毕业设计（论文）-基于PLC控制的变频高速连拔系统.doc

专科毕业设计（论文）设计题目： 基于PLC控制的变频高速连拔系统 系 部： 电气工程系 专 业： 电气自动化 班 级： 工企091301 姓 名： 学 号： 093905130134 指导教师： 职 称 讲师 2012年6月 南京摘 要 随着科学技术的发展，PLC（可编程序控制器）和变频器在工业控制中的应用越来越广泛。因为PLC和变频器是通用、廉价和性能可靠的控制和驱动设备，所以PLC和变频器在工业控制中尤为重要。由于变频器直接控制的高速连拔系统，存在诸多问题。而采用PLC控制变频器，不仅可避免变频器单独控制带来的问题，还易于组建成整体的自控系统。近年来，PLC控制变频器的技术正在不断的完善。在工业自动化控制系统中，最为常见的是PLC和变频器的组合应用。通过对国内现有钢帘线生产企业的研究、观察和分析，其中PLC控制变频器的控制占有很大一部分比例。本系统最终设计为PLC控制变频器进而控制高速连拔系统。关键字 高速连拔 变频器 可编程序控制器 Abstract With the development of science and technology, PLC (programmable controller) and the application of inverter in industrial control more and more widely. Because PLC and inverter is general, cheap and reliable control and drive equipment, so PLC and inverter in industrial control of a particularly important. Due to the direct control of frequency converter high-speed even pull system, has many problems. And the PLC control frequency converter, not only can avoid the inverter control alone of the problems, but also easy to form into the whole control system. In recent years, PLC control of the frequency converter technology is going to perfect. In industrial automation control systems, the most common is the combination of PLC and inverter. Through to the domestic existing production enterprise of research, cord observation and analysis, including PLC control the size of the inverter control holds a large proportion. This system the final design for PLC control frequency converter and then control high-speed even pull system.Keywords ：High speed even pull system ； Inverter ； Programmable Controller目 录 1 引言11.1 单独变频器控制系统的缺点11.2 采用PLC和变频器组合控制的优点12 系统设计要求12.1 系统结构12.2 设计要求23 系统硬件及选型23.1 高速连拔电机选型及实物图23.2 变频器应用及选型33.3 PLC的结构及选型34 变频调速系统54.1 变频调速原理54.2 变频器控制系统的功能64.3 变频调速电路与分析75 PLC控制整体系统135.1 变频器与PLC接线135.2 PLC输入输出端口分布表145.3 PLC程序梯形图146 系统调试及实现18结 论20致 谢21参 考 文 献22第22页江苏海事职业技术学院2012届专科生毕业设计1 引言 介于日益激烈的市场竞争，小型钢丝生产企业无法配备国外高自动化、高集成系统，转而寻求可以代替外国进口设备的廉价的控制系统。