基于PLC的变频调速系统设计

课程设计(论文)基于PLC的变频调速系统设计DesignofvariablefrequencyspeedregulationsystembasedonPLC学生姓名王超学院名称信电学院学号20110501121班级11电气1专业名称电气工程及其自动化指导教师曹言敬2014年12月15日摘要本文主要介绍了本人与本组同学研究和设计基于可编程控制器的变频调速系统的若干成果，在本次的设计中，我们的设计系统主要由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；三相异步电动机徐州工程学院课程设计(论文)1目录第一章绪论…………………………………………………………………………………2第二章系统的功能设计分析和总体思路2.1系统功能设计分析………………………………………………………………………32.2系统设计的总体思路……………………………………………………………………3第三章PLC和变频器的型号选择3.1PLC的型号选择…………………………………………………………………………43.2变频器的选择和参数设置………………………………………………………………43.2.1变频器的选择……………………………………………………………………43.2.2变频调速原理……………………………………………………………………53.2.3变频器的工作原理………………………………………………………………53.2.4变频器的快速设置………………………………………………………………5第四章硬件设计以及PLC编程4.1开环控制设计以及PLC编程……………………………………………………………94.1.1硬件设计………………………………………………………………………94.1.2PLC软件编程……………………………………………………………………94.1.3开环控制的PLC程序…………………………………………………………11第五章实验调试和数据分析5.1PID参数整定………………………………………………………………………………15第六章总结和体会……………………………………………………………………………16致谢……………………………………………………………………………………………17参考文献………………………………………………………………………………………18附录………………………………………………………………………………………19徐州工程学院课程设计(论文)2第一章绪论调速系统快速性、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。目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统（DCS）。但就其控制策略而言，占统治地位的仍旧是常规的PID控制。PID结构简朴、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型。PID的使用已经有60多年了，有人称赞它是控制领域的常青树。变频调速已被公认为是最理想、最有发展前景的调速方式之一，采用变频器构成变频调速传动系统的主要目的，一是为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求；二是为了节约能源、降低生产成本。用户根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且轻易犯错误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成。组态王是海内一家较有影响力的组态软件开发公司开发的，组态王具有流程画面，过程数据记录，趋势曲线，报警窗口，生产报表等功能，已经在多个领域被应用。徐州工程学院课程设计(论文)3第二章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1-1所示：电机图1-1速度闭环控制的控制图-速度给定速度反馈信号+PLC（PID）变频调速系统徐州工程学院课程设计(论文)4第三章PLC和变频器的型号选择3.1PLC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3-1S7-200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，又要在徐州工程学院课程设计(论文)5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。变频器MM420为我们提供了很好的BOP控制面板具体如下图2-1：图3-23.2.2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。徐州工程学院课程设计(论文)6表3-1变频器参数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)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(1430r/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)例如：修改下表参数P0719选择命令/设定这源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。徐州工程学院课程设计(论文)7操作步骤显示的结果1按访问参数2按直到显示出P07193按进入参数数值访问级4按显示当前的设定值5按或选择运行所需要的最大频率6按确认并存储P0719的设定值7按直到显示出r0008按返回标准的变频器显示（有用户定义）图3-3说明：忙碌信息修改参数的数值时，BOP有时会显示：表明变频器正忙于处理优先