基于PLC的冷軋張力控制系統(tǒng)中變頻器的設(shè)計(jì)

趙明明

（丹東市中等職業(yè)技術(shù)專業(yè)學(xué)校，遼寧丹東 118000）

基于PLC的冷軋張力控制系統(tǒng)中變頻器的設(shè)計(jì)

趙明明

（丹東市中等職業(yè)技術(shù)專業(yè)學(xué)校，遼寧丹東 118000）

隨著電力電子技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電動(dòng)機(jī)工作電源的頻率和幅值來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力傳動(dòng)元件。它可以應(yīng)用在很多場合。有通用變頻器，簡易型通用變頻器，高性能通用變頻器，專用變頻器之分。變頻器的應(yīng)用對(duì)當(dāng)今社會(huì)各產(chǎn)業(yè)有著很重要的意義。

PLC 變頻器 張力控制 PLD

近年來隨著電力電子技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)通過改變電動(dòng)機(jī)工作電源的頻率和幅值來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力傳動(dòng)元件，它可以應(yīng)用在很多場合。有通用變頻器，簡易型通用變頻器，高性能通用變頻器，專用變頻器之分。變頻器的應(yīng)用對(duì)當(dāng)今社會(huì)各產(chǎn)業(yè)有著很重要的意義。

1 變頻器與PLC的連接方式

PLC與變頻器有3種連接方法：（1）利用PLC的模擬量輸出模塊控制變頻器，這種方法PLC的模擬量輸出模塊輸出0～5U電壓或4～20MA電流，將其送給變頻器的模擬電壓或電流輸入端，控制變頻器的輸出頻率。它的優(yōu)點(diǎn)為硬件接線簡單，但是PLC的模擬量出模塊很貴，成本太高了。（2）PLC通過PS-485通信接口控制變頻器。這種系統(tǒng)中FX2N-64MR為系統(tǒng)核心，F(xiàn)X2N-485-BD為FX2N系列PLC的通信適配器，用于PLC和變頻器之間的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。SCO9電攬用于PLC和計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送。它的優(yōu)點(diǎn)是硬件接線簡單，但是點(diǎn)增加通信用的接口模塊，缺點(diǎn)是模塊價(jià)格也比較高，步熟通信的人利用起來很復(fù)雜，不容易學(xué)。（3）利用PLC的開關(guān)量輸入，輸出模塊控制變頻器，PLC的開關(guān)量輸出，輸入端大多數(shù)能夠與變頻器的開關(guān)量輸入，輸出端直接相連。它的優(yōu)點(diǎn)是接線比較很簡單，抗干擾能力強(qiáng)，用PLC的開關(guān)量輸出模塊可以控制變頻器的正反轉(zhuǎn)調(diào)速，能基本實(shí)現(xiàn)復(fù)雜要求。要實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)變頻器的通信控制，必須對(duì)PLC進(jìn)行編程，通過程序?qū)崿F(xiàn)PLC對(duì)變頻器的各種運(yùn)行和數(shù)據(jù)的采集。

PLC程序與變頻器連接基本操作步驟：（1）對(duì)變頻器進(jìn)行初始化設(shè)定，參數(shù)設(shè)置。如果在進(jìn)行初始化設(shè)定時(shí)有一個(gè)錯(cuò)誤的設(shè)定，會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)無法傳輸。（2）復(fù)位變頻器確保參數(shù)生效。（3）對(duì)西門子進(jìn)行設(shè)置，包括通信格式進(jìn)行設(shè)定，波特率，數(shù)據(jù)長度，奇偶校驗(yàn)，停止位和數(shù)據(jù)格式等，設(shè)定后必須從啟。（4）電纜制作及PLC與變頻器連接。（5）編寫程序。

變頻器與PLC相連接應(yīng)該注意：（1）對(duì)PLC本身應(yīng)按規(guī)定的接線標(biāo)準(zhǔn)和接地條件進(jìn)行接地，而且應(yīng)注意避免和變頻器共同的接地線，應(yīng)該將它們分開。（2）當(dāng)電源條件不好時(shí)，應(yīng)該在西門子PLC的電源模塊及電源線上接入噪聲濾波器等抗噪聲變頻器。（3）當(dāng)變頻器和PLC需要放在一個(gè)柜中的，應(yīng)該把PLC的電線與變頻器電線各自扎好分開。（4）通過使用屏弊線和雙絞線抑制噪聲干擾。（5）在PLC和變頻器連接時(shí)，應(yīng)注意出現(xiàn)干擾，避免使變頻器誤工作造成設(shè)備損壞。

