基于PLC控制的变频调速系统.docx

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基于PLC控制的变频调速系统

摘要

随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，交流变频调速技术已经进入一个崭新的时代，广泛应用于各行业在节约电能的同时可以减少排放、降低能耗，因此理解并掌握变频器的控制，具有十分重要的现实意义。

本次课程设计就是基于PLC控制的变频调速系统，应用模拟量模块将输入的电压信号转换为数字量，传送给PLC，由PLC进行调节，输出不同的信号控制变频器的频率，进而调节异步电动机的转速，并增加旋转编码器进行测速，实现转速的可调可测。

关键词

PLC模拟量模块变频器调速异步电动机旋转编码器

Pick

AlongwiththerapiddevelopmentofChineseeconomy,microelectronicstechnology,computertechnologyandautomaticcontroltechnologyisrapidlydeveloping,variablefrequencyadjustinftechniquehasenteredanewera,widelyusedinvariousindustriesinsavingenergyandreducingconsumptioncanreduceemissions,andthereforeunderstandingandmasteryoftheinvertercontrol,andhasveryimportantpracticalsignificance.

ThiscourseisdesignedbasedonPLCcontrolofvariablefrequencyspeedregulationsystem,theapplicationofanaloginputvoltagesignalmodulewillbeconvertedtodigital,sendPLC,byPLCtoadjust,theoutputsignalofdifferentfrequencyinvertercontrol,andadjustingtherotationalspeedasynchronousmotors,andincreasingspeed,revolvingencoderareadjustablespeedcanbemeasured.

Keywords,

PLCanalogmodulespeed-regulateofasynchronousmotorrevolvingencoder

1.绪论

可编程控制器（PLC）是集计算机技术、自动控制技术、通信技术为一体的新型自动控制装置。

其性能优越，已被广泛地应用于工业控制的各个领域;已成为工业自动化的三大支柱之一。

（PLC、工业机器人、CAD/CAM）PLC的应用已经成为一个世界潮流。

随着电力电子技术和自动控制技术的日益发展，电动机的调速已经从继电器控制时代发展到今天的由变频器控制调速。

且在工业各个领域中得到了极为广泛的应用。

在现在的在工业自动化控制系统中，最为常见的是由PLC控制变频器实现电动机的调速控制。

该方法主要通过程序来控制了电动机的变频调速，从而实现了自动控制。

1.1课程设计的意义

电气控制技术是电气工程及其自动化专业的一门重要的专业课，该课程不但有较高的理论基础要求，而且工程实践性很强，因此除安排上完理论课时外，还安排了两周的课程设计。

通过课程设计一方面可巩固已学过的理论知识，更重要的是给学生一次独立设计的时间机会，以培养其设计能力和实际工作能力。

1.3课程设计的内容

通过CPM1A-MAD02-CH模拟量模块将电压信号转换为数字量，并通过特殊通道13传递给PLC，再由PLC进行处理，分成5级，最后用其处理的结果对变频器进行控制，实现5级频率改变，进而实现异步电动机的调速；同时要用旋转编码器进行测速，从而实现转速可调可测。

表3-1为调节结果要求。

表3-1调节结果要求

电压范围（V）

转化后对应数字量

变频器输出

0-2

0000-0020

25HZ

2-4

0020-0062

30HZ

4-6

0062-0093

35HZ

6-8

0093-00C4

40HZ

2.系统方案说明

在设计控制系统时，首先要设计出一个基本构架，并结合这个构架来详细的说明该控制系统的基本功能。

2.1变频调速控制系统说明

变频调速系统由A/D转换、变频调速和旋转编码器测速三部分组成。

先有模拟量模块将传入的模拟量转换为数字量，数字量经过PLC的处理，产生不同的频率控制信号传递给变频器，从而控制异步电动机调速，最终速度信号由旋转编码器采集并经PLC读出。

2.2系统结构说明

根据上述描述做出了如图2-1的系统控制框图，图中旋转编码器的测量信号虽然最终又返回PLC，但并不是闭环控制系统，信号返回的目的是读出异步电动机的转速，所以本次设计为开环控制系统。

