PLC变频器在工业中的应用.docx
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PLC变频器在工业中的应用
维修电工技师论文
题目PLC、变频器在工业中的应用
单位
专业维修电工技师
姓名
二零一五年十月
PLC、变频器在工业中的应用
前言
随着现代化工业的加速进行，为了适应更加精密和可靠的自动化控制流程，PLC在三相异步电动机控制中的应用，与传统的继电器控制相比，具有控制速度快、可靠性高、灵活性强、功能完善等优点。
为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用，适合于当前工业企业对自动化控制的需求。
本文是采用PLC编程的梯形图语言，梯形图语言是在可编程控制器中应用最广的语言，因为它能使用灵活的指令，使逻辑关系清晰直观，编程也更容易，适合绝大多数设备操作者的编程习惯和思路，其所实现的功能也大大超过传统的继电器控制电路。
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，它是专为在恶劣工作环境下的自动化控制应用而设计。
它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制，定时、计数和算术等操作的指令，并采用数字式、模拟式的输入和输出，控制各种的机械或生产过程。
PLC是一种固态电子装置，它利用已存入的程序来控制机器的运行或工艺的工序。
PLC通过输入/输出（I/O）装置发出控制信号和接受输入信号。
由于PLC综合了计算机和自动化技术。
它可以很容易地完成逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等功能，也可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。
变频器作为一种能源转换的节能设备，电力电子器件的自关断化、模块化、交流电路开关模式的高频化和控制手段的全数字化等促进了变频装置的小型化、多功能化，灵活性和适应性不断增强，应用领域不断扩大。
关键词：
PLC；控制；变频器；节能；
目录
第一章PLC在工业生产中的的应用
一、PLC可编程控制器简介...........................................
1、PLC的定义
2、PLC的工作原理
3、PLC应用分类
二、PLC在现代工业领域应用
1、PLC控制三相异步电动机减压起动
2、PLC控制三相异步电动机正反转
3、PLC控制三相异步电动机的反接制动
第二章变频器在工业生产中的的应用
一、变频器简介
1、变频调速的基本控制方式
2、变频器的基本构成
3、工作原理
4、变频调速的优点
二、变频器的应用
1、变频器在泵类负载中的应用
2、变频器在风机上的应用
3、变频器与节能
第三章PLC与变频器在风机节能控制系统中的应用
1、整改方案
2、方案实施
3、整改后的节能效果分析
结论
参考文献
第一章PLC在工业生产中的的应用
一、PLC可编程控制器简介
1、PLC的定义
PLC也叫可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数、比较与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
2、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。
（一）输入采样阶段：
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，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。
（二）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。
（三）输出刷新阶段：
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。
3、PLC的应用分类
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为几类。
（一）开关量的逻辑控制：
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
（二）模拟量控制：
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
（三）运动控制：
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
（四）过程控制：
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
（五）数据处理：
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
（六）通信及联网：
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
二、PLC在工业生产领域应用
1、PLC控制三相异步电动机减压起动
星形、三角形减压起动用于定子绕组在正常运行时接为三角形的电动机。
在电动机起动时将定子绕组接成星形，实现减压起动。
正常运转时再换接成三角形接法。
有电工基础知识可知，星形连接时起动电流仅为三角形连接时的1/√3，相应的起动转矩也是三角形连接时的1/3。
星三角降压启动I/O分配表
输入
输出
备注
SB1-----X0
KM1----Y0
SB2-----X1
KM2----Y1
FR------X2
KM3----Y2
根据系统的I/O分配表画出该降压启动的I/O接线图，图示如下：
图1.1三相异步电动机减压起动的I/O接线图
完成前面工序后，就需要进行对系统的PLC进行程序编写，以下是该程序的梯形图；
图1.2减压起动梯形图
对应的指令如下表：
表1.1三相异步电动机的ㄚ-△减压起动的指令语句表
步序
指令数据
步序
指令数据
步序
指令数据
步序
指令数据
步序
指令数据
0
LDX001
4
OUTY000
8
ANIT0
12
LDT0
16
ANIX002
1
ORY000
5
LDY000
9
OUTY002
13
ORY001
17
OUTY001
2
ANIX000
6
ANIY001
10
MPP
14
ANIY000
18
END
3
ANIX002
7
MPS
11
OUTT0K50
15
ANIY002
编程方法多种多样，这里就不逐一列举。
2、PLC控制三相异步电动机正反转
因为三相异步电动机的转动方向是由旋转磁场的方向决定的，而旋转磁场的转向取决于定子绕组中通入三相电流的相序。
因此，要改变三相异步电动机的转动方向非常容易，只要将电动机三相供电电源中的任意两相对调，这时接到电动机定子绕组的电流相序被改变，旋转磁场的方向也被改变，电动机就实现了反转。
输入输出
SB1：
X1KM1：
Y0
SB2：
X2KM2：
Y1
SB3：
X0
FR：
X3
SB1为正SB2为反
KM1为正转接触线圈
KM2为反转接触线圈
图2.1输入输出接线图
图2.2梯形图
将PLC连上编程器并接通电源后，PLC电源指示灯亮，将编程器开关打到“PROGRAM”位置，这时PLC处于编程状态。
编程器显示PASSWORD!
