黃存我 劉超強(qiáng)

摘要：隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流傳動(dòng)與控制技術(shù)成為目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一。交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢(shì)。本文主要探討PLC控制與變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：PLC；變頻調(diào)速；控制系統(tǒng)

電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)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(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動(dòng)性能，高效率、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(diǎn)而被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式[1]。本文對(duì)如何利用變頻器連接PLC和控制對(duì)象，利用軟件操作來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到遠(yuǎn)程自動(dòng)控制進(jìn)行了討論。

1 變頻調(diào)速的概念

變頻調(diào)速一般具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)操作（如籠型電動(dòng)機(jī)也不用維護(hù)），可以保持調(diào)速的持續(xù)性，可以在電子回路中對(duì)相序進(jìn)行改變、可以對(duì)轉(zhuǎn)速的方向改變。其優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)電流較小，可調(diào)節(jié)加減速度，電動(dòng)機(jī)可以高速化和小型化，防爆容易，保護(hù)功能齊全（比如過電壓和欠電壓保護(hù)、過載保護(hù)、短路保護(hù)）等。變頻調(diào)速的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，它應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、泵、攪拌機(jī)、擠壓機(jī)、精紡機(jī)和壓縮機(jī)，原因是節(jié)能效果顯著；它應(yīng)用于機(jī)床如車床、機(jī)械加工中心、鉆床、銑床、磨床，主要目的是提高生產(chǎn)率和質(zhì)量；它也廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如各種傳送帶的多臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步、調(diào)速和起重機(jī)械等。

2 對(duì) PLC 變頻控制技術(shù)的概述

PLC（Programmable Logic Controller），本身是指可編程邏輯控制器。是工業(yè)控制的核心部分。PLC 中主要包含 CPU、編程設(shè)備、輸入模塊和輸出模塊。CPU 的主要作用是通過采集到的信號(hào)來對(duì)用戶指令的處理，是 PLC 的中央處理器。編程器是對(duì)控制設(shè)備程序進(jìn)行編輯的設(shè)備，而且用戶能夠通過編程器來對(duì)程序進(jìn)行檢查、監(jiān)視和修改。有些設(shè)備中輸入、輸出模塊（I/O 模塊）的數(shù)量不定，主要通過 CPU 的容量來決定。輸入模塊和輸出模塊的主要功能：用戶通過輸入模塊向PLC 輸入數(shù)字或者模擬信號(hào)，然后 CPU 將此信號(hào)處理后通過輸出模塊來輸出控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制[2]。

運(yùn)用 PLC 來進(jìn)行工業(yè)控制，方便用戶對(duì)工業(yè)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的控制。PLC 控制的變頻器就是 PLC 變頻技術(shù)的機(jī)器化形式，PLC 控制的變頻器已被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)設(shè)備行業(yè)中。它用軟件代替了先前的繼電器，軟啟動(dòng)器、使觸點(diǎn)間的接觸減少，這樣的方式能夠提高控制系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。在 PLC 變頻器中可以利用PLC 的模擬量輸出模塊來控制變頻器，PLC 也可以通過 485 通信接口控制變頻器，還可以利用 PLC 的開關(guān)量輸入/輸出模塊來控制變頻器。用PLC控制變頻器有兩種方法：一是模擬量控制，該方法很直觀而且簡單，利用變頻器的I/O端子，將變頻器的跟隨速度設(shè)置為某個(gè)模擬量輸入即可實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制，但是每個(gè)變頻器占用一個(gè)模擬量通道；二是通信，該方法不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)變頻器的控制，還能夠獲取變頻器的運(yùn)行狀態(tài)，只要簡單地把變頻器當(dāng)成一個(gè)設(shè)備，用PLC來通信，讀寫這些變頻器內(nèi)部寄存器，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制。變頻器中也存在一些數(shù)值型（如頻率、電壓等）指令信號(hào)的輸入，可分為數(shù)字輸入和模擬輸入兩種。數(shù)字輸入多采用變頻器面板上的鍵盤操作和串行接口來給定：模擬輸入則通過接線端子由外部給定，通常通過0～10V/5V的電壓信號(hào)或0/4～20mA的電流信號(hào)輸入。由于接口電路因輸入信號(hào)而異，因此必須根據(jù)變頻器的輸入阻抗選擇PLC的輸出模塊。當(dāng)變頻器和PLC的電壓信號(hào)范圍不同時(shí)，如變頻器的輸入信號(hào)為0～10V而PLC的輸出電壓范圍為0～5V時(shí)，或PLC一側(cè)的輸出信號(hào)電壓范圍為0～10V而變頻器的輸入電壓信號(hào)范圍為0～5V時(shí)，由于變頻器和PLC的輸入、輸出端晶體管的允許電壓、電流等因素的限制，需用串聯(lián)的方式接入限流電阻及分壓方式，以保證開閉時(shí)不超過PLC和變頻器的輸入、輸出端允許容量。通常變頻器也通過接線端子向外部輸出相應(yīng)的監(jiān)測(cè)模擬信號(hào)，電信號(hào)的范圍通常為0～l0V/5V（電壓）及0/4～20mA（電流）。在應(yīng)用中應(yīng)依據(jù)PLC一側(cè)的輸入阻抗的大小，保證電路中電壓和電流不超過電路的允許值，以提高系統(tǒng)的可靠性和減小誤差。

