基于调节器模拟给定的变频调速系统设计

肖宝兴

【摘要】调节器除了具有调节功能还兼有比例放大以及比例积分放大功能，本系统设计最初的信号源来自调节器，本身就是运算放大器，可形成开环与闭环两种结构形式。以调节器的输出信号作为调速系统的输入信号，发给可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC），经过模拟量处理功能逻辑处理后再发送到变频器模拟量输入端，变频器的输出端接交流电动机，由变频器拖动电动机实现连续平滑地调速，与此同时，触摸屏负责实时显示电动机运行速度及其变化。

【关键词】调节器;PLC;变频器;触摸屏;调速

一、调节器

调节器基本器件是运算放大器，自身的输入信号由可调直流电源提供，控制电路可形成比例放大器以及比例积分放大器。前者只将当前信号放大，放大倍数由电阻比值决定，与历史积累无关;后者可降低信号响应速度并与历史积累有关，积分效果由反馈回路中电容值决定。如不需要放大或积分，可将反馈回路短路，使输出信号与输入信号成为1：1，也即开环控制。调节器的输出信号送到PLC的模拟量输入端口。控制电路中还包括测速反馈环节，与给定信号共同作用到输入端，给定与反馈比较环节也称为封锁环节，当反馈大于给定时会使调节器的输出信号降为最低。

二、可编程序逻辑控制器（PLC）

可编程序逻辑控制器从最早的只能实现简单的数字量逻辑控制到现在的模拟量控制、联网通信等，目前仍然处在控制系统中的核心位置，用户为其编写程序使之实现各种过程控制、运动控制。

本题中要实现模拟量信号的控制以及触摸屏与PLC联网控制，PLC选用西门子$7-200CPU226型机，其主机对外数字量I/O点数为40个，还要加上一块模拟量扩展模块EM235，此模块可提供4个模拟量输入点、1个模拟量输出点，主机与扩展模块之间用自身的通信口及电缆即可实现连接。模拟量输出为变频器模拟量输入提供信号，经过逻辑运算以及PID处理过的模拟量变成电压信号送到变频器，此量值还要送到数据变量寄存器V，為触摸屏提供信号。

模拟量经过PID处理后的输出信号特别适合用于空调、温度调节以及压力调节等场合。

三、变频器

变频器的作用是拖动电动机实现变速运行，影响速度的三要素是电动机定子绕组极对数（p）、旋转磁场与转子速度间的转差率（s）、供电电源频率（f），其中改变频率为最佳的调速方式。使用变频器首先要将对外线路接好，然后选择控制方式，再有就是设置参数。本题选择外控模拟量输入方式，输入信号由PLC提供。

四、触摸屏

西门子触摸屏面板TPl77A不管是加工自动化、过程自动化或楼宇自动化，都有着广泛的应用，TPl77A通过RS 422/485（IF 1B）接口与西门子S7-200PLC连接。

TPl77A触摸屏应用软件WinCC flexible用于组态用户界面以操作和监视生产设备。在工艺过程日趋复杂、对机器和设备功能的要求不断增加的环境中，操作员希望获得最大的透明性，人机界面（HMI）提供了这种透明性。在应用软件WinCC flexible上组态电动机变速运行画面。

（一）建立项目

双击桌面WinCCflexible的图标，创建一个空项目，如果是打开一个已有的也要从此进入。

（二）设备选择

选择设备时要选择触摸屏型号，本题需使用TPl77A型，点击后进入下一个界面。

（三）组态制作

在此可完成画面的制作、实现触摸屏与核心控制器件PLC之间的通信连接、建立画面上可动图素与PLC变量之间的对应关系等。可建立与选择画面，进行变量的设置，还可进行连接的设置，也就是设置触摸屏与PLC之间进行信号往来所需参数及设备选择等。

（四）可变数据的制作

像日期、温度、速度等值在实际工程中总是变化着的，本题的速度值也是在不断变化着的，在触摸屏上显示这样的变量就要依靠PLC的数据变量寄存器V，V中的数据变化，触摸屏上显示的数据也跟着同步变化。显示的数据是动态的，电动机速度变化时这里会出现可变数据。点击工具栏中“I/O域”，将光标拖到工作区的某个位置放下，然后双击此图标就会出现属性栏，字体大小、颜色、数据位数、进制等都可设置，需连接字型V，比如VWIO。

（五）棒图的生成与组态

触摸屏界面设计除了窗口显示实时速度值，还要有变化过程的浮动标，在此称为棒图。在工具栏中找到棒图点击后出现属性设置栏，在此可设置最高速度值位、最低位、显示颜色、背景颜色、与PLC连接的变量、升降移动方向、是否需要刻度、刻度量程等。

（六）通信下载

先保证PLC中有下载的程序。0口用来与电脑连接通信，1口可留作与触摸屏通信用，PLC与触摸屏的通信波特率要一致。

触摸屏与电脑的通信，触摸屏上电后出现对话框，按下Transfer键，使触摸屏处于等待传送模式。用PPI通信电缆，点“传送”后相关设置就送到触摸屏中，然后拔下PPI电缆换成网络电缆，将触摸屏与PLC连接好，通上电两者就可进行信号往来，实现控制了。