探究PLC和變頻器的電機控制系統設計

趙軍

（曹妃甸港港鐵物流有限公司，河北 唐山 063200）

工業生產離不開大型設備的支撐，它是提高生產效率的主要勞動力，眾所周知，大型設備在運行的過程中需要耗費大量的能源，大大提高了生產成本，不利于生產企業對成本的把控。電機變頻控制技術的應用有效解決了以上問題，不僅節省了大量的生產能源，而且還實現了產品質量的提升，給工業領域的發展注入了新的動力。電機、變頻器和PLC是構成電機控制系統的三大要素，具有成本低、信號抗干擾性能強、編程簡單易操作等特點，因而被廣泛地應用于工業控制中的各個領域。

1 PLC的組成及工作原理

1.1 PLC的組成

PLC是工業領域中通用的一種電子控制裝置，它的組成類似普通的微機系統。PLC分為兩種結構形式，分別是組合式和整體式。其中整體式PLC電子控制裝置的主機為一體式，系統構造單元為整體形式，包括存儲器、電源、中央處理單元、通信接口等，同時這種形式的主機還具有獨立的I/O擴散單元，該單元的存在主要以輔助主機運行為主。主機中的中央處理單元是PLC控制裝置的核心部分，I/O擴散單元作為接口電路，主要用于主機中央處理單元與現場設備的連接；而組合式PLC電子控制裝置的主機，它的系統構造單元分別被制作成相應的電路板或模塊，然后將這些模塊分別插在底板對應的位置上，之后借助底板上的總線，建立各個模塊之間的連接。裝有中央處理單元的底板被稱為CPU底板，裝有其他單元的底板則被稱為擴展底板，通過電纜將這兩種底板建立連接，通常來說，連接底板的電纜的長度不可超過10cm。不論是整體式PLC電子控制裝置，還是組合式PLC電子控制裝置，都可以根據實際需求進行相應的組合與配置。PLC電子控制裝置的檔次越高，所應用的中央處理單元的位數也就越多，如此才能保障其運算效率，一般而言，小型PLC電子控制裝置大都采用8位微處理器，中型PLC電子控制裝置需要采用16位微處理器，大型PLC電子控制裝置則需要采用高速位片式處理器，以便增強其應用性能。

1.2 PLC工作原理

循環掃描是PLC主要工作方式，正式掃描前，PLC會先將I/O映像區的內容進行清除，自行診斷后開始正式掃描。PLC掃描分為三個階段進行，分別是輸入采樣、程序執行和輸出刷新，運行的過程中，對這三個階段進行反復循環掃描，每循環掃描一次即是一個掃描周期。

2 對系統設計的功能進行分析

2.1 閉環系統的硬件設計

電機、變頻器和PLC是構成電機控制系統的三大要素。首先，對PLC進行設置輸入，從而實現對變頻器的控制；其次，再利用變頻器達到控制電機的效果；最后，借助電機轉速反饋給PLC，通過比對速度信號，再將準確的數據輸出到變頻器，從而完成無經差調速。閉環系統具體運行原理為：首先，采用S7-200對速度信號進行采集，由于S7-200擁有6個高速計數器，具有高速脈沖的采集功能，所以其采集頻率可高達30千赫茲；其次，在固定的間隔時間內，通過計數器計算當前電動機的轉速，從而實現脈沖差值的采集。通俗來說，閉環控制運行原理即是通過PLC接收反饋過來的速度信號，之后對其進行比對，然后將比對成功的數據輸送到PID的控制部分，以此調節電機運轉的速度，從而達到原定的轉速標準。

