PLC和变频器共同控制风机 毕业论文.docx

摘 要plc和变频器是工厂实现远程控制，提高生产效率的重要硬件。采用plc的优点就在于plc的程序编制过程不是很复杂。而组态软件又使得工厂在生产过程中能够远程监控设备的运行，能够及时有效的处理突发事件。组态王控制功能强大，界面创建简单，编写程序方便，有利于初学者使用。本次设计是在熟悉king view 组态王、s7-200编程软件、西门子mm420变频器的基础上完成的。本文主要体现了，plc与变频器之间利用uss协议连接起来，共同控制电动机调速，最终要实现的是利用组态王的监控界面可以改变plc的打开/闭合，能够监控电机的运转画面。文中重点介绍了组态王界面的制作及参数的设置、plc程序的编写过程及参数设置、变频器的参数设置、plc与变频器的通信等。关键词：plc； 变频器； 组态王； 电动机abstractplc and transducer is important hardware which realizes long control and improve the yield in the factory. plcs merits consist that weaving plcs programs arent very hard. king view make the factory can watch and control the running facilities between the producing processes, also deal with matters which break out in season. the king view has powerful control function, it settees up interfaces very easy, it writes programs easy, and it is propitious to using for novice.in this design is completed on the bases of knowing king view, s7-200 programming software, siemense mm420, transducer and uss communication protocol. this essay mainly materializes that plc linked up with transducer, making use of uss communication protocol. they controlled the speed of electromotor. finally we well realized the interface of king view and can change plcs on/off, and then we can supervise and control the working menu of electromotor. in this essay, i introduce the facture of king view and the parameters setting of king view, the writing process of the plcs program and parameter setting, the parameter setting of transducer, communication between plc and transducer, etc.keywords: plc; transducer; king view; motor 目录1绪论11.1 目的和意义11.2 plc控制风机转速技术的现状及展望11.3 plc控制风机的具体思路2硬件部分32.1风机32.1.1 三相异步电机32.1.2 异步电动机的启动与调速分析62.1.3 三相异步电动机的调速92.2 plc可编程控制器112.2.1被控对象的生产工艺过程112.2.2 plc控制系统的硬件设计122.2.3 plc控制系统的软件设计152.2.4 plc控制系统的调试182.3 变频器182.3.1 交流异步电动机变频调速原理192.3.2 变频器元件作用202.3.3 变频器控制电机的旋转速度213 软件部分223.1 plc控制电机星三角启动223.1.1 y启动手动控制223.1.2 y启动自动控制223.1.3 星三角降压启动的电路图243.2 变频器控制电机转速274 king view组态软件仿真294.1 组态软件的概述294.2 制作一个工程的一般过程294.2.1 建立组态新工程304.2.2 创建组态画面324.2.3 定义i/o设备334.2.4 king view的仿真37结论41致 谢42参考文献43附录一 系统原理图44附录二 plc控制星三角启动连接图45附录三 系统原程序46491绪论1.1 目的和意义随着plc的广泛应用，工业自动控制系统中电机的星-三角降压启动亦都采用plc进行控制。用plc控制启动具有效率高、响应快、控制方便等优点。