基于PLC的变频调速系统设计样本.doc

目 录
第1章 绪论 2
1.1 PLC（可编程序控制器）概述 2
1.2 PLC特点 3
第2章 VFO变频器简介 4
2.1 松下变频器VF0系列简介 4
2.2 设定变频器模式 5
2.3 变频器控制方式 5
2.3.1 U/f=C正弦脉宽调制（SPWM）控制方式 5
2.3.2 电压空间矢量（SVPWM）控制方式 6
2.3.3 矢量控制（VC）方式 6
2.3.4 直接转矩控制（DTC）方式 6
2.3.5 矩阵式交—交控制方式 6
2.4 欧姆龙CP1H特点及功能简介 7
2.4.1 欧姆龙CP1H功能简介 7
2.4.2 欧姆龙功能简介 8
2.5 变频器接线 8
2.5.1 主回路接线 8
2.5.2 控制回路接线 9
2.5.3 接线注意事项 9
第3章 电机简介 10
3.1 电机规格指标参数 10
3.2 电动机工作原理 11
3.3 电动机接线 11
3.4 PLC、变频器、电机三者运营关系 11
第4章 PLC变频调速系统设计与调试 12
4.1 系统设计程序 12
4.2 接线图 13
4.3 程序调试 14
第5章 课程总结 15
参照文献 16

第1章 绪论
1.1 PLC（可编程序控制器）概述
PLC（可编程控制器）应用广泛，其CPU功能较强，可靠性高，但在输入输出I/O方面,PLC存在价格过高，扩展模块不隔离，输入信号还要进行编程运算来完毕采集，品牌繁多，互不兼容，顾客使用起来不以便等缺陷。其在工业现场因其编程以便，抗干扰能力强，获得了广泛应用。但受到内部硬件电路限制，在运算速度、数据解决能力等方面和PC机相比，要逊色诸多。因而在工业现场对复杂模型进行控制时，可以借助上位机PC来建立生产模型，通过构建 SCC监督式控制系统，让下位机PC为一DCC直接数字控制系统，实现复杂系统控制。此外，还可通过上位机PC和下位机PC组建监控系统，达到对工业现场实时监控目。其中核心技术为PC机和PC之间通讯。本文一方面简介PC机与PLC通讯种类和机制，然后就采用高档语言VB和组态软件MCGS，对完毕以上两者通讯。
PC机和PLC有两种通讯方式，一种是PC机作积极者，即主局，PLC为从动者，即子局。另一种是PLC为主局，而PC机为子局。无论工作在哪种方式，数据普通都采用串行方式来传播，即可通过RS232、RE422或RS485电缆线来进行信息传递。
在进行通讯时，一方面将PC机和PLC传递信息波特率设立一致。此外还要对奇偶校验位、传播数据位数和停止位进行设立。在PC机和PLC进行通讯时，要使用命令帧和响应帧形式来进行信息传递。
每次通信送出一组数据称作“帧”。帧可以从持有发送权一方传出。每送出一帧，上位机或PLC就将发送权交给另一方。当接受方收到终端（命令或响应终字符）或分界符（分割帧字符）信息后，就将发送权转到另一方。
1.2 PLC特点
PLC是面向顾客专用工业控制计算机，具备许多明显特点。
1. 可靠性高，抗干扰能力强
为了限制故障发生或者在发生故障时，能不久查出故障发生点，并将故障限制在局部，采用了各种办法，使PC除了自身具备较强自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运营等待修复外，还使PC具备了很强抗干扰能力。
2. 通用性强，控制程序可变，使用以便
PLC品种齐全各种硬件装置，可以构成能满足各种规定控制系统，顾客不必自己再设计和制作硬件装置。顾客在硬件拟定后来，在生产工艺流程变化或生产设备更新状况下，不必变化PLC硬设备，只需改编程序就可以满足规定。因而，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。
3. 功能强，适应面广
当代PLC不但有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具备数字和模仿量输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一种生产过程。
4. 编程简朴，容易掌握
当前，大多数PLC仍采用继电控制形式“梯形图编程方式”。既继承了老式控制线路清晰直观，又考虑到大多数工厂公司电气技术人员读图习惯及编程水平，因此非常容易接受和掌握。PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PLC内部增长理解释程序）。与直接执行汇编语言编写顾客程序相比，执行梯形图程序时间要长某些，但对于大多数机电控制设备来说，是微局限性道，完全可以满足控制规定。
5. 减少了控制系统设计及施工工作量
由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜设计安装接线工作量大为减少。同步，PLC顾客程序可以在实验室模仿调试，更减少了现场调试工作量。并且，由于PLC低故障率及很强监视功能，模块化等等，使维修也极为以便。
6. 体积小、重量轻、功耗低、维护以便
PLC是将微电子技术应用于工业设备产品，其构造紧凑，结实，体积小，重量轻，功耗低。并且由于PLC强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化抱负控制设备。

