基于PLC的变频调速系统设计课程设计讲解

1、课程设计（论文）基于PLC的变频调速系统设计DESIGN OF VARIABLE FREQUENC Y SPEEDREGULATION SY STEM BASSED ON PLC学生姓名 学院名称学号 班级专业名称 指导教师摘要本文主要介绍了研究和设计的基于可编程控制器的变频调速系统的成果，在本次的设 计中，我的设计系统主要由PLG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

2、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；电动机；调速1.1 概述 21.2 设计内容 2.2 系统的功能设计分析和总体思路 3.2.1 系统功能设计分析 32.2 系统设计的总体思路 33 PLC 和变频器的选择 4.3.1PLC 的概述 . 43.1.1 PLC 的基本结构 43.1.2

3、 PLC 的工作原理 53.1.3PLC 的型号选择 63.2 变频器的选择和参数设置 . 73.2.1 变频器的选择 . 73.2.2 变频调速原理 83.2.3 变频器的工作原理 83.2.4 变频器的快速设置 84开环控制设计及PLC编程1.04.1 硬件设计 104.2 PLC 软件编程 104.2.1 设计步骤 104.2.2 程序的主体 114.2.3 控制程序T形图 115 PLC系统的抗干扰设计 1.75.1 变频器的干扰源 175.2 干扰信号的传播方式 175.3 主要抗干扰措施 175.3.1 电源抗干扰措施 175.3.2 硬件滤波及软件抗干扰措施 185.3.3 接地

4、抗干扰措施 18结论 1.9.致谢 2.0.参考文献 2.1.附录 2.2.1 绪论1.1 概述调速系统快速性、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

5、，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。1.2 设计内容（1）利用西门子S7-200PLC EM235西门子MM42变频器等硬件设计一个变频系统，可以控制电动机的正反转和停止，另外能够平滑地调节电动机的转速；（2）用MCG上位机软件界面给出频率设定值。362系统的功能设计分析和总体思路2.1 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

6、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。2.2 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

7、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：3 PLC和变频器的选择3.1PLC的概述3.1.1 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、输益阀灯源 触磁示% U 匕“电入模块、输出模块和编程器组成。(如下图3-1所示)按 III选择丿I关电 游编程器图3-1 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CP(中央处理单元)、存储器(RAM和EPR

8、OM、 输入/输出模块(简称I/O模块)、编程器和电源五大部分组成。1) CPU模块CPU莫块又叫中央处理单元或控制器， 它主要由微机处理器(cpU和存储器组成。cpu 的作用类似于人类的大脑和心脏。它采用扫描方式工作，每一次扫描要完成以下工作：(1) 输入处理：将现场的开关量输入信号和数据分别读入输入映像寄存器和数据寄 存器。(2) 程序执行：逐条读入和解释用户程序，产生相应的控制信号去控制有关的电路， 完成数据的存取、传送和处理工作，并根据运算结果更新各有关寄存器的内容。(3) 输出处理：将输出映像寄存器的内容送给输出模块，去控制外部负载。2) I/O模块I/O模块是系统的眼、耳、手、脚，

9、是联系外部现场和CPU莫块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号。输入信号有两类：一类是从按钮、选择开关、数字开关、限位开 关、接收开关、关电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；另一类是由电位器、热电 偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的模拟量输入信号。可编程序控制器通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执 行器，可编程序控制器控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。CPU模块的工作电压一般是 5V,而可编程序控制器的输入/输出信号电压一般较高， 如直流24V和交流220乂从外部引入的尖蜂电压和干扰噪声可能损坏 CPU模块中的元器件， 或使可编程序控

10、制器不能正常工作，所以CPU模块不能直接与外部输入/输出装置相连。I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与噪声隔离的作用。3）编程器编程器除了用来输入和编辑程序外，还可以用来监视可编程序控制器运行时梯形图中 各种编程元件的工作状态。编程器可以永久地连续在可编程序控制器上，将它取下来后可编程序控制器也可以运 行。一般只在程序输入、调试阶段和检修时使用，一台编程器可供多台可编程序控制器公 用。4）开关量I/O模块开关量模块的输入输出信号仅有接通和断开两种状态。 电压等级有直流5V, 12V, 24V, 48V和交流110V, 220V等。输入输出电压的允许范围很宽，如某交流 220V输入模块的允

11、许低电压为070V,高电压为70256V,频率为4763HZ各I/O点的通/断状态用发光二极管或其它元件显示在面板上，外部I/O接线一般接在模块的接线端子上，某些模块使用可拆除的插座型端子板，在不拆去端子的外部连线的 情况下，可以迅速地更换模。开关量I/O模块可能4, 8, 16, 32, 64点。图3-2直流输入电路3.1.2 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（

12、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、I/O、电池电压、程序存储器、I/O、通讯异常致命错误，CPU虽制STOP方式，所PLC的典型工作过程有扫描停止。图3-1所示为一小型图3-3小型PLC的典型工作过程3.1.3PLC的型号选择在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC

13、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PLC和设计相应的量、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 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

14、等各方面的因素，在此我为该系统设计选择了S7-200 PLC 一台状态显示存储器F 通信13图3-4 S7-200 PLC CPU的外形模型图顶部端子盖 电赵输出端子底弼瑞子號输入瑞子*传感器电涼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

15、反馈。3.2变频器的选择和参数设置3.2.1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

16、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 MM420MicroMaster420 是全新一代模块化设计的多功能标准变频器。 它有强大的通讯能力、 精确 的控制性能、模块化结构设计，具有更多的灵活性，操作方便。最新的IGBT技术，具有7个固定频率， 4 个跳转频率。灵活的斜坡函数发生器带有起始段和结束段的平滑特性，防 止运行中不应有的跳闸，直流制动和复

17、合制动方式提高制动性能。用 BiCo 技术，实现 I/O 端口自由连接。MICR0MASTER4是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列， 从单相电 源电压额定功率120W到三相电源电压额定功率11KW可供选用，由微处理器控制，用具有 现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管 （IGBT） 作为功率输出器件。因此，具有很高的运 行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行 的噪声，全面完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。MICR0MASTER4具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装 置。由于MICROMASTE

18、R420有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用 于更高级的电动机控制系统。3.2.2 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 （式 3.1 ） 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。3.2.3 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。3.2.

19、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。表3-1变频器的参数说明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

20、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P00

21、10=0（准备）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:1.2.3.4.5.（功能键），最右边的一个数字闪烁。，修改这位数字的数值。再按巨（功能键），相邻的下一位数字闪烁。执行2至4步，直到显示出所要求的数值。退出参数数值的访问级。4开环控制设计及PLC编程4.1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：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图+24V1LQ0. 0QO. LQ6 2O+24V西门子Ydin1 MM420JDIN2变频器:Y AIN1A

22、IN2FU曰OL1A B C图4-2硬件连接图4.2 PLC软件编程4.2.1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AQW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。422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

23、位时启动下一次循环子程序(8)外部电压给定子程序423控制程序T形图ID0inENEHOMOV.匚制wENC-OUT-woVWNCUIFAQACIO?10.3內绪2IOCMOO A )810.110.2QO.O A) 6M1.0 R8MZO= 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LDM3.