基于PLC的變頻電機調速系統控制摘要隨著電動機的不斷地發展，人們一直追求的都是電動機的高精度、高效率以及高力矩等性能。各行各業的自動化設備對驅動電機的控制精度提出了更高的需求，這些設備中往往都有著變頻電機的身影，變頻電機的結構特性使其對高啟動轉矩、大轉矩、低慣量特點的應用場合非常適用。本文以自動化工廠中應用廣泛的變頻電機基礎，在對其基本工作原理與控制方式進行學習分析后，提出了基于PLC調速控制的硬件和軟件系統設計方案。硬件設計部分包括了西門子S7-1200系列PLC、增量型編碼器、變頻器的選型和主回路以及IO外接電路圖繪制，設計了變頻系統多功能端子和模擬量輸入兩種調速模式。軟件設計部分主要介紹了伺服系統的PID算法原理，并在西門子博途編程軟件平臺上編寫了PLC梯形圖程序、人機界面組態和PID仿真程序，運用PLCSIM仿真軟件實現虛擬PIC和人機界面的通訊，通過曲線圖直觀的展現了變頻系統速度閉環控制過程中PID算法對速度調整的作用，并對程序運行工作過程中相關變量進行監測和更改。關鍵詞變頻電機；PLC；調速；PID

等1章緒論十九世紀二十年代，丹麥物理學家HansOrsted（漢斯·奧斯特）在哥本哈根大學任教過程中發現了通過電流的導線會對附近的磁針產生力的作用從而提出了電流磁效應理論，誕生了電磁學。緊接著的英國著名物理學家和化學家MichaelFaraday（邁克爾·法拉第）在實驗室設計出了第一臺電動機模型，其廣闊的前景引發了眾多科學家投入精力來對電動機進行完善。最終，隨著第一臺實用發電機的成功發明，第二次工業革命拉開序幕。如今，電動機的發展已經獲得了巨大的成功，從最初的直流電機和交流電機兩種基本模型，到應用于各個細分領域的眾多電機種類，人們一直追求的都是電動機的高精度、高效率以及高力矩等性能，比如變頻電機、伺服電機、步進電機等等。隨著近年來國家對工業4.0和智能制造戰略的推進，自動化設備的生產能力決定了國家制造能力，這些設備都對驅動裝置的轉速、精度和穩定性提出了相當高的要求，這些設備中往往都有著變頻電機的身影。隨著電動機技術發展的同時，可編程序控制器(PLC)首次在美國通用汽車生產線運用以來，PLC技術也得到了飛快的發展，在常規的布爾信號邏輯控制基礎上已經擴展了模擬量控制、過程控制、位置控制、強大的數據處理能力以及工業總線網絡通信能力在各行各業中得到了廣泛的運用?，F如今的企業對產品的精度和質量要求在不斷提高，對產品制造產線中的速度控制精度要求更加嚴格，PLC擁有功能強大的閉環速度算法功能,而且大部分品牌的都已經針對這種應用場景設計了專門電機的PID控制模塊，這些算法模塊的組合使得PLC可以滿足任何工業需求。。所以將PLC運用變頻電機的控制中實現高精度、穩定以及功能強大的自動化調速方案是個值得我們探討的問題。第2章變頻控制系統2.1變頻系統簡介變頻器主要由整流、中間直流環節、逆變、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成。其中整流器的作用是把工頻電源變換成直流電源。逆變器與整流器的作用相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率。逆變器的結構形式是利半導體開關器件組成的三相橋式逆變器電路。通過有規律的控制逆變器中主開關的導通和斷開，可以得到任意頻率的三相交流輸出波形。變頻器靠內部IGBT的開斷來調整輸出電源的電壓和頻率，根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節能、調速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應用。變頻調速的基本控制方式三種：常規V/F控制、開環矢量控制、閉環矢量控制。2.2變頻器選擇本次論文設計選用匯川MD500系列通用型變頻器。該系列變頻器可支持三相和單相的AC220V或者AC380V電源輸入，有著低速高轉矩輸出和良好的動態特性，超強的過載能力，可以通過多功能輸入端子和模擬量輸入端子進行調速。