觸摸屏結(jié)合PLC在變頻電源中的應用

1. 引言 可編程序控制器（PLC）作為中央處理單元由于其運算速度高，指令豐富，功能強大，可靠性高，抗干擾能力強而廣泛應用于各種工業(yè)控制場合。但是由于其本身不具備人機交互功能，在工藝參數(shù)較多，需要人機交互時，使用具有觸摸操作功能的觸摸屏（Touch Panel Monitor）就是一種很好的選擇。在本套變頻電源系統(tǒng)中，通過觸摸屏和PLC結(jié)合使用，可以在觸摸屏中直接設(shè)定目標電壓值與目標頻率值，并可實時監(jiān)控到電源系統(tǒng)實際電流、電壓、頻率的大小，以及具有報警功能。 2. 系統(tǒng)硬件組成與結(jié)構(gòu)原理 本套系統(tǒng)用于變頻空調(diào)壓縮機的測試平臺。該測試平臺要求電源輸出電壓可變范圍80～480V，頻率可變范圍20～200Hz，以便對空調(diào)壓縮機的工作性能進行全面測試。本套變頻電源系統(tǒng)由變頻器、勵磁單元、異步驅(qū)動電機和同步發(fā)電機機組、PLC以及人機界面組成。各部分說明如下： (1)變頻器選用ABB公司的ASC600變頻器，該系列具有高可靠性，控制精確，自保護系統(tǒng)優(yōu)良等特點。變頻器的作用是根據(jù)PLC給定的電機速度和編碼盤反饋的實際速度值，通過一定參數(shù)的PID調(diào)節(jié)對異步驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速進行實時控制，使電動機運行在給定的轉(zhuǎn)速，從而使與電動機同軸聯(lián)結(jié)的同步發(fā)電機輸出的電壓為給定的頻率。 (2)勵磁單元采用ABB公司的直流電源DCS500。該裝置采用可控硅整流，具有良好的電流調(diào)節(jié)性能和保護功能。選擇外部控制后，可根據(jù)PLC的給定值直接控制電流，以起到調(diào)節(jié)同步電動機勵磁電流的大小，進而控制同步發(fā)電機的端電壓大小的作用。 (3)異步電動機與同步發(fā)電機同軸連接，通過變頻器控制電動機的轉(zhuǎn)速可以準確控制發(fā)電機輸出電流的頻率大小，而同步發(fā)電機輸出電壓幅值E與磁通Φ有關(guān)，因此調(diào)節(jié)勵磁單元所提供的勵磁電流即可以控制發(fā)電機輸出電壓的幅值。最終達到電壓、頻率分別可調(diào)，波形為正弦波。 (4) PLC作為控制單元，是整個系統(tǒng)的控制核心。選用OMRON公司的CPM2A。一是輸出給變頻器轉(zhuǎn)速信號，控制電機轉(zhuǎn)速；二是按照一定的控制策略給出勵磁單元的控制信號，實現(xiàn)同步發(fā)電機輸出電壓可調(diào)。從而實現(xiàn)整個變頻電源輸出頻率、幅值的連續(xù)可調(diào)。同時，與觸摸屏進行實時通訊，為觸摸屏的顯示提供數(shù)據(jù)，并對于觸摸屏輸入的信息進行處理等。 (5) 觸摸屏采用OMRON公司NT31C。觸摸屏實現(xiàn)了電流、電壓、頻率的實時顯示，電壓、頻率目標值的設(shè)定以及產(chǎn)生報警信息等。 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示： 圖1 變頻電源系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 3. 觸摸屏特點功能 觸摸屏監(jiān)控器（簡稱PT）是90年代出現(xiàn)的新型可編程終端，是新一代高科技人機界面產(chǎn)品。適于在惡劣的工業(yè)環(huán)境中應用，可代替普通或工控計算機作為人機界面，具有交互性好，可靠性高，編程簡單，與PLC聯(lián)結(jié)簡便等特點。