2 矢量控制

矢量控制的基本思想是：仿照直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特點(diǎn)，使異步交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也能通過控制兩個(gè)互相獨(dú)立的直流，控制兩個(gè)互相獨(dú)立的直流磁場進(jìn)行調(diào)節(jié)。矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。矢量控制方式有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制和無速度檢測器的矢量控制兩種。基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式是Uf恒定控制的基礎(chǔ)上，通過檢測異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際速度，并得到與之相對(duì)應(yīng)的頻率，在根據(jù)系統(tǒng)相達(dá)到的轉(zhuǎn)矩（按式3-3），控制定子電流矢量對(duì)變頻器的輸出頻率控制，這樣的方式能提高動(dòng)態(tài)性能。

定子電流I1，轉(zhuǎn)矩電流I2和勵(lì)磁電流IM三者之間關(guān)系如下：

由于轉(zhuǎn)差頻率fs=s所以

由于轉(zhuǎn)矩電流過渡過程中波動(dòng)還要根據(jù)3-6的條件對(duì)電動(dòng)機(jī)定子電流的相位進(jìn)行控制。

從圖3-6中看出，與一般的轉(zhuǎn)差頻率頻率控制方式對(duì)比，基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式在輸出轉(zhuǎn)矩方面有所提高。

無速度傳感器矢量控制方式是分別對(duì)基本勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測，在通過控制電動(dòng)機(jī)的定子繞組上的電壓和頻率來控制勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的指令值和檢測得到的值維持一致，實(shí)現(xiàn)矢量控制。用無速度傳感器矢量控制方式時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速按（3-7）計(jì)算。

3 PID控制

調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為微分，比例，積分控制；稱它都PID控制，其中P為比列，I為積分，D為微分。它們一般情況下步單獨(dú)使用，組合成PI控制，PD控制，PID控制等方式。PID控制是至今用的最廣泛的，它具有結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性較好，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。PID控制是由于系統(tǒng)產(chǎn)生誤差，用比列，積分，微分計(jì)算得出的控制量進(jìn)行控制誤差。

（1）比例控制是最簡單的方式，系統(tǒng)控制器輸出信號(hào)與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。但是比例控制存在輸出穩(wěn)態(tài)誤差。（2）積分控制中控制器的輸出信號(hào)與輸入誤差信號(hào)成正比關(guān)系。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)存在穩(wěn)態(tài)誤差，稱此系統(tǒng)為穩(wěn)態(tài)誤差系統(tǒng)。將應(yīng)采用積分控制，積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，時(shí)間越長，積分項(xiàng)會(huì)越大，即使誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間變長而贈(zèng)大，會(huì)使穩(wěn)態(tài)誤差減小。（3）微分控制中控制器的輸出信號(hào)與輸入誤差信號(hào)的微分成正比關(guān)系。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)在進(jìn)行消除誤差時(shí)會(huì)出現(xiàn)振蕩，嚴(yán)重的話還可能失穩(wěn)，采用微分項(xiàng)來抑制這種情況。（4）PI控制是P比例和I積分運(yùn)算之和，用PI控制時(shí)，可以去除掉改變目標(biāo)值和外來干擾等產(chǎn)生的偏差，但是由于積分工作太快對(duì)變化的偏差作用不明顯。（5）PD控制是積分和微分運(yùn)算之和，PD控制用于過程本身沒有制動(dòng)作用的負(fù)載。

量，對(duì)系統(tǒng)被控對(duì)象進(jìn)行控制。PID的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：u為PID控制器的輸出；

T為PID控制器的采樣周期；

ei為第i時(shí)刻（SV-PV）誤差值，SV為被控量的設(shè)定值，PV為被控量的實(shí)際值。

變頻器用來實(shí)現(xiàn)PID控制兩種情況：（1）變頻器內(nèi)部設(shè)置的PID功能，輸入信號(hào)通過變頻器端子進(jìn)行輸入，反饋信號(hào)也給變頻器的控制端，在變頻器的內(nèi)部進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)PID控制。（2）是外部進(jìn)行的PID控制，將輸入信號(hào)與反饋量比較后，把比較完的輸入信號(hào)給到變頻器的端子，以改變輸出頻率。變頻器的PID控制與傳感器組成閉環(huán)控制。有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。PID控制主要用來實(shí)現(xiàn)定值控制，適用與冷軋剛恒張力控制系統(tǒng)。

［1］李長軍，王勇.變頻器技術(shù)一學(xué)就會(huì).北京：電子工業(yè)出版社，2012：140-144.

［2］陳立香.變頻調(diào)速.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：118-122.

［3］杜金城.電氣變頻調(diào)速設(shè)計(jì)技術(shù).北京：中國電力出版社，2001：148-151.

［4］曾允文.變頻調(diào)速技術(shù)基礎(chǔ).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：84-85.

［5］張燕賓.變頻調(diào)速應(yīng)用實(shí)踐.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：253-327.

［6］何超.交流變頻調(diào)速技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012：61-63.

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趙明明（1988—），女，漢族，教師，研究方向：PLC編程。