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基于PLC的异步电动机变频调速系统设计

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，能根据不同材质的加工产品，实现运行速度的调节，并能稳定运行。

我们的设计系统主要由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，控制各种类型的机械或生产过程的工业计算机。

因此PLC和交流电机无论在工业还是生活中都是应用最广，最有的实用价值的。

关键词：

PLC、变频器、三相异步电动机

BasedonPLCasynchronousmotorfrequency

controlsystemdesign

Pickto

Acinductionmotoristheindustryandagricultureproductioninthemostimportantdragoneofequipment,becauseofitssimplestructure,easymaintenanceandadvantagestoawiderangeofapplications.Butinmodernindustrialproduction,someequipmentneedaccordingtodifferentworkenvironment,toadjusttoaspecificspeed.Andtheexchangeofasynchronousmotorspeedputsforwardtherequest,hopecanachieveadevicerunning,canaccordingtodifferentmaterialprocessingproducts,therealizationofrunningspeedadjustment,andstableoperation.

OurdesignsystemmainlybyPLC,frequencyconverter,motorandseveralparts.PLCisabletodologicoperations,orderoperation,timing,counting,andarithmeticoperationinstructions,controlofthevarioustypesofmachineryortheproductionprocessofindustrialcomputer.SoPLCandacmotorbothinindustrialorlifearethemostwidelyused,themostpracticalvalue.

Keywords:

PLC,frequencyconverter,three-phaseasynchronousmotor

前言…………………………………………………………………...1

第1章PLC简介……………………………………………………3

1.1PLC的基本概念……………………………………………3

1.2PLC的基本结构……………………………………………3

1.3PLC的工作原理…………………………………………...4

1.4PLC的外围接线及各部分细节…………………………..6

第2章变频器概述……………………………………………........7

2.1变频器的选择和参数设置…………………………..........7

2.2变频器的选择……………………………………………...7

2.3变频器在调速系统中的优点……………………………..7

2.4变频调速原理……………………………………………...9

2.5变频调工作原理…………………………………………..9

2.6变频器的快速设置………………………………………..9

第3章三相异步电动机…………………………………………..11

3.1三相异步电动机的基本构造…………………………….11

3.2三相异步电动机的调速方式…………………………….11

第4章PLC硬件连接及软件编程……………………………....13

4.1系统主电路图………………………………………..........13

4.2硬件设计……………………………………………..........14

4.2.1开环控制的外部硬件连接图……………………....14

4.3PLC软件编程………………………………………………15

4.3.1设计步骤……………………………………………..15

4.3.2程序的主体……………………………………………15

4.4控制程序……………………………………………………15

4.4.1初始化变量及判断按键和锁定相应的状态位…..15

4.4.20-25秒上升子程序…………………………………19

4.4.325-35秒平衡子程序………………………………..20

4.4.435-40秒平衡子程序………………………………..20

4.4.540-60秒平衡子程序………………………………..21

4.4.660-65秒下降子程序……………………………….22

4.4.7有循环位时启动下一次循环子程序……………….22

4.4.8外部电压给定子程序………………………………..23

4.5控制程序T形图……………………………………………23

第5章调试过程及结果…………………………………………..30

5.1调试过程…………………………………………………...30

5.2调试结果…………………………………………………...30

结论……………………………………………………………........31

谢词……………………………………………………………........32

参考文献…………………………………………………………….33

前　言

本次设计主要以PLC和变频器为主，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。

它灵活、通用、I/O接口丰富，可靠性高、抗干扰能力强，编程简单、使用方便，设计施工周期短、接线简单、维护工作量小，体积小，重量轻、能耗低、易于实现机电一体化，联网方便，便于系统集成。

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。

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。

第1章PLC简介

1.1PLC的基本概念

1969年，出现了可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController），其特点是：

具备逻辑控制、定时、计数、等功能，编程语言采用直观的梯形图语言，软件更改方便，通用性和灵活性好。

目前，可编程控制器PLC主要是朝着小型化、廉价化、标准化、高速化、智能化、大容量化、网络化的方向发展，与计算机技术相结合，形成工业控制及系统、分布式控制系统DCS（DistributedControSystem）、现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem），这将是PLC的功能更强，可靠性更高，使用更方便，适用范围更广。

1.2PLC的基本结构

如图1-1所示，PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。

PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。

PLC主要由CPU模块、I/O模块、变成装置和电源组成。

根据硬件结构的不同，可以将PLC分为整体式、模块式和混合式。

整体式PLC又叫做单元式或箱体式，他的体积小、价格低、小型PLC一般采用整体结构。

模块式PLC一般用于大、中型PLC，它由机架和模块组成。

图1-1PLC基本组成

1.3PLC的工作原理

PLC通电后，需要对硬件和软件做一些初始化工作。

为了使PLC的输出及时地响应各种输入信号，初始化后PLC要反复不停地分段处理各种不同的任务，这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。

