探讨变频器与PLC控制电动机三段速运行的实现

上海华电电力发展有限公司望亭发电分公司 顾燕奇

电气传动过程是将电动机视为控制对象，基于电子设备支持运行。目前可选择的电机类型分成直流与交流两类，在工业领域中后者更受青睐。在计算机控制方法愈发成熟中，调速控制系统也随之出现，如串级调速与变频调速等。串级调速系统是指在转子回路里连接诸多电阻实现调速，但变频调速的类型更为多样化、响应速度快。

1 PLC 变频器三段速的控制编程技巧

1.1 系统控制要求

在按下开启按钮后，PLC 控制变频装置驱动电机，按照10Hz 的频率进行正转运行。保持10s 的低速运转后变频器调整成30Hz，维持该速度运行10s后将频率提高至50Hz，持续该状态10s 后重新回到10Hz 的运行频率。不断循环变频，直到停止作业[1]。以三菱的FX3G 系列的PLC 为例，对应配备A700的变频装置。对于I/O 地址，输入量M0和开启按钮SB0相连接对应，M1则和停止按钮SB1对应。在系统输入中的对应关系是：正转情况下，输出控制量用Y2表示，低速运行为Y4，高速运行是Y6。

1.2 系统软件设计

程序1的基础编程方向，在按下开启按钮M0后，相应的Y2与Y4会立即设为1。在运行10s 之后，三种速度状态开始循环运转，直到按下关闭停止键M1，而后包括Y2、Y4等在内都恢复到0的状态。顺利借助前一种速度状态线圈，会及立即启动连带的定时装置，在达到设定时间后会通过此驱动下一顺位的线圈。这为最基础的运行思路。

程序2是基于程序1的基础功能，增加电动机运行安全性的考量，线圈之间互锁，以正常分析温度的视角入手，在每个线圈对应输出编程语句上，添加其余线圈对应的常闭触点互锁。此思路在理论层面上无阻碍问题，但实际所得程序并不方便实际应用，生成程序仅能完成一步动作，在到了设定实践后，互锁已经是断开的情形，因而无法继续开展循环动作。主要问题来源于互锁触点方面。程序3是为克服程序2上的漏洞，只用调整指令，把定时装置的指令适当提前，移动至控制点线圈以前，由此得到的扫描情况正常，符合控制标准。

总结出的编程技巧为：使用定时装置中需把握好作用域，设置在线圈前、触电后。在设置好时间点后，PLC 进行计时，在达到设定时间的同时PLC会基于程序控制启动后续的动作。程序4在完成一轮循环后，以程序2的情况来看，借助最后的定时装置上升，启动下一次循环，根据应用经验来说，该种形式能够达成，但并不属于推荐的一种。基于此，调整成运用线圈下降动作，开启循环，生成的循环逻辑更加准确。也就是采用上一种运行速度结束条件，设定成下一种的启动条件，规避逻辑混乱[2]。

根据上述分析看编写的程序似乎无所挑剔，但实际上可选择的编程技巧较多，还牵涉到较为高级指令，能让系统更为明确、逻辑性更强。由此可演化出程序5借助传送MOV 指令达到控制的目的，如编程语句MOV K68 K2Y0代表从Y00位开始的8位单元地址中，输送十进制数68(01000100)。通过简单明确的指令便能获得相应的功能。另外，借助比较指令进行定时转换也能支持程序编辑。将时间看成轴，基于三段的10s 运行时间达到循环运转的控制效果。该处要强调的是：定时装置线圈指令必须处于前一步执行，位于作用域上方，反之不能正常响应[3]。

总之PLC 编程技巧较多，在面对相同功能诉求时也能利用多个方式达成。此外基本可以认为，相对高级的响应指令更容易被实现，后期控制应用中漏洞出现率也较低，内在逻辑性更为明显。

2 PLC 变频器三段速控制的设计实现

2.1 硬件线路设计

硬件选型：运用PLC 以及变频装置保持三项交流异步的电动机进行三段速工作，同时借助组态软件达到人机交互的效果。具体选择的硬件和型号如下：导线ASTVR0.5xl 若干、变频器ASTVRV20 1台、PLC S7-200 SMART 1台、继电器Sr20 1台、触屏700 IE V3 1台、三相交流的电动机WDJ26 1台、计算机Thinkpad P15S 1台。

