用PLC和變頻器實現(xiàn)電機的變頻調(diào)速和遠程控制

南利奔　司正慶　楊文源　林金煜　王伯旺

摘要：采用高功能性v/f控制的通用變頻器西門子SIMTIC MANGER，此變頻器能很好的解決轉(zhuǎn)速之間的切換和啟動問題。系統(tǒng)中由PLC完成數(shù)據(jù)的采集和對變頻器、電機等設(shè)備的控制任務(wù)。基于S7-400 PLC的編程軟件SimaticS7-CFC采用模塊化的程序設(shè)計方法，大量采用功能模塊重用，減少軟件的開發(fā)和維護。利用組態(tài)軟件Wince，Protool/Pro良好的人機界面和通信能力和Profibus總線技術(shù)，使工程師、操作人員可以在中央控制室的工控機上方便的瀏覽現(xiàn)場的工業(yè)流程、實現(xiàn)變頻器的參數(shù)設(shè)置、故障診斷和電機的啟動和停止的控制;同時可以在現(xiàn)場進行電機的啟動、停止及增減速等的操作。

關(guān)鍵詞： PLC;變頻器;變頻調(diào)速;組態(tài)軟件

1 概論

科學技術(shù)的發(fā)展，對于改變社會的生產(chǎn) 面貌，推動人類文明向前發(fā)展，具有極其重要的意義。電氣自動化技術(shù)是多種學科的交叉綜合，特別在電力電子、微電子及計算機技術(shù)迅速發(fā)展的今天，電氣自動化技術(shù)日新月異。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)的飛速發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展也十分迅速。電動機交流變頻調(diào)速技術(shù)是當今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境，推動技術(shù)進步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速性能和起制動平穩(wěn)性能、高性能、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而被國內(nèi)外公認為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。本次設(shè)計是以電梯控制技術(shù)為背景，針對以前的拖曳電梯的一些缺點，采用現(xiàn)在流行的PLC控制技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)來實現(xiàn)電梯的各種控制。在本課題的系統(tǒng)中，需要對電機進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，考慮到電機的啟動、運行、調(diào)速和制動的特性，采用高功能性控制的通用變頻器，此變頻器的S型加減速功能和轉(zhuǎn)矩提升功能，能很好的解決轉(zhuǎn)速之間的切換和啟動問題。系統(tǒng)中由PLC完成數(shù)據(jù)的采集和對變頻器、電機等設(shè)備的控制任務(wù)。基于S7-400 PLC的編程軟件采用模塊化的程序設(shè)計方法，大量采用功能模塊重用，減少軟件的開發(fā)和維護。利用組態(tài)軟件良好的人機界面和通信能力及PROFIBUS總線技術(shù)，使工程師、操作人員可以在中央控制室的工控機上方便的瀏覽現(xiàn)場的工業(yè)流程、實現(xiàn)變頻器的參數(shù)設(shè)置、故障診斷和電機的啟動和停止的控制;同時可以在現(xiàn)場進行電機的啟動、停止及增減速等的操作。

2 方案確定

采用交流變頻調(diào)速，通過控制變頻器來實現(xiàn)三相異步電動機的開閉環(huán)、正反轉(zhuǎn)和快慢速的轉(zhuǎn)換，如圖1所示。其具體工作過程如下：

從電網(wǎng)上接入380V交流三相電源，首先通過一個空氣開關(guān)作為漏電保護，然后接入三個熔斷器作為過流保護。電動機三相U、V、W接在變頻器的輸出端口，輸入端口L1、L2、L3通過了A級濾波器連接在交流接觸器KM1上，變頻電機的風機則通過熱繼電器FR1連接在交流接觸器KM2上，再連接到交流接觸器KM1的電網(wǎng)上。接下來是變頻電機簡單的起、停、開閉環(huán)、變頻調(diào)速電器控制線路。其控制線路說明如下：QF1為空氣斷路器，當空氣開關(guān)閉合，沒有按下啟動按鈕SB1時，交流接觸器KM1處于斷開狀態(tài);當按下起動按鈕SB1時，接通交流接觸器KM1，KM1繼電器通電，交流接觸器KM1保持通電狀態(tài)，可編程序控制器運行，輸出端給變頻器一個啟動信號，電源指示燈HR4亮。在運行中按下停止按鈕SB2，則KM1繼電器斷電，交流接觸器KM1斷開。同時我們還用了熱繼電器FR1，用于過載保護。在加速和減速過程以外，電機一直是穩(wěn)速運行。變頻電機的加速、減速、慢速和穩(wěn)速運行全部都由變頻器控制。加速和減速過程時間的長短，以及穩(wěn)速值的大小由人為在變頻器中根據(jù)需要設(shè)定。

對三相異步電機采用一臺變頻器來進行頻率的調(diào)節(jié)控制。通過PLC輸出的模擬量信號作為變頻器的控制端輸人信號，由總線Profibus-DP作為信號的傳輸通道，完成對電動機的自動控制。變頻調(diào)速器對電機具有完善的自我保護和電機保護的功能，它通過接受PLC的信號控制電機轉(zhuǎn)速大小，并且向PLC反饋自身的工作狀態(tài)信號，當發(fā)生故障時，能夠向PLC及上位機發(fā)出報警信號。由于變頻調(diào)速是通過改變電動機定子供電頻率以改變同步轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，故在調(diào)速過程中從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差功率，因此具有高效率、寬范圍、高精度的調(diào)速性能。

3 系統(tǒng)說明

系統(tǒng)三個站點（工程師站、操作員站、編程站）、工業(yè)以太網(wǎng)、Prifibus-DP總線、S7-400、S7-300、變頻器、三相異步電動機以及人機交換界面-觸摸屏組成。本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示：

西門子工業(yè)以太網(wǎng)的建立需要相應(yīng)的軟件支持，STEP7是西門子工業(yè)自動化控制系統(tǒng)軟件，該軟件為模塊化的軟件，在本體軟件的基礎(chǔ)上有很多可選軟件能和其實現(xiàn)無縫連接，本系統(tǒng)選用的是西門子的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)軟件Soft Net，該軟件和STEP7配合能組建西門子的工業(yè)以太網(wǎng)、DP網(wǎng)等，并能PLC編程，如圖2所示。

參考文獻

[1] 汪志鋒. 可編程序控制器原理與應(yīng)用[M]. 1版. 西安：西安電子科技大學出版社， 2004，195-2562916FE3F-3231-44EE-B915-6F7B2B8A54DA