基于PLC的變頻器液位控制設(shè)計(jì)

隨著電力電子技術(shù)以及工業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，使得交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)電機(jī)拖動(dòng)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。另外，由于PLC的功能強(qiáng)大、容易使用、高可靠性，常常被用來(lái)作為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備的控制。本設(shè)計(jì)就是利用變頻器和PLC實(shí)現(xiàn)水池水位的控制。

變頻器技術(shù)是一門(mén)綜合性的技術(shù)，它建立在控制技術(shù)、電子電力技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上。它與傳統(tǒng)的交流拖動(dòng)系統(tǒng)相比，利用變頻器對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，有許多優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)電、容易實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制、可以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制、實(shí)現(xiàn)速度的精確控制。容易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換，可以進(jìn)行高額度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)，可以進(jìn)行電氣制動(dòng)，可以對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高速驅(qū)動(dòng)。完善的保護(hù)功能:變頻器保護(hù)功能很強(qiáng)，在運(yùn)行過(guò)程中能隨時(shí)檢測(cè)到各種故障，并顯示故障類別(如電網(wǎng)瞬時(shí)電壓降低，電網(wǎng)缺相，直流過(guò)電壓，功率模塊過(guò)熱，電機(jī)短路等)，并立即封鎖輸出電壓。這種“自我保護(hù)”的功能，不僅保護(hù)了變頻器，還保護(hù)了電機(jī)不易損壞。

PLC特點(diǎn)：第一，可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，平均故障時(shí)間為幾十萬(wàn)小時(shí)。而且PLC采用了許多硬件和軟件抗干擾措施。第二，編程簡(jiǎn)單、使用方便目前大多數(shù)PLC采用繼電器控制形式的梯形圖編程方式，很容易被操作人員接受。一些PLC還根據(jù)具體問(wèn)題設(shè)計(jì)了如步進(jìn)梯形指令等，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了編程。第三，設(shè)計(jì)安裝容易，維護(hù)工作量少。第四，適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境，采用封裝的方式，適合于各種震動(dòng)、腐蝕、有毒氣體等的應(yīng)用場(chǎng)合。第五，與外部設(shè)備連接方便，采用統(tǒng)一接線方式的可拆裝的活動(dòng)端子排，提供不同的端子功能適合于多種電氣規(guī)格。第六，功能完善、通用性強(qiáng)、體積小、能耗低、性能價(jià)格比高。

在應(yīng)用PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循以下的基本原則，才能保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定。

（1）最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求；

（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單；

（3）系統(tǒng)工作要穩(wěn)定、可靠；

（4）控制系統(tǒng)能方便的進(jìn)行功能擴(kuò)展、升級(jí)；

（5）人機(jī)界面友好。

本系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)能源的充分利用和生產(chǎn)的需要，需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，考慮到電機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行、調(diào)速和制動(dòng)的特性，采用ABB公司的ABBACS800變頻器，系統(tǒng)中由S7-200系列PLC完成數(shù)據(jù)的采集和對(duì)變頻器、電機(jī)等設(shè)備的控制任務(wù)?；赟7-200PLC的編程軟件,采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，大量采用代碼重用，減少軟件的開(kāi)發(fā)和維護(hù)。系統(tǒng)利用對(duì)PLC軟件的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)變頻器的參數(shù)設(shè)置、故障診斷和電機(jī)的啟動(dòng)和停止。

1 本設(shè)計(jì)的控制要求

1)系統(tǒng)要求用戶能夠的直觀了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作狀態(tài)及水位的變化；

2)要求用戶能夠遠(yuǎn)程控制變頻器的啟動(dòng)和停止；

3)用戶可自行設(shè)置水位的高低，以控制變頻器的起停；

4)變頻器及其他設(shè)備的故障信息能夠及時(shí)反映在遠(yuǎn)程PLC上；

5)具有水位過(guò)高、過(guò)低報(bào)警和提示用戶功能；

2 本設(shè)計(jì)控制結(jié)構(gòu)

由于現(xiàn)場(chǎng)有一臺(tái)電機(jī)作為被控對(duì)象，可以使用單臺(tái)PLC進(jìn)行單個(gè)對(duì)象的控制，只要適當(dāng)?shù)倪x用高性能的PLC,完全能夠勝任此功能。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

PLC采集傳感器、監(jiān)控電機(jī)及變頻器等有關(guān)的各類對(duì)象的信息。本系統(tǒng)中，對(duì)電機(jī)采用一臺(tái)變頻器來(lái)進(jìn)行頻率的調(diào)節(jié)控制。采用PLC輸出的模擬量信號(hào)作為變頻器的控制端輸入信號(hào)，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速大小，并且向PLC反饋?zhàn)陨淼墓ぷ鳡顟B(tài)信號(hào)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，能夠向PLC發(fā)出報(bào)警信號(hào)。由于變頻調(diào)速是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)定子供電頻率以改變同步轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，故在調(diào)速過(guò)程中從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差功率，因此具有高效率、寬范圍、高精度的調(diào)速性能。

