PLC在多段调速系统中的应用.doc

可编程控制器技术课程设计plc在多段调速系统中的应用目录1. 课程设计题目及要求31.1 题目31.2 控制要求31.2.1 三相异步电动机7段速度运行系统控制设计31.2.2 监控界面的设计31.3系统总体方案设计32. 变频器工作原理32.1 变频器的基本工作原理32.2 fr-s540型变频器的结构特点42.2.1 frs540标准接线42.2.2 七段速度对应的端子42.3 fr-s540型变频器的参数及参数设置方法53. plc工作原理53.1 plc工作原理及扫描工作方式53.2 fx2n-48mr型plc63.2.1 fx2n-48mr特点：63.2.2 fx2n-48mr表示的意义4. 控制系统设计64.1 plc（i/o）分配64.2系统方框图及程序流程图74.3程序设计84.3.1启动、停止、手动自动切换程序设计84.3.2 手动控制程序设计94.3.3 自动控制程序设计95. 监控界面的设计105.1 监控软件介绍105.2 参数设置115.2.1 力控与三菱plc通讯的编程口设置115.2.2 组态变量的设置125.3 监控界面的制作过程126. 运行调试136.1 调试过程136.1.1 plc调试过程136.1.2 组态调试过程156.2调试中出现的问题及解决方法156.2.1 多段速控制紊乱156.2.2 组态软件与plc通讯失败156.2.3 组态软件不能控制plc156.3 结果分析167. 总结168. 参考文献179.附录17附录1 实物照片(现场接线及调试照片)17附录2 多段调速plc控制梯形图或语句表18附录3 多段调速系统硬件接线图19- 20 -1. 课程设计题目及要求1.1 题目 plc在多段调速系统中的应用 1.2 控制要求1.2.1 三相异步电动机7段速度运行系统控制设计 按下起动按钮，可选择工频/变频控制， 能实现自动控制和手动控制（自动转换频段/手动输入频段），并可实现高、低速转换。按停止按钮，电动机即停止。1.2.2 监控界面的设计监控界面实现自动控制和手动控制（自动转换频段/手动输入频段），并可实现高、低速转换。能够对设备的运行状态进行监控。1.3系统总体方案设计 上位机 fx2n48mr fr-s540 电机 2. 变频器工作原理2.1 变频器的基本工作原理变频器是把工频电源(50hz或60hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。如图2-1所示.图2-1变频器工作原理2.2 fr-s540型变频器的结构特点2.2.1 frs540标准接线 frs540标准接线图如图2-2-1图2-2-12.2.2 七段速度对应的端子通过控制rh、rm、rl三个端口可控制变频器事先设置的好对应的输出频率，7段速控制如图2-2-2 图2-2-2 7段速控制2.3 fr-s540型变频器的参数及参数设置方法 参数设置如表2-3参数号功能设定值1上限频率50hz2下限频率0hz7加速时间0.2s8减速时间0.2s43速设定（高速）20hz53速设定（中速）25hz63速设定（低速）30hz24多段速度设定（4速度）35hz25多段速度设定（5速度）40hz26多段速度设定（6速度）50hz27多段速度设定（7速度）41.9hz表2-3参数设置3. plc工作原理3.1 plc工作原理及扫描工作方式 当plc运行时，是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作，但cpu不可能同时去执行多个操作，它只能按分时操作（串行工作），每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。由于cpu得运算处理速度很快，所以从宏观上来看，plc外部出现的结果似乎是同时（并行）完成的。这种串行工作过程称为plc的扫描工作方式。 用扫描工作方式执行用户程序时，扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描执行，周而复始地重复运行。 