基于PLC的变频器多段速调速系统设计_毕业设计

陕西工业职业技术学院 陕西工业职业技术学院 基于PLC的变频器多段速调速系统设计 专 业： 机电一体化 班 级： 机电1105班 姓 名： 冯 志 超 指 导 教 师： 司 老 师 目录 1 绪论 1 2课题的背景 1 2 背景分析 3 PLC 和变频器的介绍 5 4 PLC 的结构及特点 5 5 PLC 的工作原理 7 6 PLC 的应用 7 7 PLC 发展趋势 8 8 PLC 控制变频器带电机多段速运行 8 9变频器的介绍 8 10变频器的控制方式 9 11变频器的应用 9 12 PLC 与变频器的组合 10 13变频器和 PLC 进行配合时所需注意的事项 10 14变频调速系统 11 15变频调速的基本控制方式 11 2 16系统的控制要求 1 2 17方案的确定 1 2 18 S7-200 PLC 19MicroMaster420 变频器 13 20外部电路设计 14 21 变频开环调速 14 22．按项目控制要求设计PLC和变频器 15 23 PLC程序设计 15 24变频器参数设置 16 25任务拓展 17 26项目实现 17 附录 20 结论 23 致谢 24 参考文献 25 绪论 课题的背景 最先制成电动机的人是德国的雅可比，在两个 u 型电磁铁中间，装一六臂轮，每 臂带两根棒型磁铁。通电后，棒型磁铁与 u 型磁铁之间产生相互吸引和排斥作用 ， 带动轮轴转动。后来，雅可比做了一具大型的装置安在小艇上，用 320 个丹尼尔电池 供电，1838 年小艇在易北河上首次航行，时速只有 2.2 公里，与此同时，美国的达文 波特也成功地制出了驱动印刷机的电动机，印刷过美国电学期刑《电磁和机械情报》 ， 但这两种电动机都没有多大商业价值，用电池作电源，成本太大、不实用。 直到第一台实用直流发动机问世 ，电动机被广泛应用。1870 年比利时工程师格 拉姆发明了直流发电机，在设计上，直流发电机和电动机很相似。后来，格拉姆证明 向直流发动机输入电流，其转子会象电动机一样旋转。于是，这种格拉姆型电动机大 量制造出来， 效率也不断提高。 与此同时， 西门子开始着手研究由电动机驱动的车辆， 于是西门子公司制成了世界电车。1879 年，在柏林工业展览会上，西门子公司不冒 烟的电车赢得观众的一片喝彩。西门子电机车当时只有 3 马力，后来美国发明大王爱 迪生试验的电机车已达 12—15 马力，但当时的电动机全是直流电机，只限于驱动电 车。 1888 年南斯拉夫出生的美国发明家特斯拉发明了交流电动机。 它是根据电磁感应 原理制成，又称感应电动机，这种电动机结构简单，使用交流电，无需整流，无火花， 因此被广泛应用于工业的家庭电器中，交流电动机通常用三相交流供电。 1902 年瑞典工程师丹尼尔森首先提出同步电动机构想。同步电动机工作原理同 感应电动机一样，由定子产生旋转磁场，转速固定不变，不受负载影响。因此同步电 动机特别适用于钟表，电唱机和磁带录音机。 当今世界， 电机的发展已成为衡量一个国家现代化程度的标志之一。 近二十年来， 科学技术突飞猛进。随着电力电子技术、计算机技术和控制理论发展，电机调速技术 得到迅速发展， 使得电机的应用不再局限于工业应用而且在商业及家用设备等各个领 域获得更加广泛的应用；而随着新如稀土永磁材料 Nd-Fe-B、磁性复合材料的出 现，更给电机设计插上翅膀，各种新型、高效、特种电机层出不穷。这些都极大地丰 富了电机理论，拓宽了电机的应用领域，同时也给电机设计和制造工艺提出更高的要 求。 变频技术是近年来国际家电领域全面开发和应用的一项高新技术， 它采用新型变 频器，将 50Hz 的固定供电频率转换为 30-130Hz 的变化频率，实现电动机运转频率 的自动调节，达到节能和提高效率的目的。 上个世纪 80 年代初，变频器实现了商品化。在近 20 年的时间内，经历了由模拟 控制到全数字控制和由采用 BJT 到采用 IGBT 两个大发展过程。 80 年代初采用的 BJT 的 PWM 变频器实现了通用化。到了 90 年代初，BJT 通用 变频器的容量达到了 600KVA,400KVA 以下。前几年主开关器件开始采用 IGBT，仅 三、四年的时间，IGBT 变频器的单机容量己达 800IVA，随着 IGBT 容量的扩大，通 用变频器的容量也将随之扩大。 变频器主电路中功率电路的模块化， 控制电路采用大规模集成电路和全数字控制 技术， 结构设计上采用“平面安装技术”等一系列措施， 促进了变频电源装置的小型化。 另外， 一种混合式功率集成器件， 采用厚薄膜混合集成技术， 把功率电桥、 驱动电路、 检测电路、保护电路等封装在一起，构成了一种“智能电力模块”这种器件属于绝缘金 属基底结构，所以防电磁干扰能力强，保护电路和检测电路与功率开关间的距离尽可 能的小，因而保护迅速且可靠，传感信号也十分迅速。 电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化方向发 展。