基于PLC交流变频调速系统的毕业设计.docx
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基于PLC交流变频调速系统的毕业设计
基于PLC交流变频调速系统的毕业设计
目录
摘要1
绪论1
1系统的工作原理2
1.1三相异步电机2
1.1.1三相异步电机的结构2
1.1.2三相异步电机的工作原理3
1.2变频器3
1.3控制系统4
1.3.1PLC的工作原理4
1.3.2PLC的应用5
2系统控制方案选取7
2.1电机的选择7
2.2变频器的选择7
2.3PLC的选择8
2.3控制方式的选择9
3变频调速系统的设计10
3.1软件设计10
3.1.1S7-200PLC10
3.1.2MicroMaster420变频器10
3.1.3外部电路设计11
3.1.4变频开环调速11
3.1.5数字量方式多段速控制13
3.2软件设计15
3.2.1编程软件15
3.2.2系统程序设计16
4系统抗干扰措施26
4.1PLC抗干扰措施26
4.2软件抗干扰措施26
结论27
致谢28
参考文献29
绪论
（1）课题背景
从1876年第一台直流电动机问世到1888年交流电动机的发明及广泛应用，再到电机随处可见当今世界，电机的发展早已经成为衡量一个国家现代化水平标准之一，纵观电机的发展，其应用范围的不断扩大，使用要求不断提高，结构类型不断增多，理论要求不断深入。
特别是近30年来，伴随着电力电子技术和计算机技术的进步，尤其是超导技术的重大突破和新原理，新结构，新材料，新工艺，新方法的不断推动，电机发展更是呈现出勃勃生机，其前景是不可限量的[12]。
近年来随着电力电子技术，计算机技术，自动控制技术的发展，电机的控制技术得到了迅速的发展，人们在追求控制电机更快，更准，更稳的同时，也意识到节能，环保，经济的重要性。
变频技术是近年来国际家电领域全面开发和应用的一项高新技术，它采用新型变频器，将50Hz的固定供电频率转换为30-130Hz的变化频率，实现电动机运转频率的自动调节，达到节能和提高效率的目的。
上个世纪80年代初，变频器实现了商品化。
在近20年的时间内，经历了由模拟控制到全数字控制和由采用BJT到采用IGBT两个大发展过程[1]。
PLC是20世纪70年代以来，在电气控制技术，集成电路，计算机技术基础上发展起来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术，把计算机技术，通信技术融为一体的一种新型工业控制设备。
它具有功能强，可靠性高，配置灵活，使用方便，以及体积小，重量轻等优点[13]。
（2）设计的目的和意义
随着工业控制要求的不断发展，对电机的速度控制要求也越来越高，一般都需要进行闭环控制。
交流电机调速的方法有很多，调压串级滑差变频等方式都不同程度地应用于各种各样的工控领域。
随着变频技术的发展，变频器越来越多的被应用于调速场合。
可编程控制器是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置，将PLC应用于交流变频调速，不仅可靠性高，易于操作，而且还能降低能耗，节约能源。
1系统的工作原理
1.1三相异步电机
三相异步电机（Triple-phaseasynchronousmotor）是靠同时接入三相交流电源（相位差120度）供电的一类电动机，由于三相异步电机的转子与定子旋转磁场以相同的方向、不同的转速成旋转，存在转差率，所以叫三相异步电机。
1.1.1三相异步电机的结构
异步电机主要由固定不动的和旋转的转子两部分组成，定子转子之间有气隙，在定子两端有端盖支撑转子。
（1）定子
异步电机的定子由铁心，定子绕组和机座三部分组成,定子铁心的作用是作为电机磁路的一部分和嵌放定子绕组。
为了减少交变磁场在铁心中引起的损耗，铁心一般采用导磁性能良好，比损耗小的0.5mm厚低硅钢片叠成。
定子绕组是电机的电路，器作用是感应电动势流过电流。
定子绕组在槽内部分与铁心间必须可靠绝缘，槽绝缘的材料厚度由电机耐热等级和工作电压来决定。
机座的作用主要是固定和支撑定子铁心。
（2）转子
异步电机的转子由转子铁心转子绕组和转轴组成。
转子铁心是电机磁路的一部分，一般由0.5mm硅钢片冲制后叠压而成。
转轴起支撑转子铁心和输出机械转矩的作用，转子绕组的作用是感应电动势，流过电流和产生电磁转矩。
其结构形式有两种:
笼式和绕线式。
（3）气隙
异步电机定，转子之间气隙很小，对于小型异步电机，气隙一般为0.2到1.5mm。
气隙大小对异步电机性能影响很大。
为了降低电机的空载电流和提高电机的功率，气隙应尽可能的小，但气隙太小又可能造成定转子在运行中发生摩擦，因此异步电机气隙长度应为定转子在运行中不发生机械摩擦所允许的最小值。
1.1.2三相异步电机的工作原理
三相交流异步电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。
