PLC与变频器多段速度控制系统的设计毕业设计说明书

1、 毕业设计用纸 1 共 32 页 第 1 页 常州轻工职业技术学院电子电气工程系毕业设计 常州轻工职业技术学院常州轻工职业技术学院常州轻工职业技术学院常州轻工职业技术学院 题 目 plc 与变频器多段速度控制系统的设计 姓 名 学 号 1036623116 班 级 10 自动试点班 指导教师 职 称 副 教 授 日 期 2013 年 5 月 c c c z z z i i i l l l i i i 毕业设计毕业设计( (论文论文) )说明书说明书 共 32 页 第 2 页2 中文摘要中文摘要 本文主要简介了可编程控制器与变频器在现代工业调速方面的应用。着重讲解了多段 调速的使用。硬件上使用的

2、是三菱可编程控制器中的 fx3u-48m 和三菱变频器。如今，变 频调速已被公认为是最理想、最有发展前途的调速方式之一，采用变频器构成变频调速传 动系统能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。 变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到 平滑控制电动机转速的目的。变频调速器调速不仅操作方便，故障率低，且节能效果明显， 优于调压调速、变级调速、滑差调速、串级调速、整流子调速和液力偶合器调速等。并且 变频调速在电动机运行时很容易实现电动机的正、反转。只需要改变变频器内部逆变管的 开关顺序，即可实现输出换相，也不存在

3、因换相不当而烧毁电动机的问题。 通过可编程控制器来控制变频器调速，是现代工业应用最为广泛的调速方法之一，所 以本文主要研究的就是通过可编程控制器来控制变频器改变交流电机供电的频率和幅值， 从而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。 关键词：关键词：可编程控制器，变频器，工业调速，变频调速 共 32 页 第 3 页3 abstract this paper mainly introduces the programmable controller and inverter in modern industrial control applications.focused on mu

4、ltiple segments using.the hardware is used on mitsubishi programmable controller in fx3u-48m and mitsubishi inverter.nowadays, vvvf has been recognized as the most ideal, the most promising control one way, using plc variable frequency speed control system can meet the needs of improving labor produ

5、ctivity, improve product quality, improve the degree of automation equipment, improve the quality of life and improve the living environment and other requirements. inverter ac motor power supply is used to change the frequency and amplitude, and thus change its motion magnetic cycle, so as to achie

6、ve the smooth control of motor speed to.frequency conversion speed governor has the advantages of convenient operation, low failure rate, and has obvious energy-saving effect, better than the voltage regulating speed, variable speed control, slip control, cascade control, speed control and hydraulic

7、 coupler speed commutator.and variable frequency speed regulation in the motor run time is easy to achieve the motor is, reverse.only need to change the frequency converter inverter tube inside the switching sequence, you can achieve the output exchange phase, there is no improper burning of the ele

8、ctric motor by phase change problems. through the programmable controller to control the frequency converter, is a modern industrial application is most wide speed regulation method, so this paper mainly studies is that through the programmable controller to control the frequency converter to change

9、 the frequency and amplitude of the ac motor power supply, so as to change the moving magnetic field cycle, so as to achieve the smooth control of motor speed to. keywords: programmable controller, inverter, industrial control, variable frequency speed regulation 共 32 页 第 4 页4 目目 录录 第一章 概述 .6 1.1 课题

10、背景 .6 1.1.1 plc 的发展历程.6 1.1.2 plc 的分类.6 1.1.3 plc 的应用领域.8 1.1.4 变频器基本原理与应用 .8 1.2 课题的目的和意义 .9 1.2.1 课题的目的 .9 1.2.2 课题的意义 .11 1.3 课题任务及要求 .11 1.3.1 课题的主要任务 .12 1.3.2 课题的主要要求 .12 第二章 设计内容简介 .13 2.1 课题目前研究及应用现状 .13 2.2 设备的结构分析 .13 第三章 plc 实现的过程.15 3.1 工作流程 .15 3.1.1 工作过程叙述 .15 3.1.2 工作过程示意图 .15 3.2 plc

