电气工程及其自动化基于PLC的变频调速系统设计.docx

课 程 论 文题 目： 基于PLC的变频调速系统设计 姓 名： 金 亦 铖 学 号： 20130502310015 专业班级： 电气工程及其自动化1班 学 院： 机电工程学院 指导教师： 唐荣年 基于PLC的变频调速系统设计摘要：交流异步电动机是工农业生产中最重要的拖动设备之一，因其结构简单、维修容易等优点而得到了广泛应用。而在现代工业生产中，有一些设备需要根据不同的工作环境，要调节到一个特定的转速。从而对交流异步电动机的速度提出了要求，希望能达到一台设备运行时，能根据不同材料的加工产品，实现运行速度的调节，并能稳定运行。本设计主要由PLC、变频器、电动机等几部分组成。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。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 一、绪论本次设计主要以PLC和变频器为主，PLC是一种工业控制计算机，能进行逻辑运算，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。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。变频器操作方便、体积小、控制性能高而成为目前世界上最受欢迎的调速方式，在工业工厂中应用十分广泛，所以本次设计课题为我们今后到工厂发展打下很好的铺垫，很有实用价值。 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。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。目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统（DCS）。但就其控制策略而言，占统治地位的仍旧是常规的PID控制。PID结构简朴、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型。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。用户根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。 组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且轻易犯错误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成。组态王是海内一家较有影响力的组态软件开发公司开发的，组态王具有流程画面，过程数据记录，趋势曲线，报警窗口，生产报表等功能，已经在多个领域被应用。二、系统的功能设计分析和总体思路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。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：速度给定 +电机变频调速系统PLC（PID）速度反馈信号图1.1 速度闭环控制的机构控制图1、 PLC和变频器的选择PLC的概述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、输入模块、输出模块和编程器组成。（如下图2.1所示）编程器接触器线圈按钮输入接口输出接口存储器指示灯继电器触点电磁阀线圈位置开关.微处理器 电源PLC图2.1 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CPU（中央处理单元）、存储器（RAM和EPROM）、输入/输出模块（简称I/O模块）、编程器和电源五大部分组成。PLC的工作原理PLC运行时，需要进行大量的操作，这迫使PLC中的CPU只能根据分时操作原理，按一定的顺序，每一时刻执行一个操作。这种分时操作的方式，称为CPU的扫描工作方式，是PLC进行实时控制的常用的一种方式。 PLC采取按顺序循环扫描的工作方式，当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 PLC的型号选择工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC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PLC和设计相应的控制系统。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等各方面的因素，在此我为该系统设计选择了S7-200 PLC一台。图 S7-200 PLC CPU的外形模型图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反馈。变频器的选择和参数设置变频器的选择随着变频器性能价格比的提高，交流变频已应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速得到广泛应用。其功能较强，使用灵活，但其价格相对较贵。所以我选用了通用变频器，通过合理的配置、设计和编程，同样可以达到专用变频器的控制效果。本设计采用的变频器是西门子公司面向世界推出的21世纪通用型变频器MM420。它可实现平稳操作和精确控制，使电动机达到理想输出，这种变频器不仅考虑了V/f控制，而且还实现了矢量控制，通过其本身的自动调谐功能与无速度传感器电流矢量控制，很容易得到高起动转矩与较高的调速范围。MM420变频器的特点如下：（1） 包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化（2） 又丰富的内藏与选择功能（3） 由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小。（4） 保护功能完善、维修性能好。（5） 通过LCD操作装置，可提高操作性能。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 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。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。三相异步电动机的几种调速方式 三相异步电动机转速公式为： n=60f/p（1-s） 从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可太到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。 从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。 一、变极对数调速方法 这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下：具有较硬的机械特性，稳定性良好；无转差损耗，效率高；接线简单、控制方便、价格低；有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。 本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。 2、 变频调速方法 变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类，目前国内大都使用交-直-交变频器。其特点：效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高；技术复杂，造价高，维护检修困难。 本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。 3、 串级调速方法 串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为：可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速70%-90%的生产机械上；调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。