硬件接线：接入宏Cn003能让电动机获取三个固定转速，通过录入设定数字量，继电装置负责输入，基于设定的线路连接设计，使用导线连接，得到图1接线图。在实际接线期间需注重下述问题：在全部线路都接完后应进行全面复查，避免由于接线有误损坏变频装置，特别是主电源的部分严禁出现断路的问题；变频装置接线端子处不可使用过大的力气处理插拔导线，避免形成机械损伤；在保障接线无问题后才能开始送电。后期送电及停电期间应强调安全问题，尤其在按下停止键后，要保证控制面板上的所有指示灯都熄灭后才能开启装置的盖板；录入设置变频装置的参数时需先把程序上的所有参数值归零，而后依次输入设定参数值[4]。

图1 接线图

2.2 软件编程设计

编写PLC 程序时需按照电动机运行需要设置输出变量，进行地址配置。具体分配情况如表1所示。基于表中所示的地址分配情况与控制需要，编写PLC 程序。

表1 I/O 地址配置表

2.3 变频装置参数

在三段速运行条件下，处于外部操作以及PU/外部并行的状态中，和PLC 进行联动控制，更具便利性。此处使用西门子的变频装置V20，对其的调试过程如下：

硬件送电。接上导线使变频装置通电;设置硬件参数。将P0010与P0970分别调整至30和21，点击确认后变电装置进行复位。等待10s 左右后设备会处于出厂设置状态。此外电动机相应的参数设计包括：P0003出厂值是1、设置值为1，确保控制系统用户的访问级是标准级；90010出厂值是、设置值为1，以实现高速调试；P0100出厂值是0、设置值为0，电动机功率单位是kW，频率设置成50Hz；P0304出厂值是230、设置值为380，表示电动机的额定电压，单位是V；P0305出厂值是1.5、设置值为0.65，表示电动机的额定电流，单位是A；P0307出厂值是0.75、设置值为0.20，代表电动机的额定功率，单位是kW；P0310出厂值是50、设置值为50，对应电动机的额定频率，单位为Hz；P0311出厂值是0、设置值为1300，表示电动机的额定转速，单位是r/min。

在完成上述参数输入后需选定连接宏，点击M键确定连接宏Cn003。全部参数设定后把P0010调节到0，让变装置形成准备状态，支持常规使用需要。点击切入到操作菜单页面，完成硬件上设备调试[5]。

2.4 控制画面组态

进入到WinCC fexible 组态软件程序主页面上，打开一侧的操作导航栏，点击“项目”选项选中“画面”，添加所需的操作页面，进入到新画面操作页面。而后在组态软件程序的主页面上提供的工具栏挑选适宜的线与文本域、I/O 域、按键等项目，放在创建画面的空白区域，并能增设文本域。点击文本域，弹出相关的属性视图对话框便可进行文本编写。采取相同的操作方式增添其他的操作所需对象，完成控制页面的编辑。在此组态画面上应设置按键与开关，进入“事件”页面，根据按键不同执行动作设置响应函数。按键在被点击后增设函数SetBit 负责复位动作。此外，需基于函数增添所需控制操作对应的软元件，如在点击按下中置位M0.0，在“释放”中需复位到M0.0，让画面按键呈现出点动效果。

在SMART LINE IE V3触摸屏上，在送电过程中屏幕中输出硬件设备启动中的画面，具体呈现出三个按键：Transfer 负责在下载任务文件资料时把HMI 装置调整成“传送”的状态；Start 可启动操作画面上所列任务项目；Control Pannel 点击后画面能直接跳转到控制面板。借助以太网把组态任务项目直接下载到操作页面上，选择“传送”指令，自动把项目资料传送给指定的地址[6]。

