毕业设计（论文）-西门子G120变频器应用技术研究.docx

西门子G120变频器应用技术研究本科生毕业论文（设计）题 目：西门子G120变频器应用技术研究姓 名：分院、系：机电工程系专 业：电气工程及其自动化年 级：2012级学 号：指导教师： 职称：教授2016年 5月 14 日原创性声明兹呈交的学位论文（设计），是本人在导师指导下独立完成的研究成果。除文中已经明确标明引用或参考的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。声明人（签名）：日期： 年 月 日西门子G120变频器应用技术研究摘要 变频器的主要用处是对同步或者异步电动机(交流)进行转速的控制，是业界一致认为对交流电动机进行速度调节最理想的方案，近两年，为了适应社会快速生产的需求，西门子公司推出了G系列和S系列的高端变频器，然而并没有在工业生产中得到广泛推广使用。G120变频器在工业上的应用目前不足十分之一，主要原因是变频器应用人才的缺乏和相关技术普及的滞后。本文就是着重介绍西门子G120这款变频器的相关应用技术，对G120变频器的相关技术进行研究，用MATLAB仿真软件对变频器的整流，逆变，PWM控制技术进行研究，完成变频器几个经典控制的参数设置。并将G120变频器应用在2个控制系统中，即小车往复运动控制系统和注塑机控制系统的整体设计。 关键词 G120 MATLAB 通讯技术 参数设置 控制系统全套设计加扣3012250582 IIResearch on application technology of SIEMENS G120 converterAbstract converter main use is for synchronous or asynchronous motor (AC) speed control, is the industry agreed that the AC motor speed regulation scheme of the ideal, in recent years, in order to meet the needs of rapid social production, Siemens launched a G series, s series of high-end converter. But there is no was widely used in the industrial production.converter G120 in industrial applications is currently less than one-tenth of the main reasons is the lack of talent and drive application-related technology diffusion lag.This article focuses on is the technology applied in this converter Siemens G120, G120 converter related technology research, the study of the converter rectifier, converter, PWM control technique using MATLAB simulation software to complete several classic converter control parameter settings. G120 and converter control system used in two, that the overall design of the car back and forth motion control systems and injection molding machine control system.Keywords G120 ,MATLAB,Communication Technology ,Parameter setting ,Control systemII目录引言1第1章 绪论21.1 论文选题背景与意义21.1.1 背景21.1.2 意义21.2 相关技术现状与发展趋势21.2.1 技术现状21.2.2 技术发展趋势31.3作者所做的工作31.4 论文内容安排3第2章 