陳曉川

【摘? 要】自PLC自動(dòng)控制技術(shù)得到運(yùn)用以來(lái)，不僅解放了勞動(dòng)力，而且提高了生產(chǎn)效率。PLC與變頻器的結(jié)合，能夠有效改善變頻器在處理數(shù)據(jù)中存在不足的問(wèn)題，變頻器的參數(shù)通過(guò)Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線反饋到PLC，利用PLC進(jìn)行設(shè)定參數(shù)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸送功率平衡。

【Abstract】Since the PLC automatic control technology has been used， not only the labor force has been liberated， but also the production efficiency has been improved. The combination of PLC and frequency converter can effectively improve the problem of the lack of frequency converter in processing data. The parameters of frequency converter are fed back to PLC through Modbus field bus， and PLC is used to optimize the setting parameters， so as to realize the transmission power balance by multi-motor driving.

【關(guān)鍵詞】PLC;變頻器;功率平衡;現(xiàn)場(chǎng)總線

【Keywords】PLC; frequency converter; power balance; field bus

【中圖分類號(hào)】TD528? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2020）05-0176-02

1 引言

隨著自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，氣力輸送系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在鋼廠、電力行業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但由于動(dòng)力消耗相對(duì)大，對(duì)運(yùn)量大并且需要長(zhǎng)距離輸送的物料有一定的限制，逐步被帶式輸送機(jī)所代替，研究開(kāi)發(fā)具有可變頻啟動(dòng)、可變頻調(diào)速、具有集中統(tǒng)一控制功能的帶式輸送機(jī)刻不容緩。在采用變頻器控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)的同時(shí)，保持功率平衡是系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。對(duì)于不同的負(fù)載，每臺(tái)變頻器將分別根據(jù)其自行估算的轉(zhuǎn)速補(bǔ)償其滑差，以實(shí)現(xiàn)無(wú)偏差地達(dá)到給定轉(zhuǎn)速。但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于每臺(tái)電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的不同造成的誤差會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)某臺(tái)電動(dòng)機(jī)出力大，某臺(tái)電動(dòng)機(jī)出力小的情況，在比較極端的情況下，會(huì)出現(xiàn)部分電機(jī)處于電動(dòng)運(yùn)行模式，另一部分電機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行模式，使系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行，甚至短時(shí)間內(nèi)就會(huì)對(duì)設(shè)備造成損害。

因此，類似這樣的常規(guī)傳動(dòng)模式并不能滿足系統(tǒng)的實(shí)際工作要求，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)還要求各傳動(dòng)點(diǎn)電動(dòng)機(jī)功率盡可能保持平衡。

2 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備配置

2.1 變頻器的選擇

多機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中，低速驗(yàn)帶和大力矩重載啟動(dòng)必須通過(guò)有速度傳感器的速度閉環(huán)來(lái)控制，否則就會(huì)出現(xiàn)低速脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使皮帶出現(xiàn)振顫現(xiàn)象，無(wú)法進(jìn)行低速驗(yàn)帶工作，也會(huì)降低啟動(dòng)力矩。施耐德公司的“無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)”不僅解決低速驗(yàn)帶和重載啟動(dòng)問(wèn)題，又可使系統(tǒng)更簡(jiǎn)化，減少故障點(diǎn)，提高可靠性，使整個(gè)系統(tǒng)故障停運(yùn)時(shí)間大大減少。所以選擇變頻器時(shí)，可選擇具有“無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)”的施耐德ATV320變頻器。

2.2 電機(jī)的選擇

每一組電機(jī)內(nèi)部力矩平衡是多電機(jī)驅(qū)動(dòng)要解決的最主要問(wèn)題，負(fù)載變化、電機(jī)參數(shù)及皮帶松緊等因素，都會(huì)對(duì)電機(jī)的速度和出力產(chǎn)生擾動(dòng)性影響。為了使系統(tǒng)穩(wěn)定工作，幾臺(tái)電機(jī)必須保持一致的速度，同時(shí)，盡可能保持均勻的出力，異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，并且在調(diào)速性能方面完全可與直流電動(dòng)機(jī)相媲美。因此，可采用性價(jià)比更高的異步電機(jī)。

3 系統(tǒng)控制原理

本系統(tǒng)利用PLC實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變頻器輸入頻率達(dá)到功率平衡，主要系統(tǒng)設(shè)備包括：6臺(tái)異步電機(jī)、6臺(tái)施耐德ATV320變頻器、西門子博途1500系列控制器以及相應(yīng)的繼電器等保護(hù)系統(tǒng)的輔助裝置。每臺(tái)變頻器控制一臺(tái)異步電機(jī)，由于ATV320變頻器采用數(shù)字化技術(shù)，內(nèi)部有微處理器進(jìn)行邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理，精度高、可靠性好，同時(shí)，還具有RS485串行通訊口，Modbus-RTU通訊穩(wěn)定可靠，接線簡(jiǎn)單，在傳輸過(guò)程中不會(huì)造成損耗，而且響應(yīng)速度率也會(huì)很高。因此，采用Modbus-RTU實(shí)現(xiàn)西門子1500PLC與6臺(tái)變頻器之間的通訊，可以實(shí)現(xiàn)PLC和變頻器之間的實(shí)時(shí)通訊和控制。變頻器的運(yùn)行參數(shù)通過(guò)Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線反饋到控制系統(tǒng)中，PLC根據(jù)采集的參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，從而通過(guò)變頻器控制電機(jī)頻率達(dá)到功率平衡的目的。