1、初始化过程：

与其它单片机运行一样，上电运行或复位时进行处理

（1）硬件初始化，复位输出输入模块，清零

（2）清除数据区

（3）输出输入地址分配

2、扫描过程

（1）扫描输入，将输入口状态读入至输入口映像区

（2）时钟处理，特殊寄存器更新

（3）执行用户程序

（4）输出，将输出口映像区输出至输出端口刷新

（5）自诊断检查

3、出错处理

检查PLC内部电路CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通讯异常。

致命错误，CPU强制STOP方式，所有扫描停止。

图1-2小型PLC的典型工作过程

1.4PLC的外围接线及各部分细节

PLC的外围接线

图1-3PLC的外围接线原理图

第2章变频器简介

2.1变频器的选择和参数设置

2.2变频器的选择

正确选择通用型变频器对于传动系统能够正常运行时至关重要的，首先要明确使用通用变频器的目的，按照生产机械的类型、调速范围、速度响应和控制精度、启动转矩等要求，充分了解变频器所驱动负载特性，决定采用什么功能的通用变频器构成控制系统，然后决定选用哪种控制方式最合适。

所选用的通用变频器应是既满足生产工艺要求，又要在技术经济指标上合理。

若对通用变频器选型、系统设计及使用不当，往往会使通用变频器不能正常的运行、达不到预期目标，甚至引发设备故障，造成不必要的损失。

另外，为了确保通用变频器长期可靠的运行，变频器的地线的连接也是非常重要的。

2.3变频器在调速系统中的优点：

1．控制电机的启动电流；

2．降低电力线路的电压波动；

3．启动时需要的功率更低；

4．可控的加速功能；

5．可调的运行速度；

6．可调的转矩极限；

7．受控的停止方式；

8．节能；

9．可逆运行控制；

10．减少机械传动部件。

在本系统中，选用了由西门子生产的通用变频器MM420。

变频器MM420为我们提供了很好的BOP控制面板具体如下图：

图2-1BOP控制面板

改变参数数值的一个数字

为了快速修改参数的数值，可以单独修改显示出的每个数字，操作步骤如下：

1.按（功能键），最右边的一个数字闪烁。

2.按/，修改这位数字的数值。

3.再按（功能键），相邻的下一位数字闪烁。

4.执行2至4步，直到显示出所要求的数值。

5.按，退出参数数值的访问级。

2.4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。

2.5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。

2.6变频器的快速设置

如果所用的变频器刚刚出厂的变频器，则需对它进行快速调试，试验中用到的变频器都已经完成了快速调试。

表2-1变频器的快速调试

序号

变频器参数

出厂值

设定值

功能说明

1

P0304

230

380

电动机的额定电压（380V）

2

P0305

3.25

0.35

电动机的额定电流（0.35A）

3

P0307

0.75

0.06

电动机的额定功率（60W）

4

P0310

50.00

50.00

电动机的额定频率（50Hz）

5

P0311

0

1430

电动机的额定转速（1430r/min）

6

P1000

2

1

用操作面板（BOP）控制频率的升降

7

P1080

0

0

电动机的最小频率（0Hz）

8

P1082

50

50.00

电动机的最大频率（50Hz）

9

P1120

10

10

斜坡上升时间（10S）

10

P1121

10

10

斜坡下降时间（10S）

11

P0700

2

2

选择命令源（由端子排输入）

12

P0701

1

10

正向点动

13

P0702

12

11

反向点动

14

P1058

5.00

30

正向点动频率（30Hz）

15

P1059

5.00

20

反向点动频率（20Hz）

16

P1060

10.00

10

点动斜坡上升时间（10S）

17

P1061

10.00

5

点动斜坡下降时间（5S）

注:

