变频器与PLC在运料小车控制系统中的应用毕业论文.docx
《变频器与PLC在运料小车控制系统中的应用毕业论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《变频器与PLC在运料小车控制系统中的应用毕业论文.docx（55页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
变频器与PLC在运料小车控制系统中的应用毕业论文
毕业设计论文
题目变频器与PLC在运料小车控制系统中的应用
目录
摘要2
第一章绪论3
1.1变频器3
1.2可编程控制器（PLC）4
1.3PLC连接变频器4
第二章变频器5
2.1变频器的基本构成和工作原理5
2.1.1变频器的基本构成5
2.1.2变频器内部电路的基本功能5
2.1.3逆变电路基本工作原理6
2.2变频器的种类7
2.3变频器控制方式和基本原理11
2.3.1V/f控制11
2.3.2转差频率控制12
2.3.3矢量控制13
2.3.4提高转距控制性能的措施15
第三章可编程控制器16
3.1PLC的组成和基本工作原理16
3.1.1PLC的组成16
3.1.2PLC的基本工作原理21
3.2PLC的特点及分类23
3.2.1PLC的特点23
第四章变频器与PLC在运料小车控制系统中的应用25
4.1运料小车系统的控制要求25
4.2PLC输入输出变量和接线图26
4.3运料小车系统的PLC的编程27
4.4运料小车系统的PLC调试29
4.5PLC+变频器控制运料小车系统35
4.5.1变频器的参数设置35
第五章致谢36
第六章参考文献37
摘要
本文阐述了应用西门子公司可编程控制器S7-200系列PLC及变频器实现对运料小车系统的控制。
该系统充分利用了学习中讲述的可编程控制器（PLC）的多方面的设计知识和方法，再加上变频器两者巧妙的配合精确的实现了对运料小车系统的控制。
这一控制系统的实现和应用，充分体现了PLC系统在工业现场的应用，以及根据设计和不同的需求改变，还可以使其应用的范围更加广泛。
由于设计者的知识范围及经验，望老师谅解，给予批评改正。
[关键词]可编程控制器（PLC）、变频器
第一章绪论
1.1变频器
直流电动机拖动和交流电动机拖动先后诞生于19世纪，距今已有100多年的历史，并已成为动力机械的主要驱动装置。
但是，由于技术上的原因，在很长一段时期内，占整个电力拖动系统80％左右的不变速拖动系统中采用的是交流电动机（包括异步电动机和同步电动机），而在需要进行调速控制的拖动系统中则基本上采用的是直流电动机。
但是，由于结构上的原因，直流电动机存在以下缺点：
（1）需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短；
（2）由于直流电动机存在换向火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；
（3）结构复杂，难以制造大容量、高转速和高电压的直流电动机。
而与直流电动机相比，交流电动机则具有以下优点：
（1）结构坚固，工作可靠，易于维护保养；
（2）不存在换向火花，可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；
（3）容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机。
因此，很久以来，人们希望在许多场合下能够用可调速的交流电动机来代替直流电动机，并在交流电动机的调速控制方面进行了大量的研究开发工作。
但是，直至20世纪70年代，交流调速系统的研究开发方面一直未能得到真正令人满意的成果，也因此限制可交流调速系统的推广应用。
也正是因为这个原因，在工业生产中大量使用的诸如风机、水泵等需要进行调速控制的电力拖动系统中不得不采用挡板和阀门来调节风速和流量。
这种做法不但增加了系统的复杂性，也造成了能源的浪费。
经历了20世纪70年代中期的第二次石油危机之后，人们充分认识到了节能工作的重要性，并进一步重视和加强了对交流调速技术的研究开发工作。
