基于PLC的变频调速系统设计-(1)

目 录 第 1 章 绪论 2 1 1 PLC 可编程序控制器 概述 2 1 2 PLC 特点 3 第 2 章 VFO 变频器介绍 4 2 1 松下变频器 VF0 系列简介 4 2 2 设定变频器模式 5 2 3 变频器的控制方式 5 2 3 1 U f C 的正弦脉宽调制 SPWM 控制方式 5 2 3 2 电压空间矢量 SVPWM 控制方式 6 2 3 3 矢量控制 VC 方式 6 2 3 4 直接转矩控制 DTC 方式 6 2 3 5 矩阵式交 交控制方式 6 2 4 欧姆龙 CP1H 的特点及功能简介 7 2 4 1 欧姆龙 CP1H 功能简介 7 2 4 2 欧姆龙功能简介 8 2 5 变频器接线 8 2 5 1 主回路接线 8 2 5 2 控制回路接线 9 2 5 3 接线注意事项 9 第 3 章 电机介绍 10 3 1 电机的规格指标参数 10 3 2 电动机的工作原理 11 3 3 电动机的接线 11 3 4 PLC 变频器 电机三者的运行关系 11 第 4 章 PLC 变频调速系统的设计与调试 12 4 1 系统设计程序 12 4 2 接线图 13 4 3 程序调试 14 第 5 章 课程总结 15 参考文献 16 精品文档 1欢迎下载 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 11 1 PLCPLC 可编程序控制器 概述 可编程序控制器 概述 PLC 可编程控制器 应用广泛 其 CPU 功能较强 可靠性高 但在输入输 出 I O 方面 PLC 存在价格过高 扩展模块不隔离 输入信号还要进行编程运算 来完成采集 品牌繁多 互不兼容 用户使用起来不方便等缺点 其在工业现 场因其编程方便 抗干扰能力强 获得了广泛的应用 但受到内部硬件电路的 限制 在运算速度 数据处理能力等方面和 PC 机相比 要逊色很多 因此在工 业现场对复杂模型进行控制时 可以借助上位机 PC 来建立生产模型 通过构建 SCC 监督式控制系统 让下位机 PC 为一 DCC 直接数字控制系统 实现复杂系统 的控制 另外 还可通过上位机 PC 和下位机 PC 组建监控系统 达到对工业现 场实时监控的目的 其中关键技术为 PC 机和 PC 之间的通讯 本文首先介绍 PC 机与 PLC 的通讯种类和机制 然后就采用高级语言 VB 和组态软件 MCGS 对完 成以上二者通讯 PC 机和 PLC 有两种通讯方式 一种是 PC 机作主动者 即主局 PLC 为从动 者 即子局 另一种是 PLC 为主局 而 PC 机为子局 无论工作在哪种方式 数 据一般都采用串行方式来传输 即可通过 RS232 RE422 或 RS485 电缆线来进行 信息传递 在进行通讯时 首先将 PC 机和 PLC 传递信息的波特率设置一致 另外还要 对奇偶校验位 传输数据位数和停止位进行设置 在 PC 机和 PLC 进行通讯时 要使用命令帧和响应帧的形式来进行信息传递 每次通信送出的一组数据称作 帧 帧可以从持有发送权的一方传出 每送出一帧 上位机或 PLC 就将发送权交给另一方 当接收方收到终端 命令 或响应的终字符 或分界符 分割帧的字符 信息后 就将发送权转到另一方 1 21 2 PLCPLC 特点特点 PLC 是面向用户的专用工业控制计算机 具有许多明显的特点 1 可靠性高 抗干扰能力强 精品文档 2欢迎下载 为了限制故障的发生或者在发生故障时 能很快查出故障发生点 并将故 障限制在局部 采取了多种措施 使 PC 除了本身具有较强的自诊断能力 能及 时给出出错信息 停止运行等待修复外 还使 PC 具有了很强的抗干扰能力 2 通用性强 控制程序可变 使用方便 PLC 品种齐全的各种硬件装置 可以组成能满足各种要求的控制系统 用 户不必自己再设计和制作硬件装置 用户在硬件确定以后 在生产工艺流程改 变或生产设备更新的情况下 不必改变 PLC 的硬设备 只需改编程序就可以满 足要求 因此 PLC 除应用于单机控制外 在工厂自动化中也被大量采用 3 功能强 适应面广 现代 PLC 不仅有逻辑运算 计时 计数 顺序控制等功能 还具有数字和 模拟量的输入输出 功率驱动 通信 人机对话 自检 记录显示等功能 既 可控制一台生产机械 一条生产线 又可控制一个生产过程 4 编程简单 容易掌握 目前 大多数 PLC 仍采用继电控制形式的 梯形图编程方式 既继承了 