PLC课程设计.docx
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PLC课程设计
《可编程控制器技术》
课程设计报告
题目：
PLC在多段调速系统中的应用
院（系）：
机电与自动化学院
专业班级：
电气自动化技术1002
学生姓名：
曹畅
学号：
20102822054
指导教师：
连建华
2013年01月14日至2013年01月25日
华中科技大学武昌分校
《可编程控制器技术》课程设计任务书
一、设计题目
PLC在多段调速系统中的应用
二、设计主要内容
在工业应用控制中，经常用到多段速度控制实际生产设备，用参数将多种速度预先设定，用输入端子进行转换。
如恒压供水、电梯速度控制等。
本课题要求设计一个由PLC、变频器、异步电动机组成的变频调速控制系统，，完成PLC接线图和控制梯形图的设计。
利用实验室设备完成PLC端子和变频器、异步电动机的接线，并进行运行调试。
具体设计内容如下：
1、掌握FR-S540变频器的基本工作原理
（1）了解变频器的基本结构及工作原理；
（2）掌握变频器各参数的意义及设置方法；
（3）掌握变频器操作面板的基本操作。
2、三相异步电动机3速系统控制设计
用PLC、变频器设计一个电动机的三速运行的控制系统。
其控制要求如下：
按下起动按钮，电动机以30Hz速度运行，5s后转为45Hz速度运行，再过5s转为20Hz速度运行，按停止按钮，电动机即停止。
FR-S540变频器的设定参数：
（1）上限频率Pr1=50Hz；
（2）下限频率Pr2=0Hz；
（3）基底频率Pr3=50Hz；
（4）加速时间Pr7=2s；
（5）减速时间Pr8=2s；
（6）电子过电流保护Pr9=电动机的额定电流；
（7）操作模式选择（组合）Pr79=3；
（8）多段速度设定（1速）Pr4=20Hz；
（9）多段速度设定（2速）Pr5=45Hz；
（10）多段速度设定（3速）Pr6=30Hz。
3、三相异步电动机15段速度运行系统控制设计
按下启动按钮，可选择工频/变频控制，能实现自动控制和手动控制（自动转换频段/手动输入频段），并可实现高、低速转换。
三、原始资料
1、变频器的基本工作原理
交－直－交变频器的基本构成
2、FR-S540变频器的基本参数
（1）输出频率范围（Pr.1、Pr.2），Pr.1为上限频率，Pr.2为下限频率。
（2）多段速度运行（Pr.4、Pr.5、Pr.6、Pr.24～Pr.27），
（3）加减速时间（Pr.7、Pr.8、Pr.20），
（4）电子过电流保护（Pr.9），Pr.9用来设定电子过电流保护的电流值，以防止电动机过热，故一般设定为电动机的额定电流值。
（5）起动频率（Pr.13），
（6）适用负荷选择（Pr.14），
（7）点动运行（Pr.15、Pr.16），
（8）参数写入禁止选择（Pr.77），
（9）操作模式选择（Pr.79），
3、FR-S540变频器的各电路的接线端子
（参考变频器使用说明书《FR-S500使用手册（基本篇）》）
4、七段速度对应的端子
（参考变频器使用说明书《FR-S500使用手册（基本篇）》）
5、15段速度对应的端子
（参考变频器使用说明书《FR-S500使用手册（基本篇）》）
6、课程设计使用设备
（1）变频器1台（三菱FR-S540）；
（2）三相异步电动机1台；
（3）导线若干；
（4）PC机；
（5）电位器1个（2W/1kW）；
（6）PLC实验控制台。
四、要求的设计成果
（1）根据控制要求进行电气控制系统硬件电路设计，包括主电路、控制电路及PLC硬件配置电路。
（2）利用实验室设备进行运行调试。
（3）编写《电气控制与可编程控制器技术课程设计》报告，课程设计报告内容包括：
①设计方案、课程设计过程和有关说明，应充分表达设计者的设计思想、方法、原理和过程。
②绘制PLC控制系统设计的电气原理图。
③PLC控制程序（梯形图或指令表）。
④元器件的选择和有关计算。
⑤电气设备明细表。
⑥参考资料、参考书及参考手册。
⑦其他需要说明的问题，例如操作说明、程序的调试过程、遇到的问题及解决方法、对课程设计的认识和建议等。
⑧《电气控制与可编程控制器技术课程设计》报告可以手写，也可以用电脑编排打印，报告格式按照《华中科技大学武昌分校课程设计管理办法》执行。
课程设计报告要求内容正确完整，图表清晰，叙述简明，语句通顺，字数不得少于2000汉字。
五、进程安排
内容
时间
下达课程设计任务书。
讲解课程设计的任务与要求、进度安排、指导时间、注意事项、提供参考资料。
学生到实验室熟悉设备。
1天
搜集资料、方案论证、初步设计。
1天
系统设计、绘制系统控制原理图、接线图及软件编程。
2天
利用实验室设备实现上下位机的通讯，完成控制系统的硬件接线工作，运行控制程序，进行运行调试。
3天
方案优化、总结完善、整理资料、撰写课程设计报告
2天
答辩、课程设计总结。
1天
共计
10天（2周）
六、主要参考资料
[1]马小军．可编程控制器及其应用.南京：
东南大学出版社，2007．
[2]姚锡禄．变频器技术应用.北京：
电子工业出版社，2009．
[3]巫莉．电气控制与PLC应用.北京：
中国电力出版社，2008．
指导教师（签名）：
20年月日
目录
1课程设计题目及要求…………………………………………………………………1
1.1课程设计题目………………………………………………………………………1
1.2系统控制要求………………………………………………………………………1
1.3系统总体设计方案…………………………………………………………………1
2变频器介绍……………………………………………………………………………2
2.1变频器的工作原理…………………………………………………………………2
2.2变频器的功能作用…………………………………………………………………2
2.3变频调的控制方式…………………………………………………………………4
2.4变频器的调速方式…………………………………………………………………5
2.5FR-S540型变频器的结构特点……………………………………………………6
2.6FR-S540型变频器的参数设置方法………………………………………………7
3PLC介绍………………………………………………………………………………9
3.1PLC基本结构………………………………………………………………………9
3.2PLC的扫描工作原理………………………………………………………………9
3.3PLC的扫描工作过程………………………………………………………………10
3.4FX2N-48MR型PLC…………………………………………………………………11
4控制系统设计…………………………………………………………………………12
4.1PLC控制电路图……………………………………………………………………12
4.2多段转速控制………………………………………………………………………12
4.3PLC实物接线图……………………………………………………………………13
4.4程序梯形图…………………………………………………………………………14
5.总结……………………………………………………………………………………16
6.参考文献………………………………………………………………………………17
1.课程设计题目及要求
1.1课程设计目的：
PLC在多段调速系统中的应用
1.2系统控制的要求：
在工业应用控制中，经常用到多段速度控制实际生产设备，用参数将多种速度预先设定，用输入端子进行转换。
如恒压供水、电梯速度控制等。
本课题要求设计一个由PLC、变频器、异步电动机组成的变频调速控制系统，完成PLC接线图和控制梯形图的设计。
利用实验室设备完成PLC端子和变频器、异步电动机的接线，并进行运行调试。
具体设计内容如下：
（1）掌握FR-S540变频器的基本工作原理