随着同时期内电力电子技术的发展，作为交流调速系统中心的变频器技术也得到了显著的发展，并逐渐进入了实用阶段。
虽然发展变频驱动技术最初的目的主要是为了节能，但是随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，电力半导体器件和微处理器的性能不断提高，变频驱动技术也得到了显著发展。
随着各种复杂控制技术在变频器技术中的应用，变频器的性能不断得到提高，而且应用范围也越来越广。
目前变频器不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用，而且几乎已经扩展到了工业生产的所有领域，并且在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛应用。
变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电力电子技术、微电子技术和计算机技术的基础之上，并随着这些基础技术的发展而不断得到发展。
1.2可编程控制器（PLC）
随着科学技术的发展和生产工艺要求的不断提高，继电器控制系统存在体积大、触头多、维修困难、控制功能单一、更改困难等缺点。
另外，随着市场竞争的加剧，产品周期不断缩短，生产工艺参数不断发生变化，如果采用继电器控制系统用改变接线的方法来满足工艺要求是非常困难的事情。
所以在1968年美国通用汽车公司（GM）公开招标，并从用户的角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，引起了开发热潮。
这十大条件主要要求：
编程方便，可现场修改程序，维修方便，采用插件式结构，可靠性高于继电器控制装置，体积小于继电气控制盘，数据可直接送入管理计算机，成本可与继电器控制盘竞争，扩展时原系统改变最小。
1969年，美国数字设备公司研制出第一台PLC型号为PDP-14,并在GM公司汽车生产线上试用成功，取得满意的效果。
1969年第一台PLC的问世之后，PLC引起了世界各国的普遍重视，日本日立公司引进并吸收美国技术，与1971年试制成了日本第一台PLC。
德国西门子在1973年研制成功了欧洲第一台PLC。
我国从1974年开始研制，1977年开始工业应用。
PLC的发展大概可分为四代：
第一代（1969-1972）：
1位机，磁芯存储器，只有逻辑功能。
第二代（1973-1975）：
8位机，半导体存储器，除逻辑功能外还有运算、传送、比较、模拟量控制等功能。
第三代（1976-1983）向多功能及联网通信功能发展。
随着高性能微处理器8位片式CPU在PLC中大量应用，PLC的处理速度大大提高，同时，增加了浮点运算、三角函数、脉冲调制输出、自诊断功能等。
第四代（1983-现在）：
不仅全面使用了16位、32位高性能微处理器、高性能位片式微处理器、PISC精简指令系统CPU等高级CPU，而且在一台PLC中配置多个微处理器，进行多通道处理，同时产生含微处理器的智能模块，使PLC具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能。
数据处理功能等。
1.3PLC连接变频器
PLC是的输出端子接变频器的多功能端子，变频器中设置多功能端子为多道速功能，并设置相应频率。
通过PLC的输入输出端子的闭合和断开的组合，使变频器在不同转速下运行。
其具有响应速度快，抗干扰能力强的优点。
（1）通过PLC和变频器上的通讯接口，采用PLC编程通信控制。
其具有可以无级变速，速度变换平滑，速度控制精确，适应能力好的优点。
（2）通过PLC加数模转换模块，将PLC数字信号转换成电压信号，输入到变频器的模拟量控制端子，控制变频器工作。
其具有可以无极调速的优点。
第二章变频器
2.1变频器的基本构成和工作原理
2.1.1变频器的基本构成
变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程中也曾出现过多种类型的变频器，但是目前成为市场主流的变频器基本上有着图2.1所示的基本结构。
图2.1变频器的基本构成