当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。
电动势的方向由右手定则来确定。
因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。
在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。
该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力，电磁力的方向可用左手定则确定。
由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。
三相绕组接通三相电源产生的磁场在空间旋转，称为旋转磁场，转速的大小由电动机极数和电源频率而定。
转子在磁场中相对定子有相对运动，切割磁杨，形成感应电动势。
转子铜条是短路的，有感应电流产生。
转子铜条有电流，在磁场中受到力的作用。
转子就会旋转起来。
第一：
要有旋转磁场，第二：
转子转动方向与旋转磁场方向相同，第三：
转子转速必须小于同步转速，否则导体不会切割磁场，无感应电流产生，无转矩，电机就要停下来，停下后，速度减慢，由于有转速差，转子又开始转动，所以只要旋转磁场存在，转子总是落后同步转速在转动。
[12]三相异步电机是感应电机，定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其中产生感应电流。
短路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场。
通电启动后，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，即旋转磁场与转子存在相对转速，并与磁场相互作用产生电磁转矩，使转子转起来，实现能量变换。
1.2变频器
变频器主要应用于对电机速度的调节，可将其分为四个部分，其结构如图1-1所示。
通用变频器由主电路和控制回路组成。
给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。
主电路包括整流器、中间直流环节（又称平波回路）、逆变器、控制回路。
图1-1变频器简化结构图
（1）整流器。
它的作用是把工频电源变换成直流电源。
（2）平波回路（中间直流环节）。
由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。
无论电动机处于电动状态还是发电状态，起始功率因数总不会等于1。
因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件—电容器或电感器来缓冲，所以中间直流环节实际上是中间储能环节。
（3）逆变器。
与整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率。
逆变器的结构形式是利用6个半导体开关器件组成的三相桥式逆变器电路。
通过有规律的控制逆变器中主开关的导通和断开，可以得到任意频率的三相交流输出波形。
（4）控制回路。
控制回路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路，驱动电路和制动电路等构成。
其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制，以及完成各种保护功能。
控制方式有模拟控制或数字控制[10]。
1.3PLC控制系统
1.3.1PLC的工作原理
PLC是微机技术和控制技术结合的产物，是一种以微处理器为核心的用于控制的特殊计算机，因此PLC的基本组成与一般的微机系统类似。
PLC的硬件主要由中央处理器（CPU），存储器（EPROM,RAM）输入单元，输出单元，通信接口，扩展接口，电源等部分组成。
其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场I/O设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器，上位计算机等外设连接[5]。
PLC的工作原理可以简单的描述为在系统程序管理下，通过运行应用程序，对控制要求进行处理判断，并通过执行用户程序来实现控制任务。
PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式：
（1）每次扫描过程，集中采集输入信号，集中对输出信号进行刷新。
（2）输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。
只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。