①了解变频器的基本结构及工作原理；
②掌握变频器各参数的意义及设置方法；
③掌握变频器操作面板的基本操作。
（2）三相异步电动机3速系统控制设计
用PLC、变频器设计一个电动机的三速运行的控制系统。
其控制要求如下：
按下起动按钮，电动机以30Hz速度运行，5s后转为45Hz速度运行，再过5s转为20Hz速度运行，按停止按钮，电动机即停止。
（3）三相异步电动机15段速度运行系统控制设计
按下启动按钮，可选择工频/变频控制，能实现自动控制和手动控制（自动转换频段/手动输入频段），并可实现高、低速转换。
1.3系统总体设计方案：
本系统结构如下所示：
图1-3
由图可知，本文通过PLC控制变频器达到变频调速的目的，从而实现交流电机的正反转、起停、加速、减速控制以及速度的调节，并且能够在在控制台
上进行操作，控制电机调速。
2.变频器介绍
2.1变频器的工作原理
主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：
电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。
电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。
它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的逆变器。
整流器：
最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。
也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。
平波回路：
在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。
为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。
装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。
逆变器：
同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。
以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。
控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。
（1）运算电路：
将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。
（2）电压、电流检测电路：
与主回路电位隔离检测电压、电流等。
（3）驱动电路：
驱动主电路器件的电路。
它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。
（4）速度检测电路:
以装在异步电动机轴机上的速度检测器（tg、plg等）的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。
（5）保护电路：
检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。
2.2变频器的功能作用
变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。
为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。
当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。
风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。
当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。
电动机使用变频器的作用就是为了调速，并降低启动电流。
为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC），这个过程叫整流。
把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为“inverter”（逆变器）。
一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。
对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。
变频器输出的波形是模拟正弦波，主要是用在三相异步电动机调速用，又叫变频调速器。
对于主要用在仪器仪表的检测设备中的波形要求较高的可变频率逆变器，要对波形进行整理，可以输出标准的正弦波，叫变频电源。
一般变频电源是变频器价格的15－－20倍。
由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“inverter”，故该产品本身就被命名为“inverter”，即：
变频器。
变频不是到处可以省电，有不少场合用变频并不一定能省电。
作为电子电路，变频器本身也要耗电（约额定功率的3-5%）。
一台1.5匹的空调自身耗电算下来也有20-30W,相当于一盏长明灯.变频器在工频下运行，具有节电功能，是事实。
但是他的前提条件是：
第一、大功率并且为风机/泵类负载；
第二、装置本身具有节电功能（软件支持）；
第三、长期连续运行。
这是体现节电效果的三个条件。
除此之外，无所谓节不节电，没有什么意义。
如果不加前提条件的说变频器工频运行节能，就是夸大或是商业炒作。
知道了原委，你会巧妙的利用他为你服务。
一定要注意使用场合和使用条件才好正确应用，否则就是盲从、轻信而“受骗上当”。
功率因素补偿功能：
无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。
软启动功能：
电机硬启动对电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。
而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。
节省了设备的维护费用。
从理论上讲，变频器可以用在所有带有电动机的机械设备中，电动机在启动时，电流会比额定高5-6倍的，不但会影响电机的使用寿命而且消耗较多的电量.系统在设计时在电机选型上会留有一定的余量，电机的速度是固定不变，但在实际使用过程中，有时要以较低或者较高的速度运行，因此进行变频改造是非常有必要的。
变频器可实现电机软启动、补偿功率因素、通过改变设备输入电压频率达到节能调速的目的，而且能给设备提供过流、过压、过载等保护功能。
2.3变频调的控制方式
正弦脉宽调制控制方式：
其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。
但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。
另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。
因此人们又研究出矢量控制变频调速。
电压空间矢量控制方式：
它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。
经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。
但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。
矢量控制方式：
矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。
