变频器与PLC共同控制电机

【摘 要】由于现代工业自动化的控制中对电机转速和设备的控制的灵活性，要求越来越高，而变频器和PLC在这两个方面有着突出的优点，本文就是论述如何用变频器、PLC控制设计的电机调速系统。

【关键词】PLC；变频器；电机；调速

一、 变频器

（一）通用变频器的工作原理

1.通用变频器的基本工作原理

在各种异步电机调速控制系统中，目前效率最高、性能最好的系统是变压变频调速控制系统。异步电动机的变压变频控制系统一般简称为变频器。由于通用变频器使用方便、可靠性高，所以它成为现代自动控制系统的主要组成元件之一。

（1）异步电动机调速控制特性

异步电动机调速时，磁通太弱，铁芯没有充分利用，是一种浪费；若磁通太强，会使铁芯饱和，过大的励磁电流会使绕组过热，甚至烧坏电机。只要控制好Eg和f1，就可以达到控制Φm的目的。为此考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。

（2）基频以下调速

保持Φm恒定，当频率f1由额定频率f1n向下调节时，必须同时降低Eg，使Eg/ f1=常数当电动势较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，认为定子相电压U1≈Eg，则使U1/ f1=常数亦可保持Φm恒定。此称为恒压比控制方式。

（3）基频以上调速

在基频以上调速时，频率可以从f1N往上增高，但电压U1却不能增加的比额定电压U1n更高，最多只能U1=U1n。也就是说，基频以上调速时，电压U1是恒定的。由式可知，这将使磁通Φm与频率f1成反比降低。把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得到异步电动机变频调速控制特性。如果电动机在不同转速下都具有额定电流，则电动机都能在温升允许条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化，因此，在基频以下属“恒转矩调速”性质，而在基频以上，基本上属“恒功率调速”性质。

以上分析表明，必须同时改变电源的电压和频率，才能满足变频调速的要求。

现有的交流供电电源都是恒压频的，要获得频率和电压都可调节的电源，必须通过变频装置，这样的装置称为变压变频（VVVF-Variable Voltage Variable Frequency）装置。

2.变频器的基本结构

（1）变频器的基本外形结构

变频器是把电压，频率固定的交流电变换成电压，频率分别可调的交流电的交换器。变频调速器与外界的联系基本上分三部分：

变频器根据功率的大小，从外形分为书本型结构和装柜型结构（45k-1500kw）两大类。

（2）变频器的类别

从结构上看，变频器可分为交一交变频器和交一直一交变频器两类。无论是交一直一交变频还是交一交变压频，从变频电源的性质上看，又可分为电压源型变频器和电流源型变频器两大类。对于交一直一交变压频装置，电压源型变频器和电流源型变频器的主要区别在于中间直流环节采用什么样的滤波器。

（3）变频器的额定值和频率指标

①输入侧的额定值

输入侧的额定值主要是电压和相数。

②输出侧的额定值

出电压UN由于变频器在变频的同时也要变压，所以输出电压的额定值是指输出电压中的最大值。

③频率指标

a.频率范围，既变频器能够输出的最高频率fmax和最低频率fmin。各种变频器规定的频率范围不尽一致。

b.频率精度，指变频器输出频率的准确程度，在变频器使用说明书中规定的条件下，由变频器的实际输出频率与设定频率之间的最大误差与最高工作频率之比的百分数来表示。

c.频率分辨率，指输出频率的最小改变量，即每相邻两挡频率之间的最小差值。一般分模拟设定分辨率和数字设定分辨率两种。

（4）变频器的主电路

主电路由三部分组成

①整流电路

②中间直流电路

③逆变器

二、 可编程序控制器

本章所论述的是可编程序控制器的基本构成、工作原理、指令系统、编程方法、编程器的使用、采用可编程控制器控制系统的设计、安装和维护及实际应用等。

（一）可编程序控制器的基本结构与工作原理

1.PLC的基本结构

传统的继电接触控制系统通常由输入设备、控制线路和输出设备三大部分组成。显然这是一种由许多“硬”的元器件连接起来组成的控制系统。PLC及其控制系统是从继电接触系统和计算器控制系统发展而来的，因此PLC与这两种控制系统有许多相同或相似之处，PLC的输入输出部份与继电接触控制系统的大致相同，PLC的控制部分用微处理器和存储器取代了继电器控制线路，其控制作用是通过用户软件来实现的。

2.PLC的工作原理

（1）PLC的等效电路

PLC的等效电路它主要由输入部分、输出部分和内部控制电路组成。

输入部分的作用是收集被控设备的信息或操作指令。输入接线方式分为两种：一种是分隔式输入接线方式，既每一个输入回路只有两个接线端口，其中一个为输入端公共端口COM，各个输入点之间是相互隔离的；另一种是汇点接线方式，即所有输入端只有一个公共点（汇集点），也可以是几个输入端共用一个输入公共点（COM）。