11、 的 i/o 分配表.15 3.3 plc 控制的设备清单及原理图.17 3.3.1 元器件设备清单 .17 3.3.2 plc 控制的原理图.17 3.4 梯形图及程序指令表 .18 3.4.1 梯形图 .18 3.4.2 程序指令表 .23 共 32 页 第 5 页5 第四章 控制装置的柜屛设计及安装调试 .27 4.1 元件安装图 .27 4.2 控制柜与操作屏设计图 .28 参考文献 .30 致谢 .31 共 32 页 第 6 页6 第一章第一章 概述概述 1.1 课题背景课题背景 可编程逻辑控制器，英文称 programmable logic controller，简称 plc，它是

12、一个以微 处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计， plc 由 cpu，存储器、i/0 接口、内嵌的精简高效操作系统组成。用户可以根据自己的需要配置 （扩展）自己的 i/0(输入、输出)的类型及数量，用户按自己的控制需求编写控制程序下载 到 plc 的存储器内，plc 在运行的时候，plc 内的操作系统能运行用户的程序，根据用户 程序通过输入端子完成输入信号（开关、触点、传感器等）的读取，并进行处理运算，把 运算处理的结果输出到输出端子，以控制用户的执行机构（阀门、线圈、指示灯等） 。从而 完成用户所需的控制功能。它内部采用的可编程存储器，用于其内部存储程序，执行逻

13、辑 运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输 出控制各种类型的机械或生产过程。 1.1.1 plc 的发展历程的发展历程 20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入 可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗 干扰设计、模拟量运算、pid 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。 世界上生产可编程控制器 的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20 世纪 80 年 代至 90 年

14、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。 plc 自从生产至今，虽然只有短短的 40 多年，单它在机械、冶金、化工、轻工、纺 织等行业已得到了广泛的应用，而微电子技术、信息

15、技术的高速发展，则为 plc 的发展提 供了技术保证。为了适应信息技术的发展与工厂自动化的需要，plc 的功能不断地开发与 完善。plc 在继续提高 cpu 运算速度、位数的同时，开发了适用于过程控制、运动控制的 特殊功能与模块，应用范围开始拓展到工业自动化的全部领域。 1.1.2 plc 的分类的分类 可编程序控制器产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对 plc 的分类，通常根 据 其结构形式的不同、功能的差异和 i/o 点数的多少等进行大致分类。 共 32 页 第 7 页7 1按结构形式分类 根据 plc 的结构形式，可将 plc 分为整体式和模块式两类。 （1）整体式 plc 整体式

16、plc 是将电源、cpu、i/o 接口等部件都集中装在 一个机 箱内， 具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型 plc 一般采用这种 整体式结构。 整体式 plc 由不同 i/o 点数的基本单元（又称主机）和扩展单元 组成。基本单元内有 cpu、i/o 接口、与 i/o 扩展单元相连的扩展口，以及与编 程器或 eprom 写入器相连 的接口等。 扩展单元内只有 i/o 和电源等， 没有 cpu。 基本单元和扩展单元之间一般 用扁平电缆连接。整体式 plc 一般还可配备特殊 功能单元，如模拟量单元、位置控制单 元等，使其功能得以扩展。 （2）模块式 plc 模块式 plc 是将 plc 各组成

17、部分，分别作成若干个单独的模块， 如 cpu 模块、i/o 模块、电源模块（有的含在 cpu 模块中）以及各种 功能模块。模块 式 plc 由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的 插座上。这种模块式 plc 的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统， 而且装配方便，便于扩展和 维修。大、中型 plc 一般采用模块式结构。 还有一些 plc 将整体式和模块式的特点结 合起来，构成所谓叠装式 plc。叠 装式 plc 其 cpu、电源、i/o 接口等也是各自独立 的模块，但它们之间是靠电 缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统 可以灵活配置，还 可做得体积小巧。 2

18、按功能分类 根据 plc 所具有的功能不同，可将 plc 分为低档、中档、高档三 类。 （1）低档 plc 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本 功能， 还可有少量模拟量输入输出、 算术运算、 数据传送和比较、 通信等功能。 主要用于 逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。 （2）中档 plc 除具有低档 plc 的功能外，还具有较强的模拟量输入输出、算术 运算、数据传送和比较、数制转换、远程 i/o、子程序、通信联网等功 能。有些还可增设 中断控制、pid 控制等功能，适用于复杂控制系统。 （3）高档 plc 除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算

