PLC与变频器结合实现电动机恒转矩控制.docx

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PLC与变频器结合实现电动机恒转矩控制与变频器结合实现电动机恒转矩控制鞍山科技大学本科生毕业设计（论文）PLC与变频器结合实现电动机恒转矩控制摘要本文介绍了一种由西门子PLC和变频器构成的恒转矩控制系统.采用PROFIBUS协议实现了PLC与变频器的通讯.介绍PROFIBUS通信协议,以德国西门子公司MICROMASTER440型变频器为例,介绍了PLC与变频器进行通信的硬件连接。

依据该协议,实现了以PLC作为控制器,在PLC环境下编制程序对变频器进行远程控制.该系统可以对各变频器的运行参数进行在线监测,并进行远程控制。

文中介绍了关于钢板的清洗工艺,以系统的实际应用来说明本系统的实际价值，调节刷辊的转矩来控制对钢板的刷洗力度。

最后附以程序,有PLC和变频器的通讯的程序和PLC与变频器结合控制电动机恒转矩的PLC程序.实践证明,该系统能有效地减少系统布线、提高系统的抗干扰能力,为恒转矩控制系统提供了一个低成本和高性能的方案。

关键词：

PLC，变频器，PROFIBUS协议PLCCombiningWithFrequency-converterAchievingConstantTorqueControlOfElectricMotorAbstractThispaperintroducesacontrolsystemforinstancetorquecomposedofSIEMENSPLCandfrequency-converter.TheserialcommunicationbetweenPLCandfrequency-converterisrealizedbasedonthePROFIBUSprotocol.ThePROFIBUSprotocolisintroducedindetail.HardwarelinkofcommunicationbetweenPLCandfrequency-converterareintroducedwithanexampleofSIEMENSfrequency-converterMICROMASTER440.Accordingtothisprotocol,remotecontrolofinverterisrealizedwithSIEMENSPLCbeingcontrollerundertheenvironmentofvisualPLC.Thepresentedsystemisveryconvenienttomonitortheparametersofeveryfrequency-converteronlineandrealizethedistancecontrol.Thepaperintroducedsteelcleaningprocessesforthesystemtoillustratethepracticalapplicationoftheactualvalueofthesystem,Adjustingbrushrollertorquetocontrolbrushrollerintensityontheskinofsteel.Atlast,togetherwithprocedures,therearecommunicationproceduresofPLCandfrequency-converterandtheproceduresofPLCcombiningwithfrequency-converterachievingconstanttorquecontrolofelectricmotor.Practicehasprovedthatthemethodcanreduceelectricconnectionsandimprovetheanti-jammingcapabilityofthesystem.TherebyaschemeforPLCcombiningwithfrequency-convertertoachieveconstanttorquecontrolofelectricmotorwithlow-costandhigh-performanceisprovided.Keyword:

PLC，frequency-converter，PROFIBUSprotocol摘要.IABSTRACT.II1绪论.11.1选题的背景.11.2PLC和变频器的发展.11.3系统综述.22三相异步电动机.42.1异步电动机的旋转原理.42.2异步电动机的电磁转矩.42.3异步电动机的机械特性.53变频器的恒转矩控制.63.1变频器的工作原理.63.2转矩控制时的运行特点.63.3转矩给定信号与电动机转矩.64STEP7-300简介.84.1PLC的定义.84.2STEP7-300软件.85分布式外围设备现场总线（PROFIBUS-DP）.95.1PROFIBUS-DP简介.95.2PROFIBUS-DP的物理连接.95.3PROFIBUS-DP的报文结构.96系统的实现.116.1系统的硬件连接.116.2MICROMASTER440标准型变频器设置.116.3MICROMASTER440控制字和状态字的设置.136.4PROFIBUS-DP主站与MICROMASTER440的连接.136.5PLC与变频器的通讯程序设计.146.6系统的实际应用.18结论.31致谢.32参考文献.33附录A（英文文献）.34附录B（中文译文）.411绪论1.1选题的背景随着我国工业生产自动化程度的不断提高，PLC和变频器相结合的系统广泛地应用在冶金、建材、电力、化工、食品等行业中。

