基于PLC的變頻器液位控制設(shè)計

隨著電力電子技術(shù)以及工業(yè)自動控制技術(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，常常被用來作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備的控制。本設(shè)計就是利用變頻器和PLC實現(xiàn)水池水位的控制。

變頻器技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)，它建立在控制技術(shù)、電子電力技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上。它與傳統(tǒng)的交流拖動系統(tǒng)相比，利用變頻器對交流電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，有許多優(yōu)點，如節(jié)電、容易實現(xiàn)對現(xiàn)有電動機(jī)的調(diào)速控制、可以實現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制、實現(xiàn)速度的精確控制。容易實現(xiàn)電動機(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，可以對電動機(jī)進(jìn)行高速驅(qū)動。完善的保護(hù)功能:變頻器保護(hù)功能很強(qiáng)，在運(yùn)行過程中能隨時檢測到各種故障，并顯示故障類別(如電網(wǎng)瞬時電壓降低，電網(wǎng)缺相，直流過電壓，功率模塊過熱，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：第一，可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，平均故障時間為幾十萬小時。而且PLC采用了許多硬件和軟件抗干擾措施。第二，編程簡單、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)具體問題設(shè)計了如步進(jìn)梯形指令等，進(jìn)一步簡化了編程。第三，設(shè)計安裝容易，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、腐蝕、有毒氣體等的應(yīng)用場合。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、性能價格比高。

在應(yīng)用PLC系統(tǒng)設(shè)計時，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象的控制要求；

（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)力求簡單；

（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；

（5）人機(jī)界面友好。

本系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)能源的充分利用和生產(chǎn)的需要，需要對電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，考慮到電機(jī)的啟動、運(yùn)行、調(diào)速和制動的特性，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)計方法，大量采用代碼重用，減少軟件的開發(fā)和維護(hù)。系統(tǒng)利用對PLC軟件的設(shè)計,實現(xiàn)變頻器的參數(shù)設(shè)置、故障診斷和電機(jī)的啟動和停止。

1 本設(shè)計的控制要求

1)系統(tǒng)要求用戶能夠的直觀了解現(xiàn)場設(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反映在遠(yuǎn)程PLC上；

5)具有水位過高、過低報警和提示用戶功能；

2 本設(shè)計控制結(jié)構(gòu)

由于現(xiàn)場有一臺電機(jī)作為被控對象，可以使用單臺PLC進(jìn)行單個對象的控制，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)的各類對象的信息。本系統(tǒng)中，對電機(jī)采用一臺變頻器來進(jìn)行頻率的調(diào)節(jié)控制。采用PLC輸出的模擬量信號作為變頻器的控制端輸入信號，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速大小，并且向PLC反饋自身的工作狀態(tài)信號，當(dāng)發(fā)生故障時，能夠向PLC發(fā)出報警信號。由于變頻調(diào)速是通過改變電動機(jī)定子供電頻率以改變同步轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，故在調(diào)速過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，如何選擇一個合適PLC？

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

由于CPU226集成24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O點，完全能滿足控制要求。此PLC可連接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點。26K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨(dú)立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個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，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，參照西門子S7-200產(chǎn)品目錄，選用主機(jī)為CPU226PLC一臺、另加上一臺模擬量擴(kuò)展模塊EM235。

（2）變頻器模塊的選型：

目前，市場上存在各種各樣的變頻器，本設(shè)計采用ABB公司的ABBACS800變頻器。ACS800系列傳動產(chǎn)品最大的優(yōu)點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)計前準(zhǔn)備工作：了解系統(tǒng)概況，形成整體概念，熟悉被控對象、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：這步的主要工作是根據(jù)軟件設(shè)計規(guī)格書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）編寫程序：編寫程序就是根據(jù)設(shè)計出的框圖逐條地編寫控制程序，這是整個程序設(shè)計工作的核心部分。

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

（5）編寫程序說明書：程序說明書是對程序的綜合說明，是整個程序設(shè)計工作的總結(jié)。

下面是系統(tǒng)設(shè)計流程圖：

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、各個子程序、和中斷程序（見第四章）。邏輯運(yùn)算及報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)省時間。利用定時中斷功能實現(xiàn)PID控制的定時采樣及輸出控制。在本系統(tǒng)中，只用比例積分控制，確定增益和時間常數(shù)為：增益Kc=0.25；采樣時間Ts=0.1S；積分時間Ti=30S；微分時間Td=0S。

6 PLC編程軟件

本設(shè)計使用的是軟件是STEP7-Micro/WIN,該軟件主要協(xié)助用戶開發(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)暫時存入磁盤，聯(lián)機(jī)后再下載至PLC。