19、、位逻 辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能 等。高档 plc 机 具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布 式网络控制系统，实现工厂 自动化。 3按 i/o 点数分类 根据 plc 的 i/o 点数的多少，可将 plc 分为小型、中型和大 型三类。 （1） 小型 plc 小型 plc 的 i/o 点数一般在 128 点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融 为一体，除了开关量 i/o 以外，还可以连接模拟量 i/o 以及其他各种特殊功能模块。它能 执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指 令。 （2） 中型 p

20、lc 中型 plc 采用模块化结构，其 i/o 点数一般在 2561024 点之间。i/o 的处理方式除 了采用一般 plc 通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过 程中，直接读输入，刷新输出。它能联接各种特殊功能模块， 通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。 （3） 大型 plc 一般 i/o 点数在 1024 点以上的称为大型 plc。大型 plc 的软、硬件功能极强。具有 极强的自诊断功能。通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成三级通讯网，实 现工厂生产管理自动化。大型 plc 还可以采用三 cpu 构成表决式系统，使机器的可靠性

21、 更高。 共 32 页 第 8 页8 1.1.3 plc 的应用领域的应用领域 目前，plc 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、 轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类： 1开关量逻辑控制 取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可 用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生 产线、电镀流水线等。 2工业过程控制 在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量 （即模拟量） ，plc 采用相应的 a/d 和 d/a 转换模块及各种各样的控制算

22、法程序来处理模 拟量，完成闭环控制。pid 调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控 制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 3运动控制 plc 可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动 步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电 梯等场合。 4数据处理 plc 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算） 、数据传送、数据转换、排 序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造纸、 冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 5通信及联网 plc 通信含 plc 间的通

23、信及 plc 与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的 发展，现在的 plc 都具有通信接口，通信非常方便。 1.1.4 变频器基本原理与应用变频器基本原理与应用 变频器，英文称 variable-frequency drive，简称 vfd，是应用变频技术与微电子技术， 通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流 （交流变直流） 、滤波、逆变（直流变交流） 、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元 等组成。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其 所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如

24、 过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛 的应用。 变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到 平滑控制电动机转速的目的。变频器的多段调速就是通过变频器参数来设定其运行频率， 然后通过变频器的外部端子来选择执行相关参数 所设定的运行频率。 多段调速是变频器 的一种特殊的组合运行方式， 其运行频率由 pu 单元的参数来设置，启动和停止由外部 输入端子来控制。 pr.4、 pr.5、 pr.6 为 3 段速度设定，至于变频器实际运行哪个参数设 定的频率， 则分别由其外部控制端子 rh、rm、rl 的闭合来决定。 共 32 页

25、第 9 页9 变频器主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大 体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流 回路的滤波是电容。 电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路 滤波是电感。 它由三部分构 成，将工频电源变换为直流功率的“整流器” ，吸收 在变流器和逆变器产生的电压脉动的 “平波回路” ，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器” 。 （1）整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直 流电源。 也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以 进行再生运转。 （2）平波回路：在整流器整流后的直流电压

26、中，含有电源 6 倍频率的脉动 电压，此 外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用 电感和电容吸收脉 动电压（电流） 。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件 有余量，可以省去电感采用 简单的平波回路。 （3）逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交 流功率， 以所确定的时间使 6 个开关器件导通、关断就可以得到 3 相交流输出。 以电压型 pwm 逆变器为例示出开关时间和电压波形。 控制电路是给异步电动机供电 （电压、 频率可调） 的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路” ，主电路的“电压、电流 检测电路” ，电动机的“速度 检测电路

27、” ，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路” ， 以及逆变器和电动机 的“保护电路”组成。 运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号 进行比较运算， 决定逆变器的输出电压、频率。 电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。 驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件 导通、关断。 速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg 等)的 信号为速度信 号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。 保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常 时， 为 了防止逆变器和异步电动机损坏， 使逆变器停止工