而对于采用了矢量控制方式的变频器来说，由于进行矢量控制时需要进行大量的运算，其运算电路中有时还有一个以DSP（数字信号处理器）为主的转矩计算用CPU以及相应的磁通检测和调节电路。
2.1.2变频器内部电路的基本功能
虽然变频器的种类很多，但内部结构也各不相同，它们的区别仅仅是控制电路和检测电路实现的不同以及控制算法的不同而已。
下面我将结合图2.1简单介绍一下变频器各部分电路的基本作用。
一般的三相变频器的整流电路由三项全波整流桥组成。
它的主要作用是对外部电源进行整流，并给你变电路和控制电路提供所需要的直流电源。
整流电路按其控制方式可以是直流电压源，也可以是直流电流源。
直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电路能够得到质量较高的直流电源。
当整流电路是电压源时直流中间电路的主要元器件是大容量电感组成，此外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中有时还包括制动电阻以及其他辅助电路。
逆变电路是变频器最主要的部分之一。
它的主要作用是在控制电路的控制下将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。
逆变电路的输出加时变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。
变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极（基极）驱动电路、外部电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分，也是变频器的核心部分。
控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣。
控制电路的主要作用是将检测电路得到的各种信号送至运算电路，使运算电路能够根据要求为变频器主电路提供必要的门极（基极）驱动信号，并对变频器以及异步电动机提供必要的保护。
此外，控制电路还通过A/D,D/A等外部接口电路接收/发送多种形式的外部信号和给出系统内部工作状态，以便使变频器能够和外部设备进行各种高性能的控制。
2.1.3逆变电路基本工作原理
逆变电路的基本作用是将直流电源转换为交流电源。
在逆变电路中，由六个开关组成了一个三相桥式电路。
交替打开和关断这六个开关，就可以在输出端得到相位上各相差120度（电气角）的三相交流电源。
该交流电源的频率由开关频率决定，而幅值则等于直流电源的幅值。
为了改变该交流电源的相序从而达到改变异步电动机转向的目的，只要改变各个开关打开和关断的顺序即可。
因为这些开关同时又起着改变电流流向的作用，所以它们又被称为换流开关或换流器件。
当位于同一桥臂上的两个开关同时处于开通状态时将会出现短路现象，并烧毁换流器件。
所以在实际的变频器逆变电路中还没有各种相应的辅助电路，以保证逆变电路的正常工作和在发生意外情况时对换流器件进行保护。
在由逆变电路所完成的将直流电源转换为交流电源的过程中，开关器件起着非常重要的作用。
由于机械式开关的开关频率和使用寿命都很有限，在实际的逆变电路中采用半导体器件作为开关器件。
半导体开关器件的种类很多，如晶体管、晶闸管、GTO、IGBT等。
而变频器本身也常常根据气逆变电路中使用的半导体开关器件的种类而被称为晶闸管变频器、晶体管变频器等。
2.2变频器的种类
在介绍变频器的种类时我们将遇到变频器的分类方式的问题。
变频器的分类可以有很多种方式，例如可以按其主电路工作方式进行分类，可以按其开关方式进行分类，可以按其控制方式进行分类，还可以按用途进行分类。
下面就根据这几种分类方法对变频器进行简要介绍。
（1）按照主电路工作方式分类。
当按照主电路工作方式进行分类时，变频器可以分为电压型变频器和电流型变频器。
电压型变频器的特点是将直流电压源转换为交流电源，而电流型变频器的特点则是将直流电流源转换为交流电源。
①电压型变频器。
在电压型变频器中，整流电路或者斩波电路产生逆变电路所需要的直流电压，并通过直流中间电路的电容进行平滑后输出。
