PLC应用技术7.项目七--三相异步电动机的变频器控制.pptx
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项目七三相异步电动机的变频器控制,掌握变频器的工作原理,掌握G120变频器的面板操作,掌握G120变频器与S7-1200的PROFINET通讯,掌握S7-1200通过端子控制方式控制G120变频器,2023/9/4,7.1变频器工作原理与G120变频器介绍,变频器原理（Variable-frequencyDrive，简称VFD）是应用变频技术与微电子技术的原理，通过改变电机工作电源频率的方式来控制交流电动机的电力控制设备。
通常，把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。
变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（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。
变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。
2023/9/4,7.1变频器工作原理与G120变频器介绍,西门子SINAMICSG120变频器是西门子新一代变频驱动平台，包括三个系列的产品：
V系列、G系列和S系列。
V系列提供用于运动/伺服控制的产品；G系列属于通用型变频器，可用于一般的调速控制长和；S系列属于高端型变频器，既可用于速度控制，也可用于运动/伺服控制。
2023/9/4,7.1变频器工作原理与G120变频器介绍,图7-1功率模块和控制单元,SINAMICSG120变频器由控制单元（ControlUnit）和功率模块（PowerModule）组成。
控制单元用来控制并监测与其连接的电动机。
控制单元由很多类型，可以通过不同的现场总线（如MODBUS-RTU,PROFIBUS-DP,PROFINET,DEVICENET等）与上层控制器（PLC）进行通讯。
功率模块用来为电机和控制模块提供电能，实现电能的整流与逆变功能，其铭牌上有额定电压、额定电流等参数。
G120系列变频器的功率模块和控制单元外观如图7-1所示。
2023/9/4,7.1变频器工作原理与G120变频器介绍,G120的控制单元包括CU230系列、CU240系列和CU250系列。
本项目中我们选用的型号为CU250S-2PN。
下面我们以CU250S-2PN为例，介绍一下控制单元的命名规则：
CU:
ControlUnit的缩写，表示“控制单元”；250：
表示系列号；E：
经济型；B：
基本型；S：
高级型；T：
工艺型；P：
风机水泵型2：
表示SINAMICS开发平台；若名称中没有“2”则表示MicroMaster开发平台；PN：
支持ProfiNet总线；其他类型包括：
HVAC（USS,Modbus-RTU）、DP（Profibus-DP总线）、IP（Ethernet-IP协议）、DEV（DeviceNet总线）、CAN（CANopen协议）；如果控制单元集成了故障安全功能，则会在名称后面加上“F”，比如CU250S-2PN-F。
2023/9/4,7.2G120变频器的基本操作（面板操作）,（a）BOP-2操作面板,（b）IOP-2操作面板,G120变频器的控制单元上，可以安装两种不同的操作面板：
BOP和IOP。
BOP（BasicOperatorPanel），翻译为“基本操作面板”，面板上有一块小液晶显示屏，用来显示参数、诊断数据等信息；面板下方有“自动/手动”、“确认/退出”等按键，可用来设置变频器参数，并进行简单的功能测试。
BOP-2操作面板的外观如图7-2（a）所示。
2023/9/4,7.2G120变频器的基本操作（面板操作）,（a）BOP-2操作面板,（b）IOP-2操作面板,IOP（IntelligentOperatorPanel）的缩写，翻译为“智能操作面板”，其液晶显示屏比BOP大，采用文本和图形显示，界面提供参数设置、调试向导、诊断及上传/下载等功能，有利于直观操作和诊断变频器。
