PLC与变频器控制电机.doc

论文 题目：变频器与PLC控制电 机运行论文完成时间：2016/ /摘要随着生活水平逐渐提高，节能环保的观念越来越深入人心。回望过去30年在变频器上的研发，总结我们投入变频器运用于各行业的实际运用中，随着高性能微解决器的运用以及河南变频器维修掌握技巧的开展，变频器的性能价钱比越来越高，体积越来越小，很多技术先进的公司一直以进步牢靠性为追求完成变频器，为使其更小型轻量化、高性能化和多功用化以及无公害化而做着新的挑战。变频器性能的优劣，一要看其输出交换电压的谐波对电机的影响，二要看对电网的谐波净化和输出功率因数，三要看自身的能量损耗(即效力)如何。变频器还在一直的进步，各厂家都在寻求卓着，这也才是推进行业开展的前提，只有企业永远向前看，行业自但是然会更好。变频器是静止掌握体系中的功率变换器。当今的静止掌握体系是蕴含多种学科的技巧范畴，总的开展趋向是：驱动的交换化，功率变换器的高频化，掌握的数字化、智能化和网络化。因而，变频器作为体系的主要功率变换部件，供给可控的高性能变压变频的交换电源而得到迅猛开展。于此同时PLC的发展也是非常令人惊讶的，20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。关键词：工作原理，运行方式，基本操作 目 录摘要1发展前景12 变频器控制电机42.1 变频器的工作原理42.2 变频器控制电机的正反转52.3 变频器控制电机多段运行72.4 变频器控制三台电机93 PLC控制设计113.1 PLC的简介113.2 PLC控制电机的正反转133.3 PLC控制电机多段运行143.4 PLC控制步进电机184 设计体会26参考文献271 发展前景随着人们的生活水平逐渐提高，节能环保的观念越来越深入人心。回望过去30年在变频器上的研发，总结我们投入变频器运用于各行业的实际运用中，随着高性能微解决器的运用以及河南变频器维修掌握技巧的开展，变频器的性能价钱比越来越高，体积越来越小，很多技术先进的公司一直以进步牢靠性为追求完成变频器，为使其更小型轻量化、高性能化和多功用化以及无公害化而做着新的挑战。变频器性能的优劣，一要看其输出交换电压的谐波对电机的影响，二要看对电网的谐波净化和输出功率因数，三要看自身的能量损耗(即效力)如何。变频器还在一直的进步，各厂家都在寻求卓着，这也才是推进行业开展的前提，只有企业永远向前看，行业自但是然会更好。变频器是静止掌握体系中的功率变换器。当今的静止掌握体系是蕴含多种学科的技巧范畴，总的开展趋向是：驱动的交换化，功率变换器的高频化，掌握的数字化、智能化和网络化。因而，变频器作为体系的主要功率变换部件，供给可控的高性能变压变频的交换电源而得到迅猛开展。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。如今很多公司厂房已经离不开他们的存在了。2 变频器控制电机2.1 变频器的工作原理近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低，变频调速越来越被工业上所采用。如何选择性能好的变频其应用到工业控制中。2.1.1 变频器的工作原理 交流电动机的同步转速表达式位： n60 f(1s)/p (1) 式中 n异步电动机的转速；f异步电动机的频率；s电动机转差率；p电动机极对数。 由式(1)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f在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。 2.1.2变频器控制方式 低压通用变频输出电压为380650V，输出功率为0.75400kW，工作频率为0400Hz，它的主电路都采用交直交电路。其控制方式经历了以下四代。1、U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式： 其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。 2、电压空间矢量（SVPWM）控制方式 它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。3、矢量控制（VC）方式 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。 4、直接转矩控制（DTC）方式 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。 5、矩阵式交交控制方式 VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交交变频应运而生。由于矩阵式交交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。2.2 变频器控制电机的正反转2.2.1 控制要求本次目的是了解变频器外部控制端子的功能，掌握外部运行模式下变频器的操作方法。要求如下：1、正确设置变频器输出的额定频率、额定电压、额定电流、额定功率、额定转速。2、通过外部端子控制电机启动/停止、正转/反转，打开“K1”、“K3”电机正转，打开“K2”电机反转，关闭“K2”电机正转；在正转/反转的同时，关闭“K3”，电机停止。3、运用操作面板改变电机启动的点动运行频率和加减速时间2.2.2 控制电路的设计首先是实训设备，见表2-1表2-1 实训设备序号名 称型号与规格数 量备 注1实训装置THPFSM-212实训挂箱C1013导线3号/4号若干4电动机WDJ2615实训指导书THPFSM-1/21然后就要对变频器的参数进行设置，见表2-2表2-2 变频器的参数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 )6P070022选择命令源（ 由端子排输入 ）7P100021用操作面板（BOP）控制频率的升降8P108000电动机的最小频率( 0Hz )9P10825050.00电动机的最大频率( 50Hz )10P11201010斜坡上升时间( 10S )11P11211010斜坡下降时间( 10S )12P070111ON/OFF（接通正转/停车命令1）13P07021212反转14P070394OFF3（停车命令3）按斜坡函数曲线快速降速停车 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)2.2.3 电路的设计变频器的外部接线如图2-1所示。