基于PLC的變頻器多段速調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)_畢業(yè)設(shè)計(jì).doc

陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 基于PLC的變頻器多段速調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)專 業(yè)： 機(jī)電一體化 班 級： 機(jī)電1105班 姓 名： 馮 志 超 指 導(dǎo) 教 師： 司 老 師 目錄1 緒論12課題的背景1背景分析23 PLC 和變頻器的介紹54 PLC 的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)55 PLC 的工作原理76 PLC 的應(yīng)用77 PLC 發(fā)展趨勢88 PLC 控制變頻器帶電機(jī)多段速運(yùn)行89變頻器的介紹810變頻器的控制方式911變頻器的應(yīng)用912 PLC 與變頻器的組合1013變頻器和 PLC 進(jìn)行配合時(shí)所需注意的事項(xiàng)1014變頻調(diào)速系統(tǒng)1115變頻調(diào)速的基本控制方式1116系統(tǒng)的控制要求1217方案的確定1218 S7-200 PLC219MicroMaster420 變頻器1320外部電路設(shè)計(jì)1421 變頻開環(huán)調(diào)速1422按項(xiàng)目控制要求設(shè)計(jì)PLC和變頻器1523 PLC程序設(shè)計(jì)1524變頻器參數(shù)設(shè)置1625任務(wù)拓展1726項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)17附錄20結(jié)論23致謝24參考文獻(xiàn)25緒論 課題的背景最先制成電動機(jī)的人是德國的雅可比，在兩個(gè) u 型電磁鐵中間，裝一六臂輪，每 臂帶兩根棒型磁鐵。通電后，棒型磁鐵與 u 型磁鐵之間產(chǎn)生相互吸引和排斥作用 ， 帶動輪軸轉(zhuǎn)動。后來，雅可比做了一具大型的裝置安在小艇上，用 320 個(gè)丹尼爾電池 供電，1838 年小艇在易北河上首次航行，時(shí)速只有 2.2 公里，與此同時(shí)，美國的達(dá)文 波特也成功地制出了驅(qū)動印刷機(jī)的電動機(jī)，印刷過美國電學(xué)期刑電磁和機(jī)械情報(bào) ， 但這兩種電動機(jī)都沒有多大商業(yè)價(jià)值，用電池作電源，成本太大、不實(shí)用。 直到第一臺實(shí)用直流發(fā)動機(jī)問世 ，電動機(jī)被廣泛應(yīng)用。1870 年比利時(shí)工程師格 拉姆發(fā)明了直流發(fā)電機(jī)，在設(shè)計(jì)上，直流發(fā)電機(jī)和電動機(jī)很相似。后來，格拉姆證明 向直流發(fā)動機(jī)輸入電流，其轉(zhuǎn)子會象電動機(jī)一樣旋轉(zhuǎn)。于是，這種格拉姆型電動機(jī)大 量制造出來， 效率也不斷提高。 與此同時(shí)， 西門子開始著手研究由電動機(jī)驅(qū)動的車輛， 于是西門子公司制成了世界電車。1879 年，在柏林工業(yè)展覽會上，西門子公司不冒 煙的電車贏得觀眾的一片喝彩。西門子電機(jī)車當(dāng)時(shí)只有 3 馬力，后來美國發(fā)明大王愛 迪生試驗(yàn)的電機(jī)車已達(dá) 1215 馬力，但當(dāng)時(shí)的電動機(jī)全是直流電機(jī)，只限于驅(qū)動電 車。 1888 年南斯拉夫出生的美國發(fā)明家特斯拉發(fā)明了交流電動機(jī)。 它是根據(jù)電磁感應(yīng) 原理制成，又稱感應(yīng)電動機(jī)，這種電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，使用交流電，無需整流，無火花， 因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)的家庭電器中，交流電動機(jī)通常用三相交流供電。 1902 年瑞典工程師丹尼爾森首先提出同步電動機(jī)構(gòu)想。同步電動機(jī)工作原理同 感應(yīng)電動機(jī)一樣，由定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)速固定不變，不受負(fù)載影響。因此同步電 動機(jī)特別適用于鐘表，電唱機(jī)和磁帶錄音機(jī)。 當(dāng)今世界， 電機(jī)的發(fā)展已成為衡量一個(gè)國家現(xiàn)代化程度的標(biāo)志之一。 近二十年來， 科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)。隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制理論發(fā)展，電機(jī)調(diào)速技術(shù) 得到迅速發(fā)展， 使得電機(jī)的應(yīng)用不再局限于工業(yè)應(yīng)用而且在商業(yè)及家用設(shè)備等各個(gè)領(lǐng) 域獲得更加廣泛的應(yīng)用；而隨著新材料如稀土永磁材料 Nd-Fe-B、磁性復(fù)合材料的出 現(xiàn)，更給電機(jī)設(shè)計(jì)插上翅膀，各種新型、高效、特種電機(jī)層出不窮。這些都極大地豐 富了電機(jī)理論，拓寬了電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)也給電機(jī)設(shè)計(jì)和制造工藝提出更高的要 求。 變頻技術(shù)是近年來國際家電領(lǐng)域全面開發(fā)和應(yīng)用的一項(xiàng)高新技術(shù)， 它采用新型變 頻器，將 50Hz 的固定供電頻率轉(zhuǎn)換為 30-130Hz 的變化頻率，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率 的自動調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能和提高效率的目的。 上個(gè)世紀(jì) 80 年代初，變頻器實(shí)現(xiàn)了商品化。在近 20 年的時(shí)間內(nèi)，經(jīng)歷了由模擬 控制到全數(shù)字控制和由采用 BJT 到采用 IGBT 兩個(gè)大發(fā)展過程。 80 年代初采用的 BJT 的 PWM 變頻器實(shí)現(xiàn)了通用化。到了 90 年代初，BJT 通用 變頻器的容量達(dá)到了 600KVA,400KVA 以下。前幾年主開關(guān)器件開始采用 IGBT，僅 三、四年的時(shí)間，IGBT 變頻器的單機(jī)容量己達(dá) 800IVA，隨著 IGBT 容量的擴(kuò)大，通 用變頻器的容量也將隨之?dāng)U大。 變頻器主電路中功率電路的模塊化， 控制電路采用大規(guī)模集成電路和全數(shù)字控制 技術(shù)， 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用“平面安裝技術(shù)”等一系列措施， 促進(jìn)了變頻電源裝置的小型化。 另外， 一種混合式功率集成器件， 采用厚薄膜混合集成技術(shù)， 把功率電橋、 驅(qū)動電路、 檢測電路、保護(hù)電路等封裝在一起，構(gòu)成了一種“智能電力模塊”這種器件屬于絕緣金 屬基底結(jié)構(gòu)，所以防電磁干擾能力強(qiáng)，保護(hù)電路和檢測電路與功率開關(guān)間的距離盡可 能的小，因而保護(hù)迅速且可靠，傳感信號也十分迅速。 電力電子器件和控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，使變頻器向多功能化和高性能化方向發(fā) 展。特別是微機(jī)的應(yīng)用，為變頻器多功能化和高性能化提供了可靠的保證。 人們總結(jié)了交流調(diào)速電氣傳動控制的大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并不斷融入軟件功能。日益 豐富的軟件功能使通用變頻器的多功能化和高性能化為用戶提供了一種可能， 即可以 把原有生產(chǎn)機(jī)械的工藝水平“升級”，達(dá)到以往無法達(dá)到的境界，使其變成一種具有高 度軟件控制功能的新機(jī)種。 目前出現(xiàn)了一類“多控制方式”通用變頻器。例如安川公司的 VS616G5 變頻器 就有:無 PG(速度傳感器)V/f 控制:有 PG V/f 控制:無 PG 矢量控制:有 PG 矢量控制等四 種控制方式。通過控制面板，可以控制上述四種控制方式中的一種，以滿足用戶的需 要。 通用變頻器經(jīng)歷了模擬控制、 數(shù)字控制、 數(shù)?；旌峡刂疲?直到全數(shù)字控制的演變， 逐步地實(shí)現(xiàn)了多功能化和高性能化，進(jìn)而使之對各類生產(chǎn)機(jī)械、各類生產(chǎn)工藝的適應(yīng) 性不斷增強(qiáng)。