整流电路和直流中间电路起直流电压源的作用，而电压源输出的直流电压在逆变电路中被转换为具有所需要频率的交流电压。
在电压型变频器中，由于能量回馈给直流中间电路的电容，并使直流电压上升，还需要有专用的放电电路，以防止换流器件因电压过高而被破坏。
②电流型变频器。
在电流型变频器中，整流电路给出直流电流，并通过中间电路的电抗将电流进行平滑后输出。
整流电路和直流中间电路起电流源的作用，而电流源输出的直流电流在逆变电路中被转换为具有所需频率的交流电流，并被分配给各输出相后作为交流电流提供给电动机。
在电流型变频器中，电动机定子电压的控制是通过检测电压后对电流进行控制的方式实现的。
对于电流型变频器来说，在电动机进行制动的过程中可以通过将直流中间电路的电压反向的方式使整流电路变为逆变电路，并将负载的能量回馈给电源。
由于在采用电流控制方式是可以将能量回馈给电源，而且在出现负载短路等情况时也更容易处理，电流型控制方式更适合于大容量变频器。
（2）按照开关方式分类。
当谈到变频器的开关方式是通常讲的都是变频器逆变电路的开关方式。
而在按照逆变电路的开关方式对变频器进行分类时，则变频器可以分为PAM控制方式，PWM控制方式和高载频PWM控制方式三种。
①PAM控制方式。
PAM控制是PulseAmplitudeModulation（脉冲振幅调制）的简称，是一种在整流电路部分对输出电压（电流）的幅值进行控制，而在逆变电路部分对输出频率进行控制的控制方式。
因为在PAM控制的变频器中逆变电路换流器件的开关频率即为变频器的输出频率，所以这是一种同步调速方式。
由于逆变电路换流器件的开关频率较低，在使用PAM控制方式的变频器进行调速驱动时具有电动机运转噪声小，效率高等特点。
但是，由于种种控制方式必须同时对整流电路和逆变电路进行控制，控制电路比较复杂。
此外，这种控制方式也还具有当电动机进行低速运转时波动较大的缺点。
②PWM控制方式。
PWM控制是PulseWidthModulation（脉冲宽度调制）控制的简称，是在逆变电路部分同时对输出电压（电流）的幅值和频率进行控制的控制方式。
在这种控制中，并通过改变输出脉冲的宽度来达到控制电压（电流）的目的。
为了使异步电动机在进行调速运转时能够更加平滑，目前在变频器中多采取正弦波PWM控制方式。
所谓正弦波PWM控制方式指的是通过改变PWM输出的脉冲宽度，使输出电压的平均值接近于正弦波。
这种控制方式也称为SPWM控制。
采用PWM控制方式的变频器具有可以减少高次谐波带来的各种不良影响，转矩波动小，而且控制电路简单，成本低等特点，是目前在变频器中采用最多的一种逆变电路控制方式。
但是，该方式也具有当载波频率不合适时会产生较大的电动机运转噪声的缺点。
为了克服这个缺点，在采用PWM控制方式的新型变频器中都具有一哥可以改变变频器载波频率的功能，以便使用户可以根据实际需要改变变频器的载波频率，从而达到降低电动机运转噪声的目的。
③高载频PWM控制方式。
这种控制方式原理上实际是对PWM控制方式的改进，是为了降低电动机运转噪声而采用的一种控制方式。
在这种控制方式中，载频被提高到人耳可以听到的频率以上，从而达到降低电动机噪声的目的。
这种控制方式主要用于低噪声型的变频器，也将是今后变频器的发展方向。
由于这种控制方式对换流器件的开关速度有较高的要求，所以用换流器件只能使用具有较高开关速度的IGBT或MOSFET等半导体元器件，目前在大容量变频器中的利用仍然受到一定限制。
但是，随着电力电子技术的反展，具有较高开关速度的环流元器件的容量将越来越大，所以预计采用这种控制方式的变频器也将越来越多。
PWM控制和高载频PWM控制都属于异步调速方式，即变频器的输出频率不等于逆变电路换流器件的开关频率。
（3）按照工作原理分类。
当按照工作原理对变频器进行分类时，按变频器技术的发展过程可以分为V/f控制方式、转差频率控制方式和矢量控制方式三种。
①V/f控制变频器。
V/f控制是一种比较简单的控制方式。
它的基本特点是对变频器输出的电压和频率同时进行控制，通过使V/f（电压和频率的比）的值保持一定而得到所需的转矩特型。
