基于PLC的变频调速系统设计

课 程 论 文 题 目 基于 PLC 的变频调速系统设计 姓 名 金 亦 铖 学 号 015 专业班级 电气工程及其自动化 1 班 学 院 机电工程学院 指导教师 唐荣年 基于基于 PLCPLC 的变频调速系统设计的变频调速系统设计 摘要 摘要 交流异步电动机是工农业生产中最重要的拖动设备之一 因其结构简单 维修容易 等优点而得到了广泛应用 而在现代工业生产中 有一些设备需要根据不同的工作环境 要调节到一个特定的转速 从而对交流异步电动机的速度提出了要求 希望能达到一台设 备运行时 能根据不同材料的加工产品 实现运行速度的调节 并能稳定运行 本设计主要由 PLC 变频器 电动机等几部分组成 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 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 关键词 PLC 变频器 电动机 调速 一 绪论一 绪论 本次设计主要以 PLC 和变频器为主 PLC 是一种工业控制计算机 能进行逻辑运算 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 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 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 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 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 二 系统的功能设计分析和总体思路二 系统的功能设计分析和总体思路 系统功能设计分析 随着电力电子技术以及控制技术的发展 交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应 用 可编程控制器 PLC 作为替代继电器的新型控制装置 简单可靠 操作方便 通用灵活 体积小 使用寿命长且功能强大 容易使用 可靠性高 常常被用于现场数据采集和设备 的控制 组态软件技术作为用户可定制功能的软件开发平台工具 可实现显示电机转速 可实现远程调速控制 在 PC 机上可开发友好人机界面 通过 PLC 可以对自动化设备进行 智能 控制 在此 本次设计就是基于 PLC 的变频器调速系统 将现在应用最广泛的 PLC 和变频器综合起来主要功能实现了变压变频调速 电机的正反转 加减速以及快速制 动等 因此 该系统必须具备以下三个主体部分 控制运算部分 执行和反馈部分 控制 运算主要由 PLC 和变频器来完成 执行元件为变频器和电机 反馈部分主要为速度反馈 系统设计的总体思路 系统主要由三个部分构成 即可编程逻辑控制器件 PLC 变频器和电机 首先通过设置给 定输入给 PLC 再通过 PLC 控制变频器 再经由变频器来控制电机 随后将电机的转速反 馈给 PLC 经比较后输出给变频器从而实现无静差调速 具体如下图所示 电机 速度给定 图 1 1 速度闭环控制的机构控制图 1 PLC 和变频器的选择 PLC 的概述 PLC 的基本结构 可编程序控制器简称为 PLC Programmable Logic Controller 主要由 CPU 模块 输入模块 输出模块和编程器组成 如下图 2 1 所示 图 2 1 PLC 控制系统示意图 可编程序控制器实际上是一种工业控制计算机 它的硬件结构与一般微机控制系统相似 甚至与之无异 可编程序控制器主要由 CPU 中央处理单元 存储器 RAM 和 EPROM 输入 输出模块 简称 I O 模块 编程器和电源五大部分组成 PLC 的工作原理 PLC PID 变频调速系统 速度反馈信号 编程器 存储器 微处理器 电源 输出接口 输入接口 PLC 按钮 继电器触点 位置开关 接触器线圈 指示灯 电磁阀线圈 PLC 运行时 需要进行大量的操作 这迫使 PLC 中的 CPU 只能根据分时操作原理 按一定 的顺序 每一时刻执行一个操作 这种分时操作的方式 称为 CPU 的扫描工作方式 是 PLC 进行实时控制的常用的一种方式 PLC 采取按顺序循环扫描的工作方式 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 PLC 的型号选择 工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据 