1. 引言 可編程序控制器（PLC）作為中央處理單元由于其運(yùn)算速度高，指令豐富，功能強(qiáng)大，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)而廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制場(chǎng)合。但是由于其本身不具備人機(jī)交互功能，在工藝參數(shù)較多，需要人機(jī)交互時(shí)，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(biāo)電壓值與目標(biāo)頻率值，并可實(shí)時(shí)監(jiān)控到電源系統(tǒng)實(shí)際電流、電壓、頻率的大小，以及具有報(bào)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(jī)的測(cè)試平臺(tái)。該測(cè)試平臺(tái)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(duì)空調(diào)壓縮機(jī)的工作性能進(jìn)行全面測(cè)試。本套變頻電源系統(tǒng)由變頻器、勵(lì)磁單元、異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)機(jī)組、PLC以及人機(jī)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(hù)系統(tǒng)優(yōu)良等特點(diǎn)。變頻器的作用是根據(jù)PLC給定的電機(jī)速度和編碼盤反饋的實(shí)際速度值，通過一定參數(shù)的PID調(diào)節(jié)對(duì)異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在給定的轉(zhuǎn)速，從而使與電動(dòng)機(jī)同軸聯(lián)結(jié)的同步發(fā)電機(jī)輸出的電壓為給定的頻率。 (2)勵(lì)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(hù)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(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流的大小，進(jìn)而控制同步發(fā)電機(jī)的端電壓大小的作用。 (3)異步電動(dòng)機(jī)與同步發(fā)電機(jī)同軸連接，通過變頻器控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以準(zhǔn)確控制發(fā)電機(jī)輸出電流的頻率大小，而同步發(fā)電機(jī)輸出電壓幅值E與磁通Φ有關(guān)，因此調(diào)節(jié)勵(lì)磁單元所提供的勵(lì)磁電流即可以控制發(fā)電機(jī)輸出電壓的幅值。最終達(dá)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(gè)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(hào)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；二是按照一定的控制策略給出勵(lì)磁單元的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī)輸出電壓可調(diào)。從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)變頻電源輸出頻率、幅值的連續(xù)可調(diào)。同時(shí)，與觸摸屏進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，為觸摸屏的顯示提供數(shù)據(jù)，并對(duì)于觸摸屏輸入的信息進(jìn)行處理等。 (5) 觸摸屏采用OMRON公司NT31C。觸摸屏實(shí)現(xiàn)了電流、電壓、頻率的實(shí)時(shí)顯示，電壓、頻率目標(biāo)值的設(shè)定以及產(chǎn)生報(bào)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(diǎn)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(jī)界面產(chǎn)品。適于在惡劣的工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用，可代替普通或工控計(jì)算機(jī)作為人機(jī)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(diǎn)。PT的主要功能有[1]： (1)PT主要用于實(shí)時(shí)顯示設(shè)備或系統(tǒng)在操作狀態(tài)方面的實(shí)時(shí)信息。 (2)觸摸屏上的觸摸按鈕可產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)信號(hào)，或輸入數(shù)值、字符給PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作控制系統(tǒng)或設(shè)備的運(yùn)行。 (3)可多幅畫面重疊或切換顯示，顯示圖形、字符串、報(bào)警信息、歷史記錄、趨勢(shì)圖等。 4. PLC在勵(lì)磁調(diào)節(jié)中的作用 與電力系統(tǒng)的同步電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器不同，此設(shè)備作為變頻電源給獨(dú)立的負(fù)載供電，而不是無窮大電網(wǎng)。故在勵(lì)磁調(diào)節(jié)中，減少了很多故障發(fā)生的可能性，但同時(shí)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(dòng)態(tài)響應(yīng)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(fù)載頻繁，這些都加大了對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的要求。對(duì)本系統(tǒng)而言，同步發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)過程主要有電壓變化、頻率變化、突加負(fù)載、突甩負(fù)載、脈沖干擾等等。