基于PLC的高压电机斩波串调控制系统的设计与实现

浅谈基于PLC的高压电机斩波串调控制系统的设计与实现

摘要：基于plc的高压电机斩波串调控制系统能具有控制功率小，并具有plc控制系统的优良特性，不仅能够实现电机的智能控制，还能够达到节能减排的目的。本文设计介绍了plc控制的串水阻系统的高压电机斩波串调控制系统的设计和实现。

关键词：plc；斩波串调控制系统

plc是一种通用的自动化控制装置，利用plc能够实现顺序控制、定时控制、逻辑控制以及计数控制等。高压电机斩波串级能够实现智能化控制离不开该控制元件。近年来我国经济发展迅速，人口的增长速度也日趋加快，资源和环境的约束体现了比较突出的矛盾，为此，我国大力推行节能减排。由于传统的水泵、风机等采用的都是挡风板或者大阀门实现对流量的调节，这导致了电能的严重浪费。而高频斩波串级调速技术和高压变频技术凭借着控制功率小、控制电压小的优点，在调速技术中占有绝对的优势。将plc控制器和高频斩波串级调速技术和高压变频技术结合起来，能够通过逻辑关系实现电机故障保护动作的控制，本文将对基于plc的高压电机斩波串调控制系统的技术实现做简要分析。

1、高压电机斩波串级调速系统

基于串水阻系统的高压电机斩波串级调速系统是plc控制的对象。如下图所示：

在该系统中，电机是定子辅助绕组绕线式内反馈三相异步电机。功率为直流功率，并通过二极管、igbt、电容器共同构成的斩波电

路对其进行调节。电容器中存储缓冲，通过最小逆变角三相有源逆变器转变成工频交流电功率，并通过定子绕组和阿福主绕组实行电网回馈。串入转子绕组回路中的可调反电势是由斩波电路和有源逆变器提供的，通过可调反电势，系统能够实现调控转子电流，从而达到调节高压电动机的转速的目的。该系统有km1-4三相真空接触器，通过控制保护系统，电机能够实现正常的停启和保护。通过设计脉冲发生、控制逻辑以及控制电路能够在出现故障的情况下达到保护系统的目的。

2、基于plc的串调控制系统的设计概述

设计plc控制系统分为两个方面：plc软件编制和硬件选型。设计这两方面的内容主要通过一下几个方面的设计：

（1）编制工程控制要求。

（2）进行系统分析。系统分析主要包括系统的运行状态分析、测点选择、控制内容分析等。选择测点的结果有：反馈交流电流、直流电流、转子单相电流以及电容电压等。

（3）系统设计。主要包括的设计内容有：plc控制系统中所包含的硬件，有操作开关、传感器、按钮和限位开关等。另外还有控制系统的执行机构，包括接触器、继电器以及信号灯等输出设备。最后设计控制系统的总体结构、控制系统i/o地址分配。

（4）设计系统的可靠性。

（5）控制系统软件设计。包括电气原理图、电气接线图、技术说明书、plc梯形图、元器件明细表等。

（6）人机界面设计。包括系统控制模式、系统运行状态指示、记录系统的报警内容，形成故障日志等。

3、高压电机斩波串级控制系统的设计

高压电机斩波串级调速控制系统必须具备良好的保护动作逻辑

功能和自动控制功能，包括停车、开启、调速、升降速以及全速等。另外还要具备各级调控之间的切换功能。包括：调速/全速、远方/就地等。对系统进行分析后可以得到测点和传感器的具体设计要求。对系统的运行状态进行分析，能够得到系统过程态和稳态的分析：

对系统进行控制内容的分析，可以得到按钮操作、水阻控制、主回路接触器控制、pwm脉冲、操作模式转换以及模拟量监控等内同的具体调速配置内容。通过分析这些内容，我们就可以进行系统设计。

（1）plc系统选型。该系统选用的是西门子s7-200系plc电源，电源型号为24vdc cpu224，24vdc输入、输出型。cpu224 100-230v ac/dc/继电器型电源则为实验台使用。主要对硬件的开关量进行控制，以及调节和采集模拟信号，并利用人机界面实现设定和修改以及各种操作切换等。结合上文的系统设计分析，我们对哪些信号要输入给plc、电压的等级、电流选择交流还是直流以及使用模拟量还是开关量等问题进行了综合考量，最终确定选用的plc型号为cpu224，并为系统选择扩展模块时，i/o点数保留了一定裕量，并配置了备系统扩充用的模块。

（2）plc的介绍。西门子s7-200系plc结构比较小巧，并且可靠性非常高，其指标令系统非常丰富。即能够使用单独的cpu形成数字量控制系统，也能够进行模块扩展，形成比较复杂的控制系统。plc的核心控制单元是cpu，整个系统的控制点是i/o点。plc通过工业的现场设备采集信号，然后将信号输入并分析输出，从而控制电机、指令控制泵等，通过通讯端口，plc能够将设备和cpu连接起来，并将系统的检查结果显示出来。

（3）em223数字量混合输出/输入模块和扩展单元配置。按照本设计中选用的plc模拟量扩展单元em235的技术规范，我们将其分为四路进行模拟量的输入，当电压和电流具有不同的接线法时，输出接线法不同。在接线时要注意：尽量缩短传感器的接线长度，使用的电线应当是屏蔽双绞线；电源线和信号线不能平行布置；有效利用电缆槽，这样能够避免在布线时形成导线锐角；为避免系统运行产生噪音，应该使用质量好的传感器电源，如240dc。二，接入em235前的校准以及选用的配置方法。首先按照工程的实际情况（接入是电流信号还是电压信号）对模块进行设置。通过校准能够对系统在使用前进行刻度调零以及其他相关内容的调试。校准输入时，首先要把电源切断，然后选择相应的输入范围，并将模拟量扩展模块和cpu模块的电源接通。一段时间的稳定以后，利用一个电流源和传感器或者电压源和传感器，把零值信号直接加入到另一段，读出cpu的值，偏置电位器时其读数为零。然后在一个输入端接入一个满刻度信号，再次读cpu的值，不断增加益电位器，并调节gain，

当cpu达到设定值时即可停止，完成校对。当em235处于工作正常态时，数字量为输入的模拟量，符号位是最高有效位，0是正值，模拟量和数字量的转换值是12位数，左右要对其。

（4）控制系统i/o地址分配和扩展i/o寻址。由于模拟量扩展和数字量扩展模块都是cpu模块i/o的扩展，因此必须对这两个模块寻址。这两个模块的寻址应该是分开的，互不影响。

4、系统的可靠性设计

（1）采用交流式自相电压220v电源，利用总电源开关控制电源系统，根据系统的实际需求，选择空气开关或者刀闸门式开关。使用24v直流i/o模块形成plc控制系统。工业输入信号为电机按钮、继电器触点、接近开关等，输出信号是接触器线圈、显示灯、控制继电器线圈。为了达到系统可靠工作。

（2）计算系统的配置电源。plc系统中有一个内部电源，它为24vdc用户、跨站模块等供电。cpu每一个模块都包含了一个传感器电源，如果本机使用电源超过了内部电源的定额，那么可以通过增加外部电源对24vdc的供电。本系统cpu只有280毫安，而i/o 需要的是600毫安的24vdc电源。因此我们给系统配置了320毫安的额外电流和24v直流电源，以提高电源的可靠性。

5、系统的软件设计和人机界面设计

该系统中的软件设计包括plc软件设计以及屏通人机软件设计。在plc软件设计中，通过详细了解plc的软件设计基础，利用编程和pwm/pto功能块完成pwm输出。人机界面设计包括：触摸屏的选