基于PLC的多机驱动功率平衡研究

2020-07-14陈晓川

中小企业管理与科技·上旬刊 2020年5期

陈晓川

【摘要】自PLC自动控制技术得到运用以来，不仅解放了劳动力，而且提高了生产效率。PLC与变频器的结合，能够有效改善变频器在处理数据中存在不足的问题，变频器的参数通过Modbus现场总线反馈到PLC，利用PLC进行设定参数的优化，实现多电机驱动的输送功率平衡。

【Abstract】Since the PLC automatic control technology has been used， not only the labor force has been liberated， but also the production efficiency has been improved. The combination of PLC and frequency converter can effectively improve the problem of the lack of frequency converter in processing data. The parameters of frequency converter are fed back to PLC through Modbus field bus， and PLC is used to optimize the setting parameters， so as to realize the transmission power balance by multi-motor driving.

【關键词】PLC;变频器;功率平衡;现场总线

【Keywords】PLC; frequency converter; power balance; field bus

【中图分类号】TD528 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2020）05-0176-02

1 引言

随着自动化产业的持续发展，气力输送系统由于结构简单，在钢厂、电力行业领域得到了广泛应用，但由于动力消耗相对大，对运量大并且需要长距离输送的物料有一定的限制，逐步被带式输送机所代替，研究开发具有可变频启动、可变频调速、具有集中统一控制功能的带式输送机刻不容缓。在采用变频器控制电机驱动的同时，保持功率平衡是系统长期稳定运行的必要条件。对于不同的负载，每台变频器将分别根据其自行估算的转速补偿其滑差，以实现无偏差地达到给定转速。但在实际运行过程中，由于每台电机和传动机构的不同造成的误差会导致出现某台电动机出力大，某台电动机出力小的情况，在比较极端的情况下，会出现部分电机处于电动运行模式，另一部分电机处于发电运行模式，使系统不能稳定运行，甚至短时间内就会对设备造成损害。

因此，类似这样的常规传动模式并不能满足系统的实际工作要求，在实际运行过程中，系统还要求各传动点电动机功率尽可能保持平衡。

2 现场设备配置

2.1 变频器的选择

多机驱动控制系统中，低速验带和大力矩重载启动必须通过有速度传感器的速度闭环来控制，否则就会出现低速脉动转矩，使皮带出现振颤现象，无法进行低速验带工作，也会降低启动力矩。施耐德公司的“无速度传感器矢量控制技术”不仅解决低速验带和重载启动问题，又可使系统更简化，减少故障点，提高可靠性，使整个系统故障停运时间大大减少。所以选择变频器时，可选择具有“无速度传感器矢量控制技术”的施耐德ATV320变频器。

2.2 电机的选择

每一组电机内部力矩平衡是多电机驱动要解决的最主要问题，负载变化、电机参数及皮带松紧等因素，都会对电机的速度和出力产生扰动性影响。为了使系统稳定工作，几台电机必须保持一致的速度，同时，尽可能保持均匀的出力，异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格低廉、维护方便等一系列优点，并且在调速性能方面完全可与直流电动机相媲美。因此，可采用性价比更高的异步电机。

3 系统控制原理

本系统利用PLC实时调节变频器输入频率达到功率平衡，主要系统设备包括：6台异步电机、6台施耐德ATV320变频器、西门子博途1500系列控制器以及相应的继电器等保护系统的辅助装置。每台变频器控制一台异步电机，由于ATV320变频器采用数字化技术，内部有微处理器进行逻辑运算和数据处理，精度高、可靠性好，同时，还具有RS485串行通讯口，Modbus-RTU通讯稳定可靠，接线简单，在传输过程中不会造成损耗，而且响应速度率也会很高。因此，采用Modbus-RTU实现西门子1500PLC与6台变频器之间的通讯，可以实现PLC和变频器之间的实时通讯和控制。变频器的运行参数通过Modbus现场总线反馈到控制系统中，PLC根据采集的参数实时调节变频器的输出频率，从而通过变频器控制电机频率达到功率平衡的目的。

4 PLC程序设计

4.1 PLC硬件选型及网络配置

采用西门子IPC827C工控机及24寸三星液晶显示器，上位机监视画面使用WinCC7.3软件，PLC选用西门子1500系列，CPU型号为1511C-1PN及相应的编程软件TIA Portal 15.1。上位机和PLC之间通过以太网进行通讯，PLC和6台变频器通过Modbus协议进行数据通讯，系统结构图如图1所示。

4.2 PLC与变频器的通讯配置

在OB100中，调用系统Modbus指令库MB_COMM_LOAD，对硬件标识符、波特率、奇偶校验位等基本参数进行初始化;在OB1里，调用系统Modbus指令库MB_MSSTER用作数据的读写控制。由于PLC是与6台变频器进行通讯，且需要的变频器的通讯数据是不连续的，为了避免出现同时抢占总线进入发送状态导致通讯错误，因此，控制读写通讯还需要采用轮询的方式。

4.3 基于PLC的多驱平衡控制逻辑说明

假定需要调整的第1台变频器为主机，其余的5台变频器为从机。同时，给定主机和从机相同的运行频率，根据主机和从机的反馈电流，计算偏差电流与平均电流的比值，适当调整主机的输出频率来实现功率平衡。调节控制逻辑的具体方式如下：

①设定参数：限幅系数A、叠加系数B（1）、偏差系数C（0.05）、调节间隔时间T（ms）;

②采集数据：主机电流I1，从机2电流I2，从机3电流I3，从机4电流I4，从机5电流I5，从机6电流I6，计算主机与从机2、从机3、从机4、从机5、从机6的平均电流I0=（I1+I2+I3+I4+I5+I6）÷6;

③平均电流I0×偏差系数C作为调节条件E;

④限幅范围D为主机输出频率与限幅系数A的乘积;

⑤当主机电流与平均电流的差值ISUB=I1-I0的绝对值大于调节条件E，计算单次调节量N1，N1=（ISUB÷I0）×B;

⑥每间隔时间T执行一次判断，累计调节量N=N1+N2+......+Nx，当N>D，则N=D，当N<-D，则N=-D;

⑦主机输出频率F=F0+N。

同理，再假定第二、第三、第四、第五、第六变频器为主机，适当调整输出频率。

4.4 实验结果分析

采用多驱平衡控制前后电流曲线如图2所示，在没有采用多驱平衡控制时，电机反馈电流波动明显（5.0～8.0A），且容易造成电机过载导致电机自我保护而停止运行。采用多驱平衡控制后，大部分电流反馈值趨于平稳（6.0～7.0A），功率平衡控制效果显著。