触摸屏结合PLC在变频电源中的应用

1. 引言 可编程序控制器（PLC）作为中央处理单元由于其运算速度高，指令丰富，功能强大，可靠性高，抗干扰能力强而广泛应用于各种工业控制场合。但是由于其本身不具备人机交互功能，在工艺参数较多，需要人机交互时，使用具有触摸操作功能的触摸屏（Touch Panel Monitor）就是一种很好的选择。在本套变频电源系统中，通过触摸屏和PLC结合使用，可以在触摸屏中直接设定目标电压值与目标频率值，并可实时监控到电源系统实际电流、电压、频率的大小，以及具有报警功能。 2. 系统硬件组成与结构原理 本套系统用于变频空调压缩机的测试平台。该测试平台要求电源输出电压可变范围80～480V，频率可变范围20～200Hz，以便对空调压缩机的工作性能进行全面测试。本套变频电源系统由变频器、励磁单元、异步驱动电机和同步发电机机组、PLC以及人机界面组成。各部分说明如下： (1)变频器选用ABB公司的ASC600变频器，该系列具有高可靠性，控制精确，自保护系统优良等特点。变频器的作用是根据PLC给定的电机速度和编码盘反馈的实际速度值，通过一定参数的PID调节对异步驱动电机的转速进行实时控制，使电动机运行在给定的转速，从而使与电动机同轴联结的同步发电机输出的电压为给定的频率。 (2)励磁单元采用ABB公司的直流电源DCS500。该装置采用可控硅整流，具有良好的电流调节性能和保护功能。选择外部控制后，可根据PLC的给定值直接控制电流，以起到调节同步电动机励磁电流的大小，进而控制同步发电机的端电压大小的作用。 (3)异步电动机与同步发电机同轴连接，通过变频器控制电动机的转速可以准确控制发电机输出电流的频率大小，而同步发电机输出电压幅值E与磁通Φ有关，因此调节励磁单元所提供的励磁电流即可以控制发电机输出电压的幅值。最终达到电压、频率分别可调，波形为正弦波。 (4) PLC作为控制单元，是整个系统的控制核心。选用OMRON公司的CPM2A。一是输出给变频器转速信号，控制电机转速；二是按照一定的控制策略给出励磁单元的控制信号，实现同步发电机输出电压可调。从而实现整个变频电源输出频率、幅值的连续可调。同时，与触摸屏进行实时通讯，为触摸屏的显示提供数据，并对于触摸屏输入的信息进行处理等。 (5) 触摸屏采用OMRON公司NT31C。触摸屏实现了电流、电压、频率的实时显示，电压、频率目标值的设定以及产生报警信息等。 系统硬件结构如图1所示： 图1 变频电源系统硬件结构 3. 触摸屏特点功能 触摸屏监控器（简称PT）是90年代出现的新型可编程终端，是新一代高科技人机界面产品。适于在恶劣的工业环境中应用，可代替普通或工控计算机作为人机界面，具有交互性好，可靠性高，编程简单，与PLC联结简便等特点。PT的主要功能有[1]： (1)PT主要用于实时显示设备或系统在操作状态方面的实时信息。 (2)触摸屏上的触摸按钮可产生相应的开关信号，或输入数值、字符给PLC进行数据交换，从而产生相应的动作控制系统或设备的运行。 (3)可多幅画面重叠或切换显示，显示图形、字符串、报警信息、历史记录、趋势图等。 4. PLC在励磁调节中的作用 与电力系统的同步电机励磁调节器不同，此设备作为变频电源给独立的负载供电，而不是无穷大电网。故在励磁调节中，减少了很多故障发生的可能性，但同时又有电压、频率调节范围宽、调节精度高和一定的动态响应要求。由于频率调节范围要求在20－200Hz，电压调节范围在80－480V，投切负载频繁，这些都加大了对励磁调节器的要求。对本系统而言，同步发电机的动态过程主要有电压变化、频率变化、突加负载、突甩负载、脉冲干扰等等。怎样保证在各种各样的运行状态下都能灵活、准确地应用各种合适的控制策略，使得同步机能正常工作，同时具有良好的响应速度是本系统实现的关键所在。下面就其中最重要的电压调节和频率调节这两个动态过程作定性的分析。 电压调节：在频率保持不变的情况下，当给定电压变化 时，调节器通过调节励磁电流输出，从而改变磁通 ，使励磁电动势 重新平衡电枢反应电势，同时补偿由于定子电流变化而产生的电压变动。 