基于PLC的多段调速系统的设计与仿真

韩佳芳

郑州财税金融职业学院，河南郑州，450000

近几十年来，机电学科发展势头迅猛，电动机控制系统调速技术也得到迅速发展，使电机的应用不再局限于工业应用，而是更广泛地应用于商业和家用设备等各个领域。反过来，各领域的发展又大大地扩展了电动机技术的发展，拓宽了电机的应用范围，同时也对电机设计和制造工艺提出更高的要求[1]。调速离不开变频技术这一项新兴技术，变频器通过整流逆变等环节将工频电源信号转化成为各个频率的电源输出信号，从而使电机的旋转磁场频率得到调节，进而调节转速[2]。电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器实现了功能多样化和性能稳定化[3]。变频技术控制量从数字量、模拟量、数模混合量控制，到全数字信号控制的历程，逐渐使其在各个领域得到了颇为广泛的应用，不仅如此，变频技术还在各个生产领域扩展着它的应用范围[4]。

本文主要研究如何基于PLC（可编程控制器）控制构建一个多段调速系统并实现组态仿真。文章首先选定一种方案进行调速系统设计，之后对调速系统总体结构进行了设计并对各个模块进行了细致分析，并在基于对PLC、变频器知识研究的基础上进行各硬件I/O口的分配及PLC程序的编写；
随后在完成整个系统的软硬件设计及程序调试之后进行组态仿真，达到直观的显示出调速系统的运行状态的效果。

根据设计要求，确定以下设计思路。

利用PLC实现输入控制，变频器实现电源信号的转换和多频率电源信号的转换和输出，调控的对象为三相异步电机，最后用组态软件实现仿真和监控。方案的整体框架如图1所示。

图1 方案框架图

硬件电路的设计是将每个功能子模块分开设计，再将这些子模块组合在一起，形成整个硬件电路的设计。

2.1 设备选型及硬件接线设计

2.1.1 变频器

单片机三菱FR-A540变频器是一种搭载矢量控制的高性能变频器，同时具有电机的自动调整功能，能实现更有效的V/f控制。鉴于FRA540变频器还有如下保护功能，本文将采用此变频器实现系统设计，该变频器有以下特点：①变频器过电压/欠电压保护、短路保护；
②对变频器和电动机的过热保护；
③电机的锁死保护、缺相保护；
④电机热敏电阻PTC的接口。

2.1.2 电机

变频调速电机一般均选择4级电机，基频工作点设计在50Hz，频率0～50Hz（转速0～1480r/min）范围内电机做恒转矩运行，频率50～100Hz（转速1480～2800r/min）范围内电机做恒功率运行，整个调速范围为0～2800r/min，基本满足一般驱动设备的要求，其工作特性与直流调速电机相同，调速平滑稳定[5]。如果在恒转矩调速范围内要提高输出转矩，也可以选择6级或8级电机，但电机的体积相对要大一点。

基于上述要求，电机选用变频多速三相异步电动机YD (IP44) JDO2 H80～280，本型号电机利用多套定子绕组接法来达到电动机的变速，适合于万能、组合、专用切削机床及需多级调速的传动机构。

2.2 硬件接线设计

本系统有自动和手动两个工作模式，自动模式下电机从正转0速依次提速直至提高到最高速度三，手动模式下可首先选择正转启动或者反转启动（准备启动状态），并可以在一速到三速间随意调整。根据设计要求确定PLC的硬件接线如图2（a）所示。

图2（a） PLC接线

由已确定的PLC输入输出端口及硬件接线可以进一步确定变频器控制信号输入端。PLC端子Y6输出到继电器KM6控制电源信号，Y5输出到继电器KM5控制变频器正转，Y4输出到继电器KM4控制变频器反转，Y1、Y2、Y3分别输入到继电器KM1、KM2、KM3分别控制变频器模式选择信号低速、中速和高速。由此变频器的硬件接线图如图2（b）所示。

图2（b） 变频器接线图

3.1 软件I/O分配设计

按照设计要求的功能，PLC输入有正向启动、反向启动、一速、二速、三速、自动、手动，共计7个输入信号，共占用7个输入接点。PLC输出有正向启动、反向启动、一速、二速、三速，共5个输出点。PLC的I/O对应端口如表1所示。

