基于PLC的变频调速系统标准设计.docx

课 程 论 文

题 目： 基于PLC变频调速系统设计
姓 名： 金 亦 铖
学 号：
专业班级： 电气工程及其自动化1班
学 院： 机电工程学院
指导老师： 唐荣年

基于PLC变频调速系统设计
摘要：交流异步电动机是工农业生产中最关键拖动设备之一，因其结构简单、维修轻易等优点而得到了广泛应用。而在现代工业生产中，有部分设备需要依据不一样工作环境，要调整到一个特定转速。从而对交流异步电动机速度提出了要求，期望能达成一台设备运行时，能依据不一样材料加工产品，实现运行速度调整，并能稳定运行。
本设计关键由PLC、变频器、电动机等几部分组成。PLC是能进行行逻辑运算，次序运算，计时，计数，和算术运算等操作指令，并能经过数字式或模拟式输入输出，控制多种类型机械或生产过程工业计算机。本文综合应用电子学和机械学知识去处理基于可编程控制器变频调速系统，此次设计选择三相异步交流电机，而 PLC和 交流电机不管在工业还是生活中全部是应用最广，所以此次设计含有相当实用价值。
关键词：PLC；变频器；电动机；调速
一、绪论
此次设计关键以PLC和变频器为主，PLC是一个工业控制计算机，能进行逻辑运算，次序运算，计时，计数，和算术运算等操作指令，并能经过数字式或模拟式输入输出，控制多种类型机械或生产过程工业计算机。它含有抗干扰能力强，价格廉价，可靠性强，编程简单，易学易用等特点。变频器操作方便、体积小、控制性能高而成为现在世界上最受欢迎调速方法，在工业工厂中应用十分广泛，所以此次设计课题为我们以后到工厂发展打下很好铺垫，很有实用价值。
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础要求。在科学研究和生产实践很多领域中，调速系统占有着极为关键地位。调速控制系统工艺过程复杂多变，含有不确定性，所以对系统要求更为优异控制技术和控制理论。
现在在控制领域中，即使逐步采取了电子计算机这个优异技术工具，尤其是石油化工企业普遍采取了分散控制系统（DCS）。但就其控制策略而言，占统治地位依旧是常规PID控制。PID结构简单、稳定性好、工作可靠、使用中无须搞清系统数学模型。
变频调速已被公认为是最理想、最有发展前景调速方法之一，采取变频器组成变频调速传动系统关键目标，一是为了满足提升劳动生产率、改善产品质量、提升设备自动化程度、提升生活质量及改善生活环境等要求；二是为了节省能源、降低生产成本。用户依据自己实际工艺要求和利用场所选择不一样类型变频器。
组态软件是指部分数据采集和过程控制专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级软件平台和开发环境，使用灵活组态方法，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功效、通用层次软件工具。在组态概念出现之前，要实现某一任务，全部是经过编写程序来实现。编写程序不仅工作量大、周期长，而且轻易犯错误，不能确保工期。组态软件出现，处理了这个问题。对于过去需要多个月工作，经过组态几天就能够完成。组态王是海内一家较有影响力组态软件开发企业开发，组态王含有步骤画面，过程数据统计，趋势曲线，报警窗口，生产报表等功效，已经在多个领域被应用。
二、系统功效设计分析和总体思绪
系统功效设计分析
伴随电力电子技术和控制技术发展，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作为替换继电器新型控制装置，简单可靠，操作方便、通用灵活、体积小、使用寿命长且功效强大、轻易使用、可靠性高，常常被用于现场数据采集和设备控制；组态软件技术作为用户可定制功效软件开发平台工具，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，经过PLC能够对自动化设备进行“智能”控制。在此，此次设计就是基于PLC变频器调速系统。将现在应用最广泛PLC和变频器综合起来关键功效实现了变压变频调速。电机正反转，加减速和快速制动等。所以，该系统必需含有以下三个主体部分：控制运算部分、实施和反馈部分。控制运算关键由PLC和变频器来完成；实施元件为变频器和电机；反馈部分关键为速度反馈。
系统设计总体思绪
系统关键由三个部分组成，即可编程逻辑控制器件PLC、变频器和电机。首先经过设置给定输入给PLC，再经过PLC控制变频器，再经由变频器来控制电机，随立即电机转速反馈给PLC，经比较后输出给变频器从而实现无静差调速。具体以下图所表示：
速度给定 +
电机

