鄭偉衛(wèi)

(河南能源化工集團(tuán) 永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600)

在當(dāng)今調(diào)速領(lǐng)域，變頻調(diào)速已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了與直流調(diào)速相媲美的調(diào)速性能，變頻調(diào)速取代直流調(diào)速已成必然趨勢(shì)[1-3]。在工業(yè)控制方面，PLC控制系統(tǒng)正在逐步取代繼電器—接觸器控制系統(tǒng)。本文將PLC控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)結(jié)合起來，運(yùn)用PLC來控制變頻調(diào)速系統(tǒng)，為今后設(shè)計(jì)高性能的調(diào)速系統(tǒng)打下良好的基礎(chǔ)[4-6]。

1 變頻調(diào)速系統(tǒng)功能

在DJDK-1型實(shí)驗(yàn)臺(tái)上構(gòu)建一個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)主要功能[7-11]：①可以進(jìn)行工頻與變頻的切換；②變頻時(shí)電機(jī)可正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，正向點(diǎn)動(dòng)、反向點(diǎn)動(dòng)，當(dāng)正轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)可以選擇低速、中速、高速等運(yùn)行方式；③電路系統(tǒng)具有自保、過載、過流、過壓等相關(guān)保護(hù)措施，各運(yùn)行狀態(tài)下有相關(guān)指示燈提示；④當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，并自動(dòng)切換為工頻運(yùn)行；⑤變頻器控制策略采用帶編碼器反饋的矢量控制方式；⑥設(shè)計(jì)出上位機(jī)與PLC通信的電氣圖。

2 變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。變頻器和三相異步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成了1個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)，并通過旋轉(zhuǎn)編碼器將電動(dòng)機(jī)的速度信號(hào)以脈沖的形式反饋給變頻器，從而構(gòu)成了1個(gè)速度反饋的閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)；變頻器由PLC控制，當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)有報(bào)警信息時(shí)，變頻器可將報(bào)警信號(hào)發(fā)送給PLC，由PLC來執(zhí)行相關(guān)的動(dòng)作；PLC可與上位機(jī)相互通信，PLC的各種操作可通過上位機(jī)監(jiān)測(cè)，上位機(jī)發(fā)出的操作命令也可通過PLC來執(zhí)行。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

3 硬件配置及系統(tǒng)電氣圖

3.1 設(shè)備選型

(1)交流電動(dòng)機(jī)。DJ24三相鼠籠式電動(dòng)機(jī)，容量Pn=180W；線電壓Un=380V；線電流0.6A；頻率50 Hz；轉(zhuǎn)速1 400 r/min。

(2)PLC。S7-300系列PLC，電源為PS307 2A，CPU為CPU313C-2DP，數(shù)字輸入模塊為SM321 DI16×DC24 V，數(shù)字輸出模塊為SM322 DO32×DC24 V/0.5 A，前連接器390-1AJ00-0AA0，20針型。

(3)變頻器。西門子A型MM440變頻器，并帶基本操作面板(BOP)和編碼器模板。

(4)旋轉(zhuǎn)編碼器。DD03-3型旋轉(zhuǎn)編碼器，該編碼器為增量式光電編碼器。

3.2 總體設(shè)計(jì)電氣圖

變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。系統(tǒng)包括：變頻主電路，工頻主電路；PLC控制電路；繼電器接觸器電路；接地電路；熱繼電器FR設(shè)定值為電動(dòng)機(jī)額定電流的1.8～2.0倍。

圖2 變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)Fig.2 Electrical diagram of hardware design for variable frequency speed regulation system

其中，變頻器、PLC、三相異步電動(dòng)機(jī)都做接地保護(hù)，旋轉(zhuǎn)編碼器的屏蔽電纜屏蔽層接變頻器的 PE端，從而接地。MM440的輸入端口見表1。

表1 MM440的輸入端口Tab.1 Input port of MM440

4 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置及PLC程序設(shè)計(jì)

4.1 變頻器參數(shù)設(shè)置

依照變頻器說明書對(duì)變頻器相關(guān)參數(shù)號(hào)進(jìn)行設(shè)置，如電機(jī)相關(guān)參數(shù)：額定電壓、額定電流、額定功率、額定轉(zhuǎn)速等，保護(hù)相關(guān)參數(shù)、頻率相關(guān)參數(shù)、端口定義等。限于篇幅,本文僅列出高、中、低三段速相關(guān)參數(shù)設(shè)置，見表2。

表2 高、中、低三速度參數(shù)設(shè)置Tab.2 High,medium and low speed parameter settings

4.2 PLC程序設(shè)計(jì)

(1)工頻、變頻選擇。工頻、變頻選擇梯形圖如圖3所示。

圖3 工頻、變頻選擇梯形圖Fig.3 Ladder diagram of power frequency and frequency conversion selection

