西门子PLC在变频调速电机的应用

西门子 PLC在变频调速电机的应用

王海军

一汽大众汽车有限公司 吉林长春 130011

摘要：PLC(可编程控制器)是专门用于工业控制的计算机，工业领域应用十分普遍，并且取得了良好的应用效果。PLC系统的稳定性极强，维护方便，可靠性高，抗干扰能力强，控制性好，是电气自动化控制系统的重要组成部分。PLC主要是依靠CPU(中央处理器)将输入存储器的各种数据进行运算和处理，然后通过一系列的指令输出，对工业生产中使用的各种设备进行管理和控制，提高了工业生产的效率。

关键词：西门子S7系列PLC；变频器；三相异步电机；应用；

前言

文章主要介绍了西门子S7 系列PLC和变频器的组成以及工作原理，探讨PLC和变频器在三相异步电机的应用。

一、西门子PLC概述

1.西门子PLC技术的优势十分明显，受到了各个行业的青睐，在各个领域的应用已经非常普遍，已经占据了较大的市场份额，在未来还会有更为广阔的发展前景。在工业生产中运用PLC技术，建立一套完整的自动化控制系统，提高了企业的生产效率，保证了产品质量，工作人员操控变得更加容易和方便。西门子S7系列 PLC主要分为200， 300, 400三个系列，S7-200适合性能要求不高的小型模块化控制系统，S7-300适合中等性能，模块化易于实现分布式配置的结构系统，S7-400适合中大型控制系统，扩展组合功能更强。

2.西门子S7-400系列PLC硬件组件部分：机架，电源（PS），中央处理器(CPU),通信模块(CP)，功能模块(FM),接口模块(IM),信号模块(SM)。硬件工作环境要求在0-55度之间，但最好是40度以下，温度太高会造成元件损坏，湿度小于85%，振动应避免超过10g（重力加速度）的冲击，PLC柜应留有足够的维护操作空间，与电磁元件接触器继电器等干扰源100mm以上。不同型号性能也不一样，CPU416-2扩展最多262144个数字量输入输出信号，16384个模拟量输入输出。PLC通过周期循环扫描实现运行。CPU连续执行用户程序的循环序列即为扫描。CPU416-2执行一条二进制指令仅需0.08μs,浮点数加法最小执行时间0.48μs，扫描周期包括三个环节∶其一，输入采样扫描环节。PLC根据顺序对输入端子所有信号进行采集，采集所得到的输入信号输入至映像寄存器，该扫描周期当中用户程序所使用的输入信号都是在映像寄存器内获得。其二，用户程序扫描执行环节。在这一环节，用户程序主要是通过梯形图来表示，再按照先上后下、先左后右这一顺序依次扫描，通过输入映像寄存器的方式获得输入信息。期间所执行的所有运算中间结果均要输入至元件映像寄存器。其三，输出刷新扫描环节。主要是对扫描周期内所有信息进行处理，一旦CPU完成所有用户程序的扫描，便可以将元件映像寄存器内的输出继电器状态传送到输出锁存器，将继电器负载输出

二、变频器简介

变频器内部结构包含整流、滤波、逆变以及驱动单元等，通过内部IGBT开断对输出电源电压、频率进行调整，按照电机需求为其提供电源电压，以此实现节能与调速的目标。当前变频器也被赋予了过流、过压、过载保护等保护功能。变频器电路由主电路和控制电路组成，其中主电路采用各种电力电子电路构成，它是变频技术的具体实现，包括整流电路、斩波电路、逆变电路、交-交变频电路等。控制电路主要是将信号向整流器、中间电路逆变器进行传输，并且负责接收这三个装置发出的信号。交-直-交变频器是现在最常使用的变频器，其主回路包括整流电路、中间电路、逆变电路。整流电路是一种将交流电能转换为直流电能的电路;中间电路是将直流电变换为另一固定电压或可调电压的直流电;逆变电路是将直流电路转换成交流电的电路。