变频调速系统
PLC（PID）

——
速度反馈信号

图1.1 速度闭环控制机构控制图
一、 PLC和变频器选择
PLC概述
PLC基础结构
可编程序控制器简称为PLC（Programmable Logic Controller）关键由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。（以下图2.1所表示）

编程器

接触器线圈
按钮

输入接口
输出接口
存放器

指示灯
继电器触点

电磁阀线圈
位置开关
....
....
微处理器

电源

PLC

图2.1 PLC控制系统示意图

可编程序控制器实际上是一个工业控制计算机，它硬件结构和通常微机控制系统相同，甚至和之无异。可编程序控制器关键由CPU（中央处理单元）、存放器（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。
PLC工作原理
PLC运行时，需要进行大量操作，这迫使PLC中CPU只能依据分时操作原理，按一定次序，每一时刻实施一个操作。这种分时操作方法，称为CPU扫描工作方法，是PLC进行实时控制常见一个方法。
PLC采取按次序循环扫描工作方法，当PLC投入运行后，其工作过程通常分为三个阶段即输入采样、用户程序实施和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLCCPU以一定扫描速度反复实施上述三个阶段。
PLC型号选择
工艺步骤特点和应用要求是设计选型关键依据。PLC及相关设备应是集成、标准，根据易于和工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功效标准选型所选择PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠系统，PLC系统硬件、软件配置及功效应和装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功效表图及相关编程语言有利于缩短编程时间，所以，工程设计选型和估算时，应具体分析工艺过程特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需操作和动作，然后依据控制要求，估算输入输出点数、所需存放器容量、确定PLC功效、外部设备特征等，最终选择有较高性能价格比PLC和设计对应控制系统。
综合了输入输出（I/O）点数、存放器容量、各项控制功效和机型考虑和性价比等各方面原因，在此我为该系统设计选择了S7-200 PLC一台。

图 S7-200 PLC CPU外形模型图
S7-200有5种CPU模块、6个有12种工作方法高速计数器和两点高速计数器/和脉冲宽度调制器、直接读写模拟量I/O模块、优异程序结构、灵活方便寻址方法和程序化PID编程控制。强大通讯功效，它支持多个通信协议。价格是它在全部品牌在同一功效区内很有竞争力。最关键是它还提供了完善网上支持。这些全部为实现本系统设计提供很好条件和方便。比如，高速计数器能够用来测速从而实现速度反馈。
变频器选择和参数设置
变频器选择
伴随变频器性能价格比提升，交流变频已应用到很多领域，因为变频调速很多优点，使得交流变频调速得到广泛应用。其功效较强，使用灵活，但其价格相对较贵。所以我选择了通用变频器，经过合理配置、设计和编程，一样能够达成专用变频器控制效果。
本设计采取变频器是西门子企业面向世界推出二十一世纪通用型变频器MM420。它可实现平稳操作和正确控制，使电动机达成理想输出，这种变频器不仅考虑了V/f控制，而且还实现了矢量控制，经过其本身自动调谐功效和无速度传感器电流矢量控制，很轻易得到高起动转矩和较高调速范围。
MM420变频器特点以下：
（1） 包含电流矢量控制在内四种控制方法均实现了标准化
（2） 又丰富内藏和选择功效
（3） 因为采取了最新式硬件，所以，功效全、体积小。
（4） 保护功效完善、维修性能好。
（5） 经过LCD操作装置，可提升操作性能。
变频调速原理
变频调速是经过改变电机定子绕组供电频率来达成调速目标。
n=60f(1-s)/p
对于成品电机，其磁极对数p已经确定，转差率s改变不大，故电机转速n和电源频率f成正比，所以改变输入电源频率就能够改变电机同时转速，进而达成异步电机调试目标。
变频器工作原理
变频器工作原理是把市电（380V 、50Hz）经过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO、GTR或IGBT）组成三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率交流电。
三相异步电动机多个调速方法
三相异步电动机转速公式为：
n=60f/p（1-s）
从上式可见，改变供电频率f、电动机极对数p及转差率s均可太到改变转速目标。从调速本质来看，不一样调速方法无非是改变交流电动机同时转速或不改变同时转两种。
在生产机械中广泛使用不改变同时转速调速方法有绕线式电动机转子串电阻调速、斩波调速、串级调速和应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同时转速有改变定子极对数多速电动机，改变定子电压、频率变频调速有能无换向电动机调速等。
从调速时能耗见解来看，有高效调速方法和低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，所以无转差损耗，如多速电动机、变频调速和能将转差损耗回收调速方法（如串级调速等）。有转差损耗调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器油中。通常来说转差损耗随调速范围扩大而增加，假如调速范围不大，能量损耗是很小。
一、变极对数调速方法
这种调速方法是用改变定子绕组接红方法来改变笼型电动机定子极对数达成调速目标，特点以下：含有较硬机械特征，稳定性良好；无转差损耗，效率高；接线简单、控制方便、价格低；有级调速，级差较大，不能取得平滑调速；能够和调压调速、电磁转差离合器配合使用，取得较高效率平滑调速特征。
本方法适适用于不需要无级调速生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。
二、 变频调速方法
变频调速是改变电动机定子电源频率，从而改变其同时转速调速方法。变频调速系统关键设备是提供变频电源变频器，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，现在中国大全部使用交-直-交变频器。其特点：效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特征硬，精度高；技术复杂，造价高，维护检修困难。
本方法适适用于要求精度高、调速性能很好场所。
三、 串级调速方法
串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调整附加电势来改变电动机转差，达成调速目标。大部分转差功率被串入附加电势所吸收，再利用产生附加装置，把吸收转差功率返回电网或转换能量加以利用。依据转差功率吸收利用方法，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采取晶闸管串级调速，其特点为：可将调速过程中转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；装置容量和调速范围成正比，投资省，适适用于调速范围在额定转速70%-90%生产机械上；调速装置故障时能够切换至全速运行，避免停产；晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。
本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。
开环控制设计及PLC编程
硬件设计
在没有反馈信息比较，经过直接给定控制信息控制调速系统称之为开环调速系统。其控制思想结构框图以下图所表示：
速度给定