PLC 及有关设备应是集成的 标准的 按照易于与工业控制系统形成一个整体 易于扩充其功能的原则选型所选用 PLC 应是在相 关工业领域有投运业绩 成熟可靠的系统 PLC 的系统硬件 软件配置及功能应与装置规 模和控制要求相适应 熟悉可编程序控制器 功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程 时间 因此 工程设计选型和估算时 应详细分析工艺过程的特点 控制要求 明确控制 任务和范围确定所需的操作和动作 然后根据控制要求 估算输入输出点数 所需存储器 容量 确定 PLC 的功能 外部设备特性等 最后选择有较高性能价格比的 PLC 和设计相应 的控制系统 综合了输入输出 I O 点数 存储器容量 各项控制功能和机型的考虑以及性价比等各方 面的因素 在此我为该系统设计选择了 S7 200 PLC 一台 图 S7 200 PLC CPU 的外形模型图 S7 200 有 5 种 CPU 模块 6 个有 12 种工作方式的高速计数器和两点高速计数器 和脉冲宽 度调制器 直接读写的模拟量 I O 模块 先进的程序结构 灵活方便的寻址方式以及程序 化的 PID 编程控制 强大的通讯功能 它支持多种通信协议 价格是它在所有品牌在同一 功能区内很有竞争力的 最重要的是它还提供了完善的的网上支持 这些都为实现本系统 的设计提供很好的条件和方便 例如 高速计数器可以用来测速从而实现速度反馈 变频器的选择和参数设置 变频器的选择 随着变频器性能价格比的提高 交流变频已应用到许多领域 由于变频调速的诸多优点 使得交流变频调速得到广泛应用 其功能较强 使用灵活 但其价格相对较贵 所以我选 用了通用变频器 通过合理的配置 设计和编程 同样可以达到专用变频器的控制效果 本设计采用的变频器是西门子公司面向世界推出的 21 世纪通用型变频器 MM420 它可实 现平稳操作和精确控制 使电动机达到理想输出 这种变频器不仅考虑了 V f 控制 而且 还实现了矢量控制 通过其本身的自动调谐功能与无速度传感器电流矢量控制 很容易得 到高起动转矩与较高的调速范围 MM420 变频器的特点如下 1 包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化 2 又丰富的内藏与选择功能 3 由于采用了最新式的硬件 因此 功能全 体积小 4 保护功能完善 维修性能好 5 通过 LCD 操作装置 可提高操作性能 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 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 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 2 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 3 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 24V 1M 1L I0 0 Q0 0 I0 1 Q0 1 I0 2 Q0 2 2M S7 200PLC FU L N 24V DIN1 DIN2 AIN1 AIN2 L1 L2 U V W 西门子 MM420 变频器 X Y Z 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 开环控制设计及 PLC 编程 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 图 4 1 速度开环控制的结构控制 开环控制的外部硬件连接图 M A B C AC220V PLC变频调速系统 速度给定 图 4 2 硬件连接图 PLC 软件编程 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 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 控制程序 T 形图 PLC 系统的抗干扰设计 变频器的干扰源 在变频器的输入输出电路中 除较低次的谐波成分外 还有许多频率很高的谐波电流 这 些电流除了增加输入侧的无功功率 降低功率因数以外 还将以各种方式把自己的能量传 播出去 形成对其他设备的干扰信号 严重的甚至使某些设备无法正常工作 变频器干扰其他设备的根本原因是因为输入和输出电流中具有高次谐波成分 