开环控制设计及PLC编程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：速度给定变频调速系统 PLC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：+24VDIN1DIN2AIN1AIN2L1L21M 1LI0.0 Q0.0I0.1 Q0.1I0.2 Q0.22M+24V UVWS7-200PLCA B C西门子MM420变频器LNFUMAC220VX Y Z图4-2 硬件连接图PLC软件编程设计步骤(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AQWO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。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） 有循环位时启动下一次循环子程序 （8） 外部电压给定子程序控制程序T形图PLC系统的抗干扰设计变频器的干扰源 在变频器的输入输出电路中，除较低次的谐波成分外，还有许多频率很高的谐波电流，这些电流除了增加输入侧的无功功率，降低功率因数以外，还将以各种方式把自己的能量传播出去，形成对其他设备的干扰信号，严重的甚至使某些设备无法正常工作。 变频器干扰其他设备的根本原因是因为输入和输出电流中具有高次谐波成分。变频器的输入电流中具有很大的高次谐波成分，这些高次谐波电流除了影响功率因数外，也可能对其他设备进行干扰。由于绝大多数逆变桥都采用SPWM调制方式，其输出电压为输出占空比按正弦规律分布的系列矩形波。又由于电动机定子绕组的电感性质，其定子电流十分接近正弦波，但其中与载波频率相等的谐波分量仍较大。干扰信号的传播方式 电路传导方式 通过电源网络传播。这时变频器输入电流干扰信号的主要传播方式。 通过漏电流传播。这是变频器输出侧干扰信号的主要传播方式。 感应耦合方式 电磁感应方式。这是电流干扰信号的主要传播方式。由于变频器的输入电流与输出电流中的高频成分要产生高频磁场，该磁场的高频磁力线穿过其他设备的控制线路而产生感应干扰电源。 静电感应方式。这是电压干扰信号的主要传播方式。是变频器输出的高频电压波通过线路的分布电容传播给主电路。 空中辐射方式。频率很高的谐波分量具有向空中辐射电磁波的能力，从而多其他设备形成干扰。主要抗干扰措施 电源抗干扰措施在PLC控制系统中，电源占有极重要的地位。电网干扰串入PLC控制系统主要通过PLC系统的供电电源（如CPU电源、I/O电源等）、变送器供电电源与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。现在，对于PLC系统供电的电源，一般都采用隔离性能较好电源，而对于变送器供电的电源和PLC系统有直接电气连接的仪表的供电电源，并没受到足够的重视，虽然采取了一定的隔离措施，但普遍还不够，主要是使用的隔离变压器分布参数大，抑制干扰能力差，经电源耦合而串入共模干扰、差模干扰。所以，对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大（如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术）的配电器，以减少PLC系统的干扰。此外，为保证电网馈点不中断，可采用在线式不间断供电电源供电，提高供电的安全可靠性。并且UPS还具有较强的干扰隔离性能，是一种PLC控制系统的理想电源。硬件滤波及软件抗干扰措施信号在接入计算机前，在信号线与地间并接电容，以减少共模干扰；在信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。由于电磁干扰的复杂性，要根本消除迎接干扰影响是不可能的，因此在PLC控制系统的软件设计和组态时，还应在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。常用的一些措施：数字滤波和工频整形采样，可有效消除周期性干扰；定时校正参考点电位，并采用动态零点，可有效防止电位漂移；采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位；采用间接跳转，设置软件陷阱等提高软件结构可靠性。接地抗干扰措施接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。 系统接地方式有：浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，装置之间的信号交换频率一般都低于1MHz，所以PLC控制系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。集中布置的PLC系统适于并联一点接地方式，各装置的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极。如果装置间距较大，应采用串联一点接地方式。用一根大截面铜母线（或绝缘电缆）连接各装置的柜体中心接地点，然后将接地母线直接 连接接地极。接地线采用截面大于222mm的铜导线，总母线使用截面大于602 mm的铜排。接地极的接地电阻小于2，接地极最好埋在距建筑物1015m远处，而且PLC系统接地点必须与强电设备接地点相距10m以上。信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；不接地时，应在PLC侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地；多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理。选择适当的接地处单点接点。结论在这次课程设计中我觉得最重要的就是要有自学能力，因为这次实训中有部分知识我们之前还没有接触过，所以自己必须学会查找相关的资料。另外就是在遇到实际问题的时候，要认真思考，运用所学的知识，一步一步的去探索，是完全可以解决遇到的一般问题的。而在这次设计程序的过程中，我一开始时走了很多弯路，这也是自己的知识不够扎实的原因。不过经过自己几天的努力，最后还是做了出来，而且还做得挺不错的。 经过这次的课程设计，让我深深的感受到理论联系实践的重要性，平时在学习中不能够透彻理解的知识，通过动手，会有更好的认知。本次课程设计虽然不长，但是它给我们带来了很多收获。它使我意识到自己的操作能力的不足，在理论上还存在很多缺陷。所以在以后的学习生活中，我会更加努力地加强理论联系实践的学习，在努力学好专业知识的同时努力加强自己的专业技能方面的能力，使自己的知识在实践中不断增长，在实践中锻炼自己，培养自己各方面的能力，不断提高自己的能力。 通过本次课程设计，对S7-200系列PLC的特点有了更深的理解。利用了S7-200系列PLC的特点，对按钮、开关等输入/输出，模拟量输入/输出进行控制，实现了变频器在控制作用下的变频调速。 经历自己设计实验和查阅资料，让我了解了更多关于西门子S7-200和变频器方面的资料，让我了解了大概的选型和注意事项，并自己动手实验，参照一些编程试着去编一个程序，资料上查到的是欧姆龙或者是三菱的编程语句，但是通过他们的编程思路，我们可以借鉴到自己的S7-200程序中，编程序的过程中遇到了很多问题，通过不断的问同学，反复的思考，调试，终于编出了调用子程序来达到控制的目的，此次课程设计让我收获颇多，在这个课程设计的过程中，既让我与同学加深了沟通，又让我学到关于西门子的一些知识，我知道这知识很少的一点，但我会在以后的学习中了解更多。由于本人资历有限，可能还有一些没有注意到的问题，还请老师赐教，深表感谢！参考文献1 王永华. 现代电气控制及PLC应用技术（第二版），北京航空航天大学出版社,2008 2 廖常初. 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