基于PLC与触摸屏的变频调速测控系统*

寇志伟， 崔啸鸣， 徐明娜， 马德智， 李文军

(1. 内蒙古工业大学 工程训练中心，内蒙古 呼和浩特 010051； 2. 内蒙古工业大学 电力学院，内蒙古 呼和浩特 010051)

0 引 言

本文提出了一种基于PLC和HMI的变频调速测控方案，解决了上述问题，全面提升了变频调速系统的应用性能与技术水平。

1 系统方案

1.1 控制要求

工程应用要求改进变频器的控制策略，具有友好的人机交互界面，能够实现变频调速系统的智能控制及工作状态动态检测；具备完善的保护、报警及处理功能；易于扩展，实现工业组网及上位机远程监控，以适应电力拖动系统的发展趋势，提高实际应用能力。

1.2 系统组成

基于上述要求及电气控制原理构建测控系统，选用西门子S7-200PLC(包括CPU224XP、数字量模块EM223及模拟量模块EM235)、富士多功能变频器5000G11S、步科的Eview系列工业触摸屏ET070等组成，鉴于交流拖动系统调速应用的多样性，调速电路设置了1#、2#两个调速单元，可根据需要单独运行，也可以并联运行，系统结构如图1所示。

图1 变频调速测控系统图

2 系统设计

2.1 硬件电路设计

根据设计方案及电气控制系统的特点，硬件电路由变频器调速电路与PLC控制电路组成。

(1) 变频器调速电路。

变频器调速电路主要由变频器的主电路、三相异步电动机及断路器、接触器等构成，如图2所示。PLC输出的变频器控制信号及交流接触器控

图2 变频器调速电路

制信号控制变频器驱动三相异步电动机M1、M2、M3实现调速。其中变频器1驱动电机M1，变频器2驱动电机M2或M3，控制电源辅助输入端子R0、T0连接于变频器开关外侧的主电源上，以防止变频器保护功能动作时变频器开关断开使变频器的控制电路失电。

(2) PLC控制电路。

PLC控制主要由PLC、变频器的控制电路及触摸屏构成，完成对变频器调速电路的控制及监测，如图3所示。CPU224XP工作电源及输出接触器线圈采用AC 220V电源供电，触摸屏ET070、EM223、EM235与CPU224XP的输入点采用DC 24 V电源供电。触摸屏与PLC以RS485串

由表1可以看出，伊利股份的净资产收益率从2012年的23.41%下降到2013年的19.77%，趋势同样变化的还有主营业务利润率和销售毛利率，在2012年到2013年均处于下降趋势，伊利股份2013年三季度净利大幅低于市场预期，仅增长28.6%，而市场普遍预期在60%以上，也略低于37.6%的预期。

行通信方式通信，PLC与变频器采用控制端子连接的方式。PLC的数字量输入点I0.0～I0.2分别输入热继电器动合信号FR1及变频器多功能输出信号，I2.0～I2.3输入变频器的总报警信号，其他输入点保留未用；数字量输出点Q0.0～Q0.3控制变频器1的多功能输入端子X1～X4，Q0.4～Q1.1控制主电路接触器KM1～KM6，Q2.0 ～Q2.3控制变频器2的多功能输入端子X1～X4，Q2.4～Q2.7控制变频器1、2的FWD、REV端子；模拟量输入点AIW0、AIW2输入变频器1、2的PID反馈信号，AIW4、AIW6输入变频器1、2的频率监视信号，输出点AQW0、AQW2输出变频器1、2的频率控制信号。

2.2 触摸屏设计

Eview触摸屏界面采用Kinco公司的HMIware组态软件开发。根据控制要求，触摸屏组态采用分页设计，分为系统主界面、总控界面、频率监测、系统设定、用户管理和历史查询6个页面，组态结构及总控界面如图4所示。

图4 触摸屏总控界面

2.3 PLC程序设计

(1) 模拟量处理。

调速电路中变频器1、2的频率控制信号由PLC的AQW0、AQW2给定，选择0～10V的电压信号。变频器1、2的频率监视信号(0～10V)由FMA端子输入到PLC的AIW4、AIW6，经过PLC程序的模拟量运算后在触摸屏上显示变频器的输出频率及当前电动机的转速。设置变频器的参数F03=50Hz、F30=100%、F31=0，输入的频率监测模拟量AIWX对应的PLC中的整数值为YX，对应的频率与转速为fX、nX，则系统的频率及转速的计算式为式(1)～式(3) 。

(1)

(2)

(3)

(2) PLC的程序设计。

PLC的程序采用STE P7-Micro/WIN SP9编程工具编写，根据控制要求与I/O配置，规划程序结构，建立符号表编写程序，控制程序由主程序、1#调速系统子程序、2#调速系统子程序、显示子程序、保护与报警子程序组成，主程序流程如图5所示。