28、作或抑制电压、 电流值。 1.2 课题的目的和意义课题的目的和意义 变频调速已被公认为是最理想、最有发展前途的调速方式之一，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。 变频器可以优化电机运行，所以也能够起到增效节能的作用。根据全球著名变频器生 产企业 abb 的测算，单单该集团全球范围内已经生产并且安装的变频器每年就能够节省 1150 亿千瓦时电力，相应减少 9,700 万吨二氧化碳排放，这已经超过芬兰一年的二氧化碳 排放量。 变频器集成了高压大功率晶体管技术和

29、电子控制技术，得到广泛应用。变频器使得复 杂的调速控制简单化，用变频器+交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直 流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新阶段。 1.2.1 课题的目的课题的目的 变频器可将工频交流电转换成频率、电压均可控制的交流电。目前在各行各业中被广 共 32 页 第 10 页10 泛应用，主要向三相交流电动机、异步电动机等提供可变频率的电源，实现无极调速、自 动控制和高精度控制。 变频调速器调速不仅操作方便，故障率低，且节能效果明显，优于调压调速、变级调 速、滑差调速、串级调速、整流子调速和液力偶合器调速等。变频调速的主要特点是： （）体积小

30、、重量轻，可挂墙安装，不占地面； （）可手控、摇控，亦可与可编程控器、计算机等联接，实现自控； （）启动电流低，约为电机额定电流的倍（电机启动电流为倍额定电 流） ，对电网设备冲击小； （）具有许多种保护功能（如过压、欠压、过流、短路、瞬时停电等） ； （）可减振降噪，延长设备使用寿命。 变频调速能够应用在大部分的电机拖动场合， 由于它能提供精确的速度控制， 因此 可以方便 地控制机械传动的上升、下降和变速运行。变频应用可以大大地提高工艺的高效 性(变速不依赖于机械部分)，同时可以比原来的定速运行电机更加节能。下面例举使用变 频调速的 10 个理由，来说明变频器应用日趋普及的基本认识: (1)

31、 控制电机的启动电流。 当电机通过工频直接启动时，它将会产生 7 到 8 倍的电 机额定 电流。这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量，从而降低电机的寿命。 而变频 调速则可以在零速零电压启动(也可适当加转矩提升)。一旦频率和电压的关系建立， 变频器 就可以按照 v/f 或矢量控制方式带动负载进行工作。使用变频调速能充分降低启 动电流， 提高绕组承受力， 用户最直接的好处就是电机的维护成本将进一步降低、 电机 的寿命则相应 增加。 (2) 降低电力线路电压波动。 在电机工频启动时，电流剧增的同时，电压也会大幅度 波动， 电压下降的幅度将取决于启动电机的功率大小和配电网的容量。 电压下降

32、将会导 致同一供电 网络中的电压敏感设备故障跳闸或工作异常，如 pc 机、传感器、接近开关 和接触器等均会 动作出错。而采用变频调速后，由于能在零频零压时逐步启动，则能最大 程度上消除电压下降。 (3) 启动时需要的功率更低。 电机功率与电流和电压的乘积成正比, 那么通过工频直 接启动 的电机消耗的功率将大大高于变频启动所需要的功率。 在一些工况下其配电系统 已经达到了 最高极限， 其直接工频启动电机所产生的电涌就会对同网上的其他用户产生 严重的影响, 从 而将受到电网运行商的警告, 甚至罚款。如果采用变频器进行电机起停, 就不会产生类似的 问题。 (4) 可控的加速功能。 变频调速能在零速启

33、动并按照用户的需要进行均匀地加速， 而且其加速曲线也可以选择(直线加速、s 形加速或者自动加速)。而通过工频启动时对电 机 或相连的机械部分轴或齿轮都会产生剧烈的振动。这种振动将进一步加剧机械磨损和损 耗， 降低机械部件和电机的寿命。另外，变频启动还能应用在类似灌装线上，以防止瓶子 倒翻或 损坏。 (5) 可调的运行速度。运用变频调速能优化工艺过程，并能根据工艺过程迅速改变， 还能 通过远控 plc 或其他控制器来实现速度变化。 (6) 可调的转矩极限。 通过变频调速后，能够设置相应的转矩极限来保护机械不致损 坏， 从而保证工艺过程的连续性和产品的可靠性。 目前的变频技术使得不仅转矩极限可 调

