PLC与变频器在电机装配与运行检测实训系统中的应用

李江玲 周旭东

（新疆铁道职业技术学院，乌鲁木齐 830011）

电机装配与运行检测实训系统是新疆铁道职业技术学院立足已有的实训设备和自身师资开发的实训系统，可作为职业院校技能竞赛“电机装配与运行检测”项目的竞赛平台。同时，作为一套与教学紧密结合的实训系统，其也能完成课程实验实训、项目设计、毕业设计等学习内容，充实了教学实训设备，提升了实训教学能力。

1 控制系统硬件组成

控制系统由PLC、变频器、磁粉制动器、按钮开关、指示灯等元器件组成。本控制系统可以单独对电动机进行各种控制实训、对电动机的各种主要参数进行测量、对电动机的各项参数与电源频率之间的关系进行验证，通过对磁粉制动器的控制来模拟电动机在不同阻力情况下各种参数的测量，进行恒功率、恒转速、恒转矩综合实训。另外，可以更换直流电机、伺服电机、步进电机，实现对这些电机的控制。

2 控制系统软件设计

2.1 系统的控制流程

本项目使用的PLC为三菱FX2N-48MR，该产品有24个输入端口和24个继电器输出端口，其控制目的是在不同的负载阻力下实现电动机的恒功率、恒转矩和恒转速运行。系统的控制流程如下。

调整可调电阻，使电动机处于运行的初始状态，此时功率转速转矩测量仪表显示功率为50W，电动机的转速为1490r/min，转矩为330mN·m。初始状态一旦调整好后，可调电阻不再变动。

2.1.1 第一步实现三相异步电动机恒功率运行

在电动机运行的初始状态下，先按下功率按钮，然后按压一级制动按钮，PLC给磁粉制动器提供1V直流电压，磁粉制动器给电动机较小的制动力，此时电动机的功率将会减小。为了保持电动机的功率不变，PLC输出一个控制指令，使变频器输出的三相交流电源频率有一定增量，这个增量需要人工在变频器上设定。在设定频率时，要观察功率显示，当功率显示恢复到50W时，保存频率设定值。

再按压二级制动按钮，PLC给磁粉制动器提供2V直流电压，磁粉制动器给电动机稍大的制动力，电动机的功率会减小。为了保持电动机的功率不变，PLC再输出一个控制指令，使变频器输出的三相交流电源频率有一定增量，这个增量需要人工在变频器上设定。在设定频率时，要观察功率显示，当功率显示恢复到50W时，保存频率设定值。

最后，按压三级制动按钮，PLC给磁粉制动器提供3V直流电压，磁粉制动器给电动机较大的制动力，此时电动机的功率会减小。为了保持电动机的功率不变，PLC输出一个控制指令，使变频器输出的三相交流电源频率有一定增量，这个增量需要人工在变频器上设定。在设定频率时，要观察功率显示，当功率显示恢复到50W时，保存频率设定值。

变频器三个新频率设定好后，就能实现按压任一制动按钮时，电动机的输出功率都不会变。

2.1.2 第二步实现三相异步电动机恒转速运行

先按压停止按钮，使运行的电动机停止，然后再按压起动按钮，使电动机以初始状态运行，再按下转速按钮，随后的操作步骤与第一步的方法一样。不同之处在于，第二步在设定变频器频率时，要看转速表的显示，在不同的制动力作用下，新设定的变频器频率保证电动机的转速保持在1490r/min。

2.1.3 第三步实现三相异步电动机恒转矩运行

先按压停止按钮，使运行的电动机停止，然后再按压起动按钮，使电动机以初始状态运行，再按下转矩按钮，随后的操作步骤与第一步的方法一样。不同之处在于，第三步在设定变频器频率时，要看转矩表的显示，在不同的制动力作用下，新设定的变频器频率保证电动机的转矩保持在330mN·m。

2.2 变频器频率设定

以上三步需要设定10个频率，在变频器上就需要用到组合频率设定，需要用到变频器P4、P5、P6、P24、P25、P26、P27、P80、P81、P82参数的设定。这10个参数的设定需要变频器外部端子RH、RM、RL、REX四个端子组合来实现，理论上来讲四个端子的组合能获得16种频率，这里只需要用到10个频率，具体的组合如表1所示。

在电动机遇到阻力时，事先设定好的频率就会输出，使电动机事先指定的参数保持恒定，这些参数中P6设定为50Hz，供电动机在初始状态下运行使用。

2.3 PLC的端口分配表

通过本系统动作过程的分析，人们可以获知PLC控制系统需要几个输入端口和输出端口，明白PLC端口与按钮、变频器和磁粉制动器的对应关系。根据这些对应关系，人们可以设计控制电路和控制程序，PLC的端口分配如表2所示，电路示意图如图1所示。

表1 变频器参数与外接端子的对应关系

表2 PLC的端口分配

图1 电路示意图

2.4 控制程序设计

根据以上三个控制流程、变频器的频率设置和PLC端口的分配表，人们就可以编制控制程序。控制程序用梯形图来编制，程序由启动停止程序、运行模式选择程序、制动等级选择程序、变频器逻辑编码程序、变频器频率控制程序、指示灯控制程序等组成。

启动停止程序采用停止优先的带自锁的控制程序。运行模式选择程序由一个三选一程序组成，该程序能够保证在同时按压功率、转速、转矩按钮时，保证只有一种运行模式有效，并且三种运行模式可以随时转换。制动等级选择程序也由一个三选一程序组成，该程序能够保证在同时按压一级制动、二级制动、三级制动按钮时，保证只有一种制动模式有效，并且三种制动模式可以随时转换。变频器逻辑控制程序用十个标志继电器控制变频器而获得十种频率。变频器频率控制程序通过10种电源频率，可以获得三相异步电动机的初始状态以及在不同制动力矩的情况下恒功率、恒转速和恒转矩四种运行状态。指示灯程序是控制各类指示灯的程序，指示灯分别由PLC的输出端口Y00-Y07来控制，对应关系如表2所示。

3 系统控制扩展

本文只探讨了三种控制方式，事实上，系统可以很方便地进行控制扩展，如电动机及机械传动部件装调、PLC接触器控制三相异步电动机点动加连续运行控制与调试、PLC接触器控制三相异步电动机Y-Δ降压启动控制与检测、PLC接触器控制双速三相异步电动机控制与检测、PLC变频器控制三相异步电动机多段速正反转控制、PLC变频器控制多段速三相异步电动机参数检测、PLC变频器控制磁粉制动器、三相异步电动机多阻力恒功率控制、PLC变频器控制磁粉制动器、三相异步电动机多阻力恒转速控制、PLC变频器控制磁粉制动器、三相异步电动机多阻力恒转矩控制、PLC变频器控制磁粉制动器以及三相异步电动机多阻力恒功率、转速、转矩综合控制等。

4 结语

本系统中，电机的运行频率只能根据制动等级按钮的按压来获得，这个频率是事先根据设定的条件人工设定好的，因此它是一个开环系统，目前尚不能实现PLC根据测量仪表送来的数据通过计算来控制变频器输出频率的功能，

故系统还可以进一步研究开发为闭环控制。

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