plc的扫描工作方式与电气控制的工作原理明显不同。电气控制装置采用硬逻辑的并行工作方式，如果某个继电器的线圈通电或断电，那么该继电器的所有常开和常闭触点不论处在控制线路的哪个位子上，都会立即同时动作；而plc采用扫描工作方式（串行工作方式），如果某个软继电器的线圈被接通或断开，其所有的触点不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。但由于plc的扫描速度快，通常plc与电气控制装置在io的处理结果上并没有什么差别。3.2 fx2n-48mr型plc3.2.1 fx2n-48mr特点： 节省空间：其体积仅相当于以前ans系列plc60%。 安装灵活：有多种主基板和扩展基板供选择。 高性能模块：提供有多种特殊功能模块，功能更为强大。并且有相关设置软 件，编程及调试更加方便。3.2.2 fx2n-48mr表示的意义： fx2n-48 m r 表示plc系列名称；表示输入输出点数总和，2n系列的点数总和时对半分的，故这里表示有24点输入，24点输出；表示单元种类：m基本单元，e输入输出混合扩展单元，ex输入专用扩展模块，ey输出专用扩展模块；表示输出形式：r继电器输出，s晶闸管输出，t晶体管输出。4. 控制系统设计4.1 plc（i/o）分配系统的输入信号有：启动按钮、手动档按钮、停止按钮各一个，七段速手动挡对应7个挡各一个按钮，共有10个输入信号。系统的输出信号有：多段速选择rh、rm、rl端口各一个，正转启动stf端口一个共有4个输出信号。根据试验台的配备选用fx2n-48mr，满足实验要求。plc的地址分配表如表4-1输入元件输入地址输出元件输出地址启动按钮x0正传启动y20手动档按钮x20多段速选择rhy21停止按钮x22多段速选择rmy22多段速选择按钮x1 x7多段速选择rly23表4-1根据i/o地址分配表可绘制出如图4-1所示的接线图 图4-1硬件接线图4.2系统方框图及程序流程图 系统由两部分组成，手动控制和自动控制。其中自动控制为每5秒自动切换一个速度段，程序开始输出速度1信号,5秒钟后关闭速度1信号的输出，输出速度2的信号，保持5秒后关闭速度2信号的输出，输出速度3的信号，保持5秒后关闭速度3的信号输出直到速度7的信号输出结束。若切换到手动则有手动控制7个速度段。根据控制设计题目要求绘制流程图如图4-2开始 y 是否手动 切换到手动 n 速度1 定时5秒速度2 定时5秒速度3 定时5秒速度4 定时5秒 速度5 定时5秒速度6 定时5秒 速度7图4-2流程图4.3程序设计4.3.1启动、停止、手动自动切换程序设计如图4-3-1，按下启动按钮sb0时，常开点x0接通，辅助继电器m100线圈得电，常开点m100得电保持，同时y20得电，给变频器的stf端子正转信号。当需要停止时，按下sb22，常闭点x22断开，辅助继电器m100线圈失电，m100点断开，变频器stf端子的正转信号消失，电机停止运转。当需要切换到手动时拔下开关sb20，常开点x20接通，y20得电，给变频器的stf端子正转信号，同时手动控制程序接通，使用手动控制电机多段速运行。图4-3-1 启动、停止、手动自动切换程序4.3.2 手动控制程序设计通过变频器的三个多段速选择端子rh、rm、rl的不同组合，外部信号可以实现控制变频器7段速输出，而手动切换按钮有7(sb1sb7)个，由图2-2-2 给出的七段速对应关系可以列出七段速与plc“i/o”的关系表4-3-2输出端子(多速选择)1速(sb1)2速(sb2)3速(sb3)4速(sb4)5速(sb5)6速(sb6)7速(sb7)y21(rh)x1offoffoffx5x6x7y22(rm)offx2 offx4offx6x7y23(rl)offoffx3x4x5offx7表4-3-2七段速与plc“i/o”的关系根据上表设计的手动部分梯形图程序如下图4-3-2 按下手动按钮，常开点x20接通。按下sb1，常开触点x1接通，同时常闭点x1断开，y21控制rh接通，y22、y23控制rm、rl断开，变频器控制电机1速转动。 对应按下sb2、sb3、sb4、sb5、sb6、sb7可控制电机以2速、3速、4速、5速、6速、7速转动。