三、PLC、变频器在电机的应用

三相交流异步电动机的作用是完成电能向机械能的转化。电动机包含固定部分和旋转部分，其中固定部分为定子，旋转部分为转子。三相交流异步电动机主要是以电磁感应定律、全电流定律等相关定律为基础运行。交流电机目前已经在高动态性能调速领域得到广泛运用，这也提出了比较严格的电机控制系统设计要求;加之电力传动系统本身带有复杂性的特点，被控对象也比较特殊。所以，必须要不断提升电力传动系统调速性。

本文利用西门子PLC和变频器去控制三相异步电机，能达到的功能是控制电机的启动/停止、正转/反转及速度。首先是利用西门子编程软件Step7进行硬件组态，从左侧起电源，CPU，接口模块，信号模块，（注意S7-300PLC一个机架上不能超过8个信号模块，这是受背板总线电流限制，每个机架总线耗电量不能超过1.2A）。第一步在Step7中新建一个项目，添加S7-300/400站，第二步添加导轨RACK-300/400,第三步添加电源，第四步添加CPU注意如果有总线需求选择相应类型的带DP或IP接口的，第五步添加I/O设备，设置变量地址及IP地址进行通讯，第六步保存编译并下载。对PLC进行程序的编写并导入CPU中，PLC主机中的数字量I/O点用于控制外部按钮和开关等，模拟量I/O点用于输出模拟量去控制变频器的频率输出，从而达到控制三相异步电机的输出。其二就是对变频器进行参数设置，根据现场设计需求，对变频器进行设置，例如选择控制方式是线路控制，DP总线控制，还是以太网IP控制,电机的相关参数、电机加/减速时间、速度值，最大电压、最高输出频率等参数。最后就是对三相异步电机主电路和控制电路的设计，三相异步调速电机主电路包括∶断路器、输入滤波器、电抗器、变频器、输出滤波器、电机。当PLC、变频器、电机线路都调试完毕以后，就是对整个系统进行调试，通过外部的开关接通给PLC输入信号，包括数字量信号和模拟量信号，去控制外部的继电器吸合、变频器运行并输出，实现三相异步电机的方向控制和速度控制。

四、西门子PLC故障处理诊断

西门子PLC技术虽然非常先进且有很多的优势，但是在实际使用的时候还是会有出现故障的现象。对于维修人员快速找到故障原因并排除故障，尤为重要，自动化控制系统出现故障多数是PLC外围故障，如元器件，线路，接口等。当PLC自身出现故障时首先要查看是哪一部分有问题，我们可以直观的从各模块的状态指示灯观察。电源模块LED指示灯包括INTF内部故障，BAF电池故障，DC5V/24V正常，INTF用于指示系统内部故障如电源短路或过载等，BAF指示灯当电池没电或总线上的电压太低时点亮，当输出电压在允许范围内时DC5V/24V指示灯常亮，当短路或过载恢复后DC5V/24V指示灯闪烁。CPU模块上的LED指示灯包括INTF内部错误，EXTF外部错误，BUSF总线错误，FRCE系统强制，CRST再次启动时需要完全再启动。西门子PLC本身就拥有故障检测的能力， 打开Step7 SIMATICManager选择CPU-moduleinformation,在弹出窗口中选择diagnosebuff,即可查询错误位置及原因。通过PLC与变频器之间的通讯数据可以查看状态字，了解变频器状态及相应的故障信息。

结束语

总之，西门子PLC技术的稳定性极高，操作比较简单，在各个行业得到了广泛应用，在很大程度上促进了行业的可持续发展。未来PLC系统将在工业自动化中发挥更大的作用。

参考文献：

［1］张涵，武建新.基于西门子PLC控制的电动门板设计［J］.机械研究与应用，2017，30（06）：134-136.

［2］任云丽，来长胜.基于西门子PLC的Profibus通信的实训项目开发［J］.自动化应用，2017（12）：172-173.

［3］史国生．电气控制与可编程序控制器技术［M］．北京：化学工业出版社，2004．

［4］周志敏.纪爱华 快速掌握西门子S7-300/400 PLC工程应用及故障处理［M］.北京：化学工业出版社，2013.8