而对于风扇调速系统来说，调速是主要目的，于是设想在已经构思好的电路图上加一个变频器。利用的远程安全控制，结合变频器的方便操作，能够完成一套成熟稳定并经济的风扇调速系统。风机耗电量占全国总发电量的40%左右，是全国耗电最大的工业装备。展望未来，我国电能的供需形势十分严峻;另一方面，我国能源使用不合理和浪费现象十分严重，节约潜力很大，特别是耗电量巨大的风机、泵类等的运行效率比国外低10%30%，节电潜力经初步计算约为300400亿度，因此在风机(及水泵)上实行节能、节电、降耗是一个紧迫的任务，对缓解我国电能的供需矛盾、推进我国现代化建设、缩小我国和发达国家的差距具有非常现实和深远的意义。能够方便的对风机进行调速，在节能减排方面很有优势。毕竟在很多时候，无需风机满负荷的运转，在保证风机效率的同时，有效的调整风机的功率，能够很好的节省能源。并且，这种程度的节省必须在保证风机安全稳定运转的基础上，毕竟在节省能源的时候不能浪费资源。1.2 plc控制风机转速技术的现状及展望电控风扇转速控制方法一般有如下几种：温控开关直接控制型（如普桑），由水温传感器将水温信号输入给电脑（或冷却控制盒），再由电脑控制冷却风扇继电器工作，此时又分为控制不同接地端（别克）而使风扇串联或并联来实现高低速，或控制火线以使电路经过不同电阻串联或并联来实现高低速（如s320）。还有的是电子液力控制冷却风扇如佳美3.0，液压油经液压泵（和转向助力泵结合在一起）加压后，通过流量调节电磁阀(根据水温、转速、节气门位置及空调信号，进行分析、比较后精确控制流量调节电磁阀驱动信号的占空比)控制到达液压马达的流量，从而实现对冷却风扇转速的控制。道奇捷龙车的散热风扇是由pcm根据水温传感器和空调压力传感器的信号进行计算后，通过风扇继电器（为可控硅调速装置，通过改变其输入电压的高低，使风扇由慢到快实现无级调速）来控制散热风扇运转。对此类车，如果行车过程中电子扇常转不停，除了常规的电路检查外（水温传感器、空调压力传感器和风扇继电器等），一定不要忽视节温器是否卡滞或关闭不严。如果节温器关闭不严，则由于气流作用使得高速行驶时造成发动机温度下降。而pcm根据运行时间计算出理论温度和实际温度相差太大，使它不能相信当前的发动机温度，从而进入失效保护状态。造成风扇低温时高速运转。其实，无论是哪种方法，最主要的就是能够控制风机的电压和频率，找准关键，对症下药。如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压（过励磁），导致电机可能被烧坏。因此在改变频率的同时必须要同时改变电压。而输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最高只能是等于电机的额定电压。经过分析对比，plc在改变风机电压方面十分具有优势，但调节风机的频率方面就很无能为力，因此，利用plc控制变频器，再利用变频器控制风机，有着意想不到的效果。并且这种控制系统在随着plc与变频器的普及与价格降低的情况下，优势将会更加明显。相信这种方式将是未来风机控制的主流。1.3 plc控制风机的具体思路本系统用plc控制星三角降压启动，再通过简单的设置变频器的输入输出关系，改变变频器的输出频率，来改变风机转速，实现对电动机工作过程和运转速度的有效控制，使风扇高效、安全，达到了明显的节能效果。硬件部分2.1风机风机是我国对气体压缩和气体输送机械的习惯简称，通常所说的风机包括通风机，鼓风机。气体压缩和气体输送机械是把旋转的机械能转换为气体压力能和动能，并将气体输送出去的机械。风机的主要结构部件是叶轮、机壳、进风口、支架、电机、皮带轮、联轴器、消音器、传动件（轴承）等。而在此设计中，我们需要关心的只是其中的电机（三相异步电机），风机控制即电机控制。2.1.1 三相异步电机（一）三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。此外还有端盖、风扇等附属部分，如图2-1所示。图2-1 三相电动机的结构示意图1）定子三相异步电动机的定子由三部分组成：表2-1 定 子定子铁心由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片内圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放定子三相绕组ax、by、cz。定子绕组三组用漆包线绕制好的，对称地嵌入定子铁心槽内的相同的线圈。这三相绕组可接成星形或三角形。机座机座用铸铁或铸钢制成，其作用是固定铁心和绕组定子的组成2）转子三相异步电动机的转子由三部分组成：表2-2 转 子转子铁心 转子绕组 由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片外圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放转子三相绕组。鼠笼式 - 鼠笼式异步电动机。绕线式 - 绕线式异步电动机。转轴转轴上加机械负载转子的组成鼠笼式电动机由于构造简单，价格低廉，工作可靠，使用方便，成为了生产上应用得最广泛的一种电动机。