变频器相关技术52.1 变频器硬件组成52.2 整流及逆变技术原理52.2.1整流技术原理52.2.2整流电路仿真62.2.3 逆变技术原理82.2.4逆变电路仿真82.3 PWM控制技术及其原理102.4 变频器主要控制方式112.4.1 V/f控制112.4.2 转差频率控制112.4.3 矢量控制112.4.4控制方式对比11第3章 G120变频器研究123.1 G120变频器的组成123.1.1 G120变频器的控制单元123.1.2 G120变频器的功率模块143.2 G120变频器的主要功能参数及预置143.3 G120变频器的通讯173.3.1 G120变频器与PC机通讯173.3.2 G120变频器与PLC通讯18第4章 经典控制电路参数设置20III4.1 正反转控制电路204.2 点动控制电路214.3 多段速控制电路234.4 PID控制电路25第5章 G120变频器通讯技术应用控制系统设计295.1 G120通讯技术应用295.2被控对象分析与描述295.3系统硬件设计305.3.1系统硬件和网络组态305.3.2 系统资源分配315.4变频器参数设计325.5 控制软件设计33第6章 G120变频器多段变频技术应用控制系统设计356.1被控对象分析与描述356.2系统总体方案356.3系统硬件设计376.3.1系统硬件组态376.3.2系统资源分配386.4变频器参数设计406.5 控制软件设计41结论45致谢语46参考文献47附录148附录250附录354IV引言 20世纪90年代开始，交流变频调速装置在我国的应用有了突飞猛进的发展。社会经济和工业生产的快速发展离不开先进科学技术的辅助，因此当下之急是这方面技术的推广和普及。变频机的应用也不能一直停留在过去的技术和型号，要与时俱进，特别是一些重要的生产环节更需要应用新的变频器技术，更加节能环保。G120变频器作为近几年来西门子公司主推的一款变频器，用来取代MM440变频器，但G120变频器的应用目前不足十分之一，主要原因是变频器应用人才的缺乏和相关技术普及的滞后。本课题主要涉及的相关技术有电力电子技术，工业网络技术，可编程控制技术，工业组态技术，数字电子技术，模拟电子技术等相关技术。其中主要利用PLC技术和变频器技术，本人在这两方面也进行了学习，具备了一定的基础。为了能够更好完成本课题的研究任务，我还提前学习了G120变频器的相关技术，G120的硬件构造和参数设计及其通讯部分等一系列知识。因此，我可以完成本次毕业设计的和毕业论文的撰写。第1章 绪论1.1 论文选题背景与意义1.1.1 背景随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，自20世纪60年代起，变频器问世到现在，经过了几十年的发展，已经渐渐开始成熟完善起来。最近这几年，伴随着技术的发展和创新材料的发现和应用，不断有新的元器件和单元串联被开发出来并应用，进一步解决了一直以来困扰人们的高压问题。创新技术的发展使得变频器的应用领域和范围更加宽广。同时，也促进了能源的高效合理应用。1西门子变频器在中国市场的使用最早是在钢铁行业然而在当时电机调速还是以直流调速为主，变频器的应用还是一个新兴的市场，但随着电子元器件的不断发展以及控制理论的不断成熟，变频调速已逐步取代了直流调速，成为驱动产品的主流。从电流源的SIMOVERTA,以及电压源的SIMOVERT P，MM420，再到经典的MM440，西门子在中国推出一系列的变频器。近几年，为了适应社会快速生产的需求，西门子公司推出了G系列和运动控制S系列的高端变频器，其中G120变频器的推出，以其独特的优势，势必取代MM440，成为工业生产应用最广泛的变频器，即将到来的工业4.0进一步促进变频器的发展与应用。1.1.2 意义为了应对能源意识、经济性、能耗等方面越来越高的需求，西门子推出了SINAMICS G120系列变频器产品。SINAMICSG120 是一款创新且易于操作的变频器，此产品专门针对工业领域的泵、风机和压缩机应用，但同时也兼顾楼宇自动化领域的需求进行了优化。SINAMICS G120 可为种类丰富的任务提供经济的驱动方案。易于操作的特性使得该产品不仅有助于现有频率控制驱动的优化，也能在客户更改固定转速驱动方案或翻新设备时提供支持。2G120变频器作为近几年来西门子公司主推的一款变频器，用来取代MM440变频器，但G120变频器的应用目前不足十分之一，主要原因是变频器应用人才的缺乏和相关技术普及的滞后。