【正文】 1 基于 PLC 的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 【 摘要 】 本文主要介紹了本人與本組同學研究和設(shè)計 基于可編程控制器的變頻調(diào)速系統(tǒng) 的若干成果，在本次的設(shè)計中，我們的設(shè)計系統(tǒng)主要由 PLC、變頻器、電動機等幾部分組成。經(jīng)過本次設(shè)計 和 研究，使我對所有器件有了新的認識，尤其對 PLC有了更多的了解： PLC是能進行 行邏輯運算，順序運算，計時，計數(shù)，和算術(shù)運算等操作指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程的工業(yè)計算機。 首先我們查閱各個器件的資料，先對其有個明確的認識，然后通過老師的指點明白了整個系統(tǒng)的大概工作原理 框圖后，通過學習資料與老師指點將硬件設(shè)備連接成功。 本文綜合應(yīng)用電子學與機械學知識去解決 基于可編程控制器的變頻調(diào)速系統(tǒng) ，本次設(shè)計選用三相異步交流電機，而 PLC和 交流電機無論在工業(yè)還是生活中都是應(yīng)用最廣，因此本次設(shè)計具有相當?shù)膶嵱脙r值。 關(guān)鍵詞 ： PLC、變頻器、 三相異步電動機 前言 本次設(shè)計主要以 PLC和變頻器為主， PLC是能進行 行邏輯運算，順序運算，計 2 時，計數(shù)，和算術(shù)運算等操作指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程 的工業(yè)計算機。 它靈活、通用、 I/O接口豐富，可靠性高、抗干擾能力強，編程簡單、使用方便，設(shè)計施工周期短、接線簡單、維護工作量小，體積小，重量輕、能耗低、易于實現(xiàn)機電一體化，聯(lián)網(wǎng)方便，便于系統(tǒng)集成。變頻器 操作方便、體積小、控制性能高而成為目前世界上最受歡迎的調(diào)速方式，在工業(yè)工廠中應(yīng)用十分廣泛，所以本次設(shè)計課題為我們今后 到工廠 發(fā)展打下很好的鋪墊 ，很有實用價值 。 調(diào)速系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性、動態(tài)性能好 是工業(yè) 自動化 生產(chǎn)中 基本要求。 在科學研究和生產(chǎn)實踐的諸多領(lǐng)域中 調(diào)速系統(tǒng) 占有著極為重要的地位 特別是在 國防、汽車、 冶金、 機械、石油等工業(yè)中，具有舉足輕重 的作用。 調(diào)速 控制系統(tǒng)的工藝過程復雜多變，具有不確定性，因此對系統(tǒng)要求更為先進的控制技術(shù)和控制理論。 可編程控制器（ PLC）可編程控制器是一種工業(yè)控制計算機，是繼續(xù)計算機、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動裝置。它具有抗干擾能力強，價格便宜 ， 可靠性強，編程簡樸，易學易用等特點，在工業(yè)領(lǐng)域中深受工程操作人員的喜歡，因此 PLC 已在工業(yè)控制的各個領(lǐng)域中被廣泛地使用。 目前在控制領(lǐng)域中，雖然逐步采用了電子計算機這個先進技術(shù)工具，特別是石油化工企業(yè)普遍采用了分散控制系統(tǒng)（ DCS）。但就其控制策略而言 ， 占統(tǒng)治地位的仍舊是常規(guī)的 PID 控制。 PID結(jié)構(gòu)簡樸、穩(wěn)定性好、 工作 可 靠、使用中不必弄清系統(tǒng)的數(shù)學模型。 PID 的使用已經(jīng)有 60 多年了，有人稱贊它是控制領(lǐng)域的常青樹。 變頻調(diào)速已被公認為是最理想、最有發(fā)展前景的調(diào)速方式之一，采用變頻器構(gòu)成變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)的主要目的，一是為了滿足提高勞動生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高設(shè)備自動化程度、提高生活質(zhì)量及改善生活環(huán)境等要求；二是為了節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本。用戶根據(jù)自己的實際工藝要求和運用場合選擇不同類型的變頻器。 組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是 在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。在組態(tài)概念出現(xiàn)之前，要 3 實現(xiàn)某一任務(wù)，都是通過編寫程序來實現(xiàn)的。