基于PLC的三相异步电机控制系统研究

牛雅兵

摘要：异步电动机结构简单、运行可靠，得到大量应用，但调速困难是困扰异步电动机应用的一个重要难题。基于PLC技术，与变频器的配合组成变频调速系统实现三相异步电机的调速和调向控制，逻辑控制器控制变频器改变三相电源达到控制电机的效果。

关键词：三相异步电动机；电机控制；PLC；变频器

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）06-0012-02

1 绪论

三相异步电动机使用广泛，机械制作精简便于维护修理，可节约生产费用，电能转化能力强，调控简单有效等特点，在工农业生产和人类居住得到广泛应用。本文针对异步电动机调速难的问题，采用PLC技术，实现PLC控制三相异步电机系统，以PC组态软件为上位机，PLC为控制器，对变频器和电机实施控制，达到调控电动机的效果。

2 系统方案设计

2.1 电动机选择

三相鼠笼式电机的安全性和稳定性非常好，应用广泛。鼠笼式异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用。选择型号为Y2-632-4电动机，额定电压为380V，额定电流为0.65A，额定频率为50Hz，额定转速为为1400r/min，输出功率为180W，连接方式为三角形接法，绝缘等级：F。

2.2 方案确定——开环闭环分析

变频系统在程序设计中设有开环控制模式和闭环控制模式两种。主要区别在闭环控制模式时，电动机会有一个速度反馈值，PLC给出转速设定值，与旋转编码器检测的速度信号比较，经PID数据处理后再输出一定的值调节变频器频率给定。

开环控制通过变频开环调速系统是由PLC输入端口或者上位机发送指令，给PLC后会经过内部程序运行进行计算，最后由PLC的输出端口传送数据给变频器，以此控制变频器运行。开环控制模式的一大特点就是控制路径只有一条，具有单向传递性，控制结构清晰，需要的电气元件较少，且简单易修，成本低廉。这种控制方式在抗干扰性较好的条件下精度也很高，外接电路也简单清晰。因此，本系统采用开环控制系统就可以满足要求，在不损失控制效果前提下又便于进行初始化的学习与实用性强的实验操作。

3 硬件选择与程序设计

3.1 变频器选择

本设计中电机启停及速度控制由变频器来控制，设计采用西门子MicroMaster420。MM4系列的变频器是西门子公司新研发出来的针对现在电机控制要求的新型标准变频器。该变频器V/f控制成熟稳定，拥有较宽的调速范围[1]。物理接口主要为输入接口和输出接口，电路设计有主电路和控制电路两个部分。

3.2 PLC的型号选择

选擇了S7-200 PLC（CPU224XP）来设计控制系统。可代替传统继电器实施简单有效地控制操作，上可用来组成高级自动化控制系统的一个重要部分。

3.3 开环控制实战方案

用开环设计就能简单有效的控制三相电机调速调向控制，通过对西门子MM420变频器和西门子PLC的CPU224XP硬件着手分析，提出模拟量多段速控制方案。

模拟量多段速控制是利用变频器模拟量频率给定功能，变频可通过参数设定通过外部正负模拟量输入端口接受电压或电流的信号，其信号范围如“4到20mA”内的所有的点与频率范围“0到50Hz”所有的点，一一对应，从而可以实现无极调速。当然，我们也可以取其中若干的点，制作成有级调速。

（1）外部电路设计（图1）。（2）变频器设定：MM420通过接收模拟量输入的电压信号，实现无极调速的控制。DIN1、DIN2、DIN3此三个数字量可通过修改变频器参数，改变数字量端口的功能，完成接通，停止，正反转的命令。取单极性电压（0到10V）作为模拟量信号，设置参数之前，还需将变频器自身外部DIP开关置于“off”位置，因为“on”代表的是电流信号。（3）PLC程序设计：本程序取了CPU224XP单极性电压模拟量输出里面的1V到10V平均10个点，从而变成了有级调速，因为是开环调速，做成10段速，便于精准控制。第一次启动电机时，设定为25Hz的中间保护速度。除反转按钮外其他按钮均为自复位按钮，各个按钮意义明确，包含了“开通，停止，加速，减速，正转，反转”这些电机控制的所有基本功能[2]。在达到最低或最高速时，有报警信号并取消减速或加速的功能。

4 上位机组态远程控制

4.1 控制要求

按启动按钮，电机启动且转速达到最大速度的一半；按调速按钮可以对电机加速减速；按下反转按钮电机可反转；按停止按钮电机依惯性自由停止。

4.2 基于模拟量控制的组态王控制程序

程序说明：程序和源程序基本相似，只是将实际的输入I变量变成内部存储变量以方便“组态王”软件动画调用，最后加了一个用于显示当前设定的速度值的程序。

4.3 组态监控项目

（1）新建项目工程，项目及工程名称都为“基于PLC的三相电机调速调向”。（2）新建一个控制设备，双击进入项目工程新建设备找到“PLC S7-200系列PPI”，新建后设备名称可以取为“S7_200_PLC_ 224XP”，串口选择“COM4”，定义PLC地址为“2”。（3）添加变量数据，在数据库中新建数据词典项目里添加各种变量。（4）添加图形画面并动画连接，名称可以取为“My_work_1”选择合适的按钮和指示灯后，再进行调用变量，颜色设置等操作进行动画连接最后保存，见图2。（5）在运行系统里面调用上一步已经制作结束的动画，设置运行系统在主画面配置里调用“My_work_1”。（6）回到画面开发系统，切换到“View”界面就可以运行。

4.4 运行调试

（1）进入“View”界面，转速等级为5，电机指示灯为红色，处于停止状态。（2）点击启动按钮电机启动，按加速按钮调速，最大速度后不能再调，而且最高速度报警灯亮，其他功能如减速，点动，反转等功能均正常。

5 结语

本文设计一个基于PLC的电机控制系统，控制核心为可编程逻辑控制器，用西门子的可编程控制器及应用软件，与变频器相连，传送控制指令实现电机的启停等功能，具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]王雁博.基于PLC的步进电机控制系统设计[J].西安文理学院学报（自然科学版），2017，20（04）：39-41.

[2]李锦花.基于PLC的电动机控制系统设计及实现研究[J].电子测试，2017，（23）：13-14.

Abstract：Asynchronous motors are widely used because of their simple structure and reliable operation. However， the difficulty of speed regulation is an important problem that puzzles the application of asynchronous motors. Based on the PLC technology， the frequency control system is composed of frequency converter to realize the speed regulation and direction control of the three-phase asynchronous motor. The logic controller controls the frequency converter to change the three-phase power to control the effect of the motor.

Key words：three phase asynchronous motor； motor control； PLC； frequency converter