基于PLC的變頻器液位控制設計

隨著電力電子技術以及工業(yè)自動控制技術的發(fā)展，使得交流變頻調速系統(tǒng)在工業(yè)電機拖動領域得到了廣泛應用。另外，由于PLC的功能強大、容易使用、高可靠性，常常被用來作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和設備的控制。本設計就是利用變頻器和PLC實現(xiàn)水池水位的控制。

變頻器技術是一門綜合性的技術，它建立在控制技術、電子電力技術、微電子技術和計算機技術的基礎上。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進行調速控制，有許多優(yōu)點，如節(jié)電、容易實現(xiàn)對現(xiàn)有電動機的調速控制、可以實現(xiàn)大范圍內的高效連續(xù)調速控制、實現(xiàn)速度的精確控制。容易實現(xiàn)電動機的正反轉切換，可以進行高額度的起停運轉，可以進行電氣制動，可以對電動機進行高速驅動。完善的保護功能:變頻器保護功能很強，在運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，電機短路等)，并立即封鎖輸出電壓。這種“自我保護”的功能，不僅保護了變頻器，還保護了電機不易損壞。

PLC特點：第一，可靠性高、抗干擾能力強，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)具體問題設計了如步進梯形指令等，進一步簡化了編程。第三，設計安裝容易，維護工作量少。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、有毒氣體等的應用場合。第五，與外部設備連接方便，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、體積小、能耗低、性能價格比高。

在應用PLC系統(tǒng)設計時，應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)結構力求簡單；

（3）系統(tǒng)工作要穩(wěn)定、可靠；

（4）控制系統(tǒng)能方便的進行功能擴展、升級；

（5）人機界面友好。

本系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)能源的充分利用和生產(chǎn)的需要，需要對電機進行轉速調節(jié)，考慮到電機的啟動、運行、調速和制動的特性，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、電機等設備的控制任務?；赟7-200PLC的編程軟件,采用模塊化的程序設計方法，大量采用代碼重用，減少軟件的開發(fā)和維護。系統(tǒng)利用對PLC軟件的設計,實現(xiàn)變頻器的參數(shù)設置、故障診斷和電機的啟動和停止。

1 本設計的控制要求

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

2)要求用戶能夠遠程控制變頻器的啟動和停止；

3)用戶可自行設置水位的高低，以控制變頻器的起停；

4)變頻器及其他設備的故障信息能夠及時反映在遠程PLC上；

5)具有水位過高、過低報警和提示用戶功能；

2 本設計控制結構

由于現(xiàn)場有一臺電機作為被控對象，可以使用單臺PLC進行單個對象的控制，只要適當?shù)倪x用高性能的PLC,完全能夠勝任此功能。系統(tǒng)控制結構如圖1所示。

PLC采集傳感器、監(jiān)控電機及變頻器等有關的各類對象的信息。本系統(tǒng)中，對電機采用一臺變頻器來進行頻率的調節(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，從而控制電機轉速大小，并且向PLC反饋自身的工作狀態(tài)信號，當發(fā)生故障時，能夠向PLC發(fā)出報警信號。由于變頻調速是通過改變電動機定子供電頻率以改變同步轉速來實現(xiàn)的，故在調速過程中從高速到低速都可以保持有限的轉差功率，因此具有高效率、寬范圍、高精度的調速性能。

3 設備的選型

（1）PLC及其擴展模塊的選型：

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，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、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個擴展模塊，最大擴展至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個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的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，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內部集成特殊功能。

根據(jù)上述分析，參照西門子S7-200產(chǎn)品目錄，選用主機為CPU226PLC一臺、另加上一臺模擬量擴展模塊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統(tǒng)一使用了相同的控制技術，例如啟動向導，自定義編程，DTC控制，通用備件，通用的接口技術，以及用于選型、調試和維護的通用軟件工具。內含啟動引導程序，令您調試易如反掌；自定義編程：內置可編程模塊，猶如PLC令您發(fā)揮自如；體積小巧：內置濾波器，斬波器及電抗器、性能卓越。

4 系統(tǒng)的控制流程

（1）程序設計前準備工作：了解系統(tǒng)概況，形成整體概念，熟悉被控對象、編制出高質量的程序，充分利用手頭的硬件和軟件工具。

（2）程序框圖設計：這步的主要工作是根據(jù)軟件設計規(guī)格書的總體要求和控制系統(tǒng)具體要求，確定應用程序的基本結構、按程序設計標準繪制出程序結構框圖，然后在根據(jù)工藝要求，繪制出各功能單元的詳細功能框圖。

（3）編寫程序：編寫程序就是根據(jù)設計出的框圖逐條地編寫控制程序，這是整個程序設計工作的核心部分。

（4）程序測試和調試：程序測試和調試不同，軟件測試的目的是盡可能多地發(fā)現(xiàn)軟件中的錯誤，軟件調試的任務是進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，是整個程序設計工作的總結。

下面是系統(tǒng)設計流程圖：

圖2PLC水位控制流程圖

5 程序結構

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)應用程序，除了具有創(chuàng)建程序的相關功能，還有一些文檔管理等工具性功能，還可直接通過軟件設置PLC的工作方式、參數(shù)和運行監(jiān)控等。

該軟件可以工作于聯(lián)機和離線兩種工作方式，所謂聯(lián)機是指直接與PLC連接，允許兩者之間進行通信，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)機后再下載至PLC。