IOP面板可以直接卡紧在变频器上，或者作为手持单元通过一根电缆与变频器连接，通过面板上的手动/自动按钮及菜单导航按钮进行功能选择，操作起来更加直观，简单方便。
IOP-2操作面板的外观如图7-2（b）所示。
2023/9/4,7.2G120变频器的基本操作（面板操作）,图7-3BOP-2面板功能说明,将BOP-2操作面板安装在控制单元上，并给变频器通电后，面板液晶屏点亮，上面会显示变频器的一些状态，参数等信息，如图7-3所示。
2023/9/4,7.2G120变频器的基本操作（面板操作）,其中，各图标的含义见表7-1。
表7-1BOP-2图标描述,2023/9/4,7.2G120变频器的基本操作（面板操作）,BOP-2面板上各按钮的功能描述如表7-2所示。
表7-2BOP-2的按键功能描述,2023/9/4,7.2G120变频器的基本操作（面板操作）,BOP-2面板上各按钮的功能描述如表7-2所示。
表7-2BOP-2的按键功能描述,2023/9/4,7.3G120变频器的PROFINET通讯,SINAMICSG120的控制单元CU250S-2PN支持基于PROFINET的周期过程数据交换和变频器参数访问。
PROFINETIO控制器可以将控制字和主给定值等过程数据周期性的发送至变频器，并从变频器周期性的读取状态字和实际转速等过程数据。
2023/9/4,7.3G120变频器的PROFINET通讯,提供PROFINETIO控制器访问变频器参数的接口，有两种方式能够访问变频器的参数：
（1）周期性通讯的PKW通道（参数数据区）：
通过PKW通道PROFINETIO控制器可以读写变频器参数，每次只能读或写一个参数，PKW通道的长度固定为4个字。
（2）非周期通讯：
PROFINETIO控制器通过非周期通讯访问变频器数据记录区，每次可以读或写多个参数。
任务2通过示例介绍S7-1200与G120CU250S-2PN的PROFINETPZD通信，以组态标准报文1为例介绍通过S7-1200如何控制变频器的起停、调速以及读取变频器状态字和电机实际转速。
2023/9/4,7.4G120变频器端子控制,G120变频器端子和现场总线接口的功能可以设置，用端子控制的方式控制变频器。
为了避免逐一地修改端子，可通过设置参数P0015（驱动设备宏指令）同时对多个端子进行设置。
2023/9/4,7.4G120变频器端子控制,图7-4宏程序1的端子定义表,方式1：
通过PLC1200数字输出端子控制实现G120变频器宏程序1-双方向两线制控制两个固定转速，宏程序1的端子定义如图7-4所示：
其中，转速固定设定值3：
p1003，转速固定设定值4：
p1004，转速固定设定值生效：
r1024，转速设定值（主设定值）：
p10700=1024，当DI4和DI5=高电平时：
变频器将两个转速固定设定值相加。
2023/9/4,7.4G120变频器端子控制,图7-5宏程序12的端子定义,方式2：
通过PLC1200数字输出端子控制实现G120变频器宏程序12-端子启动模拟量调速，宏程序12的端子定义如图7-5所示：
2023/9/4,7.4G120变频器端子控制,下面简单讲解一下这些控制字。
我们打开G120变频器参数手册，找到参数P0054（控制字），可以看到该控制字有16位，每一位的定义如表7-3所示：
表7-3控制字的说明,2023/9/4,7.4G120变频器端子控制,下面简单讲解一下这些控制字。
我们打开G120变频器参数手册，找到参数P0054（控制字），可以看到该控制字有16位，每一位的定义如表7-3所示：
表7-3控制字的说明,2023/9/4,7.4G120变频器端子控制,下面简单讲解一下这些控制字。
我们打开G120变频器参数手册，找到参数P0054（控制字），可以看到该控制字有16位，每一位的定义如表7-3所示：
