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PLC控制电机变频调速试验系统的设计与实现

发表时间：2020/10/10 来源：《基层建设》2020年第17期作者：袁廷香

[导读] 摘要：电子技术和自动化控制技术的发展，极大的提高了工业化生产水平。

        山东和正环保工程有限公司山东省 250117
        摘要：电子技术和自动化控制技术的发展，极大的提高了工业化生产水平。变频器、组态软件和PLC的有效结合，可提高电机的运行效率及控制水平，本文对PLC控制电机变频调速试验系统的关键技术进行了分析，并对PLC控制器的组成及其功能实现进行了相关论述，希望能对从业人员提供一定参考。
        关键词：PLC;变频器;组态软件技术;设计;
        可编程程序控制器（PLC）的核心在于微处理器，具有丰富的输入和输出接口，驱动力极强。PLC的软件需要根据控制要求进行设计，硬件则需要根据实际需要进行选择和配置。随着PLC的运用和发展，其已经成为工业领域最受欢迎的一种控制器[1]。PLC不仅能满足自动化控制的客观需求，同时其自身具有的优势可以更好地解决工业领域关注的问题，如可靠性、灵活性、安全性、方便性等。变频器可实现电机供电电压与供电频率的改变，能有效实现节能，且将其应用在生产中可以实现生产自动化，提高生产效率和产品质量。将可编程程序控制器与变频器应用于工业电机领域中，能够满足用户的定制功能需求，实现转速控制或者调速控制。
        电力企业的不断发展，对输电过程的质量要求不但提高，通过科研人员的不断努力，在变频技术上得到了很大的提高，PLC控制器在工作中通过把电源转为另一种需要的控制装置，可以实现对变频速度的调节，其在精准度和稳定性上都有着显著的优势，具有很大的发展潜力。
        1变频调速的内容分析
        改变供电电压的频率可以实现对交流电动机的速度控制，这就是变频调速。现在变频器在电气自动化控制系统中的使用越来越广泛，这得益于变频调速性能的提高和变频器价格的大幅度的降低。实现变频调速的关键因素有两点:一是大功率开关器件。虽然早就知道变频调速是交流调速中最好的方法，但受限于大功率电力电子器件的实用化问题，变频调速直到20世纪80年代才取得了长足的发展。二是微处理器的发展加上变频控制方式的深入研究使得变频控制技术实现了高性能、高可靠性。变频调速的特点有:可以使用标准电动机(如无须维护的笼型电动机)，可以连续调速，可通过电子回路改变相序、改变转速方向。其优点是启动电流小，可调节加减速度，电动机可以高速化和小型化，防爆容易，保护功能齐全(如过载保护、短路保护、过电压和欠电压保护)等。变频调速的应用领域非常广泛，它应用于风机、泵、搅拌机、挤压机、精纺机和压缩机，原因是节能效果显著;它应用于机床如车床、机械加工中心、钻床、铣床、磨床，主要目的是提高生产率和质量;它也广泛应用于其他领域，如各种传送带的多台电动机同步、调速和起重机械等。
        2PLC控制器变频调速的优点
        第一，PLC能够实现变频调速，且能节约能源。传统的控制技术虽然耗电功率并不高，但负载量大，占据了电机大部分的容量，因此，提高电机的节能性具有重要意义。通过PLC控制器的应用，能够对各个环节的设备进行有效调节，实现良好的节能减排效果。相关研究调查显示，PLC控制节能效率可达30%～60%，为企业发展节省大量的成本[2]。
        第二，PLC控制器方便对电动机运行制动进行控制。将PLC控制器应用于电机中可以很快地实现正转和反转，进而避免或者减少电机因冲击电流受到的影响，并且能较好地避免电机烧毁的情况。PLC控制器应用在变频调速中，可以自行设定加速和减速的时间。由于PLC控制器下初始启动阶段的电流并不大，因此在较高频率状态下也可完成启停控制。PLC控制器自身具备回路制动功能，一部分能量由制动电阻消耗，一部分能量反馈回供电系统中，但这种方式将导致成本投入增加。PLC控制器用于变频调节可进行部分直流制动，通常是将直流电压附加于电动机中，最终实现制动。
        第三，PLC控制器可显著提高电机的效率。PLC控制器被广泛应用于传送、机床和起重等机械设备中，能提高电机等设备的使用效率。
        第四，PLC控制器变频调速精度非常高，是基于微电子技术、计算机技术与控制技术等多种技术的。