图2-1 变频器外部接线图操作步骤：1、检查实训设备中器材是否齐全。2、按照变频器外部接线图完成变频器的接线，认真检查，确保正确无误。3、打开电源开关，按照参数功能表正确设置变频器参数4、打开开关“K1”，电机正转。5、关闭开关“K1”，打开开关“K2”，电机反转。6、打开开关“K3”，电机停止。2.3 变频器控制电机多段运行2.3.1 控制要求本次实验的要求是：1、正确设置变频器输出的额定频率、额定电压、额定电流、额定功率、额定转速。2、通过外部端子控制电机启动/停止、正转/反转，打开“K1”、“K3”电机正转，打开“K2”电机反转，关闭“K2”电机正转；在正转/反转的同时，关闭“K3”，电机停止。3、运用操作面板改变电机启动的点动运行频率和加减速时间。2.3.2 控制电路的设计本次实验的设备见表2-1，对变频器的参数设置，见表2-3。需要注意以下三点：（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)2.3.3 控制电路变频器外部接线图见图2-1，操作步骤：1、检查实训设备中器材是否齐全。2、按照变频器外部接线图完成变频器的接线，认真检查，确保正确无误。变频器的L、N接口接三相电源的W相和地线。3、打开电源开关，按照参数功能表正确设置变频器参数。4、切换开关“K1”、“K2”、“K3”的通断，观察并记录变频器的输出频率。各个固定频率的数值根据表2-4选择。“K1”、“K2”、“K3”三种不同组合频率，DIN1、DIN2、DIN3的输入不同，通过变频器的内部结构，是的输出分别有5Hz、10Hz、20Hz、25Hz、30Hz、40Hz、50Hz。表2-3 变频器的参数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 )6P100023固定频率设定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 ）12P0701117固定频率设值（二进制编码选择+ON命令）13P07021217固定频率设值（二进制编码选择+ON命令）14P0703917固定频率设值（二进制编码选择+ON命令）15P10010.005.00固定频率116P10025.0010.00固定频率217P100310.0020.00固定频率318P100415.0025.00固定频率419P100520.0030.00固定频率520P100625.0040.00固定频率621P100730.0050.00固定频率7表2-4 开关频率的选择 K1K2K3输出频率OFFOFFOFFOFFONOFFOFF固定频率1OFFONOFF固定频率2ONONOFF固定频率3OFFOFFON固定频率4ONOFFON固定频率5OFFONON固定频率6ONONON固定频率72.4 变频器控制三台电机2.4.1 控制要求某供水系统需三台异步电动机拖动工作，现若采用一台变频器实现软启动，试设计其电气控制系统，实现变频恒压供水目的。具体要求如下：（1）当一台电动机为变频工作时，另两台电机必须为工频工作或停止状态；（2）需考虑消防的需要；（3）要求有必要的电气保护；（4）绘制该系统的主电路和控制电路图，并选取相应的电器的型号（注：电机功率可自定）。2.4.2 主电路的设计电机有两种工作模式：在工频电下运行和变频电下运行。主电路图见图2-21、QA1,QA2分别为电动机MA1,MA2,MA3变频运行时接通电源的控制接触器。2.、QA3,QA4,QA5分别为电动机MA1,MA2,MA3工频运行时接通电源的控制接触器。热继电器是利用电流的热效应原理工作的保护电路。它在电路中的作用为电动机的过载保护。QA为低压断路器，也称为自动开关或空气开关。作用是对设备发生短路，严重过载及欠电压等进行保护。图2-2 变频器控制三台电机2.4.3 控制电路的设计控制原理:FA1，FA2为熔断器，是电路中的一种简单的短路保护装置。使用时，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路，防电气设备短路和严重过载。BB1,BB2，BB3为热继电器起到过载保护的作用。SF1为总控制开关， SF3，SF4分别为三台电动机变频控制按钮，当三个开关为断开时，三台电机停止变频。SF6,SF8，SF10分别为电机的工频控制按钮，当开关断开时，三台电机停止运行。SF2为QA1的启动按钮。当SF2闭合时QA1主线圈得电，辅助线圈QA1闭合，MA1处于变频工作状态，由于互锁MA2的变频支路QA1常闭触点断开，只能处于工频或停止工作状态。当SF9闭合时QA4主线圈得电，辅助线圈QA4闭合，同时MA1变频支路的常闭触点QA4处于断开状态，此时只能工作在工频状态。MA2工作原理与MA1相同。控制电路见图2-3图2-3 变频器控制三台电机控制电路3 PLC控制设计3.1 PLC的简介3.1.1 PLC的应用PLC控制系统可应用于三相异步电动机单向运转控制、三相异步电动机可逆运转控制、水塔水位控制、自动送料装车控制、交通信号灯控制、液体混合装置控制、大小球分类传送控制、人行横道与车道灯控制、电动机的丫-减压起动控制、送料车控制和天塔之光控制等。目前PLC在国内外已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、轻纺。汽车。交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为：开关量逻辑控制、模拟量控制、运动量控制、数据采集及处理、信号监控、通信及联网。