基于三菱PLC和变频器的大搅拌机控制系统改造

基于三菱PLC和变频器的大搅拌机控制系统改造

王立凤

无锡商业职业技术学院机电技术学院江苏无锡214000

摘要：随着自动控制技术的发展，大大改进了工业生产领域的生产效率、能耗。本文分析了滑差电机调速原理，分析其不足之处，并针对大搅拌的生产工艺，确定对搅拌机的调速采用PLC与变频器调速进行改造，达到了良好的节能效果，系统可靠性也大大增强，取得了良好的经济效益。

关键词：滑差电机；变频调速；顺控指令；人机界面

ImprovementofcontrolsystemoflargemixerbasedonMitsubishiPLCandFrequencyconverte

WangLi-feng

DepartmentofMechanicalandElectrical,WuxiVocationalInstituteofCommerce,JangsuWuxi214000

Abstract：Withthedevelopmentofautomaticcontroltechnology,theproductionefficiencyandenergyconsumptioninthefieldofindustrialproductionhavebeengreatlyimproved.Inthispaper,theprincipleofspeedregulationofslipmotorisanalyzed,anditsshortcomingsareanalyzed.Inviewoftheproductionprocessoflargestirring,thespeedregulationofmixerisreformedbyusingPLCandfrequencyconverter.Goodenergy-savingeffectisachieved,thereliabilityofthesystemisgreatlyenhanced,andgoodeconomicbenefitsareobtained.

Key:SlipmotorfrequencycontrolSequentialcontrolinstructionHMI

引言

某高分子材料公司是一家生产瓷质板材的公司，公司现有一条生产线，其生产工艺经过原料搅拌、压模、煅烧、冷却、切割等工艺流程，其中原料搅拌是一个很重要的生产流程，搅拌不均直接影响到产品的生产质量。现在许多厂类似的设备都是用滑差电机来带动搅拌设备，滑差电机又称电磁调速异步电动机，它是一种恒转矩交流无级变速电动机。该生产线的大搅拌电机为7.5KW的滑差调速电机，转速通常控制在300～1000r/m，这是因为搅拌均匀的需要，所以应对其速度进行实时控制。但是事实上，采用滑差电机是一种耗能的低效调速方法，并且要实现自动功能操作时，也要对常规调速器进行改造。因此引入可编程逻辑控制器（PLC）和变频器替代原有的滑差电机控制方式，从而提高系统的可靠性，改善系统的调速性能，同时进一步提高系统的生产效率和降低能耗。

1滑差电机调速原理

滑差电机主轴输出功率：

P0∝M0*N0（式1）

式中P0：电机主电轴输出功率；M0:负载转矩；N0：主电机转速。

滑差头输出功率：

P1∝M0*N1（式2）

式中P1：滑差头的输出功率；N1：滑差头转速。

因此滑差头损耗功率：

△P=P0-P1∝M0*（N0-N1）（式3）

由（3）式可以看出，滑差电机的主轴转速越低，滑差头消耗的能量越大，浪费也越严重。这是因为，电机的转速是固定的，也就是说，电机的输出转速恒等于额定转速，滑差头的作用是增加阻力矩，增大电机滑差，使末级输出转速降低，从而达到调速目的。

实验经验证明，如果采用变频调速的方式，则会有40～60%的节能效果。

按照该生产线的工艺要求，要求大搅拌机能实现手动与自动操作。手动操作时，能调整电机转向与转速。自动操作时能实现如图所示的工作过程，并循环。

图1自动操作流程框图

2控制要求与变频改造方案

根据工艺要求，设计出的操作界面如图所示。

操作界面上两个转换开关，转换开关有三个档位，左边第1个转换开关依次是“手动、停止、自动”三个档位，右边第2个转换开关依次是“正转、停止、反转”三个档位，对应的档位分别送到PLC的输入端。其中第2个档位是在手动模式下进行选档操作，自动模式时，正反转和停止都是按程序自动切换，不需要人为手动操作。

图2电机速度调节操作界面

图3PLC外部接线图

现将原来的滑差电机拆除，改用三相交流异步电机，调速控制改为变频控制方式，该方法只需要更换电机，配置变频器即可，这样由变频器直接控制电机的转速，可以让调速系统发挥较高的效率。

