基于西門子S7-1200PLC、G120變頻器、HMI實(shí)現(xiàn)電動機(jī)變頻調(diào)速

基于西門子S7-1200PLC、G120變頻器、HMI實(shí)現(xiàn)電動機(jī)變頻調(diào)速摘要：本文以西門子S7-1200，USS，G120，HM為核心，建立了多個(gè)感應(yīng)電機(jī)的控制系統(tǒng)，從而達(dá)到控制系統(tǒng)的目的?？刂葡到y(tǒng)具有造價(jià)低，線纜數(shù)目少，多個(gè)電機(jī)可以同時(shí)單獨(dú)控制，電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)可以被實(shí)時(shí)地顯示，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和靈活性都有很大的提高.關(guān)鍵詞：西門子；S7-1200PLC、G120；變頻器；HMI一、探討家用電機(jī)的變頻器（一）家用電器用電機(jī)的種類和速度調(diào)節(jié)在家用電器中使用的電動機(jī)主要有單相異步電動機(jī)，三相異步電動機(jī)，無劇同步電動機(jī)和直流電動機(jī)，尤其是單相異步電動機(jī)最為常見。單相感應(yīng)電機(jī)有分相型、分相型和蓋極型三種類型，尤其分相型是最常用的一種。這種電機(jī)可以分成單相電容運(yùn)行型，單相電容起動型，單相電容起動型，單相電容雙電型。在家用電器中，通常采用的是調(diào)壓調(diào)速，盡管這種調(diào)速方法簡單，成本低，但是其調(diào)速范圍較小，穩(wěn)定性較差，轉(zhuǎn)矩特性較差，無法達(dá)到應(yīng)用的要求。家用電器中的電力機(jī)器，若使用變頻調(diào)速方式，調(diào)速范圍大，穩(wěn)定性好，轉(zhuǎn)矩特性好，并有節(jié)能效果。（二）變頻調(diào)速技術(shù)在家用電器中的應(yīng)用1、單相供電家用電器通常使用的是單相AC供電，若要實(shí)現(xiàn)變頻，那么在變頻器的主電路中，必須使用單相橋的方式來實(shí)現(xiàn)整流。與三相橋整流的變頻調(diào)速裝置相比，其直流輸出有較大的波動，因此在設(shè)計(jì)中要注意電容濾波、電感平波動等方面的影響。2、一種單相感應(yīng)式電容分相型電機(jī)采用電容器分離型單相感應(yīng)電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，有如下幾個(gè)問題要解決。(1)電容會發(fā)生改變。工作電容器的容量是按照5赫茲的交流電流來計(jì)算的。因?yàn)殡娙萜鞯碾娙菪鞘桥c電源頻率相關(guān)的，所以，變頻器的高頻載波將改變電容器的電容，使得主、副繞組中的相位差小于90，電機(jī)就不能產(chǎn)生環(huán)形的旋轉(zhuǎn)磁場，從而導(dǎo)致工作性能下降。(2)對電容進(jìn)行抗高頻率工作的性能。電容器的抗高頻能力通常只有幾百赫茲，而變頻器的高頻載波一般為3-~5KRHz，所以，高頻載波會對電容器造成危害，使電容器發(fā)熱。又或者是爆炸。(3)換流器中電容的作用。因?yàn)殡娙輰﹄娏?yīng)有一定的吸放能，所以它會阻塞變頻器的“死區(qū)”，導(dǎo)致上橋和下橋的短路，變頻器的保護(hù)動作，從而導(dǎo)致變頻器的故障，嚴(yán)重的還會導(dǎo)致變頻器的故障。3、家用電器電機(jī)與變頻調(diào)速裝置的配套及改進(jìn)在家電電機(jī)中應(yīng)用變頻調(diào)速時(shí)，要注意的是，要充分利用變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)要最大限度地發(fā)揮電機(jī)的工作特性，所以，在應(yīng)用以下電機(jī)時(shí)，要注意它們之間的協(xié)調(diào)。（1）容性分相型單相感應(yīng)電機(jī)與變頻調(diào)速裝置的匹配一種具有離心式開關(guān)的單相感應(yīng)電機(jī)。首先，在此基礎(chǔ)上，將變頻調(diào)速裝置改為單相輸入單相輸出，使變頻調(diào)速裝置和電機(jī)的工作特性得以充分利用。應(yīng)當(dāng)著重指出的是，在變頻器和電動機(jī)之間連接電感L，其目標(biāo)是盡量過濾出變頻器的高頻載波，只留下變頻基波，并解決高頻載波對電容器的危害，對輔繞組電流的移相角和電容器對變頻器的影響；此外，還可以適當(dāng)?shù)販p小高頻載波的頻率，從而達(dá)到更好的效果。電容器C的容量必須是固定的，能夠承受較高的頻率和較高的電壓。（2）三相感應(yīng)電機(jī)與變頻調(diào)速裝置的匹配由于三相感應(yīng)電機(jī)的工作特性優(yōu)于單相感應(yīng)電機(jī)，故將其設(shè)計(jì)為單相輸入，三相輸出。很明顯。這樣的組合可以充分發(fā)揮變頻調(diào)速和電機(jī)的優(yōu)良特性。需要說明的是，該轉(zhuǎn)換裝置的輸出為三相220伏的轉(zhuǎn)換電壓，必須與220伏的三相電機(jī)連接。如果電機(jī)采用的是一臺380V的Y型電機(jī)，那么需要改變Y型連接方式，使其變?yōu)椤餍瓦B接方式。二、監(jiān)視網(wǎng)的硬體結(jié)構(gòu)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的硬件主要有：西門子的HMI簡化面板（或智能面板，或移動面板），西門子的S7-1200系列PLCCPU1214C（或其他的S7-1200系列CPU),S-20系列通訊板CB1241（或通訊組件CM1241)，西門子的G120系列變頻器，三相交流感應(yīng)電機(jī)，變頻器的個(gè)數(shù)與電機(jī)的個(gè)數(shù)一樣。