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变频调速系统的综合性、系统性非常强，能较好地实现对电机的变频调速，且对速度的控制十分精准。
        第五，PLC控制器具有自我保护功能。PLC控制器在工作过程中，可以对自身出现的故障进行检测和预警，并及时找到故障原因，提出维修措施，让设备及时恢复正常运行。同时，可以对变频器和电机进行有效保护，避免其受到人为与自然因素的破坏。
        3系统软件设计与功能实现
        本文以提升机为例，对其电机改进设计进行分析:
        3.1系统软件设计
        首先，PLC控制软件的设计。PLC控制软件的主要功能是对提升机的启动、停止、加速、减速、匀速等过程进行控制，同时采集信号，用于后期的逻辑处理;设计时应包括主程序、故障处理子程序和中断子程序，共计三个模块;PLC具有多种功能，因此其涉及的参数较多，主要有变频器复位、电机正反转、安全报警、故障、多段频率、启动、停止、上升、下降、松绳、复位、过卷等。其次，变频器参数设置。变频器与PLC的连接方式如下:变频器的DI1和DI2分别接PLC的Q0.0以及Q0.1，而变频器的AI1则与PLC的DA连接。变频器运转控制通过外给定方式实现，然后借助自动补偿方式对转矩进行补偿，电机的控制模式则可选择速度传感器矢量进行控制。编程时，变频器的10Hz与DA的给定值6400对应，其余频率则可按照正比进行适当的增加或减少，一般频率浮动范围控制在0.2-50Hz内。
        最后，触摸屏监控系统设计。根据生产实际需求选择对应的触摸型，本次试验所选用的为威纶通公司的产品，型号为MT6100iv3，该产品性能可靠、操作简单，使用寿命长;利用EB8000对触摸屏界面进行编译和设计，然后下载到触摸屏即可。
        3.2PLC组成及其功能实现
        第一，微处理器(CPU)。CPU是计算机系统的核心部件，同时也是PLC控制系统的核心组成部分，对整个系统的运转起着指挥和调节作用。一般CPU处理器有单片机、位片式处理器和通用处理器等，CPU位数越多，PLC档次越高，对电机进行变频调节效率也越高。单片机或8位微处理器一般用在小型PLC控制器中;而单片机或16位微处理器则用于中型PLC控制器中;位片式微处理器用于大型PLC控制器中。
        第二，存储器。PLC使用的存储器一般分为系统类和用户类，系统类用于存储系统程序，而用户类则用于存储用户所编制的控制代码。CMOSRAM是一种随机存储器，能耗低，价格合理，使用寿命可长达5-8年左右。
        第三，编程器。编程器是PLC的重要外围设备，能为用户提供程序写入功能，还能对程序进行检查和调试。编程器一般分为图形编辑器和简易编程器两大类，可实现指令编程、梯形图编程、脱机和联机编程等;而简易编程器的功能较少，用于小型PLC较为合适。
        第四，I/O扩展单元。I/O扩展单元用于输入或者输出点数的扩展，若扩扎点数超过了PLC限制，就需要扩展单元进行扩展，确保输入/输出点数在PLC规定范围内。
        4结束语
        通过上述的分析可知，PLC控制电机变频调速系统的优势作用十分明显，通过与电机和传感器的有机结合，可以使得电机的运行过程更加安全、高效、稳定，而且减少了电机在工作中因为故障问题耽搁生产的情况，在生产过程中的应用越来越广泛，具有极大的发展前景需求。
        参考文献
        [1]黄永红,吉裕晖,杨东.PLC控制电机变频调速试验系统的设计与实现[J].电机与控制应用,2007(10).
        [2]高德河.PLC控制电机变频调速试验系统的设计与实现[J].赤子, 2013(4).