随着三相异步电动机的交流变频控制技术日益成熟，对三相交流异步电动机的控制越来越稳定，而且避免了继电器接触器控制电路的复杂接线，降低了对运行人员的技术要求。但单纯采用变频器控制电动机也存在者诸多问题，而采用PLC与变频器组合控制会解决单一变频器控制带来的问题，提高系统的稳定性。1.1 单独变频器控制系统的缺点随着电力电子技术的发展，变频器在电力电子系统、工业等诸多领域中的应用日益广泛。任何产品都存在一些难以克服的缺陷，变频器也一样，变频器驱动能力低，一台变频器只能驱动一台电机，而本系统需要同时驱动4台电机。单独的变频器带动负载的能力有限，不符合本系统的设计要求。1.2 采用PLC和变频器组合控制的优点在工业自动化控制系统中，最为常见的是PLC和变频器的组合应用。PLC和变频器组合应用可以很好的解决单独采用变频器的驱动能力低的问题，而且由此产生了多种多样的PLC控制变频器的方法，其中采用RS-485通讯方式实施控制的方案得到广泛的应用：因为它抗干扰能力强、传输速率高、传输距离远且造价低。而等企业发展之后，变频器控制的高速连拔系统因为提供标准的RS485通信接口，用户可以通过PC/PLC实现集中监控，为小型企业发展转变升级为大型钢帘线企业做了技术预留。 本文介绍一种非常简便的三菱FX系列PLC通讯方式控制变频器的方法：它只需在PLC主机上安装一块RS-485通讯板或挂接一块RS-485通讯模块； 在PLC的面板下嵌入一块造价仅仅数百元的“功能扩展存储盒”，编写几条极其简单的PLC梯形图指令，即可实现4台变频器参数的读取、写入、各种运行的监视和控制，通讯距离可达500m。这种方法非常简捷便利，极易掌握。2 系统设计要求2.1 系统结构本系统由一台智能型电柜、四台风机和四台高速电机构成。其中智能电柜中包涵控制设备PLC和驱动设备变频器。系统采用PLC控制变频器，再由变频器控制高速电机和风机，并由变频器进行变频调速，以达到系统的控制要求。 图1 系统设计结构2.2 设计要求本系统设计为自动控制系统。其自动控制变频调速的依据，是根据要求转速和供给电机的转速比较，进而进行变频调速的。具体控制要求如下表1所示：表1 控制要求 要求的供给电机转速与系统转速差系统运行频率129时20HZ3059时25HZ6089时35HZ90119时40HZ120时50HZ环境温度40时风扇电机以50HZ运行3 系统硬件及选型3.1 高速连拔电机选型及实物图 高速连拔拉丝电机分为拉丝部和卷取部构成，拉丝部由拉丝轮和模具固定架、模具组成，线材穿过模具后，在拉丝轮上绕卷，当拉丝轮和卷取轮运转时，卷取轮运转提供线材的牵引张力，在牵引张力作用下，线材通过拉丝轮卷绕使线材通过拉丝模具，使线材不断从粗到细，从而得到不同线规的线材。本系统采用三相交流电将钢丝从8mm拉细成2.6mm3.4mm，收线容量为1500，并且考虑到控制方式为PLC+变频器，最终选择：中杰金属电力物资公司生产的十模高速连拔机如图2所示。图2 高速连拔电机实物图3.2 变频器应用及选型 异步电动机是电力、重工、化工等生产企业最主要的动力设备。作为高能耗设备，其输出功率不能随着负荷按比例变化，大部分只能通过挡板或阀门的开度来调节，而电动机消耗变化不大，从而造成很大的能量损耗，近年来，随着变频器生产技术的成熟以及变频器应用范围的日益广泛，使用变频器对电动机电源进行技术改造成为各企业的首选。 确定变频器容量的主要依据是输出电流，其原则为：变频器的输出额定电流应大于或等于电机的额定电流。但在连续的变动负载或断续负载中，因电动机允许有短时的过载，而且这种过载的时间经常超过变频器一般允许的一分钟。故应考虑选择变频器的额定电流大于或等于电动机运行过程中的最大电流。电动机的型号确定后，其额定电流可以从制造商提供的样本查到，或者也可以从电机的输出功率由下式计算： （1）（1）式中：U为额定电压（KV）； I为额定电流（A）； 为电机效率； 为功率因数。； P为额定输出功率（KW）；经计算所得，本系统所用电机为15KW；考虑设计成本及控制要求，本系统所选变频器的型号为：国产上海群倍电子的QLP3G-A/15KW-A3型变频器。3.3 PLC的结构及选型3.3.1 PLC的结构 PLC即可编程序控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。它主要由CPU、I/O模块、电源模块构成。 （1）CPU的构成 CPU是PLC的核心，其神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接受并存储用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程。 CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储 程序及数据，是PLC不可缺少的组成部分单元。 CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 （2）I/O模块 PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O)完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI)，开关量输出(DO)，模拟量输入(AI)，模拟量输出（AO)等模块。 常用的I/O分类如下： 开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA，1-20mA）、电压型（0-10V，0-50V,-10-10V)等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。 除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少。但其最大数受CPU所管理的基本配置能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 （3）电源模块：PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。3.3.2 PLC的选型根据设计要求得出：系统PLC需要一个启动按钮X004、和一个急停按钮X003、要求电机转速X000、供给电机转速X001、温度报警X002、变频器故障输入X006等六个输入信号，而输出共需要六个输出信号。则选用三菱型号为FX2NMR机型。 由于FX2N系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊更能模块，他可以为系统自动化应用提供最大的灵活和控制能力。为大量实际应用而开发的特殊功能开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要，模拟I/O，高速计数器。内置24V直流电源，24V、400mA直流电源可用于外围设备，如传感器或其他元件。快速断开端子块因为采用了优良的可维护性快速断开端子，即使接着电缆也可以更换单元。时钟功能和小时表功能在所有的FX2N的PLC中都有实时时钟标准。时间设置和比较指令易于操作。小时表功能对过程跟踪和机器维护提供了有价值的信息。持续扫描功能为应用所需要的持续扫描时间定义操作周期在线程序编辑在线改变程序不会损失工作时间或者停止生产运转。RUN/STOP开关面板上运行/停止开关易于操作。运程维护远处的编程软件可以通过调制调解器来检测、上载或是卸载程序和数据密码保护使用一个八位数字密码保护您的程序。 FX2N16MR的PLC机型；配合FX2N485BD内置扩展板，I/O总点数为：输入点数为24（X000X027）点，输出点数为24（Y000Y027），为继电器输出，交流电源、24V直流输入类型，来满足本系统的设计要求。有高速运算，基本指令：0.08us/指令，应用指令：1.52至几百us/指令。有突出的寄存器容量，FX2N系列包括8K步内置RAM寄存器，用一个寄存器盒可扩展到16RAM或EEPROM。有丰富的元件资源，3072点辅助继电器，256点计时器，235点计数器，8000点数据存储器满足我的设计需要。4 变频调速系统4.1 变频调速原理 异步电动机是电力、机械等重工生产企业主要的动力工作设备。作为现代化、高能耗设备，其输出功率不能随负荷变化按比例变化，大部分只能通过挡板或者阀门的开度来调节，而电动机耗能的能量变化不大，从而造成很大的能量损耗。近年来，随着变频器生产技术的逐步成熟和变频器应用范围的日益广泛，使用变频器对电动机电源进行技术改造成为各企业节能降耗、提高效率的最重要的手段。 n=60f(1-s)/p （2）（2）式中：n异步电动机转速； s电动机转差率； p电动机极对数； 由上式（2）可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。变频器主要采用直交直方式，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。