34、， 甚至 转矩的控制精度都能达到 35左右。在工频状态下，电机只能通过检测电 流值或热保 护来进行控制，而无法像在变频控制一样设置精确的转矩值来动作。 (7) 受控的停止方式。 如同可控的加速一样, 在变频调速中, 停止方式可以受控，并 且有不 同的停止方式可以选择(减速停车、自由停车、减速停车直流制动)，同样它能减 少对机械 部件和电机的冲击，从而使整个系统更加可靠，寿命也会相应增加。 共 32 页 第 11 页11 (8) 节能 离心风机或水泵采用变频器后都能大幅度地降低能耗，这在十几年的工程经 验中 已经得到体现。 由于最终的能耗是与电机的转速成立方比， 所以采用变频后投资回 报就更快。

35、 (9) 可逆运行控制 在变频器控制中，要实现可逆运行控制无须额外的可逆控制装置， 只需 要改变输出电压的相序即可，这样就能降低维护成本和节省安装空间。 (10) 减少机械传动部件 由于目前矢量控制变频器加上同步电机就能实现高效的转矩 输出, 从而节省齿轮箱等机械传动部件, 最终构成直接变频传动系统。从而就能降低成本和 空间, 提高稳定性。 正是由于变频器调速具有上述特点，在能源日趋紧张，节能降耗呼声愈来愈高的情况 下，不少企业把变频器的应用作为一种重要的节能手段。综上所述，我们主要研究的就是 如何通过 plc 编程控制变频器调速中的一种多段调速。研究它与 plc 结合后的使用 方法以及 pl

36、c 程序的编写。 1.2.2 课题的意义课题的意义 20 世纪 90 年代开始，交流变频调速装置在我国的应用有了突飞猛进的发展。由于变 频调速在频率范围、动态相应、调速精度、低频转矩、转差补偿、通讯功能、智能控制、 功率因数、工作效率、使用方便等方面是以往的交流调速方式无法比拟的，它以体积小、 重量轻、通用性强、拖动领域宽、保护功能完善、可靠性高、操作简便等优点，深受钢铁、 冶金、矿山、石油、石化、化工、医药、纺织、机械、电力、轻工、建材、造纸、印刷、 卷烟、自来水等行业的欢迎，社会效益非常显著。 下面简单是谈谈使用变频器调速的意义： （1） 变频调速的节能 由于采用变频调速后，风机、泵类负载

37、的节能效果最明显，节 电率可达到 20%60%，这是 因为风机水泵的耗用功率与转速的三次方成比例，当用户需要的平均流量较小时，风机、 水泵 的转速较低，其节能效果也是十分可观的。而传统的挡板和法门进行流量调节时，耗 用功率变 化不大。由于这类负载很多，约占交流电动机总容量的 20%30%，它们的节能 就具有非常重要 的意义。对于一些在低速运行的恒转矩负载，如传送带等，变频调速也可 节能。除此之外，原有调速方式耗能较大者（如绕线转子电动机等） ，原有调速方式比较庞 杂，效率较低者（如龙门刨床等） ，采用了变频调速后，节能效果也很明显。 （2） 变频调速在电动机运行方面的优势变频调速很容易实现电动

38、机的正、反转。只 需要改变变频器内部逆变管的开关顺序，即可实 现输出换相，也不存在因换相不当而烧毁 电动机的问题。 变频调速系统起动大都是从低速开始，频率较低。加、减速时间可以任意 设定，故加、减速 时间比较平缓，起动电流较小，可以进行较高频率的起停。 变频调速 系统制动时，变频器可以利用自己的制动回路，将机械负载的能量消耗在制动电 阻上，也 可回馈给供电电网，但回馈给电网需增加专用附件，投资较大。除此之外，变频器还 具有 直流制动功能，需要制动时，变频器给电动机加上一个直流电压，进行制动，则无需另加 制动控制电路。 （3） 以提高工艺水平和产品质量为目的的应用 变频调速除了在风机、泵类负载上