其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。
通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。
矢量控制方法的提出具有划时代的意义。
然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
直接转矩控制方式：
1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。
该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。
目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。
直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。
它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
矩阵式交—交控制方式：
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。
其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。
为此，矩阵式交—交变频应运而生。
由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。
它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。
该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。
其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。
具体方法是：
1、控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；
2、自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；
3、算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；
4、实现Band—Band控制按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。
矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应（<2ms），很高的速度精度（±2%，无PG反馈），高转矩精度（<+3%）；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150%～200%转矩。
2.4变频器的调速方式
（1）变级调试：
对鼠笼式异步电机可以通过改变电动机绕组的接线方式，使电动机从一种极对数变为另一种极对数，从而实现异步电动机的有级调速。
变极调速所需设备简单，价格低廉，工作也比较可靠。
一般为两种速度，三种速度以上的变极调速电动机绕组结构复杂，应用较少。
变极调速电动机的关键在于绕组设计，以最少的绕组抽头和改接以达到最好的电动机技术性能指标。
（2）变转差率调速：
对于绕线式异步电动机，可以通过调节串联在转子绕组中的电阻值（调阻调速）、在转子电路中引入附加的转差电压（串级调速）、调整电机定子电压（调压调速）以及采用电磁转差离合器（电磁转差离合器调速）改变气隙磁场等方法实现变转差s，从而对电动机进行无级调速。
变转差率调速尽管效率不高，但在异步电动机调速技术中占有重要的地位，特别是转差功率得到回收利用的串级调速系统，更是现代大容量风机、水泵等调速节能的重要手段。
（3）变频调速：
通过改变定子供电频率来改变同步转速实现对异步电动机的调速，在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差率，因此具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。
变频调速是异步电动机的一种比较合理且理想的调速方法。
本设计中就采用的是这种调速方法。
2.5FR-S540型变频器的结构特点
图2-5
2.6FR-S540型变频器的参数设置方法
图2-6-1
注明：
七段调速参数设置：
上限频率Pr1=50Hz；下限频率Pr2=0Hz；基底频率Pr3=50Hz；加速时间Pr7=2s；减速时间Pr8=2s；电子过电流保护Pr9=电动机的额定电流；操作模式选择（组合）Pr79=3；多段速度设定（1速）Pr4=45Hz；多段速度设定（2速）Pr5=40Hz；多段速度设定（3速）Pr6=35Hz;Pr24=30Hz;Pr25=25Hz;Pr26=20Hz;Pr27=15Hz。
图2-6-2
3.PLC工作原理
3.1PLC基本结构
当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，
图3-1
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，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
输入采样阶段：
在输入采样阶段，可编程逻辑控制器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映象区中的相应的单元内。
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。
用户程序执行阶段：
在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器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。
输出刷新阶段：
当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器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，才是可编程逻辑控制器的真正输出。
3.2PLC的扫描工作原理
当PLC运行时，是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作，但CPU不可能同时去执行多个操作，它只能按分时操作（串行工作），每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。
由于CPU得运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时（并行）完成的。
这种串行工作过程称为PLC的扫描工作方式。
用扫描工作方式执行用户程序时，扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户程序，直到程序结束。
然后再从头开始扫描执行，周而复始地重复运行。
PLC的扫描工作方式与电气控制的工作原理明显不同。
电气控制装置采用硬逻辑的并行工作方式，如果某个继电器的线圈通电或断电，那么该继电器的所有常开和常闭触点不论处在控制线路的哪个位子上，都会立即同时动作；而PLC采用扫描工作方式（串行工作方式），如果某个软继电器的线圈被接通或断开，其所有的触点不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。
但由于PLC的扫描速度快，通常PLC与电气控制装置在
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