（3）一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。
（4）元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。
（5）扫描周期的长短由以下三条决定:
CPU执行指令的速度；
指令本身占有的时间；
指令条数，现在的PLC扫描速度都是非常快的。
（6）由于采用集中采样，集中输出的方式，存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟[7][8]。
1.3.2PLC的应用
PLC的应用领域，最初，PLC主要用于开关量的逻辑控制。
随着PLC技术的进步，它的应用领域不断扩大。
如今，PLC不仅用于开关量控制，还用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制与治理。
PLC已日益成为产业控制装置家族中一个重要的角色。
可大概分为两个领域：
其一为单机控制为主的一切设备自动化领域，比如：
包装机械、印刷机械、纺织机械、注塑机械、自动焊接设备、隧道盾构设备、水处理设备、切割、多轴磨床、冶金行业的辊压、连铸机械等，这些设备的所有动作，加工都需要靠依据工艺设定在PLC内的程序来指导执行和完成，就如人的大脑。
其二为过程控制为主的流程自动化行业，比如污水处理、自来水处理、楼宇控制、火电主控、辅控、水电主控、辅控、冶金行业、太阳能、水泥、石油、石化、铁路交通等。
这些行业所有设备的连续生产运行，总存在许多的监控点和大量的实时参数，而要监视、控制、和采集这些流程参数和相关的工艺设备，也必须依靠PLC这个大脑来完成，当然传统叫法也有DCS，尽管设计之初的理念不一样，但现技术路线已逐渐融合。
综合来说，PLC的应用领域是宽阔的，还有许多领域急待开拓，如用于海关过境车辆认证（深圳盐田）、自动售药（若干中药店）在我国已有实例。
另外，在离散事件系统中，如公路网交通流（车辆计数、乘客计数及停留时间计量）、物流系统、柔行制造系统（敏捷制造系统）及一切非标准随服务系统中，均可以采用PLC，进而建模和采取对策并优化。
PLC的前途一片美好,PLC与其它技术融合，那还需要一定的时间[8][9][11]。
2控制方案的选取
2.1电动机的选择
在变频电机中，电动机类型选择的原则是，在满足工作机械对于拖动系统要求的前提下，所选电动机应尽可能结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。
因此，在选用电动机种类时，若机械工作对拖动系统无过高要求，应优先选用交流电动机。
与单相异步电动机相比，三相异步电机结构简单，制造方便，运行性能好，并可节省各种材料，价格便宜。
在交流电动机中，笼型异步电动机结构简单，运行最可靠，维护最方便，对起动性能无过高要求的调速系统，应优先考虑。
在电机工作中起动、制动比较频繁，为提高生产率，又要求电动机具有较大的起动、制动转矩以缩短起动制动时间，同时还有一定的调速要求，所以本设计采用笼型异步电动机，其参数为：
型号：
WDJ26；
电压：
380V；
接法：
角接；
转速：
1430r/min;
功率：
40W；
电流：
0.2A；
频率：
50HZ；
绝缘等级：
E[2]。
2.2变频器的选择
随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速己应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速得到广泛应用。
其功能较强，使用灵活，但其价格相对较贵。
所以我选用了通用变频器，通过合理的配置、设计和编程，同样可以达到专用变频器的控制效果。
本设计采用的变频器是西门子公司面向世界推出的21世纪通用型变频器MM420。
它可实现平稳操作和精确控制，使电动机达到理想输出，这种变频器不仅考虑了V/f控制，而且还实现了矢量控制，通过其本身的自动调谐功能与无速度传感器电流矢量控制，很容易得到高起动转矩与较高的调速范围。
MM420变频器的特点如下：
（1）包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化。
（2）有丰富的内藏与选择功能。
（3）由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小。
（4）保护功能完善、维修性能好。
（5）通过LCD操作装置，可提高操作性能[10]。
2.3PLC的选择
传统的控制系统中，我们一般有采用单片机和PLC控制两种选择。
与单片机相比，PLC有以下优点:
（1）通用性强，使用方便。
（2）可靠性高，抗干扰能力强，所有的I/O口均采用光电隔离，有效使内部电路与外部隔离，其各模块均采用屏蔽措施，采用性能良好的开关电源，具有良好的自诊断功能，在大型的PLC中采用双CPU或三CPU构成表决系统，是可靠性进一步提高。
