寇志偉， 崔嘯鳴， 徐明娜， 馬德智， 李文軍

(1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 2. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 電力學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

0 引 言

本文提出了一種基于PLC和HMI的變頻調(diào)速測控方案，解決了上述問題，全面提升了變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用性能與技術(shù)水平。

1 系統(tǒng)方案

1.1 控制要求

工程應(yīng)用要求改進(jìn)變頻器的控制策略，具有友好的人機(jī)交互界面，能夠?qū)崿F(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)的智能控制及工作狀態(tài)動態(tài)檢測；具備完善的保護(hù)、報警及處理功能；易于擴(kuò)展，實現(xiàn)工業(yè)組網(wǎng)及上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控，以適應(yīng)電力拖動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，提高實際應(yīng)用能力。

1.2 系統(tǒng)組成

基于上述要求及電氣控制原理構(gòu)建測控系統(tǒng)，選用西門子S7-200PLC(包括CPU224XP、數(shù)字量模塊EM223及模擬量模塊EM235)、富士多功能變頻器5000G11S、步科的Eview系列工業(yè)觸摸屏ET070等組成，鑒于交流拖動系統(tǒng)調(diào)速應(yīng)用的多樣性，調(diào)速電路設(shè)置了1#、2#兩個調(diào)速單元，可根據(jù)需要單獨(dú)運(yùn)行，也可以并聯(lián)運(yùn)行，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變頻調(diào)速測控系統(tǒng)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件電路設(shè)計

根據(jù)設(shè)計方案及電氣控制系統(tǒng)的特點，硬件電路由變頻器調(diào)速電路與PLC控制電路組成。

(1) 變頻器調(diào)速電路。

變頻器調(diào)速電路主要由變頻器的主電路、三相異步電動機(jī)及斷路器、接觸器等構(gòu)成，如圖2所示。PLC輸出的變頻器控制信號及交流接觸器控

圖2 變頻器調(diào)速電路

制信號控制變頻器驅(qū)動三相異步電動機(jī)M1、M2、M3實現(xiàn)調(diào)速。其中變頻器1驅(qū)動電機(jī)M1，變頻器2驅(qū)動電機(jī)M2或M3，控制電源輔助輸入端子R0、T0連接于變頻器開關(guān)外側(cè)的主電源上，以防止變頻器保護(hù)功能動作時變頻器開關(guān)斷開使變頻器的控制電路失電。

(2) PLC控制電路。

PLC控制主要由PLC、變頻器的控制電路及觸摸屏構(gòu)成，完成對變頻器調(diào)速電路的控制及監(jiān)測，如圖3所示。CPU224XP工作電源及輸出接觸器線圈采用AC 220V電源供電，觸摸屏ET070、EM223、EM235與CPU224XP的輸入點采用DC 24 V電源供電。觸摸屏與PLC以RS485串

由表1可以看出，伊利股份的凈資產(chǎn)收益率從2012年的23.41%下降到2013年的19.77%，趨勢同樣變化的還有主營業(yè)務(wù)利潤率和銷售毛利率，在2012年到2013年均處于下降趨勢，伊利股份2013年三季度凈利大幅低于市場預(yù)期，僅增長28.6%，而市場普遍預(yù)期在60%以上，也略低于37.6%的預(yù)期。

行通信方式通信，PLC與變頻器采用控制端子連接的方式。PLC的數(shù)字量輸入點I0.0～I(xiàn)0.2分別輸入熱繼電器動合信號FR1及變頻器多功能輸出信號，I2.0～I(xiàn)2.3輸入變頻器的總報警信號，其他輸入點保留未用；數(shù)字量輸出點Q0.0～Q0.3控制變頻器1的多功能輸入端子X1～X4，Q0.4～Q1.1控制主電路接觸器KM1～KM6，Q2.0 ～Q2.3控制變頻器2的多功能輸入端子X1～X4，Q2.4～Q2.7控制變頻器1、2的FWD、REV端子；模擬量輸入點AIW0、AIW2輸入變頻器1、2的PID反饋信號，AIW4、AIW6輸入變頻器1、2的頻率監(jiān)視信號，輸出點AQW0、AQW2輸出變頻器1、2的頻率控制信號。