(2)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)啟動(dòng)及高中低速度運(yùn)行選擇。正反轉(zhuǎn)啟動(dòng)及高、中、低速度運(yùn)行選擇梯形圖如圖4所示。

圖4 正反轉(zhuǎn)啟動(dòng)及高、中、低速度運(yùn)行選擇梯形圖Fig.4 Selection ladder diagram of forward and reverse starting and high,medium and low speed operation

(3)正反向點(diǎn)動(dòng)的選擇。正反向點(diǎn)動(dòng)的選擇梯形圖如圖5所示。

圖5 正反向點(diǎn)動(dòng)的選擇梯形圖Fig.5 Selection ladder diagram of positive and negative point motion

(4)變頻器故障。變頻器故障梯形圖如圖6所示。

圖6 變頻器故障梯形圖Fig.6 Frequency converter fault ladder diagram

5 調(diào)試運(yùn)行

(1)按變頻調(diào)速系統(tǒng)電氣圖連接各個(gè)硬件，合上閘刀開關(guān)Qs。

(2)在STEP 7中創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目，組態(tài)硬件，并編寫程序，通過編程電纜將組態(tài)信息和程序下載到S7-300 PLC中；在變頻器的基本操作面板上，設(shè)置 P0010=30，P0907=1，按下P鍵，恢復(fù)變頻器到出廠缺省值，然后設(shè)置參數(shù)如前。

(3)工頻運(yùn)行。閉合SB1時(shí)，KA3線圈帶電，指示燈H1亮，常開接點(diǎn)KA3閉合，從而KM3線圈帶電，主觸頭KM3閉合，電動(dòng)機(jī)工頻運(yùn)行；按下SB5，KA3線圈失電，指示燈H1滅，常開接點(diǎn)KA3斷開，從而KM3線圈失電，主觸頭KM3斷開，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。

(4)變頻運(yùn)行。閉合SB2時(shí)，KA1和KA2線圈同時(shí)帶電，指示燈H2亮，常開接點(diǎn)KA1和KA2閉合，從而KM1和KM2線圈帶電，主觸頭KM1和KM2閉合，從而變頻器接入電路；按下SB5時(shí)，KA1和KA2線圈同時(shí)失電，指示燈H2滅，常開接點(diǎn)KA1和KA2斷開，從而KM1和KM2線圈失電，主觸頭KM1和KM2斷開，從而將變頻器從電路中切除。

(5)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)和停止。先把SB2閉合，將變頻器接入電路；閉合SB3，則Q4.3為邏輯“1”，變頻器數(shù)字輸入接口“5”為“ON”，電動(dòng)機(jī)開始按所設(shè)置的8 s斜坡上升時(shí)間正向啟動(dòng)，經(jīng)8 s電動(dòng)機(jī)正向運(yùn)行速度為1 400 r/min，對(duì)應(yīng)頻率為50 Hz，此時(shí)指示燈H3亮；按下SB5，則Q4.3為邏輯“0”，變頻器數(shù)字輸入接口“5”為“OFF”，電動(dòng)機(jī)開始按所設(shè)置的8 s斜坡下降時(shí)間正向停車，經(jīng)8 s電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。

(6)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)和停止。先把SB2閉合，將變頻器接入電路；閉合SB4，則Q4.4為邏輯“1”，變頻器數(shù)字輸入接口“6”為“ON”，電動(dòng)機(jī)開始按所設(shè)置的8 s斜坡上升時(shí)間反向啟動(dòng)，經(jīng)8 s電動(dòng)機(jī)反向運(yùn)行速度為1 400 r/min，對(duì)應(yīng)頻率為50 Hz，此時(shí)指示燈H4亮；按下SB5，則Q4.4為邏輯“0”，變頻器數(shù)字輸入接口“6”為“OFF”，電動(dòng)機(jī)開始按所設(shè)置的8 s斜坡下降時(shí)間反向停車，經(jīng)8 s電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。由于PLC程序中已經(jīng)設(shè)置了正反轉(zhuǎn)的互鎖，不會(huì)出現(xiàn)誤操作。

(7)電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行。先閉合SB2，將變頻器接入電路；閉合SB6，PLC 輸出端Q4.6，Q4.5邏輯分別為“0”、“1”，變頻器“6”、“5”端口，為“OFF”、“ON”，變頻器工作在由P1001參數(shù)所設(shè)定的頻率為20 Hz的頻段上，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在由20 Hz所對(duì)應(yīng)的560 r/min的轉(zhuǎn)速上，指示燈H5亮。按下SB5，則Q4.3為邏輯“0”，變頻器數(shù)字輸入接口“5”為“OFF”，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，指示燈H5滅。

