基于plc三相异步电机调速系统实现正反转

基础课程设计（论文）基于PLC的三相异步电机调速系统学生姓名指导教师学生学号专业电气工程及其自动化信息技术学院电气工程系2011年12月24摘要基础课程设计（论文）基于PLC的可逆变三相异步电机调速系统学生姓名指导教师学生学号专业电气工程及其自动化信信信信信信信信信信信201年1月16本论文设计了基于PLC的可逆变三相异步电机调速系统，实现三相异步电动机的正反转控制。与传统的继电器控制相比，具有控制速度快、可靠性高、灵活性强等优点。三相异步电动机的应用广泛，具有机构简单，效率高，控制方便，运行可靠的优点。本文研究的这个系统的控制是采用PLC的编程语言梯形图,梯形语言是在可编程控制器中的应用最广的语言，因为它在继电器的基础上加进了许多功能，使用灵活的指令，使逻辑关系清晰直观，编程容易，可读性强，所实现的功能也大大超过传统的继电器控制电路。它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数等操作的指令，并采用数字式，模拟式的输入和输出，控制各种的机械或生产过程。关键词PLC三相异步电动机可编程控制梯形目录摘要I1绪论311系统功能设计分析412系统设计总体思路42PLC和变频器型号的选择521PLC的型号的选择522变频器的选择和参数设置6221变频器的选择6222变频器调速原理7223变频器的工作原理7224变频器的快速设置73可逆电路设计931可逆控制电路的工作原理9311双重联锁的正反转控制电路9312接触器连锁的正反转控制电路9313按钮连锁的正反转控制电路11314按钮、接触器双重联锁的正反转控制电路124硬件设计以及PLC编程1341开环控制设计及PLC编程13411硬件设计13412PLC软件编程1342闭环控制设计17421硬件和速度反馈设计17422闭环的程序设计以及源程序18结论24参考文献251绪论调速系统快速性、稳定性、动态性能好是工业自动化生产中基本要求。在科学研究和生产实践的诸多领域中调速系统占有着极为重要的地位特别是在国防、汽车、冶金、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。调速控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继续计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简朴，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统（DCS）。但就其控制策略而言，占统治地位的仍旧是常规的PID控制。PID结构简朴、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型。PID的使用已经有60多年了，有人称赞它是控制领域的常青树。变频调速已被公认为是最理想、最有发展前景的调速方式之一，采用变频器构成变频调速传动系统的主要目的，一是为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求；二是为了节约能源、降低生产成本。用户根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且轻易犯错误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成。组态王是海内一家较有影响力的组态软件开发公司开发的，组态王具有流程画面，过程数据记录，趋势曲线，报警窗口，生产报表等功能，已经在多个领域被应用。11系统功能设计分析随着电力电子技术以及控制技术的发展，交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用；可编程控制器PLC作为替代继电器的新型控制装置，简单可靠，操作方便、通用灵活、体积小、使用寿命长且功能强大、容易使用、可靠性高，常常被用于现场数据采集和设备的控制；组态软件技术作为用户可定制功能的软件开发平台工具，可实现显示电机转速，可实现远程调速控制，在PC机上可开发友好人机界面，通过PLC可以对自动化设备进行“智能”控制。在此，本次设计就是基于PLC的变频器调速系统。将现在应用最广泛的PLC和变频器综合起来主要功能实现了变压变频调速。电机的正反转，加减速以及快速制动等。因此，该系统必须具备以下三个主体部分控制运算部分、执行和反馈部分。控制运算主要由PLC和变频器来完成；执行元件为变频器和电机；反馈部分主要为速度反馈。12系统设计总体思路系统主要由三个部分构成，即可编程逻辑控制器件PLC、变频器和电机。首先通过设置给定输入给PLC，再通过PLC控制变频器，再经由变频器来控制电机，随后将电机的转速反馈给PLC，经比较后输出给变频器从而实现无静差调速。具体如下图所示电机图1系统总体框图速度给定速度反馈信号PLC变频调速系统2PLC和变频器型号的选择21PLC的型号的选择在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。