淺談基于PLC的高壓電機斬波串調控制系統的設計與實現

摘要：基于PLC的高壓電機斬波串調控制系統能具有控制功率小，并具有PLC控制系統的優良特性，不僅能夠實現電機的智能控制，還能夠達到節能減排的目的。本文設計介紹了PLC控制的串水阻系統的高壓電機斬波串調控制系統的設計和實現。

關鍵詞：PLC；斬波串調控制系統

PLC是一種通用的自動化控制裝置，利用PLC能夠實現順序控制、定時控制、邏輯控制以及計數控制等。高壓電機斬波串級能夠實現智能化控制離不開該控制元件。近年來我國經濟發展迅速，人口的增長速度也日趨加快，資源和環境的約束體現了比較突出的矛盾，為此，我國大力推行節能減排。由于傳統的水泵、風機等采用的都是擋風板或者大閥門實現對流量的調節，這導致了電能的嚴重浪費。而高頻斬波串級調速技術和高壓變頻技術憑借著控制功率小、控制電壓小的優點，在調速技術中占有絕對的優勢。將PLC控制器和高頻斬波串級調速技術和高壓變頻技術結合起來，能夠通過邏輯關系實現電機故障保護動作的控制，本文將對基于PLC的高壓電機斬波串調控制系統的技術實現做簡要分析。

1、高壓電機斬波串級調速系統

基于串水阻系統的高壓電機斬波串級調速系統是PLC控制的對象。如下圖所示：

在該系統中，電機是定子輔助繞組繞線式內反饋三相異步電機。功率為直流功率，并通過二極管、IGBT、電容器共同構成的斬波電路對其進行調節。電容器中存儲緩沖，通過最小逆變角三相有源逆變器轉變成工頻交流電功率，并通過定子繞組和阿福主繞組實行電網回饋。串入轉子繞組回路中的可調反電勢是由斬波電路和有源逆變器提供的，通過可調反電勢，系統能夠實現調控轉子電流，從而達到調節高壓電動機的轉速的目的。該系統有KM1-4三相真空接觸器，通過控制保護系統，電機能夠實現正常的停啟和保護。通過設計脈沖發生、控制邏輯以及控制電路能夠在出現故障的情況下達到保護系統的目的。

2、基于PLC的串調控制系統的設計概述

設計PLC控制系統分為兩個方面：PLC軟件編制和硬件選型。設計這兩方面的內容主要通過一下幾個方面的設計：

（1）編制工程控制要求。

（2）進行系統分析。系統分析主要包括系統的運行狀態分析、測點選擇、控制內容分析等。選擇測點的結果有：反饋交流電流、直流電流、轉子單相電流以及電容電壓等。

（3）系統設計。主要包括的設計內容有：PLC控制系統中所包含的硬件，有操作開關、傳感器、按鈕和限位開關等。另外還有控制系統的執行機構，包括接觸器、繼電器以及信號燈等輸出設備。最后設計控制系統的總體結構、控制系統I/O地址分配。

（4）設計系統的可靠性。

（5）控制系統軟件設計。包括電氣原理圖、電氣接線圖、技術說明書、PLC梯形圖、元器件明細表等。

（6）人機界面設計。包括系統控制模式、系統運行狀態指示、記錄系統的報警內容，形成故障日志等。

3、高壓電機斬波串級控制系統的設計

高壓電機斬波串級調速控制系統必須具備良好的保護動作邏輯功能和自動控制功能，包括停車、開啟、調速、升降速以及全速等。另外還要具備各級調控之間的切換功能。包括：調速/全速、遠方/就地等。對系統進行分析后可以得到測點和傳感器的具體設計要求。對系統的運行狀態進行分析，能夠得到系統過程態和穩態的分析：

對系統進行控制內容的分析，可以得到按鈕操作、水阻控制、主回路接觸器控制、PWM脈沖、操作模式轉換以及模擬量監控等內同的具體調速配置內容。通過分析這些內容，我們就可以進行系統設計。

（1）PLC系統選型。該系統選用的是西門子S7-200系PLC電源，電源型號為24VDC CPU224，24VDC輸入、輸出型。CPU224 100-230V AC/DC/繼電器型電源則為實驗臺使用。主要對硬件的開關量進行控制，以及調節和采集模擬信號，并利用人機界面實現設定和修改以及各種操作切換等。結合上文的系統設計分析，我們對哪些信號要輸入給PLC、電壓的等級、電流選擇交流還是直流以及使用模擬量還是開關量等問題進行了綜合考量，最終確定選用的PLC型號為CPU224，并為系統選擇擴展模塊時，I/O點數保留了一定裕量，并配置了備系統擴充用的模塊。