4.3.3 自动控制程序设计 自动控制要求没5秒自动切换下一个速度段，使用三菱的f2n系列plc中的通用定时器t0t199（100ms定时脉冲）可满足设计要求，设定50个脉冲（定时5秒）。由于自动程序是在内部执行，故采用通用辅助继电器，可用的编号为m0m499共500个。设计自动控制程序的梯形图如图4-3-3。 常开点m100接通，辅助继电器m1线圈得电，常开点m1闭合，y21接通，电机1速转动，同时定时t1开始工作定时5秒，定时完毕常闭点t1断开，电机停止工作，同时常闭点t1接通，辅助继电器m2线圈得电，定时器t2开始工作，之后同以上过程，程序实现自动定时控制多段速。5. 监控界面的设计5.1 监控软件介绍组态软件，又称组态监控软件系统软件。译自英文scada,即 supervisory control and data acquisition（数据采集与监视控制）。它是指一些数据采集与过程控制的专用软件。它们处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。组态软件的应用领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统(rtu system,remote terminal unit)。 力控监控组态软件是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，位于自动控制系统监控层一级。它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，缩短了自动化工程师的系统集成的时间，大大的提高了集成效率。它能同时和国内外各种工业控制厂家的设备进行网络通讯，它可以与高可靠的工控计算机和网络系统结合，便可以达到集中管理和监控的目的，同时还可以方便的向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，来实现与“第三方”的软、硬件系统来进行集成。 5.2 参数设置5.2.1 力控与三菱plc通讯的编程口设置打开开发系统的左侧实时数据库里的“+”，再点开i/o设备驱动，选择“plc”，在三菱分类里选中“fx系列编程口”，添加设备驱动，在弹出的对话框里如下图设置。图5-2-1a、图5-2-1b。图5-2-1a图5-2-1b5.2.2 组态变量的设置 打开开发系统的左侧实时数据库里的“+”，打开“数据库组态”，在数据库中添加i/o点，选择“数字i/o点”并且对添加的i/o点进行链接，具体参数如图5-2-2a。所有i/o点设置好后如图5-2-2b。 图5-2-2a 图5-2-2b5.3 监控界面的制作过程 在开发系统里点击“文件”“新建”新建一个窗口，然后就可以开始在新窗口里进行监控界面的制作了。打开“子图精灵”在开关分类里选择开关子图，调入到窗口里。对双击开关，打开开关的属性，给开关添加之前设置好的变量，确定保存，依次添加启动、停止、手动、速度1、速度2、速度3、速度4、速度5、速度6、速度7一共10个开关并关联数据库里对应的变量，这样10个输入控制就设定好了。然后再在自图精灵里调出三个报警灯，分别关联上1su、2su、3su作为监视。界面制作好后如图5-3。图5-3 监控界面6. 运行调试6.1 调试过程6.1.1 plc调试过程首先按照硬件接线图将上位机、试验台、变频器和电机的线接好。实验台上，用专用的数据线跟上位机连接，plc输入部分com口连接到拨动开关，再将10个拨动开关分别与plc的x0、x20、x22和x1x7端口相连。输出部分y20、y21、y22、y23对应连到变频器的stf、rh、rm、rl端子。变频器接入220v的两相交流电，输出端连接三相鼠笼电机。接线完成后开始程序调试运行。打开三菱fxgpwin梯形图编辑软件，建立新文件，选择文件格式为“fx2n”，进入编辑界面完成梯形图程序的编制，编制完成后通过与plc通讯关闭run状态，“plc”“遥控运行/停止”如图6-1-1a。接着将程序写入plc，“plc”“传送”“写出”如图6-1-1b，范围设置为“0到150”确定后等待程序写入plc。