李宁LiNing
（西安航空职业技术学院，西安710089）
（Xi'anAeronauticalPolytechnicInstitute，Xi'an710089，China）
摘要：本文以西门子s7-200PLC、变频器和旋转编码器组成的交流变频闭环调速系统为例，介绍了基于PLC的变频闭环调速系统的工作原理、设计与实施方法，阐述了PLC在变频闭环调速控制系统中应用和实施过程的关键技术，并指出了系统在设计与实施过程中中应注意的问题。
Abstract:TakingtheACvariablefrequencyclosed-loopspeedcontrolsystemcomposedofSiemenss7-200PLC,inverterandrotaryencoderasanexample,thispaperintroducedtheworkingprinciple,designandimplementationmethodsoffrequencyclosedloopystemofPLC,describedthekeytechnologiesintheapplicationandimplementationprocessofPLCinfrequencyclosedloopsystem,andpointedouttheproblemsshouldpayattentiontointhedesignandimplementationprocess.
关键词：PLC；变频器；旋转编码器；交流闭环调速
Keywords:PLC；converter；rotaryencoder；ACclosedloop
中图分类号：TP31文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）07-0151-03
0引言
PLC作为一种新型工业控制装置，以其运行可靠性高、组合灵活、功能强大和维护方便等优点，在工业自动化生产领域中的应用日益广泛。变频器也是近几十年来发展起来的一种交流电动机新型变频调速装置，利用变频器对交流调速系统进行调速控制，具有调速精度高、响应速度快、保护功能完善、过载能力强、易于实现复杂控制等优点。在各种异步电动机调速系统中，效率最高、性能最好的系统是变压变频调速系统，变压变频调速系统中，调速时必须调节定子电压和频率，在这种情况下，机械特性基本上平行移动，而转差率不变，它是当前交流调速的主要发展方向。随着PLC技术和变频器技术的飞速发展，国民经济生产中对变频调速技术的精度要求也越来越高。变频开环调速系统不能满足高精度的要求，本系统旨在采用PLC与变频器组合构成的变频闭环调速系统以达到理想的调速效果。
1闭环调速系统的组成和工作原理
基于PLC模拟量方式的变频闭环调速系统主要包括以下组成部分：PLC和其模拟量输入输出模块、变频器、电动机和旋转编码器。其工作原理如图1所示。
该闭环调速系统中，与电动机同轴相连的光电旋转编码器，将电机的转速转换成电压（0V~5V），反馈到PLC的模拟量模块的一路输入端，与给定量（模拟量模块的另一路模拟量输入信号，电压0V~10V）一起在PLC内部通过PID运算处理后，再通过PLC模拟量模块的输出端子输出一路DC0V~10V的电压信号来控制变频器的输出，从而实现闭环调速控制，以达到运行速度平稳、精确地目的。
2系统硬件选择及设置
在该PLC模拟量方式的变频闭环调速系统中，主要选择的硬件设备有：西门子S7-200CPU224XP型PLC、西门子MM420变频器、EM235模拟量模块、光电旋转编码器和三相异步交流电动机。
2.1系统硬件选择
2.1.1西门子S7-200CPU224XP型PLC目前PLC使用性能较好的有SIMENS公司、日本的三菱、欧姆龙公司，美国的AB公司，一般要根据性价比、以及被控对象的I/O点数、工艺要求、扫描速度、自诊断功能因素，来选择合适的PLC产品。
本系统选择德国SIMENS公司s7-200系列CPU224XP型PLC。该产品是SIMENS公司最新推出的一种实用机型。SIEMENSS7-200CPU-224XP集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。20KB程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器（100KHz），2个100KHz的高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O，位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。非常适合有少量模拟量信号的系统中使用，在有复杂通信要求的场合也非常适用。
2.1.2变频器的选型及系统功能的设定
①容量选择。在变频调速的情况下，供电频率值是变化的，电机的实际转速也会变化。变频器在与不同型号电动机配合时，必须合理选择容量。这主要是根据所选择的电动机参数来选配相应的变频器。在一台变频器驱动一台电机的情况下，变频器的容量选择要保证变频器的额定电流大于该电动机的额定电流，或者是变频器所适配的电动机功率大于当前所选择的电动机的功率。
按连续恒负载运转时所需的变频器容量（KVA）的公式计算：
式中Pcn：负载所要求的电动机的轴输出功率
η：电动机的效率（通常约0.85）
COSф：电动机功率因数（通常约0.75）
Um：电动机电压（V）
Im：电动机电流（A）
k：电流波形的修正系数
Pcn：变频器的额定容量（KVA）
Icn：变频器的额定电流（A）