特别是微机的应用，为变频器多功能化和高性能化提供了可靠的保证。 人们总结了交流调速电气传动控制的大量实践经验，并不断融入软件功能。日益 丰富的软件功能使通用变频器的多功能化和高性能化为用户提供了一种可能， 即可以 把原有生产机械的工艺水平“升级”，达到以往无法达到的境界，使其变成一种具有高 度软件控制功能的新机种。 目前出现了一类“多控制方式”通用变频器。例如安川公司的 VS616—G5 变频器 就有:无 PG(速度传感器)V/f 控制:有 PG V/f 控制:无 PG 矢量控制:有 PG 矢量控制等四 种控制方式。通过控制面板，可以控制上述四种控制方式中的一种，以满足用户的需 要。 通用变频器经历了模拟控制、 数字控制、 数模混合控制， 直到全数字控制的演变， 逐步地实现了多功能化和高性能化，进而使之对各类生产机械、各类生产工艺的适应 性不断增强。最初通用变频器仅用于风机、泵类负载的节能调速和化纤工业中高速缠 绕的多机协调运行等，到目前为止，其应用领域得到了相当的扩展。如搬运机械，从 反抗性负载的搬运车辆、带式运输机到位能负载的起重机、提升机、立体仓库、立体 停车厂等都已采用了通用变频器。各类切削机床直到高速磨床乃至数控机床、加工中 心超高速伺服机的精确位置控制都己应用通用变频器。 本系统是通过可编程控制器控制三相交流异步电动机的调速功能。具体内容如 下： ⑴ 在理论研究的基础上，对变频调速系统进行总体方案的设计。 ⑵ 对变频调速系统进行硬件设计，包括变频器参数的设置、变频开环调速、多 段速控制以及触摸屏通信方式的设计。 ⑶ 在硬件设计的基础上，对变频调速系统进行软件设计，包括程序的编写和分 析。 ⑷ 实现调速系统的触摸屏设计。 ⑸ 采用良好的抗干措施使系统更具稳定性。 1背景分析 （1）项目选题背景 该项目选自于高等职业院校机电一体化技术专业的专业核心课程《电气控制与可编程序控制器应用》，课程的主要任务是使学生掌握常用电气控制元件，常用电气控制线路，可编程序控制器（PLC）的原理、结构、编程元件与指令系统，梯形图设计原则与技巧，PLC控制系统的设计方法，以及计算机辅助编程和PLC网络系统。 （2）学生背景 机电一体化技术专业高职二年级某班，学生40人，该课程开设在第三学期，该专业的学生在此之前学习了《电工技术》、《电子技术》、《电机电气控制技术》等前序课程。本项目任务处于《电气控制与可编程序控制器应用》课程的后期，即学生通过本课程前几章的学习，已经熟练掌握了电气控制系统常用器件及常用电气控制线路设计，了解S7-200PLC的原理、结构、编程元件与指令系统，梯形图设计原则与技巧，熟悉常用基本环节的编程以及计算机辅助编程。可根据控制要求能自己读懂上已设计好的梯形图，了解PLC在实际应用中的若干问题，具有熟练编程，调试及实际操作的能力。 （3）学习条件 10套THMDTK-1型机械设备装调与控制技术实训装置。实训装置和学习场所的实训室布局如下图1所示。 图1 实训设备和实训室布局图 PLC 和变频器的介绍 4 PLC 的结构及特点 (1) PLC 的结构如下 ① 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 ② 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。 ③ 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。 ④ 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。 ⑤ 功能模块 如计数、定位等功能模块。 ⑥ 通信模块 如以太网、RS485、Profibus-DP 通讯模块等。 (2) PLC 其特点如下： ① 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。 ② 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。 ③ 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。 ④ 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 控制变频器带电机多段速运行 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。 ⑤体积小，重量轻，能耗低。 5 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， 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数 PLC 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 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) 输出刷新阶段黄河水院自动化工程系毕业论文 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。 