最初通用變頻器僅用于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的節(jié)能調(diào)速和化纖工業(yè)中高速纏 繞的多機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行等，到目前為止，其應(yīng)用領(lǐng)域得到了相當(dāng)?shù)臄U(kuò)展。如搬運(yùn)機(jī)械，從 反抗性負(fù)載的搬運(yùn)車輛、帶式運(yùn)輸機(jī)到位能負(fù)載的起重機(jī)、提升機(jī)、立體倉庫、立體 停車廠等都已采用了通用變頻器。各類切削機(jī)床直到高速磨床乃至數(shù)控機(jī)床、加工中 心超高速伺服機(jī)的精確位置控制都己應(yīng)用通用變頻器。 本系統(tǒng)是通過可編程控制器控制三相交流異步電動機(jī)的調(diào)速功能。具體內(nèi)容如 下： 在理論研究的基礎(chǔ)上，對變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行總體方案的設(shè)計(jì)。 對變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，包括變頻器參數(shù)的設(shè)置、變頻開環(huán)調(diào)速、多 段速控制以及觸摸屏通信方式的設(shè)計(jì)。 在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，包括程序的編寫和分 析。 實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的觸摸屏設(shè)計(jì)。 采用良好的抗干措施使系統(tǒng)更具穩(wěn)定性。1背景分析（1）項(xiàng)目選題背景該項(xiàng)目選自于高等職業(yè)院校機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)的專業(yè)核心課程電氣控制與可編程序控制器應(yīng)用，課程的主要任務(wù)是使學(xué)生掌握常用電氣控制元件，常用電氣控制線路，可編程序控制器（PLC）的原理、結(jié)構(gòu)、編程元件與指令系統(tǒng)，梯形圖設(shè)計(jì)原則與技巧，PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，以及計(jì)算機(jī)輔助編程和PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。（2）學(xué)生背景機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)高職二年級某班，學(xué)生40人，該課程開設(shè)在第三學(xué)期，該專業(yè)的學(xué)生在此之前學(xué)習(xí)了電工技術(shù)、電子技術(shù)、電機(jī)電氣控制技術(shù)等前序課程。本項(xiàng)目任務(wù)處于電氣控制與可編程序控制器應(yīng)用課程的后期，即學(xué)生通過本課程前幾章的學(xué)習(xí)，已經(jīng)熟練掌握了電氣控制系統(tǒng)常用器件及常用電氣控制線路設(shè)計(jì)，了解S7-200PLC的原理、結(jié)構(gòu)、編程元件與指令系統(tǒng)，梯形圖設(shè)計(jì)原則與技巧，熟悉常用基本環(huán)節(jié)的編程以及計(jì)算機(jī)輔助編程?？筛鶕?jù)控制要求能自己讀懂書上已設(shè)計(jì)好的梯形圖，了解PLC在實(shí)際應(yīng)用中的若干問題，具有熟練編程，調(diào)試及實(shí)際操作的能力。（3）學(xué)習(xí)條件10套THMDTK-1型機(jī)械設(shè)備裝調(diào)與控制技術(shù)實(shí)訓(xùn)裝置。實(shí)訓(xùn)裝置和學(xué)習(xí)場所的實(shí)訓(xùn)室布局如下圖1所示。集中講授區(qū)低壓電器元件展臺工位1工位3工位5工具存放區(qū) 分組教學(xué)區(qū)工位2工位4工位1工位8工位10工位7工位9低壓電器元件展臺圖1 實(shí)訓(xùn)設(shè)備和實(shí)訓(xùn)室布局圖 PLC 和變頻器的介紹 4 PLC 的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)(1) PLC 的結(jié)構(gòu)如下 電源 PLC 的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個(gè)良好的、可靠的電源 系統(tǒng)是無法正常工作的，因此 PLC 的制造商對電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流 電壓波動在+10%(+15%)范圍內(nèi)， 可以不采取其它措施而將 PLC 直接連接到交流電網(wǎng)上去 中央處理單元(CPU) 中央處理單元(CPU)是 PLC 的控制中樞。它按照 PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存 儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O 以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)， 并能診斷用戶程序中的語法錯(cuò)誤。當(dāng) PLC 投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各 輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用 戶程序， 經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù) 據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將 I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出 寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。為了進(jìn)一步提 高 PLC 的可靠性，近年來對大型 PLC 還采用雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三 CPU 的表決 式系統(tǒng)。這樣，即使某個(gè) CPU 出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。 存儲器 存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。 存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序 存儲器。 輸入輸出接口電路 現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機(jī)的輸入接口電路， 作用是 PLC 與現(xiàn)場控制的 接口界面的輸入通道。2、現(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求 電路集成，作用 PLC 通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號。 功能模塊 如計(jì)數(shù)、定位等功能模塊。 通信模塊 如以太網(wǎng)、RS485、Profibus-DP 通訊模塊等。 (2) PLC 其特點(diǎn)如下： 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器。由于觸點(diǎn)接觸不 良，容易出現(xiàn)故障。PLC 用軟件代替大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，僅剩下與輸入和 輸出有關(guān)的少量硬件， 接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的 1/101/100， 因觸點(diǎn)接觸不良造 成的故障大為減少。 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采 用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如 三菱公司生產(chǎn)的 F 系列 PLC 平均無故障時(shí)間高達(dá) 30 萬小時(shí)。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均無故障工作時(shí)間則更長。從 PLC 的機(jī)外電路來說，使用 PLC 構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同 等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故 障也就大大降低。