选择变频器容量时，应同时满足三个算式关系，尤其是变频器电流是一个较关键的物理量。考虑到电机性能上的差异及机械负载的不同，变频器容量应是电机容量的1~2倍，另外，也可根据生产机械所需的实际转矩与稳定运行时的转速，求其乘积，得到所需电机的轴上功率，据此确定变频器容量。
②变频器品牌的选择和系统功能的设定。西门子MICROMASTER420是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。该系列变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。MICROMASTER420具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。除此之外，MICROMASTER420通过参设设置，既可用于单独驱动系统，也可集成到“自动化系统”。
变频器在使用时。应根据电动机参数、运行特性及系统功能要求，对变频器参数进行相关的系统设定。本系统中对变频器主要参数的设定详见参数设置表1所示。
2.1.3EM235模拟量模块PLC的模拟量处理功能主要是通过模拟量输入、输出模块及用户程序来完成。模拟量模块接受各种传感器输出的标准电压或电流信号，并将其转换成数字信号存储到PLC中进行处理。最终PLC处理后的结果为标准电压或电流信号去驱动执行元件。
EM235模块是一个输入输出混合模块，该模块可以同时连接4路模拟量输入和1路模拟量输出。使用该模块主要是用来采集两个信号，一个是给定电压，另一个是旋转编码器输出的反馈量。使用EM235模块时，要根据输入信号范围对其输入信号进行整定。整定的内容包括DIP开关的设置和输入信号的整定。具体步骤如下：
①在模块脱离电源的情况下，通过DIP开关选择需要的输入范围（如给定电压范围为0V~10V，DIP开关的状态为010001）。
②接通CPU及电源模块，并使模块稳定15min。
③用给定电位器，给模块输入一个零值信号。
④调节偏置电位器，并读取和修改模拟量输入映像寄存器AIW相应地址中的读数，使该读数值为零。读取模拟量输入映像寄存器AIW中的数据可使用PLC程序来完成，参考程序如图2所示。
通过STEP7-Micro/WIN编程软件监控，可观察AIW中的数据是否为所需值。
⑤将一个满刻度信号加到模拟量模块输入端，调节增益电位器直到读数为32000。
2.1.4旋转编码器旋转编码器是用来测量转速的装置，光电式旋转编码器通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出（REP）。它分为单路输出和双路输出两种。技术参数主要有每转脉冲数和供电电压等。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组A/B相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。
2.2系统电气接线原理如图系统电气接线原理如图3所示。图中旋转编码器的转速输出端（输出0V~5V电压）与EM235模块的电压输入端A+和A-相连接，将直流给定电源的输出端（输出电压范围0V~10V）与EM235模块的B+和B-相连接，作为给定量输入值。经PLC处理后的数据由EM235模拟量输出端子送到变频器的AIN+和AIN-脚。在电路系统中，为保证正常运行安全，必须将设备可靠的接地，因此，变频器的接地端也应可靠接地。
3系统软件
在该闭环调速系统中，软件设计主要是指PLC程序设计。PLC程序设计的主要任务是接受外部开关信号（按钮）的输入和两路模拟量输入（即给定量和反馈量），对模拟量输入数据进行标准化整定，并完成PID运算，并将运算结果进行整定后，由模拟量输出端子送出。参考程序如图4所示。
4控制系统设计及实施时注意事项
4.1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。
4.2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。4.3在使用EM235模块时，要根据输入信号范围对其输入信号进行整定。
4.4在本系统中，PID运算虽然是由PLC内部编程的形式（即PID回路指令）实现的，但一定要注意比例系数、积分时间和微分时间的设置，过程量参数在写入参数表时的标准化处理以及运算结果工程量处理。
5结束语
由PLC、变频器和旋转编码器实现三相交流异步电动机变频闭环调速控制系统，具有结构简单，配置灵活，良好的软启动性能及带负载能力等特点。其动态性和稳态性均能满足高性能要求的生产场合。不仅可以获得相当的控制精度，而且还可以获得更高的可靠性和更强的抗干扰能力，满足了高稳定性和快速性要求，经济效益显著。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。目前此模式下的调速系统，已广泛的应用于工业生产及日常生活中，如：PLC控制的空压机变频调速系统、基于PLC的变频恒压供水系统、PLC变频调速系统在物料搅拌系统中的应用等等。此技术值探讨和推广。
参考文献：
[1]王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京航空航天大学出版社,2008.2.
[2]徐国林.PLC应用技术[M].机械工业出版社,2007.7.
[3]刘竟成.交流调速系统[M].上海交大出版社,1998.
[4]王志奎.可编程序控制器和交流变频器在开环、闭环调速系统中的应用[J].现代电子技术,2002.
作者简介：李宁（1975-），女，安徽阜阳人，本科，讲师，主要从事机电和自动化专业课程教学。