6 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。 7 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： 8 PLC 控制变频器带电机多段速运行 (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。 9 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。 10 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。 11 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，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。 12 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。 13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 0/4～20ｍＡ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，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 0/4～20ｍＡ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。 变频调速系统的方案确定 14 变频调速系统 1 三相交流异步电动机的结构和工作原理三相交流异步电动机是把电能转换成机械能的设备。 一般电动机主要由两部分组 成：固定部分称为定子，旋转部分称为转子。三相交流异步电动机的工作原理是建立 在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。当磁极沿顺时针 方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。电动势的方向由右 手定则来确定。因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则 导条中同样也能感应出电动势来。在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。该 电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力，电磁力的方向可用左手 定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。 2 变频调速原理变频器可以分为四个部分，如图 1.1 所示。 通用变频器由主电路和控制回路组成。 给异步电动机提供调压调频电源的电力变 换部分，称为主电路。主电路包括整流器、中间直流环节（又称平波回路） 、逆变器。 ⑴ 整流器。它的作用是把工频电源变换成直流电源。 ⑵ 平波回路 （中间直流环节） 由于逆变器的负载为异步电动机， 。 属于感性负载。 无论电动机处于电动状态还是发电状态，起始功率因数总不会等于 1。因此，在中间 直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换， 这种无功能量要靠中间直流环节的储 能元件—电容器或电感器来缓冲，所以中间直流环节实际上是中间储能环节。 ⑶ 逆变器。与整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交 流功率。逆变器的结构形式是利用 6 个半导体开关器件组成的三相桥式逆变器电路。 通过有规律的控制逆变器中主开关的导通和断开， 可以得到任意频率的三相交流输出 波形。 ⑷ 控制回路。控制回路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路， 驱动电路和制动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电 压控制，以及完成各种保护功能。控制方式有模拟控制或数字控制。 15 变频调速的基本控制方式 ⑴ 普通控制型 V/f 通用变频器 普通控制型 V/f 通用变频器是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路比 较简单；电动机选择通用标准异步电动机，因此其通用性比较强，性价比比较高，是 目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。 