3 PLC 变频器三段速控制的实现案例

基于西门子PLC 控制变频器形成三段速电路。涉及到的原件及对应包括：VFD，三菱变频；PLC为西门子PLC200；断路器，QF1总断路器、QF2负责回路部分；QF3负责PLC 断路器；kM，交流接触器；M，三相异步的电机。此外，设置量最多的是按钮，SB1是变频装置的送电按钮，外观是绿色；SB2是变频装置的停电按钮，为红色；SB3为变频装置的运行输出，为绿色；SB4负责变频装置的停止输出控制，为红色；SB5是多段速1，为绿色；SB6是多段速2，为绿色；SB7对应多段速3，同样是绿色[7]。

3.1 参数设定

Pr.77是指禁止编写的选项，相应参数值是1，在系统停止期间能进行编写。ALLC 可清除所有参数，设定值是1，能把硬件参数全部调节到初始值状态。Pr.79来确定操作模式，设定值是3，初始外部和面板PU 联动运行。Pr.178的功能为支持正转运行STF，设定值是60，可把端子STF 设定成正转运行的一种指令。Pr.184为端子设置选择AU，参数值是4，把AU 端子设定成输入行为有无效的选项，仅有处于ON 状态下才表示有效。数字录入的公共端SD，支持STF、STOP 等诸多控制数字量的输入。模拟量的公共端设置硬件频率信号的端子，在ON 情况下才是有效输入。Pr.267的功能是选定端子的频率输入方式，参数值是2，支持在对应端子中，输入0～10V 的信号。Pr.195可选定不同端子的对应功能，设定值是99。在端子出现异常的情况下可应用常开点A1、C1[8]。

3.2 原理分析

3.2.1 变频合闸

首先，闭上总开关，空开QF1，PLC 控制电源QF3和变频装置的输入接触装置，控制电源QF2。控制装置PLC 把电压信号与电流信号设置为中间变量，前者设定区间是0～10V；后者为4～20mA；中间变量则在0～32000中；其次，变频器送电，按相应的合闸按键SB1闭合I0.0，输出继电装置Q0.0完成得电的过程。PLC 外接点Q0.0和1L 接点连接，主交流的接触装置KM 线圈的点，相应的接触点闭合，使得变频装置获得运行电源。而且触点会关闭自锁，维持线圈的长时间吸合；最后基于参数表在全部归零后设置变频参数。

3.2.2 变频运行

按变频装置的运行按键SB3，使得I0.2闭合，由此让输出继电装置Q4.0获得电量。PLC 外接点Q4.0和2L 连接，同时变频端子STF 和SD 端子处于闭合状态。Q4.0常开点在此时会随之闭合自锁，继而完成三段速运行实现的准备工作[9]。

3.2.3 三段速运行

其一，按下SB5使得I0.4闭合，根据指令上升沿触发，同时完成输出动作。继电器M0.0与M0.1、M0.2复位一次，按照对应频率进行输出复位，与此同时M0.0得电。把频率 赋值到PLC 模拟量进行输出，相应电压值是2V，加在对应的外接端子上。此时变频器以10Hz 的状态运行;其二，按下SB6I0.5闭合，输出及继电器等均和上一种状态相同。但此时得电的是M0.1。把频率 赋值到模拟输出量。该阶段变频器处于20Hz 的运行状态中;其三，按下SB7使得I0.6闭合，输出复位后M2.0继电器获得电源，把频率3赋值到模拟输出量，变频器的运行频率是40Hz。上述的频率值可根据控制需求进行设定，也无固定的次序。

按下SB4，发出停止的指令后，I0.3继电器Q0.1会随之失电，外接端子STF 和SD 直接切断联系。根据设定的减速时间，频率归零后电动机便会停止运行，同时控制面板上的指示灯全部熄灭，输出0.00Hz。另外，在变频装置的运行期间直接按下SB2，系统不会给出任何响应，仅有在确定停止断电后再执行SB2按键的指令，会让相应的继电器失电、输出点断开等[10]。

基于本文分析讨论内容，进一步说明采用上述操作手段实现，进入到PLC 页面下载应用程序。而后进行编译及启动运转程序，配备触屏方便人机交互，并能动态了解三段速与电动机工作的状态。