PLC在多段调速系统中的应用.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除一. 课程设计题目及要求1. 课程设计题目： PLC在多段调速系统中的应用2. 系统控制要求：在工业应用控制中，经常用到多段速度控制实际生产设备，用参数将多种速度预先设定，用输入端子进行转换。如恒压供水、电梯速度控制等。本课题要求设计一个由PLC、变频器、异步电动机组成的变频调速控制系统，完成PLC接线图和控制梯形图的设计。利用实验室设备完成PLC端子和变频器、异步电动机的接线，并进行运行调试。具体设计内容如下：（1）掌握FR-S540变频器的基本工作原理了解变频器的基本结构及工作原理；掌握变频器各参数的意义及设置方法；掌握变频器操作面板的基本操作。（2）三相异步电动机3速系统控制设计用PLC、变频器设计一个电动机的三速运行的控制系统。其控制要求如下：按下起动按钮，电动机以30Hz速度运行，5s后转为45Hz速度运行，再过5s转为20Hz速度运行，按停止按钮，电动机即停止。（3）三相异步电动机15段速度运行系统控制设计按下启动按钮，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。3.系统总体设计方案：本系统的结构如图所示。变频器 PLC控制信号M-控制台由图可知，本文通过PLC控制变频器达到变频调速的目的，从而实现交流电机的正反转、起停、加速、减速控制以及速度的调节，并且能够在在控制台上进行操作，控制电机调速。二变频器工作原理1变频器的基本工作原理自20世纪60年代以来，电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场革命，即交流调速取代直流调速、计算机数字控制技术取代模拟控制技术已经成为发展趋势。电机变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、失去技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速起动、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，得到广泛应用。目前，通用型变频器绝大多数是交直交型变频器，通常尤以电压器变频器为通用，其主回路图（见图），它是变频器的核心电路，由整流回路（交直交换），直流滤波电路（能耗电路）及逆变电路（直交变换）组成，当然还包括有限流电路、制动电路、控制电路等组成部分。变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换(整流、逆变)，又要处理信息的收集、交换和传输，因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高电压大电流有关的技术问题，后者要解决控制模块的硬、软件开发问题 通用变频器一般都采用交直交的方式组成，其基本工作原理如下图所示： 通用变频器通常都是由以下两部分组成： 主电路 包括整流部分、直流环节、逆变部分、制动或回馈环节等部分。 控制回路 包括变频器的核心软件算法电路、检测传感电路、控制信号输入/输出电路、驱动电路和保护电路等。2. 调速原理调速即速度调节，是指在电力拖动系统中人为的改变电动机的转速，以满足工业机械的不同转速要求。调速是通过改变电动机的参数或电源电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变它与负载机械特性的交点，改变电动机的稳定转速。由电机学可知，三相异步电机的转速为：式中 n0同步转速； f 电源频率，单位为Hz； p电动机极对数； s 电动机转差率。3. 变频调速原理由三相电动机的转速公式可知，只要连续改变f就可以实现平滑调速。但变频调速时要注意变频与调压的配合。通常分基频（电源额定频率）以下调速和基频以上调速。（1）基频以下的调速在基频以下调速时，速度调低。在调节过程中，必须配合电源电压的调节，否则电动机无法正常运行。原因是根据电动机电动势电压平衡方程UE4.44fNKm(式中N为每相绕组的匝数；m为电动机气隙磁通的最大值；K为电动机的结构系数)，当f下降时，若U不变，则必使m增加，而在电动机设计制造时，磁路磁通m设计的已经接近饱和，m的上升必然使磁路饱和，励磁电流剧增，使电动机无法正常工作。为此，在调节中应使m恒定不变，则必须使U/f常数，可见，在基频以下调速时，为恒磁通调速，相当于直流电动机的调压调速，此时应使定子电压随频率成正比例变化。（2）基频以上的调速在基频以上调速时，速度调高。但此时也按比例升高电压是不行的，因为往上调U将超过电动机额定电压，从而超过电动机绝缘耐压限度，危及电动机绕组的绝缘。因此，频率上调时应保持电压不变，即U常数（极为额定电压），此时，f升高，m应下降，相当于直流电动机弱磁调速。在本设计中，我们将只用到基频以下的调速。4. 调速方式（1）变极调速对鼠笼式异步电机可以通过改变电动机绕组的接线方式，使电动机从一种极对数变为另一种极对数，从而实现异步电动机的有级调速。变极调速所需设备简单，价格低廉，工作也比较可靠。一般为两种速度，三种速度以上的变极调速电动机绕组结构复杂，应用较少。变极调速电动机的关键在于绕组设计，以最少的绕组抽头和改接以达到最好的电动机技术性能指标。