综合了输入输出（I/O）点数、存储器容量、各项控制功能和机型的考虑以及性价比等各方面的因素，在此我为该系统设计选择了S7200PLC一台。图2S7200PLCCPU的外形模型图S7200有5种CPU模块、6个有12种工作方式的高速计数器和两点高速计数器/和脉冲宽度调制器、直接读写的模拟量I/O模块、先进的程序结构、灵活方便的寻址方式以及程序化的PID编程控制。强大的通讯功能，它支持多种通信协议。价格是它在所有品牌在同一功能区内很有竞争力的。最重要的是它还提供了完善的的网上支持。这些都为实现本系统的设计提供很好的条件和方便。例如，高速计数器可以用来测速从而实现速度反馈。22变频器的选择和参数设置221变频器的选择正确选择通用型变频器对于传动系统能够正常运行时至关重要的，首先要明确使用通用变频器的目的，按照生产机械的类型、调速范围、速度响应和控制精度、启动转矩等要求，充分了解变频器所驱动负载特性，决定采用什么功能的通用变频器构成控制系统，然后决定选用哪种控制方式最合适。所选用的通用变频器应是既满足生产工艺要求，又要在技术经济指标上合理。若对通用变频器选型、系统设计及使用不当，往往会使通用变频器不能正常的运行、达不到预期目标，甚至引发设备故障，造成不必要的损失。另外，为了确保通用变频器长期可靠的运行，变频器的地线的连接也是非常重要的。变频器在调速系统中的优点1控制电机的启动电流；2降低电力线路的电压波动；3启动时需要的功率更低；4可控的加速功能；5可调的运行速度；6可调的转矩极限；7受控的停止方式；8节能；9可逆运行控制；10减少机械传动部件。在本系统中，选用了由西门子生产的通用变频器MM420。变频器MM420为我们提供了很好的BOP控制面板具体如下图图3PLC控制面板222变频器调速原理变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。N60F1S/P对于成品电机，其磁极对数P已经确定，转差率S变化不大，故电机的转速N与电源的频率F成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机的调试目的。223变频器的工作原理变频器的工作原理是把市电（380V、50HZ）通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO、GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电。224变频器的快速设置如果所用的变频器刚刚出厂的变频器，则需对它进行快速调试，试验中用到的变频器都已经完成了快速调试。表1变频器参数设定序号变频器参数出厂值设定值功能说明1P0304230380电动机的额定电压380V2P0305325035电动机的额定电流035A3P0307075006电动机的额定功率60W4P031050005000电动机的额定频率50HZ5P031101430电动机的额定转速1430R/MIN6P100021用操作面板（BOP）控制频率的升降7P108000电动机的最小频率0HZ8P1082505000电动机的最大频率50HZ9P11201010斜坡上升时间10S10P11211010斜坡下降时间10S11P070022选择命令源（由端子排输入）12P0701110正向点动13P07021211反向点动14P105850030正向点动频率（30HZ）15P105950020反向点动频率（20HZ）16P1060100010点动斜坡上升时间（10S）17P106110005点动斜坡下降时间（5S）注（1）设置参数前先将变频器参数复位为工厂的缺省设定值（2）设定P00032允许访问扩展参数（3）设定电机参数时先设定P00101快速调试,电机参数设置完成设定P00100准备3可逆电路设计31可逆控制电路的工作原理311双重联锁的正反转控制电路L231SB1KM1FR13KM2KM3QSFU2FR图4正反转控制电路312接触器连锁的正反转控制电路接触器连锁的正反转控制电路如图5所示。电路中采用了两个接触器，即正转用的接触器KM1和反转用的接触器KM2，它们分别由正转按钮SB2和反转按钮SB3控制。从主电路中可以看出，这两个接触器的主触点所接通的电源相序不同，KM1按L1L2L3相序接线，KM2则对调了两相的相序，按L3L2L1相序接线。相应地控制电路有两条一条是由按钮SB2和KM1线圈等组成的正转控制电路；另一条是由按钮SB3和KM2线圈线圈等组成的反转控制电路。必须指出，接触器KM1和KM2的主触点绝不允许同时闭合，否则将造成两相电源（L1相和L3相）短路事故。为了保证一个接触器得电动作时，另一个接触器不能得电动作，以避免电源的相间短路，就在正转控制电路中串接了反转接触器KM2的常闭辅助触点，而在反转控制电路中串接了正转接触器KM1的常闭辅助触点。这样，当KM1得电动作时，串接在反转控制电路中的KM1常闭触点分断，切断了反转控制电路，保证了KM1主触点闭合时，KM2的主触点不能闭合。同样，当KM2得电动作时，其KM2的常闭触点分断，切断了正转控制电路，从而可靠地避免了两相电源短路事故的发生。像上述这种在一个接触器得电动作时，通过其常闭辅助触点使另一个接触器不能得电动作的作用叫联锁（或互锁）。