怎樣保證在各種各樣的運(yùn)行狀態(tài)下都能靈活、準(zhǔn)確地應(yīng)用各種合適的控制策略，使得同步機(jī)能正常工作，同時(shí)具有良好的響應(yīng)速度是本系統(tǒng)實(shí)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(gè)動(dòng)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(dāng)給定電壓變化 時(shí)，調(diào)節(jié)器通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流輸出，從而改變磁通 ，使勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì) 重新平衡電樞反應(yīng)電勢(shì)，同時(shí)補(bǔ)償由于定子電流變化而產(chǎn)生的電壓變動(dòng)。 頻率調(diào)節(jié)：當(dāng)需要頻率調(diào)節(jié)時(shí)，PLC控制變頻器對(duì)原動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，使原動(dòng)機(jī)運(yùn)行在給定速度。同時(shí)由于頻率的變化，在不飽和的情況下造成勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)及電機(jī)內(nèi)部參數(shù) 、 的明顯變化，設(shè)頻率增加 ，則 隨之增大，電機(jī)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(lì)磁電流改變磁通 以達(dá)到新的平衡點(diǎn)。 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(fù)反饋原理的閉環(huán)控制系統(tǒng)。針對(duì)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(dá)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(jì) 下面介紹本套變頻電源系統(tǒng)中觸摸屏的應(yīng)用。觸摸屏畫面由支持軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后從支持工具（個(gè)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(jìn)行連接，PT與PLC之間的電纜連接方式見圖3。由PLC對(duì)PT狀態(tài)控制區(qū)和通知區(qū)進(jìn)行讀寫達(dá)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(dāng)前畫面號(hào)，而通過寫PT狀態(tài)控制區(qū)的數(shù)據(jù)，強(qiáng)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(jì) 在支持工具上，創(chuàng)建一個(gè)歡迎頁面，整個(gè)頁面為一個(gè)透明的觸摸按鈕，其功能為切換畫面，當(dāng)點(diǎn)擊頁面任一部分時(shí)即進(jìn)入?yún)?shù)顯示頁面。當(dāng)外界無動(dòng)作時(shí)，由PLC編程實(shí)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行說明與標(biāo)注等。 5.2參數(shù)顯示頁面的設(shè)計(jì) 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(yīng)的存貯空間，同時(shí)，通過數(shù)字內(nèi)存表的地址與PLC數(shù)字存儲(chǔ)區(qū)的位置對(duì)應(yīng)起來。系統(tǒng)啟動(dòng)后，由傳感器、編碼盤等將電壓、電流與頻率信號(hào)送入PLC進(jìn)行處理，因PLC數(shù)字存儲(chǔ)區(qū)的地址與PT內(nèi)存表相關(guān)聯(lián)，此時(shí)，PT就可以實(shí)時(shí)顯示這三組數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的精度與位數(shù)根據(jù)實(shí)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(jì) 用戶需要設(shè)定的量為電壓，頻率的目標(biāo)值，這是利用撥碼開關(guān)型數(shù)字設(shè)定輸入?yún)^(qū)達(dá)到這一目的的。用戶可直接在撥碼開關(guān)上進(jìn)行增減操作以得到需要的目標(biāo)值。在撥碼開關(guān)上設(shè)定之后，點(diǎn)擊“確定”按鈕，該數(shù)值送入PLC目標(biāo)值保存單元，點(diǎn)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(shí)兩者應(yīng)有互鎖功能。兩者具體關(guān)系是根據(jù)異步電機(jī)頻率與電壓的關(guān)系以及同步機(jī)勵(lì)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(shí)現(xiàn)的。 圖5 系統(tǒng)工作區(qū)域 5.4報(bào)警信息頁面的設(shè)計(jì) 根據(jù)實(shí)際可能出現(xiàn)的電機(jī)過溫（由電機(jī)內(nèi)置的溫度傳感器檢測(cè)報(bào)告）、過流和系統(tǒng)急停這三種故障設(shè)定報(bào)警頁面。報(bào)警頁面是由一些PT元件庫中的標(biāo)準(zhǔn)燈來組成。當(dāng)PLC檢測(cè)到有報(bào)警信息時(shí)，PT控制區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)相應(yīng)改變，強(qiáng)制切換到報(bào)警頁面，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)燈都與PLC中表示報(bào)警有無的一個(gè)位相對(duì)應(yīng)，這樣，根據(jù)每個(gè)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(yīng)的措施。 5.5幫助頁面的設(shè)計(jì) 考慮到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要，在頁面設(shè)計(jì)時(shí)，增加了大量幫助頁面，包括PT的維護(hù)，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(jī)交互工具，簡單直觀，便于操作。但在實(shí)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(shí)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(diǎn)，在實(shí)際使用中取得良好的效果。 參考文獻(xiàn)：NT31可編程終端用戶手冊(cè)，OMRON公司