应用汇川PLC和变频器实现电机十五段调速

尚 丽，刘淑芬,叶国平

（苏州市职业大学 电子信息工程学院，江苏 苏州 215104）

传统的模拟信号控制的电机调速系统存在抗干扰能力差、对设备要求高、控制精度不高等问题，很难适应日益复杂的工业环境[1-4]。可编程逻辑控制器（programmable logic controller, PLC）具有极高的控制可靠性和灵活度，不仅可以实现复杂的逻辑控制，还能完成各种顺序或者定时的闭环控制，目前已在运动控制领域得到了广泛的应用[5-6]。近年来，高校和企业合作已成为一种双方寻求自我发展的趋势[7-9]，在此背景下，基于“运动控制技术”课程实践教学建设的需要，苏州市职业大学和苏州汇川技术有限公司进行校企合作，共建“高级智能控制技术”教学实验平台。在实践教学过程中，学生在掌握基本的实训项目基础上[10-12]，可以对实训项目进行拓展和创新，增加已有实训项目的功能或者自行设计新的实训项目，这既锻炼了学生独立思考和解决问题的能力，又培养了学生的团队协作能力和创新意识。

1 MD310变频器多段模式的设置

对于不要连续调整变频器运行频率，只要使用若干个频率值的应用场合，本研究可以采用多段速模式控制电机速度[6-8]，通过MD310的4个数字输入（digital input, DI）端口DI2—DI5的信号组合值来选择多段频率[4]。MD310最多可以设定4个DI端口作为多段频率指令输入端，也可以设定少于4个DI端口的多段频率给定的情况，对于缺少的设置位，按照“0”状态计算。多段速模式的设置如图1所示。

图1 多段速模式的设置

由图1可知，指定DI2—DI5作为多段频率指定的信号输入端，根据信号输入端的四位二进制组合值来选择多段频率。DI端口的功能码F4-04—F4-01（F4组功能）对应设置功能值为12—15，即指定了多段频率指令输入端口，而所需的多段频率则通过变频器FC组的多段频率表（FC-00—FC-15）来设定，同时通过设定F0-03的值将“频率源选择”指定为多段频率给定方式。如当DI2、DI3、DI4、DI5的二进制数值为0、0、1、0时，形成的状态组合为2，就会挑选FC-03功能码对应设定的频率值，由（FC-03）×（FC-10）计算出目标运行频率。其中F0-10为基本功能组F0中的一个功能键，用来设置最大频率（50～500 Hz），F0-10的出厂默认值为50 Hz。F0-03是设置变频器主给定频率源的输入通道，共有8种（F0-03对应设置值为2—9）。若设置F0-03值为2—4时，则对应通过模拟量输入端AI1—AI4来选择主频来源；若设置F0-03为5时，则通过DI5来设定主频来源；若设置F0-03为7—9时，则分别对应PLC、PID和通信给定选择的主频来源。本研究设置F0-03的值为6，即指定多段频率表FC组中设定的频率作为主频来源。

2 三段调速的测试

2.1 控制方案设计

在“运动控制技术”课程的实践教学中，学生要完成简单的异步电机三段调速。实验室的计算机需安装与H2U系列PLC配套的编程软件Auto Shop和触摸屏HMI界面设计软件InoTouch Editor。HMI界面设计时，设置了4个按键，分别代表高速、中速、低速和停止，按键图形外观可以采用不同的颜色加以区分。PLC编程主要实现以下功能：按下高速按键，电机高速运行；按下中速按键，电机中速运行；按下低速按键，电机低速运行；按下停止按键，电机停止运行。高速、中速和低速之间可以任意切换，不需要电机先停止运行再调整到设定的转速。异步电机三段调速的变频器参数设置如表1所示。

表1 异步电机三段调速的变频器参数设置

由表1可知，加速、减速时间和时间单位模式的设置值可以自行调整。高速、中速和低速的转速分别设置为900 r/min、600 r/min、300 r/min。此外，每次设置变频器参数之前，需要先将变频器参数恢复出厂设置，然后再重新上电设置其参数。

2.2 PLC程序设计

根据设计的控制方案，在初始状态，停止按键应选用常闭触点，高速、中速和低速按键应选用常开触点，并根据速度之间的互锁关系和电机运行速度的自锁关系进行编程。当按下速度按键中的任意一个按键时，电机运行；当按下另外一个速度按键改变电机转速时，电机则从当前转速直接跳转至设定的转速；当按下停止按键时，电机停止运行。异步电机三段调速的PLC程序流程如图2所示。

3 十五段调速的实现

3.1 控制方案设计

在完成三段电机调速测试的基础上，本研究通过设置MD310变频器端子DI2—DI5的多段模式及HMI界面，实现异步电机十五段调速。异步电机十五段速度的设定根据额定转速的比例进行分配，本研究设定相邻两段转速之间占额定转速的比例差为6%，异步电机十五段调速的变频器参数设置如表2所示。实训平台选择的异步电机额定转速为1 500 r/min，异步电机的第一段到第十五段转速的变化为90～1 350 r/min。假设多段速度选择分为自动和手动两种模式，设置PLC控制电机调速的过程如下：①当按下启动按键时，系统默认自动选择段数模式，电机从第一段转速开始定时运行，定时结束后自动选择第二段转速运行，以此类推，按照顺序进行调速。当电机自动完成十五段调速后，若无其他按键按下，则电机再次选择第一段转速循环运行。在电机自动调速过程中，如有其他按键按下，则按照按键功能运行。②如果按下启动按键，选择手动操作模式，该模式主要包括按照输入的段数、按照输入的转速和按照输入的频率三种调速方式。③在电机运行过程中，任意时刻，只要按下停止按键，电机即停止运行。选择任一种调速方式，对应的段数、转速和频率均在HMI界面上显示。异步电机十五段调速的按键地址设置如表3所示。

