6ES7307-1KA02-0AA0使用手册

可编程逻辑控制器(PLC)以其编程简单方便、控制稳定可靠、功能强大等优点通常作为控制器广泛应用于现代工业控制领域。触摸屏作为人机交互界面在一定程度上减少PLC的外部I/O点的使用以及减轻系统外部按钮开关的连线复杂程度，同时也提高了运行维护的方便性。随着工业现场对控制设备小型化、易操作化、智能化的要求的不断提高，基于PLC和触摸屏的交流变频调速系统的应用前景将非常广阔。本文采用三菱PLC(Fx2N-64MR)、海泰克触摸屏(PWS6AOOT)、伦茨变频器和外部按钮实现两台三相异步电机的交流变频调速实验系统设计。实际运行结果表明，该系统运行稳定可靠，控制性能良好。

1 控制系统要求

本套系统要求能够实现两台三相异步电动机的如下状态的控制：正转;反转;停止;点动;加速;减速。要求可以由触摸屏或外部按钮实现上述功能，两种开关量输入方式互为冗余备用，以提高控制系统的可靠性。另外，对于各种开关量状态及硬件不正常状态需要指示灯显示。

2 控制系统硬件设计

交流变频调速系统的硬件结构如图1所示。

控制系统硬件结构主要包括：可编程控制模块、控制指令输入模块、D/A转换模块、变频器调节模块。

2.1 模块功能

2.1.1 可编程控制模块

该模块是整个控制系统控制的核心处理器，是触摸屏指令和按钮开关指令的执行中枢和变频器指令触发元件。

2.1.2 控制指令输入模块

该模块就是给PLC加载控制指令以实现相应的输出操作。这里指令输入可由触摸屏按键实现，也可以由外部开关按钮实现，两种指令输入方式互为备用。为避免由按钮开关指令实现众多指令会导致接线复杂情况出现，可以对重要的开关量实现冗余备用，非重要开关量仅由触摸屏按键实现。

2.1.3 D/A模块

D/A是将PLC输出的数字量转换成模拟电压量以实现变频调速的目的。此系统采用的FX2N-2DA模块，该模块有两路模拟量输出以实现对两台变频器的控制。

2.1.4 变频器调节模块

变频器可根据PLC加载在其输入控制端子的指令执行相应的调节，能够执行三相异步电动机的各种工作状态。

2.2 模块通信

PC机通过专用电缆与PLC模块和触摸屏模块进行通信连接，编制调试程序完毕可以直接下载到触摸屏和PLC各自程序存储器。PLC模块与触摸屏之间由专用电缆连接，触摸屏按键指令可以由通信电缆加载到控制程序以执行相应的操作。另外，外部按钮指令直接加载在PLC输入端以实现相应的指令操作。PLC与D/A模块由扩展电缆连接，将PLC输出数字量转换成对应的两路电压信号加载到变频器输入端子以实现调速控制。

3 控制系统软件设计

3.1 PLC程序设计

3.1.1 输入、输出地址分配

根据控制系统要求，确定开关量输入、输出数量并对PLC分别地址分配。

X00～X04、X10～X14分别分配给电动机1、2的开关量输入端子(包括正转、反转、点动、停止)和变频器故障输入端子。

Y00～Y04、Y10～Y14分别分配给电动机1、2的开关量输出指示(包括正转、反转、点动、停止)和触摸屏故障指示。

Y20～Y22、Y30～Y32分别连接两台变频器的E1、E2和28控制端子。其中，E1端子功能为高电平时激活固定给定转速;E2端子控制旋转方向;28端子控制电机启动和停止。

M00～M05、M10～X15分别分配给触摸屏的1、2按键指令的PLC写入地址(包括正转、反转、点动、加速、减速、停止)。

此外，寄存器D1、D2分别为存储两台电机的D/A待转换数值，寄存器M8000监视PLC运行状态。

1 、双馈电动机控制理论与节能技术

　　1.1 双馈电动机的优势

　　双馈电动机不仅是属于异步机的范畴，它还可以被称之为交流励磁电机（Alternating Current Exc itatio n Mo to r ACEM）或异步化同步电机（Async hro nized Sync hro no us Mo to r），因为它包含有独立的励磁绕组，在使用的过程中，能够像同步电机一样通过增加励磁来进行功率因素的调节。同步电机其实是直流励磁，所以它只能够进行一个电流幅值调节，因此它一般只能够进行无功功率的调节。而双馈电动机能够进行调节的量有三个，它们分别是：可调节的励磁电流幅值、可改变的励磁频率以及可改变相位。这就表明了双馈电动机为了达到调速的目的，可以采用改变励磁频率的方式来改变机电的速率。同样的，在进行负荷突变的时候，也可以通过控制励磁的频率来改变机电的转速，把转子所产生的动能充分的利用起来，并吸收或者释放负荷。双馈电动机和同步电动机相比较，它们都能够利用转子励磁的电流幅值的改变来对功率因素进行调节。因此交流励磁在使用的过程中，不仅能够进行无功功率的调节，还可以进行有功功率的条件，而双馈电动机拥有众多的优势主要是因为它采用的是能够进行调节的交流励磁电源。