为了保证转子能够自由旋转，在定子与转子之间必须留有一定的空气隙，中小型电动机的空气隙约在0.21.0mm之间。（二）三相异步电动机的转动原理1）基本原理为了说明三相异步电动机的工作原理，我们做如下演示实验，如图2-2所示。图2-2 三相异步电动机工作原理(1)演示实验：在装有手柄的蹄形磁铁的两极间放置一个闭合导体，当转动手柄带动蹄形磁铁旋转时，将发现导体也跟着旋；若改变磁铁的转向，则导体的转向也跟着改变。(2)现象解释：当磁铁旋转时，磁铁与闭合的导体发生相对运动，鼠笼式导体切割磁力线而在其内部产生感应电动势和感应电流。感应电流又使导体受到一个电磁力的作用，于是导体就沿磁铁的旋转方向转动起来，这就是异步电动机的基本原理。转子转动的方向和磁极旋转的方向相同。 (3)结论：欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组。2）旋转磁场（1）产生图5-3表示最简单的三相定子绕组ax、by、cz，它们在空间按互差1200的规律对称排列。并接成星形与三相电源u、v、w相联。则三相定子绕组便通过三相对称电流：随着电流在定子绕组中通过，在三相定子绕组中就会产生旋转磁场。 图2-3 三相异步电动机定子接线当wt=00时，ax绕组中无电流；为负，by绕组中的电流从y流入b1流出；为正，cz绕组中的电流从c流入z流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图2-4（a）所示。当wt=1200时，by绕组中无电流；为正，ax绕组中的电流从a流入x流出；为负，cz绕组中的电流从z流入c流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图2-4（b）所示。当wt=2400时，cz绕组中无电流；为负，ax绕组中的电流从x流入a流出；为正，by绕组中的电流从b流入y流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图2-4（c）所示。可见，当定子绕组中的电流变化一个周期时，合成磁场也按电流的相序方向在空间旋转一周。随着定子绕组中的三相电流不断地作周期性变化，产生的合成磁场也不断地旋，因此称为旋转磁场。 图2-4 旋转磁场的形成（2）旋转磁场的方向旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决定的，若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调即可。这时，转子的旋转方向也跟着改变。（3）三相异步电动机的定子电路与转子电路三相异步电动机中的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。给定子绕组接上三相电源电压，则定子中就有三相电流通过，此三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心而闭合，这个磁场在转子和定子的每相绕组中都要感应出电动势。2.1.2 异步电动机的启动与调速分析 （一）起动特性分析（1）起动电流ist在刚起动时，由于旋转磁场对静止的转子有着很大的相对转速，磁力线切割转子导体的速度很快，这时转子绕组中感应出的电动势和产生的转子电流均很大，同时，定子电流必然也很大。一般中小型鼠笼式电动机定子的起动电流可达额定电流的57倍。注意：在实际操作时应尽可能不让电动机频繁起动。如在切削加工时，一般只是用摩擦离合器或电磁离合器将主轴与电机轴脱开，而不将电动机停下来。（2）起动转矩tst电动机起动时，转子电流i2虽然很大，但转子的功率因数cosj2很低，由公式可知，电动机的起动转矩t较小。起动转矩小可造成以下问题：（1）会延长起动时间。（2）不能在满载下起动。因此应设法提高。但起动转矩如果过大，会使传动机构受到冲击而损坏，所以一般机床的主电动机都是空载起动（起动后再切削），对起动转矩没有什么要求。综上所述，异步电机的主要缺点是起电流大而起转矩小。因此，我们必须采取适当的起动方法，以减小起动电流并保证有足够的起转矩。（二）鼠笼式异步电动机的启动方法1）直接启动直接起动又称为全压启动，就是利用闸刀开关或接触器将电动机的定子绕组直接加到额定电压下启动。这种方法只用于小容量的电动机或电动机容量远小于供电变压器容量的场合。2）降压启动在起动时降低加在定子绕组上的电压，以减小起动电流，待转速上升到接近额定转速时，再恢复到全压运行。此方法适于大中型鼠笼式异步电动机的轻载或空载起动。 星形-三角形（y-d）换接启动起动时，将三相定子绕组接成星形，待转速上升到接近额定转速时，再换成三角形。这样，在起动时就把定子每相绕组上的电压降到正常工作电压的。此方法只能用于正常工作时定子绕组为三角形联接的电动机。这种换接启动可采用星三角起动器来实现。星三角起动器体积小、成本低、寿命长、动作可靠。 自耦降压启动自耦降压起动是利用三相自耦变压器将电动机在启动过程中的端电压降低。如图8-9所示，起动时，先把开关q2扳到“起动”位置，当转速接近额定值时，将q2扳向“工作”位置，切除自耦变压器。采用自耦降压启动，也同时能使启动电流和起动转矩减小。