應用匯川PLC和變頻器實現(xiàn)電機十五段調(diào)速

尚 麗，劉淑芬,葉國平

（蘇州市職業(yè)大學 電子信息工程學院，江蘇 蘇州 215104）

傳統(tǒng)的模擬信號控制的電機調(diào)速系統(tǒng)存在抗干擾能力差、對設備要求高、控制精度不高等問題，很難適應日益復雜的工業(yè)環(huán)境[1-4]?？删幊踢壿嬁刂破鳎╬rogrammable logic controller, PLC）具有極高的控制可靠性和靈活度，不僅可以實現(xiàn)復雜的邏輯控制，還能完成各種順序或者定時的閉環(huán)控制，目前已在運動控制領域得到了廣泛的應用[5-6]。近年來，高校和企業(yè)合作已成為一種雙方尋求自我發(fā)展的趨勢[7-9]，在此背景下，基于“運動控制技術”課程實踐教學建設的需要，蘇州市職業(yè)大學和蘇州匯川技術有限公司進行校企合作，共建“高級智能控制技術”教學實驗平臺。在實踐教學過程中，學生在掌握基本的實訓項目基礎上[10-12]，可以對實訓項目進行拓展和創(chuàng)新，增加已有實訓項目的功能或者自行設計新的實訓項目，這既鍛煉了學生獨立思考和解決問題的能力，又培養(yǎng)了學生的團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新意識。

1 MD310變頻器多段模式的設置

對于不要連續(xù)調(diào)整變頻器運行頻率，只要使用若干個頻率值的應用場合，本研究可以采用多段速模式控制電機速度[6-8]，通過MD310的4個數(shù)字輸入（digital input, DI）端口DI2—DI5的信號組合值來選擇多段頻率[4]。MD310最多可以設定4個DI端口作為多段頻率指令輸入端，也可以設定少于4個DI端口的多段頻率給定的情況，對于缺少的設置位，按照“0”狀態(tài)計算。多段速模式的設置如圖1所示。

圖1 多段速模式的設置

由圖1可知，指定DI2—DI5作為多段頻率指定的信號輸入端，根據(jù)信號輸入端的四位二進制組合值來選擇多段頻率。DI端口的功能碼F4-04—F4-01（F4組功能）對應設置功能值為12—15，即指定了多段頻率指令輸入端口，而所需的多段頻率則通過變頻器FC組的多段頻率表（FC-00—FC-15）來設定，同時通過設定F0-03的值將“頻率源選擇”指定為多段頻率給定方式。如當DI2、DI3、DI4、DI5的二進制數(shù)值為0、0、1、0時，形成的狀態(tài)組合為2，就會挑選FC-03功能碼對應設定的頻率值，由（FC-03）×（FC-10）計算出目標運行頻率。其中F0-10為基本功能組F0中的一個功能鍵，用來設置最大頻率（50～500 Hz），F(xiàn)0-10的出廠默認值為50 Hz。F0-03是設置變頻器主給定頻率源的輸入通道，共有8種（F0-03對應設置值為2—9）。若設置F0-03值為2—4時，則對應通過模擬量輸入端AI1—AI4來選擇主頻來源；若設置F0-03為5時，則通過DI5來設定主頻來源；若設置F0-03為7—9時，則分別對應PLC、PID和通信給定選擇的主頻來源。本研究設置F0-03的值為6，即指定多段頻率表FC組中設定的頻率作為主頻來源。

2 三段調(diào)速的測試

2.1 控制方案設計

在“運動控制技術”課程的實踐教學中，學生要完成簡單的異步電機三段調(diào)速。實驗室的計算機需安裝與H2U系列PLC配套的編程軟件Auto Shop和觸摸屏HMI界面設計軟件InoTouch Editor。HMI界面設計時，設置了4個按鍵，分別代表高速、中速、低速和停止，按鍵圖形外觀可以采用不同的顏色加以區(qū)分。PLC編程主要實現(xiàn)以下功能：按下高速按鍵，電機高速運行；按下中速按鍵，電機中速運行；按下低速按鍵，電機低速運行；按下停止按鍵，電機停止運行。高速、中速和低速之間可以任意切換，不需要電機先停止運行再調(diào)整到設定的轉速。異步電機三段調(diào)速的變頻器參數(shù)設置如表1所示。