频率调节：当需要频率调节时，PLC控制变频器对原动机进行速度调节，使原动机运行在给定速度。同时由于频率的变化，在不饱和的情况下造成励磁电动势及电机内部参数 、 的明显变化，设频率增加 ，则 随之增大，电机参数 、 也将增大，端电压将随之变化，为保持端电压不变，则又要调节励磁电流改变磁通 以达到新的平衡点。 鉴于本系统的调节要求，调节器采用被调电压偏差负反馈原理的闭环控制系统。针对频率、电压调节的特性以及高频、低频、高压、低压过程中采用分段控制，采用变参数调节以达到系统的最优性能。 程序流程图如图2所示： 图2 系统程序流图 5. 触摸屏画面设计 下面介绍本套变频电源系统中触摸屏的应用。触摸屏画面由支持软件进行设计，然后从支持工具（个人电脑）中下载到PT即可使用。支持工具与PT之间的连接电缆见图3所示。触摸屏与PLC之间通过RS232通信电缆以HOST LINK（主从连接）方式进行连接，PT与PLC之间的电缆连接方式见图3。由PLC对PT状态控制区和通知区进行读写达到两者之间的信息交互。PLC读PT状态通知区中的数据，得到当前画面号，而通过写PT状态控制区的数据，强制切换画面。 图3 触摸屏与支持工具、PLC之间的连接电缆 5.1欢迎页面的设计 在支持工具上，创建一个欢迎页面，整个页面为一个透明的触摸按钮，其功能为切换画面，当点击页面任一部分时即进入参数显示页面。当外界无动作时，由PLC编程实现30秒后，改写状态控制区中的数据，将参数显示页面载入。在欢迎页面上的触摸按钮上可放置文本，对系统进行说明与标注等。 5.2参数显示页面的设计 在这套系统中，用户需要观察的量为输出三相电流，电压以及频率的大小。因此，设置三组数字显示区，分别显示电压、电流与频率值，在数字内存表中占据相应的存贮空间，同时，通过数字内存表的地址与PLC数字存储区的位置对应起来。系统启动后，由传感器、编码盘等将电压、电流与频率信号送入PLC进行处理，因PLC数字存储区的地址与PT内存表相关联，此时，PT就可以实时显示这三组数据。数据的精度与位数根据实际情况在PT的数字内存表的属性中设置。 5.3参数设置页面的设计 用户需要设定的量为电压，频率的目标值，这是利用拨码开关型数字设定输入区达到这一目的的。用户可直接在拨码开关上进行增减操作以得到需要的目标值。在拨码开关上设定之后，点击“确定”按钮，该数值送入PLC目标值保存单元，点击“取消”按钮，则维持原数值不变。数值的位数、精度以及该数值在PLC内存单元中的地址都是在拨码开关的属性中设置的。见图4所示。 图4 参数设置页面 在调节过程中，频率和电压要符合一定的关系，因此频率电压均不能无限制增大，同时两者应有互锁功能。两者具体关系是根据异步电机频率与电压的关系以及同步机励磁与电压的关系确定的，见图4，系统工作在阴影所示工作区中。而互锁则是在PLC编程中实现的。 图5 系统工作区域 5.4报警信息页面的设计 根据实际可能出现的电机过温（由电机内置的温度传感器检测报告）、过流和系统急停这三种故障设定报警页面。报警页面是由一些PT元件库中的标准灯来组成。当PLC检测到有报警信息时，PT控制区内的数据相应改变，强制切换到报警页面，每个标准灯都与PLC中表示报警有无的一个位相对应，这样，根据每个灯的开与关状态就能具体确定是哪里的故障，从而采取相应的措施。 5.5帮助页面的设计 考虑到工业现场的需要，在页面设计时，增加了大量帮助页面，包括PT的维护，系统的使用，参数的设置等。 6、总结 本套电源系统中，需要在线更新的量为电压与频率的设定值，采用触摸屏作为人机交互工具，简单直观，便于操作。但在实际使用中还是有一些限制的，如PLC与触摸屏之间距离不能过大，触摸屏本身比较贵等。PLC作为中央处理单元，两者在变频电源系统中结合使用，实现了该系统的变频调压作用，输出波形为理想正弦波，具有调节范围广的特点，在实际使用中取得良好的效果。 参考文献：NT31可编程终端用户手册，OMRON公司