基于S7-200異步電動機調速實驗臺研制及調試

高 瑜, 程 勇, 耿望波, 鄭 浩

(西安科技大學 電氣與控制工程學院, 陜西 西安 710054)

基于S7-200異步電動機調速實驗臺研制及調試

高 瑜, 程 勇, 耿望波, 鄭 浩

(西安科技大學 電氣與控制工程學院, 陜西 西安 710054)

研制了一套基于S7-200電動機調速實驗平臺,通過編碼器采集電動機轉速,反饋給可編程控制器(PLC),PLC經過比較判斷,輸出模擬量,控制變頻器,實現對電動機變頻調速閉環控制；同時使用電位器,調節磁粉制動器輸出,模擬負載的變化特性。通過觸摸屏動態監控電動機轉速和負載特性。實驗裝置預留各種接口,學生可以自主在該實驗平臺組網和上位機組態控制等實驗。

異步電動機； 調速； 實驗臺； PLC； 變頻器； 編碼器

針對西安科技大學電氣工程專業學生畢業后的就業方向分為電力系統和工礦自動化兩個方向，而工礦自動化方向大多就業于工礦企業,電動機調速應用和可編程控制器(PLC)應用非常廣泛[1-2]。為此開發了異步電動機調速實驗臺。

1 實驗原理

電動機作為工礦企業主要電氣設備,應用于風機和水泵等電動機械。在許多工況下,不需要設備滿載運行,而是降速運行,可以節約大量的電能,減少企業電費的支出。目前常用的方法是采用變頻調速的方法,對電動機轉速進行控制[3-4]。

1.1 調速原理

電動機變頻調速原理如下:

異步電動機轉速n公式為

(1)

式中，p為磁極對數，s為轉差率，f為頻率。

極對數和轉差率不易改變,只有頻率容易改變。通過改變頻率可以實現對轉速的控制,來滿足不同的工況需求。為了能夠實現自動控制,通常采用PLC控制變頻器、變頻器控制電動機轉速,本系統采用西門子公司的PLC和變頻器。各設備功能和參數見表1。

表1 PLC、變頻器和電動機轉速間輸出控制范圍

1.2 編碼器測速原理

由式(1)可知，在p和s不變的情況下,n和f關系一一對應。通過編碼器可以測量其速度和方向,反饋給PLC控制器,改變變頻器輸出頻率,實現對電動機轉速控制,形成閉環控制。實驗中使用的光電編碼器型號E6B2-CWZ6C,1000P/R,0.1 s內輸出脈沖數為N,則電動機轉速為

(2)

2 實驗平臺硬件設計

2.1 硬件結構設計

系統采用S7-200PLC中S7-226作為主控制器,通過對模擬量模塊輸出,給變頻器輸入控制調節信號,控制變頻器輸出頻率,實現對電動機轉速控制調節；通過編碼器對電動機轉速進行檢測,反饋給PLC,觸摸屏對電動機轉速實時顯示和控制；通過電位器的調節,控制磁粉制動器輸出[5]。實驗臺硬件邏輯框圖見圖1。

圖1 實驗臺邏輯硬件框圖

2.2 系統電路設計

系統硬件電路(見圖2)分為主電路和控制電路兩部分。

圖2 系統硬件電路

(1) 主電路電源通過QF和FU接入實驗臺,在變頻器沒有故障的情況下,接通KM1,電動機變頻運行。在變頻器異常或負荷滿載狀況下,斷開KM1,接通KM2,實現系統旁路控制[6]。

(2) 控制電路所需DC 24 V電源由開關電源提供,分別供給PLC、變頻器、編碼器、觸摸屏和磁粉控制器。

PLC輸入口分別控制電動機正轉、反轉、停止和編碼器等,輸出信號主要控制變頻器投切的中間繼電器、旁路運行中間繼電器和顯示等。PLC和觸摸屏通過RS-485進行通信。