具有恒定磁通功能的 V/f 通用变频器 为了克服普通控制型的 V/f 通用变频器对 V/f 的值进行调整的困难，如果采用磁 通反馈，让异步电动机所输入的三相正弦电流在空间产生圆形旋转磁场，那么就会产 生恒定的电磁转矩。这样的控制方法叫做磁链跟踪控制。由于磁链的轨迹是靠电压相 加矢量得到的，所以磁链跟踪控制也叫做电压空间矢量控制。 ⑵ 矢量控制方式 矢量控制方式的基本思想是：仿照直流电动机的调速特点，使异步交流电动机的 转速也能通过控制两个互相独立的直流磁场进行调节。 矢量控制方式分为无速度传感 器的矢量控制和有速度传感器的转速或转矩闭环矢量控制。 无速度传感器的矢量控制。它是对异步电动机进行单电动机传动的典型模式。主 要性能是：在 1：10 的速度范围内。速度精度小于 0.5%，转速上升时间小于 100ms； 在额定功率 10%的范围内， 采用电流闭环控制的转速开环控制。 工作模式可采用软件 功能选择。当工作频率高于额定频率的 10%时，进入矢量控制状态。转速的实际值可 以利用由微型机支持的对异步电动机进行模拟的仿真模型来计算。 有速度传感器的转速或转矩闭环矢量控制。这种方式的主要特征更是：在速度设 定值的全范围内，转矩上升时间大约为 15ms，速度设定范围大于 1：100；对于闭环 控制而言，转速上升时间不大于 60ms。 16 系统的控制要求 本系统的结构如图 1.2 所示。 由图 1.2 可知， 本文通过 PLC 控制变频器达到变频调速的目的， 从而实现交流电 机的正反转、起停、加速、减速控制以及速度的调节，并且能够在在触摸屏上进行操 作，控制电机调速。 17.方案的确定 1 电动机的选择 在变频电机中，电动机类型选择的原则是，在满足工作机械对于拖动系统要求的 前提下，所选电动机应尽可能结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。因此，在 选用电动机种类时，若机械工作对拖动系统无过高要求，应优先选用交流电动机。 在交流电动机中，笼型异步电动机结构简单，运行最可靠，维护最方便，对起动 性能无过高要求的调速系统，应优先考虑。在电机工作中起动、制动比较频繁，为提 高生产率，又要求电动机具有较大的起动、制动转矩以缩短起动制动时间，同时还有 一定的调速要求，所以本设计采用笼型异步电动机，其参数为： 型号：WDJ26； 电压：380V； 接法：角接； 转速：1430r/min; 功率：40W； 电流：0.2A； 频率：50HZ； 绝缘等级：E。 2 开环控制的选择 开环控制的选择开环控制是最简单的一种控制方式，他所具有的特点是，控制量与被控制量之间 只有前向通路而没有反向通路。这种控制方式的特点是控制作用的传递具有单向性。 由于开环控制结构简单，调整方便，成本低。在国民经济各部门均有采用。因此，本 系统采用开环控制系统。 变频器的选择随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速己应用到许多领域，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： ⑴ 包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化。 ⑵ 有丰富的内藏与选择功能。 ⑶ 由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小。 ⑷ 保护功能完善、维修性能好。 ⑸ 通过 LCD 操作装置，可提高操作性能。 18 S7-200 PLC 本系统选用的是西门子公司生产的 SIMATIC S7-200 系列小型 PLC，可用于代 替继电器的简单控制场合，也可用于复杂的自动化控制系统。由于它极强的的通信功 能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其功能。 S7-200 的可靠性高，可以用梯形图语句表功能块图三种语言来编程。它的指令 丰富，指令功能强，易于掌握，操作方便，内置有高速计数器、高速输出、PID 控制 器、RS-485 通信/编程接口、PPI 通信、MPI 通信协议和自由端口模式通信功能， 最大可以扩展到 248 点数字量 I/O 或 35 路模拟量 I/O，最多有 30 多 KB 的程序和数 据存储空间。 MicroMaster420 19 MicroMaster420 变频器 本系统采用的是通用变频器 MicroMaster420，MicroMaster420 是全新一代模块 化设计的多功能标准变频器。它有强大的通讯能力、精确的控制性能、模块化结构设 计，具有更多的灵活性，操作方便。最新的 IGBT 技术，具有 7 个固定频率，4 个跳 转频率。灵活的斜坡函数发生器带有起始段和结束段的平滑特性，防止运行中不应有 的跳闸，直流制动和复合制动方式提高制动性能。用 BiCo 技术，实现 I/O 端口自由 连接。 