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基于PLC的变频调速系统设计【摘要】 本文主要介绍了本人与本组同学研究和设计基于可编程控制器的变频调速系统的若干成果，在本次的设计中，我们的设计系统主要由PLC、变频器、电动机等几部分组成。经过本次设计和研究，使我对所有器件有了新的认识，尤其对PLC有了更多的了解：PLC是能进行行逻辑运算，顺序运算，计时，计数，和算术运算等操作指令，并能通过数字式或模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程的工业计算机。首先我们查阅各个器件的资料，先对其有个明确的认识，然后通过老师的指点明白了整个系统的大概工作原理框图后，通过学习资料与老师指点将硬件设备连接成功。本文综合应用电子学与机械学知识去解决基于可编程控制器的变频调速系统，本次设计选用三相异步交流电机，而 PLC和 交流电机无论在工业还是生活中都是应用最广，因此本次设计具有相当的实用价值。关键词：PLC、变频器、三相异步电动机前言本次设计主要以PLC和变频器为主，PLC是能进行行逻辑运算，顺序运算，计时，计数，和算术运算等操作指令，并能通过数字式或模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程的工业计算机。它灵活、通用、I/O接口丰富，可靠性高、抗干扰能力强，编程简单、使用方便，设计施工周期短、接线简单、维护工作量小，体积小，重量轻、能耗低、易于实现机电一体化，联网方便，便于系统集成。变频器操作方便、体积小、控制性能高而成为目前世界上最受欢迎的调速方式，在工业工厂中应用十分广泛，所以本次设计课题为我们今后到工厂发展打下很好的铺垫，很有实用价值。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。第一章 PLC简介1.4.1PLC的基本概念 国际电工委员会对PLC做了定义为“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。可编程序控制器机器有关设备，都应该按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其能力的原则设计”。从上述定义可以看出，PLC是一种用于程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能完成各种各样的控制能力外，还有与其他计算机通行联网的功能。 1.4.2 PLC的基本结构如图3.1.1所示，PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。PLC主要由CPU模块、I/O模块、变成装置和电源组成。根据硬件结构的不同，可以将PLC分为整体式、模块式和混合式。整体式PLC又叫做单元式或箱体式，他的体积小、价格低、小型PLC一般采用整体结构。模块式PLC一般用于大、中型PLC，它由机架和模块组成。 图1.4.1 PLC基本组成 （1）输入部件 输入部件是PLC与工业生产现场被控对象之间的连接部件，是现场信号进入PLC的桥梁。该部件接收由主令元件、检测元件来的信号。 （2）输出部件 输出部件也是PLC与现场设备之间的连接部件，其功能是控制现场设备进行工作(如电机的启、停、正/反转，阀门的开、关，设备的转动、移动、升降等)。对于PLC，希望它能直接驱动执行元件，如电磁阀、微电机、接触器、灯和音响等，因此，输出部件中的输出级常是一些大功率器件，如机械触点式继电器、无触点交流开关(如双向可控硅)及直流开关(如晶体三极管)等。 （3）CPU模块 CPU模块主要有微处理器和存储器组成。在PLC控制系统中CPU模块相当于人的大脑和心脏，他不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来存储程序和数据。 （4）I/O模块 输入模块和输出模块简称I/O模块，他们相当于人的眼、耳、手、脚，是联系外部设备和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接受从按钮、选择开关、数字拨号开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。 （5）编程器 编程器用来生成用户程序，并用它来编辑、检查、修改用户程序，监视用户程序的执行情况。手持式编程器不能直接接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器，它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用于现场调试和维护。 （6）电源PLC使用AC 220V电源或DC 24V电源。内部开关电源为各模块提供不同电压等级的直流电源。小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器提供DC 24V电源，驱动PLC负载的直流电源一般有用户提供。3.3 PLC的外围接线以及各部分细节3.3.1 PLC的外围接线24V图3.3.2 PLC的外围接线原理图这样将开关和状态灯接入电路中，上图的24V电源是有变压器输出的。L和M是PLC本身的24V输出。 1.4.3 PLC的工作原理 PLC通电后，需要对硬件和软件做一些初始化工作。为了使PLC的输出及时地响应各种输入信号，初始化后PLC要反复不停地分段处理各种不同的任务，这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。 1、初始化过程：与其它单片机运行一样，上电运行或复位时进行处理 （1）硬件初始化，复位输出输入模块，清零 （2）清除数据区 （3）输出输入地址分配 2、扫描过程 （1）扫描输入，将输入口状态读入至输入口映像区 （2）时钟处理，特殊寄存器更新 （3）执行用户程序 （4）输出，将输出口映像区输出至输出端口刷新 （5）自诊断检查 3、出错处理 检查PLC内部电路 CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通讯异常致命错误，CPU强制STOP方式，所有扫描停止。