基于PLC的变频调速系统设计课程设计.docx
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基于PLC的变频调速系统设计课程设计
《电气控制与PLC》课程设计说明书
基于PLC的变频调速系统设计
ThevariablefrequencyspeedregulationsystembasedonPLCdesign
学生姓名
学生学号
学院名称
专业名称
电气工程及其自动化
指导教师
2013年
12月
1日
摘要
本文主要介绍了研究和设计的基于可编程控制器的变频调速系统的成果，在本次的设计中，我的设计系统主要由PLC、变频器、电动机等几部分组成。
经过本次设计和研究，使我对所有器件有了新的认识，尤其对PLC有了更多的了解：
PLC是能进行行逻辑运算，顺序运算，计时，计数，和算术运算等操作指令，并能通过数字式或模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程的工业计算机。
首先我们查阅各个器件的资料，先对其有个明确的认识，然后通过老师的指点明白了整个系统的大概工作原理框图后，通过学习资料与老师指点将硬件设备连接成功。
本文综合应用电子学与机械学知识去解决基于可编程控制器的变频调速系统，本次设计选用三相异步交流电机，而PLC和交流电机无论在工业还是生活中都是应用最广，因此本次设计具有相当的实用价值。
关键词PLC；变频器；电动机；调速
1引言
1.1概述
调速系统快速性、稳定性、动态性能好是工业自动化生产中基本要求。
在科学研究和生产实践的诸多领域中调速系统占有着极为重要的地位特别是在国防、汽车、冶金、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。
调速控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。
可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继续计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。
它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简朴，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。
1.2设计内容
（1）利用西门子S7-200PLC、EM235、西门子MM420变频器等硬件设计一个变频系统，可以控制电动机的正反转和停止，另外能够平滑地调节电动机的转速；
（2）用MCGS上位机软件界面给出频率设定值。
2系统的功能设计分析和总体思路
2.1系统功能设计分析
随着电力电子技术以及控制技术的发展，交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用；可编程控制器PLC作为替代继电器的新型控制装置，简单可靠，操作方便、通用灵活、体积小、使用寿命长且功能强大、容易使用、可靠性高，常常被用于现场数据采集和设备的控制；组态软件技术作为用户可定制功能的软件开发平台工具，可实现显示电机转速，可实现远程调速控制，在PC机上可开发友好人机界面，通过PLC可以对自动化设备进行“智能”控制。
在此，本次设计就是基于PLC的变频器调速系统。
将现在应用最广泛的PLC和变频器综合起来主要功能实现了变压变频调速。
电机的正反转，加减速以及快速制动等。
因此，该系统必须具备以下三个主体部分：
控制运算部分、执行和反馈部分。
控制运算主要由PLC和变频器来完成；执行元件为变频器和电机；反馈部分主要为速度反馈。
2.2系统设计的总体思路
系统主要由三个部分构成，即可编程逻辑控制器件PLC、变频器和电机。
首先通过设置给定输入给PLC，再通过PLC控制变频器，再经由变频器来控制电机，随后将电机的转速反馈给PLC，经比较后输出给变频器从而实现无静差调速。
具体如下图所示：
图2-1速度闭环控制的机构控制图
3PLC和变频器的选择
3.1PLC的概述
3.1.1PLC的基本结构
可编程序控制器简称为PLC（ProgrammableLogicController）主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。
（如下图3-1所示）
图3-1PLC控制系统示意图
可编程序控制器实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控制系统相似，甚至与之无异。
可编程序控制器主要由CPU（中央处理单元）、存储器（RAM和EPROM）、输入/输出模块（简称I/O模块）、编程器和电源五大部分组成。