PT的主要功能有[1]： (1)PT主要用于實時顯示設(shè)備或系統(tǒng)在操作狀態(tài)方面的實時信息。 (2)觸摸屏上的觸摸按鈕可產(chǎn)生相應的開關(guān)信號，或輸入數(shù)值、字符給PLC進行數(shù)據(jù)交換，從而產(chǎn)生相應的動作控制系統(tǒng)或設(shè)備的運行。 (3)可多幅畫面重疊或切換顯示，顯示圖形、字符串、報警信息、歷史記錄、趨勢圖等。 4. PLC在勵磁調(diào)節(jié)中的作用 與電力系統(tǒng)的同步電機勵磁調(diào)節(jié)器不同，此設(shè)備作為變頻電源給獨立的負載供電，而不是無窮大電網(wǎng)。故在勵磁調(diào)節(jié)中，減少了很多故障發(fā)生的可能性，但同時又有電壓、頻率調(diào)節(jié)范圍寬、調(diào)節(jié)精度高和一定的動態(tài)響應要求。由于頻率調(diào)節(jié)范圍要求在20－200Hz，電壓調(diào)節(jié)范圍在80－480V，投切負載頻繁，這些都加大了對勵磁調(diào)節(jié)器的要求。對本系統(tǒng)而言，同步發(fā)電機的動態(tài)過程主要有電壓變化、頻率變化、突加負載、突甩負載、脈沖干擾等等。怎樣保證在各種各樣的運行狀態(tài)下都能靈活、準確地應用各種合適的控制策略，使得同步機能正常工作，同時具有良好的響應速度是本系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵所在。下面就其中最重要的電壓調(diào)節(jié)和頻率調(diào)節(jié)這兩個動態(tài)過程作定性的分析。 電壓調(diào)節(jié)：在頻率保持不變的情況下，當給定電壓變化 時，調(diào)節(jié)器通過調(diào)節(jié)勵磁電流輸出，從而改變磁通 ，使勵磁電動勢 重新平衡電樞反應電勢，同時補償由于定子電流變化而產(chǎn)生的電壓變動。 頻率調(diào)節(jié)：當需要頻率調(diào)節(jié)時，PLC控制變頻器對原動機進行速度調(diào)節(jié)，使原動機運行在給定速度。同時由于頻率的變化，在不飽和的情況下造成勵磁電動勢及電機內(nèi)部參數(shù) 、 的明顯變化，設(shè)頻率增加 ，則 隨之增大，電機參數(shù) 、 也將增大，端電壓將隨之變化，為保持端電壓不變，則又要調(diào)節(jié)勵磁電流改變磁通 以達到新的平衡點。 鑒于本系統(tǒng)的調(diào)節(jié)要求，調(diào)節(jié)器采用被調(diào)電壓偏差負反饋原理的閉環(huán)控制系統(tǒng)。針對頻率、電壓調(diào)節(jié)的特性以及高頻、低頻、高壓、低壓過程中采用分段控制，采用變參數(shù)調(diào)節(jié)以達到系統(tǒng)的最優(yōu)性能。 程序流程圖如圖2所示： 圖2 系統(tǒng)程序流圖 5. 觸摸屏畫面設(shè)計 下面介紹本套變頻電源系統(tǒng)中觸摸屏的應用。觸摸屏畫面由支持軟件進行設(shè)計，然后從支持工具（個人電腦）中下載到PT即可使用。支持工具與PT之間的連接電纜見圖3所示。觸摸屏與PLC之間通過RS232通信電纜以HOST LINK（主從連接）方式進行連接，PT與PLC之間的電纜連接方式見圖3。由PLC對PT狀態(tài)控制區(qū)和通知區(qū)進行讀寫達到兩者之間的信息交互。PLC讀PT狀態(tài)通知區(qū)中的數(shù)據(jù)，得到當前畫面號，而通過寫PT狀態(tài)控制區(qū)的數(shù)據(jù)，強制切換畫面。 圖3 觸摸屏與支持工具、PLC之間的連接電纜 5.1歡迎頁面的設(shè)計 在支持工具上，創(chuàng)建一個歡迎頁面，整個頁面為一個透明的觸摸按鈕，其功能為切換畫面，當點擊頁面任一部分時即進入?yún)?shù)顯示頁面。