PLC控制电机变频调速试验系统设计与实现

霍海波

摘 要：PLC（可编程控制器）是一种高性能、高效率与高精度的装置，具有操作便捷、性能可靠、人机交互、寿命长以及通用灵活等优点，作为继电器的替代装置被广泛应用到现场数据的采集以及设备控制环节中，满足用户的定制功能需求。本文基于PLC控制器组态软件技术、变频器等进行了电机变频调速试验系统的设计与实现，旨在为PLC在变频调速中的应用提供参考。

关键词：可编程控制器;组态软件技术;变频器

中图分类号：TM921.51 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）14-0080-03

Design and Implementation of Frequency Conversion Speed Regulation

Test System for Motor Controlled by PLC

HUO Haibo

（Sanmenxia Polytechnic，Sanmenxia Henan 472000）

Abstract： PLC （Programmable Logic Controller） is a kind of device with high performance， high efficiency and high precision. It has the advantages of convenient operation， reliable performance， human-computer interaction， long life and general flexibility. As an alternative device of relay， it is widely used in the field data acquisition and equipment control links to meet the user's customization function. Demand. Based on the configuration software technology of PLC controller and frequency converter， this paper designed and implements the test system of motor frequency conversion speed regulation， aiming at providing reference for the application of PLC in frequency conversion speed regulation.

Keywords： Programmable Logic Controller;configuration software technology;frequency converter

可编程程序控制器（PLC）的核心在于微处理器，具有丰富的输入和输出接口，驱动力极强。PLC的软件需要根据控制要求进行设计，硬件则需要根据实际需要进行选择和配置。随着PLC的运用和发展，其已经成为工业领域最受欢迎的一种控制器[1]。PLC不仅能满足自动化控制的客观需求，同时其自身具有的优势可以更好地解决工业领域关注的问题，如可靠性、灵活性、安全性、方便性等。变频器可实现电机供电电压与供电频率的改变，能有效实现节能，且将其应用在生产中可以实现生产自动化，提高生产效率和产品质量。将可编程程序控制器与变频器应用于工业电机领域中，能够满足用户的定制功能需求，实现转速控制或者调速控制。

1 PLC控制器变频调速的优点

第一，PLC能够实现变频调速，且能节约能源。传统的控制技术虽然耗电功率并不高，但负载量大，占据了电机大部分的容量，因此，提高电机的节能性具有重要意义。通过PLC控制器的应用，能够对各个环节的设备进行有效调节，实现良好的节能减排效果。相关研究调查显示，PLC控制节能效率可达30%～60%，为企业发展节省大量的成本[2]。

第二，PLC控制器方便对电动机运行制动进行控制。将PLC控制器应用于电机中可以很快地实现正转和反转，进而避免或者减少电机因冲击电流受到的影响，并且能较好地避免电机烧毁的情况。PLC控制器应用在变频调速中，可以自行设定加速和减速的时间。由于PLC控制器下初始启动阶段的电流并不大，因此在较高频率状态下也可完成启停控制。PLC控制器自身具备回路制动功能，一部分能量由制动电阻消耗，一部分能量反馈回供电系统中，但这种方式将导致成本投入增加。PLC控制器用于变频调节可进行部分直流制动，通常是将直流电压附加于电动机中，最终实现制动。

第三，PLC控制器可显著提高电机的效率。PLC控制器被广泛应用于传送、机床和起重等机械设备中，能提高电机等设备的使用效率。

第四，PLC控制器变频调速精度非常高，是基于微电子技术、计算机技术与控制技术等多种技术的。变频调速系统的综合性、系统性非常强，能较好地实现对电机的变频调速，且对速度的控制十分精准。

第五，PLC控制器具有自我保护功能。PLC控制器在工作过程中，可以对自身出现的故障进行检测和预警，并及时找到故障原因，提出维修措施，让设备及时恢复正常运行。同时，可以对变频器和电机进行有效保护，避免其受到人为与自然因素的破坏。

2 PLC控制电机变频调速试验系统的具体設计与实现

以驱动物料皮带的电机和驱动搅拌罐的电机为例。

2.1 设计系统的目标要求

①要求能在PC界面进行现场电机的启动和停止;②现场工艺流程可浏览;③电机频率可根据生产需要进行设置，电子具备自行调速功能;④操作界面可显示变频器故障信息;⑤物料仓无物料状态检测可显示;⑥物料仓电磁阀可打开与关闭;⑦显示电机实时转速。

2.2 系统结构设计

考虑到现场电机的数量与被控制对象的数量不大，采用单台PLC控制多个对象的策略，并保证所选用的PLC具有高性能。同时，为了方便用户的使用，在本次试验中每台电机使用一台变频器进行变频调节控制，变频器控制端的输入信号采用输出的模拟信号。变频调速器具有自我保护、电机保护功能，能接收PLC信号并控制电机转速，同时将工作状态信号反馈到PLC中，进而能在故障出现的第一时间及时将报警信号反馈到PLC与上位机中。为了成功实现变频调速，关键在于改变电动机定子的供电频率，进而改变同步转速。在调速中，高速改变到低速可保证有限的转差功率，从而使调速性能的效率更高、范围更宽、精度更高。该系统结构图如图1所示。

2.3 控制策略

此次所设计的系统采用闭环控制策略（见图2），输入和输出信号采用反馈信号和输入信号，经正反馈或负反馈运算后生成新的信号，并输入系统中。该控制策略精度高，能控制输出值在要求范围内。