通訊板CB1241插在S7-120的OCPU插槽上，通過RS485電纜與幾個(gè)G120相連，構(gòu)成了USS通訊網(wǎng)絡(luò)12。S7-1200CPU與HM之間的網(wǎng)絡(luò)是用Ethernet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)接的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的硬件線路顯示圖可以看出，3G120型變頻調(diào)速裝置的通訊布線與參數(shù)設(shè)定，在S7-1200的串行通訊中，可以選擇CM1241通訊模組或CB1241通訊板卡。CM1241一般與CPU連接在一個(gè)軌道上，并且具有一個(gè)9管腳的串聯(lián)接口。而CB1241通訊板則是直接嵌于CPU主板的插槽內(nèi)。由于空間容量的限制，CB1241只提供了一個(gè)終端，而不是一個(gè)9管腳的串接口。在CB1241中具有一個(gè)端子電阻器，端子電阻器的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)可以由線路來實(shí)現(xiàn)。在要求端阻抗存取時(shí)，將T/RA與TA連接在一起；只需將T/RB短接至T/RB短接。在對G120變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)定之前，首先要按照G120操作說明書中的要求，選擇與G120匹配的電機(jī)，并將電機(jī)銘牌上的有關(guān)參數(shù)輸入到G120中，從而完成基礎(chǔ)調(diào)試。在此基礎(chǔ)上，針對不同的控制模式，選取相應(yīng)的宏指令號，完成了USS通訊模式的設(shè)定與調(diào)整。三、可編程序控制器的編程（一）變頻器控制模塊的編制變頻調(diào)速FC塊主要用于進(jìn)行頻率與速度百分比的轉(zhuǎn)換，為'Main[OB1]”（主程序塊）實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的控制和HMl上電機(jī)的狀態(tài)顯示作準(zhǔn)備。速度百分?jǐn)?shù)是在主機(jī)模塊中輸入的USS_Driv_Control'命令的接口上使用的，同時(shí)在HMI界面上也要用到這個(gè)程序模塊，以反映電動機(jī)的實(shí)際工作頻率，顯示出了變頻器[FC1]的程序塊，（二）編制變頻調(diào)速主控程序模塊該主控程序模塊由三個(gè)主要模塊組成：（1）啟動和停止控制程序；(2)主站CB1241和從站之間的USS通訊；(3)對FC模塊進(jìn)行調(diào)用?？梢允褂脤?shí)體按鍵或在人機(jī)界面上點(diǎn)按啟動和停止操作。起動時(shí)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速不是0，可以根據(jù)轉(zhuǎn)速百分?jǐn)?shù)來設(shè)定更低的轉(zhuǎn)速。馬達(dá)停止有三種型號：“1”，“2”，“3”。“OFF1”是指在一個(gè)特定的坡道功能所設(shè)置的時(shí)間，它是由一個(gè)停機(jī)鍵或一個(gè)人機(jī)界面來完成的。USS通訊程式可以由「USS_驅(qū)動_控制」說明來執(zhí)行。“USS_Drive_Control”的指示在系統(tǒng)開始后會被自動地執(zhí)行。在該系統(tǒng)的輸入端，“OFF2"和CFF3”代表的是“自動停泊”和“緊急停泊”，"F_ACK"代表的是“故障確認(rèn)”；“dire”是方向開關(guān)；'Drive'是連接到的頻率轉(zhuǎn)換器的地址；“PZD_LEN是指現(xiàn)場總線（Fieldbusbus）通信消息的處理數(shù)據(jù)區(qū)域的長度；“SPEED_SP”設(shè)置了一個(gè)百分百的速度。在該系統(tǒng)的輸出端，顯示了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況。CB1241主從臺之間的通訊要求獨(dú)立的用戶界面通訊。應(yīng)該指出，對于所有的USS通訊程式，其“DRIVE”的位址不能完全一樣，而且位址的位址從1到31。

結(jié)語應(yīng)用西門子特有的USS總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對感應(yīng)電機(jī)變頻器速度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，使其具有方便、直觀、交互性好、布線簡單、便于遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn)。將整個(gè)系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)集度中在HM上進(jìn)行顯示，可以隨時(shí)進(jìn)行觀察，并自動進(jìn)行記錄。此外，它的體積比較小，安裝容易，易于維護(hù)，而且成本也比較低。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，證明該控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，功能完備，具有很高的使用價(jià)值。參考文獻(xiàn)[1]馬俊強(qiáng),葉建蘭,梁洸