PLC与变频器控制电机多段速运行

1 毕 业 设 计 论 文 任 务 书 毕业设计 论文 题目 PLC 与变频器控制电机多段速运行 专业 11 机电一体化 姓名 孙大鹏 毕业设计 论文 工作起止时间 毕业设计 论文 的内容要求 1 采用西门子的 S7 300型 PLC 作为核心控制器进行步进电机控制系统的设 计 2 并且设计出了系统结构图 程序指令 梯形图以及输入输出端子的分配方 案 3 同时根据步进电机调速控制系统总体控制要求和特点 确定 PLC 的输入输 出分配 并进行现场调试 指导教师 签名 年 月 日 2 毕业设计开题报告 一 课题设计 论文 目的及意义 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 二 课题设计 论文 提纲 1 设计流程 2 选择适合的传感器以及相关硬件 3 3 线路的设计以及 PLC的选择 三 课题设计 论文 思路 方法及进度安排 1 参阅相关产品的技术资料 如步进电机调速的设计方法等 拟确定各结构 设计方案 从而能实现步进电机的功能 2 要从各种方案中选择合适的方案 分析出各方案的优缺点 综合优化各种 设计方案 从而确定出本次设计的最后设计方案 3 要完成步进电机的设计与校核 4 完成总装配图 零件图 部件图设计和说明书的撰写 进度安排 1 调研及收集相关资料 2 方案设计 审查和确定 撰写开题报告 3 绘制图纸和撰写设计说明书 4 统一打印 5 提交图纸 说明书 审图及修改 毕业答辩 四 课题设计 论文 参考文献 1 魏志精 可编程控制器应用基础 电子工业出版社 2003 2 周恩涛 可编程控制器原理及其在液压系统中的应用 机械工业出版社 3 廖常初 PLC基础及应用 北京 机械工业出版社 2003 4 杨长能 张兴毅 可编程序控制器基础及应用 重庆 重庆大学出版 社 1992 31 52 5 袁秀英 组态软件技术 北京 电子工业出版社 2003 6 37 154 159 6 北京昆仑通态自动化软件科技有限公司 MCGS 用户指南 7 胡健 西门子 S7 300 机械工业出版社 2007 2 4 I 目 录 目 录 I 摘 要 II 引 言 3 1 PLC和变频器 4 1 1 PLC的介绍 4 1 1 1 PLC的结构及特点 4 1 1 2 PLC的工作原理 5 1 1 3 PLC的应用 6 1 1 4 PLC发展趋势 6 1 2 变频器的介绍 7 1 2 1 变频器的工作原理 7 1 2 2 变频器的控制方式 8 1 2 3 变频器的应用 9 1 3 PLC与变频器的组合 9 2系统功能设计的分析与总体方案 10 2 1 系统功能设计的分析 10 2 2 设计要求 10 2 3 设计思路 10 3 控制设计 11 3 1 变频器功能参数设置与操作 11 3 2 变频器参数设置 12 3 3 PLC程序设计 13 参 考 文 献 18 附录 A 变频器内部原理框图 19 附录 B 硬件连接图 20 致 谢 22 II 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 作为传统继电器的 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 可编程控制器 PLC作为替代继电器的新型控制装置 常常被用于现场数据 采集和设备的控制 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 PLC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 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 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 关键词 PLC 变频器 变频调速 3 引言 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 特别是在 国防 汽车 冶金 机械 石油等工业中 具有举足轻重的作用 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 可编程控制器 PLC 可编程控制器是一种工业控制计算机 是继续计算机 自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置 