39、的 应用以外，还可以广泛应用于传送、卷绕、起重、挤压、 机床等各种机械设备控制领域。 它可以提高奇特的产成品率，延长设备的正常工作周期和使用 寿命，使操作和控制系统得 以简化，有的甚至可以改变原有的工艺规范，从而提高了整个设备 控制水平。 使用变频 器的优点 共 32 页 第 12 页12 1.3 课题任务及要求课题任务及要求 通过 plc 编程对变频器进行控制，使其改变电机的旋转频率和幅值，从而实现多段调 速，达到平滑控制电动机转速的目的。 1.3.1 课题的主要任务课题的主要任务 （1）要求由 plc 控制变频器，实现多段速度控制。 （2）可以正转控制，也可以反转控制。具有手动和自动两种控

40、制方式。 （3）手动时，5 个 plc 的输入点可以实现 10hz、20hz、30hz、40hz、50hz 五种速 度。 （4）自动时，按下启动按钮，程序控制变频器每 30 秒改变一次频率，初始值 10 hz，以后每 30 秒加 10 hz，加到 50 后有每 30 秒减 10 hz，减到 10 hz 后在加，如此循环 直到发出停止命令。 1.3.2 课题的主要课题的主要要求要求 （1）整体方案比较与论证 根据设计要求选出 2 种控制方案，并进行比较和论证，确 定最佳方案并进行设计； （2）给出系统原理分析，时序图分析，绘制电气图、plc 连接原理图； （3）列出 i/o 分配表，编制梯形图程

41、序，提供元件和设备清单； （4）整理各项实验数据； （5）软件测试方法和调试方法； （6）编制毕业设计说明书。 共 32 页 第 13 页13 第二章第二章 设计内容简介设计内容简介 2.1 课题目前研究及应用现状课题目前研究及应用现状 变频器主要用于交流电动机转速的调节，是公认的交流电动机最理想、最有前途的调 速方案，除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节能作用，是企业技术改造和 产品更新换代的理想调速装置。自上世纪 80 年代被引进中国以来，变频器作为节能应用与 速度工艺控制中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。 应用变频调速，可以大大提高电机转速的控制精度，使电机

42、在最节能的转速下运行。 以风机水泵为例，根据流体力学原理，轴功率与转速的三次方成正比。当所需风量减少， 风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。因此，精确调速的节电效果非常可观。与 此类似，许多变动负载电机一般按最大需求来生产电动机的容量，故设计裕量偏大。而在 实际运行中，轻载运行的时间所占比例却非常高。如采用变频调速，可大大提高轻载运行 时的工作效率。因此，变动负载的节能潜力巨大。 作为节能目的，变频器广泛应用于各行业。以电力行业为例，由于中国大面积缺电， 电力投资将持续增长，同时，国家电改方案对电厂的成本控制提出了要求，降低内部电耗 成为电厂关注焦点，因此,变频器在电力行业有着巨大的发展

43、潜力，尤其是高压变频器和大 功率变频器。 目前，中国的设备控制水平与发达国家相比还比较低，制造工艺和效率都不高，因此 提高设备控制水平至关重要。由于变频调速具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等 优点，在许多需要精确速度控制的应用中，变频器正在发挥着提升工艺质量和生产效率的 显著作用。 除了工业相关行业，在普通家庭中，节约电费、提高家电性能、保护环境等受到越来 越多的关注，变频家电成为变频器的另一个广阔市场和应用趋势。 带有变频控制的冰箱、 洗衣机、家用空调等，在节电、减小电压冲击、降低噪音、提高控制精度等方面有很大的 优势。 2.2 设备的结构分析设备的结构分析 举例说明 plc 控制变频