对G120变频器的应用技术研究显得尤为重要和迫在眉睫。1.2 相关技术现状与发展趋势1.2.1 技术现状变频器是利用电力半导体器件的通断作用，将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。电动机是国民经济中主要的耗电大户，高压大功率电动机更为突出，而这些设备大部分都有节能的潜力。同时，随着社会的发展和人民生活水平的提高，中小功率的变频器又逐渐突显出其不可替代的作用。近年来，我国提出了建设节能型社会，倡导和谐发展。因此，在做好高压大功率变频器应兼顾中小功率变频器的发展，这是我国变频器行业今后发展的一大总体趋势。31.2.2 技术发展趋势变频技术发展至今，总结起来从控制的角度而言，先后经历了这样4个阶段：矢量型控制、转矩型控制、磁通型控制、PWM控制等这4个阶段。随着节约环保型社会的发展和普及，人们对生活的环境品质越来越关注。节能型、低噪声变频器，是今后一段时间发展的一个总趋势。未来变频器在我国的发展，将会有更广阔的前景。同时，随着新技术的不断应用，变频器的性能会更加优良。1.3作者所做的工作在本课题的设计研究中，作者主要完成的工作如下：1、对变频器相关的知识进行学习，大量收集G120变频器的相关文档资料。2、对整流和逆变相关技术进行研究，并用MATLAB仿真软件建立整流电路和逆变电路模型对仿真波形进行研究分析。3、对G120变频器的硬件组成进行介绍，通讯技术，参数设置，并将G120变频器经典应用控制做出电路设计和参数设置。4、将G120变频器的相关技术应用在两个控制系统中，完成控制系统的整体设计，包括硬件设计和软件程序设计。1.4 论文内容安排论文主要针对G120变频器应用技术进行研究和相应的应用设计，从变频器的工作原理技术研究到G120变频器的组成和功能和通讯技术研究，最后将G120变频器的相关应用技术应用在两个控制系统中，完成整个控制系统的总体方案，并对硬件系统和软件系统进行详细的设计，最终完成本次毕业设计。第1章介绍课题的研究背景，并对变频器的发展现状进行详细介绍，对G120变频器的优点进行阐述。第2章完成对变频器的整流，逆变和PWM控制技术的研究，介绍变频器的常用控制方式。第3章完成G120变频器应用基础研究，从G120变频器的硬件，再到参数设置和通讯技术进行研究说明。第4章完成G120变频器常用的几种控制电路设计和参数设计。第5章将G120变频器的通讯技术应用在小车控制控制系统中，完成硬件和软件设计。第6章利用G120变频器的多段调速对注塑机进行自动化改造，完成硬件和软件设计。第2章 变频器相关技术2.1 变频器硬件组成变频器的主要组成电路是主电路和控制电路，其组成原理图如图2-1所示。主电路由整流电路，中间直流环节和逆变电路组成。控制电路由运算电路、检测电路、控制信号的输入/输出电路和驱动电路组成。图2-1 变频器组成及原理示意图2.2 整流及逆变技术原理2.2.1整流技术原理整流电路作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备按组成器件可以分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可以分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数可以分为单相电路和三相电路。三相整流电路输出直流电压脉动较小，易于滤波处理，故大部分变频器采用的是三相整流电路。图2-2为三相桥式全控整流电路，当晶闸管触发角为0时，对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通，对于共阳极组的三个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最小的一个导通。 图2-2三相桥式全控整流电路2.2.2整流电路仿真用MATLAB仿真软件对整流电路进行仿真，整流电路仿真图如图2-3所示。图2-3 三相桥式全控整流电路仿真模型图由于MATLAB仿真波形的波形截图没有量纲（以下波形图的横坐标单位统一为s，纵坐标的单位统一为V。）三相电压波形：图2-4 三相电压波形图=30时Ud的仿真波形:图2-5 Ud的仿真波形（=30）=45时Ud的仿真波形:图2-6 Ud的仿真波形（=45）=60时Ud的仿真波形:图2-7 Ud的仿真波形（=60）由上面仿真波形图可推出，当触发角改变时，电路的工作情况将发生变化。