毕业设计论文基于PLC与变频器的交流电机调速控制系统

目录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 PLC和变频器控制交流电机的调速的发展与现状11.2 PLC和变频器控制交流调速的目的22 PROFIBUS的通讯原理32.1 RS485传输技术33 变频器与可编程控制器33.1 变频器原理介绍33.2 交流电机的运行理论43.3 可编程控制器43.4 变频器54 系统的设计54.1 系统设计原理和方法54.2 STEP软件简介64.3 PLC程序设计64.4 PI网络设置75 结论10致 谢12参考文献13附录 程序14摘 要随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节间效果,广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。本文所研究的交流电机调速系统采用PLC来控制变频器调速，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、实现电机的多级调速，期间并通过RS485传输技术建立PLC与变频器的PROFIBUSP-DP通讯进而完成PLC控制变频器调速系统的方案设计和全部的控制系统设计。关键词：变频器；可编程控制器；PROFIBUSP-DP通讯ABSTRACTWith the power electronics technology，computer technology， the rapid development of automatic control technology，replace the DC-AC Drive Speed and computer numerical control technology to replace the analog control technology has become a trend。AC variable frequency motor speed control technology is the power to improve the process in order to improve product quality and improving the environment and promoting technological progress as a primary means。Frequency of its superior speed and braking performance from high-efficiency，high power factor and the effect of inter-section，a broad scope of application and many other advantages of being at home and abroad recognized as the most promising approach speed.In this paper, the study by AC motor speed control system using PLC to control the frequency converter speed control，programmable logic controller and give fullplay to the high reliability，flexibility,versatility，scalability，etc，through the PLC switches to control the volume of input and output modules multi-functional inverter input to achieve the multi-stage motor speed control，during the RS485 transmission technology through the establishment of the PLC and inverter PROFIBUSP-DP communication to complete the PLC control program inverter speed control system design and all of the control system design.Keywords: The alternating current; PLC; PROFIBUSP-DP communicationII1 绪论1.1 PLC和变频器控制交流电机的调速的发展与现状 随着电力电子技术和自动控制技术的日益发展，电动机的调速已经从继电器控制时代发展到今天的由变频器控制调速。且在工业各个领域中得到了极为广泛的应用。在现在的在工业自动化控制系统中，最为常见的是由PLC控制变频器实现电动机的调速控制。该方法主要通过程序来控制了电动机的变频调速，从而实现了自动控制1。交流调速系统的发展与应用领域直流电气传动和交流电气传动在19世纪先后诞生。