（1）设置参数前先将变频器参数复位为工厂的缺省设定值

（2）设定P0003=2允许访问扩展参数

（3）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定P0010=0（准备）

第3章三相异步电动机

3.1三相异步电动机的基本构造

图3-1三相异步电动机的基本构造图

3.2三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。

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

　　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。

二、串级调速方法

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。

三、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。

第4章PLC硬件连接及软件编程

4.1系统主电路图

图4-1系统主电路图

PLC控制Q0.6和Q0.7来接入和切除电机的接入变频器的状态（电气连接图右）

4.2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

4-1速度开环控制的结构控制图

4.2.1开环控制的外部硬件连接图

图4-3开环控制的外部硬件连接图

4.3PLC软件编程

4.3.1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。

4.3.2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

4.4控制程序

4.4.1初始化变量及判断按键和锁定相应的状态位

网络1每次按键都复位

LDI0.0

OI0.1

OI0.2

OI0.3

MOVW0,VW0

AENO

MOVWVW0,AQW0

网络2每次按键都清除中间状态

LDI0.0

OI0.1

OI0.2

OI0.3

RM0.0,8

RQ0.0,6

RM1.0,8

RM2.0,8

网络3单环电压输出状态锁定

LDI0.0

OM0.0

ANI0.1

ANI0.2

ANI0.3

=M0.0

=Q0.0

网络4循环电压输出状态锁定

LDI0.1

OM0.1

ANI0.0

ANI0.2

ANI0.3

=M0.1

=Q0.1

网络5切断所有状态

LDI0.2

OM0.2

OM1.6

ANI0.1

ANI0.0

ANI0.3

=M0.2

网络6外部电压输出状态锁定

LDI0.3

OM0.3

ANI0.1

ANI0.2

ANI0.0

=M0.3

=Q0.2

网络7单环或循环电压上升锁定

LDI0.0

OI0.1

OM1.6

ANM2.0

ANM2.1

ANM2.2

=M0.5

网络8单环或循环电压平衡锁定

LDM0.5

OM2.0

LDM0.0

OM0.1

ALD

ANM1.7

ANM0.6

ANM0.7

=M2.0

=Q0.3

网络9单环或循环电压下降锁定

LDM0.6

OM2.1//M0.6和M2.1同时触发电路

LDNM2.6//M2.6用于空闲保持电路

AM2.7

OLD

LDM0.0

OM0.1//程序工作条件

ALD

ANM2.6

ANM1.7

ANM0.5

ANM0.7//程序动作的互锁以及用于切除程序工作

=M2.1

=Q0.4//驱动状态显示

网络10

LDM0.7

OM2.2

OM2.6//M0.7，M02.2M2.6用于触发和锁定程序工作。

LDM0.0

OM0.1//程序工作的条件（在M0.0或M0.1有效的情况下工作）

ALD

ANM0.6

ANM1.7

ANM2.7

ANM0.5//程序动作的互锁以及用于切除程序工作

=M2.2

=Q0.5//驱动状态显示

4.4.20-25秒上升子程序

网络11

LDM0.0

OM0.1

ANM1.0

TONT32,1

网络12

LDM0.0

OM0.1

AT32

=M1.0//网络11和网络12程序内部的电压上升频率的设定

网络13

LDM0.0

OM0.1//程序工作条件（电压单环或电压循环输出）

AM2.0//程序工作条件（在电压上升时刻）

AM1.0//引入电压动作频率

+I20,VW0//电压上升每次改变20数字量

AENO//上一步执行正确做下一步

MOVWVW0,AQW0//将电压送给模拟输出口

网络14

LDM0.0

OM0.1//程序工作条件（电压单环或电压循环输出）

AM2.0//程序工作条件（在电压上升时刻）

AW>=VW0,23000//将现在的电压值和设定值比较当电压值大于设定是动作

=M0.6

=M3.7

=M2.4//输出各个控制量

4.4.325-35秒平衡子程序

网络15//第一次电压平衡工作副状态锁定

LDM2.4

OM3.1

ANM3.4

=M3.1//第一次电压平衡工作副状态锁定

网络16//电压平衡时间定时

LDM0.0

OM0.1

AM2.1

AM3.1

TONT38,70

网络17定时时间到后输出各个控制状态

LDM0.0

OM0.1

AT38

=M0.7

=M3.4

网络18切除电压平衡副状态锁定第一次电压下降副装态

LDM3.4

OM3.2

ANM3.6

=M3.2

4.4.435-40秒下降子程序

网络19第一次电压下降

LDM0.0

OM0.1

AM2.2

AM1.0

AM3.2//程序工作条件

-I20,VW0

AENO//电压下降幅度

MOVWVW0,AQW0//电压及时的送给模拟输出端口

网络20电压比较

LDM0.0

OM0.1

ANM2.6

AM2.2

AM3.2程序工作条件

AW

=M2.7

=M3.6

=M2.5//状态输出

4.4.540-60秒平衡子程序

网络21切除电压下降副状态锁定第二次电压平衡副装态

LDM2.5

OM3.0

ANM3.5

=M3.0

网络22电压平衡定时

LDM0.0

OM0.1

AM2.1

AM3.0

TONT39,70

网络23定时时间到后输出各个控制状态

LDM0.0

OM0.1