2.2 觸摸屏設(shè)計

Eview觸摸屏界面采用Kinco公司的HMIware組態(tài)軟件開發(fā)。根據(jù)控制要求，觸摸屏組態(tài)采用分頁設(shè)計，分為系統(tǒng)主界面、總控界面、頻率監(jiān)測、系統(tǒng)設(shè)定、用戶管理和歷史查詢6個頁面，組態(tài)結(jié)構(gòu)及總控界面如圖4所示。

圖4 觸摸屏總控界面

2.3 PLC程序設(shè)計

(1) 模擬量處理。

調(diào)速電路中變頻器1、2的頻率控制信號由PLC的AQW0、AQW2給定，選擇0～10V的電壓信號。變頻器1、2的頻率監(jiān)視信號(0～10V)由FMA端子輸入到PLC的AIW4、AIW6，經(jīng)過PLC程序的模擬量運(yùn)算后在觸摸屏上顯示變頻器的輸出頻率及當(dāng)前電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。設(shè)置變頻器的參數(shù)F03=50Hz、F30=100%、F31=0，輸入的頻率監(jiān)測模擬量AIWX對應(yīng)的PLC中的整數(shù)值為YX，對應(yīng)的頻率與轉(zhuǎn)速為fX、nX，則系統(tǒng)的頻率及轉(zhuǎn)速的計算式為式(1)～式(3) 。

(1)

(2)

(3)

(2) PLC的程序設(shè)計。

PLC的程序采用STE P7-Micro/WIN SP9編程工具編寫，根據(jù)控制要求與I/O配置，規(guī)劃程序結(jié)構(gòu)，建立符號表編寫程序，控制程序由主程序、1#調(diào)速系統(tǒng)子程序、2#調(diào)速系統(tǒng)子程序、顯示子程序、保護(hù)與報警子程序組成，主程序流程如圖5所示。

圖5 PLC主程序流程

3 調(diào)速應(yīng)用舉例

3.1 電機(jī)切換

變頻調(diào)速系統(tǒng)可以由一臺變頻器控制兩臺電氣參數(shù)不同的電動機(jī)交替工作，需要切換工作電機(jī)及相應(yīng)的功能參數(shù)。以系統(tǒng)2#調(diào)速電路為例，設(shè)置變頻器2參數(shù)E01=12(X1端子)，作為M2、M3的切換信號，當(dāng)X1與CM斷開時，變頻器2運(yùn)行M2的功能參數(shù)；當(dāng)X1與CM閉合時，變頻器2運(yùn)行M3的功能參數(shù)。設(shè)置E24=14(Y5端子)，當(dāng)X1端子切換信號輸入時，Y5端子輸出電動機(jī)切換信號，PLC根據(jù)Y5端子信號切接觸器KM5，接通接觸器KM6，電動機(jī)M2停止，M3起動。

3.2 電源切換

交流拖動系統(tǒng)電動機(jī)的工頻與變頻電源切換是調(diào)速系統(tǒng)的基本功能，經(jīng)常使用的電源切換情形有故障切換與滿載切換兩種。

(1) 故障切換。

在不允許隨意停機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中，變頻器一旦出現(xiàn)跳閘停機(jī)應(yīng)立即將電動機(jī)切換到工頻電源。以系統(tǒng)1#調(diào)速電路為例，設(shè)置變頻器1參數(shù)為F36=0、E01=8(X1端子)、E02=9(X2端子)，當(dāng)變頻器總報警輸出有效(30A與30C閉合)或外部報警有效(THR端子接通)時，PLC輸出將變頻電源KM2切除，延時一定時間后將工頻電源KM3投入。排除故障后，按下按鈕接通復(fù)位端子X1(RST)，觸點復(fù)位，PLC切除工頻電源投入變頻電源，實現(xiàn)故障保護(hù)及電源切換。