传统控制线路的清晰直观 又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯 及编程水平 所以非常容易接受和掌握 PLC 在执行梯形图程序时 用解释程 序将它翻译成汇编语言然后执行 PLC 内部增加了解释程序 与直接执行汇 编语言编写的用户程序相比 执行梯形图程序的时间要长一些 但对于大多数 机电控制设备来说 是微不足道的 完全可以满足控制要求 5 减少了控制系统的设计及施工的工作量 由于 PLC 采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器 时间继 电器 计数器等器件 控制柜的设计安装接线工作量大为减少 同时 PLC 的 用户程序可以在实验室模拟调试 更减少了现场的调试工作量 并且 由于 PLC 的低故障率及很强的监视功能 模块化等等 使维修也极为方便 6 体积小 重量轻 功耗低 维护方便 PLC 是将微电子技术应用于工业设备的产品 其结构紧凑 坚固 体积小 重量轻 功耗低 并且由于 PLC 的强抗干扰能力 易于装入设备内部 是实现 机电一体化的理想控制设备 精品文档 3欢迎下载 第第 2 2 章章 VFOVFO 变频器介绍变频器介绍 2 12 1 松下变频器松下变频器 VF0VF0 系列简介系列简介 小巧 操作简单 可由 PLC 直接调节频率 松下变频器 VFO 系列特点 1 小巧 为了满足各类机器小型化的需要 实现了同类产品中最小型化 2 操作简单 采用了新设计的调频电位器 使调频操作简单轻松 而且用 操作盘就可容易地操作正转 反转 3 可由 PLC 直接调节频率 可直接接收 PLC 的 PWM 信号并可控制电动机频 率 同时可与 PLC FP0 等 配套使用 无需模拟 I O 单元 4 功能齐全的小型产品 8 段速控制制动功能 再试功能 根据外部 SW 调 整频率增减和记忆功能 再生制动功能的充实 400V 系列型 内置制动电路 200V 系列型 内置 0 4 1 5kW 电阻 0 2kW 电路没有制动电阻 0 4kW 是外部设 置的同包装电阻 2 22 2 设定变频器模式设定变频器模式 在模式设置中通过改变 P08 和 P09 改变控制方式为面板控制和面板外控 当设置为面板控制设置 fr 控制其输出频率 设置 dr 控制其旋转方向 当设置为面板外控时 输出频率和旋转方向有外界信号控制 在这次实验 中将 P08 的值改为 4 则端子 5 控制运行和停止 端子 6 控制旋转方向 将 P09 的值改为 3 端子 2 3 接受 0 5v 电压信号控制输出频率 1 将 P08 的值改为 4 把运行指令设为面板外控 操作板有复位功能 接线如图 2 1 图 2 1 2 将 P09 的值设为 把频率设定信号改为外控 设定信号为 0 5v 电压信号 改变电压大小改变 其输出频率大小 接线端子为 NO 2 3 2 3 精品文档 4欢迎下载 2 32 3 变频器的控制方式变频器的控制方式 低压通用变频输出电压为 380 650V 输出功率为 0 75 400kW 工作频率 为 0 400Hz 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 2 3 12 3 1 U f CU f C 的正弦脉宽调制 的正弦脉宽调制 SPWMSPWM 控制方式 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 另外 其机械特性终究没有直流电动机硬 动态转矩能 力和静态调速性能都还不尽如人意 且系统性能不高 控制曲线会随负载的变 化而变化 转矩响应慢 电机转矩利用率不高 低速时因定子电阻和逆变器死 区效应的存在而性能下降 稳定性变差等 2 3 22 3 2 电压空间矢量 电压空间矢量 SVPWMSVPWM 控制方式 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 但控制电路环节较多 且没有引入转矩的调节 所以系统性能没有得到根本改善 2 3 32 3 3 矢量控制 矢量控制 VCVC 方式 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 精品文档 5欢迎下载 相应的坐标反变换 实现对异步电动机的控制 其实质是将交流电动机等效为 直流电动机 分别对速度 磁场两个分量进行独立控制 