毕业设计-基于PLC与变频器的交流电机调速控制硬件系统设计与实现 精品

基于与变频器交流电机调速控制硬件系统设计与实现完成日期：指导教师签字：答辩小组成员签字：摘

要可编程控制器（PLC）是一种数字运算与操作的控制装置。PLC为传统继电器的替代产品，广泛应用于工业控制的各个领域。由于PLC可以用软件来改变控制过程，并有体积小，组装灵活，编程简单，抗干扰能力强及可靠性高等特点，特别适用于恶劣环境下运行。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；本文介绍了基于PLC的变频器调速系统。将现在应用最广泛的和变频器综合起来主要功能实现了变频调速首先通过设置给定输入给再通过PLC控制变频器再经由变频器来控制异步电机控制运算主要由PLC变频器来完成，执行元件为变频器和异步电机。关键词：电力电子；变频器；变频调速；交流电机IAbstractlogic(PLC)adigitalcomputingcontrolPLCatraditionalrelayproducts,widelyinallofcontrol.PLCcanbetochangesmallsize,flexibleissimple,stronganti-jammingreliability,suitableforWiththedevelopmentofelectronicsandcontroltechnology,theAChaswidelyusedintheofindustrialmotorcontrollerPLCasanewalternativerelaydevice,usedforfieldcollectionandcontrolequipmentarticledescribesinverterspeedcontrolsystemonPLC.NowwidelyusedPLCinverterofcontrol.FirstsettothetoPLC,controlcontrolthemotorviathemainlythePLCcompleteimplementationofcomponentsofinverterthemotor.Keywords：Powerelectronics;Converter;machiveII目

录

112.1设计总体方.......................................................12.2系统功...........................................................23择33.1PLC的选.........................................................33.2变频器的选.......................................................54硬件设

64.1变频器接.........................................................64.1.1变频器主电路接.................................................64.1.2控制端子接.....................................................74.2变频器的操作及参数设.............................................94.2.1变频器的操作说.................................................94.2.2变频器的参数设................................................104.3PLC的硬件接....................................................114.4PLC与变频器的连................................................124.5调速控制总电....................................................13试

14III基于PLC与变频器的交流电机调速控制硬件系统设计与实现1述就是可编程控制器（Controller国际电工委员会（1987年发布的PLC标准草案中对PLC做这样的定义：一种数字运算操作的电子系统就是可编程控制器，主要是在工业环境下应用。PLC是在电气控制技术和计算机技术的基础上开发形成的，它以微处理器为核心，融入了自动化及计算机技术。PLC在世界范围内已广泛应用于工业生产，交通运输，生活娱乐等。在工业中应用广泛，它的工作方式以及使用方便快捷。在硬件方面，接口比较容易，方便连接。此外，它还可以有很多实用功能，比如，它可以编入外围器件的故障自诊断程序，可以让系统中除以外的电路及设备也可以获得故障自诊断保护，并且也已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，有品种齐全的各种硬件装置供用户选用；在软件方面，PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法规律性强，容易掌握编程语言容易学习，较为简单，并且梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近。变频器是应用电力电子技术与变频技术和自动控制技术，通过改变三相异步电机工作电源频率来控制交流电动机转速的电力控制设备。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[采用变频器调速有以下优点提高了设备的自动化程度也提高了生产速度，可以最大的节约能源、降低生产成本。和变频器被广泛的应用在电力、冶金、矿物开采、化工、交通控制、机械加工和食品加工等诸多领域。本次课题将对与台达变频器对交流电机调速控制系统进行研究。本文所研究的交流电机调速系统采用控制变频器调速。充分发挥可编程控制器的高可靠性、灵活性、通用性、扩展性等优点。通过PLC的开关量输入输出模块控制变频器的多功能输入端，从而改变三相异步电机工作电源频率，实现电动机的多级调速。2统设计总体方与功能分析2.1系统采用控制变频器实现交流电动机启动、停止、正反转及各种转速的改变。系统主要由三个部分构成，即可控制部分，执行部分变频器和三相异步交流电机，系统构成框图如图2-1所示。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。1[5][5]基于PLC与变频器的交流电机调速控制硬件系统设计与实现输入开关