1）CPU模块
CPU模块又叫中央处理单元或控制器，它主要由微机处理器（CPU）和存储器组成。
CPU的作用类似于人类的大脑和心脏。
它采用扫描方式工作，每一次扫描要完成以下工作：
（1）输入处理：
将现场的开关量输入信号和数据分别读入输入映像寄存器和数据寄存器。
（2）程序执行：
逐条读入和解释用户程序，产生相应的控制信号去控制有关的电路，完成数据的存取、传送和处理工作，并根据运算结果更新各有关寄存器的内容。
（3）输出处理：
将输出映像寄存器的内容送给输出模块，去控制外部负载。
2）I/O模块
I/O模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。
输入模块用来接收和采集输入信号。
输入信号有两类：
一类是从按钮、选择开关、数字开关、限位开关、接收开关、关电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的模拟量输入信号。
可编程序控制器通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器，可编程序控制器控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。
CPU模块的工作电压一般是5V，而可编程序控制器的输入/输出信号电压一般较高，如直流24V和交流220V。
从外部引入的尖蜂电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使可编程序控制器不能正常工作，所以CPU模块不能直接与外部输入/输出装置相连。
I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与噪声隔离的作用。
3）编程器
编程器除了用来输入和编辑程序外，还可以用来监视可编程序控制器运行时梯形图中各种编程元件的工作状态。
编程器可以永久地连续在可编程序控制器上，将它取下来后可编程序控制器也可以运行。
一般只在程序输入、调试阶段和检修时使用，一台编程器可供多台可编程序控制器公用。
4）开关量I/O模块
开关量模块的输入输出信号仅有接通和断开两种状态。
电压等级有直流5V，12V，24V，48V和交流110V，220V等。
输入输出电压的允许范围很宽，如某交流220V输入模块的允许低电压为0~70V，高电压为70~256V，频率为47~63HZ。
各I/O点的通/断状态用发光二极管或其它元件显示在面板上，外部I/O接线一般接在模块的接线端子上，某些模块使用可拆除的插座型端子板，在不拆去端子的外部连线的情况下，可以迅速地更换模。
开关量I/O模块可能4，8，16，32，64点。
图3-2直流输入电路
3.1.2PLC的工作原理
PLC通电后，需要对硬件和软件做一些初始化工作。
为了使PLC的输出及时地响应各种输入信号，初始化后PLC要反复不停地分段处理各种不同的任务，这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。
1、初始化过程：
与其它单片机运行一样，上电运行或复位时进行处理
（1）硬件初始化，复位输出输入模块，清零
（2）清除数据区
（3）输出输入地址分配
2、扫描过程
（1）扫描输入，将输入口状态读入至输入口映像区
（2）时钟处理，特殊寄存器更新
（3）执行用户程序
（4）输出，将输出口映像区输出至输出端口刷新
（5）自诊断检查
3、出错处理
检查PLC内部电路
CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通讯异常致命错误，CPU强制STOP方式，所有扫描停止。
图3-1所示为一小型PLC的典型工作过程
图3-3小型PLC的典型工作过程
在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。
工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。
PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。
熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
综合了输入输出（I/O）点数、存储器容量、各项控制功能和机型的考虑以及性价比等各方面的因素，在此我为该系统设计选择了S7-200PLC一台。
图3-4S7-200PLCCPU的外形模型图
S7-200有5种CPU模块、6个有12种工作方式的高速计数器和两点高速计数器/和脉冲宽度调制器、直接读写的模拟量I/O模块、先进的程序结构、灵活方便的寻址方式以及程序化的PID编程控制。