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 在工业领域中深受工程操作人 员的喜欢 因此 PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用 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 4 1 PLC 和变频器 1 1 PLC 的介绍 1 1 1 PLC 的结构及特点 1 PLC的结构如下 电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用 如果没有一个良好的 可 靠的电源系统是无法正常工作的 因此 PLC的制造商对电源的设计和制造也十 分重视 一般交流电压波动在 10 15 范围内 可以不采取其它措施而将 PLC直接连接到交流电网上去 中央处理单元 CPU 中央处理单元 CPU 是 PLC的控制中枢 它按照 PLC系统程序赋予的功能接 收并存储从编程器键入的用户程序和数据 检查电源 存储器 I O 以及警戒 定时器的状态 并能诊断用户程序中的语法错误 当 PLC投入运行时 首先它 以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据 并分别存入 I O映象区 然 后从用户程序存储器中逐条读取用户程序 经过命令解释后按指令的规定执行 逻辑或算数运算的结果送入 I O映象区或数据寄存器内 等所有的用户程序执 行完毕之后 最后将 I O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相 应的输出装置 如此循环运行 直到停止运行 为了进一步提高 PLC的可靠性 近年来对大型 PLC还采用双 CPU构成冗余系统 或采用三 CPU的表决式系统 这样 即使某个 CPU出现故障 整个系统仍能正常运行 存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器 存放应用软件的存储器称为 用户程序存储器 输入输出接口电路 现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路 作用是 PLC与现 场控制的接口界面的输入通道 2 现场输出接口电路由输出数据寄存器 选通 电路和中断请求电路集成 作用 PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件 输出相应的控制信号 功能模块 如计数 定位等功能模块 通信模块 如以太网 RS485 Profibus DP 通讯模块等 2 PLC其特点如下 可靠性高 抗干扰能力强 传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器 时间继电器 由于触 点接触不良 容易出现故障 PLC 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器 仅剩下与输入和输出有关的少量硬件 接线可减少到继电器控制系统的 1 10 1 100 因触点接触不良造成的故障大为减少 高可靠性是电气控制设备的关键性能 PLC 由于采用现代大规模集成电路 技术 采用严格的生产工艺制造 内部电路采取了先进的抗干扰技术 具有很 5 高的可靠性 例如三菱公司生产的 F系列 PLC平均无故障时间高达 30万小时 一些使用冗余 CPU的 PLC的平均无故障工作时间则更长 从 PLC的机外电路来 说 使用 PLC构成控制系统 和同等规模的继电接触器系统相比 电气接线及 开关接点已减少到数百甚至数千分之一 故障也就大大降低 此外 PLC 带有 硬件故障自我检测功能 出现故障时可及时发出警报信息 在应用软件中 应 用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序 使系统中除 PLC以外的电路及设 备也获得故障自诊断保护 这样 整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了 硬件配套齐全 功能完善 适用性强 PLC发展到今天 已经形成了大 中 小各种规模的系列化产品 并且已 经标准化 系列化 模块化 配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用 用 