PLC控制与变频调速系统设计及应用

黄存我 刘超强

摘要：随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一。交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。本文主要探讨PLC控制与变频调速系统设计及应用。

关键词：PLC；变频调速；控制系统

电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式[1]。本文对如何利用变频器连接PLC和控制对象，利用软件操作来控制电机的转速，达到远程自动控制进行了讨论。

1 变频调速的概念

变频调速一般具有以下几个特点：标准电动机操作（如笼型电动机也不用维护），可以保持调速的持续性，可以在电子回路中对相序进行改变、可以对转速的方向改变。其优点是启动时电流较小，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（比如过电压和欠电压保护、过载保护、短路保护）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。

2 对 PLC 變频控制技术的概述

PLC（Programmable Logic Controller），本身是指可编程逻辑控制器。是工业控制的核心部分。PLC 中主要包含 CPU、编程设备、输入模块和输出模块。CPU 的主要作用是通过采集到的信号来对用户指令的处理，是 PLC 的中央处理器。编程器是对控制设备程序进行编辑的设备，而且用户能够通过编程器来对程序进行检查、监视和修改。有些设备中输入、输出模块（I/O 模块）的数量不定，主要通过 CPU 的容量来决定。输入模块和输出模块的主要功能：用户通过输入模块向PLC 输入数字或者模拟信号，然后 CPU 将此信号处理后通过输出模块来输出控制信号，从而实现对设备的控制[2]。

运用 PLC 来进行工业控制，方便用户对工业设备运转的控制。PLC 控制的变频器就是 PLC 变频技术的机器化形式，PLC 控制的变频器已被广泛应用于自动设备行业中。它用软件代替了先前的继电器，软启动器、使触点间的接触减少，这样的方式能够提高控制系统的安全性和稳定性。在 PLC 变频器中可以利用PLC 的模拟量输出模块来控制变频器，PLC 也可以通过 485 通信接口控制变频器，还可以利用 PLC 的开关量输入/输出模块来控制变频器。用PLC控制变频器有两种方法：一是模拟量控制，该方法很直观而且简单，利用变频器的I/O端子，将变频器的跟随速度设置为某个模拟量输入即可实现对变频器的控制，但是每个变频器占用一个模拟量通道；二是通信，该方法不仅实现了对变频器的控制，还能够获取变频器的运行状态，只要简单地把变频器当成一个设备，用PLC来通信，读写这些变频器内部寄存器，就可以实现对变频器的控制。变频器中也存在一些数值型（如频率、电压等）指令信号的输入，可分为数字输入和模拟输入两种。数字输入多采用变频器面板上的键盘操作和串行接口来给定：模拟输入则通过接线端子由外部给定，通常通过0～10V/5V的电压信号或0/4～20mA的电流信号输入。由于接口电路因输入信号而异，因此必须根据变频器的输入阻抗选择PLC的输出模块。当变频器和PLC的电压信号范围不同时，如变频器的输入信号为0～10V而PLC的输出电压范围为0～5V时，或PLC一侧的输出信号电压范围为0～10V而变频器的输入电压信号范围为0～5V时，由于变频器和PLC的输入、输出端晶体管的允许电压、电流等因素的限制，需用串联的方式接入限流电阻及分压方式，以保证开闭时不超过PLC和变频器的输入、输出端允许容量。通常变频器也通过接线端子向外部输出相应的监测模拟信号，电信号的范围通常为0～l0V/5V（电压）及0/4～20mA（电流）。在应用中应依据PLC一侧的输入阻抗的大小，保证电路中电压和电流不超过电路的允许值，以提高系统的可靠性和减小误差。

3 PLC变频调速系统在起重机中的具体应用

3.1 系统构成

本系统由以下几个部分构成：上位机（触摸屏系统）、下位机（PLC、变频调速系统、负荷重量测量仪）等。

（1）功能要求。由于起重机上的吊钩、大车以及小车这三个部分的电机都需要独立运转，故此本系统设计了3个独立的变频调速器，并由PLC对它们进行控制。起重机所要完成的正常操作主要包括以下环节：吊钩升降、大车以及小车的运行等；保护功能主要包括：吊钩升降限位、大车及小车运行限位等。系统按照起重负荷的大小来改变电机的运行速度，以此来实现无级变速[3]。

（2）触摸屏。本系统采用的是由西门子公司出产的工业触摸屏，并与PLC相连接，通过触摸屏强大的软件功能进行系统开发。具体功能包括：系统参数设定、密码设置、系统测试以及故障点检查等等。该触摸屏系统采用良好的人机交互界面，操作简单方便，同时人机界面还具有控制变频器变速以及故障显示等功能，通过上位机和下位机之间的通讯，能够实现实时监控。

（3）PLC系统。它是调速系统的主要控制元件，由稳压电源、继电电源、主处理以及扩展单元等部件组成。在主处理单元上配有通讯接口，可以与上位机进行连接，以实现实时通讯。PLC系统所实现的功能具体包括如下几个方面：其一，接收并处理由负荷重量测量仪传输过来的信号，并按照实测的重量大小来对起重机吊钩、大车以及小车的运动方向进行控制；其二，接收并处理来自于电机旋转编码器发出的信号，以此来防止吊钩下滑；其三，接收并处理由限位控制器传输过来的信号，并及时准确地作出响应。

（4）变频调速系统。通常情况下，当 PLC中输出的控制信号作用到变频器上时，变频器便会产生出频率连续变化的交流电，并以此来对电机进行驱动，从而使电机的转速达到连续变化，进而实现无机调速。本系统采用的变频器是由三菱公司出品的，系统共配有3台变频器，分别用于驱动吊钩、大车以及小车的电机。由于起重机的大车运行距离相对较长，所以可将调速范围设定为6∶1；而小车的运行距离则相对较短，故此可将调速范围设定为4∶1。

3.2 软件设计

（1）上位机软件。本系统的上位机使用的是由西门子公司出产的工业用触摸屏，其主要功能是参数设定、用户登录、工作量及工作时间记录、生成报表、实现与下位机之间的通讯等等。软件设计主要包括以下模块：用户登录密码验证、参数设定、通讯、以及报表统计等模块。

（2）下位机软件。按照起重机负荷重量的大小，并利用变频器对吊钩、大车及小车的电机运转速度进行控制，借此来实现无极调速。通过对信号的及时响应，可确保系统的安全性。

结论

PLC 控制的变频调速技术已经成为当今大型工业设备控制技术的主流。近年来，我国在变频器的研发上，也利用先进的控制理论，使变频器具备了如卷取、提升、主从等控制功能，也使得变频器在工业上的应用越来越广泛。

参考文献：

[1]曹敏，王玥. 基于PLC控制交流变频调速系统恒压供水控制系统[J]. 江苏科技信息，2013，02：49-50.

[2]孟强. 谈PLC模拟量控制在变频调速系统中的应用[J]. 数字技术与应用，2013，03：42.

[3]唐培丽，赵强. 浅谈PLC控制技术变频调速供水系统[J]. 中国新技术新产品，2013，12：123.