表7-3控制字的说明,2023/9/4,7.4G120变频器端子控制,从其他报文切换到报文20时，前一个报文的定义保持不变。
根据控制字的位定义，我们不难得到，如果想让电机启动，第15位至第00位的状态将如图7-6所示：
图7-6变频器启动信号047F,所以，在标准报文1下，电机启动的控制字为“047F”。
其他的控制字以此类推。
此报文类型下，PLC发送给变频器的过程数据分别为“控制字1”，“转速设定值”。
变频器发送至PLC的过程数据分别为“状态字1”，“转速实际值”。
2023/9/4,7.5变频器参数设置,本项目涉及到的变频器参数说明及参数设定值如表7-4所示：
表7-4变频器参数设置,2023/9/4,任务一G120变频器面板操作控制电机正反转及调速,1.项目要求使用操作面板控制电机正反转及调速。
2.项目分析变频器安装功率模块和控制单元安装好以后，将BOP-2控制面板插入控制单元，然后给变频器介入三相电源，通过操作面包设置相关参数，即可实现用操作面板控制电机正反转及调速。
2023/9/4,1.控制系统设计,表7-5主要设备清单,将变频器的功率模块安装在电气柜中，然后将控制单元安装在功率模块上并将BOP-2控制面板插入控制单元的卡槽，听到“咔嚓”一声，即表示BOP-2控制面板已经安装好，最后给变频器的输入端子介入三相电L1，L2，L3，PE端接地，变频器输出端子接入电机的U，V，W端子，PE接地。
接下来通过BOP-2面板对G120变频器进行参数设置，并通过操作面板手动控制电机变频启动，停止，反向启动，快速停止。
根据以上分析，可以选用西门子S7-1200系列中CPU1214CDC/DC/RLY和控制单元为CU250S-PN，功率模块为PM-240的G120变频器。
主要设备清单表7-5所示。
2023/9/4,2.系统接线图,面板控制的系统接线图如图7-6所示。
图7-6系统接线图（面板控制）,2023/9/4,3.系统调试,BOP-2面板安装完成后，开始调试过程，分为以下步骤：
（1）变频器恢复出厂设置
（2）将选择光标调整至“EXTRAS”选项，如图7-7（a）所示，然后按“OK”按钮，如图7-7（b）所示，将变频器恢复出厂设置。
2023/9/4,3.系统调试,（3）在参数设置菜单下，设置变频器参数显示为“EXPERT”级别，如图7-8（a）所示。
并将P1300设置为“0”（V/F控制方式），如图7-8（b）所示。
2023/9/4,3.系统调试,（4）设置相关参数。
进入“SETUP”菜单，选择重置所有参数，如图7-9所示。
2023/9/4,3.系统调试,（5）进入P100参数，选择EUR标准，频率为50HZ，如图7-10所示；并设置输入电压为380V，如图7-11所示，下面设置电机相关参数。
2023/9/4,3.系统调试,（6）本项目采用的电机为三相异步交流电动机，额定功率为60W，三角形接法，额定电流为0.66A。
首先设置参数P300，选择电机类型为感性电机，如图7-12（a）所示，设置参数P304，电机额定电压为380V，如图7-12（b）所示：
2023/9/4,3.系统调试,（7）设置参数P305，额定电流和参数P307，额定功率，如图7-13（a），（b）所示。
2023/9/4,3.系统调试,（8）设置参数P310，电机频率和参数P311，额定转速，如图7-14（a），（b）所示：
2023/9/4,3.系统调试,（9）设置最小转速（P1080）为0，,最大转速（P1082）为1300RPM，如图7-15（a），（b）所示：
2023/9/4,3.系统调试,（10）设置加速时间（P1120）和减速时间（P1121）均为10秒，如图7-16（a），（b）所示。
2023/9/4,3.系统调试,（11）设置MOTID（P1900）为OFF（0），关闭电机数据检测功能，如图7-17所示。
