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(cè)控方案，解決了上述問(wèn)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(dòng)態(tài)檢測(cè)；具備完善的保護(hù)、報(bào)警及處理功能；易于擴(kuò)展，實(shí)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(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，提高實(shí)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(cè)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(dòng)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(gè)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(cè)控系統(tǒng)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案及電氣控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，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(dòng)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(hào)及交流接觸器控

圖2 變頻器調(diào)速電路

制信號(hào)控制變頻器驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)M1、M2、M3實(shí)現(xiàn)調(diào)速。其中變頻器1驅(qū)動(dòng)電機(jī)M1，變頻器2驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)外側(cè)的主電源上，以防止變頻器保護(hù)功能動(dòng)作時(shí)變頻器開(kāi)關(guān)斷開(kāi)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(duì)變頻器調(diào)速電路的控制及監(jiān)測(cè)，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(diǎn)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(shì)同樣變化的還有主營(yíng)業(yè)務(wù)利潤(rùn)率和銷售毛利率，在2012年到2013年均處于下降趨勢(shì)，伊利股份2013年三季度凈利大幅低于市場(chǎng)預(yù)期，僅增長(zhǎng)28.6%，而市場(chǎng)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(diǎn)I0.0～I(xiàn)0.2分別輸入熱繼電器動(dòng)合信號(hào)FR1及變頻器多功能輸出信號(hào)，I2.0～I(xiàn)2.3輸入變頻器的總報(bào)警信號(hào)，其他輸入點(diǎn)保留未用；數(shù)字量輸出點(diǎn)Q0.0～Q0.3控制變頻器1的多功能輸入端子X(jué)1～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X(jué)1～X4，Q2.4～Q2.7控制變頻器1、2的FWD、REV端子；模擬量輸入點(diǎn)AIW0、AIW2輸入變頻器1、2的PID反饋信號(hào)，AIW4、AIW6輸入變頻器1、2的頻率監(jiān)視信號(hào)，輸出點(diǎn)AQW0、AQW2輸出變頻器1、2的頻率控制信號(hào)。

2.2 觸摸屏設(shè)計(jì)

Eview觸摸屏界面采用Kinco公司的HMIware組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)。根據(jù)控制要求，觸摸屏組態(tài)采用分頁(yè)設(shè)計(jì)，分為系統(tǒng)主界面、總控界面、頻率監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)設(shè)定、用戶管理和歷史查詢6個(gè)頁(yè)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(jì)

(1) 模擬量處理。

調(diào)速電路中變頻器1、2的頻率控制信號(hào)由PLC的AQW0、AQW2給定，選擇0～10V的電壓信號(hào)。變頻器1、2的頻率監(jiān)視信號(hào)(0～10V)由FMA端子輸入到PLC的AIW4、AIW6，經(jīng)過(guò)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(dòng)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(cè)模擬量AIWX對(duì)應(yīng)的PLC中的整數(shù)值為YX，對(duì)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(jì)算式為式(1)～式(3) 。

(1)

(2)

(3)

(2) PLC的程序設(shè)計(jì)。

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(hào)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(bào)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(tái)變頻器控制兩臺(tái)電氣參數(shù)不同的電動(dòng)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(hào)，當(dāng)X1與CM斷開(kāi)時(shí)，變頻器2運(yùn)行M2的功能參數(shù)；當(dāng)X1與CM閉合時(shí)，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(hào)輸入時(shí)，Y5端子輸出電動(dòng)機(jī)切換信號(hào)，PLC根據(jù)Y5端子信號(hào)切接觸器KM5，接通接觸器KM6，電動(dòng)機(jī)M2停止，M3起動(dòng)。

3.2 電源切換

交流拖動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)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(dòng)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(bào)警輸出有效(30A與30C閉合)或外部報(bào)警有效(THR端子接通)時(shí)，PLC輸出將變頻電源KM2切除，延時(shí)一定時(shí)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X(jué)1(RST)，觸點(diǎn)復(fù)位，PLC切除工頻電源投入變頻電源，實(shí)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(diǎn)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(shí)應(yīng)將電動(dòng)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(shí)，Y5端子輸出ON信號(hào)，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(shí)，Y5端子停止輸出ON信號(hào)，PLC切除工頻電源KM3，再次投入變頻電源KM2，實(shí)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(tái)或多臺(tái)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(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的比例運(yùn)行。

3.4 自動(dòng)升降速度運(yùn)行

自動(dòng)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(hào)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X(jué)3、X4控制，PLC輸出X3信號(hào)時(shí)變頻器的輸出頻率按設(shè)定的加速時(shí)間上升，斷開(kāi)時(shí)，輸出頻率保持；PLC輸出X4信號(hào)時(shí)變頻器的輸出頻率按設(shè)定的減速時(shí)間下降，斷開(kāi)時(shí)，輸出頻率保持，實(shí)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(duì)象的實(shí)際值的偏差，按照PID算法計(jì)算控制器的輸出量，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)去影響被控對(duì)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。基于PLC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(guò)控制對(duì)象傳感器將檢測(cè)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(duì)象傳感器的檢測(cè)量比較后輸出給變頻器的頻率控制端進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于PLC與觸摸屏的變頻調(diào)速測(cè)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制等優(yōu)點(diǎn)。如果多臺(tái)電動(dòng)機(jī)需要并聯(lián)調(diào)速測(cè)控，可使用RS485串行通信方式與上位機(jī)組態(tài)軟件實(shí)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(dòng)控制的試驗(yàn)裝置，因此系統(tǒng)擴(kuò)展性好，具有應(yīng)用與推廣價(jià)值。

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