在20世纪的大部分年代里，鉴于直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速传动都采用直流电动机，而约占电气传动总容量80%的不变速传动则采用交流电动机，这种状况在一段时期内已成为一种举世公认的格局。20世纪70年代后，随着大规模集成电路和计算机控制技术的发展以及现代控制理论的应用，交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美2。目前，交流调速技术在工业发达国家已得到广泛应用。美国有60%-65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了交流调速技术，仅工业传动用电就节约了15%-20%的电量。而高性能电力、电子器件的应用更是推动了交流调速系统的发展，例如在通用变频器方面，针对中、低压应用领域的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的高开关频率使得高性能的变频器成为可能，而在以后出现的智能功率模块（IPM），更加简化了通用变频器的设计。此后，交流调速系统主要沿用下述三个方向发展和应用。(1)一般性能的节能调速。在过去大量的所谓不变速交流传动中，风机、水泵等机械总容量几乎占工业电气传动总容量的一半，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过去交流电机本身不具备调速性能，不得不依赖挡板和阀门来调节送风或供水的流量，许多电能因而白白地浪费掉了。如果把这些设备的控制系统换成交流调速系统，就能节省消耗在挡板和阀门上的能量。根据有关计算统计，-3-由于风机、水泵对调速范围和动态性能的要求都不高，只需要一般的调速性能就已足够，那么换成交流调速系统以后，每台风机、水泵平均约可节能20%，这种节能效果是非常可观的。(2)高性能交流调速系统。许多在工艺上就需要调速的生产机械，过去多用直流传动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、转动惯量小、效率高，如果改成交流调速传动，显然能够带来不少的效益3。 交流调速系统的国内外研究现状近年来随着电力电子技术和微电子技术的迅猛发展以及现代控制理论和计算机控制技术的应用，交流调速领域发展非常迅速，交流传动技术取得了突破性的进展，获得了许多创造性的成果。自从70年代矢量控制技术发展以来，从理论上解决了交流调速系统在静、动态性能上与直流传动相媲美的问题4。1.2 PLC和变频器控制交流调速的目的目前，我国的能源消费仅次于美国，位列世界第二，但国民生产总值却排在第八位左右，其中最重要的原因之一就是单位产值能耗太大。我国具有各类风机约780万台，水泵4000万台，空压机560万台，这些装置又占去了电机耗电的一半以上。由于这些设备一般均采用恒速驱动，每年造成大量能源浪费。国家在规划中指出：坚持开发节约并重、节约优先，按照减量化、再利用、资源化的原则，大力推进节能节水节地节材，加强资源综合利用，完善再生资源回收利用体系，全面推行清洁生产，形成低投入、低消耗、低排放和高效率的节约型增长方式。实行有利于资源节约的价格和财税政策。强化节约意识，鼓励生产和使用节能节水产品、节能环保型汽车，发展节能省地型建筑，形成健康文明、节约资源的消费模式。我国对交流变频调速技术的研究起步较晚，到上个世纪90年代才有产品出现，采用的控制技术几乎都还只是V/F控制，调速性能根本无法与国外产品相比。目前在中、低压交流传动中，变频器的使用越来越多，而我国在研究矢量控制系统所需的各种硬件条件已经具备，如已出现的智能化功率器件（IPM），其电压等级、开关频率都有很大的提高；数字化控制元件也已出现单指令周期10ns的高速数字信号处理器（DSP）和几乎能完成一个系统功能的专用集成电路。变频调速已成为电动机调速的最新潮流，有其自身的特点和优点，随着交流电动机变频技术的日趋完善和推广应用，特别是在矿用大功率高压设备中的绞车、提升机、通风机、带式输送机等矿用设备上的应用效果则更加明显。对耗电大、生产环境恶劣的煤炭行业推广应用变频技术更具有现实意义。本课题以PLC和变频器控制交流调速为研究对象，设计出基于PLC和变频器控制交流调速系统的实验装置。本论文的选题不论是从理论上还是从实践上都有十分重要的意义。2 PROFIBUS的通讯原理PROFIBUS是一种应用较为广泛的现场总线，其总线标准是国际总线标准ie61158的重要组成部分。PROFIBUS具有开放式系统，令牌结构，以互联网（opensysteminterconnection-sio）作为参考模型。有3个兼容部分组成部分即PROFIBUS-DP，PROFIBUS-PA，PROFIBUS-FMS。其中DP是一种高速低成本通讯，用于设备级控制系统与分散式i/o的通讯。采用rs485数据接口，传输介质用光纤或双绞电缆，传输波特率从（9.6k12m）bps，传输距离可以通过repeter进行扩展，每个dp网上可以同时配置122个从站，是一种功能强大的现场总线。2.1 RS485传输技术PROFIBUS经常使用的是RS485传输技术，其基本特点见表2.2。这种传输技术类似于IEC标准的HZ，安装十分简单，总线结构允许增加或移去站点，或者分步扩展系统而不影响其他站的工作。传输速率为9.6Kbps12Mbps。一旦系统安装完毕，只能选定一种传输速率。