（如果此处打开电机静态或动态数据检测，可能变频器会报错，报错后需要手动清除报警记录）,2023/9/4,3.系统调试,（12）保存设置的参数。
设置后的参数必须保存，在SETUP选项里，将前面的参数全部设置完成后，会自动跳到“FINISH”选项，选择“YES”，按下确定键，参数设置保存成功，如图7-18所示。
2023/9/4,3.系统调试,2023/9/4,3.系统调试,（14）手动增加转速至设定的额定转速（1400RPM），然后减少转速到负的额定转速（-1400RPM），即可完成电机的正反转变频启动。
按下停止按钮，电机按照设定的减速斜坡时间停止。
再次启动电机，然后快速按两下停止按钮，可以完成电机快速停止。
2023/9/4,任务二G120变频器PROFINET通讯控制电机正反转及调速,1.项目要求使用PROFINET通讯方式，使变频器控制电机正反转及调速，并通过PZD过程通道读取G120变频器的状态及转速。
2.项目分析将变频器和S7-1200接入同一以太网，使变频器通过PROFINET通讯控制电机正反转及调速，通过PZD过程通道读取G120变频器的状态及转速，变频器选择“标准报文1，PZD2/2”的通讯协议，根据该报文下，变频器的常见控制字，来对变频器进行PROFINET通讯控制。
2023/9/4,1.控制系统设计,表7-6常见的控制字,将G120变频器、PLC1200和编程电脑用集线器接入同一网段，变频器的输出端还是接到任务一所用的电机上。
为变频器选择“标准报文1，PZD2/2”的通讯协议，该报文下，变频器的常见控制字如表7-6所示。
2023/9/4,1.控制系统设计,根据以上分析，我们可以选用西门子S7-1200系列中CPU1214CDC/DC/RLY和控制单元为CU250S-PN，功率模块为PM-240的G120变频器。
主要设备清单表7-7所示：
表7-7主要设备清单,2023/9/4,2.I/O地址分配,表7-8I/O分配表,I/O地址分配如表7-8所示。
2023/9/4,3.系统接线图,图7-20系统接线图（PROFINET总线）,系统接线图如图7-20所示。
2023/9/4,4.PLC程序设计,
（1）设备组态：
1）打开博途V14SP1软件，新建项目。
添加型号为“1214DC/DC/RLY”的CPU。
CPU固件版本根据硬件实际情况选择，这里我们用的是V4.2（如图7-21所示）。
2023/9/4,4.PLC程序设计,2）切换到网络视图，在硬件目录下，找到PROFINETIODRIVERSSIEMENSAGSINAMICSSINAMICSG120CU250S-2PNVECTORV4.7，双击，将变频器控制单元添加至设备组态，如图7-22所示。
图7-22添加控制单元,2023/9/4,4.PLC程序设计,3）点击变频器上的蓝色“未分配”字样，在下拉列表中选择PLC_1.PROFINET接口_1。
完成与PLC的网络连接，如图7-23所示。
图7-23变频器与PLC的网络连接,2023/9/4,4.PLC程序设计,4）双击变频器模块，在硬件目录中选择“子模块”标准报文1，PZD-2/2。
双击将报文添加至设备组态中，然后在“设备概览”中查看报文对应的输入、输出地址。
这里可以看到输入地址I为68-71，输出地址Q为64-67，如图7-24（a）、（b）所示。
（a）选择报文,2023/9/4,4.PLC程序设计,4）双击变频器模块，在硬件目录中选择“子模块”标准报文1，PZD-2/2。
双击将报文添加至设备组态中，然后在“设备概览”中查看报文对应的输入、输出地址。
这里可以看到输入地址I为68-71，输出地址Q为64-67，如图7-24（a）、（b）所示。
（b）查看输入、输出地址,2023/9/4,4.PLC程序设计,5）组态S7-1200和G120变频器的DEVICENAME和分配IP地址。
点击S7-1200上的网口，将PLC的设备名称改为S71200，IP地址分配为192.168.0.1，如图7-25所示。