由于PLC上述几个方面的应用，而且PLC控制系统使其网络又可大可小，所以PLC已经应用于工业生产的各个行业，如冶金、机械、化工、轻工、食品、建材等等，不仅如此，PLC也应用于一些非工业过程，如楼宇自动化、电梯控制、以及农业大棚环境参数调控等。3.1.2 PLC的工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 (一) 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 (二) 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 (三) 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。3.1.3 S7-200的简介s7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。 S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPUCPU单元设计：集成的24V负载电源：可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU 221，222具有180mA输出，CPU 224，CPU 224XP，CPU 226分别输出280，400mA。可用作负载电源。 CPU 221226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。 本机数字量输入/输出点，CPU 221具有6个输入点和4个输出点，CPU 222具有8个输入点和6个输出点，CPU 224具有14个输入点和10个输出点，CPU 224XP具有14个输入点和10个输出点，CPU 226具有24个输入点和16个输出点。本机模拟最输入/输出点 ，CPU 224XP具有2个输入点，1个输出点。中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。 高速计数器 ，CPU 221/222。个高速计数器（30KHz），可编程并具有复位输入，2个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接两个相位差为90的A/B相增量编码器 ，CPU224/224XP/226 ，6个高速计数器（30KHz），具有CPU221/222相同的功能。 CPU 222/224/224XP/226 ，可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。可使用仿真器（选件）对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序。3.2 PLC控制电机的正反转3.2.1 控制电路设计PLC通过变频器来控制电机的正反转，变频器的参数设置参考表2-1，PLC的外部接线图见图3-1。图3-1 PLC外部接线图三个开关“K1”、“K2”、“K3”作为PLC的输入I0.0、I0.1、I0.2，输出点Q0.0、Q0.1、Q0.2给到变频器的DIN1、DIN2、DIN3，这样就可以PLC通过变频器来控制电机的正反转。3.2.2 程序设计控制电路的地址分配表见表3-1。表3-1 PLC I/O分配表输入口分配输出口分配K1I0.0DIN1Q0.0K2I0.1DIN2Q0.1K3I0.2DIN3Q0.2T型图见图3-2。开关K1控制电机的正转，开关K2控制电机的反转，开关K3控制电机的停止。操作步骤如下：1、检查实训设备中器材是否齐全。2、按照变频器外部接线图完成变频器的接线，认真检查，确保正确无误。3、打开电源开关，按照参数功能表正确设置变频器参数。4、打开示例程序或用户自己编写的控制程序，进行编译，有错误实根据提示信息修改，直至无误，用PC/PPI通讯编程电缆连接计算机串口与PLC通讯口，打开PLC主机电源开关，下载程序至PLC中，下载完毕后将PLC的“RUN/STOP”开关拨至“RUN”状态。5、按下按钮“S1”,观察并记录电机的运转情况。6、按下操作面板按钮“ ”,增加变频器输出频率。7、按下按钮“S3”,等电机停止运转后,按下按钮“S2”,电机反转。图3-2 PLC控制电机T型图3.3 PLC控制电机多段运行3.3.1 控制电路的设计PLC通过变频器来控制电机的正反转，变频器的参数设置参考表2-1，PLC的外部接线图见图3-3。PLC的四个输入I0.0、I0.1、I0.2、I0.3分别有开关K1、K2、K3、K4控制，开关K1控制电机的自动多段速度运行，开关K2、K3、K4在不同组合输入时，电机或在不同频率下运行。3.3.2 程序设计控制电路的地址分配表见表3-2。表3-2多段I/O分配表输入口地址输出口地址K1I0.0DIN1Q0.0K2I0.1DIN2Q0.1K3I0.2DIN3Q0.2K4I0.3图3-3 PLC控制电机多段运行外部接线图多段T型图见图3-3至图3-5图3-3 多段T型图网络1和网络2 操作步骤如下所示：1.检查实训设备中器材是否齐全。2.按照变频器外部接线图完成变频器的接线，认真检查，确保正确无误。3.打开电源开关,按照参数功能表正确设置变频器参数。4.打开示例程序或用户自己编写的控制程序,进行编译,有错误时根据提示信息修改,直至无误,用PC/PPI通讯编程电缆连接计算机串口与PLC通讯口,打开PLC主机电源开关,下载程序至PLC中,下载完毕后将PLC的“RUN/STOP”开关拨至“RUN”状态。5.打开开关“K1”,观察并记录电机的运转情况。6.关闭开关“K1”,切换开关“K2”“K3”“K4”的通断,观察并记录电机的运图3-4 多段程序网络3和网络4、网络5、6图3-53.4 PLC控制步进电机3.4.1 硬件选择1、步进电机:步进电机有步距角、静力矩、电流三大要素组成。根据负载的控制精度要求选择步距角大小,根据负载的大小确定静力矩,静力矩一经确定根据电机矩频特性曲线来判断电机的电流。一旦三大要素确定,步进电机的型号便确定下来了。2、驱动器:遵循先选电机后选驱动的原