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。4.2 变频器控制系统的功能根据系统设计要求，变频器需要具备一下功能：多段速与摆频运行,PID和RS485通信,输出切断自停,自动节能运行,自动稳压运行,制动方式,低噪音设定，面板操作显示，报警/保护功能。 （1）多段速与摆频运行 8段可编程多段速控制；预置频率、中心频率可调，停机、断电后的状态记忆和恢复； （2）PID和RS485通信 内置PID控制器（可预置频率）。标准配置RS485通信功能，多种通信协议可选择，具备联动同步控制功能。 （3）输出切断自停 自动侦测输出状态，当变频器与电机脱开后自动降频停止，电机投入后自动恢复运行，方便运程动力控制。 （4）自动节能运行 根据输出电流实时调整输出电压及转差补偿，使电机一直在最高效率下工作。（5）自动稳压运行根据需要可选择动态稳压、静态稳压、不稳压三种方式，以获得最稳定的运行效果。（6）制动方式直流制动，启动、停止时分别可选，动作频率050.0Hz，动作时间020.0S或持续动作；再生制动，75%以上。 （7）低噪音设定 载波频率1.5KHz12.0KHz连续可调，最大限度降低电机噪声。 （8）面板操作显示：运行状态，输出频率，输出电流，输出电压，电机转速，设定频率，模块温度，PID设定、反馈量，模拟输入输出等；报警内容，最近六次故障记录，最近一次故障跳闸时的输出频率、设定频率、输出频率、输出电压、直流电压、模块温度等6相运行参数记录。 （9）报警/保护功能 过电流，过电压，欠压，电子热继电器，过热，短路，输出缺。4.3 变频调速电路与分析4.3.1 变频调速的主电路本系统如图3采用380V三相交流电源提供动力。系统采用空气开关保护，其主要功能是：当变频器进行维修或长时间不用时，空气开关使变频器与电源隔离；当变频器输入侧有短路或电源电压过低等故障时，空气开关可进行保护。本系统所用接触器的作用是：方便地控制变频器的通电和断电，以及负载电机的通断。AC电抗器的作用：提高功率因数；降低变频器对电网的谐波注入；消弱三相电源电压不平衡的影响。制动电阻的作用：当电动机处于能耗制动状态时，避免在直流回路中产生过高的泵升电压。高速电机为本系统的动力设备。 图3 变频器的电路 4.3.2 主回路端子的电路 图4 主回路端子的电路R、S、T接的是电网三相交流电源，为本系统提供动力；P、P+之间接的直流电抗器；P、PB之间接的是直流制动电阻；U、V、W接三相交流电动机；E为接地端子；P接的是直流电压正端子；P-C-直流侧电压负段子4.3.3 变频器以矢量控制方式运行 初始设置： （1）控制方式选择矢量控制（F0.0=1）. （2）根据匹配电动机的额定铭牌资料，对参数F1.15F1.18进行设置。 （3）设定起停控制为面板控制（F0.4=00#0）. （4）使用参数自测定功能（F1.20=1）测定电机参数。 （5）设定相应UP/DW端子：选择X1、X2为UP/DW端子，相应的参数设置为： F3.0=13（X1作UP端子） F3.1=14（X2作DW端子） 矢量控制电路如图5所示： 图5 矢量控制基本电路4.3.4 多台变频器联动控制 主机设置： （1）频率输入通道：面板电位器（F0.1=3）。 （2）运行命令通道：面板控制（F0.4=00#0）。 （3）通信设置（F9.0）；默认值。 （4）通信辅助功能配置（F9.3=0001）；本机为主站 从机设置： （1）频率输入通道：通信接口（F0.1=2）。 （2）运行命令通道：通信接口（F0.4=00#2）。 （3）通信设置（F9.0）；默认值。 （4）通信辅助功能设置（F9.3=0000）；本机为从站 （5）联动设定比例（F9.5）；根据需要设定。 （6）联动比例矫正通道（F9.6=2）；外部通道VC2，可根据世纪需要设定。 多台变频器联动控制电路如图6所示：图6 多台变频器联动控制基本电路 状态参数查询如图7所示及监控状态参数如表5所示：图7 状态参数查询表5 