这时依次按Cltr键和Montr键，直至屏幕显示地址号0000，这时即可输入程序。
在输入程序前，需清除存储器中内容，按照以上控制的梯形图或程序指令将控制程序写入PLC，当程序输入到PLC指令如下表
对应的指令如下表：
表2.1三相异步电动机正反转的指令语句表
步序
指令数据
步序
指令数据
0
LDX001
7
ORY002
1
ORY001
8
ANIX000
2
ANIX000
9
ANIX003
3
ANIX003
10
ANIY001
4
ANIY002
11
OUTY002
5
OUTY001
12
END
6
LDX002
3、PLC控制三相异步电动机的制动
在生产过程中，有些设备电动机断电后由于惯性作用，停机时间拖得过长，导致生产率降低，还会造成停机位置不准确，工作不安全。
为了缩短辅助工作时间、提高生产率和获得准确的停机位置，必须对电动机采取有效的制动措施。
输入输出
SB1:
X0KM1:
Y1
SB2:
X1KM2:
Y2
FR:
X2
KS:
X3
图3.1输入输出接线图
图3.2反接制动梯形图
对应的指令如下表：
表4.1三相异步电动机的反接制动的指令语句表
步序
指令数据
步序
指令数据
0
LDIX000
7
LDX000
1
LDX001
8
ORY002
2
ORY001
9
ANIY001
3
ANB
10
ANDX003
4
ANIY002
11
ANIX002
5
ANIX002
12
OUTY002
6
OUTY001
13
第二章变频器在工业生产中的的应用
一、变频器简介
1、变频调速的基本控制方式
异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为公式：
n=60f／P
n——同步转速，r／min；
f——供电电源频率，Hz；
p——电机磁极对数。
由以上公式可知，改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，即可改变异步电动机的轴转速，实现调速运行。
2、变频器的基本构成
变频器分为交一交和交一直一交两种方式。
工业中常用的通用变频器为交一直一交形式，又称为间接式变频器，是先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率可控制的交流电去驱动电动机。
其基本构成如图2.1所示。
图2.1变频器的基本构成
变频器由主电路（包括整流器、中间直接环节、逆变器）和控制电路组成。
整流器把三相交流电整流成直流电；逆变器是利用半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路，通过有规律地控制逆变器中主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出；中间直流环节作为储能环节来实现与感性负载的异步电动机交换无功功率，缓冲无功能量。
控制电路由运算电路、检测电路、控制信号和驱动电路构成，实现对逆变器的开关控制和各项保护功能。
3、变频器的工作原理
控制系统由变频器主电路和外部二次控制电路组成。
见变频器的主工作电路图3.1。
变频器经接触器串接于电源与被控三相异步电动机之间，变频器内部由整流器（整流模块）、滤波器（滤波电容）和逆变器（大功率晶体管模块）三个主要部件和以单片机为核心的控制系统构成。
主回路是先将工频交流电通过整流器变成直流电，经滤波后，再经过逆变器通过给定输入控制量，将直流电变成可控频率、电压的交流电，供给三相交流异步电动机，实现电动机调速运行。
图3.1变频器主工作电路图
4、变频调速的优点
变频调速是调速性能最好且最具有发展前途的调速技术。
变频调速产品是工业发达国家中用于三相异步电动机调速的主要产品，占90％左右。
其主要优点是：
节能效果好，可高达55％以上；调速范围宽，调速比可达到20：
1；启动及制动性能好，可实现软启动、自动平滑加减速及快速制动；保护功能完善，可实现过压、欠压、过载、过流、瞬间停电、短路、失速等多种保护方式，且能实现故障判断显示；易于在电子计算机系统中使用，可实现远距离控制。
二、变频器的应用
1、变频器在泵类负载中的应用
变频调速技术通过改变电动机定子电源频率来改变电动机转速，相应地改变机泵的转速和工况，使其流量与扬程适应管网介质流量的变化。