圖1-1變頻器接線圖圖1-1是伺服驅動器主電路接線圖，R/S/T接線端子接入三相交流輸入電源，U/V/W紅白黑三色電源線與伺服電機連接，PE端子和電機的接地線相連。變頻器有兩種速度控制模式，包括模擬量調速和多功能端子調速。在模擬量調速模式下，通過AI1和GND模擬量輸入端子來進行控制，給定的模擬量信號為-10V-+10V，對應著電機-1500r/min—+1500r/min的轉速。在多功能端子模式下，通過X1-X5多功能端子的通斷控制變頻器提前設定好的頻率值來實現速度控制。第3章可編程控制器3.1PLC特點（1）可靠性穩定性高傳統繼電器-接觸器控制系統雖具有較好的抗干擾能力，但使用了大量的機械觸頭使設備之間電氣接線變的十分復雜，回路中繼電器的每一個線圈和觸點接頭都是一個故障點。設備運行時的震動，生產環境的溫度和濕度都能造成接頭的松動、老化、銹蝕，所以傳統的繼電器控制系統故障率較高。PLC端口只需要接入輸入和輸出信號，通過軟件編程替代了傳統控制方式所采用數量眾多的電磁繼電器和時間繼電器組成的邏輯控制電路，因此電氣控制系統內部的線圈和觸點之間導線可以減少近六成，同時可編程邏輯控制器的輸入和輸出部件由晶閘管等電子器件組成，相較于傳統的繼電器，這種沒有觸點的設計不僅可以大大提高系統的穩定性和可靠性，而且可以支持微秒級的高速輸入和輸出。（2）功能強大易擴展從第一臺PLC誕生發展到如今，隨著計算機通訊技術和工業制造能力的發展，市面上各個廠家在研究生產PLC時，都會考慮到產品面向的領域和應用場景。PLC已經從最原始的布爾邏輯控制應用已經擴展到支持文件處理、PID控制以及機器人運動控制的功能。而且為了針對各個領域不同的使用場景，PLC基本設計成模塊化，在應用時可以根據實際應用所需選擇不同通道的數量的I/O模塊、模擬量模塊或者通訊模塊，擴展及其容。在擴展能力上，每個廠家都開發出自己獨有的通訊總線，支持遠程I/O擴展，功能強大。3.2PLC選擇由于一個品牌的PLC所包括的CPU和模塊種類很多，為了保證設計系統的功能性和經濟性，需要在進行PLC硬件控制電路設計之前，對PLC所接入信號類型以及控制對象的屬性、各類信號的數量以及PLC外圍工業設備接口進行綜合分析。PLC選型分析一般從下面幾個方面進行：（1）信號類型，判斷信號屬于開關量還是模擬量，開關量需要區分是無極性的繼電器觸點信號還是PNP或者NPN信號，模擬量需要區分是屬于比如4-20mA、0-10V，-10V-+10V中哪種類型；（2）電源規格，電源規格包括CPU和擴展I/O模塊、模擬量模塊、通訊模塊的供電電源規格，比如AC220V模塊和DC24輸入模塊不能混淆使用。還需要判斷接入信號和輸出信號的電壓和電流和模塊的額定值是否匹配，比如根據晶閘管輸出模塊的電壓來選擇適配的繼電器線圈，另外晶閘管輸出端口載流量一般在200mA，繼電器輸出端口可達5A，輸出模塊要根據控制電流來選擇；（3）統計系統需要接入的信號數量以及系統被控對象的數量，得到DI、DO、AI、AO等端口的所需個數，然后根據相應品牌的模塊規格進行合理選擇，保證備用端口數量在15%-25%之間；（4）根據外圍智能設備的布置和通訊接口協議來匹配合適數量的通訊模塊。本次設計的變頻電機調速控制系統中只涉及到基本邏輯，模擬量控制以及高速脈沖輸出，所以根據以上的選型步驟和標準，并且考慮到調速和PID仿真實現，最終選擇了可以基于西門子公司博途平臺編程的S7-1200系列產品?；谝陨弦蛩氐目紤]，并根據DI、DO、AI的總數量，在此基礎上預留一定的備用點。最終選擇的型號是6ES7214-1AG40-0XB0，即直流供電電壓，晶體管數字量輸入和輸出系列。表3-1CPU1214C技術規范 序號 功能 參數1供電電壓20.4-28.8VDC2數字輸入點數143繼電器輸出點數104模擬輸入點數25模擬量輸入類型0-10V6數字量范圍0-276487通訊總線PROFINET(LAN)×2由表3-1可知，CPU1214C滿足系統所需的部分接口需求外，但是還缺1個AO輸出點，所以還需要選擇6ES7232-4HB32-0XB0模擬量輸出模塊一個，具體技術規范如表3-3。