变频器

M图统主要构成图2.2随着电力电子技术以及自动控制技术的发展，交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用PLC和变频器作为替代继电器的新型控制装置可靠性高抗干扰能力强，硬件配套齐全，功能完善，使用方便，体积小，重量轻，能耗低，使用寿命长且功能强大，常常被用于现场数据采集和设备的控制。本次设计就是基于的变频器调速系统，首先通过设置给定输入给，再通过控变频器，再经由变频器来控制电机。结合实际情况，我为系统设计了以下功能：（1）按下正转按钮（）时，异步电机按变频器的旋钮设定频率进行正转。（2）按下反转按钮（）时，异步电机按变频器的旋钮设定频率进行反转。（3）按停止按钮（）时，电机在任何情况下都停止运转。（4）按下自动按钮（）时，可以使变频器按照自身设定程序自动循环运转。具体运转模式见图2-2。频率50Hz

P2035Hz

P1932Hz正转

P2111Hz10Hz

P17

P23

P170Hz

P82

P86反

P81P83P84P85

P87P81

时间转20H

z

P18P22图2-2变器控制电动机运模式2基于PLC与变频器的交流电机调速控制硬件系统设计与实现（5）按下按钮（）时，电动机正转，使电机按照PLC设定程序自动循环运转。具体运转模式见图2-3频率50Hz

P2035Hz32Hz

P18

P19

P21

P2220Hz11Hz10Hz

P23

P170Hz10s12s15s

20s8s17s15s

时间图控电动机运转模式按下按钮（I0.6）时，电动机按照PLC设定程序正反转交替循环运转。每15s交替一次，正转频率为35Hz，反转频率为20Hz。变频器故障时即当交流电机驱动器侦测到有异常状况发生时，电动机停止运转。3和频器的型号选择3.1PLC的选在系统设计时先应确定控制方案步工作就是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

[2]

。在型号的选择上，工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据，同时综合了输入输出（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，来确定型号的选择。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和设计相应的控制系统

[9]

。还有故障自诊断功能，可以让系统中以外的电路及设备也可以获得故障自诊断保护的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法规律性强，容易掌握编程语言容易学习，较为简单，并且梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近。本次设计PLC输入点数7个，输出点6个。I/O点数估算时应考虑增的余量，因此选择了7-200PLC/CPU224/14输入/10输出由于控制较简单，对存储容量、殊功能模块没有特殊要求。根据学校实验室现有设备，从中选择了S7-200PLC/CPU224XP/14输入/10输出。S7-200具体型号见表3基于PLC与变频器的交流电机调速控制硬件系统设计与实现表S7-200PLCCPU选型号表注：AC/DC/继器——100～230VAC电/24VDC输入继电器输出；CPU系列号CPU224XP

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描述继器；14点入10点输；2输/输共3个拟量I/O点

选型型号6ES7214-2BD23-0XB0在的应用中还有重要的一项就是编程中需要用到的指令如下S7-200系列的基本指令包括常用指令、堆栈操作指令、计数指令、定时器指令、比较指令和程序控制指令等。（1）触点指令触点指令包括逻辑取和线圈驱动指令，它有两种连接形式，即串联和并联。①逻辑取和线圈驱动指令。指令格式为：LD取指令；LDN取反指令。②触点串联指令。指令格式为：A常开触点串联：AN常闭触点串联。③触点并联指令。指令格式为：O常开触点并联：ON常闭触点并联。（2）逻辑电路块的连接指令串联电路块的并联指令。指令格式为：OLD。并联电路块的串联指令。指令格式为：ALD（3）置位，复位，取反指令置位指令的格式为：SbitN。复位指令的格式为：RbitN取反指令的格式为：。（4）计数器指令①增计数器指令CTU：其指格式为：CTUCx,x为计数器编号。②减计数器指令CTD：其指格式为：CTDCx,x为计数器编号。③增减计数器指令CTUD：其指令格式为：x为数器编号。（5）定时器指令①接通延时指令TON：其指令格式为：TONTx,。x定时器编号。②断开延时指令TOF：其指令格式为：TOFTx,。为定时器编号。③有记忆接通延时指令TONR：其指令格式为Tx,x为定时器编号。（6）结束及暂停指令①结束指令可分为有条件结束指令END和无条件结束指令4基于PLC与变频器的交流电机调速控制硬件系统设计与实现②暂停指令的指令格式为：STOP。（7）子程序指令子程序指令包括个指令：建立子程序、子程序调用和子程序返回。其中子程序调用指令又有2指令：子程序调用指令CALL和程序条件返回指令3.2在选择变频器时，首先要确定在该设计系统中使用通用变频器的目的，根据目的来选择最优的变频器，从而达到预期效果。再根据该设计的控制要求，对调速范围、速度响应和控制精度、启动转矩等要素，并充分了解变频器所驱动负载特性，从而来确定采用什么功能的变频器对于该设计的实现更加方便，然后确定采用什么控制方式最合适。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。若对变频器选型、系统设计及使用不当，可能会造成很多影响，比如，可能会使变频器不能正常的运行，从而达不到预期效果；可能引发设备故障，造成不必要的损失。为了保证所选用的变频器长期的可靠的运行，应当重点注意变频器的地线的接地连接。变频器的工作原理是把市电50Hz通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件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[。根据实验室现有设备我选择了小型的三相异步电机，异步电机参数如下：，U，I，n。N根据电机参数变频器应选用三相电源380~480VAC，50Hz，输出额定功率应大于。再根据学校实验室现有设备和三相异步电动机参数，从中选择了台达VFD-022M。变频器具体型号及参见表3-2表台达变器号及参数表变频器系列号VFD-M