当=30时，Ud波形连续，=45，Ud波形连续。=60时Ud出现了为零的点。 由以上分析可见，当60时，Ud波形均连续，对于电阻负载，Id波形与Ud波形的形状是一样的，也连续。当60时，Ud波形就会出现零点，这是因为电阻负载时Id波形与Ud波形一致，一旦Ud降至零，Id也降至零，流过晶闸管的电流即降至零，晶闸管关断，输出整流电压Ud为零。因此触发角一般取0到60。2.2.3 逆变技术原理逆变电路是主电路最主要的部分之一。它最主要的功能是将整流电路输出的直流电压转换成频率可调的交流电压，从而实现对异步电动机的变频调速控制。本次仿真采用的是电压型逆变电路，其直流侧为电压源，或者并联有大电容，相当于电压源，电压型逆变电路交流侧输出电压波形为矩形波，即把直流电压转换为交流电压。本次仿真使用的是三相桥式逆变电路，其电路图如下图2-8所示： 图2-8 三相桥式逆变电路三相电压型桥式逆变电路采用IGBT作为开关器件，换流方式为器件换流，每个桥臂的导电角为180，同一相上下两个桥臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120。即在每一瞬间，都有三个桥臂同时导通，可能是上面两个桥臂下面一个桥臂，或是上面一个桥臂下面两个桥臂同时导通，每次换流都在同一相上下两个桥臂之间进行，即纵向换流。42.2.4逆变电路仿真 用MATLAB仿真软件对逆变电路进行仿真，逆变电路仿真图如图2-9所示。图2-9 三相桥式逆变电路仿真模型图图2-9 三相桥式逆变电路仿真模型图三相桥式逆变电路输入直流电压Udc：图2-10 直流电压Udc波形图 逆变电路输出的三相电压Uabc：图2-11 输出电压Uabc波形图由上述仿真波形图可知，直流电压在经过逆变电路后输出频率可控的交流电压，从而实现变频的变频调控。2.3 PWM控制技术及其原理变频器按其调压方式的不同，交-直-交变频器又分为脉宽调制和脉幅调制两种。其中大部分变频器采用的是脉宽调制（PWM）。PWM调压控制是通过参考电压波与载波三角波的互相比较来决定主开关器件的导通时间，从而实现调压，即利用脉冲宽度的改变来得到幅值不同的正弦基波电压。5如果这种参考信号为正弦波，输出电压波形近似为正弦波的PWM控制方式被称为正弦PWM方式，简称SPWM方式。大部分变频器采用的调压方式都为SPWM方式。单相桥式电压型逆变电路如图2-12所示。图2-12 单相桥式逆变电路在正半周期，让晶体管一直处于导通的状态，让晶体管交替通断。当和都导通时，施加在负载上的电压为直流电源电压。当导通而使得关断后，由于电感的特性，负载中的电流不能发生突变，负载上的电流将通过二极管续流，如果忽略晶体管和二极管的导通压降，那么施加在负载上的电压为零。如果负载上电流快速地衰减到零，那么在晶体管再一次导通之前，负载上的电压会一直为零。因此，负载上的输出电压就可以得到零和两种电压等级。在负半周期，让晶体管一直保持导通。当导通时，负载被加上负电压；当关断时，续流，负载电压为零，负载上的输出电压可得到和零交替的两种电平。 经过一个周期，输出的PWM波形就由零和三种电平组成。 控制晶体管的关断和导通时间是通过比较信号波和载波的大小决定的。如果使晶体管在半个周期内多次导通和关断，则逆变电路的输出电压就将很接近于基波电压，有效地抑制了高次谐波电压的干扰。PWM型变频器尤其适用于异步电动机的变频调速，具有使异步电动机平滑启动和直流制动等功能。2.4 变频器主要控制方式变频器的控制方式主要包括V/f控制，转差频率控制和矢量控制。2.4.1 V/f控制 V/f控制即压频比控制。它的基本特点是对变频器输出的电压和频率同时进行控制，通过保持V/f的恒定来使异步电动机获得所需的转矩特性。V/f控制在基频以下可以实现恒转矩调速，在基频以上可以实现恒功率调速。但V/f控制属于开环控制，其控制精度并不高。2.4.2 转差频率控制 转差频率控制是一种在V/f控制的基础上改进的控制方式。在V/f控制方式下，如果负载发生变化，那么转速也会随之发生变化，并且转速的变化量和电动机的转差率成正比。转差频率控制是一种闭环控制方式，控制精度较高，但需要在异步电动机的转轴上安装速度传感器，其通用性较差。2.4.3 矢量控制 矢量控制是交流电动机的一种新型控制思想和控制技术。其控制方式是将异步电动机产生的定子电流分解为励磁电流和转矩电流，并分别加以控制，可获得类似直流调速系统的动态性能。