PLC在变频闭环调速系统中的应用

0 引言

　　PLC作为一种新型工业控制装置，以其运行可靠性高、组合灵活、功能强大和维护方便等优点，在工业自动化生产领域中的应用日益广泛。变频器也是近几十年来发展起来的一种交流电动机新型变频调速装置，利用变频器对交流调速系统进行调速控制，具有调速精度高、响应速度快、保护功能完善、过载能力强、易于实现复杂控制等优点。在各种异步电动机调速系统中，效率最高、性能最好的系统是变压变频调速系统，变压变频调速系统中，调速时必须调节定子电压和频率，在这种情况下，机械特性基本上平行移动，而转差率不变，它是当前交流调速的主要发展方向。随着PLC技术和变频器技术的飞速发展，国民经济生产中对变频调速技术的精度要求也越来越高。变频开环调速系统不能满足高精度的要求，本系统旨在采用PLC与变频器组合构成的变频闭环调速系统以达到理想的调速效果。

1 闭环调速系统的组成和工作原理

　　基于PLC模拟量方式的变频闭环调速系统主要包括以下组成部分：PLC和其模拟量输入输出模块、变频器、电动机和旋转编码器。其工作原理如图1所示。

　　该闭环调速系统中，与电动机同轴相连的光电旋转编码器，将电机的转速转换成电压(0V～5V)，反馈到PLC的模拟量模块的一路输入端，与给定量(模拟量模块的另一路模拟量输入信号，电压0V～10V)一起在PLC内部通过PID运算处理后，再通过PLC模拟量模块的输出端子输出一路DCOV～IOV的电压信号来控制变频器的输出，从而实现闭环调速控制，以达到运行速度平稳、精确地目的。

2 系统硬件选择及设置

　　在该PLC模拟量方式的变频闭环调速系统中，主要选择的硬件设备有：西门子S7—200 CPU224XP型PLC、西门子MM420变频器、EM235模拟量模块、光电旋转编码器和三相异步交流电动机。

　　2.1 系统硬件选择

　　2.1.1 西门子S7—20013PU224XP型PLC目前PLC使用性能较好的有SIMENS公司、日本的三菱、欧姆龙公司，美国的AB公司，一般要根据性价比、以及被控对象的I/O点数、工艺要求、扫描速度、自诊断功能因素，来选择合适的PLC产品。

　　本系统选择德国SIMENS公司s7—200系列CPU224XP型PLC。该产品是SIMENS公司最新推出的一种实用机型。SIEMENS S7—200 CPU一224XP集成14输入110输出共24个数字量I/0点，2输，V1输出共3个模拟量I/0点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。20KB程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器(100KHz)，2个100KHz的高速脉冲输出，2个RS485通讯，编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O，位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。非常适合有少量模拟量信号的系统中使用，在有复杂通信要求的场合也非常适用。

　　2.1.2 变频器的选型及系统功能的设定

　　①容量选择。在变频调速的情况下，供电频率值是变化的，电机的实际转速也会变化。变频器在与不同型号电动机配合时，必须合理选择容量。这主要是根据所选择的电动机参数来选配相应的变频器。在一台变频器驱动一台电机的情况下，变频器的容量选择要保证变频器的额定电流大干该电动机的额定电流，或者是变频器所适配的电动机功率大于当前所选择的电动机的功率。

　　按连续恒负载运转时所需的变频器容量(KVA)的公式计算：

　　选择变频器容量时，应同时满足三个算式关系，尤其是变频器电流是一个较关键的物理量。考虑到电机性能上的差异及机械负载的不同，变频器容量应是电机容量的1—2倍，另外，也可根据生产机械所需的实际转矩与稳定运行时的转速，求其乘积，得到所需电机的轴上功率，据此确定变频器容量。

　　②变频器品牌的选择和系统功能的设定。西门子MICROMASTER420是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。该系列变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。MICROMASTER420具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。除此之外，MICROMASTER420通过参设设置，既可用于单独驱动系统，也可集成到“自动化系统”。

　　变频器在使用时。应根据电动机参数、运行特性及系统功能要求，对变频器参数进行相关的系统设定。本系统中对变频器主要参数的设定详见参数设置表1所示。

　　2.1.3 EM235模拟量模块PLC的模拟量处理功能主要是通过

　　模拟量输入、输出模块及用户程序来完成。模拟量模块接受各种传感器输出的标准电压或电流信号，并将其转换成数字信号存储到PLC中进行处理。最终PLC处理后的结果为标准电压或电流信号去驱动执行元件。

　　EM235模块是一个输入输出混合模块，该模块可以同时连接4路模拟量输入和1路模拟量输出。使用该模块主要是用来采集两个信号，一个是给定电压，另一个是旋转编码器输出的反馈量。使用EM235模块时，要根据输入信号范围对其输入信号进行整定。整定的内容包括DIP开关的设置和输入信号的整定。具体步骤如下：

　　①在模块脱离电源的情况下，通过DIP开关选择需要的输入范围(如给定电压范围为0V～10V，DIP开关的状态为010001。

　　②接通CPU及电源模块，并使模块稳定15min。

　　③用给定电位器，给模块输入一个零值信号。