基于PLC的冷轧张力控制系统中变频器的设计

赵明明

（丹东市中等职业技术专业学校，辽宁丹东 118000）

基于PLC的冷轧张力控制系统中变频器的设计

赵明明

（丹东市中等职业技术专业学校，辽宁丹东 118000）

随着电力电子技术、微机控制技术的迅猛发展，变频调速技术越来越广泛地应用于工业领域。变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电动机工作电源的频率和幅值来控制交流电动机的电力传动元件。它可以应用在很多场合。有通用变频器，简易型通用变频器，高性能通用变频器，专用变频器之分。变频器的应用对当今社会各产业有着很重要的意义。

PLC 变频器 张力控制 PLD

近年来随着电力电子技术、微机控制技术的迅猛发展，变频调速技术越来越广泛地应用于工业领域。变频器是应用变频技术与微电子技术通过改变电动机工作电源的频率和幅值来控制交流电动机的电力传动元件，它可以应用在很多场合。有通用变频器，简易型通用变频器，高性能通用变频器，专用变频器之分。变频器的应用对当今社会各产业有着很重要的意义。

1 变频器与PLC的连接方式

PLC与变频器有3种连接方法：（1）利用PLC的模拟量输出模块控制变频器，这种方法PLC的模拟量输出模块输出0～5U电压或4～20MA电流，将其送给变频器的模拟电压或电流输入端，控制变频器的输出频率。它的优点为硬件接线简单，但是PLC的模拟量出模块很贵，成本太高了。（2）PLC通过PS-485通信接口控制变频器。这种系统中FX2N-64MR为系统核心，FX2N-485-BD为FX2N系列PLC的通信适配器，用于PLC和变频器之间的数据发送和接收。SCO9电揽用于PLC和计算机之间的数据传送。它的优点是硬件接线简单，但是点增加通信用的接口模块，缺点是模块价格也比较高，步熟通信的人利用起来很复杂，不容易学。（3）利用PLC的开关量输入，输出模块控制变频器，PLC的开关量输出，输入端大多数能够与变频器的开关量输入，输出端直接相连。它的优点是接线比较很简单，抗干扰能力强，用PLC的开关量输出模块可以控制变频器的正反转调速，能基本实现复杂要求。要实现PLC对变频器的通信控制，必须对PLC进行编程，通过程序实现PLC对变频器的各种运行和数据的采集。

PLC程序与变频器连接基本操作步骤：（1）对变频器进行初始化设定，参数设置。如果在进行初始化设定时有一个错误的设定，会造成整个系统无法传输。（2）复位变频器确保参数生效。（3）对西门子进行设置，包括通信格式进行设定，波特率，数据长度，奇偶校验，停止位和数据格式等，设定后必须从启。（4）电缆制作及PLC与变频器连接。（5）编写程序。

变频器与PLC相连接应该注意：（1）对PLC本身应按规定的接线标准和接地条件进行接地，而且应注意避免和变频器共同的接地线，应该将它们分开。（2）当电源条件不好时，应该在西门子PLC的电源模块及电源线上接入噪声滤波器等抗噪声变频器。（3）当变频器和PLC需要放在一个柜中的，应该把PLC的电线与变频器电线各自扎好分开。（4）通过使用屏弊线和双绞线抑制噪声干扰。（5）在PLC和变频器连接时，应注意出现干扰，避免使变频器误工作造成设备损坏。

2 矢量控制

矢量控制的基本思想是：仿照直流电动机的调速特点，使异步交流电动机的转速也能通过控制两个互相独立的直流，控制两个互相独立的直流磁场进行调节。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。矢量控制方式有基于转差频率控制的矢量控制和无速度检测器的矢量控制两种。基于转差频率控制的矢量控制方式是Uf恒定控制的基础上，通过检测异步电动机实际速度，并得到与之相对应的频率，在根据系统相达到的转矩（按式3-3），控制定子电流矢量对变频器的输出频率控制，这样的方式能提高动态性能。

定子电流I1，转矩电流I2和励磁电流IM三者之间关系如下：

由于转差频率fs=s所以

由于转矩电流过渡过程中波动还要根据3-6的条件对电动机定子电流的相位进行控制。

从图3-6中看出，与一般的转差频率频率控制方式对比，基于转差频率控制的矢量控制方式在输出转矩方面有所提高。

无速度传感器矢量控制方式是分别对基本励磁电流和转矩电流进行检测，在通过控制电动机的定子绕组上的电压和频率来控制励磁电流和转矩电流的指令值和检测得到的值维持一致，实现矢量控制。用无速度传感器矢量控制方式时，电动机的转速按（3-7）计算。

3 PID控制

调节器控制规律为微分，比例，积分控制；称它都PID控制，其中P为比列，I为积分，D为微分。它们一般情况下步单独使用，组合成PI控制，PD控制，PID控制等方式。PID控制是至今用的最广泛的，它具有结构简单，稳定性较好，使用方便等优点。PID控制是由于系统产生误差，用比列，积分，微分计算得出的控制量进行控制误差。

（1）比例控制是最简单的方式，系统控制器输出信号与输入误差信号成比例关系。但是比例控制存在输出稳态误差。（2）积分控制中控制器的输出信号与输入误差信号成正比关系。当一个系统进行稳定运行状态时存在稳态误差，称此系统为稳态误差系统。将应采用积分控制，积分项对误差取决于时间的积分，时间越长，积分项会越大，即使误差很小，积分项也会随着时间变长而赠大，会使稳态误差减小。（3）微分控制中控制器的输出信号与输入误差信号的微分成正比关系。当一个系统在进行消除误差时会出现振荡，严重的话还可能失稳，采用微分项来抑制这种情况。（4）PI控制是P比例和I积分运算之和，用PI控制时，可以去除掉改变目标值和外来干扰等产生的偏差，但是由于积分工作太快对变化的偏差作用不明显。（5）PD控制是积分和微分运算之和，PD控制用于过程本身没有制动作用的负载。

量，对系统被控对象进行控制。PID的数学表达式为：

式中：u为PID控制器的输出；

T为PID控制器的采样周期；

ei为第i时刻（SV-PV）误差值，SV为被控量的设定值，PV为被控量的实际值。

变频器用来实现PID控制两种情况：（1）变频器内部设置的PID功能，输入信号通过变频器端子进行输入，反馈信号也给变频器的控制端，在变频器的内部进行PID调节，以实现PID控制。（2）是外部进行的PID控制，将输入信号与反馈量比较后，把比较完的输入信号给到变频器的端子，以改变输出频率。变频器的PID控制与传感器组成闭环控制。有实现自动调节功能。PID控制主要用来实现定值控制，适用与冷轧刚恒张力控制系统。

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赵明明（1988—），女，汉族，教师，研究方向：PLC编程。