某工厂对装置内负载波动大，调节阀节流严重的机泵安装了65台变频器，总容量为3600kW，其中大部分是闭环控制系统，即现场一次表经变送器将信号通过屏蔽电缆送到PID调节器，调节后通地屏蔽电缆将4mA～20mA直流信号送到变频器盼设定口，控制变频器的输出。
余下部分是开环控制系统，即根据控制目标通过电位器给定来控制变频器输出，以使电动机工作在符合工艺要求的转速上，完全靠变频器输出控制电动机转速来控制流量，使机泵的出口阀达到全开状态，扬程与管网阻力特性曲线相吻合，泵出口扬程大幅度下降，电动机输出有功功率也明显降低，获得最佳的节能效果。
变频器的使用，使节电率达到50％～70％，不但提高了工艺要求，实现了生产过程自动化，而且延长了设备的使用寿命，提升了产品质量，同时减轻了工人的劳动强度，提高了生产效率，取得了较好的经济效益和社会效益。
2、变频器在锅炉风机上的应用
通常在工业生产、产品加工制造业中风机设备主要用于锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合，根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。
变频器的出现很好的解决了根据工况而直接控制风量的大小，满足了工况的要求。
变频器是无级调速的，用变频器改造风机的特点：
1、启动停止平衡，无级调速，调速范围大。
2、工作可靠，能长期稳定运行。
3、操作简便，维护量小。
4、输出特性可满足风机性能要求。
5、节能效果显著。
根据离心泵的特性，风机的流量变化与转速成正比，压力变化与转速成正比，而功率变化与转速变化立方成正比。
因此，当风机转速降低时，风量减少。
电机功率成立方比下降。
因此要提高电动机的工作效率、节约电能，可在风机电动机上安装调速装置。
安装了调速装置的风机电动机如图2.1所示。
图2.1安装了调速装置的风机电动机
根据工作的情况调节调速器装置就可以满足工作状况的要求。
另外，用变频器对风机进行改造不必对原始系统进行大改动。
经过变频器改造后，工作时，让电动机高速运行已达到我们的要求。
不工作时，使电动机低速运转节约电能。
控制系统总体构成如图2.2所示。
图2.2控制系统总体构成
以75KW为例改造前实测数据：
U=380V;I=120A;cos∮=0.887
P=1.732UIcos∮=1.732*380*120*0.887=70KW
改造前年耗电量（一年以330天计算）为：
70KW*24*330=554400度。
改造后实测数据：
U=380V;I=120A;cos∮=1
P=1.732*380*75*1=49KW
改造后年耗电量（一年以330天计算）为：
49kw*24*330=388080度。
每年节省电量：
554400-388080=166329度；节电率：
166320÷554400=30%；每年节约电费（按0.6元/度计）：
166320*0.6=99792元。
3、变频器与节能
变频器的最初用途是速度控制，但目前在国内应用较多的是节能。
我国是能耗大国，能源利用率很低，而能源储备不足。
据统计；在我国电网的总负载中，动力类占59％，其中的90％是异步电动机，电动机所耗电能占整个工业用电的60％～70％。
据分析，我国带变动负载、具有节能潜力的电机至少有1．8亿kW。
因此国家大力提倡节能，并着重推荐了变频调速技术。
应用变频调速，可以大大提高电机转速的控制精度，使电机在最节能的转速下运行。
以风机水泵为例，根据流体力学原理，轴功率与转速的3次方成正比。
当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的3次方下降。
如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速可成比例的下降，而此时轴输出功率成立方关系下降，即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。
例如：
一台水泵电机功率为55kW，当转速下降到原转速的4／5时，其耗电量为28．16kW，省电48．8％；当转速下降到原转速的1／2时，其耗电量为6．875kW，省电87．5％。
因此，采用变频器精确调速来调节流量、风量，节电效果非常可观，节电率为20％～50％。
与此类似，许多变动负载电机一般按最大需求来生产电动机的容量，故设计容量偏大。
而在实际运行中，轻载运行的时间所占比例却非常高，存在“大马拉小车”的现象，效率低下，造成电能的大量浪费。