正常运行作星形联接或容量较大的鼠笼式异步电动机，常用自耦降压启动。（三）三相异步电动机的制动制动是给电动机一个与转动方向相反的转矩，促使它在断开电源后很快地减速或停转。对电动机制动，也就是要求它的转矩与转子的转动方向相反，这时的转矩称为制动转矩。常见的电气制动方法有：（1）反接制动当电动机快速转动而需停转时，改变电源相序，使转子受一个与原转动方向相反的转矩而迅速停转。注意，当转子转速接近零时，应及时切断电源，以免电机反转。为了限制电流，对功率较大的电动机进行制动时必须在定子电路（鼠笼式）或转子电路（绕线式）中接入电阻。这种方法比较简单，制动力强，效果较好，但制动过程中的冲击也强烈，易损坏传动器件，且能量消耗较大，频繁反接制动会使电机过热。对有些中型车床和铣床的主轴的制动采用这种方法。（2）能耗制动电动机脱离三相电源的同时，给定子绕组接入一直流电源，使直流电流通入定子绕组。于是在电动机中便产生一方向恒定的磁场，使转子受一与转子转动方向相反的f力的作用，于是产生制动转矩，实现制动。直流电流的大小一般为电动机额定电流的0.51倍。由于这种方法是用消耗转子的动能（转换为电能）来进行制动的，所以称为能耗制动。这种制动能量消耗小，制动准确而平稳，无冲击，但需要直流电流。在有些机床中采用这种制动方法。（3）发电反馈制动当转子的转速n超过旋转磁场的转速n0时，这时的转矩也是制动的。如：当起重机快速下放重物时，重物拖动转子，使其转速nn0，重物受到制动而等速下降。2.1.3 三相异步电动机的调速调速就是在同一负载下能得到不同的转速，以满足生产过程的要求，可通过七个途径进行调速：一、变极对数调速方法这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下：1、具有较硬的机械特性，稳定性良好；2、无转差损耗，效率高；3、接线简单、控制方便、价格低；4、有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；5、可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。二、变频调速方法变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。其特点：1、效率高，调速过程中没有附加损耗；2、应用范围广，可用于笼型异步电动机；3、调速范围大，特性硬，精度高；4、技术复杂，造价高，维护检修困难。本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。三、串级调速方法串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为：1、可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；2、装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速70%90%的生产机械上；3、调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；4、晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。 四、绕线式电动机转子串电阻调速方法绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下，运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。五、定子调压调速方法当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围，当调速在2：1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点：1、调压调速线路简单，易实现自动控制；2、调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低；3、调压调速一般适用于100kw以下的生产机械。六、电磁调速电动机调速方法电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源（控制器）三部分组成。直流励磁电源功率较小，通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成，改变晶闸管的导通角，可以改变励磁电流的大小。电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。电枢和后者没有机械联系，都能自由转动。电枢与电动机转子同轴联接称主动部分，由电动机带动；磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分。当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对n、s极性交替的磁极，其磁通经过电枢。