S7-1200PLC应用技术项目教程课件：三相异步电动机变频调速的PLC控制

三相异步电动机变频调速的PLC控制一、任务导入在“电机与电气控制”课程我们已学习了关于三相异步电动机的变极调速控制，随着变频技术的发展，在调速控制中变频调速的使用越来越广泛。本任务以三相异步电动机的变频调速PLC控制为例，来学习模拟量控制的应用。二、知识链接（一）模拟量模块

模拟量模块概述模拟量模块SM1231模拟量输入模块SM1234模拟量输入/输出模块SM1232模拟量输出模块模拟量输入模块主要有M1231AI4×13/16bit、AI4×13bit、AI4/8×RTD、AI4/8×TC模拟量输出模块主要有SM1232AQ2×14bit、AQ4×14bit，其输出电压为±10V或输出电流0～20mA模拟量输入/输出模块目前只有4通道模拟量输入/2通道模拟量输出模块。规格电压输出电流输出输出点数2通道模拟量输出范围DC±10V（输入电阻：198.7kΩ）DC0～20mA或4～20mA分辨率14位13位满量程范围（数据字）-27648～276480～27648精度（25℃/-20～60℃）满量程的±0.3%/±0.6%稳定时间（新值的95%）300μs(R)750μs(1uF)600μS(1mH)，2ms(10mH)负载阻抗≥1000Ω≤600Ω功耗1.8W电流消耗（SM总线）80mA电流消耗(DC24V)45mA（无负载）隔离（现场侧与逻辑侧）无电缆长度100m屏蔽双绞线表4-7SM1232AQ2×14bit模拟量输出模块性能规格图4-29模拟量输出模块SM1232AQ2×14bit的接线图

模拟量模块的地址分配模拟量模块以通道为单位，一个通道占一个字（2个字节）的地址，所以在模拟量地址中只有偶数。S7-1200PLC的模拟量模块的系统默认地址位I/QW96～I/QW222。一个模拟量最多有8个通道，从96号字节块开始，S7-1200PLC给每一个模拟量模块分配16B（8个字）的地址。N号槽的模拟量模块的起始地址位（N-2）×16+96，其中N大于等于2。集成的模拟量输入/输出系统默认地址是I/QW64、I/QW66；信号板上的模拟量输入/输出系统默认地址是I/QW80。模拟量输入地址的标识符是IW，模拟量输出地址的标识符是QW。

模拟值的表示模拟值用二进制补码表示，宽度16位，最高位是符号位。模拟量模块的精度最高位为15位，如果少于15位，则模拟值左移调整，然后再保存到模块中，未用的低位填入“0”。若模拟值的精度为12位加符号位，左移3位后未使用的低位（第0～2位）为0，相当于实际的模拟值被乘以8。范围测量范围百分比十进制十六进制±10V±5V±2.5V范围118.515%327677FFF11.851V5.926V2.963V上溢117.593%325127F00

117.589%325117EFF11.759V5.879V2.940V超出范围

276496C01

表4-8电压测量范围为±10～±2.5V的模拟值的表示范围测量范围百分比十进制十六进制±10V±5V±2.5V范围100.000%276486C0010V5V2.5V正常范围75.000%2073651007.5V3.75V1.875V0.003617%11361.7μV180.8μV90.4μV0%000V0V0V-0.003617%-1FFFF-361.7μV-180.8μV-90.4μV-75.000%-20736AF00-7.5V-3.75V-1.875V-100.000%-276489400-10V-5V-2.5V

-2764993FF

低于范围-117.589%-325118100-11.759V-5.879V-2.940V-117.593%-3251280FF

下溢-118.515%-327678000-11.851V-5.926V-2.963V表4-8电压测量范围为±10～±2.5V的模拟值的表示系统测量范围百分比十进制十六进制0～20mA4～20mA范围118.515%327677FFF23.70mA22.96mA上溢117.593%325127F00

117.589%325117EFF23.52mA22.81mA超出范围

276496C01

100.000%276486C0020mA20mA正常范围75.000%20736510015mA15mA

11723.4nA4mA+578.7nA0%000mA4mA-118.519%-327688000

表4-9电流测量范围为0～20mA和4～20mA的模拟值的表示缩放指令（SCALE_X）将浮点数输入参数VALUE（0.0≤VALUE≤1.0）被线性转换（映射）为参数MIN（下限）和MAX（上限）定义的范围之间的数值。转换结果用OUT指定的地址保存。缩放指令的梯形图如图4-30所示。（二）缩放指令（SCALE_X）和标准化指令（NORM_X）