PLC模擬量模塊輸出模擬信號“AIN+”和“AIN-”給變頻器模擬量輸入口,實現對變頻器的頻率控制。

編碼器輸出脈沖信號，送給PLC高速計數輸入口,對電動機轉速和方向進行檢測。磁粉控制器通過電位器調整輸入電壓量,控制磁粉制動器輸出功率的大小。

2.3 系統主要元件清單

該實驗臺主要元件清單及功能見表2。

表2 主要電氣元件明細及功能介紹

2.4 實驗臺實物圖及功能介紹

實驗臺分為電氣控制實驗臺和磁粉制動器實驗臺。

(1) 電氣控制實驗臺,主要由PLC S7-226模塊、模擬量輸入輸出模塊、Profibus-DP模塊、以太網模塊、觸摸屏和中間繼電器等組成,實現對整個系統控制和顯示[7]。實物見圖3。

圖3 電氣控制實驗臺實物圖

(2) 磁粉制動實驗臺,主要由電動機、磁粉制動器、編碼器、變頻器、接觸器、熱繼電器和時間繼電器等組成,是整個系統的執行機構,實物圖見圖4[8]。

圖4 磁粉制動器實驗臺實物圖

3 軟件設計

3.1 PLC軟件編寫

3.1.1 主程序流程圖

主程序初始化后,檢測變頻器故障反饋信號,如果變頻器正常,啟動電動機；如果變頻器故障,切換為旁路運行。電動機啟動后,光電編碼器開始發送脈沖至PLC, PLC高速計數器進行數據采集并進行算法處理后,判斷速度差是否超過設置的閾值,進而判定是否要進行PID調節。最后將運行參數在主函數中顯示[9]。主程序流程見圖5。

圖5 系統主程序流程

3.1.2 中斷子程序流程圖

在子程序中如果判斷速度差超限,進入中斷程序,進行PID調節。由于電動機的實時速度會出現波動,為了消除波動帶來了誤調節,采用多次判定方法,如果在某一時刻出現“波動”超過20次,則認為是速度出現大幅下降。這時將速度差累加后求平均值,將其速度差轉換為電壓差,再進行PID調節運算。運算得到結果后傳送至PLC,經模擬量模塊,輸出給變頻器。同時,將電動機的運行參數傳回主函數[10]。中斷子程序流程見圖6。

圖6 中斷子程序流程

3.2 威綸觸摸屏軟件

(1) 采用威綸公司的觸摸屏,型號為MT8100iE,該觸摸屏擁有比較齊全的接口資源,能較好地滿足本系統的實際需要[11]。觸摸屏的主界面見圖7。

圖7 觸摸屏主界面

(2) 威綸觸摸屏采用的組態軟件為EasyBuilder -PRO,該組態軟件擁有的趨勢圖模塊可以很好地記錄電動機運行時的速度,并將其顯示在觸摸屏之上，可以在遠端對電動機的實時運行情況進行監控。

3.3 西門子變頻器的設置

對西門子MM420的變頻器進行參數設置,其他的參數都為默認參數,其中主要設置的參數有P0700、P1000,這2個參數的意義見表3。

表3 變頻器參數設定

本次實驗中,使用的是PLC的模擬量控制變頻器的輸出,所以,P0700和P1000 都設置為2。

4 調試過程中遇到問題及解決方案

4.1 PC和PLC連接問題

PC機無法與PLC連接時,使用PPI電纜進行程序下載；進行PC/PG接口設置的時,使用COM口進行通信,而不是使用USB口,方可連接成功；下載程序的時候要使用COM口。

4.2 變頻器的非線性問題

當PLC給定變頻器一定的模擬量時,變頻器的輸出量并非是理論值,而是有所衰減,這會導致光電編碼器采集回的速度和理論值差值很大,會對電動機速度的調節造成影響。為了削弱變頻器的非線性輸出影響,在程序中,給計算出的理論速度值,乘以一個調節系數,使其更接近實際轉速,這樣的調節效果也更好。

4.3 PLC與觸摸屏通信問題

本實驗臺使用威綸MT8100iE和西門子PLC S7-200,在MT8100iE與PLC的進行通信時,需要自制RS-485通信線。接線要求見表4。

表4 HMI和PLC通信線連接要求

4.4 編碼器采集問題

在使用光電編碼器的過程中,無法檢測到光電編碼器的輸出,或者輸出混亂。用示波器檢測后發現光電編碼器的輸出不正常,為各種諧波的疊加,周期也不等。因為E6B2-CWZ6C其輸出方式為NPN集電極開路輸出,所以在其e、c之間加上合適的電阻后,能夠穩定輸出。

