基于-PLC的变频调速系统设计课程设计汇本.doc
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1、 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The variable frequency speed regulation system based on PLC design学生某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年12月1日27 / 31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
2、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;调速目 录1 引言11.1 概述11.2设计内容12 系统的功能设计分析和总体思路22.1 系统功能设计分析22.2 系统设计的总体思路23 PLC和变频器的选择33.1PLC的概述33.1.1 PLC
3、的基本结构33.1.2 PLC的工作原理53.1.3PLC的型号选择63.2变频器的选择和参数设置63.2.1 变频器的选择63.2.2 变频调速原理73.2.3 变频器的工作原理83.2.4 变频器的快速设置84 开环控制设计及PLC编程94.1 硬件设计94.2 PLC软件编程104.2.1设计步骤104.2.2系统流程框图104.2.3 程序的主体114.2.4 控制程序T形图115 PLC系统的抗干扰设计175.1变频器的干扰源175.2 干扰信号的传播方式175.3主要抗干扰措施185.3.1 电源抗干扰措施185.3.2 硬件滤波及软件抗干扰措施185.3.3 接地抗干扰措施18结
4、论与心得19参考文献20附录211 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
5、.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
6、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
7、器从而实现无静差调速。具体如下图所示:-速度给定速度反馈信号+PLC(PID)变频调速系统电机图2-1速度闭环控制的机构控制图3 PLC和变频器的选择3.1PLC的概述3.1.1 PLC的基本结构可编程序控制器简称为PLC(Programmable Logic Controller)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3-1 PLC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
8、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
9、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
10、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X围很宽,如某交流220V输入模块的允许低电压为070V,高电压为70256V,频率为4763HZ。各I/O点的通/断状态用发光二极管或其
11、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3.1.2 PLC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
12、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3.1.3PLC的型号选择在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
13、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X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S7-200 PLC一台。图3-4 S7-200 PLC
14、 CPU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X围、速度响应
15、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
16、. 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,
17、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
18、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1P0304230380电动机的额定电压( 380V )
19、2P03053.250.35电动机的额定电流( 0.35A )3P03070.750.06电动机的额定功率( 60W )4P031050.0050.00电动机的额定频率( 50Hz )5P031101430电动机的额定转速( 1430 r/min )6P100021用操作面板(BOP)控制频率的升降7P108000电动机的最小频率( 0Hz )8P10825050.00电动机的最大频率( 50Hz )9P11201010斜坡上升时间( 10S )10P11211010斜坡下降时间( 10S )11P070022选择命令源( 由端子排输入 )12P0701110正向点动13P07021211反向
20、点动14P10585.0030正向点动频率(30Hz)15P10595.0020反向点动频率(20Hz)16P106010.0010点动斜坡上升时间(10S)17P106110.005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)
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