户能灵活方便地进行系统配置 组成不同功能 不同规模的系统 PLC 的安装 接线也很方便 一般用接线端子连接外部接线 PLC 有较强的带负载能力 可 直接驱动一般的电磁阀和交流接触器 可以用于各种规模的工业控制场合 除 了逻辑处理功能以外 现代 PLC大多具有完善的数据运算能力 可用于各种数 字控制领域 近年来 PLC的功能单元大量涌现 使 PLC渗透到了位置控制 温 度控制 CNC 等各种工业控制中 加上 PLC通信能力的增强及人机界面技术的 发展 使用 PLC组成各种控制系统变得非常容易 易学易用 深受工程技术人员欢迎 PLC作为通用工业控制计算机 是面向工矿企业的工控设备 它接口容易 编程语言易于为工程技术人员接受 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 只用 PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继 电器电路的功能 为不熟悉电子电路 不懂计算机原理和汇编语言的人使用计 算机从事工业控制打开了方便之门 系统的设计 安装 调试工作量小 维护方便 容易改造 PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法 这种编程方法很有规律 很 容易掌握 对于复杂的控制系统 梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图 的时间要少得多 PLC用存储逻辑代替接线逻辑 大大减少了控制设备外部的接线 使控制 系统设计及 建造的周期大为缩短 同时维护也变得容易起来 更重要的是使同一设备 经过改变程序改变生产过程成为可能 这很适合多品种 小批量的生产场合 体积小 重量轻 能耗低 1 1 2 PLC 的工作原理 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 1 输入采样阶段 在输入采样阶段 PLC 以扫描方式依次地读入所有输入 状态和数据 并将它们存入 I O映象区中的相应得单元内 输入采样结束后 转入用户程序执行和输出刷新阶段 在这两个阶段中 即使输入状态和数据发 生变化 I O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变 因此 如果输入 是脉冲信号 则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期 才能保证在任何情 况下 该输入均能被读入 2 用户程序执行阶段 6 在用户程序执行阶段 PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序 梯 形图 在扫描每一条梯形图时 又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控 制线路 并按先左后右 先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运 算 然后根据逻辑运算的结果 刷新该逻辑线圈在系统 RAM存储区中对应位的 状态 或者刷新该输出线圈在 I O映象区中对应位的状态 或者确定是否要执 行该梯形图所规定的特殊功能指令 即在用户程序执行过程中 只有输入点在 I O映象区内的状态和数据不会 发生变化 而其他输出点和软设备在 I O映象区或系统 RAM存储区内的状态和 数据都有可能发生变化 而且排在上面的梯形图 其程序执行结果会对排在下 面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用 相反 排在下面的梯形图 其 被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程 序起作用 在程序执行的过程中如果使用立即 I O指令则可以直接存取 I O点 即使 用 I O指令的话 输入过程影像寄存器的值不会被更新 程序直接从 I O模块 取值 输出过程影像寄存器会被立即更新 这跟立即输入有些区别 3 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后 PLC 就进入输出刷新阶段 在此期间 CPU 按照 I O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路 再经输出电路驱动 相应的外设 