基于PLC的多段調速系統的設計與仿真

韓佳芳

鄭州財稅金融職業學院，河南鄭州，450000

0 引言

近幾十年來，機電學科發展勢頭迅猛，電動機控制系統調速技術也得到迅速發展，使電機的應用不再局限于工業應用，而是更廣泛地應用于商業和家用設備等各個領域。反過來，各領域的發展又大大地擴展了電動機技術的發展，拓寬了電機的應用范圍，同時也對電機設計和制造工藝提出更高的要求[1]。調速離不開變頻技術這一項新興技術，變頻器通過整流逆變等環節將工頻電源信號轉化成為各個頻率的電源輸出信號，從而使電機的旋轉磁場頻率得到調節，進而調節轉速[2]。電力電子器件和控制技術的不斷進步，使變頻器實現了功能多樣化和性能穩定化[3]。變頻技術控制量從數字量、模擬量、數模混合量控制，到全數字信號控制的歷程，逐漸使其在各個領域得到了頗為廣泛的應用，不僅如此，變頻技術還在各個生產領域擴展著它的應用范圍[4]。

本文主要研究如何基于PLC（可編程控制器）控制構建一個多段調速系統并實現組態仿真。文章首先選定一種方案進行調速系統設計，之后對調速系統總體結構進行了設計并對各個模塊進行了細致分析，并在基于對PLC、變頻器知識研究的基礎上進行各硬件I/O口的分配及PLC程序的編寫；隨后在完成整個系統的軟硬件設計及程序調試之后進行組態仿真，達到直觀的顯示出調速系統的運行狀態的效果。

1 系統總體設計方案

根據設計要求，確定以下設計思路。

利用PLC實現輸入控制，變頻器實現電源信號的轉換和多頻率電源信號的轉換和輸出，調控的對象為三相異步電機，最后用組態軟件實現仿真和監控。方案的整體框架如圖1所示。

圖1 方案框架圖

2 系統硬件電路設計

硬件電路的設計是將每個功能子模塊分開設計，再將這些子模塊組合在一起，形成整個硬件電路的設計。

2.1 設備選型及硬件接線設計

2.1.1 變頻器

單片機三菱FR-A540變頻器是一種搭載矢量控制的高性能變頻器，同時具有電機的自動調整功能，能實現更有效的V/f控制。鑒于FRA540變頻器還有如下保護功能，本文將采用此變頻器實現系統設計，該變頻器有以下特點：①變頻器過電壓/欠電壓保護、短路保護；②對變頻器和電動機的過熱保護；③電機的鎖死保護、缺相保護；④電機熱敏電阻PTC的接口。

2.1.2 電機

變頻調速電機一般均選擇4級電機，基頻工作點設計在50Hz，頻率0～50Hz（轉速0～1480r/min）范圍內電機做恒轉矩運行，頻率50～100Hz（轉速1480～2800r/min）范圍內電機做恒功率運行，整個調速范圍為0～2800r/min，基本滿足一般驅動設備的要求，其工作特性與直流調速電機相同，調速平滑穩定[5]。如果在恒轉矩調速范圍內要提高輸出轉矩，也可以選擇6級或8級電機，但電機的體積相對要大一點。

基于上述要求，電機選用變頻多速三相異步電動機YD (IP44) JDO2 H80～280，本型號電機利用多套定子繞組接法來達到電動機的變速，適合于萬能、組合、專用切削機床及需多級調速的傳動機構。

2.2 硬件接線設計

本系統有自動和手動兩個工作模式，自動模式下電機從正轉0速依次提速直至提高到最高速度三，手動模式下可首先選擇正轉啟動或者反轉啟動（準備啟動狀態），并可以在一速到三速間隨意調整。根據設計要求確定PLC的硬件接線如圖2（a）所示。

圖2（a） PLC接線

由已確定的PLC輸入輸出端口及硬件接線可以進一步確定變頻器控制信號輸入端。PLC端子Y6輸出到繼電器KM6控制電源信號，Y5輸出到繼電器KM5控制變頻器正轉，Y4輸出到繼電器KM4控制變頻器反轉，Y1、Y2、Y3分別輸入到繼電器KM1、KM2、KM3分別控制變頻器模式選擇信號低速、中速和高速。由此變頻器的硬件接線圖如圖2（b）所示。

圖2（b） 變頻器接線圖

3 軟件部分的設計

3.1 軟件I/O分配設計

按照設計要求的功能，PLC輸入有正向啟動、反向啟動、一速、二速、三速、自動、手動，共計7個輸入信號，共占用7個輸入接點。PLC輸出有正向啟動、反向啟動、一速、二速、三速，共5個輸出點。PLC的I/O對應端口如表1所示。

