PLC控制系统

PLC控制系统

1、引言

编程控制器(PLC)是集计算机技术、自动控制技术、通信技术为一体的新型自动控制装置。其性能优越，已被广泛地应用于工业控制的各个领域。在电力工业中，应用可编程控制器的场合比比皆是。例如电厂输煤系统、锅炉燃烧系统、汽轮机和锅炉的起动及停车系统、废水处理系统、发电机和变压器监控系统、整个电力网的联网通讯、调度及控制、利用可编程控制器进行软动控制等等。作为电力职业技术学院，在教学中让学生掌握现代自动化控制最先进的技术以适应电力系统以及社会各企业对高技能人才的需要是非常必要的。

武汉电力职业技术学院电力工程系供用电技术教研室本着“以服务为宗旨，以就业为导向，以能力为本位”的职业教育办学理念，与湖北华茂机电技术工程公司联合开发、研制的PLC工业控制实训系统(如图1所示)，注重实用性，兼顾超前性、通用性，努力营造工业现场环境，创造工业现场气氛，所组成的工控系统与生产现场所使用的设备完全一样，在国内尚属首例。

2 系统简介

该实训系统最大的特点就是对学员的训练可做到由浅入深，由易到难，设计巧妙的控制对象，在学生实验(训)中起到了非常好的效果。实训系统采用日本欧姆龙公司目前最新、最具优势的PLC——CP1H-40CDR-A作为控制中心主体，同时配有触摸屏、变频器、温度控制器等具备通讯功能的控制设备以及工业现场常用的传感器、旋转编码器、接近开关等等，系统的最下层还配有一台三相异步电动机、一台直流电机及一个加热器等控制对象。实训项目从最基本的PLC编程、变频器、温控器及触摸屏单独的实际训练(包括控制对象)开始，逐步深入通过RS232口和485口进行各设备间的相互通信，形成闭环控制系统。可编程控制器主机可准确地处理来自传感器、计时器、温度调节器、开关等控制部件的信息，有效控制机器与设备的运转。以可编程控制器为中心，配合触摸式画面的可编程终端便于对生产对象的控制与参数的变更，作为操作者与机器设备人机交互的界面，在提高生产效率方面可发挥重要的作用。

在工业控制领域，各种生产设备、控制器以及智能仪器仪表等往往分散在工厂、车间

的不同地方，如何将这些控制设备连接起来，完成对现场信息的实时采集、通信以及对设备的实时控制、监视和远程维护;如何把厂房处于不同地理位置上的PLC与PLC、PLC与计算机或PLC与智能装置间通过传输介质连接起来，实现通讯，以构成功能更强、性能更好的控制系统等等，这些都是工厂自动化网络解决的问题。

根据工业现场的实际情况，该实训系统还具备强大的网络通讯配置供学生实训用：最上层采用以太网(Ethernet)来实现高层数据传送，以太网模块使得PLC可以作为工厂局域网的一个节点，在网络上的任何一台计算机都可以实现对它的控制。通过以太网通讯模块与上位机通讯，实现上位机的监控等操作，同时通过现场总线模块DRM21实现PLC与PLC间的数据共享。SCU串行通信模块实现与第三方设备如DCS、锅炉等通讯，创造一个远程监控环境;中间控制层网络(ControllerLink)，是OMRON推出的FA(工厂自动化)领域用于在PLC间、计算机和PLC间进行大容量数据交换的网络，而计算机也可作为一个节点对PLC进行监控，编程运行组态软件;最后通过设备层网络(DeviceNet)实现对底层控制设备的远程控制。

学生们通过PLC工业控制实训系统的训练，加强了综合实践能力的培养，对于提高学生动手能力，提供了有利的条件。对增强学生岗位适应性，缩短上岗前的培训时间(“零距离”技能型人才)，使学生真正成为对企业有用的高技能型人才具有独特的作用。

3 控制实例

电力生产设备大多是由电动机作为原动机进行拖动的，通过对电动机的状态进行控制从而达到对生产设备进行启动、停止的控制，改变生产设备的工作速度、运动方向等等。“PLC工业控制实训系统”具备了这些方面的功能。该系统通过变频调速器可对电动机进行速度调节，达到对生产设备的运动速度的调节;也可通过变频调速器配合接近开关，将电

动机的运行信息输入到可编程控制器，可编程控制器根据这些信息对电动机的状态进行控制(启动、停止、调速、正反转等)，形成一个真实的工业闭环控制系统。通过触摸屏可以对电动机的状态进行控制和监视，同时还可以对变频调速器、PLC中的计数器和定时器的参数进行在线修改。下面对这个闭环控制系统作一简单介绍。