图2-1的系统控制框图

3.系统硬件设计

该系统由模拟量模块、PLC控制器、变频器、异步电动机、旋转编码器构成。

3.1系统设计原则

硬件设计中，要进行输入设备的选择（如操作按钮、转换开关及计量保护的输入信号等），执行元件（如接触器、电磁阀、信号灯等）的选择，以及控制台、柜的设计等。

具体设计时应注意结合几点原则：

可靠性、功能完善性、经济性，在保证以上几点的基础上，考虑系统的先进性和可扩展性，其中可靠性是最为重要的。

为此，选用性能可靠但价格较高的产品相对于后期的维护费用来说，成本不是很高。

根据工艺流程，将所需的计数器、定时器及内部辅助继电器也进行相应的分配，然后进行软件设计。

3.2系统硬件选择

本次课程设计所选器件均为实验室现有资源。

3.3CPM1A-MAD02-CH模拟量输入/输出单元

图3-1为外部端子分布图：

图3-1外部端子分布图

表3-1为产品规格说明书：

表3-1产品规格说明书

输入

通道数

输入信号范围

0-10V

1-5V

4-20mA

分辨率

0-10V

8位

1-5V

8位

4-20mA

8位

输入形式

差动输入

输入阻抗

电压输入

1MΩ

电流输入

250Ω

最大输入信号

电压输入

±15V

电流输入

±30mA

输出

通道数

输出信号范围

-10-10V

0-10V

4-20mA

分辨率

-10-10V

9位

0-10V

8位

4-20mA

8位

最大输出电流

电压输出

5mA

最大负载阻抗

电流输出

350Ω

总输出电流

21mA

精度

±1.0%（满量程）

隔离方式

模拟量输入、输出端子之间

无隔离

模拟量输入/输出端子和CPU之间

DC500V

转换速率

最大十毫秒一个单元（见注）

外部连接端子

两个14脚端子台（不可拆卸）

电流消耗

5V最大60mA

（CPM×A5V最大提供150mA）

24V最大80mA

重量

最大250g

尺寸

86（W）×50（H）×90（D）mm

注:

这个时间是指整个模块的输入输出完成一次刷新所需要的时间。

●只要总电流小于或等于21mA,电压输出和电流输出可以同时使用。

●启动电压或电流输出时，写入输出通道的数据有效。

●启动电压或电流输入时，从输入通道读数据有效。

●不用的输入回路,将其电压输入端子短接。

表3-2/3-3为输入/输出范围设置，表3-4为设定值：

表3-2输入范围设置

设置字（“MAD02-输出通道n”+“1”）

位

输入4

输入3

输入2

输入1

启动

量程

启动

量程

启动

量程

启动

量程

表3-3输出范围设置

设置字（“MAD02-输出通道n”+“1”）

位

不使用

输入4

输入3

输入2

输入1

输出1

平均值

启动

量程

表3-4设定值

项目

内容

输入

量程

0~10V1:

1~5V/4~20mA

启动位

不使用1:

使用

平均值

不使用1:

使用

输出

量程

0~10V/4~20mA1:

-10~+10V/4~20mA

启动位

不使用1:

使用

注:

设定通道只能用于量程设定,不能作它用。

表3-5为通道分配

表3-5通道分配

CPU

输出1

输入4

输入3

输入2

输入1

30CDR

12CH

低八位

03CH

高八位

03CH

低八位

02CH

高八位

02CH

低八位

40CDR

12CH

低八位

03CH

高八位

03CH

低八位

02CH

高八位

02CH

低八位

表3-6为输入通道的IR位分配表

表3-6输入通道的IR位分配

“输入通道1”（a）

输入2

输入1

“输入通道1”＋1（b）

输入4

输入3

表3-7为输出通道的IR位分配

不使用（0）

输出1数据位

S：

符号位

0：

正电压输出

1：

负电压输出

注：

只有当使用±10V量程时，符号位才有用。

图3-2为输出接线图，图3-3为输入接线图

图3-2输出端子接线图图3-3输入端子接线图

3.4PLC控制器

CPM2A是一种紧凑的高速可编程序控制器（PLC），是为需要每台PLC有10～120点I/O的系统控制操作而设计的。

CPM2A在一个小巧的单元内综合有各种性能，包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、模拟量设定和时钟功能等。

CPM2ACPU单元又是一个独立单元，能处理广泛的机械控制应用，所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品，完整的通信功能保证了与个人计算机、其他OMRONPC和OMRON可编程终端的通信。