缩放指令（SCALE_X）图4-30缩放指令的梯形图在图4-30中，单击指令方框内指令名称下面的问号，用下拉式列表设置变量的数据类型。参数MIN、MAX和OUT数据类型应相同，可以是整数、浮点数，也可以是常数，参数VALUE的数据类型为浮点数。输入、输出之间的线性关系（见图4-31）如下：OUT=VALUE×（MAX-MIN）+MIN图4-31SCALE_X线性关系标准化指令（NORM_X）将整数输入参数VALUE（MIN≤VALUE≤MAX）线性转换（标准化，或称归一化）为0.0～1.0之间的浮点数，转换结果用OUT指定的地址保存。标准化指令的梯形图如图4-32所示。

标准化指令（NORM_X）图4-32标准化指令的梯形图在图4-32中，单击指令方框内指令名称下面的问号，用下拉式列表设置输入VALUE和输出OUT的数据类型，OUT的数据类型为浮点数。输入参数MIN、MAX和VALUE的数据类型应相同，可以整数、浮点数，也可以是常数。输入、输出之间的线性关系如下（见图4-33）：OUT=（VALUE-MIN）/（MAX-MIN）图4-33NORM_X指令线性关系图4-34例4-1梯形图【例4-1】某温度变送器的量程为-200～850℃，输出信号为4～20mA，符号地址为“模拟值”的IW96将0～20mA电流信号转换为数字量0～27648，求以℃为单位的浮点数温度值。分析：4mA对应的模拟值为5530，IW96将-200～850℃的温度转换为模拟值5530～27648，用标准化指令将5530～27648的模拟值归一化位0.0～1.0之间的浮点数，然后用缩放指令将归一化后的数值转换为-200～850℃的浮点数温度值，保存至MD40中，梯形图如图4-34所示。图4-35例4-2梯形图【例4-2】将地址为QW96整数型变量“AQ输入”转换后的DC0～10V电压作为变送器的模拟量输入值，通过变频器内部参数的设置，0～10V的电压对应的转速为0～1800r/min。求以r/min为单位的整数型变量“转速”对应的AQ模块的输入值“AQ输入”。梯形图如图4-35所示。注意在使用博途软件编程时，应去掉OB1属性中的“IEC检查”复选框中的勾选，否则不能将SCALE_X指令的输出参数OUT的数据类型设置为Int。（一）任务目标1）熟练掌握SM1232AQ2模拟量输出模块接线和应用。2）会S7-1200系列PLCI/O接线。3）会西门子G120C变频器的接线和参数设置。4）掌握缩放指令、标准化指令的编程及应用。5）能根据控制要求编写梯形图程序。6）熟练使用博途编程软件进行设备组态、编制梯形图程序，下载至CPU进行调试运行并查看运行结果。三、任务实施表4-10所需设备与器材（二）设备与器材序号名称符号型号规格数量备注1常用电工工具

十字起、一字起、尖嘴钳、剥线钳等1套表中所列设备、器材的型号规格仅供参考2计算机（安装博途编程软件）

1台3西门子S7-1200PLCGPUCPU1214CAC/DC/Rly，订货号：6ES7214-1AG40-0XB01台4模拟量输出模块SM1232AQ2×14BIT，订货号：6ES7232-4HB32-0XB01块5变频器挂件（西门子变频器）

G120C1个6三相异步电动机M

1台7以太网通信线

1根8连接导线

若干三相异步电动机的变频调速PLC控制要求，按下起动按钮，电动机先以10Hz频率正向运行，10s后以20Hz频率运行，20s后以30Hz频率运行，30s后以40Hz频率运行，40s后以50Hz频率运行，50s后又重新开始运行，循环两次后自动停止，运行过程中按下停止按钮电动机立即停止运行。（三）内容与步骤

任务要求

I/O地址分配与接线图表4-11I/O地址分配表输入输出设备名称符号I元件地址设备名称符号Q元件地址起动按钮SB1I0.0变频器正向运行数字量输入端子DI0Q0.0停止按钮SB2I0.1