44、器在货架冷弯生产线上的实际应用。货架组件冷弯设备机采用 多段速闭环变频器调速控制系统;一般采用外部输入端子 sd、stf、str、rl、rm、rh，进行三段速调速。rl、rm、rh 是低中高三段速速 度选择端子，sd 是输入公共端，stf 是启动正转信号，str 是启动反转信号。 工艺流程如图 2-1 所示，根据货架组件的冷弯成型孔型设计及冷弯成型工艺要求，货 架组件(横梁)冷弯机组共有 12 站牌楼构成，钢卷料由第一站牌楼前的带料导引装置将钢带 穿入冷弯机组进行冷弯成型加工，该冷弯机组主动力由 22kw 的三菱多功能矢量控制变频 器和异步变频电机驱动系统构成，各牌楼间的动力传递可采用链传动或

45、齿轮组来实现;主控 共 32 页 第 14 页14 系统选用可编程控制器，闭环控制反馈信号由 1200p/r 的旋转编码器被动测量提供信号开 关量并测长，根据所选的编码器的线数以及要走的位置量，确定好对应的计测脉冲数，然 后设置 plc，使其在计测到相应的脉冲数时产生相应的动作以实现产品定长切断的精确控 制，其基本长度控制精度可达0.5mm 以上，可重复长度控制误差分布范围最大不超过 1mm。 图 2-1 货架冷弯成型工艺简图 图 2-2 系统闭环控制结构原理图 系统闭环控制结构原理图如图 2-2 所示，plc 与变频器控制实现的多段速系统控制确 保了货架冷弯机组的自动化控制要求，具有运行稳定

46、可靠，定位精度高等特点。变频器完 全满足货架冷弯机组的调速和基本定位控制要求，大大提高了生产效率。 共 32 页 第 15 页15 第三章第三章 plc 实现的过程实现的过程 3.1 工作流程工作流程 3.1.1 工作过程叙述工作过程叙述 （1）通过 plc 编程控制变频器，实现多段速度控制。 （2）通过旋转开关可以实现正转控制，也可以反转控制。具有手动和自动两种控制方 式。 （3）手动时，有 5 个按钮可以实现 10hz、20hz、30hz、40hz、50hz 五种速度。 （4）自动时，按下启动按钮，程序控制变频器每 30 秒改变一次频率，初始值 10 hz，以后每 30 秒加 10 hz，

47、加到 50 后有每 30 秒减 10 hz，减到 10 hz 后在加，如此循环 直到按下停止按钮。 3.1.2 工作过程示意图工作过程示意图 当 plc 上电后，进入手动模式和自动模式的选择，当 sa1 开关打在手动挡时，按下 sb3 到 sb7，即可以实现 10hz50hz 的转速切换，通过 sa2 开关可以选择正反转切换。 当 sa1 开关打在自动挡时，按下启动按钮 sb1，即可以实现变频器每 30 秒改变一次频率， 初始值 10 hz，以后每 30 秒加 10 hz，加到 50 后有每 30 秒减 10 hz，减到 10 hz 后在加， 如此循环直到发出停止命令。通过 sa2 开关可以选

48、择正反转切换。工作过程示意如图 3-1 所示。 3.2 plc 的的 i/o 分配表分配表 根据课题要求设定以下输入输出端口，见表 3-1 所示： 表 3-1 plc 的 i/o 分配表 输入端输入端作用作用输出端输出端作用作用 x0sa1 手/自 y20stf 正转 x1sa2 正/反 y21str 反转 x2sb1 启动 y22rl 低速 x3sb2 停止 y23rm 中速 x4sb310hzy24rh 高速 x5sb420hz x6sb530hz x7sb640hz 共 32 页 第 16 页16 x10sb750hz 共 32 页 第 17 页17 图 3-1 工作过程示意图 共 32 页 第 18 页18 3.3 plc 控制的设备清单及原理图控制的设备清单及原理图 3.3.1 元器件设备清单元器件设备清单 根据课题要求以及硬件接线，产生以下元器件设备清单如表 3-2 所示。 表 3-2 元器件设备清单 3.3.2 plc 控制的原理图控制的原理图 根据课题要求以及设定的 i/o 端口，绘制硬件接线如图 3-2 所示。 共 32 页 第 19 页19 图 3-2 plc 控制原理图 3.4 梯形图及程序指令表梯形图及程序指令表 3.4.1 梯形图梯形图 这一段主要是手动模式：当 sa1 开关打在手动挡时，按下 sb3 到 sb7，即可