當外界無動作時，由PLC編程實現(xiàn)30秒后，改寫狀態(tài)控制區(qū)中的數(shù)據(jù)，將參數(shù)顯示頁面載入。在歡迎頁面上的觸摸按鈕上可放置文本，對系統(tǒng)進行說明與標注等。 5.2參數(shù)顯示頁面的設(shè)計 在這套系統(tǒng)中，用戶需要觀察的量為輸出三相電流，電壓以及頻率的大小。因此，設(shè)置三組數(shù)字顯示區(qū)，分別顯示電壓、電流與頻率值，在數(shù)字內(nèi)存表中占據(jù)相應的存貯空間，同時，通過數(shù)字內(nèi)存表的地址與PLC數(shù)字存儲區(qū)的位置對應起來。系統(tǒng)啟動后，由傳感器、編碼盤等將電壓、電流與頻率信號送入PLC進行處理，因PLC數(shù)字存儲區(qū)的地址與PT內(nèi)存表相關(guān)聯(lián)，此時，PT就可以實時顯示這三組數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的精度與位數(shù)根據(jù)實際情況在PT的數(shù)字內(nèi)存表的屬性中設(shè)置。 5.3參數(shù)設(shè)置頁面的設(shè)計 用戶需要設(shè)定的量為電壓，頻率的目標值，這是利用撥碼開關(guān)型數(shù)字設(shè)定輸入?yún)^(qū)達到這一目的的。用戶可直接在撥碼開關(guān)上進行增減操作以得到需要的目標值。在撥碼開關(guān)上設(shè)定之后，點擊“確定”按鈕，該數(shù)值送入PLC目標值保存單元，點擊“取消”按鈕，則維持原數(shù)值不變。數(shù)值的位數(shù)、精度以及該數(shù)值在PLC內(nèi)存單元中的地址都是在撥碼開關(guān)的屬性中設(shè)置的。見圖4所示。 圖4 參數(shù)設(shè)置頁面 在調(diào)節(jié)過程中，頻率和電壓要符合一定的關(guān)系，因此頻率電壓均不能無限制增大，同時兩者應有互鎖功能。兩者具體關(guān)系是根據(jù)異步電機頻率與電壓的關(guān)系以及同步機勵磁與電壓的關(guān)系確定的，見圖4，系統(tǒng)工作在陰影所示工作區(qū)中。而互鎖則是在PLC編程中實現(xiàn)的。 圖5 系統(tǒng)工作區(qū)域 5.4報警信息頁面的設(shè)計 根據(jù)實際可能出現(xiàn)的電機過溫（由電機內(nèi)置的溫度傳感器檢測報告）、過流和系統(tǒng)急停這三種故障設(shè)定報警頁面。報警頁面是由一些PT元件庫中的標準燈來組成。當PLC檢測到有報警信息時，PT控制區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)相應改變，強制切換到報警頁面，每個標準燈都與PLC中表示報警有無的一個位相對應，這樣，根據(jù)每個燈的開與關(guān)狀態(tài)就能具體確定是哪里的故障，從而采取相應的措施。 5.5幫助頁面的設(shè)計 考慮到工業(yè)現(xiàn)場的需要，在頁面設(shè)計時，增加了大量幫助頁面，包括PT的維護，系統(tǒng)的使用，參數(shù)的設(shè)置等。 6、總結(jié) 本套電源系統(tǒng)中，需要在線更新的量為電壓與頻率的設(shè)定值，采用觸摸屏作為人機交互工具，簡單直觀，便于操作。但在實際使用中還是有一些限制的，如PLC與觸摸屏之間距離不能過大，觸摸屏本身比較貴等。PLC作為中央處理單元，兩者在變頻電源系統(tǒng)中結(jié)合使用，實現(xiàn)了該系統(tǒng)的變頻調(diào)壓作用，輸出波形為理想正弦波，具有調(diào)節(jié)范圍廣的特點，在實際使用中取得良好的效果。 參考文獻：NT31可編程終端用戶手冊，OMRON公司