62.4.4控制方式对比变频器三种控制方式的比较见表2-1所示。表2-1 变频器的三种控制方式的特性比较项目V/f控制转差频率控制矢量控制加减速特性加减速控制有限度，四象限运行时在零速度附近有空载时间，过电流抑制能力小加减速控制有限度，四象限运行时常在零速度附近有空载时间，过电流抑制能力中等加减速控制无限度，可以进行连续四象限运转，过电流抑制能力大速度控制范围1：101：201：100以上响应/5-10r/s30-100r/s控制方式及其精度开环控制，控制精度较差闭环控制，控制精度较高具有开环和闭环控制，控制精度最高控制构成最简单较简单较复杂第3章 G120变频器研究3.1 G120变频器的组成SINAMICS G120变频器具有模块化设计，可灵活扩展.面向未来的驱动理念。用户可以在同一变频器系统中实现不断的创新。出众的维护和维修友好性。灵活驱动，适用于各种应用完全集成的安全保护功能，全球首款具有SS1和SLS功能的产品。由于集成了安全保护功能，使具有安全保护的自动化和驱动系统的购建费用大大降低。也有效的保证了人机安全。更是全球首次将PROFIBUS和PROFINET这两种总线通讯直接集成在同一个变频器中。SINAMICS G120是一个模块化的变频器，主要包括两个部分：控制单元（CU）和功率模块（PM）。功率模块支持的功率范围为0.37kW到250kW。G120变频器的操作面板有两种，基本操作面板 BOP-2和智能操作面板IOP。3.1.1 G120变频器的控制单元 G120变频器的控制单元如图3-1所示7。运行电压为直流24 V，通过功率模块供电，或连接至外部电源（直流18 - 30 V）。损耗功率5.5 W。具有6路电位隔离输入光绝缘，2个继电器转换触点，1个继电器常开触点，2路差分输入，1路非电位隔离输入和2路非电位隔离输出。总线接口包括RS485，PROFIBUS DP 和CANopen，支持的通信协议为USS,PROFIdrive Profile V4.1和CANopen。 图3-1 G120变频器的控制单元图3.1.2 G120变频器的功率模块G120变频器的功率模块如图3-2所示。西门子变频器SINAMICS G120系列的功率模块，例如：PM240功率模块，它是为了有安全保护要求的应用场合而设计的，如果与带有安全保护功能的控制单元联合使用，这是变频器将带有安全保护功能，即集成有安全保护功能的变频器。PM240功率模块的许多系统组件都实际为底座式安装组件，即这些组件可以和PM240功率模块放在一起安装，这样就节省了安装的空间，最多可以有两个底座式安装组件相互叠放在一起。适用于控制单元和PM240功率模块通过PM-IF接口连接，PM240功率模块通过一个集成的电源插接口为控制电源提供电源。PM240功率模块具有多种保护功能，例如：欠电压保护，过电压保护，接地故障保护，短路保护，电机过温保护，变频器过温保护等。 图3-2 G120变频器的功率模块图3.2 G120变频器的主要功能参数及预置 西门子变频器SINAMICS G120具有强大的通讯功能，能和多个设备之间进行通讯，使用户可以方便的监控变频器的运行状态并修改参数。西门子变频器SINAMICS G120系列的核心是控制单元，用户通过设定控制单元上的参数来实现变频器的正常运行。本文下面对西门子变频器SINAMICS G120系列的参数做一个简单的分类介绍，供用户在调试时参考。西门子变频器SINAMICS G120在控制单元上面允许用户进行参数设定，主要为读写参数（P）和只读参数（R）。将其进行大致分类，见表格3-1。表3-1 G120变频器参数分类表序号 功能备注0000-0099显示与操作参数各种变量的显示0200-0299功率单元参数参数的设定保证功率单元模块的正常运行0100-0199调试参数合理设定这部分参数，用户可以在调试过程中提高效率。0700-0799控制单元端子和测量插口控制单元端子的控制类型和使用方式0300-0399电机参数负载电机进行的设定2100-2139故障和报警参数这部分参数的设定和显示，可以判断出变频器当前的运行状态，是否出现故障和报警信息，并通过这些信息来解决和处理故障西门子变频器SINAMICS G120系列功能强大，操作简单，扩展性强，具有多种参数可供用户进行设定。通过合理的设定相关参数，西门子G120变频器和它的负载可以在正常的工作状态下运行，用户也可以通过面板来监视它的工作过程。