（3）丰富的I/O接口模块。
（4）采用模块化结构，方便组合。
（5）编程简单易学，PLC编程采用梯形图与继电器电路图类似，不需要计算机专门知识也能理解。
（6）安装简单，维修方便。
（7）驱动能力强。
单片机的优点是经济实惠，成本相对较低。
而对于单片机最大的缺点就是抗干扰的能力差，驱动能力差，需要很多外围设备来驱动，在工业控制中多采用PLC，此外单片机编程复杂，需要了解单片机的内部结构以及工作方式[3]。
在控制中，PLC的选择的原则是在满足可靠性，实时性，快速性，操作的便捷性以及强劲的通信能力的前提下，选择成本更低的。
因此选择西门子S7-200可编程控制器来作为主要的控制装置。
S7-200系列的PLC具有极高的可靠性，丰富的指令集，易于掌握，便捷的操作，丰富的内置集成功能，实时特性，强劲的通信能力，丰富的扩展模块，适用于各行各业各种场合的检测监测及自动化控制的需要。
S7-200系列的PLC是整体式结构，根据其规模的的大小，可选择相应的主机单元CPU[11][19]。
2.4调速方式的选择
变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。
变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。
其特点：
（1）效率高，调速过程中没有附加损耗；
（2）应用范围广，可用于笼型异步电动机；
（3）调速范围大，特性硬，精度高；
从效率和稳定性的角度出发，综合考虑经济效益，选择变频调速方式。
3变频调速系统的设计
3.1硬件的设计
3.1.1S7-200PLC
本系统选用的是西门子公司生产的S7-200系列小型PLC，可用于代替继电器的简单控制场合，也可用于复杂的自动化控制系统。
由于它极强的的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其功能。
S7-200的可靠性高，可以用梯形图语句表功能块图三种语言来编程。
它的指令丰富，指令功能强，易于掌握，操作方便，内置有高速计数器、高速输出、PID控制器、RS-485通信/编程接口、PPI通信协议、MPI通信协议和自由端口模式通信功能，最大可以扩展到248点数字量I/O或35路模拟量I/O，最多有30多KB的程序和数据存储空间[5]。
3.1.2MicroMaster420变频器
本系统采用的是通用变频器MicroMaster420，MicroMaster420是全新一代模块化设计的多功能标准变频器。
它有强大的通讯能力、精确的控制性能、模块化结构设计，具有更多的灵活性，操作方便。
最新的IGBT技术，具有7个固定频率，4个跳转频率。
灵活的斜坡函数发生器带有起始段和结束段的平滑特性，防止运行中不应有的跳闸，直流制动和复合制动方式提高制动性能。
用BiCo技术，实现I/O端口自由连接。
MicroMaster420是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列，从单相电源电压额定功率120W到三相电源电压额定功率11KW可供选用，由微处理器控制，用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。
因此，具有很高的运行可靠性和功能的多样性。
其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声，全面完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。
MicroMaster420具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。
由于MicroMaster420具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统[5]。
3.1.3外部电路设计
本系统主要完成异步电机三种调速，由于变频器的参数设置的不同，调速方式也有所不同，分别为变频开环调速、数字量方式多段速控制和PLC及变频器通信控制。
3.1.4变频开环调速
变频开环调速根据输入端的控制信号经过程序运算后由通信端口控制变频器运行。
打开启动开关，变频器开始运行。
首先应对变频器的参数进行设置，如表3-1所示。
表3-1变频器的参数设置
序号
变频器参数
出厂值
设定值
功能说明
1
P0304
230
380
电动机的额定电压（380V）
2
P0305
3.25
0.35
电动机的额定电流（0.35A）
3
P0307
0.75
0.06
电动机的额定功率（60W）
4
P0310
50.00
50.00
电动机的额定频率（50Hz）
5
P0311
0
1430
电动机的额定转速（1430r/min）
6
P1000
