PLC控制与变频调速系统设计

【摘 要】本文根据作者多年工作经验先后阐述了变频器调速的概念，PLC控制与变频器的连接，S7-300PLC控制变频调速系统的程序设计，设计中应该注意的问题。

【关键词】PLC；变频调速；设计

引言

PLC作为传统继电器的替代产品，广泛应用于工业控制的各个领域。由于PLC可以用软件来改变控制过程，并有体积小，组装灵活，编程简单，抗干扰能力强及可靠性高等特点，特别适用于恶劣环境下运行。

1 变频调速的概念

改变供电电压的频率可以实现对交流电动机的速度控制，这就是变频调速。现在变频器在电气自动化控制系统中的使用越来越广泛，这得益于变频调速性能的提高和变频器价格的大幅度的降低。实现变频调速的关键因素有两点：一是大功率开关器件。虽然早就知道变频调速是交流调速中最好的方法，但受限于大功率电力电子器件的实用化问题，变频调速直到20世纪80年代才取得了长足的发展。二是微处理器的发展加上变频控制方式的深入研究使得变频控制技术实现了高性能、高可靠性。变频调速的特点有：可以使用标准电动机（如无须维护的笼型电动机），可以连续调速，可通过电子回路改变相序、改变转速方向。其优点是启动电流小，可调节加减速度，电动机可以高速化和小型化，防爆容易，保护功能齐全（如过载保护、短路保护、过电压和欠电压保护）等。变频调速的应用领域非常广泛，它应用于风机、泵、搅拌机、挤压机、精纺机和压缩机，原因是节能效果显著；它应用于机床如车床、机械加工中心、钻床、铣床、磨床，主要目的是提高生产率和质量；它也广泛应用于其他领域，如各种传送带的多台电动机同步、调速和起重机械等。

2 PLC控制与变频器的连接

2.1 开关指令信号的输入

变频器的输入信号中包括对运行/停止、正转/反转、微动等运行状态进行操作的开关型指令信号。在使用继电器接点时，常常因为接触不良而带来误动作；使用晶体管进行连接时，则需考虑晶体管本身的电压、电流容量等因素，保证系统的可靠性。在设计变频器的输入信号电路时还应该注意，当输入信号电路连接不当时，有时也会造成变频器的误动作。例如，当输入信号电路采用继电器等感性负载时，继电器开闭产生的浪涌电流带来的噪声有可能引起变频器的误动作，应尽量避免。当输入开关信号进入变频器时，有时会发生外部电源和变频器控制电源（24VDC）之间的串扰。正确的连接是利用PLC电源，将外部晶体管的集电极经过二极管接到PLC。

2.2 数值信号的输入

变频器中也存在一些数值型（如频率、电压）指令信号的输入，可分为数字输入和模拟输入两种。数字输入多采用变频器面板上的键盘操作和串行接口来给定；模拟输入则通过接线端子由外部给定，通常通过0～10V/5V的电压信号或0/4～20mA的电流信号输入。由于接口电路因输入信号而异，因此必须根据变频器的输入阻抗选择PLC的输出模块。

当变频器和PLC的电压信号范围不同时，如变频器的输入信号为0～10V，而PLC的输出电压信号范围为0～5V时；或PLC的一侧的输出信号电压范围为0～10V，而变频器的输入电压信号范围为0～5V时，由于变频器和晶体管的允许电压、电流等因素的限制，需用串联的方式接入限流电阻及分压方式，以保证进行开闭时不超过PLC和变频器相应的容量。此外，在连线时还应注意将布线分开，保证主电路一侧的噪声不传到控制电路。通常变频器也通过接线端子向外部输出相应的监测模拟信号，电信号的范围通常为0～10V/5V及0/4～20mA电流信号。无论哪种情况，都应注意：PLC一侧的输入阻抗的大小要保证电路中电压和电流不超过电路的允许值，以保证系统的可靠性和减少误差。另外，由于这些监测系统的组成互不相同，有不清楚的地方应向厂家咨询。另外，在使用PLC进行顺序控制时，由于CPU进行数据处理需要时间，存在一定的时间延迟，故在较精确的控制时应予以考虑。