下面简单描述G120变频器的参数快速调试，见流程图3-3所示。图3-3 G120变频器快速调试流程图3.3 G120变频器的通讯G120变频器的通讯总线接口包括RS485，PROFIBUS DP 和CANopen，支持的通信协议为USS,PROFIdrive Profile V4.1和CANopen。主要的通讯形式为G120变频器与PC机的通讯连接调试（通过STARTER软件）和G120变频器与PLC之间的通讯连接。3.3.1 G120变频器与PC机通讯G120变频器与PC机的通讯调试通过USB接口实现通讯。通过STARTER软件进行调试，可以进行直观精确的调试。调试过程主要包括软件设计电机参数，功能参数设置，和软件控制变频器启动电机进行调试等步骤，见图3-4，图3-5，图3-6所示。图3-4 软件电机参数设置图图3-5 软件功能参数设置图图3-6 软件调试图G120变频器与PC机进行通讯主要目的就是通过STARTER软件对G120变频器进行参数设置，既方便又精确。3.3.2 G120变频器与PLC通讯G120变频器与PLC通信主要通过PROFIBUS DP进行连接通讯的。这里以G120变频器与S7-300通讯为例进行说明。主要是S7-300的功能块SFC58/SFC59通过PROFIBUS DP在SINAMICS G120驱动器和S7-300的CPU之间建立非周期性通讯。8通讯连接图如图3-7所示。图3-7 通讯连接图 G120变频器与S7-300进行通讯时的硬件组态如图3-8所示。 图3-8 硬件组态图G120变频器与S7-300进行通信主要是通过设置控制字（STW1）和读取状态字 （ZSW1)。控制字和状态字的详情定义见附录1。一些常用的控制字见表3-1。表3-1 常用控制字控制字含义047F正向旋转0C7F反向旋转047E停止第4章 经典控制电路参数设置4.1 正反转控制电路变频器在实际使用中经常被用作控制各类机械的正、反转。控制要求：一台三相异步电动机的功率为1.0kW，额定电流为2A，额定电压为380V。现需要用基本控制面板和外部端子进行正反转连续控制，输出频率要求为50Hz，加速时间为5S，减速时间为7S。输入端子L,N接单相电源，输出端子U,V,W接三相电动机控制电路的连接见图4-1所示。图4-1 G120正反转控制电路的连接参数的设定按照表4-1设定相关参数。表4-1 正、反转控制参数的设定参数代码功能设定数据P0010工厂设置30 续上表P0970参数复位1P0010快速调试1P0100功率的单位为kW0P0304电动机的额定电压380VP0305电动机的额定电流1APO307电动机的额定电流1kWP0310电动机的额定频率50HzP0311电动机的额定转速1500r/minP3900结束快速调试1P0003用户参数访问级2P1000选择频率固定值1P1080下限频率5HzP1082上限频率50HzP1120加速时间5sP1121减速时间7sP0700参数命令源2P0701正转命令1P0702反转命令12P1300控制方式04.2 点动控制电路变频器在实际应用中经常用到各类机械设备的定位点动控制。变频器的定位点动控制室变频器基本应用之一。控制要求：一台三相异步电动机的功率为1.0kW，额定电流为2A，额定电压为380V。现需要用基本控制面板和外部端子进行点动正反转控制，正向点动输出频率要求为50Hz，反向点动输出频率为30Hz，点动上升下降时间为5S。输入端子L,N接单相电源，输出端子U,V,W接三相电动机控制电路的连接见图4-2所示。图4-2 G120点动控制电路的连接参数的设定按照表4-2设定相关参数。表4-2 点动控制参数的设定参数代码功能设定数据P0010工厂设置30P0970参数复位1P0010快速调试1P0100功率的单位为kW0P0304电动机的额定电压380VP0305电动机的额定电流1APO307电动机的额定电流1kWP0310电动机的额定频率50HzP0311电动机的额定转速1500r/minP3900结束快速调试1 续上表参数代码功能设定数据P0003用户参数访问级2P1000选择频率固定值1P1058正向点动频率50HzP1059反向点动频率30HzP1060点动加速时间5sP1061点动减速时间5sP0700参数命令源2P0701正向点动命令10P0702反向点动命令11P1300控制方式04.3 多段速控制电路西门子G120变频器的多段运行共有8种运行速度通过外部接线端子的控制，可以使其运行在不同的速度上，特别是与可编程控制器联合起来控制更加方便，在需要经常改变速度的生产工艺和机械设备中得到广泛的应用。