補充，形成復合型的控制系統，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以太網與各個機位PC的通信。在上機位中使用Wincc組態監控軟件實現集中監控。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境以及實時處理工業現場數據的能力。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控，大大提升系統的自動化水平，系統控制的連續性提高，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

3.1 PLC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字節程序和數據存儲空間。1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協議、MPI通訊協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，也可集成到“自動化系統”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。全面的保護功能為變頻器和電動機提供了良好的保護。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理想的變頻傳動裝置。

3.3 異步電機運行方式

3.3.1 根據電磁力定律，在感應電動勢的作用下，轉子導體中將產生與感應電動勢方向基本一致的感生電流。載流的轉子導體在定子產生的磁場磁場中受到電磁力作用，電磁力對電機轉子軸形成電磁轉矩，驅動電機轉子沿著旋轉磁場方向旋轉，當電動機軸上帶機械負載時，便向外輸出機械能。

3.3.2 當三相異步電機接入三相交流電源（各相差120度電角度）時，三相定子繞組流過三相對稱電流產生的三相磁動勢并產生旋轉磁場，該磁場以同步轉速n0沿定子和轉子內圓空間作順時針方向旋轉。

3.3.3 該旋轉磁場與轉子導體有相對切割運動，根據電磁感應原理，轉子導體產生感應電動勢并產生感應電流。

4 結束語

在工業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，充分發揮可編程控制器的高可靠性、靈活性、通用性、擴展性等優點，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的方案設計和全部的控制系統設計。

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[J].科學之友，2008（24）.

[2]姜興忠，戴恒陽.變頻恒壓供水系統的機理分析[J].電氣傳動自動化，2002，24（4）.