MICROMASTER420 是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列， 从单相电 源电压额定功率 120W 到三相电源电压额定功率 11KW 可供选用，由微处理器控制， 用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率输出器件。因此，具 有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降 低了电动机运行的噪声，全面完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。 MICROMASTER420 具有缺省的工厂设置参数， 它是给数量众多的简单的电动机控制 系统供电的理想变频驱动装置。由于 MICROMASTER420 具有全面而完善的控制功 能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。 20外部电路设计 本系统主要完成异步电机三种调速，由于变频器参数设置的不同，调速方式也有 所不同，分别为变频开环调速、数字量方式多段速控制和 PLC 触摸屏及变频器通信 控制。 21 变频开环调速 变频开环调速根据输入端的控制信号经过程序运算后由通信端口控制变频器运 行。打开启动开关，变频器开始运行。 首先应对变频器的参数进行设置，如表 2.1 所示。 其中： 在设置参数前先将变频器参数复位为工厂的缺省设定值； 设定 P0003=2 允 许访问扩展参数；设定电机参数时先设定 P0010=1(快速调试),电机参数设置完成设 P0010=0(准备)。 根据系统分析， 需要九个输入量， 输出端由三-八通信线实现 其 I/O 分配如表 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 I0.0 起动按钮 Q0.0 STF SB2 I0.1 停止按钮 Q0.1 STR Q0.2 RH Q0.3 RM Q0.4 RL Q0.5 MRS 22．按项目控制要求设计PLC和变频器FR-E740连接的电气原理图 PLC与变频器的连接电气原理参考图如下图3所示。变频器FR-E740数字输入RL、RM、RH端口为三段固定频率控制端，每一段的频率可分别由对应的参数设置（见下表2）。变频器数字输入STF端口为电动机正转运行指令输入端，STR为电动机反转运行指令输入端， MRS为电动机输出停止端。 23 PLC程序设计 程序执行要求： 按下起动按钮SB1后，输入继电器I0.0得电，输出继电器Q0.0和Q0.4置位，同时定时器T37得电计时。Q0.0输出，变频器FR-E740的数字正转启动端口STF为“ON”，得到正转指令；Q0.4输出，数字输入端口RL为“ON”状态，得到低速运行指令，电动机以低速固定频率（20HZ）正向运转。 T37正转定时到30S，T37常开触点闭合，使输出继电器Q0.1、 Q0.3置位，Q0.0、Q0.4复位，同时定时器T38得电计时。Q0.3输出，变频器的FR-E740数字输入端口STR为“ON”,得到反转指令；Q0.3输出，数字输入端口RM为“ON” 状态，得到中速运行指令，电动机以中速固定频率（30HZ）反向运转。 T38反转定时到50s，T38位常开触点闭合，输出继电器Q0.0 Q0.2置位，Q0.1 Q0.3复位。Q0.0输出，变频器数字正转启动端口STF为“ON”状态，得到正传指令；Q0.2输出得到高速运行指令，电动机以高速固定频率（50HZ）正向运转。 按下停止按钮SB2时，PLC输入继电器I0.1得电，其常开触点闭合使输出继电器Q0.5置位，变频器FR-E740的数字输入端口输出停止MRS为“ON”状态，电动机停止运转。同时Q0.0—Q0.4复位，此时变频器FR-E740的数字输入端口STF、STR、RH、RM、RL均为“OFF”状态，返回启动前初始状态。PLC运行参考程序如下图4所示。 24变频器参数设置 变频器操作步骤省略，主要参数设置见下表。 表2 变频器参数设置值 序号 参数代号 初始值 设置值 说明 1 P79 0 3 运行模式选择 2 P1 120 50 上限频率（Hz） 3 P2 0 0 下限频率（Hz） 4 P3 50 50 电机额定频率 5 P4 0 50 高速运行 6 P5 0 30 中速运行 7 P6 0 20 低速运行 8 P7 5 0 加速时间 9 P8 5 0 减速时间 25任务拓展 用PLC和变频器联机实现电动机15段频率运行。按下电动机启动按钮，电动机启动运行在5Hz所对应的转速；延时20s后，电动机升速运行在10Hz对应的转速，再延时20s后，电动机继续升速运行在20Hz对应的转速；以后每隔20s，则速度按下图依次变化，一个运行周期完后会自动重新运行。按下停止按钮，电动机停止运行。设计出电路原理图，写出PLC控制程序和相应参数设置。 二、项目实现 MM440变频器的设置 变频器的设置 MM440变频器数字输入“5”、“6”、“7”、“8”端子通过P0701、 P0702、P0703、P0704参数设为15段固定频率控制端，每一频段的 频率分别由P1001～P1015参数设置。