5 實驗臺調試結果分析

5.1 電動機調速實驗結果

在電動機正常啟動、速度達到理論值后,旋轉增大電位器輸出,改變磁粉控制器的輸出(PSN功率放大器)。模擬負載增加的工況下,在觸摸屏上可以明顯看到電動機的速度下降,過幾秒后,經過PLC的程序控制,調節電動機的速度出現上升,到達理論值,其速度圍繞理論值上下出現較小的波動。

5.2 磁粉制動器調試結果

本系統中采用磁粉制動器模擬實際負載的工作情況,磁粉控制器的輸出由電位器控制,通過旋轉電位器的旋鈕調節模擬負載的大小。由于采用了多次判定速度差是否超限的方法,所以在實際的速度曲線中,有一定的階梯狀,是由于多次累加的延時,導致速度的采集有較小的延時,但此并不影響電動機的實際運行情況[12]。

圖8是加磁粉制動器后電動機運行圖,圖中的直線是電動機的理論速度,是一恒定值。折線部分是電動機的實際運行速度。電動機正常啟動后,速度一直沿著理論值上下波動；再調整電位器的旋鈕,即增大了模擬負載后,其速度出現了明顯的下降,速度曲線出現了凹陷；而后減小電位器的輸出,即減小負載,速度出現了回升,到達理論值附近；最后在點擊觸摸屏上的“停止”后,電動機逐漸停機,速度曲線下降到零。

圖8 加磁粉制動器后電動機運行圖

References)

[1] 李永濤,葛智勇,田友偉,等.強化實踐教育培養創新能力[J].實驗室研究與探索,2014,33(1):160-163.

[2] 高瑜,付周興,焦妍君,等.《電氣自動化專業》實踐教學改革探討[J].高校實驗室工作研究,2011(1):37-38.

[3] 高瑜,孫思雅,趙建文,等. 繼電保護專題實驗實施過程及設備研制[J].實驗技術與管理,2016,33(10):171-175.

[4] 高瑜,付周興,李忠,等. 電氣專業綜合設計實驗教學探討[J]. 實驗室科學,2012,15(3):34-36.

[5] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T26662-2011 磁粉制動器[S].北京:中國標準出版社,2011.

[6] 許建鳳,傅永鋒.多模式PLC實訓平臺設計與研制[J].實驗技術與管理,2012,29(11):65-67.

[7] 馮清秀.機電傳動控制[M].5版.武漢:華中科技大學出版社,2011.

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[9] 焦志剛,楊慧遠,杜寧.基于Petri網的PLC控制系統設計研究[J].自動化儀表,2017,38(2):18-21.

[10] 王阿根.西門子S7-200 PLC編程實例精解[M]. 北京:電子工業出版社,2011.

[11] 劉倫富.PLC與觸摸屏應用技術[M]. 北京:機械工業出版社,2014.

[12] 張偉林,吳清榮,趙世海.西門子PLC、變頻器與觸摸屏綜合應用實訓 [M].北京:中國電力出版社,2014.

Development and debugging of experimental platform for asynchronous motor speed regulation based on S7-200

Gao Yu, Cheng Yong, Geng Wangbo, Zheng Hao

(College of Electrical and Control Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China)

An experimental platform for the motor speed regulation based on S7-200 is developed. Through the encoder to collect the motor speed for the feedback to the PLC, the comparative judgment is carried out by the PLC to make the output of the analog quantity, control the frequency converter and realize the closed-loop control of motor variable frequency speed regulation. At the same time, the potentiometer is used to regulate the output of the magnetic powder brake and simulate the changing characteristics of the load. The motor speed and the loading characteristics of magnetic powder brake are dynamically monitored and controlled by the touching screen. The experimental device is provided with various interfaces, and the students can independently carry out the experiments for the networking, the host computer configuration control, etc., on this experimental platform.

asynchronous motor; speed regulation; experimental platform; PLC; frequency converter; encoder

G642

: A

: 1002-4956(2017)09-0085-05

2017-03-24

陜西省科學研究發展計劃項目(2016GY-064)；西安科技大學2016年度校級教育教學改革與研究項目(JG16029)

高瑜(1978—),男,陜西橫山,碩士，高級工程師 從事電氣控制等方面的教學研究.

E-mail:xkdgy@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.022