此外，PLC 帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào) 信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除 PLC 以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇 怪了。 硬件配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) PLC 發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，并且已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、 系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進(jìn)行 系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。PLC 的安裝接線也很方便，一般用接線端 子連接外部接線。PLC 有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，可直接驅(qū)動一般的電磁閥和交流接觸器， 可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC 大多具有完善的 數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來 PLC 的功能單元大量涌現(xiàn)，使 PLC 滲 透到了位置控制、溫度控制、CNC 等各種工業(yè)控制中。加上 PLC 通信能力的增強(qiáng)及人機(jī) 界面技術(shù)的發(fā)展，使用 PLC 組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC 作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語 言易于為工程技術(shù)人員接受。 梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接 近，只用 PLC 的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟 悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之 門。 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量小，維護(hù)方便，容易改造 PLC 的梯形圖程序一般采用順序控制設(shè)計(jì)法。 這種編程方法很有規(guī)律， 很容易掌握。 對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，梯形圖的設(shè)計(jì)時(shí)間比設(shè)計(jì)繼電器系統(tǒng)電路圖的時(shí)間要少得多。 PLC 控制變頻器帶電機(jī)多段速運(yùn)行 PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 及。 建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變 程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。 體積小，重量輕，能耗低。5 PLC 的工作原理：當(dāng) PLC 投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和 輸出刷新三個(gè)階段。 完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。 在整個(gè)運(yùn)行期間， PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。 (1) 輸入采樣階段 在輸入采樣階段， 以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù) PLC 據(jù)，并將它們存入 I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行 和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O 映象區(qū)中的相 應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必 須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 (2) 用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段，PLC 總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。 在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先 左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的 結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 I/O 映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。 即在用戶程序執(zhí)行過程中， 只有輸入點(diǎn)在 I/O 映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化， 而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在 I/O 映象區(qū)或系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變 化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù) 的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到 下一個(gè)掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。 在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即 I/O 指令則可以直接存取 I/O 點(diǎn)。 即使用 I/O 指 令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從 I/O 模塊取值，輸出過程影 像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。 (3) 輸出刷新階段黃河水院自動化工程系畢業(yè)論文 當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC 就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU 按照 I/O 映象 區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路， 再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。 這時(shí)， 才是 PLC 的真正輸出。6 PLC 的應(yīng)用 最初，PLC 主要用于開關(guān)量的邏輯控制。隨著 PLC 技術(shù)的進(jìn)步，它的應(yīng)用如今，PLC 不僅用于開關(guān)量控制，還用于模擬量及數(shù)字量的控制，可采集與存儲數(shù)據(jù)，還可對控制 系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控；還可聯(lián)網(wǎng)、通訊，實(shí)現(xiàn)大范圍、跨地域的控制用 PLC 進(jìn)行開關(guān)量控制實(shí) 例是很多的。 PLC 控制系統(tǒng)可應(yīng)用于三相異步電動機(jī)單向運(yùn)轉(zhuǎn)控制、三相異步電動機(jī)可逆運(yùn)轉(zhuǎn)控 制、水塔水位控制、自動送料裝車控制、交通信號燈控制、液體混合裝置控制、大小球 分類傳送控制、人行橫道與車道燈控制、電動機(jī)的丫-減壓起動控制、送料車控制和 天塔之光控制等。目前 PLC 在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、 機(jī)械制造、輕紡。汽車。交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)，使用情況主要分為： 開關(guān)量邏輯控制、模擬量控制、運(yùn)動量控制、數(shù)據(jù)采集及處理、信號監(jiān)控、通信及聯(lián)網(wǎng)。 