这时 才是 PLC的真正输出 1 1 3 PLC 的应用 最初 PLC 主要用于开关量的逻辑控制 随着 PLC技术的进步 它的应用 如今 PLC 不仅用于开关量控制 还用于模拟量及数字量的控制 可采集与存 储数据 还可对控制系统进行监控 还可联网 通讯 实现大范围 跨地域的 控制用 PLC进行开关量控制实例是很多的 PLC控制系统可应用于三相异步电动机单向运转控制 三相异步电动机可 逆运转控制 水塔水位控制 自动送料装车控制 交通信号灯控制 液体混合 装置控制 大小球分类传送控制 人行横道与车道灯控制 电动机的丫 减压 起动控制 送料车控制和天塔之光控制等 目前 PLC在国内外已经广泛应用于 钢铁 石油 化工 电力 建材 机械制造 轻纺 汽车 交通运输 环保及 文化娱乐等各个行业 使用情况主要分为 开关量逻辑控制 模拟量控制 运 动量控制 数据采集及处理 信号监控 通信及联网 由于 PLC上述几个方面 的应用 而且 PLC控制系统使其网络又可大可小 所以 PLC已经应用于工业生 产的各个行业 如冶金 机械 化工 轻工 食品 建材等等 不仅如此 PLC 也应用于一些非工业过程 如楼宇自动化 电梯控制 以及农业大棚环境参数 调控等 1 1 4 PLC 发展趋势 由于 PLC的性能优越 兼具计算机的功能完备 灵活性强 通用性好和继 电接触器控制简单易懂 维修方便等双重优点 形成以微电脑为核心的电子控 制设备 可编程序控制器技术在世界上己广泛应用 成为自动化系统中的基本 电控装置 PLC在现代工业生产和实际生活中有着广泛的应用 由于可编程控制 器 PLC 具有编程软件采自易学易懂的梯形图语言 控制灵活方便 抗干扰能 力强 运行稳定可靠等特点 现在的工业自动化生产控制多采用可编程控制器 7 来实现 现今 国内外的产业结构已由劳动力密集型态转移至技术密集型态 低成 本 省力化及自动化已成为大家一直追求的目标 PLC 由于其性能优越 可靠 性高 程序编写容易 安装与维修方便 且只要改变其软件程序即可改变其控 制顺序 从而轻易地达成控制上的不同需求 近年来大量的运用于电力系统训 练 故障检测 配电自动化及电厂遥控 系统监控中 由于工业生产对自动控制系统需求的多样性 PLC 的发展方向有两个 1 朝着小型 简易 价格低廉方向发展 近年来 单片机的出现 促进 了 PLC向紧凑型发展 体积减小 价格降低 可靠性不断提高 这种 PLC可以 广泛取代继电器控制系统 应用于单机控制和规模比较小的自动线控制 如日 本立石公司的 C20P C40P C60P C20H C40H等 2 朝着大型 高速 多功能方向发展 大型的 PLC一般为多处理器系统 由字处理器 位处理器和浮点处理器等组成 有较大的存储能力和功能很强的 输入输出接口 通过丰富的智能外围接口 可以独立完成位置控制 闭环调节 等特殊功能 通过网络接口 可级连不同类型的 PLC和计算机 从而组成控制 范围很大的局部网络 适用于大型自动化控制系统 如霍尼韦尔的 9000系列等 从 PLC的发展趋势看 PLC 控制技术将成为今后工业自动化的主要手段 在未来的工业生产中 PLC 技术 机器人技术和 CAD CAM技术将成为实现工业 生产自动化的三大支柱 1 2 变频器的介绍 1 2 1 变频器的工作原理 变频器 英文名是 Variable frequency Drive 简称 VFD 变频器是应用 变频技术与微电子技术 通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交 流电动机的电力传动元件 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 主要是由 整流器 平波回路 逆变器 组成 其控制电路则主要是由 运算电路 电压 电流检测电路 驱动 电路 速度检测电路 保护电路 组成 而控制电路的作用是给异步 电动机供电 电压 频率可调 的主电路提供控制信号的回路 交流电输入整流器 变为直流通过中间电路 最后变回交流从逆变器输出 期间可通过控制电路调节控制电流的大小 传输速率和逆变情况等 交流电动机的同步转速表达式见式 1 1 n 60 f 1 s p 1 1 式 1 1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 0 50Hz 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 8 1 2 2 