图7-25分配PLC的IP地址,2023/9/4,4.PLC程序设计,6）双击变频器图标，选中变频器的网络接口图标，将变频器的设备名称改为“G120”。
IP地址分配为192.168.0.2（与PLC在同一个网段），如图7-26所示。
图7-26分配变频器的设备名称和IP地址,2023/9/4,4.PLC程序设计,7）在线访问设备，找打G120变频器，然后点击“在线并诊断”，在“功能”-“命名”菜单下，将PROFINET设备名称改为g120，点击“分配名称”。
在“分配IP地址”菜单下，设置IP地址为192.168.0.2，点击“分配IP地址”，如图7-27所示。
图7-27分配IP地址和设备名称,2023/9/4,4.PLC程序设计,8）在线访问菜单下，点击G120变频器参数。
切换到参数视图，打开左边列表的“通讯”“配置”。
将右侧参数值改为，如图7-28（a）、（b）所示：
图7-28（a）变频器参数列表,2023/9/4,4.PLC程序设计,8）在线访问菜单下，点击G120变频器参数。
切换到参数视图，打开左边列表的“通讯”“配置”。
将右侧参数值改为，如图7-28（a）、（b）所示：
图7-28（b）变频器参数列表,2023/9/4,4.PLC程序设计,
（2）变量定义。
在主程序中，我们将中间变量“MW100”和“MW102”分别传送至变频器输出地址“QW64”和“QW66”中，将变频器的输入地址“IW68”和“IW70”分别传送至中间变量“MW104”和“MW106”中。
然后在程序的监控与强制表中，对变频器的输出值“MW100”和“MW102”进行数据赋值以控制电机的启停，方向和转速，并观察变频器的输入值“MW104”和“MW106”的变化情况。
2023/9/4,4.PLC程序设计,（3）程序设计。
在主程序中，添加如下主程序，如图7-29所示：
图7-29主程序,2023/9/4,5.系统调试,添加一个“监控表”，添加中间变量M0.0，MW100（十六进制），MW102（十进制），MW104（十六进制），MW106（十进制）。
如果是通电后第一次启动变频器，先将MW100赋值为“047E”，复位变频器。
然后再给MW100输入“047F”（电机启动控制字），MW102输入8192，电机正转启动。
观察MW104（变频器的状态参数）和MW106的值（电机实际转速值），如图7-30所示。
图7-30通过监控表控制变频器启动,2023/9/4,5.系统调试,设定值（显示值）M与实际值N的关系为：
N=P200X*M/16384十进制其中，P200X为参考变量（参考变量表）。
例如：
我们P2000中的参考转速为1400RPM，如果想达到的实际转速为350RPM，那么需要输入的设定值为M=350*16384/1400=4096。
2023/9/4,1.项目要求使用PLC的输出端子（数字量输出和模拟量输出）连接变频器，实现控制电机的正反转及调速。
2.项目分析将PLC1200的输出端子接入G120变频器的数字输入端，通过PLC输出高低电平模拟实际端子控制。
通过设置参数P0015，分别使用控制单元的宏程序1（数字方式）来控制三相电机的启动，停止和调速。
任务三G120变频器端子控制电机正反转及调速（数字方式）,2023/9/4,1.控制系统设计,选用西门子S7-1200系列中CPU1214CDC/DC/RLY和控制单元为CU250S-PN，功率模块为PM-240的G120变频器。
主要设备清单表7-9所示。
表7-9主要设备清单,2023/9/4,3.系统接线图,图7-31系统接线图（数字方式）,系统接线图如图7-31所示。
2023/9/4,4.PLC程序设计,
（1）设备组态。
首先通过BOP-2面板进行参数设置。
1）在“PARAMETER”菜单下，将参数P10设置成1，打开快速调试，然后将参数P15设置成1，将端子设置成宏程序1模式，再将P10设置回0，进入准备就绪状态，如图7-32所示：
2023/9/4,4.PLC程序设计,
（1）设备组态。