（2）变转差率调速对于绕线式异步电动机，可以通过调节串联在转子绕组中的电阻值（调阻调速）、在转子电路中引入附加的转差电压（串级调速）、调整电机定子电压（调压调速）以及采用电磁转差离合器（电磁转差离合器调速）改变气隙磁场等方法实现变转差s，从而对电动机进行无级调速。变转差率调速尽管效率不高，但在异步电动机调速技术中占有重要的地位，特别是转差功率得到回收利用的串级调速系统，更是现代大容量风机、水泵等调速节能的重要手段。（3）变频调速通过改变定子供电频率来改变同步转速实现对异步电动机的调速，在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差率，因此具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。变频调速是异步电动机的一种比较合理且理想的调速方法。本设计中就采用的是这种调速方法。5. FR-S540型变频器的结构特点6. FR-S540型变频器的参数设置方法 注明：七段调速参数设置：上限频率Pr1=50Hz；下限频率Pr2=0Hz；基底频率Pr3=50Hz；加速时间Pr7=2s；减速时间Pr8=2s；电子过电流保护Pr9=电动机的额定电流；操作模式选择（组合）Pr79=3；多段速度设定（1速）Pr4=45Hz；多段速度设定（2速）Pr5=40Hz；多段速度设定（3速）Pr6=35Hz; Pr24=30Hz; Pr25=25Hz; Pr26=20Hz; Pr27=15Hz。三. PLC工作原理1. 扫描工作原理当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。2. 扫描工作过程内部通信通信服务输入采样执行程序输出刷新STOPRUNPLC的扫描工作过程出除了执行用户程序外，在每次扫描工作过程中还要完成内部处理、通信服务工作。如上图所示，整个扫描过程包括内部处理、通信服务、输入采样、程序执行、输出刷新五个阶段。整个过程扫描执行一遍所需的时间称为扫描周期。扫描周期与CPU运行速度、PLC的硬件配置及用户程序长短有关，典型值为1100ms。在内部处理阶段，进行PLC自检，检查内部硬件是否正常，对监视定时器（WDT）复位以及完成其他一些内部处理工作。在通信服务阶段，PLC与其他智能装置实现通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等。当PLC处于停止（STOP）状态时，只完成内部处理和通信服务工作。当PLC处于运行（RUN）状态时，除完成内部处理和通信服务工作外，还要完成输入采样、程序执行、输出刷新工作。PLC的扫描工作方式简单直观，便于程序的设计，并为可靠运行提供了保障。当PLC扫描到得指令被执行后，其结果马上就被后面将要扫描到的指令所利用，而且还可以通过CPU内部设置的监控定时器来监视每次扫描是否超过规定时间，避免由于CPU内部故障使程序执行进入死循环。3. FX2N-48MR型PLC(1) FX2N-48MR型图片(2) 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)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。四控制系统设计1. PLC控制电路图 控制电路图见下一页。（注明：此处给的为7段调速系统的控制电路图，3段及15段调速系统的控制电路接线图与此类似，相应的增减输入端口即可）2. 多段转速控制变频器每个输出频率的档次需要由三个输入端的状态来决定，而操作人员切换转速所用的开关器件每个档次只有一个触点。所以必须解决好转速选择开关的状态和变频器各控制端状态间的变换问题。变频器输出的7档（或15档）转速对应于变频器的3个输入端的状态如下图所示：X0X1X2X3X4X5X6X7X20COMY20Y21Y22Y23Y24COMSTFRHRMRLAU (REX)SDR S T PESB8SB1SB2SB3SB4SB5SB6SB7SB10PLC变频器U V WM3QS220VPLC控制电路图3.PLC（I/O）分配 接线图如下：(M100)X0X22X3X2M7M6M5M1M100X17X16X15X14X7X6X5X1X20T6T6T5T5T4T4T3T3T2T2T1T1M100X20M100M1004. 程序梯形图(Y20)(M1)(T1 K50)(M2)(T2 K50)(M3)(T3 K50)(M4)(T4 K50)(M5)(T5 K50)(M6)(T6 K50)(M7)X4(Y21)END(Y23)(Y22)X1X5X3X1M7M5M4M100M3X17X15X13X11X7X5X4X3X20M7M6M4M2M100X17X16X13X12X7X6X4X2X20X6X25.心得总结 利用通用变频器和PLC实现了对电机的控制，通过合理的设备选型、参数设置和软件设计，实现电机运行的速度调节，达到本次设计目的。 通过本次设计，我的知识领域得到进一步扩展，专业技能得到进一步提高，同时增强了分析和解决工程实际的综合能力。另外，也培养了自己严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风。本次课程设计是对大学三年所学知识的一个总的运用，它将三年所学的知识融入到一个课题中，主要考察学生对所学知识的运用能力、自学能力和翻阅资料的能力。通过这次毕课程设计也使我们真正体会到了知识是学无止境的，以前一直想大学中所学的知识应该就可以了，可是通过这次设计，使我清楚的认识到我们在书本上学到的知识仅仅是基础而已，要想真的要做