图4-36三相异步电动机变频调速PLC控制I/O接线图图4-37三相异步电动机变频调速的PLC控制变量表

创建工程项目打开博途编程软件，在Portal视图中选择“创建新项目”，输入项目名称“4RW_1”选择项目保存路径，然后单击“创建”按钮创建项目完成，组态CPU模块，并在CPU模块右侧2号槽组态一模拟量输出模块SM1232AQ2×14BIT（订货号：6ES7232-4HB32-0XB0）。

编辑变量表

设置变频器参数序号参数默认值设置值含义说明备注1P0010030参数复位

2P097001触发驱动参数复位

3P001001快速调试

4P0015717两线制控制2，模拟量调速

5P030011设定为异步电动机

6P0304400380电动机额定电压，单位为V

7P03051.70.18电动机额定电流，单位为A

8P03070.550.03电动机额定功率，单位为kW

9P03105050电动机额定频率，单位为Hz

表4-12变频器参数的设置序号参数默认值设置值含义说明备注10P031113951300电动机额定转速，单位为r/min

11P03410.0015710.00001电动机转动惯量，单位kg.m2

12P0756[00]40单极电压输入（0～10V）

13P0776[00]01电压输出

14P108215001500最大转速，单位为r/min

15P1120100.1加速时间，单位为s

16P1121100.1减速时间，单位为s

17P119020电动机数据检查

18P001000电动机就绪

19P097101保存驱动对象

表4-12变频器参数的设置（续）

编写程序图4-38三相异步电动机变频调速控制梯形图（四）分析与思考

调试运行将硬件组态及图4-38程序编译后下载至CPU中，按照图4-36进行PLC输入、输出端接线，启动CPU，将CPU切换至RUN模式，然后调试运行，观察运行结果。1）在图4-38梯形图程序中，MW10、MD20分别是什么数据类型，多少位，QW96表示什么意思？2）本任务中若要求三相异步电动机反向运行，I/O接线图和程序应如何修改，若要实现固定转速运行，I/O接线图和程序又应如何修改？四、任务考核表4-13任务实施考核表序号考核内容考核要求评分标准配分得分1电路及程序设计（1）能正确分配I/O地址，并绘制I/O接线图（2）设备组态（3）根据控制要求，正确编制梯形图（1）I/O地址分配错或少，每个扣5分（2）I/O接线图设计不全或有错，每处扣5分（3）CPU、SM1232模块组态与现场设备型号不匹配，每项扣10分（4）梯形图表达不正确或画法不规范，每处扣5分40分2安装与连线根据I/O接线图，正确连接电路（1）连线错一处，扣5分（2）损坏元器件，每只扣5～10分（3）损坏连接线，每根扣5～10分20分3调试与运行能熟练使用编程软件编制程序下载至CPU，并按要求调试运行（1）不能熟练使用编程软件进行梯形图的编辑、修改、编译、下载及监视，每项扣2分（2）不能按照控制要求完成相应的功能，每少一项扣5分20分4安全操作确保人身和设备安全违反安全文明操作规程，扣10～20分20分5合计五、知识拓展（一）高速计数器PLC的普通计数器是按照顺序扫描的方式进行工作，在每个扫描周期中，对计数脉冲只能进行一次累加，计数频率一般仅有几十赫兹。而高速计数器能对数千赫磁的频率脉冲进行计数。当输入脉冲信号频率大于PLC的扫描频率时，普通计数器会失去很多输入脉冲信号。S7-1200PLC拥有6个高速计数器HSC1～HSC6，用以响应快速的脉冲输入信号，可以设置多达12种不同的操作模式。高速计数器的运行速度比CPU的扫描周期快得多，可测量的单相脉冲频率最高为100KHZ，双相或A/B相最高为30KHZ。

高速计数器工作模式高速计数器工作模式单相计数，内部方向控制双相加/减计数器，双脉冲输入A/B相正交计数器单相计数，外部方向控制表4-14S7-1200PLC高速计数器的硬件输入定义和工作模式项目描述输入点功能HSCHSC1使用CPU上集成I/O或信号板I0.0（CPU）I4.0（信号板）I0.1（CPU）I4.1（信号板）I0.3（CPU）I4.3（信号板）