　　1.2 恒视在功率节能技术

　　电机功率主要可以可以分为三种：无功功率、有功功率以及视在功率。恒视在功率在使用过程中的重点是当有功功率发生变化的时候，可以通过对电机的功率因数进行调节，后把电机的视在功率控制在一个固定的值。这种做法的优点在于电机进行轻载的时候可以把剩余的电机容量作为无功功率向电网反馈，而当电动机重载的时候，可以把电机的功率因数的数值调节到与单位功率差不多，并且对电网的无功功率不进行吸收。同样的，在风机、水泵中也可以使用恒视在功率，其主要的原因有：

　　（1）我国电厂和钢铁厂在工作的过程中，用电量高的设备主要是空调、风机和水泵，因此对风机与泵实行节能措施是非常有必要的，而且节能的效果将会非常的明显。国家对于所有企业进行生产的技术装备都是有规定的，分别是可靠性与效率。但是对于成产过程中资源的浪费现象并没有太大的重视，所以水泵与风机实施节能措施是非常有必要的。

　　（2）恒视在功率在我国的使用效率是比较低的，主要的原因是生产过程中普遍都存在“小马拉大车”的现象。相关的设计院在进行设计的时候，为了尽可能的少承担责任，都采用的是比较保守、落后的设计方案，而且使用的参数都是超出实际大小的，这样就使得余量偏大了，压力与流量系数也偏大了。然而制造商为了降低自身的风险，在把压力与流量系数进行增加，这样一层接一层增加的现象终导致了“小马拉大车”现象的出现，也使得产品偏离了初的设计，降低了效率。但是恒视功率的使用正好弥补了这一缺陷，而且还为工厂提供了无功功率。

　　2、PLC和变频器的应用技术

　　在双馈电动机的节能控制系统中，在选择控制器和转子励磁电源的时候需要非常的小心与谨慎，因为它们的好坏直接关系到系统的可靠性、稳定性以及节能性。由于PLC与通用变频器具有其特有的优势，因此它们都非常适合在双馈电动机的控制系统中进行使用。

　　2.1 PLC 选型

　　在进行PLC型号的选择时，首先要对PLC的输入/输出端口和通信端口的需求进行分析与确定。然后在根据双馈电动机节能控制系统自身的需求，把系统中所有的输入/输出信号进行总结与分类，在根据PLC的输入/输出点的要求来进行I/O地址的分配，保证每个输入/输出信号都能够准确的与PLC的输入/输出继电器相对应，终根据其结果来进行PLC型号的确认。

　　西门子公司的PLC 产品的品种是非常丰富多样的，像S7 200 就是属于小型的PLC，并且是第三代的产品了。关于S7 200所具有的特点有以下几个方面：

　　（1）强大的功能。S7 200 的CPU 模块有5 种，而且还能够扩展到7 种，还可以扩展到248 点数字量的I/O，并且有30多KB 的数据存储空间。集合了6 个高速计数器以及脉冲发生器、脉冲宽度调制器，这些都大大的提高工作的效率。能够达到PID参数的自定。

　　（2）先进的程序结构。S7 200 所包含的程序结构是非常的简单的，在进行编程的软件中，其包含的主程序、子程序以及中断程序是分开进行保存的。子程序还可以把输入输出的变量作为软件的接口，这样有利于达到结构化编程的目的。

　　（3）灵活方便的寻址。S7 200 所包含的各部分结构都是可以按照位、字节、字以及双字来进行读与写的，例如：位存储器、变量存储器、输入输出结构等。

　　（4） 编程软件的功能强大以及使用方便。编程软件STEP7 Mic ro/WIN V4.0包含了梯形图、语句表以及功能块图编程语言三大部分。而S7 200在进行操作的时候，其指令的功能性很强，但也便于掌握。

　　（5）强大的通信功能。S7 200 用于编程或者进行通信的CPU 模块是RS 485接口，并且有一个或者是两个。

　　2.2 变频器的选型

　　变频器类型推荐西门子Mic roMaster440/420，作为基于三相交流调速电动机系列的经典，Mic roMaster440/420 主要由微处理器实现控制，空滤输出主要依靠双极型绝缘栅晶体管，综合运行能力强劲，可以为设备带来杰出的可靠性。与此同时，这款变频器内部模块结构灵活，电动机保护功能非常到位，配合RS485/232C 内置接口以及作用于过程控制的PI 闭环控制器，满足用户自定义I/O 端子需求，并且利用磁通电流来动态控制变频特性，在低频期间也可以完成力矩输出，无跳闸运行高速电流限制。