变频器数字输入“16”端子设为 电动机运行、停止控制端，可由P0705参数设置。 3、PLC的I/O分配 I0.0，电动机运行，对应电动机运行按钮SB1； I0.1，电动机停止，对应电动机停止按钮SB2； Q0.0，固定频率设置，接MM440数字输入端子“5”； Q0.1，固定频率设置，接MM440数字输入端子“6”； Q0.2，固定频率设置，接MM440数字输入端子“7”； Q0.3，固定频率设置，接MM440数字输入端子“8”； Q0.4电动机运行/停止控制，接MM440数字输入端子 “16”。 4、PLC程序设计 PLC程序应包括以下控制： （1）当按下正转启动按钮SB1时，PLC的Q0.4应置位为ON，允 许电动机运行。 （2）PLC输出接口状态、变频器输出频率、电动机转速变化如表 18-1所示。 （3）当按下停止按钮SB2时，PLC的Q0.4应复位为OFF，电动机 停止运行。、 操作步骤 （1）连接电路图，检查接线正确后，接通PLC和变频器电源。 （2）恢复变频器工厂默认值，P0010设为30，P0970设为1。按 下变频器操作面板上的“P”键，变频器开始复位到工厂默认值。 （3）电动机参数按如下所示设置，电动机参数设置完后，设 P0010为0，变频器当前处于准备状态，可正常运行。 P0003设为1，访问级为标准级； P0010设为1，快速调试； P0100设为0，功率以kW表示，频率为50Hz； P0304设为230，电动机额定电压； P0305设为1，电动机额定电流； P0307设为0.75，电动机额定功率； P0310设为50，电动机额定频率； P0311设为1460，电动机额定转速； P3900设为1，结束快速调试，进入“运行准备就绪”。 （4）设置MM440的15段固定频率控制参数，如下表所示。 附录 硬件连接图 PLC接线图 变频器外部接线图 变频器外部接线图 Plc与变频器连接图 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 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 致谢 时光荏苒，转眼间，电大本科即将毕业。值此毕业论文完成之际，我谨向所有关心过我、帮助过我的人们表示最诚挚的感谢与最美好的祝愿。 本论文是在指导老师的悉心指导下完成的。司老师是我们毕业设计辅导老师，司老师以渊博的专业知识、严谨的治学态度教给我们很多专业知识，又以精益求精的工作作风、诲人不倦的高尚师德不厌其烦地为我指导论文。本论文从选题到完成，几易其稿，每一步都是在朱老师的精心指导下完成的，每条批语都凝结着司老师的心血，都是司老师谆谆教诲，让我知道如何选题、如何整理材料，为我毕业论文的选题和创作奠定了基础。还要感谢我们班级同学，他时常给我鼓励，给我支持，并且在我的论文修改方面提出了宝贵的意见。愿帮助过我的老师、同学师生情、友情长存！在此，我向我的论文指导老师朱萍表示深切的谢意与祝福！ 本论文的完成也离不开其他各位老师、同学和朋友的关心与帮助。 本论文的完成更离不开陕西工业职业技术学院的硬件、软件设施。奉贤图书馆的大量图书让我丰富了视野，开阔了眼界，并且为我的论文创作提供了大量的资料。图书馆网站拥有历年中国期刊网上发表的所有学术论文，为我的论文提供了很好的借鉴。愿陕西工业职业技术学院的基础设施越来越完善，也愿师弟师妹们能够很好地珍惜我校宝贵的知识资源！ 此外，还要感谢我的父母，是他们在我的求学生涯中给了我无微不至的关怀和帮助， “谁言寸草心，报得三春晖”是他们用辛勤的汗水换得我获得知识的机会。 ，在此，愿我的父母永远健康！ 参考文献 1、《EasyBuilder500 编程使用手册》 深圳市步进科技有限公司 2、《三菱微型可编程控制器 FX1S，FX1N，FX2N， FX2NC 编程手册》MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION 2005 3、《变频器使用说明书》 三菱机电有限公司 4、《艾默生EC20PLC编程手册》 艾默生有限公司 5、《EV1000 变频器使用手册》 艾默生有限公司 6、《PLC 应用技术问答》 机械工业出版社．2006 廖常初 7、《PLC 基础应用》 机械工业出版社．2003 廖常初 8、《PLC 应用技术》 机械工业出版社．2007 徐国林 9、《工业变频器原理及应用》 电子工业出版社．2006 魏召刚等 西门子:：http：//www.ad.siemens.com.cn./ 中国自动化网：http://www.ca800.com 中国工控网：http:/www.gongkong.com 工控大世界::http：//www.ylzb.com 集中讲授区 低压电器元件展台 工位1 工位3 工位5 工具存放区 分组教学区 工位2 工位4 工位1 工位8 工位10 工位7 工位9 低压电器元件展台