(1)控制要求

①当按下启动按钮SB1时，电动机以5Hz频率对应的速度正向启动;

②当转过200圈时，电动机以30Hz频率对应的速度加速运转;

③运转200圈，电动机还是以30Hz频率对应的速度由正转变为反转;

④反转100圈，电动机停转(也可以通过手动停止按钮SB2控制电动机停转)。

(2)控制系统的组成

该控制系统由PLC、变频调速器、三相异步电动机、接近开关、触摸屏等组成。其框图如图2所示。

该控制系统的接线如图3所示。

图3电动机控制系统接线图

系统中，PLC与变频器之间通过RS485通信口采用Modbus—RTU简易主站功能进行串行通信;PLC与触摸屏之间通过RS232通信口进行通信。

4 程序的实现

首先要对变频器本体的参数进行设定：选择RS485通信口进行通信;波特率选9600bps等等。然后对PLC进行设定：设定通信波特率9600bps、8位二进制/偶数校验/停止位1(8.1.E.9600)、串行网关等等，如图4所示。

图4PLC设定

实现该控制的部分梯形图程序如图5所示。

图5梯形图程序

程序说明：通过安装在CP1H上的串行端口1向地址为1的变频器发送指令，以改变变频调速器的参数，达到对电动机状态的控制。

当按下和输入端0.00相连接的启动按钮SB1时，变频器开始驱动所带的电动机以5Hz频率对应的速度开始低速正向启动;电动机每转一圈，检测元件接近开关会产生一个脉冲，这时在PLC的0.03输入端(与接近开关相连)就会有一个信号输入，计数器CNT0000的当前值会自动减1，当电动机转过200圈时，通过程序的执行，变频调速器的频率参数由5

Hz改写为30Hz，电动机将以30Hz频率对应的速度加速运转;当电动机提速运行转过200圈时，执行程序将变频调速器的参数由正转改写为反转(频率参数仍然保持为30Hz)，这时电动机就会由正转运行变为反转运行;当反转运行100圈时，电动机会自动停转。

除此之外，还可以由触摸屏对参数进行修改和适时干预程序的执行。

电梯控制系统中PLC 变频器的应用

一、电梯控制系统概述

1、电梯控制系统的功能要求

电梯控制系统是机械与电气相结合的机电一体化产品。目前电梯的控制方式主要有3 种类型, 继电器2接触器控制方式、PLC 控制方式和微机控制方式。早期安装的电梯多采用继电器2接触器控制方式, 因故障率高、可靠性差和维护困难等缺点, 现已逐渐被淘汰; 微机控制功能强, 但成本高, 系统设计复杂, 抗干扰能力较差, 多用于智能化程度高的系统中。

随着PLC 技术的逐步成熟, 其广泛应用于各行各业中。PLC 具有结构简单、控制方便、易编程修改和可靠性高等特点, 应用在电梯控制系统中, 可实现电梯控制的各种功能要求, 所以逐渐代替了继电器2接触器控制系统。

电梯系统的主要结构如图1 所示, 以3层为例。动力来自电动机, 一般选用异步电动机。曳引机的作用有3 点: 一是调速,二是驱动曳引钢丝绳, 三是在电梯停车时实施制动。为了加大载重能力, 钢丝绳的一端是轿厢, 另一端加装了配重装置, 配重的重量随电梯载

重量的大小而变化。楼层面板上设置有上行和下行呼叫按钮和显示单元等; 厢内面板设置有楼层的数字按钮及显示单元等。

电梯的主要任务是通过响应外界的输入, 经过PLC 运算后, 决定电梯的运行方式。电梯1 次完整的运行过程, 就是曳引电动机从启动、匀速运行到减速停车的过程, 其工作过程如图2 所示。为满足乘客的舒适感和平层的精度, 要求电梯在各种负载下都有良好的调速性能和准确停车性能。为满足这些要求, 采用变频器控制电动机是最合适的。变频器不但可以提供良好的调速性能, 并能节约大量电能。

2、异步电动机变频调速的节能原理

电梯控制系统的动力采用的是异步电动机。异步电动机与其他电动机相比较, 有着无可比拟的优点, 结构简单、使用方便和易于维护等。在对电能的利用中, 电动机的耗电量约占总发电量的60%。为使异步电动机更好地满足负载的需要, 在变频调速问世之前, 已发