表3-3擴展模塊技術規范 序號 功能 參數1模擬量輸出點數22模擬量規格±10VDC/0-20mA/4-20mA3數字量范圍電壓-27648—+27648/電流0-27648第4章系統硬件設計4.1電氣原理圖4.1.1主回路原理圖圖4-1主回路電氣原理圖圖4-1是變頻電機調速系統主回路原理圖，系統供電是與變頻電機額定電壓相匹配的AC380V，50HZ電源，動力回路設計了單獨的分斷路器Q1進行短路保護，，由于變頻器SF內部IGBT元件短路損壞的時間遠小于斷路器過流跳閘保護動作時間，所以變頻器前端還選用了F1三極快速熔斷器進行保護。F2是兩相熔斷器，為主回路控制電路提供過流保護，直流電源G1可以將AC220V主回路電源轉變成DC24V控制電源，并能在輸入電壓有一定范圍波動的情況下保證穩壓輸出，同時可以實現電磁隔離功能，防止線路上的電磁干擾對控制回路元器件尤其是PLC有干擾。CPU的電源由直流電源G1提供。4.1.2PLC回路原理圖圖4-2CPU回路電氣原理圖圖4-2是CPU外圍硬件電路接線圖。CPU的接線端子中有兩組L+/M端子，一組是接入DC24V供電電源，另外一組是自帶的DC24V輸出電源，可以給傳感器進行供電。正常情況使用時變頻電機編碼器是直接接入驅動器的編碼器信號端子中，形成閉環控制，由變頻器內置的算法可實現旋轉速度高精度調節的功能，但是在本論文中為了仿真出變頻電機PID閉環算法對速度調節的效果，將編碼器的信號輸出端接入了PLC的高速計數輸入端，通過PLC的程序來實現PID算法控制。帶燈按鈕SB1和SB2控制主回路電源通斷，帶燈按鈕SB3和SB4分別實現模擬量調速和多段速調速切換控制，電位器WXJ的功能是給PLC輸入一個0-10V的電壓，PLC根據當前選擇的調速模式將該電壓值線性轉換為模擬量速度給定值以實現速度的控制。數字量輸入端子I0.0和I0.1設置成高速計數模式，接入變頻電機編碼器的脈沖信號，其余端子分別接入主令控制按鈕和開關的輸入信號以及其他反饋信號，由于CPU數字量輸入端子屬于源型輸入模塊，所以需要接入高電平。模擬量信號電位器接入PLC自帶的模擬量輸入端子。PLC輸出端子類型為晶體管形式，不能直接控制AC220V回路，只能直接接入外圍電路來控制DC24V控制回路動作，雖然PLC內部已經采取了光耦隔離高壓電路的措施，但是當短路或者接線錯誤故障發生時，輸出端子上的高電壓仍然會很容易把晶體管觸點燒壞，嚴重時可能會對PLC內部電路造成破壞。為了提高安全性我在設計中除了高速脈沖輸出的端子外，采用了中間繼電器K1-K5來進行電氣隔離。圖4-3模擬量擴展模塊硬件連接圖圖4-3是模擬量擴展模塊硬件電路接線圖，L+/M端子是接入DC24V供電電源，輸出電壓為0-10V，模擬量模塊設置為-10V-+10V輸入模式。第5章系統軟件設計5.1I/O分配表變頻電機調速控制系統的I/O分配表如表5-1所示。表5-1系統的I/O分配表數字量輸入DII0.0編碼器信號AI0.6正轉I0.1編碼器信號BI0.7反轉I0.2主電源通I1.0停止I0.3主電源斷I1.1伺服驅動器故障I0.4模擬量調速I1.2接觸器吸合I0.5多段速調速數字量輸出DOQ0.0主電源通指示Q0.5正轉Q0.1模擬量調速指示Q0.6反轉Q0.2多段速調速指示Q0.7中速Q0.3系統故障Q1.0高速Q0.4接觸器吸合模擬量輸入AIIW2電位器模擬量輸出AQQW2模擬量輸出給定5.2PLC程序設計圖5-1PLC組態設置如圖5-1所示，在進行PLC梯形圖程序編寫前，首先需要在博圖軟件中對控制系統的硬件進行組態，通過右側的設備概覽窗口選定本次論文設計需要的模塊型號將其添加至導軌中，其中CPU在導軌的1號機架，AQ擴展模塊在2號機架。圖5-2PLC高速計數格式設置如圖5-2所示，為了實現編碼器高速脈沖讀取，需要對CPU的IO點格式進行設置。選擇高速計數端子類型為頻率，根據編碼器輸出信號類型選擇A/B計數器，時鐘發生器A設為I0.0輸入地址，時鐘發生器B設為I0.1輸入地址，讀取的脈沖個數存放到ID1000地址中，該地址占用4個字節。