3 PLC變頻調(diào)速系統(tǒng)在起重機(jī)中的具體應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：上位機(jī)（觸摸屏系統(tǒng)）、下位機(jī)（PLC、變頻調(diào)速系統(tǒng)、負(fù)荷重量測(cè)量儀）等。

（1）功能要求。由于起重機(jī)上的吊鉤、大車以及小車這三個(gè)部分的電機(jī)都需要獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)，故此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了3個(gè)獨(dú)立的變頻調(diào)速器，并由PLC對(duì)它們進(jìn)行控制。起重機(jī)所要完成的正常操作主要包括以下環(huán)節(jié)：吊鉤升降、大車以及小車的運(yùn)行等；保護(hù)功能主要包括：吊鉤升降限位、大車及小車運(yùn)行限位等。系統(tǒng)按照起重負(fù)荷的大小來改變電機(jī)的運(yùn)行速度，以此來實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速[3]。

（2）觸摸屏。本系統(tǒng)采用的是由西門子公司出產(chǎn)的工業(yè)觸摸屏，并與PLC相連接，通過觸摸屏強(qiáng)大的軟件功能進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。具體功能包括：系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、密碼設(shè)置、系統(tǒng)測(cè)試以及故障點(diǎn)檢查等等。該觸摸屏系統(tǒng)采用良好的人機(jī)交互界面，操作簡單方便，同時(shí)人機(jī)界面還具有控制變頻器變速以及故障顯示等功能，通過上位機(jī)和下位機(jī)之間的通訊，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（3）PLC系統(tǒng)。它是調(diào)速系統(tǒng)的主要控制元件，由穩(wěn)壓電源、繼電電源、主處理以及擴(kuò)展單元等部件組成。在主處理單元上配有通訊接口，可以與上位機(jī)進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊。PLC系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能具體包括如下幾個(gè)方面：其一，接收并處理由負(fù)荷重量測(cè)量儀傳輸過來的信號(hào)，并按照實(shí)測(cè)的重量大小來對(duì)起重機(jī)吊鉤、大車以及小車的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行控制；其二，接收并處理來自于電機(jī)旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的信號(hào)，以此來防止吊鉤下滑；其三，接收并處理由限位控制器傳輸過來的信號(hào)，并及時(shí)準(zhǔn)確地作出響應(yīng)。

（4）變頻調(diào)速系統(tǒng)。通常情況下，當(dāng) PLC中輸出的控制信號(hào)作用到變頻器上時(shí)，變頻器便會(huì)產(chǎn)生出頻率連續(xù)變化的交流電，并以此來對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而使電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到連續(xù)變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無機(jī)調(diào)速。本系統(tǒng)采用的變頻器是由三菱公司出品的，系統(tǒng)共配有3臺(tái)變頻器，分別用于驅(qū)動(dòng)吊鉤、大車以及小車的電機(jī)。由于起重機(jī)的大車運(yùn)行距離相對(duì)較長，所以可將調(diào)速范圍設(shè)定為6∶1；而小車的運(yùn)行距離則相對(duì)較短，故此可將調(diào)速范圍設(shè)定為4∶1。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

（1）上位機(jī)軟件。本系統(tǒng)的上位機(jī)使用的是由西門子公司出產(chǎn)的工業(yè)用觸摸屏，其主要功能是參數(shù)設(shè)定、用戶登錄、工作量及工作時(shí)間記錄、生成報(bào)表、實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)之間的通訊等等。軟件設(shè)計(jì)主要包括以下模塊：用戶登錄密碼驗(yàn)證、參數(shù)設(shè)定、通訊、以及報(bào)表統(tǒng)計(jì)等模塊。

（2）下位機(jī)軟件。按照起重機(jī)負(fù)荷重量的大小，并利用變頻器對(duì)吊鉤、大車及小車的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制，借此來實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速。通過對(duì)信號(hào)的及時(shí)響應(yīng)，可確保系統(tǒng)的安全性。

結(jié)論

PLC 控制的變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今大型工業(yè)設(shè)備控制技術(shù)的主流。近年來，我國在變頻器的研發(fā)上，也利用先進(jìn)的控制理論，使變頻器具備了如卷取、提升、主從等控制功能，也使得變頻器在工業(yè)上的應(yīng)用越來越廣泛。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹敏，王玥. 基于PLC控制交流變頻調(diào)速系統(tǒng)恒壓供水控制系統(tǒng)[J]. 江蘇科技信息，2013，02：49-50.

[2]孟強(qiáng). 談PLC模擬量控制在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2013，03：42.

[3]唐培麗，趙強(qiáng). 淺談PLC控制技術(shù)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)[J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2013，12：123.