由于 PLC 上述幾個(gè)方面的應(yīng)用，而且 PLC 控制系統(tǒng)使其網(wǎng)絡(luò)又可大可小，所以 PLC 已經(jīng) 應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)行業(yè)，如冶金、機(jī)械、化工、輕工、食品、建材等等，不僅如此， PLC 也應(yīng)用于一些非工業(yè)過程，如樓宇自動化、電梯控制、以及農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境參數(shù)調(diào)控等。7 PLC 發(fā)展趨勢 由于 PLC 的性能優(yōu)越，兼具計(jì)算機(jī)的功能完備，靈活性強(qiáng)，通用性好和繼電接觸器 控制簡單易懂，維修方便等雙重優(yōu)點(diǎn)，形成以微電腦為核心的電子控制設(shè)備。可編程序 控制器技術(shù)在世界上己廣泛應(yīng)用， 成為自動化系統(tǒng)中的基本電控裝置 PLC 在現(xiàn)代工業(yè)生 產(chǎn)和實(shí)際生活中有著廣泛的應(yīng)用，由于可編程控制器（PLC）具有編程軟件采自易學(xué)易 懂的梯形圖語言、控制靈活方便、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，現(xiàn)在的工業(yè)自 動化生產(chǎn)控制多采用可編程控制器來實(shí)現(xiàn)。 現(xiàn)今，國內(nèi)外的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)已由勞動力密集型態(tài)轉(zhuǎn)移至技術(shù)密集型態(tài)，低成本、省力 化及自動化已成為大家一直追求的目標(biāo)。PLC 由于其性能優(yōu)越、可靠性高、程序編寫容 易、安裝與維修方便，且只要改變其軟件程序即可改變其控制順序，從而輕易地達(dá)成控 制上的不同需求。近年來大量的運(yùn)用于電力系統(tǒng)訓(xùn)練、故障檢測、配電自動化及電廠遙 控、系統(tǒng)監(jiān)控中。 由于工業(yè)生產(chǎn)對自動控制系統(tǒng)需求的多樣性，PLC 的發(fā)展方向有兩個(gè)：8 PLC 控制變頻器帶電機(jī)多段速運(yùn)行 (1) 朝著小型、簡易、價(jià)格低廉方向發(fā)展。近年來，單片機(jī)的出現(xiàn)，促進(jìn)了 PLC 向 緊湊型發(fā)展，體積減小，價(jià)格降低，可靠性不斷提高。這種 PLC 可以廣泛取代繼電器控 制系統(tǒng)，應(yīng)用于單機(jī)控制和規(guī)模比較小的自動線控制，如日本立石公司的 C20PC40PC60PC20HC40H 等。 (2) 朝著大型、高速、多功能方向發(fā)展。大型的 PLC 一般為多處理器系統(tǒng)，由字處 理器、位處理器和浮點(diǎn)處理器等組成，有較大的存儲能力和功能很強(qiáng)的輸入輸出接口。 通過豐富的智能外圍接口，可以獨(dú)立完成位置控制、閉環(huán)調(diào)節(jié)等特殊功能；通過網(wǎng)絡(luò)接 口，可級連不同類型的 PLC 和計(jì)算機(jī)，從而組成控制范圍很大的局部網(wǎng)絡(luò)，適用于大型 自動化控制系統(tǒng)，如霍尼韋爾的 9000 系列等。 從 PLC 的發(fā)展趨勢看，PLC 控制技術(shù)將成為今后工業(yè)自動化的主要手段。在未來的 工業(yè)生產(chǎn)中，PLC 技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)和 CAD/CAM 技術(shù)將成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的三大 支柱。9 變頻器的介紹 1.2.1 變頻器的工作原理 變頻器，英文名是 Variable-frequency Drive，簡稱 VFD。變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù) 與微電子技術(shù)， 通過改變電機(jī)工作電源的頻率和幅度的方式來控制交流電動機(jī)的電力傳動元件。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制 裝置。主要是由“整流器” 、“平波回路” 、“逆變器” 組成。 其控制電路則主要是由“運(yùn)算電路” 、 “電壓、電流檢測電路” 、 “驅(qū)動電路” 、 “速度檢測電路” 、“保護(hù)電路”組成。而控制電路的作用是給異步電動機(jī)供電（電 壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路。 交流電輸入整流器，變?yōu)橹绷魍ㄟ^中間電路，最后變回交流從逆變器輸出。期間可 通過控制電路調(diào)節(jié)控制電流的大小、傳輸速率和逆變情況等。 交流電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式見式 1.1： n60 f(1s)/p (1.1) 式 1.1 中 n異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速；f異步電動機(jī)的頻率；s電動機(jī)轉(zhuǎn)差率；p電動機(jī)極對數(shù)。 由式可知，轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 成正比，只要改變頻率 f 即可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻 率 f 在 050Hz 的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。10 變頻器的控制方式低壓通用變頻輸出電壓為 380650V，輸出功率為 0.75400kW，工作頻率為 0 400Hz，它的主電路都采用交直交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。 (1) U/f=C 的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制方式： 其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動 的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時(shí)， 由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。 (2) 電壓空間矢量（SVPWM）控制方式 它是以三相波形整體生成效果為前提， 以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為 目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的。經(jīng)實(shí)踐使用后 又有所改進(jìn)，即引入頻率補(bǔ)償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除 低速時(shí)定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。 (3) 矢量控制（VC）方式 矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流 Ia、Ib、Ic、 通過三相二相變換， 等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流 Ia1Ib1， 再通過按轉(zhuǎn)子磁場 定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流 Im1、It1（Im1 相當(dāng)于直流電動機(jī) 的勵(lì)磁電流；It1 相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機(jī)的控制方法， 求得直流電動機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對異步電動機(jī)的控制。 (4)直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方式 直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型， 控制電動機(jī)的磁鏈 和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多 復(fù)雜計(jì)算；它不需要模仿直流電動機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機(jī)的數(shù)學(xué) 模型。 (5) 矩陣式交交控制方式 VVVF 變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交直交變頻中的一種。其共 同缺點(diǎn)是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流電路需要大的儲能電容，再生能量又不能 反饋回電網(wǎng)，即不能進(jìn)行四象限運(yùn)行。為此，矩陣式交交變頻應(yīng)運(yùn)而生。由于矩陣式 交交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價(jià)格貴的電解電容。它能實(shí)現(xiàn)功 率因數(shù)為 l，輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未 成熟，但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。其實(shí)質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是 把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來實(shí)現(xiàn)的。 11 變頻器的應(yīng)用 變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢經(jīng)歷大約三十年的研發(fā)與應(yīng)用實(shí)踐， 隨著新型電力電子器件 和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器的性能價(jià)格比越來越高，體積越 來越小，而廠家仍然在不斷地提高可靠性實(shí)現(xiàn)變頻器的進(jìn)一步小型輕量化、高性能化和 多功能化以及無公害化而做著新的努力。變頻器性能的優(yōu)劣，一要看其輸出交流電壓的 諧波對電機(jī)的影響，二要看對電網(wǎng)的諧波污染和輸入功率因數(shù)，三要看本身的能量損耗 （即效率）如何。 變頻器主要用于交流電動機(jī)（異步電機(jī)或同步電機(jī)）轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，是公認(rèn)的交流電 動機(jī)最理想、最有前途的調(diào)速方案，除了具有卓越的調(diào)速性能之外，變頻器還有顯著的節(jié)能作用，是企業(yè)技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想調(diào)速裝置。自上世紀(jì) 80 年代被引進(jìn)中國以來，變頻器作為節(jié)能應(yīng)用與速度工藝控制中越來越重要的自動化設(shè)備，得到了快速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。 交流電動機(jī)變頻調(diào)速已成為當(dāng)代電機(jī)調(diào)速的潮流，它以體積小、重量輕、轉(zhuǎn)矩大、 精度高、功能強(qiáng)、可靠性高、操作簡便、便于通信等功能優(yōu)于以往的任何調(diào)速方式，如 變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、滑差調(diào)速、串級調(diào)速、整流子電動機(jī)調(diào)速、液力偶合調(diào)速，乃至直流調(diào)速。因而在鋼鐵、有色、石油、石化、化纖、紡織、機(jī)械、電力、電子、建材、煤炭、醫(yī)藥、造紙、注塑、卷煙、吊車、城市供水、中央空調(diào)及污水處理行業(yè)得到普遍應(yīng)用。 運(yùn)動控制系統(tǒng)的發(fā)展變頻器是運(yùn)動控制系統(tǒng)中的功率變換器， 運(yùn)動控制系統(tǒng)是作為 機(jī)電能量變換器的電氣傳動技術(shù)的發(fā)展。 當(dāng)今的運(yùn)動控制系統(tǒng)是包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng) 域，總的發(fā)展趨勢是：驅(qū)動的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因此，變頻器作為系統(tǒng)的重要功率變換部件，提供可控的高性能變壓變頻的交 流電源而得到迅猛發(fā)展。12 PLC 與變頻器的組合在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，最為常見的是 PLC 和變頻器的組合應(yīng)用，并且產(chǎn)生了多 種多樣的 PLC 控制變頻器的方法。通過 PLC 與變頻器的組合對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行控制，其優(yōu) 點(diǎn)是擁有較強(qiáng)的抗干擾能力、傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)且節(jié)省部件經(jīng)費(fèi)，從而減少資金 消耗。而且 PLC 控制變頻器這個(gè)組合能更有效率的反應(yīng)故障信息，作用動作更迅速、測 量更精確，控制更簡單方便。 13變頻器和 PLC 進(jìn)行配合時(shí)所需注意的事項(xiàng)：(1) 開關(guān)指令信號的輸入變頻器的輸入信號中包括對運(yùn)行/停止、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)、微動等運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行操作的開 關(guān)型指令信號。變頻器通常利用繼電器接點(diǎn)或具有繼電器接點(diǎn)開關(guān)特性的元器件（如晶 體管）與 PLC 相連，得到運(yùn)行狀態(tài)指令。 在使用繼電器接點(diǎn)時(shí)，常常因?yàn)榻佑|不良而帶來誤動作；使用晶體管進(jìn)行連接 時(shí)，則需考慮晶體管本身的電壓、電流容量等因素，保證系統(tǒng)的可靠性。 在設(shè)計(jì)變頻器的輸入信號電路時(shí)還應(yīng)該注意， 當(dāng)輸入信號電路連接不當(dāng)時(shí)有時(shí)也會 造成變頻器的誤動作。例如，當(dāng)輸入信號電路采用繼電器等感性負(fù)載時(shí)，繼電器開閉產(chǎn) 生的浪涌電流帶來的噪音有可能引起變頻器的誤動作，應(yīng)盡量避免。圖 2 與圖 3 給出了 正確與錯(cuò)誤的接線例子。 當(dāng)輸入開關(guān)信號進(jìn)入變頻器時(shí)，有時(shí)會發(fā)生外部電源和變頻器控制電源（DC24V）之間的串?dāng)_。 正確的連接是利用 PLC 電源，將外部晶體管的集電極經(jīng)過二極管接到 PLC。 (2) 數(shù)值信號的輸入 輸入信號防干擾的接法 變頻器中也存在一些數(shù)值型（如頻率、電壓等）指令信號的輸入，可分為數(shù)字輸入 和模擬輸入兩種。數(shù)字輸入多采用變頻器面板上的鍵盤操作和串行接口來給定；模擬輸 入則通過接線端子由外部給定，通常通過 010V/5V 的電壓信號或 0/420的電流 信號輸入。由于接口電路因輸入信號而異，因此必須根據(jù)變頻器的輸入阻抗選擇PLC的輸出模塊。 當(dāng)變頻器和PLC的電壓信號范圍不同時(shí)，如變頻器的輸入信號為 010V，而 PLC 的輸出電壓信號范圍為 05V 時(shí)；或 PLC 的一側(cè)的輸出信號電壓范圍為 010V 而變頻 器的輸入電壓信號范圍為 05V 時(shí)，由于變頻器和晶體管的允許電壓、電流等因素的限 制，需用串聯(lián)的方式接入限流電阻及分壓方式，以保證進(jìn)行開閉時(shí)不超過 PLC 和變頻器相應(yīng)的容量。此外，在連線時(shí)還應(yīng)注意將布線分開，保證主電路一側(cè)的噪音不傳到控制電路。 通常變頻器也通過接線端子向外部輸出相應(yīng)的監(jiān)測模擬信號。 電信號的范圍通常為 010V/5V 及 0/420電流信號。無論哪種情況，都應(yīng)注意：PLC 一側(cè)的輸入阻抗的 大小要保證電路中電壓和電流不超過電路的允許值，以保證系統(tǒng)的可靠性和減少誤差。 另外，在使用 PLC 進(jìn)行順序控制時(shí)，由于 CPU 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理需要時(shí)間，存在一定的 時(shí)間延遲，故在較精確的控制時(shí)應(yīng)予以考慮。變頻調(diào)速系統(tǒng)的方案確定 14 變頻調(diào)速系統(tǒng) 1 三相交流異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理三相交流異步電動機(jī)是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的設(shè)備。 一般電動機(jī)主要由兩部分組 成：固定部分稱為定子，旋轉(zhuǎn)部分稱為轉(zhuǎn)子。