第2章 VFO变频器简介
2.1 松下变频器VF0系列简介
小巧，操作简朴，可由PLC直接调节频率
松下变频器VFO系列特点：
1.小巧：为了满足各类机器小型化需要，实现了同类产品中最小型化；
2.操作简朴：采用了新设计调频电位器，使调频操作简朴轻松；并且用操作盘就可容易地操作正转/反转；
3.可由PLC直接调节频率：可直接接受PLCPWM信号并可控制电动机频率；同步可与PLC(FP0等)配套使用，无需模仿I/O单元；
4.功能齐全小型产品：8段速控制制动功能；再试功能；依照外部SW调节频率增减和记忆功能；再生制动功能充实；400V系列型:内置制动电路；200V系列型:内置0.4-1.5kW电阻；0.2kW电路没有制动电阻；0.4kW是外部设立同包装电阻。
2.2 设定变频器模式
在模式设立中通过变化P08和P09变化控制方式为面板控制和面板外控。
当设立为面板控制设立fr控制其输出频率，设立dr控制其旋转方向。
当设立为面板外控时，输出频率和旋转方向有外界信号控制。在这次实验中将P08值改为4，则端子5控制运营和停止，端子6控制旋转方向。将P09值改为3，端子2、3接受0~5v电压信号控制输出频率。
1.将P08值改为4
把运营指令设为面板外控，操作板有复位功能，接线如图2.1。

图2.1
2.将P09值设为
把频率设定信号改为外控，设定信号为0~5v电压信号，变化电压大小变化其输出频率大小。接线端子为NO.2、3（2：+，3：—）。
2.3 变频器控制方式
低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它主电路都采用交—直—交电路。其控制方式经历了如下四代。
2.3.1 U/f=C正弦脉宽调制（SPWM）控制方式
其特点是控制电路构造简朴、成本较低，机械特性硬度也较好，可以满足普通传动平滑调速规定，已在产业各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降影响比较明显，使输出最大转矩减小。此外，其机械特性终归没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载变化而变化，转矩响应慢、电机转矩运用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应存在而性能下降，稳定性变差等。
2.3.2 电压空间矢量（SVPWM）控制方式
它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙抱负圆形旋转磁场轨迹为目，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆方式进行控制。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩调节，因此系统性能没有得到主线改进。
2.3.3 矢量控制（VC）方式
矢量控制变频调速做法是将异步电动机在三相坐标系下定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下直流电流Im1、It1（Im1相称于直流电动机励磁电流；It1相称于与转矩成正比电枢电流），然后模仿直流电动机控制办法，求得直流电动机控制量，通过相应坐标反变换，实现对异步电动机控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。然而在实际应用中，由于转子磁链难以精确观测，系统特性受电动机参数影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际控制效果难以达到抱负分析成果。
2.3.4 直接转矩控制（DTC）方式
直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机数学模型，控制电动机磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机控制，也不需要为解耦而简化交流电动机数学模型。
2.3.5 矩阵式交—交控制方式
由于矩阵式交－交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运营，系统功率密度大。该技术当前虽尚未成熟，但仍吸引着众多学者进一步研究。其实质不是间接控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现。详细办法是：
——控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；
——自动辨认（ID）依托精准电机数学模型，对电机参数自动辨认；
——算出实际值相应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；
——实现BandBand控制按磁链和转矩Band－Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。
2.4 欧姆龙CP1H特点及功能简介
2.4.1 欧姆龙CP1H功能简介
欧姆龙 CP1H小型高功能PLC ，有如下特点：
1.基本性能
解决速度：基本指令0.1μs；特殊指令0.3μs；
I/O容量： 最多7个扩展单元，开关量最大320点，模仿量最大37路
程序容量：20K步；
数据容量：32K字 ；
机型类别：本体40点，24点输入，16点输出，继电器输出或晶体管输出可选；
2.特殊功能
4轴脉冲输出：100kHz×2和30 kHz×2（X型和XA型），最大1MHz（Y型）；
4轴高速计数：单向100kHz或相位差50 kHz×4（X型和XA型），最大1MHz（Y型）；
内置模仿量： 4输入，2输出（XA型）；
3.通信功能
通信接口：最大2个串行通信口（RS-232A或RS-422/485任选）；本体附带一种USB编程端口；
通信功能：上位链接、无合同通信、NT链接（1:N）、串行网关功能、串行PLC链接功能、Modbus-RTU简易主站；
4.其她功能 4-1模仿量输入手动设定；
2位7段码发光二极管显示故障信息；
支持欧姆龙中型机CJ1系列高功能模块（最大2块）；
支持FB/ST编程，可以运用欧姆龙Smart FB库，与CJ1/CS1系列程序统一，可以互换。
2.4.2 欧姆龙功能简介
1.中断功能
CP1HCPU单元，普通周期性重复（公共解决→运算解决→扫描解决→I/O刷新→外设端口服务）解决，运算解决中执行周期执行任务。与此不同，依照特定规定发生，可以在该周期半途中断，使其执行特定程序。中断功能种类如下：（1）输入中断（直接模式）（2）输入中断（计时器模式）（3）定期中（4）高速计数器中断（5）外部中断
2.模仿输入/输出功能
XA型CP1HCPU单元内置模仿输入4点及模仿输出2点。辨别率分为1/6000或1/1两种。输入／输出分别刻选取：0～5V、1～5V、0～10V、－10V～10V、0～20ｍA、4～20ｍA等5种方式。
3.串行通信功能
CP1H CPU单元支持串行通信功能有串行网关、串行PLC链接、NT链接1：N、上位链接、工具总线等。
2.5 变频器接线
2.5.1 主回路接线