　　Mic roMaster440 所搭配的双馈电动机节能控制，能够满足系统的各类变频需求，例如对电压增幅与频率分别控制，完成功率与转速因数的双向调节，在各类系统控制中均有不俗表现。输出功率为0.74-90kW的西门子Mic roMaster440，在功率越高的场地越能发挥出自身优势，配合ECO节能控制的无传感器自动矢量控制，有效增强了机械制动的超前吸附、延迟释放等控制功能，确保升降机持续稳定运行。后，Mic roMas.ter440对于传送带故障检测也进行了优化，可以保证生产线安全运作，利用具有自定义参数功能的PID控制器实现主从控制，适用于多机同轴的驱动模式。

　　3、基于PLC和变频器的双馈电动机节能控制系统设计

　　通过双馈发动机系统结构图（见图1）我们可以发现，控制器系统主要由PLC为核心，对变频器和切换电路进行控制，在变频调节前进行电路检测。触控屏幕可以为控制系统带来直观的人机交互指令界面，随时对系统参数与电机状态展开调整，控制人员利用触控屏幕来观察系统运行。电路检测所对应的电流频率、相位以及电压增幅，可以有效控制额定电压和功率，对电机转数也能够很好的掌握，电路检测功能将电压数据通过信号传递给PLC，然后系统对数据进行分析并合理控制。起动器作用于电机，当电机软启动后控制电路切换模式，只有系统处于双馈模式才会视作双馈电动机成功启动。系统的节能算法与控制模式被几种编入PLC，利用参数的调节来控制电机整体状态，终实现节能控制目的。

　　3.1 主电路与控制电路设计

　　主电路构成参照双馈电动机和直流发电机的回路，设计中需要注意的是，当直流发电机被双馈电动机所负载时，后者的定子绕组需要连接到50Hz电网，并且经转子绕组来对变频器供电，电流由转子绕组来输入相位和频率，进而达成对双馈电机功率与转速的掌握。节能控制系统设计需要指定PLC为控制器，用来接收和检验电路信号，分析电机当前电压参数，后PLC会依据参数来执行内部算法，对接触器线圈和变频器功率输出进行控制，全面展示出双馈电动机运行情况。

　　3.2 双馈电动机瞬态参数检测电路设计

　　转速检测是由脉冲隔离和旋转编码器组成的，编码器负责收集转速参数，并将它转换成为脉冲信号交由脉冲隔离电路来分析处理，成为可供PLC识别的脉冲信号，PLC将反馈信息加工优化后，再次转换成脉冲信号为电机设置合理转速。在设计当中要充分考虑到功率因数在系统控制中的重要性，配需让功率因数能够得到实时监测，原因在于c o s 函数为偶函数，不管是正负的功率因数都会取正值，所以操作人员很难从功率因数中判断负载情况，在设计当中可以将电流电压作为根据，对线路超前与落后的功率因数进行判断。与此同时，功率因数作为非线性函数，无法利用线路模拟来搭接，对此可以针对功率因数来设计微处理器。

　　3.3 变频器容量释放电路设计

　　变频器容量释放的意义在于维持变频器安全运行，设计的原则要基于不对容量进行更改，运用当前通用变频器条件来增强电流输出，进而让电流符合双馈电机的系统控制要求。变频器容量释放在设计中可以运用降压方法，让转子接在电机的电压器副边、变压器原边，让双馈电机持续稳定在1350rpm 范围内重载，如果电机功率因数为1，那么变压器副边则必须接通13V以上的电压和9A以上电流，得出变频器的输出功率为39V电压与和3A电流。完成转子连接后，将变频器的电压电流提升到3 倍，这样便实现了变频器释放3 倍的容量，在这一设计阶段需要注意的是，根据双馈电动机的转子感应和电压电流特征，变频器电压输出为低频状态，故系统当中所应用的降压变压器需要换为专用低频变压器。

　　4、结束语

　　电机节能技术经过长期发展，在已经取得了不少成就，它作用的领域十分广泛，例如石油化工、冶金、轻工业等，对于电机节能技术的需求可谓与日俱增。通过对系统设计的全面优化，推广变频调速控制设备，适应各类需要进行速度调节与流量调节的生产，有效运用电机系统，能够为容量配备以及电机系统整体运行提供有力保障，深入研究和拓展电机容量，为生产制造加强动力。电机控制系统的持续稳定运行，需要依赖完善的过程控制和能源配置，我国应当进一步推广电机节能技术，帮助企业获得更高的利润空间和生产安全保障