通过控制转子磁链 然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量 经坐标变换 实现正交或解耦 控制 然而在实际应用中 由于转子磁链难以准确观测 系统特性受电动机参 数的影响较大 且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂 使 得实际的控制效果难以达到理想分析的结果 2 3 42 3 4 直接转矩控制 直接转矩控制 DTCDTC 方式 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 2 3 52 3 5 矩阵式交矩阵式交 交控制方式交控制方式 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 具体方法是 控制定子磁链引入定子磁链观测器 实现无速度传感器方式 自动识别 ID 依靠精确的电机数学模型 对电机参数自动识别 算出实际值对应定子阻抗 互感 磁饱和因素 惯量等算出实际的转 矩 定子磁链 转子速度进行实时控制 实现 Band Band 控制按磁链和转矩的 Band Band 控制产生 PWM 信号 对逆变器开关状态进行控制 精品文档 6欢迎下载 2 42 4 欧姆龙欧姆龙 CP1HCP1H 的特点及功能简介的特点及功能简介 2 4 12 4 1 欧姆龙欧姆龙 CP1HCP1H 功能简介功能简介 欧姆龙 CP1H小型高功能PLC 有如下特点 1 基本性能 处理速度 基本指令0 1 s 特殊指令0 3 s I O容量 最多7个扩展单元 开关量最大320点 模拟量最大37路 程序容量 20K步 数据容量 32K字 机型类别 本体40点 24点输入 16点输出 继电器输出或晶体管输出可 选 2 特殊功能 4轴脉冲输出 100kHz 2和30 kHz 2 X型和XA型 最大1MHz Y型 4轴高速计数 单向100kHz或相位差50 kHz 4 X型和XA型 最大1MHz Y 型 内置模拟量 4输入 2输出 XA型 3 通信功能 通信接口 最大2个串行通信口 RS 232A或RS 422 485任选 本体附带一 个USB编程端口 通信功能 上位链接 无协议通信 NT链接 1 N 串行网关功能 串行 PLC链接功能 Modbus RTU简易主站 4 其他功能 4 1模拟量输入手动设定 2位7段码发光二极管显示故障信息 支持欧姆龙中型机CJ1系列高功能模块 最大2块 支持FB ST编程 可以利用欧姆龙的Smart FB库 与CJ1 CS1系列程序统一 可以互换 2 4 22 4 2 欧姆龙功能简介欧姆龙功能简介 1 中断功能 精品文档 7欢迎下载 CP1H的CPU单元 通常周期性重复 公共处理 运算处理 扫描处理 I O 刷新 外设端口服务 的处理 运算处理中执行周期执行任务 与此不同 根 据特定要求的发生 可以在该周期的中途中断 使其执行特定的程序 中断功 能种类如下 1 输入中断 直接模式 2 输入中断 计时器模式 3 定 时中 4 高速计数器中断 5 外部中断 2 模拟输入 输出功能 XA型的CP1HCPU单元内置模拟输入4点及模拟输出2点 分辨率分为1 6000或 1 12000两种 输入 输出分别刻选择 0 5V 1 5V 0 10V 10V 10V 0 20 A 4 20 A等5种方式 3 串行通信功能 CP1H CPU单元支持串行通信功能有串行网关 串行PLC链接 NT链接1 N 上位链接 工具总线等 2 52 5 变频器接线变频器接线 2 5 12 5 1 主回路接线主回路接线 图 2 2 变频器电源接线 2 5 22 5 2 控制回路接线控制回路接线 PLC 模拟量信号输出端接入变频器 2 3 端子 控制其输出频率 PLC 输出地址 100 00 接端子 5 对应的地址 COM 接端子 3 控制其运行与 停止 精品文档 8欢迎下载 PLC 输出地址 100 01 接端子 6 对应的地址 COM 接端子 3 控制其旋转方 向 图 2 3 变频器控制端接线 2 5 32 5 3 接线注意事项接线注意事项 1 将电源连接到输入电子 L N 上 电动机连接到输出端子 U V W 上 2 电源和电动机的端子请使用带套筒的圆形压紧式端子 3 主电路接线后 一定要确认连接的是否牢固 否则一旦控制电路接线后 会因电线的进出受到限制而不能重新拧紧主电路 