2.2 變頻調速的系統設計

工業生產中常用的變頻器主要由主電路和控制回路組成，其中主電路主要用于對電壓和電頻電源的調節，其構成單元包括整流器、逆變器和中間直流環節。整流器主要適用于工頻電源向直流電源轉換的情況下；逆變器與整流器的作用完全相反，它是由6個半導體形式的開關器件組合而成，由于逆變器是三相橋式的電路，通過對其中主要開關進行導通控制和有規律的斷開，即可實現輸出頻率的任意性，所以適用于直流功率向交流功率轉換的情況下；中間直流環節的作用其實就是在中間環節進行電能的儲存，這是因為異步電機是逆變器的負載，為此不論電動機處于何種狀態，起始功率在因數方面都不可能是1，從而造成中間環節中經常出現交換無功率的現象，而在中間直流環節中儲存電能，可以達到緩沖無功能量的效果。控制回路主要用來控制逆變器開關，控制方式包括數字控制和模擬控制，它是由輸出電路、驅動開關、檢測電路、制動電路及輸入的控制信號共同組成，通過對整流器電壓進行控制，達到保護電機的目的。

3 變頻器在多電機時的控制方式

3.1 正弦脈寬調制的控制方式

當電動機在磁通方面不發生任何變化時，通過采用這種控制方式，可以改變電源頻率，從而達到調節電機速度的目的。通常來說，這種控制方式所應用的變頻器，其組成結構十分簡單，由于這種控制方式為開環式，為此普通變頻器無法達到實際控制標準。如果電源頻率處于低頻狀態時，則需要進行轉矩補償，從而更改低頻特性方面的轉矩。這種控制方式不僅具有低成本、結構簡單的特點，而且在機械特性方面具有較好的硬度，可以滿足大部分平滑調速的需求，所以這種控制模式已經逐漸應用于各個生產領域。

3.2 矢量控制方式

矢量控制方式是指將異步電動機的定子交流電流在Ia、Ib、Ic這三相坐標下，完成三相到二相的更換。定子交流電流即是指，在二相靜止坐標下對Ia1和Ib1進行校正，使兩者效果相等，之后采用磁場定向將兩者進行旋轉調換，從而達到Im1、It1的相等效果。通過采用這種方式模仿直流電機的控制方式，以此達到直流電機的控制量，之后與之相對應的坐標進行反交換，從而達到對異步電動機控制的目的。矢量控制方式其實就是將交流電機于直流電機的效果相等，對其速度和磁場進行有效控制，通過對轉子磁鏈進行控制，使其變為定向，從而對定子電流進行分解，最終達到正交或解耦控制效果。然而，這種控制方式存在一些不足之處，這是因為矢量變換過程較為復雜，無法對轉子磁鏈進行準確的觀測，以至于實際效果可能與預期效果存在一些差距。

3.3 轉差頻率的控制方式

這種控制方式以正弦脈寬調制控制方式為基礎，結合異步電動機實際轉速的電源頻率，從而達到直接控制轉矩的目的。在調節變頻器輸出頻率的過程中，使用這種控制方式還需結合預期的轉矩，這樣才能使電動機獲得相應的轉矩輸出。在實際操作的過程中，應用轉差頻率的控制方式，需要提前在控制系統中安裝速度感應器，同時，還需借助閉環控制方式，即通過電流反饋，達到對電流頻率及電流控制的效果，從而增強變頻器的穩定性。如此一來，即便電機在運行的過程中發生急速性的加、減速，或者負載發生異變，都可以做出良好的響應。

3.4 直接轉矩控制

上述講到矢量控制方式在實際操作中存在著諸多的不足之處，而直接轉矩控制方式可以很好地彌補矢量控制方式中存在的缺陷，這是因為相較矢量控制方式，直接轉矩控制方式省略了煩瑣的計算步驟，在實際操作中對直流電機與交流電機的相等效果沒有硬性要求，更無須對直流電機的控制方式進行模仿，而是通過創新和優化系統結構，將其簡化，以此增強動靜態性能的穩定性。現階段，這種控制方式在較大交流傳動功率方面有著廣泛的應用。

4 結語

綜上所述，PLC是工業領域中通用的一種電子控制裝置，它的組成類似普通的微機系統，是構成電機控制系統的主要要素之一，在工業生產領域有著廣泛的應用，對促進我國工業發展具有重要的價值與意義，其獨特的性能，可以優化及改善生產過程，增強控制效果。在工業領域未來的進化中，PLC電子控制裝置要想長久保持在其中的優勢與地位，應充分結合工業生產需求，則需要進一步研究與優化PLC自動控制系統。