基于PLC的变频器多段速调速系统设计毕业设计Word文件下载.docx

基于PLC的变频器多段速调速系统设计毕业设计Word文件下载.docx

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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；

而随着新材料如稀土永磁材料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PGV/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书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

4PLC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。

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