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描述LC-M2E数控制面/三相电源380~480VAC,50/60Hz/电机输出额定功率2.20kW(3HP)/额定输出容量3.8kVA/额定输出(入)电流5.0A（6.0A）/输出率(Hz)0.1~400Hz/强制风冷

选型型号VFD022M43B5基于PLC与变频器的交流电机调速控制硬件系统设计与实现4件设计4.1变频器主电路接线本次设计选用的台达VFD-022M变频器电源为三相380V交流电，在主电路接线时应正确的和三相交流电源连接。为了保证所选用的变频器长期的可靠的运行，应当重点注意VFD-M频器的地线的接地连接根据变频器使用手册，电源、变频器、三相异步电机具体接线如图4-1。图变器主电路配线图三相异步电机使用Y型法，异步电机接线如图。图步电机接线图6基于PLC与变频器的交流电机调速控制硬件系统设计与实现控制端子接线台达VFD-M频器提供了多种控制功能其中有外部多功能端子控制数字操作面板控制，通讯控制等。根据设计要求及简捷控制的目的，我选择了通过外部多功能端子控制变频器以达到控制异步电机的目的台达VFD-M变频器控制端子说明见下表4-1。表多功能控制端子说明表端子记号RA﹣RCRB﹣RCM0﹣GNDM1﹣GNDM2﹣GNDM3﹣GNDM4﹣GNDM5﹣GND

端子功能说明多功能指示信号输出接点多功能指示信号输出接点多功能输入辅助端子多功能输入选择一多功能输入选择二多功能输入选择三多功能输入选择四多功能输入选择五

规格对应参P46继器接点输出对应参P对应参P对应参P对应参P对应参P对应参P本次设计中多功能指示输出端子RA/RB/RC使用故障指示端子，变频器产生故障时RA端子的继电器会接通，产生一个故障信号送给PLCPLC会停止变频器和异步电机的运转。故障指示端子电路如图4-3图故指端子电路图本次设计中多功能输入端子全部使用，其相应功能分配见表4-2，段速选择指令见表4-3。7基于PLC与变频器的交流电机调速控制硬件系统设计与实现表4-2多能输入端子功能配表端子M0M1M2M3M4M5

设定功能正转/停止反转/停止变频器内部程序自动运转开始指令输入多段速指令一段速选择多段速指令二段速选择多段速指令三段速选择表指令与段速对应表段速第一段段速P17第二段段速P18第三段段速P19第四段段速P20第五段段速P21第六段段速P22第七段段速P23

多功能输入端子通过给定的信号执行相应的正转、反转、停止、段速选择等命令。多功能输入端子电路如图4-4图-4多能输入端子电路图8基于PLC与变频器的交流电机调速控制硬件系统设计与实现4.2变频器的操作说明变频器操作面板变频器为我们提供了简易的控制面板，其中有参数显示，运行指示，操作键MODE/RUN/ENTER/STOP，频率钮等。具体如下图。图频器操作面板通过控制面板按键可以修改变频器的设定参数，参数的修改方法如下表。表数的修改举例例如：修改参数P00操作步骤按MODE键按上下键按ENTER键按上下键按ENTER键

说明进入参数设定画面选择欲读出或修改的参数号码进入参数设置，出参数内容修改参数输入资料无误则显示"End"输入资料有误则显示"Err"9

显示P00P00~P157EndErr基于PLC与变频器的交流电机调速控制硬件系统设计与实现变频器的参数设置根据控制要求现将变频器主要参数进行设定，参数设定值见表。表要参数设定表参数P00P01P02P03P04P05P10P11P17P18P19P20P21P22P23P24P36P37P38P39

参数功能频率指令来源设定运转指令来源设定电机停车方式设定最高操作频率选择最大电压频率选择最高输出电压选择第一加速时间选择第一减速时间选择第一段频率设定第二段频率设定第三段频率设定第四段频率设定第五段频率设定第六段频率设定第七段频率设定禁止反转功能设定输出频率上限设定输出频率下限设定多功能输入选择一M0)多功能输入选择二M1)多功能输入选择二M2)