控制要求：一台三相异步电动机的功率为1.0kW，额定电流为2A，额定电压为380V。现需要用基本控制面板和外部端子进行8段速度控制，在运行过程中按表4-3所示的频率进行动作。表4-3 8段速频率给定频率给定（Hz）1015305020-25-1025输入端子L,N接单相电源，输出端子U,V,W接三相电动机控制电路的连接见图4-3所示。图4-3 G120八段速控制电路的连接参数的设定按照表4-4设定相关参数。表4-4 8段速运行参数的设定参数代码功能设定数据P0010工厂设置30P0970参数复位1P0010快速调试1P0100功率的单位为kW0P0304电动机的额定电压380VP0305电动机的额定电流1APO307电动机的额定电流1kWP0310电动机的额定频率50HzP0311电动机的额定转速1500r/minP3900结束快速调试1P0003用户参数访问级2P1000选择频率固定值1 续上表参数代码功能设定数据P1080下限频率5HzP1082上限频率50HzP1120加速时间5sP1121减速时间5sP0700参数命令源2P0701设定数字输入端1的功能17P0702设定数字输入端2的功能17P0703设定数字输入端3的功能17P1001设定固定频率110HzP1002设定固定频率215HzP1003设定固定频率330HzP1004设定固定频率450HzP1005设定固定频率520HzP1006设定固定频率6-25HzP1007设定固定频率7-10HzP1008设定固定频率825HzP1300控制方式04.4 PID控制电路PID控制就是比例、积分、微分控制，是一种闭环控制。PID控制特别适用于过程动态性能良好而且对控制性能要求中等的情况。G120变频器的PID控制可以最多选择7个目标值的PID控制，由数字输入端子DIN1-DIN3通过P0701-P0703设置实现多个目标值的选择控制。每个目标值的PID参数分别由P2201-P2207进行设定。控制要求：一台三相异步电动机的功率为1.0kW，额定电流为2A，额定电压为380V。现需要用基本控制面板和外部端子实现7个目标值的PID控制，七个PID目标值分别为1、10、20、30、40、50、60、70。输入端子L,N接单相电源，输出端子U,V,W接三相电动机控制电路的连接见图4-4所示。图4-4 G120 PID控制电路的连接参数的设定按照表4-4设定相关参数。表4-4 7段PID目标值控制参数的设定参数代码功能设定数据P0010工厂设置30P0970参数复位1P0010快速调试1P0100功率的单位为kW0P0304电动机的额定电压380VP0305电动机的额定电流1APO307电动机的额定电流1kWP0310电动机的额定频率50HzP0311电动机的额定转速1500r/minP3900结束快速调试1P0003用户参数访问级2 续上表参数代码功能设定数据P1000频率设定固定值3P1080下限频率5HzP1082上限频率50HzP1120加速时间5sP1121减速时间5sP0700参数命令源2P0701设定数字输入端1的功能17P0702设定数字输入端2的功能17P0703设定数字输入端3的功能17P0725端子输入高电平有效1P2200PID控制功能有效1P2201PID设定固定目标值110P2202PID设定固定目标值220P2203PID设定固定目标值330P2204PID设定固定目标值440P2205PID设定固定目标值550P2206PID设定固定目标值660P2207PID设定固定目标值770P2216PID固定目标值方式3P2217PID固定目标值方式3P2218PID固定目标值方式3P2253已激活的PID设定值2250P2254PID微调信号70P2255PID的增益系数100P2256PID微调增益系数0P2257PID设定值加速时间1sP2258PID设定值减速时间1sP2261PID有无滤波0P2264PID反馈信号由AIN+设定755.0 续上表参数代码功能设定数据P2265PID反馈信号无滤波0P2267PID反馈信号的上限值100%P2268PID反馈信号的下限值0P2269PID反馈信号的增益100%P2270不用PID反馈器的数学模型0P2271PID传感器的反馈形似为正常0P2280PID比例增益系数15P2285PID积分使时间10sP2291PID输出上限100%P2292PID输出下限0P2293PID限幅的斜坡上升/下降时间1s第5章 G120变频器通讯技术应用控制系统设计5.1 G120通讯技术应用由于在现场工地上，变频器和PLC控制器通常离得很远，通过PLC输出端子控制变频器显得很不合实际。