在一根电缆段上可以连接32个站点，如果使用中继器，总线上最多可以挂126个站。RS485传输技术见表2.2表2.1 RS485传输技术传输介质双绞屏蔽电缆站点数不用中继器时，每段最多32个站，用中继器时，可扩展到126个站连接器对IP20用9针D型连接器对IP65/67用MR，HAN BRID或西门子混合型连接器传输速率（bit/s）9.6-12M电缆的最大长度（M）100-12003 变频器与可编程控制器3.1 变频器原理介绍（1）变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。 （2）我们知道，交流电动机的同步转速表达式位：n60f (1s)/p (1) 式中 n异步电动机的转速；f异步电动机的频率； s电动机转差率； p电动机极对数。由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。 3.2 交流电机的运行理论(1)当三相异步电机接入三相交流电源(各相差120度电角度)时，三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势并产生旋转磁场，该磁场以同步转速n0沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转。(2)该旋转磁场与转子导体有相对切割运动,根据电磁感应原理,转子导体产生感应电动势并产生感应电流。(3)根据电磁力定律，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。载流的转子导体在定子产生的磁场磁场中受到电磁力作用，电磁力对电机转子轴形成电磁转矩，驱动电机转子沿着旋转磁场方向旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。3.3 可编程控制器可编程控制器的定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。 (2)可编程控制器的基本组成：可编程控制器主要由CPU、存储器、基本I/O接口电路、外设接口、编程装置、电源等组成。 (3)可编程控制器的工作原理： CPU对用户程序的执行过程是CPU的循环扫描，并用周期性地集中采样、集中输出的方式来完成的。一个扫描周期主要可分为：a 读输入阶段;b 执行程序阶段;c 处理通信请求阶段;d 执行CPU自诊断测试阶段;e 写输出阶段。3.4 变频器变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。变频器主要是由主电路、控制电路组成：(1)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，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”。(2)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”，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。4 系统的设计4.1 系统设计原理和方法本系统由PLC、变频器(具有RS485通信功能)、交流电机组成。其工作原理为：给定的速度与经由经PLC运算可得控制量，再由RS485接口输出到变频器以驱动交流电机，从而达到调节电机转速的目的。由于PLC与变频器之间没有采用DA进行转换，而是采用RS485进行数字通信，有效地提高了系统的抗干扰能力。变频调速系统框图如图所示。PLC控制器变频器交流电机速度给定图4.1 变频调速系统框图4.2 STEP软件简介西门子STEP7是用于SIMATIC S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形图逻辑、功能块图和语句表进行编程操作。常规功能之外还具备以下的特点:（1）MPI 接口； （2）集成 modem 支持: 内置modem 功能，可进行远程编程、诊断或数据传输；（3）编程不需 MPI 转换器，直接通过PC上的 RS232 口；（4）现场总线通讯功能，制器功能中已集成了Profibus DP Master / Slave, Profibus FMS 和 LONWorks； (5) 用STL, LAD, FBD编程；(6) 使用Siemens工程工具，监视修改变量，程序状态等；4.3 PLC程序设计4.3.1 编程原则PLC程序在很大程度上影响总线的通讯控制速率和程序的通用性。在编程时，应注意以下几个问题：1程序结构化标准设计程序设计时应充分考虑到不同变频器的特点。同时必须考虑到程序的可重复性使用。在算法组织上应充分考虑到速度链的变更、负荷分配位置/点数的变化应该做到可移植性良好。 程序设计上应充分考虑到现场的调试和系统的扩展，在程序设计上应该考虑程序的通用性和程序的智能化。考虑调速系统在故障时的变更措施。2程序高效率设计在程序设计时注意程序的效率，应能够充分发挥系统的功能。在编程设计时充分考虑PLC扫描周期对程序执行速度的影响，能够在本周期完成的任务不要拖到下一周期执行。