3 設(shè)備的選型

（1）PLC及其擴(kuò)展模塊的選型：

目前，存在著種類繁多的大、中、小型PLC，小到作為少量的繼電器裝置的替代品，大到作為分布式系統(tǒng)中的上位機(jī)，幾乎可以滿足各種工業(yè)控制的需要。另外，新的PLC產(chǎn)品還在不斷的涌現(xiàn)，那么，如何選擇一個(gè)合適PLC？

本系統(tǒng)有一臺(tái)電機(jī)、一個(gè)液位傳感器、一個(gè)變頻器、五個(gè)繼電器，共有十八個(gè)I/O點(diǎn)，它們構(gòu)成被控對(duì)象。綜合分析各類PLC的特點(diǎn)，最終選西門(mén)子公司的S7系列PLC。

由于CPU226集成24輸入/16輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，完全能滿足控制要求。此PLC可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)。26K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能。

根據(jù)上述分析，參照西門(mén)子S7-200產(chǎn)品目錄，選用主機(jī)為CPU226PLC一臺(tái)、另加上一臺(tái)模擬量擴(kuò)展模塊EM235。

（2）變頻器模塊的選型：

目前，市場(chǎng)上存在各種各樣的變頻器，本設(shè)計(jì)采用ABB公司的ABBACS800變頻器。ACS800系列傳動(dòng)產(chǎn)品最大的優(yōu)點(diǎn)就是在全功率范圍內(nèi)統(tǒng)一使用了相同的控制技術(shù)，例如啟動(dòng)向?qū)?，自定義編程，DTC控制，通用備件，通用的接口技術(shù)，以及用于選型、調(diào)試和維護(hù)的通用軟件工具。內(nèi)含啟動(dòng)引導(dǎo)程序，令您調(diào)試易如反掌；自定義編程：內(nèi)置可編程模塊，猶如PLC令您發(fā)揮自如；體積小巧：內(nèi)置濾波器，斬波器及電抗器、性能卓越。

4 系統(tǒng)的控制流程

（1）程序設(shè)計(jì)前準(zhǔn)備工作：了解系統(tǒng)概況，形成整體概念，熟悉被控對(duì)象、編制出高質(zhì)量的程序，充分利用手頭的硬件和軟件工具。

（2）程序框圖設(shè)計(jì)：這步的主要工作是根據(jù)軟件設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)的總體要求和控制系統(tǒng)具體要求，確定應(yīng)用程序的基本結(jié)構(gòu)、按程序設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)繪制出程序結(jié)構(gòu)框圖，然后在根據(jù)工藝要求，繪制出各功能單元的詳細(xì)功能框圖。

（3）編寫(xiě)程序：編寫(xiě)程序就是根據(jù)設(shè)計(jì)出的框圖逐條地編寫(xiě)控制程序，這是整個(gè)程序設(shè)計(jì)工作的核心部分。

（4）程序測(cè)試和調(diào)試：程序測(cè)試和調(diào)試不同，軟件測(cè)試的目的是盡可能多地發(fā)現(xiàn)軟件中的錯(cuò)誤，軟件調(diào)試的任務(wù)是進(jìn)一步診斷和改正軟件中的錯(cuò)誤。

（5）編寫(xiě)程序說(shuō)明書(shū)：程序說(shuō)明書(shū)是對(duì)程序的綜合說(shuō)明，是整個(gè)程序設(shè)計(jì)工作的總結(jié)。

下面是系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖：

圖2PLC水位控制流程圖

5 程序結(jié)構(gòu)

本程序分為三部分：主程序、各個(gè)子程序、和中斷程序（見(jiàn)第四章）。邏輯運(yùn)算及報(bào)警處理等放在主程序中。系統(tǒng)初始化的一些工作及液位顯示放在子程序中完成，用以節(jié)省時(shí)間。利用定時(shí)中斷功能實(shí)現(xiàn)PID控制的定時(shí)采樣及輸出控制。在本系統(tǒng)中，只用比例積分控制，確定增益和時(shí)間常數(shù)為：增益Kc=0.25；采樣時(shí)間Ts=0.1S；積分時(shí)間Ti=30S；微分時(shí)間Td=0S。

6 PLC編程軟件

本設(shè)計(jì)使用的是軟件是STEP7-Micro/WIN,該軟件主要協(xié)助用戶開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，除了具有創(chuàng)建程序的相關(guān)功能，還有一些文檔管理等工具性功能，還可直接通過(guò)軟件設(shè)置PLC的工作方式、參數(shù)和運(yùn)行監(jiān)控等。

該軟件可以工作于聯(lián)機(jī)和離線兩種工作方式，所謂聯(lián)機(jī)是指直接與PLC連接，允許兩者之間進(jìn)行通信，如上裝或下載用戶程序和組態(tài)數(shù)據(jù)等。離線則是指不直接與PLC聯(lián)系，所有程序及參數(shù)暫時(shí)存入磁盤(pán)，聯(lián)機(jī)后再下載至PLC。