表1 PLC輸入輸出對應端子

3.2 變頻器參數設定

變頻控制方式主要有速度控制、轉距控制、比例積分控制等方式。確定控制方式后，一般要根據控制精度，對變頻器進行不同精度的模式設定，SD-公共端接PLC的COM口[6]。RH-高速輸出（出廠設定一般為50Hz），輸入信號為PLC輸出口Y3。RM-中速輸出（出廠設定一般為30Hz），輸入信號為PLC輸出口Y2。RL-低速輸出（出廠設定一般為20Hz），輸入信號為PLC輸出口Y1。變頻器四速到七速的輸入接點為RM、RH、RL的二進制組合，但本設計只采用三種速度設定[7]。

變頻器多速組合輸出的設定如表2所示。頻率設定可由變頻器的操作面板直接設定：在操作面板上按下PU按鈕，選擇外部控制模式，利用變頻器上的設置電位器，設定Pr.4=50Hz，Pr.5=30Hz，Pr.6=10Hz。通過PLC模式選擇輸出接點選擇各個模式運行，輸入信號RL=1時，變頻器輸出10Hz電源信號驅動電動機；同理，當RM=1，RH=1時分別執行中速和高速模式[8]。頻率設定參數如表3所示。

表3 頻率設置參數

3.3 PLC程序設計

3.3.1 手動控制程序設計

本程序默認為手動控制，即啟動后即為手動控制狀態，啟動狀態圖如圖3所示。

圖3 手動控制啟動狀態圖

按下啟動按鈕，X000得電，置位Y006，PLC輸出到繼電器KM6，變頻器待輸出。正反轉輸出選擇功能圖如圖4所示。

圖4 正反轉輸出選擇功能圖

以上程序段主要實現正反轉輸出選擇功能，在啟動狀態下即Y0得電時，選擇X2/X1使Y5/Y4得電，電機進入正反轉待轉狀態，同時使用Y4/Y5互鎖接點和M1互鎖接點，防止STF/STR同時得電，使輸出和自動手動輸出發生邏輯錯誤。多速度選擇輸出如圖5所示。

圖5 多速度選擇輸出

以上程序段主要實現多速度選擇輸出。當正反轉接點有一個接通時，即可選擇接通三速度開關，使各自輸出接點進入自鎖，同時使用Y1/Y2/Y3和M1互鎖接點，防止三接點同時得電以及正反轉矛盾的情況發生。電動機復位圖如圖6所示。

圖6 電動機復位圖

當按下復位停止按鈕時，使用全部復位指令斷開所有接點，變頻器停止輸出，電動機停止運行。

3.3.2 自動控制程序設計

自動控制非默認啟動狀態，需通過自動控制點動啟動按鈕轉換到自動控制狀態，啟動狀態圖如圖7所示。

圖7 自動控制啟動狀態圖

按下手動控制按鈕，X6接點接通一個掃描周期，自動狀態控制輔助繼電器M1得電，并在下個掃描周期自鎖，自動控制開始，狀態圖如圖8所示。

圖8 自動控制狀態圖

自動控制狀態下，Y1得電，電動機低速啟動，同時定時器T0開始計時，在5s定時完成以后，T0的常閉接點斷開使Y1失電，同時T0常開接點閉合，Y2得電，電機中速運行，在T1完成5s計時以后，T1常開接點閉合，常閉接點斷開，中速檔位轉換為高速檔位，此后直至電機達到最高設定轉速，電機不再有速度轉換，穩定運行，自動控制階段完成。

4 仿真與調試

4.1 組態畫面設計

組態畫面如圖9所示。

圖9 系統仿真畫面

4.2 組態仿真與實現

按照3.2小節中給出的PLC和變頻器接線圖接好外部接線。將已設計的梯形圖輸入PLC，并選擇對應的仿真COM端。所對應仿真圖像如圖10所示。

圖10 仿真圖像

5 結語

本設計主要運用PLC、變頻器及電機學的相關知識實現了很多學科知識點的綜合運用。本文在基于對交流調速系統的基本原理學習上主要做了以下幾個方面的工作。

（1）根據設計要求進行了PLC程序設計。本程序中主要采用了點動運行的方式，在啟動某種運行狀態時，梯形圖中主要采用了自鎖電路使得此狀態可以保持。由于電動機的運行狀態不可能為兩種，PLC程序設計中采用了大量的互鎖電路，以防止輸出兩種矛盾的狀態（實際上本次設計變頻器只設定了三種輸出模式，其余的二進制組合并未設定，變頻器內部邏輯會出錯不輸出或者按照出廠設定的頻率輸出）。

（2）在整體系統的硬件和軟件設計的基礎上進行了組態仿真。

本次設計僅采用了三段速度調節及正反轉設計，相對于較復雜的系統還有很大的差距。對于調速要求較高的應用場合，還可以利用變頻器模式選擇輸入點RL、RM、RH的二進制組合實現最多八段速度調節。本設計的可改進之處還很多，后續會做進一步的研究。