4.3.2 PLC和存储点的地址分配 PLC及存储点地址分配如表4.3所示：表4.1 PLC及存储点地址分配M4.0变频器正转M4.1变频器停止M4.2变频器反转M4.3变频器正转状态M4.4变频器反转状态M4.5变频器开环M4.6变频器闭环M4.7ON闭环OFF开环M30.0组态王开环速度修改确认M30.1组态王闭环速度修改确认M30.2触摸屏开环速度修改确认M30.3触摸屏闭环速度修改确认M30.4组态王闭环参数修改确认M30.5触摸屏闭环参数修改确认MW32组态王开环设定值MD36组态王闭环设定值MW40触摸屏开环设定值MD42触摸屏闭环设定值MD46组态王闭环P参数设定MD50组态王闭环I参数设定MD54组态王闭环D参数设定MD58组态王闭环TM-FAG参数设定MD62触摸屏闭环P参数设定MD66触摸屏闭环I参数设定MD70触摸屏闭环D参数设定MD74触摸屏闭环TM-FAG参数设定4.4 PI网络设置如图4.3所示，首先在STEP 7的硬件组态中设置通讯双方的MPI地址，然后新建一个MPI网络，名称为MPI（1），并将通讯双方都连接到该网络上。然后通过工具栏按钮打开【NetPro】来组态网络。图4.2 在STEP 7中设置MPI网络图4.3 在NetPro中新建一个网络连接在NetPro中可以看到，MPI网络上连接了两个站，选择S7-400的CPU，在连接列表里添加一个新的连接，如图4.4所示。通讯连接选择对方站点，连接类型选择【S7 Connection】，这时，在连接列表里，就建立了一个ID号为1的连接，如图4.5所示。至此，硬件组态和网络组态就完成了。图4.5 组态网络连接完成硬件组态后，接下来在客户端S7-400侧编程调用SFB14(GET),读取S7-300侧的数据和SFB15（PUT）来向S7-300站发送数据。程序如下：Call SFB14“GET”CALL“GET”，DB14REQ：=M0.0 (M0.0=1 Active job at rising edge 上升沿触发接收请求)ID：W#16#1 (This ID is come from LOCAL ID. 本地连接ID号)NDR：M0.1 (0：Job not started or still active. 任务没有开始或进行中，1：Job successfully 任务成功）ERROR：M0.2 (Check error 错误检测)STATUS：MW2 (Error display 显示错误)ADDR_1：=P#DB1.DBX0.0 BYTE 122 (Server station S7-300 data area, Max.byte 122 服务器端的源数据区1，最大为122字节)ADDR_2：P#DB2.DBX0.0 BYTE 122 (可以从四个数据区取数据)ADDR_3：P#DB3.DBX0.0 BYTE 122ADDR_4：P#DB4.DBX0.0 BYTE 122RD_1：PM100.0 BYTE122 (Client station S7-400 data area 客户机端的数据存放区1)RD_2：PM100.0 BYTE122 （对应四个数据存放区）RD_3：PM100.0 BYTE122RD_4：PM100.0 BYTE122Call SFB15 “PUT”CALL“PUT”，DB15REQ：M10.0 (M10.0=1 Active job at rising edge上升沿触发数据发送请求)ID：W#16#1 (This ID is come from LOCAL ID. 本地连接ID号) DONE：M10.1 (0：Job not started or still active. 任务没有开始或进行中，1：Job successfully 任务成功）ERROR：M10.2 (Check error 错误检测)STATUS：MW12 (Error display 显示错误)ADDR_1：=P#DB1.DBX200.0 BYTE 122 (Server station S7-300 data area, Max.byte 122 服务器端的数据接收区1，最大为122字节)ADDR_2：P#DB1.DBX200.0 BYTE 122 (可以向四个数据区发送数据)ADDR_3：P#DB1.DBX200.0 BYTE 122ADDR_4：P#DB1.DBX200.0 BYTE 122SD_1：PM400.0 BYTE 122 (Client station S7-400 data area 客户机端的数据存放区1)SD_2：PM400.0 BYTE 122 （可以有四个源数据存放区）SD_3：PM400.0 BYTE 122SD_4：PM400.0 BYTE 122MPI网络使用方便，在中小规模的网络中是较为经济的一种选择。5 结论该系统操作简单，可靠性高，维护方便，并且可应用于关于变频调速的认识性实验、应用性实习等。采用 P LC控制变频调速试验系统开发柔性好、 抗干扰性强及自动化程度高。以往，采用的继电器方式的逻辑控制，控制方式落后，系统复杂，发现和排除故障困难。难以满足新形势自动控制方式运行水平的高要求。所以，在此设计中我采用可编程序控制器和通用变频器，以PROFIBUS做为通讯实现对交流电机的调速控制。因受多方面条件的限制，及本人的知识有限，实践经验不足，在设计中出现的理论上与实际应用上的诸多问题，谨盼老师给以指正。