我国现在广泛使用的调速系统还比较落后，直接影响了产品的质量。

过去传统的电动机调速系统多采用变频器直接控制电动机的方法进行速度控制，由于操作人员有限，不能安排太多人员在现场，现场外部工作环境又很恶劣，工厂车间闷热，同时效率也很低，维修、维护麻烦，造成工作故障多，影响正常生产；另外由于变频器技术仍未成熟，控制不稳定，精度低，调试烦琐，使用极不方便。

根据所掌握的资料，结合现代先进控制技术，采用可编程序控制器控制MICROMASTER440型变频器拖动电动机方案，以弱电控制强电远程控制技术取代传统的直接控制方式。

实践证明，该系统效率高，节约劳动力，为工作人员创造了舒适的工作环。

由于以上的优点，PLC和变频器相结合的系统会有更广阔的发展空间。

1.2PLC和变频器的发展1、PLC的发展PLC将朝着体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的方向发展。

二是向大型化、网络化、多功能方向发展。

近年来，小型PLC的应用十分普遍，超小型PLC的需求日益增多。

据统计，美国机床行业应用小型PLC几乎占据了市场的1/4，国外许多PLC厂家正在积极地研制开发各种超小型微型PLC。

例如德国西门子公司S7-200既可以单机运行也可以联网实现复杂的控制。

S7-200的最小配置是8个数字量输入和6个数字量输出，还可以根据实际情况进行扩展27个模块，最多可达128个输入和120个输出，此外S7-200还可以进行模拟量控制，是一种性能价格比较好的微型PLC.大型的多层次分布式控制系统与集中型相比，具有更高的安全性和可靠性。

系统设计、组态也更为灵活方便，地域分布也广，是当前控制系统发展的主要潮流。

为了适应这种发展，实现工厂自动化，世界上各PLC生产厂家不断地研制开发功能更强的PLC网络系统。

这种PLC网络一般是多级的，网络的最底层是现场执行级，中间是协调级，网络上的最上层为组织管理级。

现场执行级可以由多个PLC或远程I/O工作站所组成,中间一级由PLC或计算机构成。

最高一级一般由高性能的计算机组成。

它们之间采用工业以太网和工业现场总线相连构成一个多级分布式PLC。

随着自动控制技术的发展，这种多级分布式PLC控制系统功能不再是单一的，除控制功能外，还可以实现在线优化、生产过程的实时调度、产品计划、统计管理等功能，成为一种测、控、管一体化的多功能综合系统。

目前许多PLC开发商己经注意到了PLC的兼容性，不仅是PLC与PLC兼容，而且还注意到PLC与计算机的兼容，使之可以充分利用计算机现有的软件资源。

例如西门子的S7-300采用SIMATICS7的模块，它的软件编程、监控都可以在Window操作平台上操作和运行。

今后PLC将采用速度更快、功能更强的CPU、容量更大的存储器，并将更充分地利用计算机资源.PLC控制系统将与智能控制系统工业控制计算机、集散控制系统、嵌入式计算机等更进一步地相互渗透和结合，这必将更进一步拓宽PLC的应用领域和空间。

2、变频器的发展随着技术的不断发展，变频器技术的发展也越来越迅速，变频器将朝着以下几个方面发展：

（1）实现高水平的控制。

基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制、直接传矩控制和机械扭振补偿等；基于现代理论的控制策略，有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器，在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；基于智能控制思想的控制策略。

（2）开发清洁电能的变流器。

所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为1，网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。

（3）缩小装置的尺寸。

紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度。

（4）高速度的数字控制。

以32位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各种控制算法，Windows操作系统的引入使得可自由设计，图形编程的控制技术也有很大的发展。

（5）模拟与计算机辅助设计（CAD）技术。

电机模拟器、负载模拟器以及各种CAD软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。

1.3系统综述本文介绍了利用PLC与变频器结合控制刷辊电动机恒转矩系统在钢板厂的应用，介绍了刷辊对钢板刷洗的力度控制，通过对电机的力矩控制，实现了力度控制，从而对钢板刷洗均匀.干净。