输出部分的作用是驱动外部负载；输出也有两种接线方式：一是分隔式，即每个输出回路彼此独立，用户提供工作电源，显然分隔式接线方式输出回路之间相互关联与影响很小；二是汇点式，即所有输出端点或几个端点共用一个用户提供的交流或直流电源。外部负载驱动电源的一端接到输出公共端子（COM）上。

内部控制电路的作用是对从输入部分得到的信息进行运算、处理，并判断哪些功能应输出。图中T450为定时器，M100为辅助继电器，PLC内部还有计数器C等。PLC内部有许多“软”继电器或继电器“软”触点和“软”接线，这些都是用编程软件来实现的。

（2）PLC的工作过程

PLC的工作过程一般可分为三个主要阶段：输入采样（输入扫描）阶段、程序执行（执行扫描）阶段和输出刷新（输出扫描）阶段

PLC采用循环扫描工作方式。PLC工作的主要特点是输入信号集中批处理，执行过程集中批处理和输出控制也集中批处理。PLC的这种“串行”工作方式，可以避免继电接触控制中触点竞争和时序失配的问题。这是PLC可靠性高的原因之一，但是又导致输出对输入在时间上的滞后，这是PLC的缺点之一。

3.PLC的常用编程语言

PLC是以程序的形式进行工作的，所以必须把控制要求变换成PLC能接受并执行的程序，编制程序应用编程语言。PLC常用的编程语言有以下几种：梯形图语言、助记符语言、逻辑功能图语言和某些高级语言，但目前使用最多最普遍的是梯形图语言及助记符语言。

梯形图是一种图形语言，它沿用着继电器的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，增加了一些继电接触控制中没有的符号，因此梯形图与继电接触控制图的形式及符号有许多相同或相仿的地方。梯形图按自上而下，从左到右的顺序排列，最左边的竖线称为起始母线也叫左母线，然后按一定的控制要求和规则连接各个触点，最后以继电器线圈结束，称为一逻辑行或叫一“梯级”，一般在最右边还加上一竖线，这一竖线称为右母线。通常一个梯形图中有若干逻辑行（梯级），形似梯子，梯形图由此而得名。梯形图比较形象直观，容易掌握，用得很多，堪称用户第一编程语言。

4.编程器的结构类型与功能用途

（1）功能用途

编程器是PLC的重要设备，也可看作是PLC的一个智能模块，是每种必备的部件。它的主要功能用途在于：编辑与输入用户程序，调试与修改用户程序，监控程序的运行等。F1系列PC属于小型低档机，为整体式结构，包括基本单元（主机）、扩展单元、特殊单元三种。每个PC控制系统必须有一台主机，若要增加输入输出点数，应连接扩展单元。若要增加控制单元功能，则可连接特殊单元，如高速计数单元、模拟单元。

F1系列PC的芯片为8039单片机芯片，执行速度平均为12微秒/步。程序容量为1000步。输出方式为：晶体管输出（用T表示）、晶闸管输出（用S表示）、继电器输出（用R表示），共三种。

F1系列PC除了可用F1-20PE简易编程器外，还可用GP-20P-E和GP-80F2A-E图形编程器和IBM机及其兼容机进行编程，并可以外接录音机、打印机和磁盘驱动器。

（2）编程器可分为三类

①手持式编程器又称简易编程器。

②带有显示屏的编程器，又称图形编程器.

③用通用计算机作为编程器。

5.编程器的编程工作方式

不同类型的PLC都配有相应的编程器，下面以F、F1、F2系列PLC中使用的简易编程器F1-20P为例，叙述其编程和监控工作方式。

PLC基本单元有运行和停止两种模式。编程时基本单元置于停止模式；而系统处于工作运行或对程序执行情况监视时，基本单元（主机）应置于运行模式。有的PLC，不把其公共端子COM和运行端子RUN连接起来，就是停止模式，即相当于把基本单元置于STOP位置。编程时，必须使主机处于停止模式，同时把编程器置于“PROGRAM”编程位置。在进入编程工作方式下，可进行下列操作。

（1）清除用户程序存储器内容

其操作为：依顺序按键，CLEARSTEP步序号OSTEP最终步序地址 DEL。

最终步序地址，不同PLC有些不同，比如F-20M为477，F-40M为889，F1系列PLC为999，按上述操作后，STEP显示为000。再按CLEAR INSTR键，则INSTR显示为NOP，DATA显示为000。表明已清除用户程序存储器内容。若按错最终步序号，则不能清零。