图3.1.2所示为一小型PLC的典型工作过程图1.4.2 小型PLC的典型工作过程第二章 变频器简介2.1 变频器的选择和参数设置2.2.1 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：2.2.2 变频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。 n=60f(1-s)/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。2.2.3 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。2.2.4 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。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( 380V )2P03053.250.35电动机的额定电流( 0.35A )3P03070.750.06电动机的额定功率( 60W )4P031050.0050.00电动机的额定频率( 50Hz )5P031101430电动机的额定转速( 1430 r/min )6P100021用操作面板（BOP）控制频率的升降7P108000电动机的最小频率( 0Hz )8P10825050.00电动机的最大频率( 50Hz )9P11201010斜坡上升时间( 10S )10P11211010斜坡下降时间( 10S )11P070022选择命令源（ 由端子排输入 ）12P0701110正向点动13P07021211反向点动14P10585.0030正向点动频率（30Hz）15P10595.0020反向点动频率（20Hz）16P106010.0010点动斜坡上升时间（10S）17P106110.005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P0003=2 允许访问扩展参数 （3）设定电机参数时先设定P0010=1(快速调试),电机参数设置完成设定P0010=0(准备)例如：修改下表参数P0719选择命令/设定这源改变参数数值的一个数字为了快速修改参数的数值，可以单独修改显示出的每个数字，操作步骤如下：1.按 （功能键），最右边的一个数字闪烁。2.按 / ，修改这位数字的数值。3.再按 （功能键），相邻的下一位数字闪烁。4.执行2至4步，直到显示出所要求的数值。5.按 ，退出参数数值的访问级。第三章 三相异步电动机三相异步电动机的基本构造图三相异步电动机的几种调速方式 三相异步电动机转速公式为：n=60f/p（1-s）从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可太到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。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红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：具有较硬的机械特性，稳定性良好；无转差损耗，效率高；接线简单、控制方便、价格低；有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；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：效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高；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：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；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；调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；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。第四章 PLC 硬件连接及软件编程3.1 系统主电路图图3.1.1系统主电路图PLC控制Q0.6和Q0.7来接入和切除电机的接入变频器的状态（电气连接图右）a) 开环控制设计及PLC编程3.1.1 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：速度给定速度开环控制的结构控制图PLC变频调速系统 开环控制的外部硬件连接图：3.1.2 PLC软件编程 4.1 设计步骤(1) 使用PLC的各个输入点作为系统的各个控制信号；(2) 使用PLC的一个模拟量输出点AQWO作为使电机转动的频率给定信号，接到MM440变频器的AIN1+，AIN1-端子上；(3) 调节变频器使其输出频率受模拟量输入电压控制；(4) 然后编制输出按时间函数循环的梯形图程序；(5) 最后调试并运行。4.2系统流程框图图12 系统流程框图有循环状态锁定位YYYYYYYYYYY结束并等待并判断是否与其他按键电压下降环，点亮Q0.5熄灭Q0.4表状态，用定时器设定下降速度，用减法器设定下降幅度并判断电压值是否到达设定值，并置第二次电压平衡副状态位锁定解除第一次电压下降副状态锁定位并判断是否与其他按键电压保持环节。点亮Q0.4熄灭Q0.3表状态，用定时器计算平衡时间，等待定时器动作，并置第一次电压下降副状态位锁定。并判断是否与其他按键电压上升环，点亮Q0.3表状态，用定时器设定上升速度，用加法器设定上升幅度并判断电压值是否到达设定值，并置第一次电压平衡副状态位锁定并判断是否与其他按键I0.0按下。点亮Q0.0并把单环运行状态通行位标记并判断是否与其他按键有I0.3按下。