表1 PLC输入输出对应端子

3.2 变频器参数设定

变频控制方式主要有速度控制、转距控制、比例积分控制等方式。确定控制方式后，一般要根据控制精度，对变频器进行不同精度的模式设定，SD-公共端接PLC的COM口[6]。RH-高速输出（出厂设定一般为50Hz），输入信号为PLC输出口Y3。RM-中速输出（出厂设定一般为30Hz），输入信号为PLC输出口Y2。RL-低速输出（出厂设定一般为20Hz），输入信号为PLC输出口Y1。变频器四速到七速的输入接点为RM、RH、RL的二进制组合，但本设计只采用三种速度设定[7]。

变频器多速组合输出的设定如表2所示。频率设定可由变频器的操作面板直接设定：在操作面板上按下PU按钮，选择外部控制模式，利用变频器上的设置电位器，设定Pr.4=50Hz，Pr.5=30Hz，Pr.6=10Hz。通过PLC模式选择输出接点选择各个模式运行，输入信号RL=1时，变频器输出10Hz电源信号驱动电动机；
同理，当RM=1，RH=1时分别执行中速和高速模式[8]。频率设定参数如表3所示。

表3 频率设置参数

3.3 PLC程序设计

3.3.1 手动控制程序设计

本程序默认为手动控制，即启动后即为手动控制状态，启动状态图如图3所示。

图3 手动控制启动状态图

按下启动按钮，X000得电，置位Y006，PLC输出到继电器KM6，变频器待输出。正反转输出选择功能图如图4所示。

图4 正反转输出选择功能图

以上程序段主要实现正反转输出选择功能，在启动状态下即Y0得电时，选择X2/X1使Y5/Y4得电，电机进入正反转待转状态，同时使用Y4/Y5互锁接点和M1互锁接点，防止STF/STR同时得电，使输出和自动手动输出发生逻辑错误。多速度选择输出如图5所示。

图5 多速度选择输出

以上程序段主要实现多速度选择输出。当正反转接点有一个接通时，即可选择接通三速度开关，使各自输出接点进入自锁，同时使用Y1/Y2/Y3和M1互锁接点，防止三接点同时得电以及正反转矛盾的情况发生。电动机复位图如图6所示。

图6 电动机复位图

当按下复位停止按钮时，使用全部复位指令断开所有接点，变频器停止输出，电动机停止运行。

3.3.2 自动控制程序设计

自动控制非默认启动状态，需通过自动控制点动启动按钮转换到自动控制状态，启动状态图如图7所示。

图7 自动控制启动状态图

按下手动控制按钮，X6接点接通一个扫描周期，自动状态控制辅助继电器M1得电，并在下个扫描周期自锁，自动控制开始，状态图如图8所示。

图8 自动控制状态图

自动控制状态下，Y1得电，电动机低速启动，同时定时器T0开始计时，在5s定时完成以后，T0的常闭接点断开使Y1失电，同时T0常开接点闭合，Y2得电，电机中速运行，在T1完成5s计时以后，T1常开接点闭合，常闭接点断开，中速档位转换为高速档位，此后直至电机达到最高设定转速，电机不再有速度转换，稳定运行，自动控制阶段完成。

4.1 组态画面设计

组态画面如图9所示。

图9 系统仿真画面

4.2 组态仿真与实现

按照3.2小节中给出的PLC和变频器接线图接好外部接线。将已设计的梯形图输入PLC，并选择对应的仿真COM端。所对应仿真图像如图10所示。

图10 仿真图像

本设计主要运用PLC、变频器及电机学的相关知识实现了很多学科知识点的综合运用。本文在基于对交流调速系统的基本原理学习上主要做了以下几个方面的工作。

（1）根据设计要求进行了PLC程序设计。本程序中主要采用了点动运行的方式，在启动某种运行状态时，梯形图中主要采用了自锁电路使得此状态可以保持。由于电动机的运行状态不可能为两种，PLC程序设计中采用了大量的互锁电路，以防止输出两种矛盾的状态（实际上本次设计变频器只设定了三种输出模式，其余的二进制组合并未设定，变频器内部逻辑会出错不输出或者按照出厂设定的频率输出）。

（2）在整体系统的硬件和软件设计的基础上进行了组态仿真。

本次设计仅采用了三段速度调节及正反转设计，相对于较复杂的系统还有很大的差距。对于调速要求较高的应用场合，还可以利用变频器模式选择输入点RL、RM、RH的二进制组合实现最多八段速度调节。本设计的可改进之处还很多，后续会做进一步的研究。