最后通过与plc通讯开启run状态，“plc”“遥控运行/停止”选择“运行”并确定。接下来设置变频器的数据，通过“pu/ext”键切换模式使 变频器运行于外部模式，按下“mood”键使用旋钮切换到对应的参数号，再按下“mood”键使用旋钮修改数值最后用“set”键确定，按照表2-3将参数全部设置好。 图6-1-1a 关闭run状态图6-1-1b 程序写入plc 变频器的参数设置好后便可以在实验台的控制面板上的进行操控实验，调试结果在“6.3 结果分析”中给出。6.1.2 组态调试过程 plc调试结束，验证程序及plc等各个系统正常运行后进行组态调试。按照“5. 监控界面的设计”的步骤，设置好参数、编辑完成组态界面保存，关闭力控组态软件。再打开三菱fxgpwin梯形图编辑软件，对梯形图编辑，把所有的外部输入继电器x全部替换换成内部的通用辅助继电器m，修改完成后重新写入plc运行，然后退出三菱fxgpwin梯形图编辑软件，打开力控组态软件，在工程管理里运行之前编辑的工程项目。打开组态界面，用上位机的组态界面操控电机运行，其结果在在“6.3 结果分析”中给出。6.2调试中出现的问题及解决方法6.2.1 多段速控制紊乱 在plc调试过程中，按下启动按钮后，程序正常运行，电机开始转动并自动切换转速，但变频器显示的实时频率数据并不是按照实现设定好的1速到7速顺序切换，即频率不是按照“20hz25hz30hz35hz40hz50hz41.9hz”的规律变化，手动也不是对应的7种频率，出现了乱跳的现象。起初怀疑变频器的数据设置错误，仔细检查后发现数据都是正确的。后又检查程序，发现程序也没有错误，最后检查接线，原来是变频器的rm、rh、rl三个端子与plc的输出继电器顺序接错了，改过来后再运行问题解决。6.2.2 组态软件与plc通讯失败打开组态控制界面，按下启动开关，结果启动开过立即弹回，电机没有任何反应。查看力控组态软件的系统日志，日志显示数据写入plc失败。仔细查阅资料书后，书中解释梯形图编辑软件与组态软件不能同时运行，否则端口被占用，组态软件将无法与plc建立通讯。发现上位机的“三菱fxgpwin”没有退出，以为找到了原因，于是将“三菱fxgpwin”退出，重新运行组态后错误现象依然没变。后在老师的指点下，原来组态软件的“i/o设备驱动”选择错误，因为plc上用的是编程口，应该选择“三菱fx2n系列编程口”而我们使用了“三棱fx2n系列串口”，重新设置“i/o设备驱动”后组态软件与plc通讯成功。6.2.3 组态软件不能控制plc在解决了通讯问题后，组态软件任然不能电机运行。为了验证组态软件到底有没有真正与plc建立通信，在组态软件中加了一个变量点，关联上梯形图程序中的辅助继电器“m100”，用一个警报灯现实其状态，现实红色为“假”即断开，现实为绿色为“真”即接通。然后在实验台上拨开启动按钮控制电机启动，电机开始进入自动控制，同时组态监控界面上的报警灯由红色变成绿色，拨开试验台上的手动开关，灯由绿色变成红色，与程序运行结果一致，再次证明plc与组态软件的通讯良好。但为什么不能控制plc呢，后在老师的指导下终于明白，组态软件只能控制plc内部的辅助继电器，不能控制外部输入继电器。在明白原因后，立即修改梯形图程序，将所有的外部输入继电器点x换成通用辅助继电器，重新写入plc后运行，终于在组态软件上成功的控制了电机。6.3 结果分析首先是plc的调试，即通过通过试验台的控制板操纵电机的运行，在解决中途出现的问题后，运行效果达到了预期，拨开启动按钮时电机开始运行并每隔5秒钟自动切换一个速度段，直到切换到第七个速度段运行5秒钟后停止。中途若需要停止，拨开停止按钮，电机便可以停止运转。拨开手动按钮，再任意拨动“sb1至sb7”中任意一个按钮，电机便可以按照相应的速度转动，关闭该按钮，电机停止运转。然后是组态的调试，解决所有问题后，通过组态监控界面上的10个开关操纵电机与plc调试的过程和现象一模一样。另外在监控界面上添加了三个报警灯，通过三个辅助继电器对应着plc的“y21、y22、y23”三个输出继电器点的状态，失电时显示红色，得电时显