三相交流異步電動機(jī)的工作原理是建立 在電磁感應(yīng)定律、全電流定律、電路定律和電磁力定律等基礎(chǔ)上的。當(dāng)磁極沿順時(shí)針 方向旋轉(zhuǎn)，磁極的磁力線切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，導(dǎo)條中就感應(yīng)出電動勢。電動勢的方向由右 手定則來確定。因?yàn)檫\(yùn)動是相對的，假如磁極不動，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，則 導(dǎo)條中同樣也能感應(yīng)出電動勢來。在電動勢的作用下，閉合的導(dǎo)條中就產(chǎn)生電流。該 電流與旋轉(zhuǎn)磁極的磁場相互作用，而使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條受到電磁力，電磁力的方向可用左手 定則確定。由電磁力進(jìn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動起來。 2 變頻調(diào)速原理變頻器可以分為四個(gè)部分，如圖 1.1 所示。 通用變頻器由主電路和控制回路組成。 給異步電動機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變 換部分，稱為主電路。主電路包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)（又稱平波回路） 、逆變器。 整流器。它的作用是把工頻電源變換成直流電源。 平波回路 （中間直流環(huán)節(jié)） 由于逆變器的負(fù)載為異步電動機(jī)， 。 屬于感性負(fù)載。 無論電動機(jī)處于電動狀態(tài)還是發(fā)電狀態(tài)，起始功率因數(shù)總不會等于 1。因此，在中間 直流環(huán)節(jié)和電動機(jī)之間總會有無功功率的交換， 這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲 能元件電容器或電感器來緩沖，所以中間直流環(huán)節(jié)實(shí)際上是中間儲能環(huán)節(jié)。 逆變器。與整流器的作用相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交 流功率。逆變器的結(jié)構(gòu)形式是利用 6 個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的三相橋式逆變器電路。 通過有規(guī)律的控制逆變器中主開關(guān)的導(dǎo)通和斷開， 可以得到任意頻率的三相交流輸出 波形。 控制回路。控制回路常由運(yùn)算電路，檢測電路，控制信號的輸入、輸出電路， 驅(qū)動電路和制動電路等構(gòu)成。其主要任務(wù)是完成對逆變器的開關(guān)控制，對整流器的電 壓控制，以及完成各種保護(hù)功能?？刂品绞接心M控制或數(shù)字控制。 15 變頻調(diào)速的基本控制方式 普通控制型 V/f 通用變頻器 普通控制型 V/f 通用變頻器是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，無需速度傳感器，控制電路比 較簡單；電動機(jī)選擇通用標(biāo)準(zhǔn)異步電動機(jī)，因此其通用性比較強(qiáng)，性價(jià)比比較高，是 目前通用變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式。 具有恒定磁通功能的 V/f 通用變頻器 為了克服普通控制型的 V/f 通用變頻器對 V/f 的值進(jìn)行調(diào)整的困難，如果采用磁 通反饋，讓異步電動機(jī)所輸入的三相正弦電流在空間產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，那么就會產(chǎn) 生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。這樣的控制方法叫做磁鏈跟蹤控制。由于磁鏈的軌跡是靠電壓相 加矢量得到的，所以磁鏈跟蹤控制也叫做電壓空間矢量控制。 矢量控制方式 矢量控制方式的基本思想是：仿照直流電動機(jī)的調(diào)速特點(diǎn)，使異步交流電動機(jī)的 轉(zhuǎn)速也能通過控制兩個(gè)互相獨(dú)立的直流磁場進(jìn)行調(diào)節(jié)。 矢量控制方式分為無速度傳感 器的矢量控制和有速度傳感器的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩閉環(huán)矢量控制。 無速度傳感器的矢量控制。它是對異步電動機(jī)進(jìn)行單電動機(jī)傳動的典型模式。主 要性能是：在 1：10 的速度范圍內(nèi)。速度精度小于 0.5%，轉(zhuǎn)速上升時(shí)間小于 100ms； 在額定功率 10%的范圍內(nèi)， 采用電流閉環(huán)控制的轉(zhuǎn)速開環(huán)控制。 工作模式可采用軟件 功能選擇。當(dāng)工作頻率高于額定頻率的 10%時(shí)，進(jìn)入矢量控制狀態(tài)。轉(zhuǎn)速的實(shí)際值可 以利用由微型機(jī)支持的對異步電動機(jī)進(jìn)行模擬的仿真模型來計(jì)算。 有速度傳感器的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩閉環(huán)矢量控制。這種方式的主要特征更是：在速度設(shè) 定值的全范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩上升時(shí)間大約為 15ms，速度設(shè)定范圍大于 1：100；對于閉環(huán) 控制而言，轉(zhuǎn)速上升時(shí)間不大于 60ms。16 系統(tǒng)的控制要求本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 1.2 所示。 由圖 1.2 可知， 本文通過 PLC 控制變頻器達(dá)到變頻調(diào)速的目的， 從而實(shí)現(xiàn)交流電 機(jī)的正反轉(zhuǎn)、起停、加速、減速控制以及速度的調(diào)節(jié)，并且能夠在在觸摸屏上進(jìn)行操 作，控制電機(jī)調(diào)速。 17.方案的確定 1 電動機(jī)的選擇 在變頻電機(jī)中，電動機(jī)類型選擇的原則是，在滿足工作機(jī)械對于拖動系統(tǒng)要求的 前提下，所選電動機(jī)應(yīng)盡可能結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價(jià)格低廉。因此，在 選用電動機(jī)種類時(shí)，若機(jī)械工作對拖動系統(tǒng)無過高要求，應(yīng)優(yōu)先選用交流電動機(jī)。在交流電動機(jī)中，籠型異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行最可靠，維護(hù)最方便，對起動 性能無過高要求的調(diào)速系統(tǒng)，應(yīng)優(yōu)先考慮。在電機(jī)工作中起動、制動比較頻繁，為提 高生產(chǎn)率，又要求電動機(jī)具有較大的起動、制動轉(zhuǎn)矩以縮短起動制動時(shí)間，同時(shí)還有 一定的調(diào)速要求，所以本設(shè)計(jì)采用籠型異步電動機(jī)，其參數(shù)為： 型號：WDJ26； 電壓：380V； 接法：角接； 轉(zhuǎn)速：1430r/min; 功率：40W； 電流：0.2A；頻率：50HZ； 絕緣等級：E。 2 開環(huán)控制的選擇 開環(huán)控制的選擇開環(huán)控制是最簡單的一種控制方式，他所具有的特點(diǎn)是，控制量與被控制量之間 只有前向通路而沒有反向通路。這種控制方式的特點(diǎn)是控制作用的傳遞具有單向性。 由于開環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，成本低。在國民經(jīng)濟(jì)各部門均有采用。因此，本 系統(tǒng)采用開環(huán)控制系統(tǒng)。 變頻器的選擇隨著變頻器性能價(jià)格比的提高，交流變頻調(diào)速己應(yīng)用到許多領(lǐng)域，由于變頻調(diào)速 的諸多優(yōu)點(diǎn)，使得交流變頻調(diào)速得到廣泛應(yīng)用。其功能較強(qiáng)，使用靈活，但其價(jià)格相 對較貴。所以我選用了通用變頻器，通過合理的配置、設(shè)計(jì)和編程，同樣可以達(dá)到專 用變頻器的控制效果。 本設(shè)計(jì)采用的變頻器是西門子公司面向世界推出的 21 世紀(jì)通用型變頻器 MM420。它可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)操作和精確控制，使電動機(jī)達(dá)到理想輸出，這種變頻器不僅 考慮了 V/f 控制， 而且還實(shí)現(xiàn)了矢量控制， 通過其本身的自動調(diào)諧功能與無速度傳感 器電流矢量控制，很容易得到高起動轉(zhuǎn)矩與較高的調(diào)速范圍。 