设定值HzHzVssHzHzHzHzHzHzHzHzHz

实现功能主频率输入由数字操作器控制运转指令由外部端子控制，键S键有效以减速刹车方式停止最高操作频率最大电压频率最高输出电压电机达到设定转速用时电机停止用时第一段频率第二段频率第三段频率第四段频率第五段频率第六段频率第七段频率可反转输出频率上限输出频率下限M0：转停止M1：转停止AUTORUN可程序自动运转10基于PLC与变频器的交流电机调速控制硬件系统设计与实现P40P41P42P46P78P79P81

多功能输入选择三M3)多功能输入选择四M4)多功能输入选择五M5)多功能输出ELAY接点可程序运转模式选择可程序运转转向设定第一段运行时间设定对应参数

s

多段速指令一多段速指令二多段速指令三故障指示自动运行循环运转（间隔）运转方向“0100010”*0＝转*＝转第一段运行时间第二段运行时间设定P8212s对应参数第三段运行时间设定P8315s对应参数第四段运行时间设定P8420s对应参数第五段运行时间设定P858对应参数第六段运行时间设定P8617s对应参数第七段运行时间设定P8715s对应参数4.3PLC的硬

第二段运行时间第三段运行时间第四段运行时间第五段运行时间第六段运行时间第七段运行时间本次设计选用的型号为CPU224XP14入/输出/AC/DC/RLYPLC的安装要求可以确定的供电电源为220V交流电的输入端供电DC24V本身提供直流电源，可以作为输入电源使用。的输出模式为继电器模式，输出端相当于一个自动开关，PLC有输出时会接通所以输出端供电使用变频器多功能样就可以形成一个完整的回路，达到控制的目的。PLC供电电源、的输入、输出接线电路如图4-6。11基于PLC与变频器的交流电机调速控制硬件系统设计与实现图4-6PLC的接线电路图4.4PLC与变本设计中对变频器的控制是通过的继电器输出模块控制变频器的多功能输入端，从而改变电机工作电源频率，实现电机的多级调速。PLC输入输出地址分配及连接项见表4-6。表输/输出分配表地址I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5

输入功能正转反转变频器自动运转停止多段速运转故障急停

连接项RA

地址Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5

输出功能正转反转变频器自动运转段速选择段速选择段速选择

连接端口M0M1M2M3M4M5I0.6

正反转交替

12基于PLC与变频器的交流电机调速控制硬件系统设计与实现与变频器的接线电路如图。图变频器的接线电路图4.5通过对和变频器各部分的设计确定了基于与变频器的交流电机调速控制硬件系统的总体设计方案电路，如图4-8图总设方案电路图13基于PLC与变频器的交流电机调速控制硬件系统设计与实现5装调试根据所设计的电路对PLC、变频器、异步电机进行安装接线。在安装过程中首先应注意的是安全问题，因为安装的过程中会接触到及380V交流电，应当小心不要触电，在接线和调试时一定确保断开电源。在接通电源前需要确定电源电压为所需要的正确电压。变频器的三相电源之间电压要均衡，以免不能正常启动。为了保证所选用的变频器长期的可靠的运行，应当重点注意变频器的地线的接地连接。6结本系统结构简单、操作方便，可实现自动控制。本系统结构简单、操作方便，可实现自动控制。通过PLC变频器的连接共同来选择交流电机的段速，从而可以锻炼我们对软件的编程能力的提高以及对硬件连接熟知能力的提高。通过这一次课程设计，我不仅熟悉和掌握了和变频器的结构和工作原理。同时也加深了对和变频器的理解，通过硬件设计和动手操作，逐步掌握硬件设计的基本方法和产品安装技术次论文所用图片通过所绘炼了制图能力。在做实验时，把握住每一个重点的细节，防止出现任何由于粗心导致的差错，并且在写论文时，应该有侧重点。在这次课程设计中我觉得最重要的就是要有自学能力，运用工具书，利用网络高效率的查阅资料。遇到问题的时候，要认真思考可能的原因，然后一步一步的去验证自己的想法，直到解决遇到的问题。将理论应用到实践当中，培养我们的创新能力，从而不断地挑战自己，超越自己，为今后工作打下能力基础。14基于PLC与变频器的交流电机调速控制硬件系统设计与实现参考文献[1]乔东凯.基于PLC和变频器控制异步电机转速的研究[J].机械与电子2008,(7):71-72.[2]方丽娜宏.可编控制器技术开发与应[M].北京子业出版社[3]胡松自动控制原理（第五版[M].北京