变频器的控制方式 低压通用变频输出电压为 380 650V 输出功率为 0 75 400kW 工作频率 为 0 400Hz 它的主电路都采用交 直 交电路 其控制方式经历了以下四代 1 U f C的正弦脉宽调制 SPWM 控制方式 其特点是控制电路结构简单 成本较低 机械特性硬度也较好 能够满足 一般传动的平滑调速要求 已在产业的各个领域得到广泛应用 但是 这种控 制方式在低频时 由于输出电压较低 转矩受定子电阻压降的影响比较显著 使输出最大转矩减小 2 电压空间矢量 SVPWM 控制方式 它是以三相波形整体生成效果为前提 以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁 场轨迹为目的 一次生成三相调制波形 以内切多边形逼近圆的方式进行控制 的 经实践使用后又有所改进 即引入频率补偿 能消除速度控制的误差 通 过反馈估算磁链幅值 消除低速时定子电阻的影响 将输出电压 电流闭环 以提高动态的精度和稳定度 3 矢量控制 VC 方式 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流 Ia Ib Ic 通过三相 二相变换 等效成两相静止坐标系下的交流电流 Ia1Ib1 再通过按转子磁场定向旋转变换 等效成同步旋转坐标系下的直流电 流 Im1 It1 Im1 相当于直流电动机的励磁电流 It1 相当于与转矩成正比的 电枢电流 然后模仿直流电动机的控制方法 求得直流电动机的控制量 经过 相应的坐标反变换 实现对异步电动机的控制 4 直接转矩控制 DTC 方式 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型 控制电动 机的磁链和转矩 它不需要将交流电动机等效为直流电动机 因而省去了矢量 旋转变换中的许多复杂计算 它不需要模仿直流电动机的控制 也不需要为解 耦而简化交流电动机的数学模型 5 矩阵式交 交控制方式 VVVF 变频 矢量控制变频 直接转矩控制变频都是交 直 交变频中的一种 其共 同缺点是输入功率因数低 谐波电流大 直流电路需要大的储能电容 再生能量又不能反 馈回电网 即不能进行四象限运行 为此 矩阵式交 交变频应运而生 由于矩阵式交 交变频省去了中间直流环节 从而省去了体积大 价格贵的电解电容 它能实现功率因数 为 l 输入电流为正弦且能四象限运行 系统的功率密度大 该技术目前虽尚未成熟 但仍 吸引着众多的学者深入研究 其实质不是间接的控制电流 磁链等量 而是把转矩直接作 为被控制量来实现的 1 2 3 变频器的应用 变频器技术的发展趋势经历大约三十年的研发与应用实践 随着新型电力 电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展 变频器的性能价格比 越来越高 体积越来越小 而厂家仍然在不断地提高可靠性实现变频器的进一 步小型轻量化 高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力 变频器性 能的优劣 一要看其输出交流电压的谐波对电机的影响 二要看对电网的谐波 污染和输入功率因数 三要看本身的能量损耗 即效率 如何 变频器主要用于交流电动机 异步电机或同步电机 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 9 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 交流电动机变频调速已成为当代电机调速的潮流 它以体积小 重量轻 转矩大 精度高 功能强 可靠性高 操作简便 便于通信等功能优于以往的 任何调速方式 如变极调速 调压调速 滑差调速 串级调速 整流子电动机 调速 液力偶合调速 乃至直流调速 因而在钢铁 有色 石油 石化 化纤 纺织 机械 电力 电子 建材 煤炭 医药 造纸 注塑 卷烟 吊车 城 市供水 中央空调及污水处理行业得到普遍应用 运动控制系统的发展变频器是运动控制系统中的功率变换器 运动控制系统是作为机 电能量变换器的电气传动技术的发展 当今的运动控制系统是包含多种学科的技术领域 总的发展趋势是 驱动的交流化 功率变换器的高频化 控制的数字化 智能化和网络化 因此 变频器作为系统的重要功率变换部件 提供可控的高性能变压变频的交流电源而得 到迅猛发展 1 3 PLC 与变频器的组合 在工业自动化控制系统中 最为常见的是 