4 PLC程序設(shè)計(jì)

4.1 PLC硬件選型及網(wǎng)絡(luò)配置

采用西門子IPC827C工控機(jī)及24寸三星液晶顯示器，上位機(jī)監(jiān)視畫(huà)面使用WinCC7.3軟件，PLC選用西門子1500系列，CPU型號(hào)為1511C-1PN及相應(yīng)的編程軟件TIA Portal 15.1。上位機(jī)和PLC之間通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，PLC和6臺(tái)變頻器通過(guò)Modbus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

4.2 PLC與變頻器的通訊配置

在OB100中，調(diào)用系統(tǒng)Modbus指令庫(kù)MB_COMM_LOAD，對(duì)硬件標(biāo)識(shí)符、波特率、奇偶校驗(yàn)位等基本參數(shù)進(jìn)行初始化;在OB1里，調(diào)用系統(tǒng)Modbus指令庫(kù)MB_MSSTER用作數(shù)據(jù)的讀寫控制。由于PLC是與6臺(tái)變頻器進(jìn)行通訊，且需要的變頻器的通訊數(shù)據(jù)是不連續(xù)的，為了避免出現(xiàn)同時(shí)搶占總線進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)導(dǎo)致通訊錯(cuò)誤，因此，控制讀寫通訊還需要采用輪詢的方式。

4.3 基于PLC的多驅(qū)平衡控制邏輯說(shuō)明

假定需要調(diào)整的第1臺(tái)變頻器為主機(jī)，其余的5臺(tái)變頻器為從機(jī)。同時(shí)，給定主機(jī)和從機(jī)相同的運(yùn)行頻率，根據(jù)主機(jī)和從機(jī)的反饋電流，計(jì)算偏差電流與平均電流的比值，適當(dāng)調(diào)整主機(jī)的輸出頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)功率平衡。調(diào)節(jié)控制邏輯的具體方式如下：

①設(shè)定參數(shù)：限幅系數(shù)A、疊加系數(shù)B（1）、偏差系數(shù)C（0.05）、調(diào)節(jié)間隔時(shí)間T（ms）;

②采集數(shù)據(jù)：主機(jī)電流I1，從機(jī)2電流I2，從機(jī)3電流I3，從機(jī)4電流I4，從機(jī)5電流I5，從機(jī)6電流I6，計(jì)算主機(jī)與從機(jī)2、從機(jī)3、從機(jī)4、從機(jī)5、從機(jī)6的平均電流I0=（I1+I2+I3+I4+I5+I6）÷6;

③平均電流I0×偏差系數(shù)C作為調(diào)節(jié)條件E;

④限幅范圍D為主機(jī)輸出頻率與限幅系數(shù)A的乘積;

⑤當(dāng)主機(jī)電流與平均電流的差值ISUB=I1-I0的絕對(duì)值大于調(diào)節(jié)條件E，計(jì)算單次調(diào)節(jié)量N1，N1=（ISUB÷I0）×B;

⑥每間隔時(shí)間T執(zhí)行一次判斷，累計(jì)調(diào)節(jié)量N=N1+N2+......+Nx，當(dāng)N>D，則N=D，當(dāng)N<-D，則N=-D;

⑦主機(jī)輸出頻率F=F0+N。

同理，再假定第二、第三、第四、第五、第六變頻器為主機(jī)，適當(dāng)調(diào)整輸出頻率。

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用多驅(qū)平衡控制前后電流曲線如圖2所示，在沒(méi)有采用多驅(qū)平衡控制時(shí)，電機(jī)反饋電流波動(dòng)明顯（5.0～8.0A），且容易造成電機(jī)過(guò)載導(dǎo)致電機(jī)自我保護(hù)而停止運(yùn)行。采用多驅(qū)平衡控制后，大部分電流反饋值趨于平穩(wěn)（6.0～7.0A），功率平衡控制效果顯著。

5 結(jié)語(yǔ)

采用基于PLC的多驅(qū)平衡控制具有實(shí)時(shí)控制且穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)實(shí)時(shí)采集各電機(jī)電流，設(shè)置各調(diào)節(jié)參數(shù)，PLC進(jìn)行運(yùn)算后實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出頻率，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率平衡控制，使各電機(jī)在額定功率下運(yùn)行，保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定工作。

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