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设计
2012年5月
基于PLC交流变频调速系统的设计
DesignofFrequencyFonversionFpeedRegulationSystemBasedonPLC
摘要
近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传
动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革
命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展
趋势。
电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环
境、推动技术进步的一种主要手段。
变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效
率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最
有发展前途的调速方式。
而PLC控制技术的引入使得调速控制的快速性，稳定性，
准确性方面有了不小的改进。
因此，应用PLC控制交流变频调速有着较为广阔的发
展前景。
本文内容介绍了步进电机以及单片机原理、该系统的硬件电路、程序组成，
同时对软、硬件进行了调试。
该设计具有思路明确、可靠性高、稳定性强等特点，
通过调试实现了上述功能。
关键词:
交流调速系统变频技术异步电动机PLC控制技术
Abstract
Inrecentyears,withthedevelopmentofpowerelectronictechnology,computertechnology,automaticcontroltechnologyisdevelopingrapidly,ACdriveandcontroltechnologyhasbecomethemostrapidlydevelopingtechnology,electricdrivetechnologyisfacingahistoricalrevolution,namelytheACspeedregulationtoreplaceDCspeedcontrolandcomputerdigitalcontroltechnologytoreplacetheanalogcontroltechnologyhasbecomethetrendofdevelopment.MotorACvariablefrequencyspeedcontroltechnologyisnowtheelectricitysaving,improvetheprocesstoimproveproductqualityandimprovingtheenvironment,promotingtechnologicalprogressandamainmeans.Withitshighfrequencyconversionspeedandbrakingperformance,highefficiency,highpowerfactorandenergysavingeffect,wideapplicablerangeandmanyotheradvantagesbydomesticgrandpathinkthemostpromisingcontrolmode.WhilethePLCcontroltechnologymakesthespeedcontrolspeed,stability,accuracy,thereisnotasmallimprovement.Therefore,theapplicationofPLCcontrolACdrivehasamorebroadprospectsfordevelopment.Thisarticleintroducedthesteppermotorandtheprincipleofsingle-chipcomputer,thehardwarecircuitofthesystem,theprogramcomponents,whilethesoft,hardwaredebugging.Thedesignhastheadvantagesofclearthinking,highreliability,strongstabilityandothercharacteristics,thefunctionsareachievedthroughdebugging.
Keywords:
ACvariablespeedcontrolsystemfrequencyconversiontechnologyasynchronousmotorPLCcontroltechnology
摘要I
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
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
2.4控制方式的选择9
3变频调速系统的设计10
3.1软件设计错误！
未定义书签。
..
3.1.1S7-200PLC错误！
未定义书签。
..
3.1.2MicroMaster420变频器错误！
未定义书签。
.
3.1.3外部电路设计错误！
未定义书签。
..
3.1.4变频开环调速错误！
未定义书签。
..
3.1.5数字量方式多段速控制错误！
未定义书签。
.
3.2软件设计错误！
未定义书签。
..
3.2.1编程软件错误！
未定义书签。
..
3.2.2系统程序设计错误！
未定义书签。
..
4
26
系统抗干扰措施
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。
（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:
①CPU执行指令的速度；
②指令本身占有的时间；
③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：
WDJ2；6
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MM42。
0
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
（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
升级会员 