2.4 硬件设计

2.4.1 上位机。为了保证控制系统具有良好的人机交互功能，采用触摸式PC作为PLC的上位机。

2.4.2 微处理器。微处理器（CPU）是PLC变频调速系统的核心，如同人体的中枢系统一样。PLC变频调速系统的整个运转都依赖于CPU的指挥和调节。PLC通常采用的CPU微处理器主要有三种类型：一是单片机;二是通用式处理器;三是位片式微处理器。其中，单片机主要有8031型、8051型处理器;通用式处理器包括8位机和16位机等;位片式微处理器主要有AMD2901型、AMD2903型等。通常情况下，中型PLC控制器采用的是单片机或者是16位通用式微处理器，而大型的PLC控制器，则采用位片式微处理器。

2.4.3 变频器。电机由变频器驱动时，一台变频器驱动情况下，要确保变频器的容量高于所驱动电动机的额定功率，根据相应的公式计算出连续恒负载运转时的变频器容量。本次设计中，系统驱动传送带的电机属于有载启动类型，电机轴上功率需要14kW，按照1.5倍容量进行变频器的选择，其功率应达到21kW以上;驱动搅拌罐电机轴上功率20kW，选择1.5倍容量变频器，其功率要达到30kW以上。

2.4.4 存储器。PLC变频调速系统的存储器有系统存储器和用户存储器两种。其中，系统存储器主要是用于系统性的应用程序;用户存储器则是在使用过程中对用户编制代码。PLC变频调速系统的存储器要具有造价低、能耗低且使用寿命较长的优势。

2.4.5 编程器。编程器是PLC变频调速系统重要的外围设备，可以为用户提供程序写作平台，同时可对所写的程序进行调试检查。编程器包含图形编辑器和简易编辑器。简易编程器的功能较少，适用于小型PLC变频调速系统;图形编程器可以进行指令编程、脱机和联机编程及梯形图编程，具有功能强、操作简便等优点。

2.4.6 I/O扩展单元。I/O扩展单元完成输入和输出点的扩展，如果输出点数高于PLC规定的要求，则利用该扩展单元进行相应扩展，让最终的输出点数符合PLC的要求范围。

2.5 软件设计

2.5.1 上位机采用的软件。系统要求上位机能直接控制电机启动/停止，方便打开/关闭物料仓电磁阀，便于设定电机频率。同时，对下位机进行监控，实时反映电机运行的速度和物料情况，同时显示变频器的故障信息。该系统的配置最低要求如下。CPU：PⅢ 1G，内存256M，与下位PLC之间的通信采用485BD通信用板。控制系统软件采用组态软件，组态软件为一组功能强大的软件包，人机交互界面友好，并且不用编写代码程序便可满足自身的需求，组态软件具有开发灵活简便所开发产品画面丰富生动的特点，可应用于仪表控制表温、回路调节图、实时曲线等工业控制中。此外，组态软件用于工业控制系统软件中，可以显著提高软件系统开发速度，确保系统软件的可靠性、成熟性和易维护性。

2.5.2 上位机和PLC之间的通信。①软件实现：通过变量实现PLC和PC之间的通信，变量为二者之间数据交换的最重要一种的通信方式;②硬件：上位机PC通过通信接口FX-232A模块与PLC串行通信接口连接，对PLC进行集中监控和管理;③组态王建立新工程的一般过程：第一，定义画面（设计图形界面）;第二，定义设备;第三，定义变量;第四，建立动画链接;第五，运行和调试。

2.5.3 变频器和PLC之间的通信。变频器和PLC之间的通信通过两对导线进行连接，主要包括变频器SDA与PLC通信板RDA连接，采用RDB连接实现变频器SDB与PLC通信，RDA与PLC通信板SDA连接，RDB与PLC通信板SDB连接，SG与PLC通信板SG连接。

2.5.4 PLC程序。PLC程序设计分为4个模块，即按钮处理模块（负责处理各电机与电磁阀的启/停控制）、报警处理模塊、变频器设定模块和变频器给定模块。

2.5.5 扩展模块。PLC的种类繁多，因此，要根据需要选择合适的PLC，选择流程如下。第一，定义PLC的I/O点数，包括模拟量、开关量与特殊功能模块;第二，建立I/O分配表，绘制PLC输入及输出线路图;第三，根据流程图制作用户程序，装入存储器并进行初步测试。

3 系统的抗干扰措施

①分开敷设输入信号与输出信号的电力电缆;②必要时，所选用的输入/输出信号的电缆要带有屏蔽层，并且让一端接地;③多芯电缆备用芯一端接地，以扩大屏蔽效果，并且抑制芯线之间发生信号干扰的情况;④同一电平等级信号通过一条多芯电缆进行传输，避免发生干扰;⑤PLC电柜设置独立的接地线，电阻<10Ω;⑥PLC电缆设置中要尽可能地避开电磁的干扰;⑦PLC必须安装于专门电柜中，并注意周围的环境是否合适，尽量避免油烟、有腐蚀性气体。

4 结语

PLC控制电机变频调速系统利用PLC技术、变频技术和组态软件技术，实现了控制设备、传感设备和电机的结合，从而可合理地控制和保障电机的稳定运行。

参考文献：

[1]田磊，吴静，蒋东，等.基于PLC和触摸屏的电机变频调速控制系统设计与实现[J].科技创新与应用，2017（15）：50-51.

[2]李泽洪.基于组态软件、变频器和PLC控制的电机调速系统的设计[J].农村经济与科技，2018（2）：289.