PLC和变频器的组合应用 并且 产生了多种多样的 PLC控制变频器的方法 通过 PLC与变频器的组合对机械产 品进行控制 其优点是拥有较强的抗干扰能力 传输速率高 传输距离远且节 省部件经费 从而减少资金消耗 而且 PLC控制变频器这个组合能更有效率的 反应故障信息 作用动作更迅速 测量更精确 控制更简单方便 变频器和 PLC进行配合时所需注意的事项 1 开关指令信号的输入 变频器的输入信号中包括对运行 停止 正转 反转 微动等运行状态进行 操作的开关型指令信号 变频器通常利用继电器接点或具有继电器接点开关特 性的元器件 如晶体管 与 PLC相连 得到运行状态指令 在使用继电器接点时 常常因为接触不良而带来误动作 使用晶体管 进行连接时 则需考虑晶体管本身的电压 电流容量等因素 保证系统的可靠 性 在设计变频器的输入信号电路时还应该注意 当输入信号电路连接不当时 有时也会造成变频器的误动作 例如 当输入信号电路采用继电器等感性负载 时 继电器开闭产生的浪涌电流带来的噪音有可能引起变频器的误动作 应尽 量避免 图 2与图 3给出了正确与错误的接线例子 当输入开关信号进入变频器时 有时会发生外部电源和变频器控制电源 DC24V 之间的串扰 正确的连接是利用 PLC电源 将外部晶体管的集电极经 过二极管接到 PLC 2 数值信号的输入 输入信号防干扰的接法 变频器中也存在一些数值型 如频率 电压等 指令信号的输入 可分为 数字输入和模拟输入两种 数字输入多采用变频器面板上的键盘操作和串行接 口来给定 模拟输入则通过接线端子由外部给定 通常通过 0 10V 5V 的电压 信号或 0 4 20 的电流信号输入 由于接口电路因输入信号而异 因此必 须根据变频器的输入阻抗选择 PLC的输出模块 当变频器和 PLC的电压信号范围不同时 如变频器的输入信号为 0 10V 10 而 PLC的输出电压信号范围为 0 5V 时 或 PLC的一侧的输出信号电压范围为 0 10V 而变频器的输入电压信号范围为 0 5V 时 由于变频器和晶体管的允许 电压 电流等因素的限制 需用串联的方式接入限流电阻及分压方式 以保证 进行开闭时不超过 PLC和变频器相应的容量 此外 在连线时还应注意将布线 分开 保证主电路一侧的噪音不传到控制电路 通常变频器也通过接线端子向外部输出相应的监测模拟信号 电信号的范 围通常为 0 10V 5V 及 0 4 20 电流信号 无论哪种情况 都应注意 PLC 一侧的输入阻抗的大小要保证电路中电压和电流不超过电路的允许值 以保证 系统的可靠性和减少误差 另外 在使用 PLC 进行顺序控制时 由于 CPU 进行数据处理需要时间 存在一定的 时间延迟 故在较精确的控制时应予以考虑 2 系统功能设计的分析与总体方案 2 1 系统功能设计的分析 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 通过 PLC可以对自动化设备 进行 智能 控制 PLC控制变频器的频率一般有两种方法 1 模拟量控制 可以用模拟量输入和输出模块 根据变频器的具体要求 选择 0 10V电压或 4 20mA电流输出 控制变频器的频率 变频器的频率反馈根 据要求可以选择模拟量输入进行采集 也可以不采集 开环控制 2 串行总线通信控制 高档的变频器有通信接口 像 uss profibus DP simolink等 可以通过 PLC的通信端口 或通信模块 给定频率值 变频 器和 PLC间相互通信 2 2 设计要求 1 按下启动按钮 电动机以 20HZ速度运行 2 20s后电动机以 50HZ速度运行 3 40s后电动机以 35HZ速度运行 4 40s后电动机以 10HZ速度运行 5 20s后电动机以 30HZ速度运行 6 20s后电动机以 40HZ速度运行 7 20s后电动机以 50HZ速度运行 8 按下停止按钮 电动机停止运行 2 3 设计思路 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 11 具体如图 2 1 图 2 1 速度闭环控制的机构控制图 3 控制设计 3 1 变频器功能参数设置与操作 变频器操作功能见表 3 1 表 3 1 变频器功能表 显示 按钮 功能 功能的说明 状态显示 LCD 显示变频器当前的设定值 起动变频器 按此键起动变频器 缺省值运行时此键是被封 锁的 为了使此键的操应设定 P0700 1 停止变频器 OFF1 按此键 变频器将按选定的斜坡下降速 率减速停车 