表2 异步电机十五段调速的变频器参数设置

表3 异步电机十五段调速的按键地址设置

3.2 触摸屏HMI界面设计

根据控制要求设计的异步电机调速时的HMI主界面如图3所示。该界面设置了“总启动”“总停止”“顺序运行”“键入运行”四个按键，以及“总停止”“段数停止”指示灯，同时异步电机运行时相应的段数、转速和频率都会实时显示在该界面上。顺序运行模式下的HMI界面如图3（a）所示。初始状态时，指示灯的颜色为红色，段数、转速和频率的初始值为0。工作人员可以根据控制要求，选择异步电机自动按照“顺序运行”调速模式运行，也可以手动控制异步电机调速，选择“键入运行”按键，进入下一级菜单。根据输入的段数、转速或频率进行调速。HMI界面上还设置了一个按照转速或频率运行的切换按键，当键入一个转速值或频率值并按下该切换键时，异步电机按照当前输入值进行调速。键入运行模式下的HMI界面如图3（b）所示。

图3 异步电机调速时的HMI主界面

3.3 PLC编程设计

根据异步电机调速选择的方式、段数、转速，以及对应频率之间的互锁关系、电机运行速度的自锁关系，采用PLC实现异步电机十五段调速。当电机运行在任一段数或因故障停止工作时，只要按下“总停止”按键，电机即停止运行。HMI界面显示能够保留电机停止运行前的段数、转速和频率，并不清空停机前电机运行的相关数据。异步电机十五段调速的PLC程序流程如图4所示。

图4 异步电机十五段调速的PLC程序流程

3.4 系统调试与分析

3.4.1 自动顺序运行模式

在触摸屏HMI界面上，当按下“总启动”按键，接着按下“顺序运行”按键时，“总启动”和“段数启动”的指示灯亮，即背景变成绿色，这时异步电机从第一段开始运行，设置每一段电机运行的时间为10 s，对应的段数、转速和频率会实时显示在HMI界面上的文本框内。若定时时间到，异步电机按照顺序自动运行第二段对应的设定速度，以此类推，直至十五段速度程序全部运行完毕，即完成一个自动顺序运行过程。此时，如无其他干扰，异步电机会再次从第一段设定的速度开始运行，如此循环，直至按下“总停止”按键，异步电机才停止运行。限于篇幅，本研究仅展示异步电机顺序运行调速的部分HMI界面，仅给出段数为一、三、五和六时的运行界面，如图5所示。

由图5可知，异步电机在每一段运行时的段数、转速和频率是变化的。需要注意的是，在七段以下，异步电机可以实现正反转的多段调速，这主要是因为F4-01和F4-02功能键在七段以下可以设置异步电机的正反转功能，但如果需要八段以上的调速，则必须将F4-01、F4-02与F4-03、F4-04组成多段数频率设置表，才能实现异步电机八段以上的调速。

图5 异步电机顺序运行调速的部分HMI界面

3.4.2 手动操作运行模式

在图3（b）中，如果先按下“总启动”按键，选择“键入运行”按键，“总启动”和“段数启动”的指示灯亮，同时弹出“键入运行”的下一级菜单。在此菜单上，可以通过 “键入段数”“键入转速”和“键入频率”三种模式来完成电机调速。选择“键入段数”操作时，则弹出“请键入段数”的界面，点击相应的文本框，弹出数字键盘，操作人员输入1～15内任意数字，系统根据输入的数字选择对应的转速实现电机的调速。如在数字键盘上输入“12”，按下“确定”按键后，电机按照第十二段速度运行，对应的段数、转速和频率会显示在HMI界面上。同理，选择“键入转速”时，则弹出“请键入转速”的界面，点击相应的文本框，也会弹出一个数字键盘，操作人员输入0～1 350内的任意数字。如果输入的转速值是按照额定转速的固定比例分配的，则电机按照设定的速度运行。反之，电机则自动选择最接近的转速值来运行，对应的段数、转速和频率会显示在HMI界面上。同理，选择“键入频率”时，则弹出“请输入频率”的界面，点击相应的文本框，在弹出的数字键盘内输入0～50内的任意值（电机频率的最大值为50 Hz），如果输入的频率值不是按照固定比例分配的，则电机自动选择最接近的设定频率运行，相应的段数、转速和频率会显示在HMI界面上。HMI界面上设置了一个转速和频率运行的切换按键，如果需要从“键入转速”模式切换到“键入频率”模式，则必须先按下切换按键，电机才能按照新的键入模式调速。异步电机键入模式运行时的HMI界面如图6所示。

图6 异步电机键入模式运行时的HMI界面

4 结论

本研究基于汇川H2U系列PLC的校企共建的实训平台，实现异步电机多段数的自动和手动调速。经测试，设计的十五段PLC控制程序及触摸屏HMI界面是正确可行的。用户可以根据自己的意愿选择“键入段数” “键入转速”和“键入频率”的调速方式，灵活地实现异步电机的多段调速。该调速方案用于“运动控制技术”课程的实践教学时，不仅可以拓展该课程的实践教学内容，还可以锻炼学生独立思考和解决问题的能力，同时对实际的工程应用也有一定的借鉴意义。