变频调速系统
PLC

图4-1速度开环控制结构控制
开环控制外部硬件连接图：
+24V
DIN1
DIN2
AIN1

AIN2

L1
L2

1M 1L
I0.0 Q0.0
I0.1 Q0.1
I0.2 Q0.2
2M
+24V

U
V
W

S7-200PLC

A B C
西门子
MM420
变频器

L
N
FU

M
AC220V

X Y Z

图4-2 硬件连接图
PLC软件编程
设计步骤
(1) 使用PLC各个输入点作为系统各个控制信号；
(2) 使用PLC一个模拟量输出点AQWO作为使电机转动频率给定信号，接到MM440变频器AIN1+，AIN1-端子上；
(3) 调整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梯形图程序；
(5) 最终调试并运行。
程序主体
（1） 初始化变量及判定按键和锁定对应状态位
（2） 0-25秒上升子程序
（3） 25-35秒平衡子程序
（4） 35-40秒下降子程序
（5） 40-60秒平衡子程序
（6） 60-65秒下降子程序
（7） 有循环位时开启下一次循环子程序
（8） 外部电压给定子程序
控制程序T形图

PLC系统抗干扰设计
变频器干扰源
在变频器输入输出电路中，除较低次谐波成份外，还有很多频率很高谐波电流，这些电流除了增加输入侧无功功率，降低功率因数以外，还将以多种方法把自己能量传输出去，形成对其它设备干扰信号，严重甚至使一些设备无法正常工作。
变频器干扰其它设备根本原因是因为输入和输出电流中含有高次谐波成份。变频器输入电流中含有很大高次谐波成份，这些高次谐波电流除了影响功率因数外，也可能对其它设备进行干扰。因为绝大多数逆变桥全部采取SPWM调制方法，其输出电压为输出占空比按正弦规律分布系列矩形波。又因为电动机定子绕组电感性质，其定子电流十分靠近正弦波，但其中和载波频率相等谐波分量仍较大。
干扰信号传输方法
⑴ 电路传导方法
① 经过电源网络传输。这时变频器输入电流干扰信号关键传输方法。
② 经过漏电流传输。这是变频器输出侧干扰信号关键传输方法。
⑵ 感应耦合方法
① 电磁感应方法。这是电流干扰信号关键传输方法。因为变频器输入电流和输出电流中高频成份要产生高频磁场，该磁场高频磁力线穿过其它设备控制线路而产生感应干扰电源。
② 静电感应方法。这是电压干扰信号关键传输方法。是变频器输出高频电压波经过线路分布电容传输给主电路。
⑶ 空中辐射方法。频率很高谐波分量含有向空中辐射电磁波能力，从而多其它设备形成干扰。
关键抗干扰方法
电源抗干扰方法
在PLC控制系统中，电源占有极关键地位。电网干扰串入PLC控制系统关键经过PLC系统供电电源（如CPU电源、I/O电源等）、变送器供电电源和PLC系统含有直接电气连接仪表供电电源等耦合进入。现在，对于PLC系统供电电源，通常全部采取隔离性能很好电源，而对于变送器供电电源和PLC系统有直接电气连接仪表供电电源，并没受到足够重视，即使采取了一定隔离方法，但普遍还不够，关键是使用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（如采取数次隔离和屏蔽及漏感技术）配电器，以降低PLC系统干扰。另外，为确保电网馈点不中止，可采取在线式不间断供电电源供电，提升供电安全可靠性。而且UPS还含有较强干扰隔离性能，是一个PLC控制系统理想电源。
硬件滤波及软件抗干扰方法
信号在接入计算机前，在信号线和地间并接电容，以降低共模干扰；在信号两极间加装滤波器可降低差模干扰。因为电磁干扰复杂性，要根本消除迎接干扰影响是不可能，所以在PLC控制系统软件设计和组态时，还应在软件方面进行抗干扰处理，深入提升系统可靠性。常见部分方法：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，并采取动态零点，可有效预防电位漂移；采取信息冗余技术，设计对应软件标志位；采取间接跳转，设置软件陷阱等提升软件结构可靠性。