当电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速恒低于电枢的转速n1，这是一种转差调速方式，变动转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的输出转矩和转速。电磁调速电动机的调速特点：1、调速平滑、无级调速；2、对电网无影响；3、速度失大、效率低。本方法适用于中、小功率，要求平滑动、短时低速运行的生产机械。七、液力耦合器调速方法液力耦合器是一种液力传动装置，一般由泵轮和涡轮组成，它们统称工作轮，放在密封壳体中。壳中充入一定量的工作液体，当泵轮在原动机带动下旋转时，处于其中的液体受叶片推动而旋转，在离心力作用下沿着泵轮外环进入涡轮时，就在同一转向上给涡轮叶片以推力，使其带动生产机械运转。液力耦合器的动力转输能力与壳内相对充液量的大小是一致的。在工作过程中，改变充液率就可以改变耦合器的涡轮转速，作到无级调速，其特点为：1、功率适应范围大，可满足从几十千瓦至数千千瓦不同功率的需要；2、结构简单，工作可靠，使用及维修方便，且造价低；3、尺寸小，能容大；4、控制调节方便，容易实现自动控制。本方法适用于风机、水泵的调速。2.2 plc可编程控制器plc英文全称programmable logic controller，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是：一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，plc是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有plc。2.2.1被控对象的生产工艺过程熟悉控制对象设计工艺布置图 这一步是系统设计的基础。首先应详细了解被控对象的工艺过程和它对控制系统的要求，各种机械、液压、气动、仪表、电气系统之间的关系，系统工作方式（如自动、半自动、手动等），plc与系统中其他智能装置之间的关系，人机界面的种类，通信联网的方式，报警的种类与范围，电源停电及紧急情况的处理等等。此阶段，还要选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号指示灯等执行元件），以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。同时，还应确定哪些信号需要输入给plc，哪些负载由plc驱动，并分类统计出各输入量和输出量的性质及数量，是数字量还是模拟量，是直流量还是交流量，以及电压的大小等级，为plc的选型和硬件配置提供依据。最后，将控制对象和控制功能进行分类，可按信号用途或按控制区域进行划分，确定检测设备和控制设备的物理位置，分析每一个检测信号和控制信号的形式、功能、规模、互相之间的关系。信号点确定后，设计出工艺布置图或信号图。2.2.2 plc控制系统的硬件设计随着plc的推广普及，plc产品的种类和数量越来越多。近年来，从国外引进的plc产品、国内厂家或自行开发的产品已有几十个系列，上百种型号。plc的品种繁多，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各有不同，使用场合也各有侧重。因此，合理选择plc对于提高plc控制系统的技术经济指标起着重要作用。（一）plc机型的选择plc机型的选择应是在满足控制要求的前提下，保证可靠、维护使用方便以及最佳的性能价格比。具体应考虑以下几方面：（1）性能与任务相适应 对于小型单台、仅需要数字量控制的设备，一般的小型plc（如西门子公司的s7-200系列、omron公司的cpm1/cpm2系列、三菱的fx系列等）都可以满足要求。对于以数字量控制为主，带少量模拟量控制的应用系统，如工业生产中常遇到的温度、压力、流量等连续量的控制，应选用带有a/d转换的模拟量输入模块和带d/a转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器（对温度控制系统可选用温度传感器直接输入的温度模块）和驱动装置，并选择运算、数据处理功能较强的小型plc（如西门子公司的s7-200或s7-300系列、omron的公司的cqm1/cqm1h系列等）。对于控制比较复杂，控制功能要求更高的工程项目，例如要求实现pid运算、闭环控制、通信联网等功能时，可视控制规模及复杂程度，选用中档或高档机（如西门子公司的s7-300或s7-400系列、omron的公司的c200h或cv/cvm1系列、a-b公司的control logix系列等）。（2）结构上合理、安装要方便、机型上应统一 按照物理结构，plc分为整体式和模块式。整体式每一i/o点的平均价格比模块式的便宜，所以人们一般倾向于在小型控制系统中采用整体式plc。但是模块式plc的功能扩展方便灵活，i/o点数的多少、输入点数与输出点数的比例、i/o模块的种类和块数、特殊i/o模块的使用等方面的选择余地都比整体式plc大得多，维修时更换模块、判断故障范围也很方便。因此，对于较复杂的和要求较高的系统一般应选用模块式plc。根据i/o设备距plc之间的距离和分布范围确定plc的安装方式为集中式、远程i/o式还是多台plc联网的分布式。