MM420 變頻器的特點(diǎn)如下： 包括電流矢量控制在內(nèi)的四種控制方式均實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。 有豐富的內(nèi)藏與選擇功能。 由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、體積小。 保護(hù)功能完善、維修性能好。 通過 LCD 操作裝置，可提高操作性能。 18 S7-200 PLC 本系統(tǒng)選用的是西門子公司生產(chǎn)的 SIMATIC S7-200 系列小型 PLC，可用于代 替繼電器的簡單控制場合，也可用于復(fù)雜的自動化控制系統(tǒng)。由于它極強(qiáng)的的通信功 能，在大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮其功能。 S7-200 的可靠性高，可以用梯形圖語句表功能塊圖三種語言來編程。它的指令 豐富，指令功能強(qiáng)，易于掌握，操作方便，內(nèi)置有高速計(jì)數(shù)器、高速輸出、PID 控制 器、RS-485 通信/編程接口、PPI 通信協(xié)議、MPI 通信協(xié)議和自由端口模式通信功能， 最大可以擴(kuò)展到 248 點(diǎn)數(shù)字量 I/O 或 35 路模擬量 I/O，最多有 30 多 KB 的程序和數(shù) 據(jù)存儲空間。 MicroMaster420 19 MicroMaster420 變頻器本系統(tǒng)采用的是通用變頻器 MicroMaster420，MicroMaster420 是全新一代模塊 化設(shè)計(jì)的多功能標(biāo)準(zhǔn)變頻器。它有強(qiáng)大的通訊能力、精確的控制性能、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)，具有更多的靈活性，操作方便。最新的 IGBT 技術(shù)，具有 7 個(gè)固定頻率，4 個(gè)跳 轉(zhuǎn)頻率。靈活的斜坡函數(shù)發(fā)生器帶有起始段和結(jié)束段的平滑特性，防止運(yùn)行中不應(yīng)有 的跳閘，直流制動和復(fù)合制動方式提高制動性能。用 BiCo 技術(shù)，實(shí)現(xiàn) I/O 端口自由 連接。 MICROMASTER420 是用于控制三相交流電動機(jī)速度的變頻器系列， 從單相電 源電壓額定功率 120W 到三相電源電壓額定功率 11KW 可供選用，由微處理器控制， 用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作為功率輸出器件。因此，具 有很高的運(yùn)行可靠性和功能的多樣性。其脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)頻率是可選的，因而降 低了電動機(jī)運(yùn)行的噪聲，全面完善的保護(hù)功能為變頻器和電動機(jī)提供了良好的保護(hù)。 MICROMASTER420 具有缺省的工廠設(shè)置參數(shù)， 它是給數(shù)量眾多的簡單的電動機(jī)控制 系統(tǒng)供電的理想變頻驅(qū)動裝置。由于 MICROMASTER420 具有全面而完善的控制功 能，在設(shè)置相關(guān)參數(shù)以后，它也可用于更高級的電動機(jī)控制系統(tǒng)。 20外部電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要完成異步電機(jī)三種調(diào)速，由于變頻器參數(shù)設(shè)置的不同，調(diào)速方式也有 所不同，分別為變頻開環(huán)調(diào)速、數(shù)字量方式多段速控制和 PLC 觸摸屏及變頻器通信 控制。 21 變頻開環(huán)調(diào)速變頻開環(huán)調(diào)速根據(jù)輸入端的控制信號經(jīng)過程序運(yùn)算后由通信端口控制變頻器運(yùn) 行。打開啟動開關(guān)，變頻器開始運(yùn)行。 首先應(yīng)對變頻器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如表 2.1 所示。其中： 在設(shè)置參數(shù)前先將變頻器參數(shù)復(fù)位為工廠的缺省設(shè)定值； 設(shè)定 P0003=2 允 許訪問擴(kuò)展參數(shù)；設(shè)定電機(jī)參數(shù)時(shí)先設(shè)定 P0010=1(快速調(diào)試),電機(jī)參數(shù)設(shè)置完成設(shè) P0010=0(準(zhǔn)備)。 根據(jù)系統(tǒng)分析， 需要九個(gè)輸入量， 輸出端由三-八通信線實(shí)現(xiàn) 其 I/O 分配如表 PLC輸入輸出分配表輸 入輸 出電路符號地 址功 能地 址功 能SB1I0.0起動按鈕Q0.0STFSB2I0.1停止按鈕Q0.1STRQ0.2RHQ0.3RMQ0.4RLQ0.5MRS22按項(xiàng)目控制要求設(shè)計(jì)PLC和變頻器FR-E740連接的電氣原理圖PLC與變頻器的連接電氣原理參考圖如下圖3所示。變頻器FR-E740數(shù)字輸入RL、RM、RH端口為三段固定頻率控制端，每一段的頻率可分別由對應(yīng)的參數(shù)設(shè)置（見下表2）。變頻器數(shù)字輸入STF端口為電動機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行指令輸入端，STR為電動機(jī)反轉(zhuǎn)運(yùn)行指令輸入端， MRS為電動機(jī)輸出停止端。23 PLC程序設(shè)計(jì)程序執(zhí)行要求： 按下起動按鈕SB1后，輸入繼電器I0.0得電，輸出繼電器Q0.0和Q0.4置位，同時(shí)定時(shí)器T37得電計(jì)時(shí)。Q0.0輸出，變頻器FR-E740的數(shù)字正轉(zhuǎn)啟動端口STF為“ON”，得到正轉(zhuǎn)指令；Q0.4輸出，數(shù)字輸入端口RL為“ON”狀態(tài)，得到低速運(yùn)行指令，電動機(jī)以低速固定頻率（20HZ）正向運(yùn)轉(zhuǎn)。T37正轉(zhuǎn)定時(shí)到30S，T37常開觸點(diǎn)閉合，使輸出繼電器Q0.1、 Q0.3置位，Q0.0、Q0.4復(fù)位，同時(shí)定時(shí)器T38得電計(jì)時(shí)。Q0.3輸出，變頻器的FR-E740數(shù)字輸入端口STR為“ON”,得到反轉(zhuǎn)指令；Q0.3輸出，數(shù)字輸入端口RM為“ON” 狀態(tài)，得到中速運(yùn)行指令，電動機(jī)以中速固定頻率（30HZ）反向運(yùn)轉(zhuǎn)。T38反轉(zhuǎn)定時(shí)到50s，T38位常開觸點(diǎn)閉合，輸出繼電器Q0.0 Q0.2置位，Q0.1 Q0.3復(fù)位。Q0.0輸出，變頻器數(shù)字正轉(zhuǎn)啟動端口STF為“ON”狀態(tài)，得到正傳指令；Q0.2輸出得到高速運(yùn)行指令，電動機(jī)以高速固定頻率（50HZ）正向運(yùn)轉(zhuǎn)。按下停止按鈕SB2時(shí)，PLC輸入繼電器I0.1得電，其常開觸點(diǎn)閉合使輸出繼電器Q0.5置位，變頻器FR-E740的數(shù)字輸入端口輸出停止MRS為“ON”狀態(tài)，電動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)Q0.0Q0.4復(fù)位，此時(shí)變頻器FR-E740的數(shù)字輸入端口STF、STR、RH、RM、RL均為“OFF”狀態(tài)，返回啟動前初始狀態(tài)。PLC運(yùn)行參考程序如下圖4所示。24變頻器參數(shù)設(shè)置變頻器操作步驟省略，主要參數(shù)設(shè)置見下表。表2 變頻器參數(shù)設(shè)置值序號參數(shù)代號初始值設(shè)置值說明1P7903運(yùn)行模式選擇2P112050上限頻率（Hz）3P200下限頻率（Hz）4P35050電機(jī)額定頻率5P4050高速運(yùn)行6P5030中速運(yùn)行7P6020低速運(yùn)行8P750加速時(shí)間9P850減速時(shí)間25任務(wù)拓展用PLC和變頻器聯(lián)機(jī)實(shí)現(xiàn)電動機(jī)15段頻率運(yùn)行。按下電動機(jī)啟動按鈕，電動機(jī)啟動運(yùn)行在5Hz所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速；延時(shí)20s后，電動機(jī)升速運(yùn)行在10Hz對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，再延時(shí)20s后，電動機(jī)繼續(xù)升速運(yùn)行在20Hz對應(yīng)的轉(zhuǎn)速；以后每隔20s，則速度按下圖依次變化，一個(gè)運(yùn)行周期完后會自動重新運(yùn)行。