（2）写入程序

操作为：依顺序按键，CLEARSTEP第一个步序号INSTR指令键 器件号或常数值 WRITE。如果从000步序开始写入程序，则可省去 第2和第3步、按写入键WRITE，步序自动加1，不需再按加步键STEP（+）。每键完一条指令程序，必须按写入键 WRITE，就像按普通微机回车键一样，才能把程序输入存储器。接着用相同的步骤方法依次写入各条指令程序。

从上面写入程序步骤和显示可见，每次按写入键WRITE，STEP显示步序号自动加1后，指令显示INSTR为NOP，数据显示DATA为000，这表示上一条指令程序已写入可写入下一条指令程序。

（3）读出程序

读出程序可从000步开始，也可从任意步开始。其操作为：CLEAR STEP 步序号 INSTP STEP（+）或 STEP（-）。

如果从000步开始，则可省略第2和第3步。按STEP（+）键，步序号加1，显示下一条指令程序。按STEP（-）键，步序号减1，读出上一条指令程序，如果连续多次按STEP（+）或STEP（-）键，步序号超出用户步序号范围时，则INSTR显示为NOP，DATA显示为000，假设多次按STEP（-）键，使步序号显示为0，再按（-）键时，则STEP显示PLC的最大地址数，例如F1-30MR显示为999。

（4）搜索程序

在未给出步序号时要找出某一条给定的指令，指令可按下面步骤进行操作：CLEAR 指令符号器件号码 SEARCH（搜索功能键），即可显示要寻找的指令步号再按SEARCH 键，则可显示要寻找指令的第二个步序号（如果没有相应的第二个步序号，则 STEP显示最大地址数），如有必要可一直操作至STEP 显示PLC 最大地址数。显示出寻找的指令步序号后，再按INSTR 键，则可显示寻找的指令程序。

上面这个操作过程不能直接用于寻找常数。需要寻找常数，假设已按上述操作过程，寻找出被被寻找指令步序号与寻找常数步序号相距很近。可用STEP（+）或STEP（-）键很快找到。

（5）删除和插入程序

如果要在程序中删除某条指令程序，则应按上面的方法找到所要求删除的指令程序，然后按下键，该指令程序即被删去，而该指令之后的步序号均自动减1。假设要在程序中插入一条指令程序，则先按上述方法找到与所要插入指令的相应的下一条指令程序，然后键入要插入的指令符号和器件号，接着按INS键，该条指令程序即入了。而该条指令程序后的步序号均自动加1。

（6）修改程序

需修改某条程序，用上面介绍的方法找出要修改的指令程序，再写入新的指令程序，接着按下写入键WRITE，则旧程序被新程序所代替。

（7）检验程序

①检验语法

要检验写完的程序中有没有语法错误，操作如下：（如果语法有错，则显示其错误代码）（显示出有错的步序号的指令）。用1代表语法检验，语法错误代码为：

1-1 表示使用器件号不正确（例如900），或指令符号与器件号不匹配（例如）

1-2表示编程时漏掉定时器或计数器的设定值（按键后，显示相应的指令）。

1-3表示设定值不正确，即超出规定的设定值范围。

当程序中存在有语法上的错误时，按WRITE键后则在DATA区显示出错误代码，或闪动显示。语法没有错误时，则DATA无显示。实际上，若数据超出规定范围，或不符合语法，则在编程时要么写不入，要么显示闪动，在监控时，主机PROG-E指示灯闪动。

②检验线路

其操作为CLEAR STEP 2 WRITE（若线路有错误则显示错误代码）STEP（显示出有错的步序号）INSTR（显示有错误的步序号的指令程序）。用2代表线路检验，线路错误代码为：

2-1 为LD或LDI在一逻辑行（线圈）中使用达8次或超过8次。

2-2 为LD/LDI和ANB/ORB使用不正确。MC 、MCR、 EJP 或END没有连到母线上。线圈接左母线。或一逻辑行右端没有接线圈。

2-3 为步序梯形图指令不符合规定（F1系列PLC）。

③校验求和

求和校验操作为：CLEAR STEP 3 WRITE（如果显示出代码3-1，则表示两次求和值不等）。用校验求和。

④检查双线圈

所谓双线圈是指：在程序中同一个器件的线圈两次或两次以上使用OUT指令。使用双线圈应特别注意，不然较易出错。检查双线圈操作为：CLEAR STEP 4 （用于双线圈检查） WRITE。

三、 结束语

变频器和PLC的使用已经在各行业得到普及，由于其各有优点，所以已取得了良好的经济效益，在工业控制中如果把变频器和PLC组成开环或闭环系统，同时变频器和PLC本身就具有强大的网络功能，可以和计算机等设备进行通信等、如果能有机的将变频器和PLC的功能结合起来、将进一步提高设备的自动化水平，满足不同行业的需求，其应用前景是十分广泛的，具有很高的性价比。

参考文献：

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[2]邓则名等编.电器与可编程控制器应用技术.机械工业出版社，1997年.

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