这时变频器的通讯技术就显得尤为重要。通过PROFIBUS在变频器和PLC之间建立通讯，即方便又可大量减少外界干因素。因此，变频器的通讯技术在工业生产中得到广泛应用。以下通过一个小的控制系统来说明G120变频器的通讯技术应用。5.2被控对象分析与描述有一台小车，由G120变频器拖动，原始位置开关SQ1。已知小车上的电动机技术参数为，功率为0.8kW，额定转速为1500r/min，额定电压为380V，额定电流为2A，额定功率为50Hz。系统一共有两种工作模式，控制要求如下：自动模式下，当在原始位置，按下启动按钮SB1时，三相异步电动机以30Hz正转，驱动小车前进，碰到限位开关SQ2后，三相异步电动机以40Hz反转，驱动小车后退，当碰到减速限位开关SQ3后，三相异步电动机以10Hz反转，小车减速后退，碰到原始有限位开关SQ1，小车继续循环运动。手动模式时，有前进和后退点动按钮，点动的频率为20Hz。当整个控制系统处于运行状态时，运行指示灯会亮。控制台离小车比较远，G120变频器和小车靠在一边。任何时候，按下紧急按钮SB3，系统立即停电。整个系统由S7-300 PLC配合G120变频器联合控制，由于控制台离小车比较远，所以控制系统设置主站控制和从站控制，采用现场总线通信，PLC和G120变频器通过PROFIBUS DP进行通信，输入输出模块也和PLC通过PROFIBUS DP进行连接。系统的总体结构示意图如图5-1所示。图中，主要由控制单元和现场设备两部分部分组成。其中，控制单元使用S7-300和G120实现对电机的控制。现场设备主要是三相异步交流电动机，小车等设备。图5-1系统总体结构示意图5.3系统硬件设计5.3.1系统硬件和网络组态控制系统的硬件组态如图5-2、图5-3，所示S7-300采用的CPU为CPU313C-2DP。 图5-2系统硬件组态 图5-3系统硬件组态系统的网络组态图如图5-4所示。图5-4系统网络组态图5.3.2 系统资源分配经过上述计算，I/O用到点数为25点，其中数字量输入14点，数字量输出1点。具体I/O分配，如表5-1所示。表5-1 PLC的I/O分配表序号内容地址类型备注1启动按钮（主站）I0.0DISB12停止按钮（主站）I0.1DISB23急停按钮（主站）I0.2DISB34启动按钮（从站）I3.0DISB45停止按钮（从站）I3.1DISB56急停按钮（从站）I3.2DISB6 续上表序号内容地址类型备注7初始位置（从站）I3.3DISQ18前极限位置（从站）I3.4DISQ29减速位置（从站）I3.5DISQ310前前极限位置（从站）I3.6DISQ411后后极限位置（从站）I3.7DISQ512向前点动按钮（从站）I4.0DISB713向后点动按钮（从站）I4.1DISB814手/自转换按钮（从站）I4.2DISA115运行指示灯Q0.0DOHL15.4变频器参数设计参数的设定按照表5-2设定相关参数。表5-2 控制系统参数的设定参数代码功能设定数据P0010工厂设置30P0970参数复位1P0010快速调试1P0100功率的单位为kW0P0304电动机的额定电压380VP0305电动机的额定电流2APO307电动机的额定电流0.8kWP0310电动机的额定频率50HzP0311电动机的额定转速1500r/minP3900结束快速调试1P0003用户参数访问级2P1000选择频率固定值1P1080下限频率5HzP1082上限频率50Hz 续上表参数代码功能设定数据P1120加速时间5sP1121减速时间7sP0700启停命令源于DP 6P1300控制方式05.5 控制软件设计 S7-300的程序程序具有模块化，本例控制系统的软件设计主要由主控制块OB1，频率转换功能块FC1，手动控制功能块FC2，自动控制功能块FC3，指示灯显示功能块FC4，模块如图5-5所示。图5-5系统软件设计模块软件资源分配见表5-2。表6-3 软件资源分配表序号地址数据类型1MD10给定频率数据块2MD18给定频率数据块3MD22给定频率数据块4MD26给定频率数据块5MW28给定频率数据块 续上表序号地址数据类