对于一个企业，控制系统设计中应尽量做到机型统一。因为同一机型的plc，其模块可互为备用，便于备品备件的采购与管理；其功能及编程方法统一，有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；其外部设备通用，资源可共享。同一机型plc的另一个好处是，在使用上位计算机对plc进行管理和控制时，通信程序的编制比较方便。这样，容易把控制各独立的多台plc联成一个多级分布式系统，相互通信，集中管理，充分发挥网络通信的优势。（3）是否满足响应时间的要求 由于现代plc有足够高的速度处理大量的i/o数据和解算梯形图逻辑，因此对于大多数应用场合来说，plc的响应时间并不是主要的问题。然而，对于某些个别的场合，则要求考虑plc的响应时间。为了减少plc的i/o响应延迟时间，可以选用扫描速度高的plc，使用高速i/o处理这一类功能指令，或选用快速响应模块和中断输入模块。（4）对联网通信功能的要求 近年来，随着工厂自动化的迅速发展，企业内小到一块温度控制仪表的rs-485串行通信、大到一套制造系统的以太网管理层的通信，应该说一般的电气控制产品都有了通信功能。plc作为工厂自动化的主要控制器件，大多数产品都具有通信联网能力。选择时应根据需要选择通信方式。(5)其他特殊要求 考虑被控对象对于模拟量的闭环控制、高速计数、运动控制和人机界面（hmi）等方面的特殊要求，可以选用有相应特殊i/o模块的plc。对可靠性要求极高的系统，应考虑是否采用冗余控制系统或热备份系统。（二）plc容量估算plc的容量指i/o点数和用户存储器的存储容量两方面的含义。在选择plc型号时不应盲目追求过高的性能指标，但是在i/o点数和存储器容量方面除了要满足控制系统要求外，还应留有余量，以做备用或系统扩展时使用。（1） i/o点数的确定plc的i/o点数的确定以系统实际的输入输出点数为基础确定。在i/o点数的确定时，应留有适当余量。通常i/o点数可按实际需要的1015%考虑余量；当i/o模块较多时，一般按上述比例留出备用模块。（2） 存储器容量的确定用户程序占用多少存储容量与许多因素有关，如i/o点数、控制要求、运算处理量、程序结构等。因此在程序编制前只能粗略的估算。（三）i/o模块的选择在plc控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将对象的各种测量参数，按要求的方式送入plc。plc经过运算、处理后，再将结果以数字量的形式输出，此时也要把该输出变换为适合于对生产过程进行控制的量。所以，在plc和生产过程之间，必须设置信息的传递和变换装置。这个装置就是输入/输出（i/o）模块。不同的信号形式，需要不同类型的i/o模块。对plc来讲，信号形式可分为四类。（1）数字量输入信号 生产设备或控制系统的许多状态信息，如开关、按钮、继电器的触点等，它们只有两种状态：通或断，对这类信号的拾取需要通过数字量输入模块来实现。输入模块最常见的为24v直流输入，还有直流5v、12v、48v，交流115v/220v等。按公共端接入正负电位不同分为漏型和源型。有的plc即可以源型接线，也可以漏型接线，比如s7-200。当公共端接入负电位时，就是源型接线；接入正电位时，就是漏型接线。有的plc只能接成其中一种。 （2）数字量输出信号 还有许多控制对象，如指示灯的亮和灭、电机的启动和停止、晶闸管的通和断、阀门的打开和关闭等，对它们的控制只需通过二值逻辑“1”和“0”来实现。这种信号通过数字量输出模块去驱动。数字量输出模块按输出方式不同分为继电器输出型、晶体管输出型、晶闸管输出型等。此外，输出电压值和输出电流值也各有不同。（3）模拟量输入信号 生产过程的许多参数，如温度、压力、液位、流量都可以通过不同的检测装置转换为相应的模拟量信号，然后再将其转换为数字信号输入plc。完成这一任务的就是模拟量输入模块。（4）模拟量输出信号 生产设备或过程的许多执行机构，往往要求用模拟信号来控制，而plc输出的控制信号是数字量，这就要求有相应的模块将其转换为模拟量。这种模块就是模拟量输出模块。典型模拟量模块的量程为-10v+10v、0+10v、420ma等，可根据实际需要选用，同时还应考虑其分辨率和转换精度等因素。一些plc制造厂家还提供特殊模拟量输入模块，可用来直接接收低电平信号（如热电阻rtd、热电偶等信号）。此外，有些传感器如旋转编码器输出的是一连串的脉冲，并且输出的频率较高（20khz以上），尽管这些脉冲信号也可算作数字量，但普通数字量输入模块不能正确的检测之，应选择高速计数模块。不同的i/o模块，其电路和性能不同，它直接影响着plc的应用范围和价格，应该根据实际情况合理选择。（四）分配输入/输出点plc机型及输入/输出（i/o）模块选择完毕后，首先，设计出plc系统总体配置图。然后依据工艺布置图，参照具体的plc相关说明书或手册将输入信号与输入点、输出控制信号与输出点一一对应画出i/o接线图即plc输入/输出电气原理图。plc机型选择完后输入/输出点数的多少是决定控制系统价格及设计合理性的重要因素，因此在完成同样控制功能的情况下可通过合理设计以简化输入/输出点数。