(2) 滿載切換。

節(jié)能控制是變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點之一，如果變頻器達(dá)到滿載輸出，就失去了節(jié)能作用，此時應(yīng)將電動機(jī)切換到工頻電源。以1#調(diào)速電路為例，設(shè)置變頻器1參數(shù)為E24=2(Y5端子)、E31=50Hz、E32=0Hz。當(dāng)變頻器輸出頻率達(dá)到50Hz時，Y5端子輸出ON信號，PLC切除變頻電源KM2，投入工頻電源KM3。當(dāng)變頻器輸出頻率小于50Hz時，Y5端子停止輸出ON信號，PLC切除工頻電源KM3，再次投入變頻電源KM2，實現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的滿載切換。

3.3 并聯(lián)運(yùn)行

在流水線、傳送帶等控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需要兩臺或多臺變頻器并聯(lián)或比例運(yùn)行。設(shè)置1#調(diào)速電路變頻器1的參數(shù)F03=50Hz、F17=80%，2#調(diào)速電路變頻器2參數(shù)F03=50Hz、F17=40%，則1#調(diào)速電路輸出頻率為40Hz，2#調(diào)速電路輸出頻率為20Hz，實現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的比例運(yùn)行。

3.4 自動升降速度運(yùn)行

自動升降速端子為數(shù)字控制方式的頻率給定端子，其頻率控制比模擬量端子控制的穩(wěn)定性好，不受干擾信號的影響，在以PLC為核心的調(diào)速系統(tǒng)中，應(yīng)用較多。以系統(tǒng)2#調(diào)速電路為例，設(shè)置變頻器2的參數(shù)F01=8、E03=17(X3端子)、E04=18(X4端子)，變頻器的頻率由端子X3、X4控制，PLC輸出X3信號時變頻器的輸出頻率按設(shè)定的加速時間上升，斷開時，輸出頻率保持；PLC輸出X4信號時變頻器的輸出頻率按設(shè)定的減速時間下降，斷開時，輸出頻率保持，實現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字方式控制頻率。

3.5 PID控制

PID控制是閉環(huán)控制系統(tǒng)的比例(P)、積分(I)、微分(D)控制算法，其根據(jù)設(shè)定值與被控對象的實際值的偏差，按照PID算法計算控制器的輸出量，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)去影響被控對象的變化。使用PID控制可以使調(diào)速系統(tǒng)獲得良好的閉環(huán)控制性能?；赑LC的變頻調(diào)速系統(tǒng)有兩種PID控制方法： (1) 使用變頻器內(nèi)部的PID控制功能，通過控制對象傳感器將檢測控制量反饋給變頻器，在變頻器內(nèi)部進(jìn)行PID調(diào)節(jié)以改變輸出頻率。(2) 利用PLC的PID控制功能將給定量與控制對象傳感器的檢測量比較后輸出給變頻器的頻率控制端進(jìn)行實現(xiàn)。

4 結(jié) 語

基于PLC與觸摸屏的變頻調(diào)速測控系統(tǒng)具有調(diào)速性能好、保護(hù)功能完善、節(jié)省能源與投資、智能化程度高和易于實現(xiàn)復(fù)雜控制等優(yōu)點。如果多臺電動機(jī)需要并聯(lián)調(diào)速測控，可使用RS485串行通信方式與上位機(jī)組態(tài)軟件實現(xiàn)；若改變控制策略及相應(yīng)程序可以直接應(yīng)用于工程調(diào)速系統(tǒng)；稍作改造也可以用于組態(tài)技術(shù)、PLC與觸摸屏自動控制的試驗裝置，因此系統(tǒng)擴(kuò)展性好，具有應(yīng)用與推廣價值。

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