3 S7-300PLC控制变频调速系统的程序设计

利用西门子STEP7软件编写PLC梯形图程序进行速度控制。采用PLC变频调速系统提高了系统运行的平稳性、工作的可靠性，操作与维护也很方便，同时节约了大量电能。由于系统在设置参数P1300时采用的是无速度反馈的矢量控制方式对电动机的速度进行控制，可以得到大的转矩，改善瞬态响应特性，具有良好的速度稳定性，而且在低频时可以提高电动机的转矩。

图1 程序设计梯形图

这种高炉主卷扬调速系统将会给企业带来更大的效益，其程序设计（如程序梯形图1所示）：按下SB1，输入继电器X0得到信号并动作，输出继电器Y0动作并保持，接触器KM动作，变频器接通电源。Y0动作后，Y1动作，指示灯HL1亮。将SA2旋至“正转”位，X2得到信号并动作，输出继电器Y10动作，变频器的FWD接通，电动机正转启动并运行。同时，Y2也动作，正转指示灯HL2亮。如SA2旋至“反转”位，X3得到信号并动作，输出继电器Y1l动作，变频器的REV接通，电动机反转启动并运行。同时Y3也动作，反转指示灯HL。亮。当电动机正转或反转时，X2或X3的常闭触点断开，使SB2（从而X1）不起作用，于是防止了变频器在电动机运行的情况下切断电源。将SA。旋至中间位，则电动机停机，X2、X 3的常闭触点均闭合。如再按SB2，则X1得到信号，使Y0复位，KM断电并复位，变频器脱离电源。电动机在运行时，如变频器因发生故障而跳闸，则X4得到信号，一方面使Y0复位，变频器切断电源，同时，Y4动作，指示灯HL4亮。

4 设计中应该注意的问题

在变频调速系统的设计中应该注意以下几点：

（1）变频器在启动时，给定电压应以一定的斜率由0逐步达到设定值，以实现软起动的功能，减小起动电流对电网的冲击，节约电能；但在启动阶段不能进行PID调节，以防出现震荡。

（2）用PLC组成闭环自控系统，在实现自动调节的过程中，为防止PLC的扫描周期的影响，PLC运算应采用定时中断的方式， 定时中断的时间周期，可根据系统的调速指标和控制精度来设定，同时还需要考虑系统在加给定到系统运行输出的时间延迟。

（3）变频器、PLC、接触器等可安装在一台控制柜内，可就地或远程控操作，方式简单灵活。若生产需要，本系统也可方便接入DCS或上位机，建立人机界面的监控系统等。

（4）系统延伸范围广，在多台电机同步 多台电机跟踪等应用中， 只需将本系统方法稍加扩展即可实现。

（5）电机在变频或工频供电方式下切换时，须保证各接触器闭合和断开顺序以及足够的延时，以防止电机绕组产生的感应电动势加载到变频器的输出逆变桥上，造成损坏。

（6）在大负载情况下，为了减小变频器高次谐波的影响，可在变频器的一、二次侧加电抗器。

5 结论

本次介绍的利用PLC控制交流变频调速系统设计具有可靠性高、编程直观、接线简单、扩展容易等特点，且舒适感好。PLC变频器调速系统是比较好的一种实现方式，其运行效果是很不错的。

参考文献

[1]龚运新，陈淑兰，解晓飞.主编.三菱PLC实用技术教程[M].北京师范大学出版社，2007.7.

[2]冯垛生.变频器的应用与维护[M].广州：华南理工大学出版社，2002.

[3]林春方.可编程控制器原理及其应用[M].上海：上海交通大学出版社，2004.