2
3
固定频率设定
7
P1080
0
0
电动机的最小频率（0Hz）
8
P1082
50
50.00
电动机的最大频率（50Hz）
9
P1120
10
10
斜坡上升时间（10S）
10
P1121
10
10
斜坡下降时间（10S）
11
P0700
2
2
选择命令源（由端子排输入）
12
P0701
1
17
固定频率设值（二进制编码选择+ON命令）
13
P0702
12
17
固定频率设值（二进制编码选择+ON命令）
14
P0703
9
17
固定频率设值（二进制编码选择+ON命
15
P1001
0.00
5.00
固定频率1
16
P1002
5.00
10.00
固定频率2
17
P1003
10.00
20.00
固定频率3
18
P1004
15.00
25.00
固定频率4
19
P1005
20.00
30.0
固定频率5
20
P1006
25.00
40.00
固定频率6
21
P1007
30.00
50.00
固定频率7
其中：
在设置参数前先将变频器参数复位为工厂的缺省设定值；设定P0003=2允许访问扩展参数；设定电机参数时先设定P0010=1（快速调试）,电机参数设置完成设P0010=0（准备）[14][15]。
根据系统分析，需要九个输入量，输出端由三-八通信线实现。
其I/O分配如表3-2所示。
表3-2系统的I/O分配
序号
PLC地址（PLC端子）
电气符号
（面板端子）
功能说明
1
I0.0
启动开关
变频器开始运行
2
I0.1
停止开关
变频器停止运行
3
I0.2
急停开关
变频器紧急停止
4
I0.3
复位开关
变频器错误复位
5
I0.4
反转开关
变频器反转运行
6
I0.5
减速开关
变频器减速运行
7
I0.6
加速开关
变频器加速运行
8
I0.7
全速开关
变频器全速运行
9
I1.0
归零开关
变频器频率归零
变频开环调速外部接线如图3-1所示。
图3-1变频开环调速外部接线图
3.1.5数字量方式多段速控制
在MM420变频器通过数字量的输入DIN1、DIN2、DIN3不同的组合方式可实现七种不同的输出频率，从而实现多段速的控制。
变频器的参数设置如表3-3所示。
表3-3变频器的参数设置
序号
变频器参数
出厂值
设定值
功能说明
32
P0700
2
2
选择命令源（由端子排输入）
33
P0701
1
17
固定频率设值（二进制编码选择+ON命令）
34
P0702
12
17
固定频率设值（二进制编码选择+ON命令）
35
P0703
9
17
固定频率设值（二进制编码选择+ON命令）
36
P1001
0.00
5.00
固定频率1
37
P1002
5.00
10.00
固定频率2
38
P1003
10.00
20.00
固定频率3
39
P1004
15.00
25.00
固定频率4
40
P1005
20.00
30.0
固定频率5
41
P1006
25.00
40.00
固定频率6
42
P1007
30.00
50.00
固定频率7
输入输出分配如表3-4所示。
表3-4系统的I/O分配
序号
PLC地址（PLC端子）
电气符号
（面板端子）
1
I0.0
K1
2
I0.1
K2
3
I0.2
K3
4
I0.3
K4
5
Q0.0
DIN1
6
Q0.1
DIN2
7
Q0.2
DIN3
数字量方式多段速控制外部接线如图3-2所示。
由图3-2可知通过切断开关的通断来控制PLC输出点Q0.0、Q0.1、Q0.2的不同组合来控制变频器的不同的频率[10][14]。
图3-2数字量方式多段速控制外部接线图
3.2软件的设计
3.2.1编程软件
（1）本系统采用的编程软件是STEP7MicroWIN,该编程软件可以方便的在Windows环境下对PLC编程、调试、监控。
使得PLC编程更加方便、快捷。
（2）项目的组成
程序块
程序块由可执行的代码和注释组成，可执行的代码由主程序（OB1）、可选的子程序和中断程序组成。
代码被编译并下载到PLC。
数据块
数据块由数据（变量存储器的初始值）和注释组成。
数据被编译并下载到PLC。
系统块
系统块用来设置系统的参数，例如存储器的断电保持范围密码STOP模式时PLC的输出状态模拟量与数字量输入滤波值脉冲捕捉位等，系统模块中的信息需要下载到PLC。
符号表
符号表允许程序员用符号来代替存储器的地址，符号地址便于记忆，使程序更容易理解。
程序编译下载到PLC时，所有符号地址被转换为绝对地址，符号表中的信息不会下载到PLC。
状态表
状态表用来观察程序执行时指定的内部变量的状态，状态表并不下载到PLC，仅仅是监控用户程序运行情况的一种工具。
交叉引用表
交叉引用表列举出程序中使用的各操作数在哪一个程序块的哪一个网络中出现，以及使用它们的指令助记符。
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