图5 PLC主程序流程

3 调速应用举例

3.1 电机切换

变频调速系统可以由一台变频器控制两台电气参数不同的电动机交替工作，需要切换工作电机及相应的功能参数。以系统2#调速电路为例，设置变频器2参数E01=12(X1端子)，作为M2、M3的切换信号，当X1与CM断开时，变频器2运行M2的功能参数；当X1与CM闭合时，变频器2运行M3的功能参数。设置E24=14(Y5端子)，当X1端子切换信号输入时，Y5端子输出电动机切换信号，PLC根据Y5端子信号切接触器KM5，接通接触器KM6，电动机M2停止，M3起动。

3.2 电源切换

交流拖动系统电动机的工频与变频电源切换是调速系统的基本功能，经常使用的电源切换情形有故障切换与满载切换两种。

(1) 故障切换。

在不允许随意停机的调速系统中，变频器一旦出现跳闸停机应立即将电动机切换到工频电源。以系统1#调速电路为例，设置变频器1参数为F36=0、E01=8(X1端子)、E02=9(X2端子)，当变频器总报警输出有效(30A与30C闭合)或外部报警有效(THR端子接通)时，PLC输出将变频电源KM2切除，延时一定时间后将工频电源KM3投入。排除故障后，按下按钮接通复位端子X1(RST)，触点复位，PLC切除工频电源投入变频电源，实现故障保护及电源切换。

(2) 满载切换。

节能控制是变频调速系统的优点之一，如果变频器达到满载输出，就失去了节能作用，此时应将电动机切换到工频电源。以1#调速电路为例，设置变频器1参数为E24=2(Y5端子)、E31=50Hz、E32=0Hz。当变频器输出频率达到50Hz时，Y5端子输出ON信号，PLC切除变频电源KM2，投入工频电源KM3。当变频器输出频率小于50Hz时，Y5端子停止输出ON信号，PLC切除工频电源KM3，再次投入变频电源KM2，实现调速系统的满载切换。

3.3 并联运行

在流水线、传送带等控制系统中，经常需要两台或多台变频器并联或比例运行。设置1#调速电路变频器1的参数F03=50Hz、F17=80%，2#调速电路变频器2参数F03=50Hz、F17=40%，则1#调速电路输出频率为40Hz，2#调速电路输出频率为20Hz，实现调速系统的比例运行。

3.4 自动升降速度运行

自动升降速端子为数字控制方式的频率给定端子，其频率控制比模拟量端子控制的稳定性好，不受干扰信号的影响，在以PLC为核心的调速系统中，应用较多。以系统2#调速电路为例，设置变频器2的参数F01=8、E03=17(X3端子)、E04=18(X4端子)，变频器的频率由端子X3、X4控制，PLC输出X3信号时变频器的输出频率按设定的加速时间上升，断开时，输出频率保持；PLC输出X4信号时变频器的输出频率按设定的减速时间下降，断开时，输出频率保持，实现调速系统的数字方式控制频率。

3.5 PID控制

PID控制是闭环控制系统的比例(P)、积分(I)、微分(D)控制算法，其根据设定值与被控对象的实际值的偏差，按照PID算法计算控制器的输出量，控制执行机构去影响被控对象的变化。使用PID控制可以使调速系统获得良好的闭环控制性能。基于PLC的变频调速系统有两种PID控制方法： (1) 使用变频器内部的PID控制功能，通过控制对象传感器将检测控制量反馈给变频器，在变频器内部进行PID调节以改变输出频率。(2) 利用PLC的PID控制功能将给定量与控制对象传感器的检测量比较后输出给变频器的频率控制端进行实现。

4 结 语

基于PLC与触摸屏的变频调速测控系统具有调速性能好、保护功能完善、节省能源与投资、智能化程度高和易于实现复杂控制等优点。如果多台电动机需要并联调速测控，可使用RS485串行通信方式与上位机组态软件实现；若改变控制策略及相应程序可以直接应用于工程调速系统；稍作改造也可以用于组态技术、PLC与触摸屏自动控制的试验装置，因此系统扩展性好，具有应用与推广价值。

【参 考 文 献】

[1] 廖常初.PLC编程及应用[M].北京： 机械工业出版社，2014.

[2] 王兆义.变频器应用与实训指导[M].北京： 高等教育出版社，2005.

[3] 李红萍.基于MCGS的风机变频监控系统设计[J].电机与控制应用,2012,39(11)： 47-50.

[4] 肖朋生.变频器及其控制技术[M].北京： 机械工业出版社，2008.

[5] 罗锋华.西门子S7-200 PLC及变频器在电梯控制系统中应用[J].电机与控制应用,2010,37(11)： 42- 49.

[6] 廖常初.西门子人机界面(触摸屏)组态与应用技术[M].北京： 机械工业出版社，2013.

[7] 文方.基于Modbus总线的变频调速系统设计[J].电机与控制应用,2011,38(6)： 42- 49.

[8] 魏克新.自动控制综合应用技术[M].北京： 机械工业出版社，2012.