这些通信能力使用户能设计一个经济的分布生产系统。

表3-8CPM2A一般功能。

表3-8CPM2A一般功能

般规格

一般规格

项目

20点CPU单元

30点CPU单元

40点CPU单元

60点CPU单元

电源电压

AC电源型

AC100-240V 50/60Hz

DC电源型

DC24V

允许电源电压

AC电源型

AC85-264V

DC电源型

DC20.4-26.4V

消耗电流

AC电源型

60VA以下

DC电源型

20W以下（具体参见如下）

浪涌电流

AC电源型

60A以下

DC电源型

20A以下

外部供给电源

电源电压

DC24V

（只是AC形式）

电源输出容量

300mA

绝缘电阻

电源AC外部所有端子与外壳端子间200MΩ以上（DC500V欧表）

耐电压

电源AC外部所有端子与外壳端子间AC2,300V 50/60Hz 1分钟漏电流10mA以下

耐干扰性

以IEC61000-4-4为标准 2KV（电源线）

振动

以JISC0040为标准 10-57HZ振幅0.075mm10-57HZ 加速度9.8m/s2

在X,Y,Z方向各80分钟（每次振动8分钟*实验次数10次=合计80分）

冲击

以JISC0041为标准 147m/s2在X,Y,Z方向各3次

使用环境温度

0-550C

使用环境湿度

10-90%RH（不结露）

使用气体环境

无腐蚀性气体

保存环境温度

-20—+750C

端子螺钉尺寸

电源保持时间

AC电源型:

10ms以上/DC电源型:

2ms以上

AC电源型

650g以下

700g以下

800g以下

1000g以下

DC电源型

550g以下

600g以下

700g以下

900g以下

质量:

20点输入输出扩展I/O单元 :

300g以下

8点输入输出扩展I/O单元 :

250g以下

8点输入输出扩展I/O单元 :

220g以下

模拟量输入输出单元（MAD01） :

150g以下

模拟量输入输出单元（MAD11） :

250g以下

温度传感器单元 :

250g以下

CompoBus/s/I/O链接单元 :

200g以下

DeviceNetI/O链接单元 :

200g以下

*请作为输入设备用电源（不要作为输出设备的驱动电源使用）。

外部电源产生过电流或短路时,由于外部电流的电压低下，PLC停止运行。

CPM2A-60CDR-A连接3个CPMIA-MAD11时，应在外部电源200mA以下进行使用。

DC电源型消耗电流一览

使用DC电源型时，CPM2A的消耗电力可按以下一览表计算.

CPU单元的消耗电流中包含手持编程器, RS-232适配器等单元的消耗电力。

CPM2ACPU单元

消耗电流（w）

CPM2A-20CDR-D

CPM2A-30CDR-D

4.5

CPM2A-40CDR-D

CPM2A/2H--60CDR-D

7.5

CPM2A-20CDT/T1-D

3.5

CPM2A-30CDT/T1-D

CPM2A-40CDT/T1-D

4.5

CPM2A-60CDT/T1-D

使用扩展I/O时应加上以下的消耗电力

CPM1A 扩展I/O单元

消耗电流（w）

CPM1A-40EDR

CPM1A-EDT/T1

1.5

CPM1A-20EDR1

2.5

CPM1A-20EDT/T1

1.5

CPM1A-8ED

CPM1A-8ER

CPM1A-8ET/T1

CPM1A-DRT/21

CPM1A-MADO1/MAD11

3.5

CPM1A-TS002/TS101

CPM1A-TS002/TS102

性能规格

项目

20点CPU单元

30点CPU单元

40点CPU单元

60点CPU单元

控制方式

存储程序模式

输入输出控制方式

周期扫描方式（按照IORF指令进行即时刷新）

编程方式

梯形图方式

指令程度

1步/指令 1-5字/一个指令

指令种类

基本指令

14种

特殊指令

105种 185个

执行时间

基本指令

LD指令：

0.64µs

特殊指令

MOV指令：

7.8µs

程序容量

4096字

最大I/O点数

本体

20点

30点

40点

60点

扩展时

最大80点

最大90点

最大100点

最大120点

输入继电器

00000-00915（不作为输入输出继电器使用的CH可以做为内部辅助继电器使用）

输出继电器

01000-00915（不作为输入输出继电器使用的CH可以做为内部辅助继电器使用）

内部辅助继电器

928点:

02000-04915（020-049CH） 20000-22715（200-227CH）

特殊辅助计电器

448点:

22800-25515（228-255CH）

暂存继电器

8点（TR0-7）

保持继电器

320点：

HR0000-1915（HR00-19CH）

辅助继电器

384点：

AR0000-2315（AR00-23CH）

链接继电器

256点：

LR0000-1915（）LR00-15CH）

定时器/计数器

256点：

TIM/CNT000-255

1ms定时器（TMHH指令）10ms定时器（TMHH指令）100ms定时器（TMHH指令）

1s/10s定时器（TMHH指令）减法计数器（CNT指令）可逆计数器（CNTR指令）

数据存储

读/写

2048字（DM0000-2047）DM2000-2021'为异常履历区域

只读

456字（DM6144-6599）

PC系统设定

56字（DM6600-6655）

基本中断功能

输入中断

4点（输入中断的计算器模式脉冲捕捉通用）

内部定时器中断

1点（定时中断或单触发中断）

高速计数器功能

高速计数器

1点（单相20KHz/二相/5KHz线性模式）

计数检查中断

1点（目标值一直中断或带状区域一直中断）

输入中断

4点（输入中断脉冲捕捉通用）

（计数器模式）

计数中断

4点（输入中断脉冲捕捉通用）

脉冲输出

2点（无加减速各10Hz-10kHz无方向控制）

或1点（梯形图加减速各10Hz-10kHz方向控制）

或2点（可变比率输出（PWM输出））

注:

仅限晶体管输出型,继电器输出型不可。

脉冲同步控制

1点:

通过高速计数器和脉冲输出的组合，

可按照高速计数器输入脉冲的频率乘以一不定期的倍率后进行脉冲输出

注：

仅限晶体管输出型,继电器输出型不可。

脉冲捕捉输入

4点（最小脉冲输入:

50µs以下）

模拟量设定旋纽

2点（设定范围0-200）

输入数检常数

可设定所有输入接点

（1ms/2ms/3ms/5ms/10ms/20ms/40ms/80ms）默认值10ms

时钟功能

有（由电池保持）年/月/星期/日/时/分/秒

通信功能

内置并联端口:

上位链接工具总线无协议手持编程器连接其中之际一

内置RS-2332C端口:

上位链接无协议1:

1链接从站1:

1链接主站NT链接（1:

1）其中之一

扩展单元的功能

•模拟量输入输出单元：

模拟量2点输入，模拟量1点输出

•CompoBus/SI/O链接单元：

作为CompoBus/S从站8点输入8点输出

•温度传感器单元：

热电偶输放在眼2点4点铂电阻输入2点4点

停电保持功能

保持继电器（HR）辅助记忆继电器（AR）计数器（CNT）数据存储（DM）

用户程序内通保持。

存储器备份

闪存:

用户程序数据存储（只读）PC系统（设定）

备份：

数据存储（READ/WRITE）保持继电器（HR）

辅助记忆继电器（AR）计数器（CNT） 5年（250C保持）

自我诊断机能

CPU异常（WDT）存储异常I/O总线异常电池异常

程序检察

运行开始时即时进行没有END指令指令异常等检察

*CPM2AH-S40CDR-A增加了CompoBus/s总线主站功能,最大I/O的点数为356点,本体100点+总线256点.

*CPM2AE-60CDR-A只有继电器输出型.

（1）特殊指令数为10种183条（不能使用CTBL指令性以及与脉冲输出有关的指令）.

（2）无RS232通信口及通信设置开关.

（3）无时钟功能.

（4）程序后备锂电池另购.

3.5变频器

简介：

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。

电机的旋转速度为什么能够自由地改变？

　　　　*1:

r/min

　　电机旋转速度单位：

每分钟旋转次数，也可表示为rpm.

　　例如：

2极电机50Hz3000[r/min]

　　　　4极电机50Hz1500[r/min]

　　　$电机的旋转速度同频率成比例

　　本文中所指的电机为感应式交流电机，在工业中所使用的大部分电机均为此类型电机。

　　感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机的极数和频率。

　　由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。

由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以一般不适和通过改变该值来调整电机的速度。

　　另外，频率能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。

　　因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。

　　　　n=60f/p

同步速度

电源频率

电机极对数

　　$改变频率和电压是最优的电机控制方法

　　如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压（过励磁），导致电机可能被烧坏。

因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。

输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最高只能是等于电机的额定电压。

　　例如：

为了使电机的旋转速度减半，把变频器的输出频率从50Hz改变到25Hz，这时变频器的输出电压就需要从400V改变到约200V

当电机的旋转速度（频率）改变时，其输出转矩会怎样？

　　　*1:

工频电源

　　　由电网提供的动力电源（商用电源）

　　　*2:

起动电流

　　　当电机开始

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