如采用变频调速，可大大提高轻载运行时的工作效率，因此，变动负载的节能潜力巨大。
第三章PLC与变频器在风机节能控制系统中的应用
设计改造的一个PLC与变频器的风机节能系统来对PLC与变频器在工业自动化控制中的应用进一步的说明。
一板材切割车间共有5台切割设备，共同使用一台11KW风机进行吸尘作业。
为不造成能源的巨大浪费，经过现场察看，利用其现有资源，对该车间风机进行了节能改造。
1、改造方案
用PLC接收投入工作的设备台数进行判断，根据判断相应的输出点动作来控制变频器的多段速调速端子，从而实现多段速控制。
由于该车间共有五台切割设备，故采用五段调速控制。
投入运行设备台数
变频器输出频率
备注
1
25
频率可以根据车间情况更改和设定
2
33
3
40
4
45
5
50
2、方案实施
利用每个切割设备接触器的辅助常开触点控制一个中间继电器，中间继电器的一组常开触点接入PLC的输入点，为PLC提供设备投入的信号，另一个常开触点控制电磁阀，启动和关闭设备上的风口阀门；这样就完成了PLC对投入设备数量的接收和设备风口的开闭。
接下来需要对变频器进行参数设置和接线分配。
该车间使用的是一台三菱FR-540的日产变频器，根据多段速控制的需要和风机运行的特点，设定参数如下表：
参数号
参数名称
设定值
PR4
第一段速
25
PR5
第二段速
33
PR6
第三段速
40
PR24
第四段速
45
PR25
第五段速
50
PR79
操作模式
2
该变频器通过多段速端子RL、RM、RH三个端子的组合，可以实现最多7段速调速控制，这里要实现的是5段速调速控制，下面是端子组合调速控制表；
速度段
1速
2速
3速
4速
5速
控制端子
RL
RM
RH
RL、RM
RL、RM、RH
接下来绘制PLC输出端子与变频器控制端子的接线图，如下；
图2.1PLC与变频器控制风机I/O接线图
接线图说明：
1.KM1—KM5为5台设备的交流接触器辅助触点；2.SB1为启动按钮；3.SB2为停止按钮；4.X0—X6为对用的PLC输入点；5.Y0—Y3为PLC输出端子；6.STF为变频器正转控制端子；7.RL、RM、RH为多段速控制端子;
根据改造设备输入输出点数需求，选用FX2N-16MR的PLC。
该PLC总共20点，输入12点，输出8个点。
在进行程序编写前，需要制定一个PLC的I/O分配变；PLC的I/O分配表
输入
输出
X0-----设备一输入信号
X1-----设备二输入信号
X2-----设备三输入信号
X3-----设备四输入信号
X4-----设备五输入信号
Y0----变频器正转信号
Y1----变频器RH端子信号
Y2-----变频器RM端子信号
Y3-----变频器RL端子信号
X5------启动按钮信号
X6------停止按钮信号
COM、COM1、SD---公共端子
完成PLC的I/O分配后，接下来就是对PLC程序的编写，在这个程序里，将会用到很多的指令系统，通过程序的编写，就能把我们的设计理念变成现实的控制过程；编写的程序如下：
基于PLC与变频器吸尘风机的节能控制程序
1、启动停止程序
2、设备上升沿信号检测程序
3、设备下降沿信号检测程序
4、比较程序
5、比较结果输出程序
以上是该控制系统的的梯形图。
在程序编写完成以后，需要对程序进行调试，三菱编程软件可以利用他自带的模拟仿真功能，在电脑上进行仿真调试，待程序调试完成后，下载到设备PLC进行现场运行调试，本程序经过现场调试和使用，为该厂车间的吸尘风机节能和实现自动化除尘起到了良好的作用。
3、整改后的节能效果分析
1、实测能耗
当变频器在50Hz和40Hz运行时在变频器输出侧实测数据：
40Hz时电流为12.2A,电压250V;50Hz时电流为15.8A,电压为370V。
则
•P1＝1.732*250*12.2=5.28kw
•P2=1.732*370*15.8A=10.13kw
•注：
改造后每个小时能耗仍可节约4.85个千瓦。
2、节能效果计算
•改造前每年消耗的电能（按每天工作22小时，每年工作250天计）
•W1=10.13*22*250=55715Kwh
•改造后每年消耗的电能：
•W2=5.28*22*250Kwh=29040Kwh
•则每年节约电能为W=W1－W2=26675Kwh
•如果以每度电0.5元计
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