本系统是对电机的恒力矩控制，介绍了三相异步电动机、MICROMASTER440变频器、和S7-300的相关知识，为系统的设计做一些铺垫。

本套系统采用西门子公司S7-300可编程控制器（PLC）作为中央控制核心，刷辊控制采用西门子公司的MICROMASTER440系列标准变频器，PLC同变频器之间采用ROFIBUS现场总线通讯协议进行控制，恒转矩控制采用了集成在变频器内部的PID模块，通过转矩的给定值和反馈值进行比较，达到输出稳定的功能。

PLC同上位机之间通过工业以太网，PLC采用STEP7CPU315-2DP，通过TCP/IP协议进行通讯。

整体来说，该电气自动化系统设计紧凑、控制方式先进、自动化程度高、控制方法灵活、适应性强。

本文着重讲述了利用PROFIBUS-DP协议进行PLC与变频器之间的组态，实现PLC对变频器的控制，首先必须把变频器和PLC之间用电缆连接起来，本套系统所采用的连接电缆是双绞线（如常用的以太网缆）。

然后就是对他们进行网络组态，设置STEP7CPU315-2DP为DP主站，MICROMASTER440变频器为DP从站。

分别设置他们的通讯地址，利用STEP7-300内部的通讯功能块SFC14和SFC15来读写MICROMASTER440变频器的数据。

利用输入转矩和反馈的实际转矩，通过变频器本身的PID进行转矩恒定运行，利用PLC编写控制程序来实现通讯，再利用PLC程序对系统恒转矩进行控制。

PLC和变频器相结合的调速系统逐渐的被广泛的应用。

变频器调速技术是集自动控制、微电子、电力电子、通信技术于一体的高科技技术。

它具有很好的调速、节能性能,在各行业中获得了广泛应用。

可编程序控制器（PLC）是近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控制装置。

PLC具有较高的可靠性,可以通过PLC串口实现与不同控制设备间的数据传输,从而可使PLC的应用范围扩大。

所以结合PLC与变频器各自的优点，PLC和变频器相结合的调速系统会应用的更广阔的领域。

2三相异步电动机2.1异步电动机的旋转原理三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。

我们知道，但三相电源相与相之间的电压在相位上是相差120度的，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120度，这样，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场。

电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周，即旋转磁场的旋转速度与电流的变化是同步的。

在磁场中的转子在磁场中切割磁力线产生感应电流，带电的转子在磁场的作用下受到力的作用，即电动机转子开始旋转。

旋转磁场的转速为：

n=60f/P式中：

f为电源频率、P是磁场的磁极对数、n的单位是：

每分钟转数。

一般情况下，电动机的实际转速n1低于旋转磁场的转速n。

因为假设n=n1，则转子绕组与旋转磁场就没有相对运动，就不会切割磁力线，也就不会产生电磁转矩，所以转子的转速n1必然小于n。

为此我们称三相电动机为异步电动机。

2.2异步电动机的电磁转矩电磁转矩是异步电动机的驱动转矩，本节着重介绍电磁转矩的计算公式。

电磁转矩基本公式：

与直流电机类似的公式：

式中:

转子电流：

2.3异步电动机的机械特性电动机的机械特性是指电磁转矩与转速之间的关系曲线,如图2.1所示。

异步电动机的机械特性就是t-s曲线。

几个关键点：

起动点C、最大转矩点B、额定工作点A。

3变频器的恒转矩控制3.1变频器的工作原理变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（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的。

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”。

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1520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1。

3.2转矩控制时的运行特点3.3转矩给定信号与电动机转矩一方面，电动机的输出转矩取决于转矩给定信号：

当负载转矩小于电动机转矩时，拖动系统必加速；另一方面，变频器在转矩控制模式下运行时，必须设置上限频率：

当拖动系统的转速上升到接近于上限频率所对应的同步转速时，根据异步电动机的原理，NETWORK21刷辊控制字结论变频器调速技术是集自动控制、微电子、电力电子、通信技术于一体的高科技技术。

它具有很好的调速、节能性能,在各行业中获得了广泛应用。

可编程序控制器（PLC）是近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控制装置。

它是一种专为工业环境应用而设计的数字运行电子系统,采用可编程序的存储器,用来存储用户指令,通过数字或模拟的输入/输出,完成确定的逻辑、顺序、定时、计数、运算和一些确定的功能,来控制各种类型的机械或生产过程。