接地抗干扰方法
接地目标通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰关键方法之一。
系统接地方法有：浮地方法、直接接地方法和电容接地三种方法。对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采取直接接地方法。因为信号电缆分布电容和输入装置滤波等影响，装置之间信号交换频率通常全部低于1MHz，所以PLC控制系统接地线采取一点接地和串联一点接地方法。集中部署PLC系统适于并联一点接地方法，各装置柜体中心接地点以单独接地线引向接地极。假如装置间距较大，应采取串联一点接地方法。用一根大截面铜母线（或绝缘电缆）连接各装置柜体中心接地点，然后将接地母线直接 连接接地极。接地线采取截面大于222mm铜导线，总母线使用截面大于602 mm铜排。接地极接地电阻小于2Ω，接地极最好埋在距建筑物10—15m远处，而且PLC系统接地点必需和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，屏蔽层应牢靠连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地；多个测点信号屏蔽双绞线和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。选择合适接地处单点接点。
结论
在这次课程设计中我认为最关键就是要有自学能力，因为这次实训中有部分知识我们之前还没有接触过，所以自己必需学会查找相关资料。另外就是在碰到实际问题时候，要认真思索，利用所学知识，一步一步去探索，是完全能够处理碰到通常问题。而在这次设计程序过程中，我一开始时走了很多弯路，这也是自己知识不够扎实原因。不过经过自己几天努力，最终还是做了出来，而且还做得挺不错。
经过这次课程设计，让我深深感受到理论联络实践关键性，平时在学习中不能够透彻了解知识，经过动手，会有愈加好认知。此次课程设计即使不长，不过它给我们带来了很多收获。它使我意识到自己操作能力不足，在理论上还存在很多缺点。所以在以后学习生活中，我会愈加努力地加强理论联络实践学习，在努力学好专业知识同时努力加强自己专业技能方面能力，使自己知识在实践中不停增加，在实践中锻炼自己，培养自己各方面能力，不停提升自己能力。
经过此次课程设计，对S7-200系列PLC特点有了更深了解。利用了S7-200系列PLC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变频调速。
经历自己设计试验和查阅资料，让我了解了更多相关西门子S7-200和变频器方面资料，让我了解了大约选型和注意事项，并自己动手试验，参考部分编程试着去编一个程序，资料上查到是欧姆龙或是三菱编程语句，不过经过她们编程思绪，我们能够借鉴到自己S7-200程序中，编程序过程中碰到了很多问题，经过不停问同学，反复思索，调试，最终编出了调用子程序来达成控制目标，此次课程设计让我收获颇多，在这个课程设计过程中，既让我和同学加深了沟通，又让我学到相关西门子部分知识，我知道这知识极少一点，但我会在以后学习中了解更多。因为本人资历有限，可能还有部分没有注意到问题，还请老师赐教，深表感谢！
参考文件
[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，北京昆仑通态软件企业,
[4] 陈建明. 电气控制和PLC应用（第二版），电子工业出版社,
[5] 马小军主编．建筑电气控制技术.北京：机械工业出版社，