采用V/f控制方式的变频器控制电路成本较低，多用于对精度要求不太高的通用变频器。
②转差频率控制变频器。
转差频率控制方式是对V/f控制的一种改进。
在采用这种控制方式的变频器中，电动机的实际速度由安装在电动机上的速度传感器和变频器控制电路得到，而变频器的输出频率则由电动机的实际转速与所需转差频率的和被自动设定，从而达到在进行调速控制的同时控制电动机输出转矩的目的。
转差频率控制是利用了速度传感器的速度闭环控制，并可以在一定程度上对输出转矩进行控制，所以和V/f控制相比，在负载发生较大变化时仍能达到较高的速度精度和具有较好的转矩特性。
但是，由于采用这种控制方式时需要在电动机上安装速度传感器，并需要根据电动机的特性调节转差，通常多用于厂家指定的专用电动机，通用性较差。
③矢量控制变频器。
矢量控制是20世纪70年代由西德Blaschke等人首先提出来的对交流电动机的一种新的控制思想和控制技术，也是交流电动机的一种理想的调速方法。
矢量控制的基本思想是将异步电动机的定子电流分为产生磁场的电流分量（励磁电流）和与其相垂直的产生转矩的电流分量（转矩电流）并分别加以控制。
由于在这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位，即控制定子电流矢量，这种控制方式称为矢量控制方式。
矢量控制方式使对异步电动机进行高性能的控制成为可能采用矢量控制方式的交流调速系统不仅在调速范围上可以与直流电动机相匹敌，而且可以直接控制异步电动机产生的转矩。
所以已经在许多需要进行精密控制的领域得到了应用。
由于在进行矢量控制时需要准确地掌握对象电动机的有关参数，这种控制方式过去主要用于厂家指定的变频器专用电动机的控制。
但是，随着变频器调速理论和技术的发展以及现代控制理论在变频器中的成功应用，目前在新型矢量控制变频器中已经增加了自调整功能。
带有这种功能的变频器在驱动异步电动机进行运转之前可以自动地对电动机的参数进行辨识并根据辨识的结果调整控制算法中的有关参数，从而使得对普通的异步电动机进行有效的矢量控制也称为可能。
（4）按照用途分类。
在上面介绍的变频器分类方式中我们是按照变频器的工作原理对其进行分类的，但是，对于一个变频器的用户来说，他关心更多的也可能是变频器的用途而不是其工作原理。
下面，介绍一下按照用途对变频器进行分类是变频器的种类。
当按照用途对变频器进行分类时，变频器可以分为以下几种类型。
①通用变频器。
顾名思义，通用变频器的特点是其通用性。
这里通用性指的是通用变频器可以对普通的异步电动机进行调速控制。
随着变频器技术的发展和市场需要的不断扩大，通用变频器也在朝着两个方向发展：
低成本的简易型通用变频器和高性能多功能的通用变频器。
这两类变频器分类变频器分别具有以下特点：
简易型通用变频器是一种以节能为主要目的而削减了一些系统功能的通用变频器。
它主要应用于水泵、风扇、鼓风机等对于系统的调速性能要求不高的场所，并具有体积小，价格低等方面的优势。
高性能多功能通用变频器在设计过程中充分考虑了在变频器应用中可能出现的各种需要，并为满足这些需要在系统软件和硬件方面都做了相应的准备。
在使用时，用户可以根据负载特性选择算法并对变频器的各种参数进行设定，也可以根据系统的需要选择厂家所提供的各种选件来满足系统的特殊需要。
高性能多功能变频器除了可以应用于简易型变频器的所有领域之外，还广泛应用于传送带、升降装置以及各种机床、电动车辆等对调速系统的性能和功能有比较高要求的许多场合。
过去，通用型变频器基本上采用的是电路结构比较简单的V/f控制方式，与采用了转矩矢量控制方式的高性能变频器相比，在转矩控制性能方面要差一点。
但是，随着变频器技术的发展和变频器参数自调整的实用化，目前一些厂家已经推出了采用矢量控制方式的高性能多功能通用变频器，以适应竞争日趋激烈的变频器市场的需要。
这种高性能多功能通用变频器在性能上已经接近过去的高性能矢量控制变频器，但在价格方面却与过去采用V/f控制方式的通用变频器基本持平。
因此，可以相信，随着电力电子技术和计算机技术的发展，今后变频器的性能价格比将会不断提高。
②高性能专用变频器。