缺省值运行时此键被封锁 为了允 许此键操作 应设定 P0700 1 OFF2 按此键 两次 或一次 但时间较长 电动机将在惯性 作用下自由停车此功能总是 使能 的 电动机点动 在变频器无输出的情况下按此键 将使电动机 起动 并按预设定的点动频率运行 释放此键 时 变频器停车 如果变频器 电动机正在运行 按此键将不起作用 改变电动机 的转向 按此键可以改变电动机的转动方向 访问参数 按此键即可访问参数 速度给定 速度反馈 信号 PLC PID 变频调速系统 12 3 2 变频器参数设置 变频器参数设置见表 3 2 表 3 2变频器参数设置 参 数 号 出 厂 值 设 置 值 说 明 P0003 1 1 设用户访问级为标准级 P0004 0 7 命令和数字 I O P0700 2 2 命令源选择由端子排输入 P0003 1 2 设用户访问级为扩展级 P0004 0 7 命令和数字 I O P0701 1 17 选择固定频率 P0702 1 17 选择固定频率 P0703 1 17 选择固定频率 P0003 1 1 设用户访问级为标准级 功能 此键用于浏览辅助信息 变频器运行过程中 在显示任何一个参数时按下 此键并保持不动 2 秒钟 将显示以下参数值 在变频器运行中 从任何一个参数开始 1 直流回路电压 用 d 表示 单位 V 2 输出电流 A 3 输出频率 Hz 4 输出电压 用 o 表示 单位 V 5 由 P0005 选定的数值 如果 P0005 选择显示 上述参数中的任何一个 3 4 或 5 这里将不 再显示 连续多次按下此键 将轮流显示以上参数 跳转功能 在显示任何一个参数 rXXXX 或 PXXXX 时 短时间按下此键 将立即跳转到 r0000 如果需 要的话 您可以接着修改其它的参数 跳转到 r0000 后 按此键将返回原来的显示点 增加数值 按此键即可增加面板上显示的参数数值 减少数值 按此键即可减少面板上显示的参数数值 13 P0004 0 10 设定值通道和斜坡函数发 生器 P1000 2 3 选择固定频率设定值 P0003 1 2 设用户访问级为扩展级 P0004 0 10 设定值通道和斜坡函数发 生器 P1001 0 20 设置固定频率 1 HZ P1002 5 50 设置固定频率 2 HZ P1003 5 35 设置固定频率 3 HZ P1004 5 10 设置固定频率 4 HZ P1005 5 30 设置固定频率 5 HZ P1006 5 40 设置固定频率 6 HZ P1007 5 50 设置固定频率 7 HZ 3 3 PLC 程序设计 1 PLC输入 输出地址分配 变频器 MM440数字输入 DIN1 DIN2 DIN3 端口通过 P0701 P0702 P0703 参数设为七段固定频率控制端 每一段的频率可分别由 P1001 P1002 和 P1003 等参数设置 PLC 输入 输出地址分配见表 3 3 表 3 3 PLC 输入 输出分配表 输 入 输 出 电路符号 地址 功能 地址 功能 SB1 I0 1 起动按钮 Q0 1 DIN1 SB2 I0 2 停止按钮 Q0 2 DIN2 Q0 3 DIN3 2 PLC程序设思路 按下 SB1以后 中间继电器 MO O闭合 M0 0 控制变频器档速为 20HZ 20s 后中间继电器 M0 0断开 M0 1 闭合 M0 1 控制变频器档速为 50HZ 40s 后中 间继电器 M0 1断开 M0 2 闭合 M0 2 控制变频器档速变为 35HZ 40s 后中间 继电器 M0 2断开 M0 3 闭合 M0 3 控制变频器档速变为 10HZ 20s 后中间继 电器 M0 3断开 M0 4 闭合 M0 4 控制变频器档速变为 30HZ 20s 后中间继电 器 M0 4断开 M0 5 闭合 M0 5 控制变频器档速变为 40HZ 20s 后中间继电器 14 M0 5断开 M0 6 闭合 M0 6 控制变频器档速变为 50HZ 按下 SB2以后 所有 中间继电器全部断开 电机停止转动 3 PLC梯形图 按下起动按钮 SB1后 输入继电器 I0 1得电 继电器 M0 0自锁 同时定 时器 T37得电计时 T37正转定时到 20s 位常开触点闭合 使继电器 M0 1自锁 M0 0 断开 同时定时器 T38得电计时 T38正转定时到 40s 位常开触点闭合 使继电器 M0 2自锁 M0 1 断开 同时定时器 T39得电计时 T39正转定时到 40s 位常开触点闭合 使继电器 M0 3自锁 M0 2 