表1 異步電機三段調(diào)速的變頻器參數(shù)設置

由表1可知，加速、減速時間和時間單位模式的設置值可以自行調(diào)整。高速、中速和低速的轉速分別設置為900 r/min、600 r/min、300 r/min。此外，每次設置變頻器參數(shù)之前，需要先將變頻器參數(shù)恢復出廠設置，然后再重新上電設置其參數(shù)。

2.2 PLC程序設計

根據(jù)設計的控制方案，在初始狀態(tài)，停止按鍵應選用常閉觸點，高速、中速和低速按鍵應選用常開觸點，并根據(jù)速度之間的互鎖關系和電機運行速度的自鎖關系進行編程。當按下速度按鍵中的任意一個按鍵時，電機運行；當按下另外一個速度按鍵改變電機轉速時，電機則從當前轉速直接跳轉至設定的轉速；當按下停止按鍵時，電機停止運行。異步電機三段調(diào)速的PLC程序流程如圖2所示。

3 十五段調(diào)速的實現(xiàn)

3.1 控制方案設計

在完成三段電機調(diào)速測試的基礎上，本研究通過設置MD310變頻器端子DI2—DI5的多段模式及HMI界面，實現(xiàn)異步電機十五段調(diào)速。異步電機十五段速度的設定根據(jù)額定轉速的比例進行分配，本研究設定相鄰兩段轉速之間占額定轉速的比例差為6%，異步電機十五段調(diào)速的變頻器參數(shù)設置如表2所示。實訓平臺選擇的異步電機額定轉速為1 500 r/min，異步電機的第一段到第十五段轉速的變化為90～1 350 r/min。假設多段速度選擇分為自動和手動兩種模式，設置PLC控制電機調(diào)速的過程如下：①當按下啟動按鍵時，系統(tǒng)默認自動選擇段數(shù)模式，電機從第一段轉速開始定時運行，定時結束后自動選擇第二段轉速運行，以此類推，按照順序進行調(diào)速。當電機自動完成十五段調(diào)速后，若無其他按鍵按下，則電機再次選擇第一段轉速循環(huán)運行。在電機自動調(diào)速過程中，如有其他按鍵按下，則按照按鍵功能運行。②如果按下啟動按鍵，選擇手動操作模式，該模式主要包括按照輸入的段數(shù)、按照輸入的轉速和按照輸入的頻率三種調(diào)速方式。③在電機運行過程中，任意時刻，只要按下停止按鍵，電機即停止運行。選擇任一種調(diào)速方式，對應的段數(shù)、轉速和頻率均在HMI界面上顯示。異步電機十五段調(diào)速的按鍵地址設置如表3所示。

表2 異步電機十五段調(diào)速的變頻器參數(shù)設置

表3 異步電機十五段調(diào)速的按鍵地址設置

3.2 觸摸屏HMI界面設計

根據(jù)控制要求設計的異步電機調(diào)速時的HMI主界面如圖3所示。該界面設置了“總啟動”“總停止”“順序運行”“鍵入運行”四個按鍵，以及“總停止”“段數(shù)停止”指示燈，同時異步電機運行時相應的段數(shù)、轉速和頻率都會實時顯示在該界面上。順序運行模式下的HMI界面如圖3（a）所示。初始狀態(tài)時，指示燈的顏色為紅色，段數(shù)、轉速和頻率的初始值為0。工作人員可以根據(jù)控制要求，選擇異步電機自動按照“順序運行”調(diào)速模式運行，也可以手動控制異步電機調(diào)速，選擇“鍵入運行”按鍵，進入下一級菜單。根據(jù)輸入的段數(shù)、轉速或頻率進行調(diào)速。HMI界面上還設置了一個按照轉速或頻率運行的切換按鍵，當鍵入一個轉速值或頻率值并按下該切換鍵時，異步電機按照當前輸入值進行調(diào)速。鍵入運行模式下的HMI界面如圖3（b）所示。

圖3 異步電機調(diào)速時的HMI主界面

3.3 PLC編程設計

根據(jù)異步電機調(diào)速選擇的方式、段數(shù)、轉速，以及對應頻率之間的互鎖關系、電機運行速度的自鎖關系，采用PLC實現(xiàn)異步電機十五段調(diào)速。當電機運行在任一段數(shù)或因故障停止工作時，只要按下“總停止”按鍵，電機即停止運行。HMI界面顯示能夠保留電機停止運行前的段數(shù)、轉速和頻率，并不清空停機前電機運行的相關數(shù)據(jù)。異步電機十五段調(diào)速的PLC程序流程如圖4所示。