图2.2 变频器电源接线
2.5.2 控制回路接线
PLC模仿量信号输出端接入变频器2，3端子。控制其输出频率。
PLC输出地址100.00接端子5，相应地址COM接端子3。控制其运营与停止。
PLC输出地址100.01接端子6，相应地址COM接端子3。控制其旋转方向。

图2.3 变频器控制端接线
2.5.3 接线注意事项
1.将电源连接到输入电子（L,N）上，电动机连接到输出端子（U,V,W）上。
2.电源和电动机端子请使用带套筒圆形压紧式端子。
3．主电路接线后，一定要确认连接与否牢固，否则一旦控制电路接线后会因电线进出受到限制而不能重新拧紧主电路。
4.以最短方式连接到大容量电源变压器时（500KVA以上），在变频器输入端一定要设立改进功率因数扼流圈（可选件）。
5.为了适应CE标记规定，变频器电源输入端必要设立过电流、短路以及漏电保护设备。

第3章 电机简介
3.1 电机规格指标参数
变频器在使用过程中带动是电机，因此，变频器选型可以从电机角度来选取型号、规格。那一方面，咱们就必要先理解电机各项规格指标参数。
每台电机均有它自己出厂铭牌，从铭牌上，咱们不难找到电机各项参数。这些参数中，咱们需要理解重要参数有：电机额定电压、额定电流、额定频率、额定转速等。
电机额定电压：电机额定电压普通有110V、220V、380V、690V、1140V、6kV等。
电机额定电流：电机额定电流依照电机功率不同而不同。选取变频器时，变频器额定电流应不不大于或等于电机额定电流，特殊状况应将变频器功率档次放大一档。
电机额定频率：普通电机额定频率普通是50～60Hz，高速电机有1000～3000Hz等。CH_100系列可满足0～600Hz电机需要，如需更高频率，请选用CH_150系列变频器。
电机额定转速：电机有分为2极、4极、6极、8极等，极数越高，转速越低，同功率电流也越大。咱们普通用电机额定转速是1500 rpm相应4极电机。变频器也是依照4极电机来设计。2极相应3000 rpm、6极相应960 rpm、8极相应720 rpm左右。
3.2 电动机工作原理
当导体在磁场内切割磁力线时，在导体内产生感应电流，“感应电机”名称由此而来。
感应电流和磁场联合伙用向电机转子施加驱动力。 三组绕组问彼此相差120度，每一组绕组都由三相交流电源中一相供电。
电动机使用了电流磁效应原理，发现这一原理是丹麦物理学家奥斯特。
3.3 电动机接线
在接线完毕后。通如电源，若发现未控制电机反转，而旋转方向反转，则断开电源可以通过任意对调电动机两根相线来变化其旋转方向。