变频器的输 入电流中具有很大的高次谐波成分 这些高次谐波电流除了影响功率因数外 也可能对其 他设备进行干扰 由于绝大多数逆变桥都采用 SPWM 调制方式 其输出电压为输出占空比 按正弦规律分布的系列矩形波 又由于电动机定子绕组的电感性质 其定子电流十分接近 正弦波 但其中与载波频率相等的谐波分量仍较大 干扰信号的传播方式 电路传导方式 通过电源网络传播 这时变频器输入电流干扰信号的主要传播方式 通过漏电流传播 这是变频器输出侧干扰信号的主要传播方式 感应耦合方式 电磁感应方式 这是电流干扰信号的主要传播方式 由于变频器的输入电流与输出电流 中的高频成分要产生高频磁场 该磁场的高频磁力线穿过其他设备的控制线路而产生感应 干扰电源 静电感应方式 这是电压干扰信号的主要传播方式 是变频器输出的高频电压波通过线 路的分布电容传播给主电路 空中辐射方式 频率很高的谐波分量具有向空中辐射电磁波的能力 从而多其他设备形 成干扰 主要抗干扰措施 电源抗干扰措施 在 PLC 控制系统中 电源占有极重要的地位 电网干扰串入 PLC 控制系统主要通过 PLC 系 统的供电电源 如 CPU 电源 I O 电源等 变送器供电电源与 PLC 系统具有直接电气连 接的仪表供电电源等耦合进入的 现在 对于 PLC 系统供电的电源 一般都采用隔离性能 较好电源 而对于变送器供电的电源和 PLC 系统有直接电气连接的仪表的供电电源 并没 受到足够的重视 虽然采取了一定的隔离措施 但普遍还不够 主要是使用的隔离变压器 分布参数大 抑制干扰能力差 经电源耦合而串入共模干扰 差模干扰 所以 对于变送 器和共用信号仪表供电应选择分布电容小 抑制带大 如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术 的配电器 以减少 PLC 系统的干扰 此外 为保证电网馈点不中断 可采用在线式不间断 供电电源供电 提高供电的安全可靠性 并且 UPS 还具有较强的干扰隔离性能 是一种 PLC 控制系统的理想电源 硬件滤波及软件抗干扰措施 信号在接入计算机前 在信号线与地间并接电容 以减少共模干扰 在信号两极间加装滤 波器可减少差模干扰 由于电磁干扰的复杂性 要根本消除迎接干扰影响是不可能的 因 此在 PLC 控制系统的软件设计和组态时 还应在软件方面进行抗干扰处理 进一步提高系 统的可靠性 常用的一些措施 数字滤波和工频整形采样 可有效消除周期性干扰 定时 校正参考点电位 并采用动态零点 可有效防止电位漂移 采用信息冗余技术 设计相应 的软件标志位 采用间接跳转 设置软件陷阱等提高软件结构可靠性 接地抗干扰措施 接地的目的通常有两个 其一为了安全 其二是为了抑制干扰 完善的接地系统是 PLC 控 制系统抗电磁干扰的重要措施之一 系统接地方式有 浮地方式 直接接地方式和电容接地三种方式 对 PLC 控制系统而言 它属高速低电平控制装置 应采用直接接地方式 由于信号电缆分布电容和输入装置滤波 等的影响 装置之间的信号交换频率一般都低于 1MHz 所以 PLC 控制系统接地线采用一 点接地和串联一点接地方式 集中布置的 PLC 系统适于并联一点接地方式 各装置的柜体 中心接地点以单独的接地线引向接地极 如果装置间距较大 应采用串联一点接地方式 用一根大截面铜母线 或绝缘电缆 连接各装置的柜体中心接地点 然后将接地母线直接 连接接地极 接地线采用截面大于 222mm 的铜导线 总母线使用截面大于 602 mm 的铜排 接地极的接地电阻小于 2 接地极最好埋在距建筑物 10 15m 远处 而且 PLC 系统接地 点必须与强电设备接地点相距 10m 以上 信号源接地时 屏蔽层应在信号侧接地 不接地 时 应在 PLC 侧接地 信号线中间有接头时 屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理 一定要 避免多点接地 多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时 各屏蔽层应相互 连接好 并经绝缘处理 选择适当的接地处单点接点 结论 在这次课程设计中我觉得最重要的就是要有自学能力 因为这次实训中有部分知识我们之 前还没有接触过 所以自己必须学会查找相关的资料 另外就是在遇到实际问题的时候 要认真思考 运用所学的知识 一步一步的去探索 是完全可以解决遇到的一般问题的 而在这次设计程序的过程中 我一开始时走了很多弯路 这也是自己的知识不够扎实的原 因 不过经过自己几天的努力 最