首先通过BOP-2面板进行参数设置。
2）在“PARAMETER”菜单下，将参数P1003设置成500（P1003用来设定固定转速1，此处也可以设置成其他数值，只要在电机的额定转速范围内即可），将P1004设置成300（P1004用来设定固定转速2，此处也可以设置成其他数值，只要在电机的额定转速范围内即可），如图7-33所示。
参数设置完成后，即可通过PLC输出端子对G120变频器进行端子控制。
2023/9/4,4.PLC程序设计,
（2）变量定义PLC1200的输出端子Q0.0用来控制变频器输入端子DI0（正向启动），Q0.1用来控制变频器输入端子DI1+（反向启动），Q0.2用来控制变频器输入端子DI2（故障复位），Q0.3用来控制变频器输入端子DI4（固定转速1），Q0.4用来控制变频器输入端子DI5+（固定转速2）。
通过PLC程序控制输出点的高低电平状态，从而控制变频器的输入端子高低电平状态。
变频器的输出端子DO0的常开点NO接24V故障灯，输出端子DO1的常开点NO接24V报警灯。
2023/9/4,4.PLC程序设计,（3）程序设计：
1新建一个项目。
2添加1214DC/DC/RLY型号的CPU，如图7-34所示。
图7-34添加CPU,2023/9/4,4.PLC程序设计,图7-35添加新的监控表,图7-36通过监控表控制电机正向启动,3）在“监控与强制表”菜单下新建一个监控表，并输入Q0.0，Q0.1，Q0.2，Q0.3，Q0.4，如图7-35所示。
4）将正向启动信号“Q0.0”和固定转速1信号“Q0.3”强制为“1”，然后打开监视，修改选定值，可以看到电机已经在固定转速1下正向转动。
此时可以通过BOP-2操作面板上的“MONITOR”菜单观察变频器的运行状态，看看实际转速是否为我们刚才参数“P1003”设置的500RPM，如图7-36所示。
2023/9/4,4.PLC程序设计,图7-37通过监控表控制电机反向启动,5）将反向启动信号“Q0.1”和固定转速2信号“Q0.4”强制为“1”，然后打开监视，修改选定值，可以看到电机已经在固定转速2下反向转动，此时可以通过BOP-2操作面板上的“MONITOR”菜单观察变频器的运行状态，看看实际转速是否为我们刚才参数“P1004”设置的300RPM，如图7-37所示。
2023/9/4,项目拓展一触摸控制变频器启动、停止,1.任务要求及分析在上述任务二的基础上，加入型号为KTP700的西门子触摸屏，在触摸屏上设置四个按钮，分别是启停、反转、加速、减速，用来控制变频器。
2023/9/4,项目拓展一触摸控制变频器启动、停止,
（1）硬件组态：
1在对PLC和变频器组态完成后，添加触摸屏至设备组态，并选择PLC连接，如图7-38（a）、（b）所示。
图7-38（a）触摸屏组态,2023/9/4,项目拓展一触摸控制变频器启动、停止,
（1）硬件组态：
1）在对PLC和变频器组态完成后，添加触摸屏至设备组态，并选择PLC连接，如图7-38（a）、（b）所示。
图7-38（b）触摸屏组态,2023/9/4,图7-39设置触摸屏IP地址和分配名称,2）设置触摸屏IP地址为192.168.0.3，PROFINET名称为hmi_1，如图7-39所示。
2023/9/4,图7-40程序段1数据传输,1）程序段1为PLC和G120变频器之间的数据交互，如图7-40所示。
（2）程序设计：
2023/9/4,图7-41程序段2启动和停止,2）程序段2为变频器的启停控制，当按下启停按钮，即变量“启动按钮”M0.0置位时，向变频器发送“16#047f”（正向启动命令），当再次启停按钮，M0.0复位时，向变频器发送“16#047e”（停止命令）。
“FirstScan”为上电后接通一次，用于在PLC启动后将变频器复位，如图7-41所示。
（2）程序设计：
2023/9/4,图
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