（五）安全回路设计安全回路是保护负载或控制对象以及防止操作错误或控制失败而进行连锁控制的回路。在直接控制负载的同时，安全保护回路还给plc输入信号，以便于plc进行保护处理。安全回路一般考虑以下几个方面。（1）短路保护 应该在plc外部输出回路中装上熔断器，进行短路保护。最好在每个负载的回路中都装上熔断器。（2）互锁与联锁措施 除在程序中保证电路的互锁关系，plc外部接线中还应该采取硬件的互锁措施，以确保系统安全可靠地运行。（3）失压保护与紧急停车措施 plc外部负载的供电线路应具有失压保护措施，当临时停电再恢复供电时，不按下“启动”按钮plc的外部负载就不能自行启动。这种接线方法的另一个作用是，当特殊情况下需要紧急停机时，按下“急停”按钮就可以切断负载电源，同时“急停”信号输入plc。（4）极限保护 在有些如提升机类超过限位就有可能产生危险的情况下，设置极限保护，当极限保护动作时直接切断负载电源，同时将信号输入plc。2.2.3 plc控制系统的软件设计软件设计是plc控制系统设计的核心。要设计好plc的应用软件，必须充分了解被控对象的生产工艺、技术特性、控制要求等。通过plc的应用软件完成系统的各项控制功能。（一）plc应用软件设计的内容plc的应用软件设计是指根据控制系统硬件结构和工艺要求，使用相应的编程语言，对用户控制程序的编制和相应文件的形成过程。主要内容包括：确定程序结构；定义输入/输出、中间标志、定时器、计数器和数据区等参数表；编制程序；编写程序说明书。plc应用软件设计还包括文本显示器或触摸屏等人机界面（hmi）设备及其它特殊功能模块的组态。（二）熟悉被控制对象制定设备运行方案 在系统硬件设计基础上，根据生产工艺的要求，分析各输入/输出与各种操作之间的逻辑关系，确定检测量和控制方法。并设计出系统中各设备的操作内容和操作顺序。对于较复杂的系统，可按物理位置或控制功能将系统分区控制。较复杂系统一般还需画出系统控制流程图，用以清楚表明动作的顺序和条件，简单系统一般不用。（三）熟悉编程语言和编程软件熟悉编程语言和编程软件是进行程序设计的前提。这一步骤的主要任务是根据有关手册详细了解所使用的编程软件及其操作系统，选择一种或几种合适的编程语言形式，并熟悉其指令系统和参数分类，尤其注意那些在编程中可能要用到的指令和功能。熟悉编程语言最好的办法就是上机操作，并编制一些试验程序，在模拟平台上进行试运行，以便详尽地了解指令的功能和用途，为后面的程序设计打下良好的基础，避免走弯路。（四）定义参数表参数表的定义包括对输入/输出、中间标志、定时器、计数器和数据区的定义。参数表的定义格式和内容根据系统和个人爱好的情况有所不同，但所包含的内容基本是相同的。总的设计原则是便于使用，尽可能详细。程序编制开始以前必须首先定义输入/输出信号表。主要依据是plc输入/输出电气原理图。每一种plc的输入点编号和输出点编号都有自己明确的规定，在确定了plc型号和配置后，要对输入/输出信号分配plc的输入/输出编号（地址），并编制成表。一般情况下，输入/输出信号表要明显地标出模板的位置、输入/输出地址号、信号名称和信号类型等。尤其输入/输出定义表注释注解内容应尽可能详细。地址尽量按由小到大的顺序排列，没有定义或备用的点也不要漏掉，这样便于在编程、调试和修改程序时查找使用。而中间标志、定时器、计数器和数据区编程以前可能不太好定义，一般是在编程过程中随使用随定义，在程序编制过程中间或编制完成后连同输入/输出信号表统一整理。（五）程序的编写如果有操作系统支持，尽量使用编程语言高级形式，如梯形图语言。在编写过程中，根据实际需要，对中间标志信号表和存储单元表进行逐个定义，要注意留出足够的公共暂存区，以节省内存的使用。由于许多小型plc使用的是简易编程器，只能输入指令代码。梯形图设计好后，还需要将梯形图按指令语句编出代码程序，列出程序清单。在熟悉所选的plc指令系统后，可以很容易地根据梯形图写出语句表程序。编写程序过程中要及时对编出的程序进行注释，以免忘记其间的相互关系。注释应包括程序段功能、逻辑关系、设计思想、信号的来源和去向等的说明，以便于程序的阅读和调试。（六）程序的测试程序的测试是整个程序设计工作中的一项重要的内容，它可以初步检查程序的实际运行效果。程序测试和程序编写是分不开的，程序的许多功能是在测试中修改和完善的。测试时先从各功能单元入手，设定输入信号，观察输入信号的变化对系统的作用，必要时可以借助仪器仪表。各功能单元测试完成后，再连通全部程序，测试各部分的接口情况，直到满意为止。程序测试可以在实验室进行，也可以在现场进行。如果是在现场进行程序测试，那就要将plc与现场信号隔离，以免引起事故。（七）程序说明书的编写程序说明书是整个程序内容的综合性说明文档，是整个程序设计工作的总结。编写的主要目的是让程序的使用者了解程序的基本结构和某些问题的处理方法，以及程序阅读方法和使用中应注意的事项。程序说明书一般包括程序设计的依据、程序的基本结构、各功能单元分析、使用的公式和原理、各参数的来源和运算过程、程序的测试情况等。上面流程中各个步骤都是应用程序设计中不可缺少的环节，要设计一个好的应用程序，必须做好每一个环节的工作。