(8)電動(dòng)機(jī)中速運(yùn)行。先閉合SB2，將變頻器接入電路；閉合SB6，PLC 輸出端Q4.6，Q4.5邏輯分別為“0”、“1”，變頻器“6”、“5”端口，為“OFF”、“ON”，變頻器工作在由P1001參數(shù)所設(shè)定的頻率為30 Hz的頻段上，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在由30 Hz所對(duì)應(yīng)的840 r/min的轉(zhuǎn)速上，對(duì)應(yīng)指示燈H6亮。按下SB5，則Q4.3為邏輯“0”，變頻器數(shù)字輸入接口“5”為“OFF”，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，指示燈H6滅。

(9)電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行。先閉合SB2，將變頻器接入電路；閉合SB6，PLC 輸出端Q4.6，Q4.5邏輯分別為“0”、“1”，變頻器“6、”“5”端口，為“OFF”、“ON”，變頻器工作在由P1001參數(shù)所設(shè)定的頻率為40Hz的頻段上，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在由40Hz所對(duì)應(yīng)的1 120 r/min的轉(zhuǎn)速上，對(duì)應(yīng)指示燈H7亮。按下SB5，則Q4.3為邏輯“0”，變頻器數(shù)字輸入接口“5”為“OFF”，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，指示燈H7滅。

(10)電動(dòng)機(jī)正向點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)按下正向點(diǎn)動(dòng)帶鎖按鈕SB9時(shí)，PLC數(shù)字輸出端口Q4.7為邏輯“1”，變頻器數(shù)字輸入端口“16”為“ON”，電動(dòng)機(jī)按所設(shè)置的4 s點(diǎn)動(dòng)斜坡上升時(shí)間正向點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行，經(jīng)4 s后穩(wěn)定運(yùn)行在420 r/min的轉(zhuǎn)速上，與所設(shè)置的15 Hz頻率對(duì)應(yīng)，此時(shí)指示燈H8亮。當(dāng)松開正向點(diǎn)動(dòng)帶鎖按鈕SB9時(shí)，PLC數(shù)字輸出端口Q4.7為邏輯“0”，變頻器數(shù)字輸入端口“16”為“OFF”，電動(dòng)機(jī)按所設(shè)置的4 s點(diǎn)動(dòng)斜坡下降時(shí)間停車，此時(shí)指示燈H8滅。

(11)電動(dòng)機(jī)反向點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)按下反向點(diǎn)動(dòng)帶鎖按鈕SB10時(shí)，PLC數(shù)字輸出端口Q5.0為邏輯“1”，變頻器數(shù)字輸入端口“17”為“ON”，電動(dòng)機(jī)按所設(shè)置的4 s點(diǎn)動(dòng)斜坡上升時(shí)間反向點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行，經(jīng)4 s后穩(wěn)定運(yùn)行在420 r/min的轉(zhuǎn)速上，與所設(shè)置的15 Hz頻率對(duì)應(yīng)，此時(shí)指示燈H9亮。當(dāng)松開反向點(diǎn)動(dòng)帶鎖按鈕SB10時(shí)，PLC數(shù)字輸出端口Q5.0為邏輯“0”，變頻器數(shù)字輸入端口“17”為“OFF”，電動(dòng)機(jī)按所設(shè)置的4 s點(diǎn)動(dòng)斜坡下降時(shí)間停車，此時(shí)指示燈H9滅。

(12)變頻器故障。當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，變頻器通過端口“18”，將信號(hào)輸入PLC的I1.2地址中，此時(shí)，Q6.3輸出邏輯為“1”，繼電器KA4帶電，常開接點(diǎn)KA4閉合，接觸器KA3線圈帶電，其常開觸點(diǎn)KM3閉合，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行。

當(dāng)變頻器故障修復(fù)后，端口“18”輸出為“OFF”，經(jīng)I1.2，Q6.3輸出為邏輯“0”，繼電器KA4復(fù)位，接觸器KM3復(fù)位，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。

(13)變頻器過載。變頻器過載時(shí)，變頻器跳閘，同時(shí)報(bào)警，只有變頻器系統(tǒng)復(fù)位后，才可重新進(jìn)行相關(guān)的操作。

6 結(jié)論

本文基于DJDK-1型試驗(yàn)臺(tái)，設(shè)計(jì)了一個(gè)PLC控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)可以進(jìn)行工頻與變頻的切換；變頻時(shí)電機(jī)可正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，正向點(diǎn)動(dòng)、反向點(diǎn)動(dòng)，以及當(dāng)正轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)可以選擇低速、中速、高速等運(yùn)行方式；電路系統(tǒng)具有自保、過載、過流、過壓等相關(guān)的保護(hù)措施，各運(yùn)行狀態(tài)下有相關(guān)的指示燈提示；當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，并自動(dòng)切換為工頻運(yùn)行；變頻器控制策略采用帶編碼器反饋的矢量控制方式，速度控制的精度較高，速度控制和轉(zhuǎn)矩控制的動(dòng)態(tài)性能也較好。經(jīng)調(diào)試，系統(tǒng)正常運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)計(jì)是穩(wěn)定可靠的。