图3.1 电机旋转方向
3.4 PLC、变频器、电机三者运营关系
用PLC编写程序。将程序输出信号取出，接到变频器外控端子，控制变频器输出信号。变频器接到控制信号后控制电机运营、停止、反转、正转以及电机转速。

第4章 PLC变频调速系统设计与调试
4.1 系统设计程序
程序如下：
LD 0.00
OR W200.00
ANDNOT W200.01
OUT W200.00
LD W200.00
ANDNOT C0000
ANDNOT W200.02
TIM 0000
#10
@LD T0000
OUT W200.02
+(400) #100
210
210
@LD T0000
LD 0.01
@OR 0.02
@OR 0.03
OUT TR0
CNT 0000
#20
LD TR0
MOV(021) #0
210
@LD 0.02
ANDNOT 100.00
@LDNOT 0.02
AND 100.00
ORLD
ANDNOT W200.01
OUT 100.00
@LD 0.03
ANDNOT 100.01
@LDNOT 0.03
AND 100.01
ORLD
ANDNOT W200.01
OUT 100.01
LD 0.01
OUT W200.01
MOV(021) #0 210
4.2 接线图

图4.1 总电路接线图
4.3 程序调试
1.把程序编好了，在“PLC“选项里选取“传送”，然后在选取“到PLC”这个功能，其中“设立“中选取内建”AD/DA“如图4.1所示，范畴选取0~5V。
图4.1
2.按下变频器RUN变频器开始工作。
3.按下0.00，PLC程序开始工作，频率开始由0Hz开始变化，每隔一秒加速一次，加速二十次后频率为44Hz停止加速。
4.按下0.02，Q100.00得电，给变频器5端输入高电频，变频器给电机输入电源。
5.按下0.03，Q100.01得电，给变频器6端输入高电频，变频器给控制电机反转。
6.再按下0.03，Q100.01失电，给变频器6端输入低电频，变频器给控制电机正转。
7.再按下0.02，Q100.00失电，给变频器5端输入低电频，变频器停止给电机输入电源。
8.按下0.01，PLC程序复位。

第5章 课程总结
在本次课程设计实践环节中，我更深刻地理解和掌握了电器控制及可编程控制器(PLC)理论知识和动手技能。参阅了大量电器控制及可编程控制器(PLC)系统设计书籍资料，查询了大量图表、程序和数据，使得课程设计方案和数据更为翔实和精确，在这次实验中用到了PLC，变频器，电动机。通过查找资料，和实际操作，将PLC，变频器和电动机按需要连接完毕一种可控可调开环电路。
在设计过程中，总是遇到这样或那样问题。有时发现一种问题时候，需要做大量工作，花大量时间才干解决。自然而然，我耐心便在其中建立起来了。为后来工作积累了经验，增强了信心。

参照文献
1．李建兴主编．可编程序控制器及其应用．北京：机械工业出版社，1999
2. 邱公伟主编．可编程控制器网络通信及应用．北京：清华大学出版社，
3.邹益仁等编著．现场总线控制系统设计和开发．北京：国防工业出版社，
4. 廖常初主编. 可编程序控制器编程办法与工程应用，重庆：重庆大学出版社，
5.  陈在平等主编．可编程序控制器技术与应用系统设计．北京：机械工业出版社，
6.  宫淑贞等编著．可编程控制器原理及应用．北京：人民邮电出版社，
7. 方承远主编．电气控制原理与设计．北京：机械工业出版社，
8.    马小军主编．建筑电气控制技术.北京：机械工业出版社，
9. 欧姆龙（上海）有限公司．选型手册（可编程序控制器某些），