断开 同时定时器 T40得电计时 15 T40正转定时到 20s 位常开触点闭合 使继电器 M0 4自锁 M0 3 断开 同时定时器 T41得电计时 T41正转定时到 20s 位常开触点闭合 使继电器 M0 5自锁 M0 4 断开 同时定时器 T42得电计时 T42正转定时到 20s 位常开触点闭合 使继电器 M0 6自锁 M0 5 断开 按下停止按钮 SB2 输入继电器 I0 2得电 M0 0 M0 1 M0 2 M0 3 M0 4 M0 5 M0 6 全部置位 16 然后通过各个中间继电器来控制输出继电器 Q0 0 Q0 1 Q0 2 的通断 由 三个输出继电器的组合来改变变频器对电机运行速度的控制 具体见表 3 4 表 3 4输出组合表 输入端子状态 Q0 2 DIN3 Q0 1 DIN2 Q0 0 DIN1 转速档次 速度 HZ 0 0 1 1 20 0 1 0 2 35 0 1 1 3 50 1 0 0 4 10 1 0 1 5 30 1 1 0 6 40 1 1 1 7 50 17 结 论 本设计以 PLC和变频器为核心 通过对 PLC控制变频器带电机调速系统的 详细分析 完成了控制系统的硬件和软件设计 实现了对电机的电气控制 其 中主要包括程序流程图的绘制 PLC 程序编写及电气原理图的绘制 并利用 S7 200仿真软件对程序进行了调试与仿真 将 PLC控制和变频器控制系统进 行了很好的结合 PLC是在继电器 接触器控制和计算机控制基础上开发的工业自动控制 装置 是计算机技术在工业控制领域的一种应用技术 它产生的时间不长 但 从其发展趋势和在工业控制中所占比例的不断上升可以看出 其发展前景是不 可估量的 设计基于 PLC控制变频器带电机多段速运行系统 既能提高其生产 效率 增强系统运行稳定性 又能达到现代高精度控制要求 但随着科技的不 断进步 PLC 的种类日益繁多 功能也逐渐增强 在实际应用中一定要根据实 际情况对系统做出适当调整 以便设计出满足要求的控制系统 针对本设计中 PLC控制变频器带电机多段速运行控制系统 设计中的许多 功能还有待于扩展 完善 有待于今后进一步研究解决 18 参 考 文 献 1 高 钦 和 PLC 应 用 开 发 案 例 精 选 M 北 京 人 民 邮 电 出 版 社 2008 2 刘 晓 春 电 气 控 制 与 PLC 技 术 应 用 M 北 京 电 子 工 业 出 版 社 2009 3 魏召刚 工 业 变 频 器 原 理 及 应 用 M 北京 电 子 工 业 出 版 社 2006 4 李 方 园 变 频 器 自 动 化 工 程 实 践 M 北 京 电 子 工 业 出 版 社 2007 5 施 利 春 PLC 与 变 频 器 M 北 京 机 械 工 业 出 版 社 2007 19 附录 A 变频器内部原理框图 A 1变频器内部原理图 20 附录 B 硬件连接图 B 1 PLC接线图 21 B 2 变频器外部接线图 B 3 PLC与变频器连接图 22 致 谢 毕业设计是培养学生综合运用所学知识 发现 提出 分析和解决实际问题 锻炼实践能力的重要环节 是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程 随着 科学技术发展的日新日异 PLC 已经成为当今空前活跃的领域 在生活中可以 说得是无处不在 因此作为二十一世纪的大学来说掌握 PLC的开发技术是十分 重要的 回顾起此次 PLC毕业设计 至今我仍感慨颇多 的确 从选题到定稿 从 理论到实践 在作毕业设计的日子里 可以说得是苦多于甜 但是可以学到很 多很多的东西 同时不仅可以巩固了以前所学过的知识 而且学到了很多在书 本上所没有学到过的知识 通过这次毕业设计使我懂得了理论与实际相结合是 很重要的 只有理论知识是远远不够的 只有把所学的理论知识与实践相结合 起来 从理论中得出结论 才能真正为社会服务 从而提高自己的实际动手能 力和独立思考的能力 在设计的过程中遇到问题 可以说得是困难重重 这毕 竟第一次做的 难免会遇到过各种各样的问题 同时在设计的过程中发现了自 己的不足之处 对以前所学过的知识理解得不够深刻 掌握得不够牢固 通过 这次毕业设计之后 一定把以前所学过的知识重新温故 这次毕业设计终于顺利完成了 在设计中遇到了很多编程问题 最后在指 导老师的辛勤 指导下 终于游逆而解 同时 在指导老师的身上我学得到很 多实用的知识 在次我表示感谢 同时 对给过我帮助的所有同学和各位指导 老师再次表示忠心的感谢