变频器与PLC在运料小车控制系统中的应用.docx
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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
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