强大的通讯功能，它支持多种通信协议。
价格是它在所有品牌在同一功能区内很有竞争力的。
最重要的是它还提供了完善的的网上支持。
这些都为实现本系统的设计提供很好的条件和方便。
例如，高速计数器可以用来测速从而实现速度反馈。
3.2变频器的选择和参数设置
3.2.1变频器的选择
正确选择通用型变频器对于传动系统能够正常运行时至关重要的，首先要明确使用通用变频器的目的，按照生产机械的类型、调速范围、速度响应和控制精度、启动转矩等要求，充分了解变频器所驱动负载特性，决定采用什么功能的通用变频器构成控制系统，然后决定选用哪种控制方式最合适。
所选用的通用变频器应是既满足生产工艺要求，又要在技术经济指标上合理。
若对通用变频器选型、系统设计及使用不当，往往会使通用变频器不能正常的运行、达不到预期目标，甚至引发设备故障，造成不必要的损失。
另外，为了确保通用变频器长期可靠的运行，变频器的地线的连接也是非常重要的。
变频器在调速系统中的优点：
1.控制电机的启动电流；
2.降低电力线路的电压波动；
3.启动时需要的功率更低；
4.可控的加速功能；
5.可调的运行速度；
6.可调的转矩极限；
7.受控的停止方式；
8.节能；
9.可逆运行控制；
10.减少机械传动部件。
在本系统中，选用了由西门子生产的通用变频器MM420。
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。
3.2.2变频调速原理
变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。
n=60f（1-s）/p（式3.1）
对于成品电机，其磁极对数p已经确定，转差率s变化不大，故电机的转速n与电源的频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机的调试目的。
3.2.3变频器的工作原理
变频器的工作原理是把市电（380V、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO、GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电。
3.2.4变频器的快速设置
如果所用的变频器刚刚出厂的变频器，则需对它进行快速调试，试验中用到的变频器都已经完成了快速调试。
表3-1变频器的参数说明
序号
变频器参数
出厂值
设定值
功能说明
P0304
230
380
电动机的额定电压（380V）
P0305
3.25
0.35
电动机的额定电流（0.35A）
P0307
0.75
0.06
电动机的额定功率（60W）
P0310
50.00
50.00
电动机的额定频率（50Hz）
P0311
0
1430
电动机的额定转速（1430r/min）
P1000
2
1
用操作面板（BOP）控制频率的升降
P1080
0
0
电动机的最小频率（0Hz）
P1082
50
50.00
电动机的最大频率（50Hz）
P1120
10
10
斜坡上升时间（10S）
P1121
10
10
斜坡下降时间（10S）
P0700
2
2
选择命令源（由端子排输入）
P0701
1
10
正向点动
P0702
12
11
反向点动
P1058
5.00
30
正向点动频率（30Hz）
P1059
5.00
20
反向点动频率（20Hz）
P1060
10.00
10
点动斜坡上升时间（10S）
P1061
10.00
5
点动斜坡下降时间（5S）
注:
（1）设置参数前先将变频器参数复位为工厂的缺省设定值；
（2）设定P0003=2允许访问扩展参数；（3）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定P0010=0（准备）
改变参数数值的一个数字。
为了快速修改参数的数值，可以单独修改显示出的每个数字，操作步骤如下：
1.按（功能键），最右边的一个数字闪烁。
2.按/，修改这位数字的数值。
3.再按（功能键），相邻的下一位数字闪烁。
4.执行2至4步，直到显示出所要求的数值。
5.按，退出参数数值的访问级。
4开环控制设计及PLC编程
4.1硬件设计
在没有反馈信息的比较，通过直接给定控制信息的控制调速系统称之为开环调速系统。
其控制思想的结构框图如下图所示：
速度给定
图4-1速度开环控制的结构控制图
PLC
变频调速系统
开环控制的外部硬件连接图：
图4-2硬件连接图
4.2PLC软件编程
（1）使用PLC的各个输入点作为系统的各个控制信号；
（2）使用PLC的一个模拟量输出点AQWO作为使电机转动的频率给定信号，接到MM440变频器的AIN1+，AIN1-端子上；