随着控制理论，交流调速理论和电力电子技术的发展，异步电动机的矢量控制方式得到了充分地重视和发展，采用矢量控制方式控制高性能变频器和变频器专用电动机所组成的调速系统在性能上已经大达到和超过了直流伺服系统。
此外，由于异步电动机还具有对环境适应性强、维护简单等许多直流伺服电动机对不具备的优点，在许多需要进行高速高精度的应用中这种高性能交流调速系统正在逐步替代直流伺服系统。
与通用变频器相比，高性能专用变频器基本上采用了矢量控制方式，而驱动对象通常是变频器厂家指定的专用电动机，并且主要应用于对电动机的控制性能要求较高的系统。
此外，高性能专用变频器往往是为了满足某些特定产业或区域的需要，使变频器在该区域中具有最好的性能价格比而设计生产的。
例如，在机床主轴驱动专用的高性能变频器中，为了便于和数控装置配合完成各种工作，变频器的主电路、回馈制动电路和各种接口电路等被做成一体，从而达到了缩小体积和降低成本的要求。
而在纤维机械驱动方面，为了便于大系统的维修保养，变频器则采用了可以简单地进行拆装的盒式结构。
③高频变频器。
在超精密加工和高性能机械区域中常常要用到高速电动机。
为了满足这些高速电动机驱动的需要，出现了采用PAM控制方式的高速电动机驱动用变频器。
这类变频器的输出频率可以达到3kHz,所以在驱动两级异步电动机时电动机的最高转速可以达到180000r/min。
④单相变频器和三相变频器。
交流电动机可以分为单相交流电动机和三相交流电动机两种类型，与此相对应，变频器也分为单相变频器和三相变频器。
二者的工作原理相同，但电路的结构不同。
由于单相电动机和三相电动机的有功功率P与电压的有效值E，电流的有效值I以及功率系数cosφ之间有如下关系
单相P=EIcosφ
三相P=√3EIcosφ
为了的得到相同的驱动转矩（即有功功率），采用三相变频器时的驱动电流只是单相变频器驱动电流的1/3。
由于在使用单相变频器时需要给出更大的驱动电流，所以在选择变频器时也应加以注意。
2.3变频器控制方式和基本原理
2.3.1V/f控制
对于异步电动机，只要改变其他供电电源的频率，既可以改变电动机的转速，达到进行调速运转的目的。
但是，对于一个实际的交流调速控制系统来说，事情远远不是那么简单。
这是因为当电动机电源的频率被改变时，电动机的内部阻抗也将随之改变，从而引起励磁电流的变化，使电动机出现励磁不足或励磁过强的情况。
在励磁不足的情况下电动机将难以给出足够的转矩，而在励磁过强时电动机又将出现磁饱和，造成电动机功率因数和效率的下降。
因此，为了得到理想的转矩-速度特性，在改变电源频率进行调速的同时，必须采取必要的措施来保证电动机的气隙磁通处于高效状态（即保持磁通不变）。
这就是V/f控制的出发点。
在异步电动机等效电路中，设电动机的气隙磁通用φ表示，则可以看出，励磁电流IM，感应电势E和气隙磁通φ之间有如下关系
Φ=MIM（2.1）
E=j2πfMIM=j2πfφ（2.2）
因此，为了改变使气隙磁通φ在整个调速过程中保持不变，只需在改变电源频率f的同时改变感应电动势E，使其满足
E/f=常值（2.3）
即可。
但是，在电动机的实际调速控制过程中，由于E为电动机的感应电动势，无法直接进行检测和控制，必须采用其他方法才能使式（2.3）得到满足。
另一方面，从异步电动机的等效电路还可以得知。
V=I1Z1+E（2.4）
其中，Z1=j2πL1+r1为定子阻抗。
因此，当定子阻抗上的压降与定子电压相比很小时，由于V≈E，所以，只要控制电源电压和频率，使得
V/f=常值（2.5）
即可使式（2.3）近似得到满足。
基于式（2.5）的变频器被称为采用了V/f控制方式的变频器，简称为V/f控制变频器。
而与此相对应，基于式（2.3）的变频器则被称为E/f控制变频器。
很明显，E/f控制变频器的特性要优于V/f控制变频器。
初期的通用型变频器基本上采用的是V/f控制方式。
但是，由于在实际的电路中存在着定子阻抗上的压降，尤其是电动机进行低速运转时感应电动势较小，定子阻抗上的压降更不能忽略。
因此，为了得到与E/f控制相近的特性，必须对这部分压降进行补偿。
为了改善V/f变频器在低频时的转矩特性
升级会员 