圖4 異步電機十五段調(diào)速的PLC程序流程

3.4 系統(tǒng)調(diào)試與分析

3.4.1 自動順序運行模式

在觸摸屏HMI界面上，當按下“總啟動”按鍵，接著按下“順序運行”按鍵時，“總啟動”和“段數(shù)啟動”的指示燈亮，即背景變成綠色，這時異步電機從第一段開始運行，設置每一段電機運行的時間為10 s，對應的段數(shù)、轉速和頻率會實時顯示在HMI界面上的文本框內(nèi)。若定時時間到，異步電機按照順序自動運行第二段對應的設定速度，以此類推，直至十五段速度程序全部運行完畢，即完成一個自動順序運行過程。此時，如無其他干擾，異步電機會再次從第一段設定的速度開始運行，如此循環(huán)，直至按下“總停止”按鍵，異步電機才停止運行。限于篇幅，本研究僅展示異步電機順序運行調(diào)速的部分HMI界面，僅給出段數(shù)為一、三、五和六時的運行界面，如圖5所示。

由圖5可知，異步電機在每一段運行時的段數(shù)、轉速和頻率是變化的。需要注意的是，在七段以下，異步電機可以實現(xiàn)正反轉的多段調(diào)速，這主要是因為F4-01和F4-02功能鍵在七段以下可以設置異步電機的正反轉功能，但如果需要八段以上的調(diào)速，則必須將F4-01、F4-02與F4-03、F4-04組成多段數(shù)頻率設置表，才能實現(xiàn)異步電機八段以上的調(diào)速。

圖5 異步電機順序運行調(diào)速的部分HMI界面

3.4.2 手動操作運行模式

在圖3（b）中，如果先按下“總啟動”按鍵，選擇“鍵入運行”按鍵，“總啟動”和“段數(shù)啟動”的指示燈亮，同時彈出“鍵入運行”的下一級菜單。在此菜單上，可以通過 “鍵入段數(shù)”“鍵入轉速”和“鍵入頻率”三種模式來完成電機調(diào)速。選擇“鍵入段數(shù)”操作時，則彈出“請鍵入段數(shù)”的界面，點擊相應的文本框，彈出數(shù)字鍵盤，操作人員輸入1～15內(nèi)任意數(shù)字，系統(tǒng)根據(jù)輸入的數(shù)字選擇對應的轉速實現(xiàn)電機的調(diào)速。如在數(shù)字鍵盤上輸入“12”，按下“確定”按鍵后，電機按照第十二段速度運行，對應的段數(shù)、轉速和頻率會顯示在HMI界面上。同理，選擇“鍵入轉速”時，則彈出“請鍵入轉速”的界面，點擊相應的文本框，也會彈出一個數(shù)字鍵盤，操作人員輸入0～1 350內(nèi)的任意數(shù)字。如果輸入的轉速值是按照額定轉速的固定比例分配的，則電機按照設定的速度運行。反之，電機則自動選擇最接近的轉速值來運行，對應的段數(shù)、轉速和頻率會顯示在HMI界面上。同理，選擇“鍵入頻率”時，則彈出“請輸入頻率”的界面，點擊相應的文本框，在彈出的數(shù)字鍵盤內(nèi)輸入0～50內(nèi)的任意值（電機頻率的最大值為50 Hz），如果輸入的頻率值不是按照固定比例分配的，則電機自動選擇最接近的設定頻率運行，相應的段數(shù)、轉速和頻率會顯示在HMI界面上。HMI界面上設置了一個轉速和頻率運行的切換按鍵，如果需要從“鍵入轉速”模式切換到“鍵入頻率”模式，則必須先按下切換按鍵，電機才能按照新的鍵入模式調(diào)速。異步電機鍵入模式運行時的HMI界面如圖6所示。

圖6 異步電機鍵入模式運行時的HMI界面

4 結論

本研究基于匯川H2U系列PLC的校企共建的實訓平臺，實現(xiàn)異步電機多段數(shù)的自動和手動調(diào)速。經(jīng)測試，設計的十五段PLC控制程序及觸摸屏HMI界面是正確可行的。用戶可以根據(jù)自己的意愿選擇“鍵入段數(shù)” “鍵入轉速”和“鍵入頻率”的調(diào)速方式，靈活地實現(xiàn)異步電機的多段調(diào)速。該調(diào)速方案用于“運動控制技術”課程的實踐教學時，不僅可以拓展該課程的實踐教學內(nèi)容，還可以鍛煉學生獨立思考和解決問題的能力，同時對實際的工程應用也有一定的借鑒意義。