3PLC与变频器电路设计

搅拌机具有运行转矩大的特点，在实际生产过程中，通常是在搅拌机上装设一套调速装置——变频器；装设时保存搅拌机原工频系统，且与搅拌机的变频系统互为备用，并可相互切换使用，在工频与变频之间需要设互锁。在工作过程中，可以根据搅拌物料的特性及添加化学物质的不同时间要求，采用变频器控制，最多可以设七个不同速度段和不同时间的自动运行模式，由此大大减轻了工人的劳动强度，提高了生产效率。利用变频器的通讯功能及工控机和组态软件等，还可实现与主控室的联网控制，从而对职员的操作进行监控及自动化治理。为确保系统的可靠性，可在变频系统上增加工频软启动旁路装置，订做工/变频一体柜。

按照控制要求，设计的PLC与变频器电路图如图3所示。

硬件系统构成中，PLC为三菱FX2N类型，变频器同样选择三菱品牌。其中手、自动操作转换开关和正反转操作转换开关为三个位置两个触头的开关。其中PLC上的输入继电器X0、X1连接手、自动操作转换开关上的两个触点，X2、X3则连接正反转操作转换开关上的触点。通过电位器对电机进行手动调速，并带有急停与指示功能。图中的KA为中间继电器，用KA的常开触点控制接触器KM线圈的得失电，再用KM主触头控制变频器的三相电源的通断。变频器端子的含义分别为：STF—正转控制端子；STR—反转控制端子；RH—高速控制端子；RM—中速控制端子；RL—低速控制端子；COM0，1，2是PLC的Y0～Y4的输出公共端，SD是变频器的输入公共端。Y11至Y15分别控制各个指示灯。

4PLC程序

三菱的步进顺控指令，在控制顺序运行的情况下，使用广泛。PLC的手自动程序的编写，采用顺控程序结构的形式。其中：S0实现手动控制；S1实现自动控制；S20实现正转低速5分钟；S21实现正转中速5分钟；S22实现正转高速5分钟；S23实现电机停30秒；S24实现反转低速5分钟；S25实现反转中速5分钟；S26实现反转高速5分钟；S27实现电机停30秒。

图4中M8002为初始化脉冲，ZRST为区间复位指令，该指令的使用，是因为后面有相应的置位指令。第18步为PLS上升沿脉冲指令及PLF下降沿脉冲指令，M0为手动操作时的上升沿脉冲，M1则为手动操作时的下降沿脉冲；M2为自动操作时的上升沿脉冲，M3则为自动操作时的下降沿脉冲。第28步程序表示，当手动或者自动运行时，Y10接通，当手动模式接通时，置位S0状态继电器。

图5中，STL为步进开始指令，在状态步S0中执行手动控制，X2为手动正转控制，X3为手动反转手动控制，Y1与Y0的常闭触点为形成正反转的互锁。RET为步进结束指令。当M2为１，则结束手动控制，进入自动控制步，在S1步直接转移到S20步里执行。在该步要执行的动作为：将Y0置位，使其正转，并将相对应的正转指示灯Y11置位，并运行在低速状态，低速运行指示灯Y15亮，300S即5min后，进入下一步S21，如图6所示，在该步里，控制电动机中速正转5min后，将S22置位，切换到S22步，在该步里，控制电动机高速正转5min后，将S23置位，在该步里，电机停30秒，之后切换到S24步，进入反转状态（程序略）。依次类推，执行动作按框图1“自动操作流程”所示。

图4程序段1图5程序段2—正转低速运行图6程序段3—正转中速运行

5结语

系统经过改造后，性能在以下方面得到了极大改善：

由于采用变频调速控制，既满足了使用要求，又达到了节能效果。

系统采用降速软启动后，减少了振动、噪音和磨损，也能延长设备维修周期和使用寿命，提高了设备的MTBF（平均故障维修时间）值，并减少了对电网的冲击，提高了系统的可靠性。

系统采取各种保护措施，使得系统的运转率和安全可靠性也得到了大大提高。

参考文献

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基金项目

《2019年省级大学生创新创业训练计划》（创业〔2019〕4号），项目编号：201912702043P；无锡商业职业技术学院职业教育类重点课题《创新创业教育与专业教育的融合研究——以建筑智能化技术专业为例》，课题编号：KJXJ19305。

作者简介

王立凤，单位：江苏省无锡市无锡商业职业技术学院出，生年月日：1977-11-19，籍贯：山东省日照市，现任职称及职务：讲师、专任教师，学历：研究生(江南大学)，主要工作或研究领域：建筑智能化技术、控制理论与控制工程。