基于組態(tài)軟件、變頻器和PLC控制的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李澤洪

[摘 要]本系統(tǒng)由PLC、變頻器（具有 RS—485 通信功能）、交流電機(jī)組成。通過組態(tài)軟件建立PLC與上位PC機(jī)之間的通信連接，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控，再利用 PLC+變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制。

[關(guān)鍵詞]組態(tài)軟件；PLC；變頻器；

[中圖分類號(hào)]TM921.51 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

對(duì)于高職高專學(xué)生來說，PLC技術(shù)、變頻器技術(shù)、組態(tài)技術(shù)三門課程是生產(chǎn)過程自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)必修的核心課程。本選題能夠?qū)⑷T課程知識(shí)有機(jī)地結(jié)合在一起，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生具備對(duì)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、維護(hù)能力有極大的幫助。

基于PLC可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便、容易改造的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)以 PLC作為控制核心，結(jié)合變頻器、組態(tài)軟件等完成對(duì)電動(dòng)機(jī)速度的控制。這樣基于組態(tài)軟件建立PLC與上位PC機(jī)之間的通信連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作控制，既可以改善操作人員的工作環(huán)境，又可以提高工作的安全性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體構(gòu)架

通過對(duì)系統(tǒng)的總體分析，該變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程分為兩個(gè)步驟：

（1）基層PLC+變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的控制。

（2）實(shí)現(xiàn)PLC與上位PC機(jī)之間的通信連接，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控。

本系統(tǒng)由 PLC、變頻器（具有 RS—485 通信功能）、交流電機(jī)組成。其工作原理為：給定的速度與經(jīng)由經(jīng) PLC 運(yùn)算可得控制量，再由RS—485接口輸出到變頻器以驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。由于PLC與變頻器之間沒有采用 D/A 進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而是采用 RS—485 進(jìn)行數(shù)字通信，有效地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

2 PLC與變頻器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速

我們將采用八段速、無極調(diào)速及采用光電編碼器的閉環(huán)控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制。

（1）八段速控制。八段速控制就是在變頻器中設(shè)定八個(gè)頻率，通過PLC的八個(gè)控制按鈕輸入分別控制一種頻率輸出，即實(shí)現(xiàn)一個(gè)按鈕控制一種電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：編寫PLC梯形圖程序使輸出端子Q0.0～Q0.2的輸出狀態(tài)組合成八種狀態(tài)，即000～111。每一種狀態(tài)用一個(gè)控制開關(guān)控制，這樣共有八個(gè)控制開關(guān)控制PLC 的Q0.0～Q0.2輸出的八種狀態(tài)。將PLC的三個(gè)輸出端子與變頻器的控制電路端子7～9依次相連。通過對(duì)變頻器P09、P32～P38參數(shù)的設(shè)定確定出各個(gè)狀態(tài)輸出頻率的大小，這樣就實(shí)現(xiàn)了每一個(gè)控制開關(guān)控制變頻器的一種輸出頻率，將變頻器與電動(dòng)機(jī)連接起來，通過對(duì)八個(gè)控制開關(guān)的通斷控制就實(shí)現(xiàn)了PLC對(duì)電動(dòng)機(jī)的八段速控制。

（2）無極調(diào)速控制。本控制方案采用PWM技術(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)的功能是結(jié)合組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)組態(tài)界面上輸入一個(gè)頻率來控制電動(dòng)機(jī)按這一頻率運(yùn)行。具體實(shí)現(xiàn)過程如下，通過軟件編程使PLC輸出一路PWM脈沖，連接于變頻器的控制電路端子的9號(hào)端子。改變PWM脈沖的占空比即可改變變頻器的輸出頻率，這樣我們就可以在組態(tài)軟件中通過設(shè)定PWM脈沖的占空比來確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

（3）采用光電編碼器的閉環(huán)控制。本方案采用增量式光電編碼器作為閉環(huán)控制的反饋輸入，具體實(shí)現(xiàn)過程：PLC控制電動(dòng)機(jī)按同一速度運(yùn)轉(zhuǎn)，用光電編碼器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)一圈所產(chǎn)生的脈沖數(shù)，將它傳回給PLC。用PLC編程將脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后與電動(dòng)機(jī)的預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，若有偏差則通過PID算法將誤差消除，使電動(dòng)機(jī)能按照預(yù)定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 WinCC與 PLC之間通信的實(shí)現(xiàn)

WinCC 與 S7- 200 PLC 之間的通信原理WinCC 與 S7-200 PLC 之間的通信結(jié)構(gòu)層次如圖 1 所示。

WinCC 采用變量管理器進(jìn)行變量的集中管理。WinCC 變量管理器管理運(yùn)行時(shí)的 WinCC 變量，從過程中取出請(qǐng)求的變量值。該過程通過集成在WinCC 項(xiàng)目中的通信驅(qū)動(dòng)程序完成。通信驅(qū)動(dòng)程序利用其通道單元構(gòu)成 WinCC 與過程處理之間的接口。WinCC 通信驅(qū)動(dòng)程序采用通信處理器向S7- 200 PLC發(fā)送請(qǐng)求消息，然后，通信處理器將回答相應(yīng)的消息請(qǐng)求的過程值發(fā)回 WinCC 。本系統(tǒng)中通信驅(qū)動(dòng)程序選用 Modbus Serial. CHN 。

4 WinCC監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中監(jiān)控軟件主要完成的任務(wù)是監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過程，所設(shè)計(jì)的WinCC 監(jiān)控主界面不僅具有設(shè)置變頻器運(yùn)行所需的參數(shù)、控制變頻器的運(yùn)行/停止以及運(yùn)行頻率的改變、監(jiān)視輸出電流、電壓、頻率等功能，而且還具有實(shí)時(shí)曲線查詢、歷史曲線查詢和報(bào)警顯示等功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變頻器的遠(yuǎn)程智能化監(jiān)控。

5 結(jié)語

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和運(yùn)行表明，本文所設(shè)計(jì)的基于組態(tài)軟件、變頻器和 PLC 控制的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)三相交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制，也對(duì)變頻器運(yùn)行過程和狀態(tài)的監(jiān)控，有效地提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。系統(tǒng)安裝維護(hù)方便，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠；監(jiān)控軟件功能齊全，人機(jī)界面友好，使用方便。

[參考文獻(xiàn)]

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