（2）PLC的介紹。西門子S7-200系PLC結構比較小巧，并且可靠性非常高，其指標令系統非常豐富。即能夠使用單獨的CPU形成數字量控制系統，也能夠進行模塊擴展，形成比較復雜的控制系統。PLC的核心控制單元是CPU，整個系統的控制點是I/O點。PLC通過工業的現場設備采集信號，然后將信號輸入并分析輸出，從而控制電機、指令控制泵等，通過通訊端口，PLC能夠將設備和CPU連接起來，并將系統的檢查結果顯示出來。

（3）EM223數字量混合輸出/輸入模塊和擴展單元配置。按照本設計中選用的PLC模擬量擴展單元EM235的技術規范，我們將其分為四路進行模擬量的輸入，當電壓和電流具有不同的接線法時，輸出接線法不同。在接線時要注意：盡量縮短傳感器的接線長度，使用的電線應當是屏蔽雙絞線；電源線和信號線不能平行布置；有效利用電纜槽，這樣能夠避免在布線時形成導線銳角；為避免系統運行產生噪音，應該使用質量好的傳感器電源，如240DC。二，接入EM235前的校準以及選用的配置方法。首先按照工程的實際情況（接入是電流信號還是電壓信號）對模塊進行設置。通過校準能夠對系統在使用前進行刻度調零以及其他相關內容的調試。校準輸入時，首先要把電源切斷，然后選擇相應的輸入范圍，并將模擬量擴展模塊和CPU模塊的電源接通。一段時間的穩定以后，利用一個電流源和傳感器或者電壓源和傳感器，把零值信號直接加入到另一段，讀出CPU的值，偏置電位器時其讀數為零。然后在一個輸入端接入一個滿刻度信號，再次讀CPU的值，不斷增加益電位器，并調節GAIN，當CPU達到設定值時即可停止，完成校對。當EM235處于工作正常態時，數字量為輸入的模擬量，符號位是最高有效位，0是正值，模擬量和數字量的轉換值是12位數，左右要對其。

（4）控制系統I/O地址分配和擴展I/O尋址。由于模擬量擴展和數字量擴展模塊都是CPU模塊I/O的擴展，因此必須對這兩個模塊尋址。這兩個模塊的尋址應該是分開的，互不影響。

4、系統的可靠性設計

（1）采用交流式自相電壓220V電源，利用總電源開關控制電源系統，根據系統的實際需求，選擇空氣開關或者刀閘門式開關。使用24V直流I/O模塊形成PLC控制系統。工業輸入信號為電機按鈕、繼電器觸點、接近開關等，輸出信號是接觸器線圈、顯示燈、控制繼電器線圈。為了達到系統可靠工作。

（2）計算系統的配置電源。PLC系統中有一個內部電源，它為24VDC用戶、跨站模塊等供電。CPU每一個模塊都包含了一個傳感器電源，如果本機使用電源超過了內部電源的定額，那么可以通過增加外部電源對24VDC的供電。本系統CPU只有280毫安，而I/O需要的是600毫安的24VDC電源。因此我們給系統配置了320毫安的額外電流和24V直流電源，以提高電源的可靠性。

5、系統的軟件設計和人機界面設計

該系統中的軟件設計包括PLC軟件設計以及屏通人機軟件設計。在PLC軟件設計中，通過詳細了解PLC的軟件設計基礎，利用編程和PWM/PTO功能塊完成PWM輸出。人機界面設計包括：觸摸屏的選用，基于敏感度高、質量好、功能齊全的要求，本次采用的是PanelMaster，其性價比非常高，其編程軟件也十分方便用戶的使用，具備如報警信息顯示等一系列功能。

參考文獻：

[1]袁曉明.防爆鏟車的雙繞組串勵直流電機PLC調速控制[J].煤礦機械，2011，36（11）：156-157.

[2]謝軍，孫忠獻，溫曉玲.斬波串級調速系統主電路的分析[J].機電工程，2007，25（9）：45-46.

[3]張曉東，趙勝利，李明星.高壓大功率內反饋串調系統的設計與應用研究[J].儀器儀表與分析監測，2011，7（2）：49-50.