读AIW0并将数据送给AQW0根据不同的按键显示不同的状态并且锁定相应的程序通行位，并进行互锁状态和通行位启动和中间切换状态数据清除和初始化电压保持环节。点亮Q0.4熄灭Q0.3表状态，用定时器计算平衡时间，等待定时器动作，并置第二次电压下降副状态位锁定，解除第二次电压平衡副状态锁定位并判断是否与其他按键电压下降环，点亮Q0.5熄灭Q0.4表状态，用定时器设定下降速度，用减法器设定下降幅度并判断电压值是否到达设定值，解除第二次电压下降副状态锁定位并判断是否与其他按键I0.1按下。点亮Q0.1并把循环运行状态通行位标记并判断是否与其他按键有I0.2按下。停止运行3.1 电压输出规格系统的软件设计是根据系统给定的时间函数运行的，所以软件的设计主要是以时间原则来设计。4.3 程序的主体（1） 初始化变量及判断按键和锁定相应的状态位（2） 0-25秒上升子程序（3） 25-35秒平衡子程序（4） 35-40秒下降子程序（5） 40-60秒平衡子程序（6） 60-65秒下降子程序（7） 有循环位时启动下一次循环子程序（8） 外部电压给定子程序4.4 控制程序4.4.1初始化变量及判断按键和锁定相应的状态位网络1每次按键都复位LD I0.0O I0.1O I0.2O I0.3MOVW 0, VW0AENOMOVW VW0, AQW0网络2 每次按键都清除中间状态LD I0.0O I0.1O I0.2O I0.3R M0.0, 8R Q0.0, 6R M1.0, 8R M2.0, 8网络3单环电压输出状态锁定LD I0.0O M0.0AN I0.1AN I0.2AN I0.3= M0.0= Q0.0网络4循环电压输出状态锁定LD I0.1O M0.1AN I0.0AN I0.2AN I0.3= M0.1= Q0.1网络5切断所有状态LD I0.2O M0.2O M1.6AN I0.1AN I0.0AN I0.3= M0.2网络6外部电压输出状态锁定LD I0.3O M0.3AN I0.1AN I0.2AN I0.0= M0.3= Q0.2网络7 单环或循环电压上升锁定LD I0.0O I0.1O M1.6AN M2.0AN M2.1AN M2.2= M0.5网络8单环或循环电压平衡锁定LD M0.5O M2.0LD M0.0O M0.1ALDAN M1.7AN M0.6AN M0.7= M2.0= Q0.3网络9单环或循环电压下降锁定LD M0.6O M2.1 /M0.6和M2.1同时触发电路LDN M2.6 /M2.6用于空闲保持电路A M2.7OLDLD M0.0O M0.1 /程序工作条件ALDAN M2.6AN M1.7AN M0.5AN M0.7 /程序动作的互锁以及用于切除程序工作= M2.1= Q0.4 / 驱动状态显示网络10LD M0.7O M2.2O M2.6 /M0.7，M02.2 M2.6用于触发和锁定程序工作。LD M0.0O M0.1 /程序工作的条件（在M0.0或M0.1有效的情况下工作）ALDAN M0.6AN M1.7AN M2.7AN M0.5 /程序动作的互锁以及用于切除程序工作= M2.2= Q0.5 / 驱动状态显示4.4.2 0-25秒上升子程序网络11LD M0.0O M0.1AN M1.0TON T32, 1网络12LD M0.0O M0.1A T32= M1.0 /网络11和网络12程序内部的电压上升频率的设定网络13LD M0.0O M0.1 /程序工作条件（电压单环或电压循环输出）A M2.0 /程序工作条件（在电压上升时刻）A M1.0 / 引入电压动作频率+I 20, VW0 /电压上升每次改变20数字量AENO /上一步执行正确做下一步MOVW VW0, AQW0 /将电压送给模拟输出口网络14LD M0.0O M0.1 /程序工作条件（电压单环或电压循环输出）A M2.0 /程序工作条件（在电压上升时刻）AW= VW0, 23000 / 将现在的电压值和设定值比较当电压值大于设定是动作= M0.6= M3.7= M2.4 /输出各个控制量4.4.3 25-35秒平衡子程序网络15/第一次电压平衡工作副状态锁定LD M2.4O M3.1AN M3.4= M3.1 /第一次电压平衡工作副状态锁定网络16/电压平衡时间定时LD M0.0O M0.1A M2.1A M3.1TON T38, 70网络17定时时间到后输出各个控制状态LD M0.0O M0.1A T38= M0.7= M3.4网络18 切除电压平衡副状态锁定第一次电压下降副装态LD M3.4O M3.2AN M3.6= M3.24.4.4 35-40秒下降子程序网络19 第一次电压下降LD M0.0O M0.1A M2.2A M1.0A M3.2 /程序工作条件-I 20, VW0AENO /电压下降幅度MOVW VW0, AQW0 /电压及时的送给模拟输出端口网络20 电压比较LD M0.0O M0.1AN M2.6A M2.2A M3.2 程序工作条件AW VW0, 7750 /电压最低值比较= M2.7= M3.6= M2.5 /状态输出4.4.5 40-60 秒平衡子程序网络21 切除电压下降副状态锁定第二次电压平衡副装态LD M2.5O M3.0AN M3.5= M3.0网络22 电压平衡定时LD M0.0O M0.1A M2.1A M3.0TON T39, 70网络23 定时时间到后输出各个控制状态LD M0.0O M0.1A M2.1A T39= M2.6= M3.5./用于启动负状态锁定4.4.6 60-65秒下降子程序网络24 切除电压平衡副状态锁定第二次电压下降副装态LD M3.5O M3.3AN M2.4= M3.3网络25 ，电压下降幅度控制LD M0.0O M0.1A M2.2A M3.3A M1.0 /程序工作条件-I 10, VW0AENO /电压下降幅度MOVW VW0, AQW0 /电压及时送给模拟输出端口网络26 /电压比较LD M0.0O M0.1A M2.2A M3.3AW VW0, 0 /电压与0比较输出状态= M1.7 /用于切断电压单环工作的各个状态，用于启动电压循环工作的下一次循环4.4.7 有循环位时启动下一次循环子程序网络27