它具有体积小,组装灵活,编程简单,抗干扰能力强和可靠性高等优点。

本文介绍了利用PLC与变频器结合控制在钢板厂的应用，介绍了刷辊对钢板刷洗的力度控制，通过对电机的力矩控制，实现了力度控制，从而对钢板刷洗力度均匀。

本设计是对电机的恒转矩控制，介绍了三相异步电动机、MICROMASTER440变频器、和S7-300的相关知识，为系统的设计做一些铺垫。

本套系统采用西门子公司S7-300可编程控制器（PLC）作为中央控制核心，刷辊控制采用西门子公司的MICROMASTER440系列标准变频器，PLC同变频器之间采用USS总线通讯协议进行控制。

整体来说，该电气自动化系统设计紧凑、控制方式先进、自动化程度高、控制方法灵活、适应性强。

随着工业控制技术的不断发展深入，最终走上融合，但各种控制系统都有自己的应用特点和适用范围，都是针对不同控制环境和技术要求而选定不同的控制系统为主。

同样，随着工业控制技术的发展，应用的不断深入，PLC控制为主的控制系统不是消失了，而是越来越壮大了，而且PLC通过不断的发展，将在工控系统中继续发挥它的强大的控制功能。

顺应当前发展潮流，系统投入、运行成本低，可靠性高，管理维护容易，结构简单，易扩充和具有高度系统集成主动权的控制系统。

所以结合变频器与PLC的各自优点,PLC和变频器结合的调速系统将得到更广泛的应用。

致谢在这篇论文的结尾处，不能不诚挚地感谢在这次设计中给予我很多帮助的老师和同学们。

首先要感谢的是我的导师马飞老师。

在整个设计过程中马老师的悉心指导给了我极大的鼓舞，使我对设计充满了信心。

设计中我遇到了很多问题，也犯了不少错误，有些错误是由于我对以前所学的知识掌握不扎实所造成的，马老师没有责怪我而是耐心的给我讲解，这使我很是感动。

马老师不但及时地解决我在设计过程中提出的各种问题还教我用正确的分析、调试方法，使得我在设计中少走了很多弯路。

马老师还将他多年的专业知识和经验毫无保留的讲解给我，使我收获良多。

在此衷心地感谢马飞老师。

其次要感谢与我同组的魏星同学。

在整个设计过程中，魏星同学和我始终相互鼓励，一起讨论，共同解决设计中遇到的各种问题。

调试过程是一个非常枯燥的过程，要经过一次次不断的修改，然后在重新调试、检验。

有的时候会出现莫名其妙的问题，找不到错误，让我感到心浮气躁。

这时魏星同学都会及时的安慰、鼓励和帮助我。

让我能够比较好的保持耐心，在愉快的心境下顺利完成设计。

在此特向魏星同学表示由衷的感谢。

另外还要感谢刘彬彬同学，在整个设计和论文编写过程中，他们给了我很大的帮助。

使得我能够顺利的完成设计。

在此对他们表示诚挚的谢意。

最后再次感谢在这次设计过程中所有给予我意见和建议，提供给我帮助的老师和同学们。

参考文献1标准驱动产品通讯手册Z.SIEMENS公司.1996:

8.2-8.4.2SIMATICS7-300可编程控制器系统手册Z.SIEMENS公司.1996:

3.2-3.3.3郭荣佐,郭进,杨扬.PLC构成PROFIBUS网络原理及应用D.2004:

4.2-4.3.4夏勇.基于RS485的个人计算机、可编程控制器与变频器的相互通讯M.现代电子，2001（4）:

40-41.5MICROMASTER440通用型变频器使用大全Z.SIEMENS公司.2002:

5.1-5.4,13.1.-13.3.6廖常初.S7-300/400PLC应用技术.机械工业出版社M.2005:

8.3-8.4.7ElisabethMassoni.SoftwarefortheintegrationofPLCS7inautomationsystemsD.Automation&EngineeringNews.2003:

1.2-1.3,5.3-5.4.附录（中文文献）PLC的历史PLC（即可编程序的逻辑控制器）是用来满足必要的顺序控制电路而发明的控制设备.它的运行取决于它的输入和它的状态,开关量就是它的输出。

用户进入一个菜单,通常利用软件给出想要的结果。

PLCs在许多实际领域中得到应用。

只要有产业存在,就有PLC的存在。

如果您在机器制造、包装、原材料处理的、自动化的汇编或不计其数的其它产业中工作，估计您已经使用PLC了。

如果您没有用它,您就是浪废金钱和时间。

几乎所有类型电子控制。

任一种应用都需要用PLC。

例如,我们假设,当开关打开我们想要起动一条螺线管生产线5秒和然后关闭它.不管开关打开多久。

我们能做到这个用一个简单的外部定时器。

但过程若包括10个开关和螺线管生产线呢?

我们会需要10个外在定时器。

如果过程也需要计数,那么得多少次开关单独地打开?

我们需要很多外部柜台。

如同您能看到的,更大的过程控制更需要我们拥有PLC。

我们能简单地编程PLC计数它的输入和起动螺线管生产线为指定的时间。

这个站点提供给您足够的信息去在上面编写更复杂的程序而不是简单的。

我们将看一看在被认为是名列前20plc指令是什么。

它可能安全地估计,以对这些指示的牢固的理解你可能解决超过80%应用存在。

那是权利,超过80%!

当然我们将学会比这些指令更多的指令来为您解决几乎所有您潜在的plc的应用。

在60年代晚期第一次介绍PLC。

设计这样设备的主要原因是为了消灭大费用设备同时替换复杂的中间过度的机器控制系统。

贝得福得联系（贝得福得,麻省）提出了称一位模件数字式控制器（MODICON）在一个主要美国汽车制造商应用。

其它公司当时提出了计算机为主的项目,其中之一是根据了PDP-8。

MODICON084带领了世界的第一个PLC进入商业生产。

当生产要求被改变所以做了此控制系统。

这变得非常昂贵当变动是频繁。

因为中转机械设备他们对维护日程要求很严格并且他们的生存期是有限的。

当许多中转是包含的故障查明故障是相当繁琐的,现在生动描述包括许多的机器控制盘区,可能上百或数以万计,各自的中转。

大小能使头脑吃惊。

许多各自的设备怎么样复杂的连在一起的!

会按照要求的结果,这些中转一起单独架线。

有是问题吗?

一定!

这些新控制器必须由维护和工程师容易地还编程。

生命期必须是长的并且编程变化容易地执行了。

他们必须还能生存在苛刻的产业环境。

那将满足很多要求!

答案将使用多数人民已经通晓的编程技术并且用固体那些替换机械零件。

在70年代中页是PLC技术统治时期,是顺序控制器状态机器和字节控制基于的CPU。

AMD2901和2903是相当普遍在于Modicon和AB公司的PLC.常规微处理器缺乏实力去迅速解决PLC逻辑而不是最小的PLC。

当常规微处理器演变了,越来越大PLC建立在他们之上。

但是,甚而一些比根据2901的他们的984.A/B/X仍然今天建立于2903.（参考AB公司的PLC）Modicon有修造更加快速的PLC。

通信能力开始出现在大约1973年。

一这样的系统是Modicon的Modbus。

现在PLC能与其它PLC谈话并且他们能是很远距离的控制实际机器。

现在他们也能被使用送和接受变化的电压给他们进入模拟世界。

不幸地,缺乏标准化结合与连续地改变的技术,做了与PLC通信恶梦,做了不相容的协议和物理网络。

但是,这是一个了不起PLC的十年!

80年代看见了企图规范化与一般马达的制造业自动化协议（MAP）的通信。

这也是为减少PLC的大小和做他们软件可编程序通过象征性编程在个人计算机代替热忱的编程的终端或手扶的程序员的时期。

今天世界的最小的PLC是关于一台唯一控制继电器的大小!

90年代看了对新协议的介绍的逐渐减少,和的一些的物理层的现代化生存80年代更加普遍的协议。

最新的标准（IEC1131