按下停止按鈕，電動機(jī)停止運(yùn)行。設(shè)計(jì)出電路原理圖，寫出PLC控制程序和相應(yīng)參數(shù)設(shè)置。二、項(xiàng)目實(shí)現(xiàn) 1、 MM440變頻器的設(shè)置 2、 變頻器的設(shè)置 MM440變頻器數(shù)字輸入“5”、“6”、“7”、“8”端子通過P0701、 P0702、P0703、P0704參數(shù)設(shè)為15段固定頻率控制端，每一頻段的 頻率分別由P1001P1015參數(shù)設(shè)置。變頻器數(shù)字輸入“16”端子設(shè)為 電動機(jī)運(yùn)行、停止控制端，可由P0705參數(shù)設(shè)置。3、PLC的I/O分配 I0.0，電動機(jī)運(yùn)行，對應(yīng)電動機(jī)運(yùn)行按鈕SB1； I0.1，電動機(jī)停止，對應(yīng)電動機(jī)停止按鈕SB2； Q0.0，固定頻率設(shè)置，接MM440數(shù)字輸入端子“5”； Q0.1，固定頻率設(shè)置，接MM440數(shù)字輸入端子“6”； Q0.2，固定頻率設(shè)置，接MM440數(shù)字輸入端子“7”； Q0.3，固定頻率設(shè)置，接MM440數(shù)字輸入端子“8”； Q0.4電動機(jī)運(yùn)行/停止控制，接MM440數(shù)字輸入端子 “16”。4、PLC程序設(shè)計(jì) PLC程序應(yīng)包括以下控制：（1）當(dāng)按下正轉(zhuǎn)啟動按鈕SB1時(shí)，PLC的Q0.4應(yīng)置位為ON，允 許電動機(jī)運(yùn)行。 （2）PLC輸出接口狀態(tài)、變頻器輸出頻率、電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化如表 18-1所示。 （3）當(dāng)按下停止按鈕SB2時(shí)，PLC的Q0.4應(yīng)復(fù)位為OFF，電動機(jī) 停止運(yùn)行。、操作步驟 （1）連接電路圖，檢查接線正確后，接通PLC和變頻器電源。 （2）恢復(fù)變頻器工廠默認(rèn)值，P0010設(shè)為30，P0970設(shè)為1。按 下變頻器操作面板上的“P”鍵，變頻器開始復(fù)位到工廠默認(rèn)值。 （3）電動機(jī)參數(shù)按如下所示設(shè)置，電動機(jī)參數(shù)設(shè)置完后，設(shè) P0010為0，變頻器當(dāng)前處于準(zhǔn)備狀態(tài)，可正常運(yùn)行。 P0003設(shè)為1，訪問級為標(biāo)準(zhǔn)級； P0010設(shè)為1，快速調(diào)試； P0100設(shè)為0，功率以kW表示，頻率為50Hz； P0304設(shè)為230，電動機(jī)額定電壓； P0305設(shè)為1，電動機(jī)額定電流； P0307設(shè)為0.75，電動機(jī)額定功率； P0310設(shè)為50，電動機(jī)額定頻率； P0311設(shè)為1460，電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速； P3900設(shè)為1，結(jié)束快速調(diào)試，進(jìn)入“運(yùn)行準(zhǔn)備就緒”。（4）設(shè)置MM440的15段固定頻率控制參數(shù)，如下表所示。 附錄硬件連接圖PLC接線圖變頻器外部接線圖變頻器外部接線圖Plc與變頻器連接圖結(jié) 論 本設(shè)計(jì)以 PLC 和變頻器為核心， 通過對 PLC 控制變頻器帶電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的詳細(xì)分析， 完成了控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)的電氣控制。其中主要包括程序流程 圖的繪制，PLC 程序編寫及電氣原理圖的繪制。并利用 S7200 仿真軟件對程序進(jìn)行了 調(diào)試與仿真，將 PLC 控制和變頻器控制系統(tǒng)進(jìn)行了很好的結(jié)合。 PLC 是在繼電器接觸器控制和計(jì)算機(jī)控制基礎(chǔ)上開發(fā)的工業(yè)自動控制裝置，是 計(jì)算機(jī)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的一種應(yīng)用技術(shù)，它產(chǎn)生的時(shí)間不長，但從其發(fā)展趨勢和在 工業(yè)控制中所占比例的不斷上升可以看出，其發(fā)展前景是不可估量的。設(shè)計(jì)基于 PLC 控 制變頻器帶電機(jī)多段速運(yùn)行系統(tǒng)，既能提高其生產(chǎn)效率，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，又能達(dá) 到現(xiàn)代高精度控制要求。但隨著科技的不斷進(jìn)步，PLC 的種類日益繁多，功能也逐漸增 強(qiáng)，在實(shí)際應(yīng)用中一定要根據(jù)實(shí)際情況對系統(tǒng)做出適當(dāng)調(diào)整，以便設(shè)計(jì)出滿足要求的控 制系統(tǒng)。 針對本設(shè)計(jì)中 PLC 控制變頻器帶電機(jī)多段速運(yùn)行控制系統(tǒng)， 設(shè)計(jì)中的許多功能還有 待于擴(kuò)展、完善。有待于今后進(jìn)一步研究解決 致謝 時(shí)光荏苒，轉(zhuǎn)眼間，電大本科即將畢業(yè)。值此畢業(yè)論文完成之際，我謹(jǐn)向所有關(guān)心過我、幫助過我的人們表示最誠摯的感謝與最美好的祝愿。 本論文是在指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)下完成的。司老師是我們畢業(yè)設(shè)計(jì)輔導(dǎo)老師，司老師以淵博的專業(yè)知識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度教給我們很多專業(yè)知識，又以精益求精的工作作風(fēng)、誨人不倦的高尚師德不厭其煩地為我指導(dǎo)論文。本論文從選題到完成，幾易其稿，每一步都是在朱老師的精心指導(dǎo)下完成的，每條批語都凝結(jié)著司老師的心血，都是司老師諄諄教誨，讓我知道如何選題、如何整理材料，為我畢業(yè)論文的選題和創(chuàng)作奠定了基礎(chǔ)。還要感謝我們班級同學(xué)，他時(shí)常給我鼓勵(lì)，給我支持，并且在我的論文修改方面提出了寶貴的意見。愿幫助過我的老師、同學(xué)師生情、友情長存！在此，我向我的論文指導(dǎo)老師朱萍表示深切的謝意與祝福！ 本論文的完成也離不開其他各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心與幫助。 本論文的完成更離不開陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院的硬件、軟件設(shè)施。奉賢圖書館的大量圖書讓我豐富了視野，開闊了眼界，并且為我的論文創(chuàng)作提供了大量的資料。圖書館網(wǎng)站擁有歷年中國期刊網(wǎng)上發(fā)表的所有學(xué)術(shù)論文，為我的論文提供了很好的借鑒。愿陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院的基礎(chǔ)設(shè)施越來越完善，也愿師弟師妹們能夠很好地珍惜我校寶貴的知識資源！ 此外，還要感謝我的父母，是他們在我的求學(xué)生涯中給了我無微不至的關(guān)懷和幫助， “誰言寸草心，報(bào)得三春暉”是他們用辛勤的汗水換得我獲得知識的機(jī)會。 ，在此，愿我的父母永遠(yuǎn)健康！參考文獻(xiàn) 1、EasyBuilder500 編程使用手冊 深圳市步進(jìn)科技有限公司 2、三菱微型可編程控制器 FX1S，F(xiàn)X1N，F(xiàn)X2N， FX2NC 編程手冊MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION 2005 3、變頻器使用說明書 三菱機(jī)電有限公司 4、艾默生EC20PLC編程手冊 艾默生有限公司 5、EV1000 變頻器使用手冊 艾默生有限公司 6、PLC 應(yīng)用技術(shù)問答 機(jī)械工業(yè)出版社2006 廖常初 7、PLC 基礎(chǔ)應(yīng)用 機(jī)械工業(yè)出版社2003 廖常初 8、PLC 應(yīng)用技術(shù) 機(jī)械工業(yè)出版社2007 徐國林 9、工業(yè)變頻器原理及應(yīng)用 電子工業(yè)出版社2006 魏召剛等 西門子:：http：/./ 中國自動化網(wǎng)：http:/中國工控網(wǎng)：http:/ 工控大世界:http：/24