HSC2使用CPU上集成I/O或信号板I0.2（CPU）I4.2（信号板）I0.3（CPU）I4.3（信号板）I0.1（CPU）I4.1（信号板）

HSC3使用CPU上集成I/OI0.4（CPU）I0.5（CPU）I0.7（CPU）

HSC4使用CPU上集成I/OI0.6（CPU）I0.7（CPU）I0.5（CPU）

HSC5使用CPU上集成I/O或信号板I1.0（CPU）I4.0（信号板）I1.1（CPU）I4.1（信号板）I1.2（CPU）

HSC6使用CPU上集成I/OI0.3（CPU）I0.4（CPU）I0.5（CPU）

表4-14S7-1200PLC高速计数器的硬件输入定义和工作模式（续）项目描述输入点功能模式单相计数，内部方向控制时钟脉冲发生器

复位

单相计数，外部方向控制时钟脉冲发生器方向

计数或频率复位计数双相计数，两路脉冲输入增时钟脉冲发生器减时钟脉冲发生器

计数或频率复位计数A/B相正交计数时钟脉冲发生器A时钟脉冲发生器B

计数或频率Z相

并非所有的高计数器都可以使用6个高计数器，例如CPU1211C由于本体上只有6个集成输入点，所有最多只能支持4个（使用信号板的情况下）高计数器。S7-1200PLC除了提供计数功能外，还提供了频率测量功能，有3种不同的频率测量周期：1.0s、0.1s和0.01s。频率测量周期是这样定义的：计算并返回频率值的时间间隔。返回的频率值为上一个测量周期中所有测量值的平均值，无论测量周期如何选择，测量出的频率值总是以Hz（每秒脉冲数）为单位。

高速计数器寻址CPU将每个高速计数器的测量值以32位双整数型有符号数的形式存储在过程映像输入区内，用户在程序中可以直接访问这些地址，也可以在设备组态中修改这些存储地址。由于过程映像区受扫描周期的影响，在一个扫描周期内高速计数器的测量数值不会发生变化，但高速计数器中的实际值有可能会在一个扫描周期内发生变化，因此可通过直接读取外设地址的方式读取到当前时刻的实际值。以ID1004为例，其外设地址为“ID1004：P”。高速计数器默认寻址见表4-15。高速计数器号数据类型默认地址HSC1DIntID1000HSC2DIntID1004HSC3DIntID1008HSC4DIntID1012HSC5DIntID1016HSC6DIntID1020表4-15高速计数器默认寻址列表

中断功能S7-1200PLC在高速计数器中提供了中断功能，用以在某些特定条件下触发程序，有以下3种中断条件。

1）当前值等于预置值

3）带有外部方向控制时，计数方向发生改变

2）使用外部信号复位

高速计数器指令高速计数器指令（CTRL_HSC）用于组态和控制高速计数器，该指令通常放置在触发计数器硬件中断时间时执行的硬件中断组织块中。高速计数器指令需要使用背景数据块存储参数，在编辑器中放置CTRL_HSC指令后系统自动分配DB。高速计数器指令块的梯形图及端子参数说明见表4-16。LAD/FBD参数数据类型说明ENBool使能输入ENOBool使能输出HSCHW_HSC高速计数器的硬件标识符DIRBool1-使能新方向表4-16高速计数器指令CTRL_HSC的LAD/FBD及端子参数说明LAD/FBD参数数据类型说明CVBool1-使能新初始值RVBool1-使能新参考值PERIODBool1-使能新频率测量周期（仅限频率测量模式）NEW_DIRInt方向选择：1-加计数；-1-减计数NEW_CVDInt新初始值NEW_RVDInt新参考值NEW_PERIODInt新频率测量周期（仅限频率测量模式），1000:1s；100:0.1s；10:0.01sBUSYBool处理状态STATUSWord运行状态表4-16高速计数器指令CTRL_HSC的LAD/FBD及端子参数说明（续）（二）高计数器应用将型号为E6H-CWZ5B欧姆龙增量型旋转编码器安装在三相异步电动机转轴上，通过高速计数器对其脉冲进行计数，用于控制指示灯HL点亮熄灭。要求按下起动按钮时电动机起动运行，当计数20000个脉冲时，指示灯HL点亮，并设定新参考值为40000个脉冲。当计满40000个脉冲后，指示灯HL熄灭，计数器复位，并将新参考值再设置为20000，如此循环运行。运行过程中按下停止按钮或电动机发生过载，电动机停止运行、指