楊古榮

摘 要：本設(shè)計(jì)主要以可編程控制器（PLC）為運(yùn)算終端即控制機(jī)構(gòu)，以直流測(cè)速電機(jī)和觸摸屏為信號(hào)輸入和命令輸入機(jī)構(gòu)，以變頻器為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而控制三相異步電機(jī)為達(dá)到轉(zhuǎn)速恒定的目的

關(guān)鍵詞：PLC；交流異步電機(jī)；轉(zhuǎn)速閉環(huán)

可編程控制器（PLC）是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是繼續(xù)計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動(dòng)裝置。它具有抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格便宜，可靠性強(qiáng)，編程簡(jiǎn)樸，易學(xué)易用等特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域中深受工程操作人員的喜歡，因此PLC已在工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域中被廣泛地使用。

交流異步電動(dòng)機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的電力拖動(dòng)裝置。它主要由定子、轉(zhuǎn)子和它們之間的氣隙構(gòu)成。對(duì)定子繞組通往三相交流電源后，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并切割轉(zhuǎn)子，獲得轉(zhuǎn)矩。三相交流異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、價(jià)格便宜、過(guò)載能力強(qiáng)及使用、安裝、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

變頻調(diào)速已被公認(rèn)為是最理想、最有發(fā)展前景的調(diào)速方式之一，采用變頻器構(gòu)成變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的主要目的，一是為了滿足提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高設(shè)備自動(dòng)化程度、提高生活質(zhì)量及改善生活環(huán)境等要求；二是為了節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本。用戶根據(jù)自己的實(shí)際工藝要求和運(yùn)用場(chǎng)合選擇不同類(lèi)型的變頻器。

圖1 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

工作原理：一個(gè)單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。給定與反饋回來(lái)的偏差輸入控制器，經(jīng)過(guò)控制器PID運(yùn)算在輸出給執(zhí)行器，執(zhí)行器輸出給被控對(duì)象，被控對(duì)象輸出一個(gè)值，這個(gè)值會(huì)反復(fù)變化接近給定。

PID控制器：控制器為PLC，PID為PLC中的一個(gè)模塊。在模塊中只要將給定和反饋量設(shè)定好，其輸出結(jié)果就是PID運(yùn)算后的結(jié)果。當(dāng)然采樣時(shí)間，KP，TI，TD，需要自己設(shè)定。具體的設(shè)定值要根據(jù)機(jī)器的不同來(lái)確定。

變頻調(diào)速原理：被控對(duì)象是一個(gè)交流異步鼠籠電機(jī)，根據(jù)交流異步電機(jī)的特性，其轉(zhuǎn)速與供電三相電源的頻率有關(guān)，有公式理想轉(zhuǎn)速。因此可以通過(guò)變頻器改變供電電源的頻率對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。

設(shè)計(jì)中主要接線就是PLC與變頻器，變頻器與負(fù)載電機(jī)，以及測(cè)速電機(jī)和PLC之間的接線，其中為了能實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，選取PLC的Q0.0和Q0.1作為正反轉(zhuǎn)的信號(hào)輸出端，電機(jī)的轉(zhuǎn)速用PLC的模擬量輸出端口給變頻器傳送數(shù)值，PLC主要用模擬量輸入模塊采集測(cè)速電機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)。

圖2 閉環(huán)系統(tǒng)硬件接線圖

為更直觀的反饋和現(xiàn)實(shí)電機(jī)調(diào)速的整個(gè)過(guò)程，此設(shè)計(jì)還增加了一個(gè)用于人際互動(dòng)的交互式觸摸屏結(jié)合組態(tài)軟件從而更好的控制電機(jī)和反饋相關(guān)參數(shù)。

最左邊是認(rèn)為輸入數(shù)據(jù)，設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)設(shè)定速度與實(shí)際轉(zhuǎn)速均采用柱狀圖形式顯示，這樣更直觀明了，同時(shí)可以做一個(gè)對(duì)比，上面四個(gè)按鈕用于控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，停止和退出控制，其中由于電機(jī)速度永遠(yuǎn)大于零，所以為了區(qū)分電機(jī)正反轉(zhuǎn)，在電機(jī)反轉(zhuǎn)是采用反轉(zhuǎn)按鈕閃爍來(lái)標(biāo)明電機(jī)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，按鈕下方是電機(jī)轉(zhuǎn)速趨勢(shì)圖，這樣工作中可直觀看出電機(jī)轉(zhuǎn)速變化情況，最下方是用于監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間。

外圍接線，屏幕設(shè)計(jì)工作后最重要的是編寫(xiě)PLC主控制程序部分程序

網(wǎng)絡(luò)1和網(wǎng)絡(luò)2用于控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)和停止（Q0.0正轉(zhuǎn)，Q0.1反轉(zhuǎn)），網(wǎng)絡(luò)3用于電機(jī)轉(zhuǎn)速標(biāo)幺化，網(wǎng)絡(luò)4用于反饋轉(zhuǎn)速值，網(wǎng)絡(luò)5為PID程序的調(diào)用，網(wǎng)絡(luò)6和網(wǎng)絡(luò)7用于實(shí)際轉(zhuǎn)速在人機(jī)界面上顯示，網(wǎng)絡(luò)8和網(wǎng)絡(luò)9用于計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間并在人機(jī)界面上顯示，PLC程序設(shè)計(jì)完成后還有一個(gè)重要任務(wù)是PID參數(shù)，設(shè)置確定比列系數(shù)Kp時(shí)：首先去掉PID的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，輸入設(shè)定系數(shù)允許輸出最大的60%-70%，比列系數(shù)由Kp由0開(kāi)始逐漸增大，直至系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩，再反過(guò)來(lái)，直至系統(tǒng)震蕩消失。記錄此時(shí)的比例系數(shù)Kp，設(shè)定的比例系數(shù)為當(dāng)前值的60%-70%。設(shè)定一個(gè)較大的積分時(shí)間常數(shù)，然后逐漸減小Ti直至出現(xiàn)震蕩，然后在反過(guò)來(lái)逐漸增大積分時(shí)間常數(shù)，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時(shí)的Ti。微分時(shí)間常數(shù)設(shè)為0。

設(shè)計(jì)說(shuō)明：由于最后一個(gè)要求顯示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，只是在測(cè)試時(shí)使用，所以就只用了一個(gè)計(jì)數(shù)器（C9）和特殊功能寄存器（SM0.5）結(jié)合，所以最大計(jì)時(shí)時(shí)間只是32767S，如果在工業(yè)中應(yīng)用，應(yīng)使用多個(gè)計(jì)數(shù)器擴(kuò)展構(gòu)成長(zhǎng)定時(shí)電路。由于控制要求簡(jiǎn)單，只是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)，而沒(méi)有電流閉環(huán)和一些其他要求。所以直接調(diào)用了PLC內(nèi)部的PID模塊，建立一個(gè)PID向?qū)?，這個(gè)模塊的主要工作是根據(jù)測(cè)得的反饋電壓，調(diào)節(jié)比列系數(shù)Kp，積分時(shí)間Ti，微分時(shí)間Td參數(shù)，還有一種方法建立子程序，參照PID回路表中各個(gè)參數(shù)的地址偏移量設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，在主程序中調(diào)用。