（3）调节变频器使其输出频率受模拟量输入电压控制；
（4）然后编制输出按时间函数循环的梯形图程序；
（5）最后调试并运行。
图4-3系统流程框图
（1）系统的软件设计是根据系统给定的时间函数运行的，所以软件的设计主要是以时间原则来设计。
4.2.3程序的主体
（2）初始化变量及判断按键和锁定相应的状态位
（3）0-25秒上升子程序
（4）25-35秒平衡子程序
（5）35-40秒下降子程序
（6）40-60秒平衡子程序
（7）60-65秒下降子程序
（8）有循环位时启动下一次循环子程序
（9）外部电压给定子程序
4.2.4控制程序T形图
5PLC系统的抗干扰设计
5.1 变频器的干扰源
在变频器的输入输出电路中，除较低次的谐波成分外，还有许多频率很高的谐波电流，这些电流除了增加输入侧的无功功率，降低功率因数以外，还将以各种方式把自己的能量传播出去，形成对其他设备的干扰信号，严重的甚至使某些设备无法正常工作。
变频器干扰其他设备的根本原因是因为输入和输出电流中具有高次谐波成分。
变频器的输入电流中具有很大的高次谐波成分，这些高次谐波电流除了影响功率因数外，也可能对其他设备进行干扰。
由于绝大多数逆变桥都采用SPWM调制方式，其输出电压为输出占空比按正弦规律分布的系列矩形波。
又由于电动机定子绕组的电感性质，其定子电流十分接近正弦波，但其中与载波频率相等的谐波分量仍较大。
5.2干扰信号的传播方式
电路传导方式
通过电源网络传播。
这时变频器输入电流干扰信号的主要传播方式。
通过漏电流传播。
这是变频器输出侧干扰信号的主要传播方式。
感应耦合方式
电磁感应方式。
这是电流干扰信号的主要传播方式。
由于变频器的输入电流与输出电流中的高频成分要产生高频磁场，该磁场的高频磁力线穿过其他设备的控制线路而产生感应干扰电源。
静电感应方式。
这是电压干扰信号的主要传播方式。
是变频器输出的高频电压波通过线路的分布电容传播给主电路。
空中辐射方式。
频率很高的谐波分量具有向空中辐射电磁波的能力，从而多其他设备形成干扰。
5.3 主要抗干扰措施
5.3.1电源抗干扰措施
在PLC控制系统中，电源占有极重要的地位。
电网干扰串入PLC控制系统主要通过PLC系统的供电电源（如CPU电源、I/O电源等）、变送器供电电源与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。
现在，对于PLC系统供电的电源，一般都采用隔离性能较好电源，而对于变送器供电的电源和PLC系统有直接电气连接的仪表的供电电源，并没受到足够的重视，虽然采取了一定的隔离措施，但普遍还不够，主要是使用的隔离变压器分布参数大，抑制干扰能力差，经电源耦合而串入共模干扰、差模干扰。
所以，对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大（如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术）的配电器，以减少PLC系统的干扰。
此外，为保证电网馈点不中断，可采用在线式不间断供电电源供电，提高供电的安全可靠性。
并且UPS还具有较强的干扰隔离性能，是一种PLC控制系统的理想电源。
5.3.2硬件滤波及软件抗干扰措施
信号在接入计算机前，在信号线与地间并接电容，以减少共模干扰；在信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。
由于电磁干扰的复杂性，要根本消除迎接干扰影响是不可能的，因此在PLC控制系统的软件设计和组态时，还应在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。
常用的一些措施：
数字滤波和工频整形采样，可有效消除周期性干扰；定时校正参考点电位，并采用动态零点，可有效防止电位漂移；采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位；采用间接跳转，设置软件陷阱等提高软件结构可靠性。
5.3.3接地抗干扰措施
接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。
完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。
系统接地方式有：
浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。
对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。