状态监控参数监控代码内容单位备用地址吗d.0变频器当前的输出频率Hz0D0Hd.1变频器当前的输出电流（有效值）A0D1Hd.2变频器当前的输出电压（有效值）V0D2Hd.3电机转速rpm0D3Hd.4变频器内部的直流端电压V0D4Hd.5变频器的输入电压（有效值）V0D5Hd.6设定频率Hz0D6Hd.7内部计数器数值0D7Hd.8PID设定值0D8Hd.9PID反馈值0D9Hd.10运行线速度0DAHd.11设定线速度0DBHd.12模拟输入VC1V0DCHd.13模拟输入VC2V0DDHd.14模拟输入CCmA0DEHd.15外部脉冲输入PLSKHz0DFHd.16输入端子状态0E0Hd.17模块温度0E1Hd.18模拟输出AO10E2Hd.19模拟输出AO20E3Hd.20励磁电流A0E4Hd.21励磁电流设定A0E5Hd.22转矩电流A0E6Hd.23转矩电流设定A0E7Hd.24作用频率Hz0E8Hd.25保留0E9Hd.26最近1次故障记录0EAHd.27最近2次故障记录0EBHd.28最近3次故障记录0ECHd.29最近4次故障记录0EDHd.30最近5次故障记录0EEHd.31最近6次故障记录0EFHd.32最近一次故障时的输出频率Hz0F0Hd.33最近一次故障时的设定频率Hz0F1Hd.34最近一次故障时的输出电流A0F2Hd.35最近一次故障时的输出电压V0F3Hd.36最近一次故障时的直流电压V0F4Hd.37最近一次故障时的模块温度0F5H5 PLC控制整体系统5.1 变频器与PLC接线 本系统采用PLC控制变频器如图8所示，控制变频器的RH、RL、RM及SD口即可。并将变频器报警的A C端输入到PLC输入口。图8 PLC与变频器接线PLC控制系统运行如图9所示，首先PLC会完成系统的初始化等一系列操作，然后PLC会判断是否启动；当操作人员按下启动按钮后，PLC会对要求电机转速与供给电机转速进行差值计算，并将差值与设定值进行比较；当转速差值大于或等于30时，PLC会进行下一级判断，否则变频器控制的高速连拔电机将会以20HZ进行运行；当转速差值大于或等于60时，PLC会进行下一级判断，否则变频器控制的高速连拔电机将会以35HZ进行运行；当转速差值大于或等于90时，PLC会进行下一级判断，否则变频器控制的高速连拔电机将会以40HZ进行运行；当转速差值大于或等于120时，变频器控制的高速连拔电机和风扇电机将会以50HZ进行运行；当变频器温度超过设定温度时，变频器会有一个温度报警输出，PLC控制台会有温度报警显示，同时变频器控制的风扇电机会以50HZ运行；当操作人员按下停止按钮后，所有PLC所有操作均进行复位，并进入循环，重复上述操作。 图9 系统流程图5.2 PLC输入输出端口分布表表6 PLC端口分布输入端口输出端口要求转速X000温度报警Y000供给电机转速X001系统主电机Y001温度报警X002风扇电机Y002急停按钮X003变频器低速RHY003启动按钮X004变频器中速RMY004变频器报警X005变频器高速RLY0055.3 PLC程序梯形图表7 特殊寄存器说明元件号说明M8070M8070=ON时，表示该PLC为主站M8071M8071=ON时，表示该PLC为从站M8072M8072=ON时，表示PLC工作在并行通讯方式M8073M8073=ON时，表示PLC在标准并行通讯工作方式，发生M8070/M8071的设置错误M8162M8062=ON时，表示PLC工作在高速并行通讯方式，仅用于2个字的读/写操作D8070并行通讯的警戒时钟WDT（默认值为500ms）PLC梯形图：6 系统调试及实现 （1）要查接线、核对地址。 要对应I/O分配表逐点进行，要确保正确无误。不可带电核对，那就是查线路比较麻烦。也可带电查，加上信号后，看电控系统的动作情况是否符合设计的目的。由于此处涉及强电，操作时务必注意安全，按规范操作。 （2）检查模拟量输入/输出。 看输入/输出模块是否正确，指示是否正常，工作是否正常。设备检查。 （3）检查与测试通讯。 PLC控制面板上的指示灯，应先对应主从站的通讯显示进行检查，一方面，查看连接上有没有，另一方面查看逻辑关系是否正常。先调好它，将对进一步调试提供方便。 （4）检查手动动作及手动控制逻辑关系。 完成了以上调试，继而可进行手动动作及手动控制逻辑关系调试。要查看各个手动控制输出点，是否有相应的输出以及输出对应的动作，然后再看，各自手动控制能否实现。若有问题，必须解决。 （5）半自动工作，系统可自动工作，那先调试半自动工作能否实现。 调试事可一步步推进，直到完成整个控制周期，哪个步骤或者环节出现问题，必须究其问题所在，然后彻底解决。 （6）自动工作。 在完成半自动调试后，可进一步调试自动工作，要多观察几个工作周期，确保系统能正常无误的连续工作。 因为本系统参数比较多，调试比较枯燥，整个调试要有耐心，要细致的完成每一步的检查。完成上述调试后，可进行异常条件检查，看看出现异常情况或一些难以避免的非法操作，是否会停机保护或报警提示。若还没有问题，则可进行试运行。系统以上调试可以实现： 主变频器可以同时控制所有高速连拔系统的运行速度；