致 谢在肖剑老师的指导下，经过几个月的努力，我完成了毕业设计设计任务。在毕业设计的实践中，学到很多有用的知识，在论文的写作过程中，指导老师肖剑老师无比耐心、无私无求的给予我持续的帮助，没有肖剑老师的指导，论文无法顺利完成。在此请接受的最真诚的感谢。衷心感谢系里的肖剑等老师的关怀。另外在此次设计中，同组的同学也给了我很大的帮助，家人对我的帮助。在此，我也向他们致以真诚的感谢！即将结束再次学习的生活，相信等待我的是一片充满机遇、风险与快乐的土地；也相信我和同仁们的事业必将如涅磐之凤、浴火之凰；更加相信，不朽的民族精神终将引领我们创造新的奇迹！“风雨不改凌云志，振衣濯足展襟怀。行方智圆煅内蕴，海阔天空铸宏图。”谨向在百忙中抽出宝贵时间评审我的论文的各位老师致以真挚的感谢。老师教诲之恩，当永记今生。参考文献1 秦益霖等人编著.西门子S7-300PLC应用技术 电子工业出版社. 2007.2 王占奎等编著. 交流变频调速应用例集M. 北京：科学出版社. 1995.3 李爱云，张承慧编著. 现代逆变技术及应用M. 北京：科学出版社. 2000.4 陈国呈编著著. PWM变频调速及软开关电力变换技术M. 北京：机械工业出版社.2000.5 胡崇岳编著. 现代交流调速技术M.第二版. 北京：机械工业出版社. 1998. 附录 程序分程序说明Network：2SET= “交流调速背景数据块”.P_SEL= “交流调速背景数据块”.I_SEL= “交流调速背景数据块”.D_SELL “BOP_C_P”L 5.600000e+000T “交流调速背景数据块”. GAIN L “BOP_C_I”L 3500T “交流调速背景数据块”. TIL “BOP_C_D”L 1000T “交流调速背景数据块”. TDL “BOP_C_TM_TAG”L 3000T “交流调速背景数据块”. TM_LAGL “BOP_C_SPEED_DISPLY”L 1.400000e+003T “交流调速背景数据块”.SP_INTNetwork：3O “BOP_STOP_CON”ON “BOP_C_O_STAT”= “交流闭环STOP”L 0.000000e+000T “交流调速背景数据块”.MANNetwork：4L “交流电机输出值”RNDT “交流电机输出控制值”Network：5Network：6变频器控制控制变频器正转当按下正转按扭后,”BOP_ZHENG_CON”会接通一个周期,”BOP_ZHENG _STAT”得电,并通过其常开触点自保,输出正转信号。停止控制按扭（“BOP_STOP_CON”）的常闭触点串联在电路中,当按下停止按扭后,其常闭触点打开一扫描周期,”BPOP_ZHENG_STAT”失电，其常开触点断开，电路断路。反转输出“BOP_FAN_STAT”的常闭触点串联在电路中，与正转输出形成互锁，防止正反信号同时输出发生错误。Network：7控制变频器反转当按下反转按扭后,“BOP_FAN_CON”会接通一个周期,“BOP_FAN_STAT”得电,并通过其常开触点自保,输出反转信号。停止控制按扭（“BOP_STOP_CON”）的常闭触点串联在电路中,当按下停止按扭后,其常闭触点打开一扫描周期,”BPOP_FAN_STAT”失电，其常开触点断开，电路断路。反转输出“BOP_ZHENG_STAT”的常闭触点串联在电路中，与正转输出形成互锁，防止正反信号同时输出发生错误。Network：8正转时将1151（十六进制为47F）写入控制字MW300Network：9停止时将1150（十六进制为47E）写入变频器控制字MW300Network：10MW300为变频器控制字设置值，送入PQW512Network：11来自350-2的变频电机旋转编码器速度信号，在S7300里是PQD110，对应为S7400里的PID110，该信号已转化为01500000，送入MD5用于显示。Network：12转速/30000=频率，送入MW304用于触摸屏显示Network：13Network：14变频器控制模式选择:M4.5 选择开环 M4.6 选择闭环 M4.7 OFF为开环 ON为闭环 Network：15开环速度设定 (触摸屏) MOPNetwork：16闭环速度设定 (组态王) ZUTAIWANG 单位为01500转/分钟 (RMP)闭环速度设定 (触摸屏) MOPNetwork：17变频器速度闭环PID参数调节组态王变频速度闭环PID参数设定及修改Network：18变频器速度闭环PID参数调节触摸屏变频速度闭环PID参数设定及修改Network：19开环状态时将MW302（050HZ）*327.68=016384送入变频器设置字PQW514A “BOP_C_O_STAT”JC M010L “BOP_SETWORD”L 328*I T “BOP_SETSPEED”M010:：NOP 0Network：20L PID 110DTRL 1.000000e+003/RT “交流电机实测转速”Network：21/ W#16#47F/ T “BOP_CONTROL” AN “BOP_C_O_STAT” JC M011 L MW 124 / “交流电机输出控制值” / MD122，取后一个字 T “BOP_SETSPEED”M011： NOP 0Network：20反转时将3199（十六进制为47E）写入控制字MW30021