明了多种调速方法, 如: 改变转子电阻调速、电磁转差离合器调速等等。变频调速的问世, 不仅在调速性能方面远远超出其他的调速方法,而且具有显著的节能效果, 具体分析如下。

（1）异步电动机的功率损失

如图3 所示, 图3a 为异步电动机的固有机械特性, 同步转速为n1 , 拖动系统的工作点为A 点。此时电动机转子的功率分配如下。

1)电动机的电磁功率为P em, 异步电动机从电源输入功率为P1 , 其中一小部分供给定子绕组的铜损耗和电动机的铁损耗, 其余大部分由气隙磁场通过电磁感应传递给转子, 这部分功率称为电磁功率P em 。其大小与电磁转矩T em 和同步转速n1 的乘积成正比：

P em= T em n1 / 9 550UT Ln1 / 9 550

2) 电动机轴上的输出功率P2 传递给转子的电磁功率, 其中一部分产生损失, 剩余的为电动机轴上输出的机械功率, 其大小决定于负载转矩T L 与转子转速nA 的乘积。

P2= T LnA/ 9 550

3) 电动机的功率损失$ P, 其大小等于电磁功率与输出功率之差。

$P = P em - P2 = T L n1 / 9 550 - TL nA/ 9 550

上述公式表明, 当拖动恒转矩负载时, 电动机的功率损失与转差的大小成正比。

电动机转子的功率分配如图3b 所示。

（2）异步电动机变频调速时的功率损失

异步电动机在改变频率后, 其机械特性基本上与原固有机械特性平行, 所以, 对于同一负载, 在不同转速下, 转差大致相同, 如图4a 所示。这样, 异步电动机在变频调速过程中, 其功率的损失基本不变( 实际略有增加) , 如图4b 所示。

与异步电动机的其他调速方法相比较, 变频调速的功率损失是最小的, 节能效果显

著。

二、电梯控制系统设计实例

1、控制要求

一个简易3 层电梯控制要求如下。

1) 每一楼层均设有呼叫按钮SB 及位置开关SQ;

2) 当电梯停于某层时, 若有一高层呼叫, 则电梯上升至呼叫层停止;

3) 当电梯停于某层时, 若有一低层呼叫, 则电梯下降至呼叫层停止;

4) 响应呼叫信号后, 呼叫指示灯亮, 直至电梯到达该层时熄灭;

5) 当有多个呼叫信号, 能自动根据呼叫楼层停靠, 经过延时后, 继续上升或下降运行, 直到所有的信号响应完毕;

6) 电梯运行途中, 任何反方向呼叫无效, 且呼叫指示灯不亮;

7) 轿厢位置用7 段数码管显示, 上行、下行用上、下箭头指示。

2、设计方案

根据3 层电梯控制系统的要求, 设计采用PLC控制变频器调速系统, PLC 负责处理各

种信号的逻辑关系, 变频器拖动曳引机, 电梯的上行、下行通过变频器控制电动机的正、反转。

（1）I/ O 端口分配

该控制系统共有输入信号7 个, 输出信号14 个,考虑实际需增加的轿厢开关及留有的余量等, PLC 可选FX2N248MR 型, I/ O 端口分配如表1 所示。

（2）控制系统接线

根据3 层电梯的控制要求, 变频器采用三菱FR2E540, 由外部信号控制, 即变频器的频率( 电动机的转速) 由可调电阻RP 来控制, 变频器的运行由PLC 的输出来控制。控制系统接线如图5 所示。

（3）变频器简单参数设置

为使PLC 的控制与变频器有机结合, 使电梯准确平层, 增加电梯的舒适感, 电梯的启停平稳度、加减速度和运行时间由变频器加减时间和运行频率控制。变频器设定以下参数( 参考值) 。

1) 操作模式选择Pr . 79= 2;

2) 电子过电流保护Pr . 9 设定电动机额定电流, 通常设定在50 Hz 时的额定电流;

3) 上限频率Pr . 1= 50 Hz;

4) 下限频率Pr . 2= 5 Hz;

5) 加速时间Pr . 7= 2 s;

6) 减速时间Pr . 8= 3 s;

7) 启动频率Pr . 13= 0 Hz。

对于实际运行中的电梯, 可根据实际情况调试和设定其它相关参数。

（4）控制程序

控制程序主要由以下几部分组成: 各楼层单独呼梯控制、多层同时呼梯控制、上升及下降运行控制和轿厢位置显示等。各部分参考程序如图6、图7和图8 所示。