实现联锁作用的常闭辅助触点称为联锁触点（或互锁触点）。KM12SB13FRKMFUQSL2312R3图5接触器联锁的正反转控制电路工作原理先合上电源开关QS，然后进行正、反转控制。（1）正转控制按下SB2KM1线圈得电KM1主触点闭合、KM1自锁触点闭合自锁、KM1联锁触点分断对KM2联锁电动机M启动连续正转。（2）反转控制先按下SB1KM1线圈失电KM1主触点分断、KM1自锁触点分断解除自锁、KM1联锁触点恢复闭合解除对KM2联锁电动机M失电停转；再按下SB3KM2线圈得电KM2主触点闭合、KM2自锁触点闭合自锁、KM2联锁触点分断对KM1联锁电动机M启动连续反转。停止时，按下停止按钮SB1控制电路失电KM1（或KM2）主触点分断电动机M失电停转。从以上分析可见，接触器联锁正反转控制电路的优点是工作安全可靠，缺点是操作不便。因电动机从正转变为反转时，必须先按下停止按钮后，才能按反转启动按钮，否则由于接触器的联锁作用，不能实现反转。为克服此电路的不足，可采用按钮联锁或按钮和接触器双重联琐的正反转控制电路。313按钮连锁的正反转控制电路把图5中的正转按钮SB2和反转按钮SB3换成两个复合按钮，使复合按钮的常闭触点代替接触器的常闭联锁触点，就构成了按钮联琐的正反转控制线路，如图6所示。这种控制线路的工作原理与接触器的联琐的正反转控制线路的工作原理基本相同，只是当电动机从正转改变为反转时，可直接按下反转按钮SB3即可实现，不必先按下停止按钮SB1SB1M3FRKKM23UQL21图6按钮联锁的正反转控制电路当按下反转按钮SB3时，串接在正转控制电路中SB3的常闭触点先分断，使正转接触器KM1线圈失电，KM1的主触点和自锁触点分断，电动机M失电惯性运转。SB3的常闭触点分断后，其常开触点才随后闭合，接通反转控制电路，电动机M便反转。这样既保证了KM1和KM2的线圈不会同时通电，又可不按停止按钮而直接按反转按钮实现反转。同样，若使电动机从反转运行变为正转运行时，也只要按下正转按钮SB2即可。314按钮、接触器双重联锁的正反转控制电路按钮、接触器双重联锁的正反转控制电路操作方便，工作安全可靠，因此，在电力拖动中被广泛采用。工作原理先合上电源开关QS，然后进行正、反转控制。（1）正转控制按下SB2SB2常闭触点先分断对KM2联锁（切断反转控制电路），SB2常开触点后闭合KM1线圈得电KM1主触点闭合电动机M启动连续正转，KM1联锁触点分断对KM2联锁（切断反转控制电路）；（2）反转控制按下SB3SB3常闭触点先分断KM1线圈失电KM1主触点分断电动机M失电，SB3常开触点后闭合KM2线圈得电KM2主触点闭合电动机M启动连续反转，KM2联锁触点分断对KM1联锁（切断正转控制电路）。若要停止，按下SB1，整个控制电路失电，主触点分断，电动机M失电停转。4硬件设计以及PLC编程41开环控制设计及PLC编程411硬件设计在没有反馈信息的比较，通过直接给定控制信息的控制调速系统称之为开环调速系统。其控制思想的结构框图如下图所示图8开环控制的外部硬件连接412PLC软件编程系统采用开环控制方式来控制电机的调速，根据PID控制的整体思想故在编写程序的时候可以分为三部分主程序、中断程序和子程序。主程序主要是用来启动中断程序以及控制量的输入和输出。中断程序调用PID指令进行运算以及数据类型的转换。子程序设置PID控制的参数内存变量分配表2程序地址分配速度给定图7速度开环控制PLC变频调速系统过程采样控制量输入PID控制运算控制值输出地址说明VD12目标速度设定存放地址VD300当前实际速度存放地址表3PID指令回路表地址名称说明VD100过程变量（PVN）必须在0010之间VD104给定值（SPN）必须在0010之间VD108输出值（MN）必须在0010之间VD112增益（KC）比例常数，可正可负VD116采样时间（TS）单位为S，必须是正数VD120采样时间（TI）单位为MIN，必须是正数VD124微分时间（TD）单位为MIN，必须是正数以下为开环控制的程序主程序中断程序子程序42闭环控制设计421硬件和速度反馈设计构成闭环系统就要把速度信息反馈给输入。速度的测量可以通过光电编码器和PLC来实现。速度采集S7200具有高速脉冲采集功能，采集频率可以达到30KHZ，共有6个高速计数器（HSC0HSC5）工作模式有12种。在固定时间间隔内采集脉冲差值，通过计算既可以获得电动机的当前转速。例如设采样周期为100MS即是每隔100MS采集脉冲一次，光电开关每转发出8个脉冲，那么就可以得到速度为8601/MN其中为采样周期内接受到的脉冲数。转速的单位为。MIN/R闭环控制就是将速度信号反馈给PLC，再通过与给定量比较，输出给PID控制部分，从而调节速度使其能达到设定要求。图9硬件连接422闭环的程序设计以及源程序主程序子程序中断程序结论通过这次的课程设计，让我受益匪浅。在课程设计期间通过与同学们之间的交流和老师的指导，使自己学到了不少知识。除了学会了西门子S7200的基本知识，并掌握了S7200的工作原理和一些指令的功能以外，还掌握了传感器和变频器的使用方法，并且深化了我对PID控制技术的理解。在这次课程设计中我觉得最重要的就是要有自学能力，因为这次实训中有部分知识我们之前还没有接触过，所以自己必