4 以最短方式连接到大容量电源变压器时 500KVA 以上 在变频器的输 入端一定要设置改善功率因数的扼流圈 可选件 5 为了适应 CE 标记的要求 变频器的电源输入端必须设置过电流 短路以 及漏电的保护设备 精品文档 9欢迎下载 第第 3 3 章章 电机介绍电机介绍 3 13 1 电机的规格指标参数电机的规格指标参数 变频器在使用过程中带动的是电机 所以 变频器的选型可以从电机的角 度来选择型号 规格 那首先 我们就必须先了解电机的各项规格指标参数 每台电机都有它自己出厂的铭牌 从铭牌上 我们不难找到电机的各项参数 这些参数中 我们需要了解的主要参数有 电机的额定电压 额定电流 额定 频率 额定转速等 电机的额定电压 电机的额定电压一般有 110V 220V 380V 690V 1140V 6kV 等 电机的额定电流 电机的额定电流根据电机的功率不同而不同 选择变频 器时 变频器的额定电流应大于或等于电机的额定电流 特殊情况应将变频器 功率档次放大一档 电机的额定频率 普通电机的额定频率一般是 50 60Hz 高速电机有 1000 3000Hz 等 CH 100 系列可满足 0 600Hz 电机的需要 如需更高频率 请选用 CH 150 系列变频器 电机的额定转速 电机有分为 2 极 4 极 6 极 8 极等 极数越高 转速 越低 同功率电流也越大 我们一般用的电机的额定转速是 1500 rpm 对应 4 极 电机 变频器也是根据 4 极电机来设计的 2 极对应 3000 rpm 6 极对应 960 rpm 8 极对应 720 rpm 左右 3 23 2 电动机的工作原理电动机的工作原理 当导体在磁场内切割磁力线时 在导体内产生感应电流 感应电机 的名称由此而来 精品文档 10欢迎下载 感应电流和磁场的联合作用向电机转子施加驱动力 三组绕组问彼此 相差 120 度 每一组绕组都由 三相交流电 源中的一相供电 电动机使用了电流的磁效应原理 发现这一原理的的是丹麦物理学家 奥斯特 3 33 3 电动机的接线电动机的接线 在接线完成后 通如电源 若发现未控制电机反转 而旋转方向反转 则 断开电源可以通过任意对调电动机的两根相线来改变其旋转方向 图 3 1 电机旋转方向 3 43 4 PLCPLC 变频器 电机三者的运行关系 变频器 电机三者的运行关系 用 PLC 编写程序 将程序输出信号取出 接到变频器外控端子 控制变频 器的输出信号 变频器接到控制信号后控制电机的运行 停止 反转 正转以 及电机的转速 精品文档 11欢迎下载 第第 4 4 章章 PLCPLC 变频调速系统的设计与调试变频调速系统的设计与调试 4 14 1 系统设计程序系统设计程序 程序如下 LD 0 00 OR W200 00 ANDNOT W200 01 OUT W200 00 LD W200 00 ANDNOT C0000 ANDNOT W200 02 TIM 0000 10 LD T0000 OUT W200 02 400 100 210 210 LD T0000 LD 0 01 OR 0 02 OR 0 03 OUT TR0 CNT 0000 20 LD TR0 MOV 021 0 210 LD 0 02 ANDNOT 100 00 LDNOT 0 02 AND 100 00 ORLD ANDNOT W200 01 OUT 100 00 LD 0 03 ANDNOT 100 01 LDNOT 0 03 AND 100 01 精品文档 12欢迎下载 ORLD ANDNOT W200 01 OUT 100 01 LD 0 01 OUT W200 01 MOV 021 0 210 4 24 2 接线图接线图 图 4 1 总电路的接线图 4 34 3 程序调试程序调试 1 把程序编好了 在 PLC 选项里选择 传送 然后在选择 到 PLC 这个功能 其中 设置 中选择内建 AD DA 如图 4 1 所示 范围选择 精品文档 13欢迎下载 0 5V 图 4 1 2 2 按下变频器 RUN 变频器开始工作 3 按下 0 00 PLC 程序开始工作 频率开始由 0Hz 开始变化 每隔一秒加 速一次 加速二十次后频率为 44Hz 停止加速 4 按下 0 02 Q100 00 得电 给变频器 5 端输入高电频 变频器给电机输 入电源 5 按下 0 03 Q100 01 得电 给变频器 6 端输入高电频 变频器给控制电 机反转 6 再按