圖5-3控制模式切換程序圖5-5為系統模擬量調速和多段速切換控制程序，由于模擬量和多段速調速按鈕都是自復位形式按鈕，所以需要利用Q0.1和Q0.2選擇對各自的輸入信號進行自鎖，系統收到脈沖信號后自鎖回路能使其一直輸出，但是同一時間只存在一種控制模式，所以程序中利用I0.4和I0.5中閉點串聯進各自回路中形成互鎖。圖5-4正反轉控制程序圖5-4為正反轉程序，在多段速調速模式下，收到主接觸器吸合反饋信號后，可以利用正反轉自復位形式按鈕控制電機低速正反轉。圖5-5速度控制程序圖5-5為速度控制程序，在多段速調速模式下，通過低速和高速按鈕可以控制電機的轉動速度，兩者輸出信號彼此互鎖。圖5-6模擬量設置采集程序變頻電機PID調速我們需要計算出給定目標速度值、真實的速度反饋值以及PID控制器的輸出值。下面我們分別來對這三個值的求解過程進行編程說明。第一步，計算出給定目標速度值（r/min），由于本設計中所使用的電位器為模擬量信號，所以需要對PLC進行模數處理后的數字量值進行換算后才可以得出與目標測量單位相匹配的參數。本次設計選擇電壓輸入模式，即電位器的輸出電壓直接對應對應輸出電壓模擬量范圍的為0-10V，相匹配的數字量范圍為0-27648，利用NORM_X和SCALE_X函數進行相應的線性轉換，在NORM_X中：OUT=(VALUE–MIN)/(MAX–MIN)假設IW2寄存器讀出的數字量為13824，則計算出的OUT值為0.5，在SCALE_X中：OUT=[VALUE?(MAX–MIN)]+MIN代入NORM_X計算的輸出值得出最終的電壓值為5V，具體計算程序段如圖5-6所示。圖5-7目標轉速換算程序在得到輸入電壓后我們需要將其換算成r/min單位以表示實際需要的轉速，從前文可以得知，模擬量調速模式下0-10V對應的是電機的0-1500r/min，在程序中，也可以把輸入的0-10V電位器信號轉換成目標轉速存入地址MD62，如圖5-7所示。圖5-9編碼器脈沖計數程序第二步需要通過編碼器反饋的值得出電機的實際轉速（r/min），圖5-9為編碼器脈沖計數程序，在組態設置中對I0.0和I0.1設置成計算頻率的模式，所以通過CTRL_HSC實現對高速計數通道1的頻率數據讀取。圖5-10反饋轉速計算程序圖5-10是速度計算程序，由于上述程序讀取的頻率格式形式是DWORD，為了方便后續換算，需要利用CONV指令將其轉換成real格式存放到MD308中，頻率代表每秒鐘檢測到的脈沖個數，而選用的編碼器每轉動一圈會輸出2500個脈沖，每個脈沖代表電機轉動了1/2500圈，該值與MD308相乘，然后換算成r/min單位就可以求出當前電機的轉速值。圖5-11PID算法程序第三步需要根據轉速目標值和反饋值通過PID算法得出最終的輸出值，如圖5-11所示，調用博途中PID_Compact工藝對象。需要指出的是，PID工藝對象必須放在100ms循環OB塊中才能啟動，將計算出的輸出值寫入MD22中的。圖5-12目標值單位換算程序如圖5-12所示，通過數學換算程序將MD22中單位為r/min的數值換算成標準的模擬量值。5.5組態程序變頻電機控制系統的人機界面主畫面如圖5-13所示。圖5-15人接界面主畫面主畫面大體上包括三個功能區域：1）電機速度控制區：將實物按鈕和電位器功能移植到了組態觸摸屏上，實現虛擬按鈕對程序的啟停和控制模式切換等功能。當前轉速顯示編碼器反饋回來的實時轉速（r/min），電動機符號會根據電位器給定的模擬量值大小進行不同速度的旋轉，可以直觀的展現當前的轉速。2）PID設置區：該部分組要對PID算法模塊的指標進行設置，其中給定值指的是通過電位器輸入信號換算出來的目標轉速（r/min），P值、I值和D值對應算法程序的三要素。3）波形圖展示區：該部分可以將伺服電機轉速的目標值、輸出值以及給定值大小。第6章仿真與調試圖6-5系統初始狀態如圖6-5所示，通過觸摸屏啟動變頻驅動系統主回路供電電源后，依次選擇多段速調速模式，因為此時還未給定正反轉信號，所以電機并未開始轉動。圖6-6系統加速階段如圖6-6所示，給定正轉