但是，应用程序设计中的核心是程序的编写，其他步骤都是为其服务的。（八）常用编程方法plc的编程方法主要有经验设计法和逻辑设计法。逻辑设计是以逻辑代数为理论基础，通过列写输入与输出的逻辑表达式，再转换成梯形图。由于一般逻辑设计过程比较复杂，而且周期较大，大多采用经验设计的方法。如果控制系统比较复杂，可以借助流程图。所谓经验设计是在一些典型应用基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，选用一些基本环节，适当组合、修改、完善，使其成为符合控制要求的程序。一般经验设计法没有普通的规律可以遵循，只有在大量的程序设计中不断地积累、丰富自己，并且逐渐形成自己的设计风格。一个程序设计的质量，以及所用的时间往往与编程者的经验有很大关系。所谓常用基本环节很多是借鉴继电接触器控制线路转换而来的。它与继电接触器线路图画法十分相似，信号输入、输出方式及控制功能也大致相同。对于熟悉继电接触器控制系统设计原理的工程技术人员来讲，掌握梯形图语言设计无疑是十分方便和快捷的。2.2.4 plc控制系统的调试系统调试是系统在正式投入使用之前的必经步骤。与继电器控制系统不同，plc控制系统既有硬件部分的调试还有软件的调试，与继电器控制系统相比，plc控制系统的硬件调试要相对简单，主要是plc程序的编制和调试。一般可按以下几个步骤进行：应用程序的编制和离线调试、控制系统硬件检查、应用程序在线调试、现场调试、总结整理相关资料、系统正式投入使用。2.3 变频器变频器基础原理知识 vvvf 是 variable voltage and variable frequency 的缩写，意为改变电压和改变频率，也就是人们所说的变压变频。cvcf 是 constant voltage and constant frequency 的缩写，意为恒电压、恒频率，也就是人们所说的恒压恒频。我们使用的电源分为交流电源和直流电源，一般的直流电源大多是由交流电源通过变压器变压，整流滤波后得到的。交流电源在人们使用电源中占总使用电源的95左右。无论是用于家庭还是用于工厂，单相交流电源和三相交流电源，其电压和频率均按各国的规定有一定的标准，如我国大陆规定，直接用户单相交流电为220v，三相交流电线电压为380v，频率为50hz，其它国家的电源电压和频率可能于我国的电压和频率不同，如有单相100v/60hz，三相200v/60hz等等，标准的电压和频率的交流供电电源叫工频交流电。通常，把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（dc），这个过程叫整流。把直流电（dc）变换为交流电（ac）的装置，其科学术语为“inverter”(逆变器)。一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。 变频器输出的波形是模拟正弦波，主要是用在三相异步电动机调速用，又叫变频调速器。对于主要用在仪器仪表的检测设备中的波形要求较高的可变频率逆变器，要对波形进行整理，可以输出标准的正弦波，叫变频电源。一般变频电源是变频器价格的1520倍。由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“inverter”，故该产品本身就被命名为“inverter”，即：变频器。变频器可用于家电产品。使用变频器的家电产品中，不仅有电机（例如空调等），还有荧光灯等产品。用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。例如计算机电源的供电，在该项应用中，变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电。2.3.1 交流异步电动机变频调速原理变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。现在使用的变频器主要采用交直交方式（vvvf变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。 图2.8 变频器控制面板交-直部分整流电路：由vd1-vd6六个整流二极管组成不可控全波整流桥。对于380v的额定电源，二极管反向耐压值选1200v，二极管的正向电流为电机额定电流的1.414-2倍。2.3.2 变频器元件作用(1)普通元件电容c1：是吸收电容,整流电路输出是脉动的直流电压，必须加以滤波。变压器：一种常见的电气设备， 可用来把某种数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压，也可以改变交流电的数值及变换阻抗或改变相位。压敏电阻：有三个作用,过电压保护,耐雷击要求,按规测试需要。热敏电阻：过热保护。霍尔:安装在uvw的其中二相,用于检测输出电流值。选用时额定电流约为电机额定电流的2倍左右。充电电阻：作用是防止开机上电瞬间电容对地短路，烧坏储能电容开机前电容二端的电压为 0v；所以在上电（开机）的瞬间电容对地为短路状态。如果不加充电电阻在整流桥与电解电容之间，则相当于380v电源直接对地短路，瞬间整流桥通过无穷大的电流导