由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，装置之间的信号交换频率一般都低于1MHz，所以PLC控制系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。
集中布置的PLC系统适于并联一点接地方式，各装置的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极。
如果装置间距较大，应采用串联一点接地方式。
用一根大截面铜母线（或绝缘电缆）连接各装置的柜体中心接地点，然后将接地母线直接连接接地极。
接地线采用截面大于22
的铜导线，总母线使用截面大于60
的铜排。
接地极的接地电阻小于2Ω，接地极最好埋在距建筑物10—15m远处，而且PLC系统接地点必须与强电设备接地点相距10m以上。
信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；不接地时，应在PLC侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地；多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理。
选择适当的接地处单点接点。
结论与心得
在这次课程设计中我觉得最重要的就是要有自学能力，因为这次实训中有部分知识我们之前还没有接触过，所以自己必须学会查找相关的资料。
另外就是在遇到实际问题的时候，要认真思考，运用所学的知识，一步一步的去探索，是完全可以解决遇到的一般问题的。
而在这次设计程序的过程中，我一开始时走了很多弯路，这也是自己的知识不够扎实的原因。
不过经过自己几天的努力，最后还是做了出来，而且还做得挺不错的。
虽然我们设计的东西并不难，但是在设计的过程中我学到了书本上所没有学到的东西。
只有理论，没有结合实际是很难做出东西的。
比如在调试的过程中，遇到问题往往是书本上的知识不能直接的解决的，只要在扎实的专业知识的前提下，我们才能把东西做好。
经过这次的课程设计，让我深深的感受到理论联系实践的重要性，平时在学习中不能够透彻理解的知识，通过动手，会有更好的认知。
本次课程设计虽然不长，但是它给我们带来了很多收获。
它使我意识到自己的操作能力的不足，在理论上还存在很多缺陷。
所以在以后的学习生活中，我会更加努力地加强理论联系实践的学习，在努力学好专业知识的同时努力加强自己的专业技能方面的能力，使自己的知识在实践中不断增长，在实践中锻炼自己，培养自己各方面的能力，不断提高自己的能力。
通过本次课程设计，对S7-200系列PLC的特点有了更深的理解。
利用了S7-200系列PLC的特点，对按钮、开关等输入/输出，模拟量输入/输出进行控制，实现了变频器在控制作用下的变频调速。
在本次课程设计的实践环节中，我更深刻地理解和掌握了电器控制及可编程控制器（PLC）的理论知识和动手技能。
参阅了大量的电器控制及可编程控制器（PLC）系统设计的书籍资料，查询了大量的图表、程序和数据，使得课程设计的方案和数据更为翔实和准确，力求科学严谨，使本次以变频器为主题的课程设计精益求精。
经历自己设计实验和查阅资料，让我了解了更多关于西门子S7-200和变频器方面的资料，让我了解了大概的选型和注意事项，并自己动手实验，参照一些编程试着去编一个程序，资料上查到的是欧姆龙或者是三菱的编程语句，但是通过他们的编程思路，我们可以借鉴到自己的S7-200程序中，编程序的过程中遇到了很多问题，通过不断的问同学，反复的思考，调试，终于编出了调用子程序来达到控制的目的，此次课程设计让我收获颇多，在这个课程设计的过程中，既让我与同学加深了沟通，又让我学到关于西门子的一些知识，我知道这知识很少的一点，但我会在以后的学习中了解更多。
由于本人资历有限，可能还有一些没有注意到的问题，还请老师赐教，深表感谢！
参考文献
[1]王永华.现代电气控制及PLC应用技术（第二版），北京航空航天大学出版社
[2]廖常初.PLC编程及应用，机械工业出版社
[3]MCGS组态软件教程，北京昆仑通态软件公司
[4]陈建明.电气控制与PLC应用（第二版），电子工业出版社
附录
控制程序语句表
网络1每次按键都复位
LDI0.0
OI0.1
OI0.2
OI0.3
MOVW0,VW0
AENO
MOVWVW0,AQW0
网络2每次按键都清除中间状态
LDI0.0
OI0.1
OI0.2
OI0.3
RM0.0,8
RQ0.0,6
RM1.0,8
RM2.0,8
网络3单环电压输出状态锁定
LDI0.0
OM0.0
ANI0.1
ANI0.2
ANI0.3
=M0.0
=Q0.0
网络4循环电压输出状态锁定
LDI0.1
OM0.1
ANI0.0
ANI0.2
ANI0.3
=M0.1
=Q0.1
网络5切断所有状态
LDI0.2
OM0.2
OM1.6
AN
升级会员 