編寫程序不但工作量大、周期長，而且輕易犯錯 誤，不能保證工期。組態(tài)軟件的出現(xiàn)，解決了這個問題。對于過去需要幾個月的工作，通過組態(tài)幾天就可以完成 。 組態(tài)王是海內(nèi)一家較有影響力的組態(tài)軟件開發(fā)公司開發(fā)的，組態(tài)王具有流程畫面，過程數(shù)據(jù)記錄，趨勢曲線，報警窗口，生產(chǎn)報表等功能，已經(jīng)在多個領(lǐng)域被應(yīng)用。 第一章 PLC 簡介 的基本概念 國際電工委員會對 PLC 做了定義為“可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器機器有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)該按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其能力的原則設(shè)計”。從上述定義可以看出， PLC 是一種用于程序來改變控制功能的工業(yè)控制計算機，除了能完成各種各樣的控制能力外，還有與其他計算機通行聯(lián) 網(wǎng)的功能。 PLC 的基本結(jié)構(gòu) 如圖 所示， PLC 主要由 CPU 模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成。 PLC 的特殊功能模塊用來完成某些特殊的任務(wù)。 PLC 主要由 CPU 模塊、 I/O 模塊、變成裝置和電源組成。根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)的不同，可以將 PLC 分為整體式、模塊式和混合式。整體式 PLC 又叫做單元式或箱體式，他的體積小、價格低、小型 PLC一般采用整體結(jié)構(gòu)。模塊式 PLC 一般用于大、中型 PLC，它由機架和模塊組成。 4 中 央 處 理單 元( C P U )系統(tǒng)存儲器用戶存儲器輸入部件輸出部件外設(shè)接口 I / O 擴展口編程器電源~可編程序控制器至現(xiàn)場用戶設(shè)備接觸器指示燈電磁閥電源模擬量輸出來自用戶設(shè)備按鈕選擇開關(guān)限位開關(guān)電源模擬量輸入 圖 PLC 基本組成 （ 1）輸入部件 輸入部件是 PLC 與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場被控對象之間的連接部件，是現(xiàn)場信號進入 PLC 的橋梁。該部件接收由主令元件、檢測元件來的信號。 （ 2）輸出部件 輸出部件也是 PLC 與現(xiàn)場設(shè)備之間的連接部件，其功能是控制現(xiàn)場設(shè)備進行工作 (如電機的啟、停、正/反轉(zhuǎn)，閥門的開、關(guān)，設(shè)備的轉(zhuǎn)動、移動、升降等 )。對于 PLC，希望它能直接驅(qū)動執(zhí)行元件，如電磁閥、微電機、接觸器、燈和音響等，因此，輸出部件中的輸出級常是一些大功率器件，如機械觸點式繼電器、無觸點交流開 關(guān) (如雙向可控硅 )及直流開關(guān) (如晶體三極管 )等。 （ 3） CPU 模塊 CPU 模塊主要有微處理器和存儲器組成。在 PLC 控制系統(tǒng)中 CPU 模塊相當于人的大腦和心臟，他不斷的采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存儲器用來存儲程序和數(shù)據(jù)。 （ 4） I/O 模塊 輸入模塊和輸出模塊簡稱 I/O 模塊，他們相當于人的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部設(shè)備和 CPU 模塊的橋梁。輸入模塊用來接收和采集輸入信號，開關(guān)量輸入模塊用來接受從按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字撥號開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、壓力繼電 器、測速發(fā)電機和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號。 5 （ 5）編程器 編程器用來生成用戶程序，并用它來編輯、檢查、修改用戶程序，監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行情況。手持式編程器不能直接接輸入和編輯梯形圖，只能輸入和編輯指令表程序，因此又叫做指令編程器，它的體積小，價格便宜，一般用來給小型 PLC 編程，或者用于現(xiàn)場調(diào)試和維護。 （ 6）電源 PLC 使用 AC 220V 電源或 DC 24V 電源。內(nèi)部開關(guān)電源為各模塊提供不同電壓等級的直流電源。小型 PLC可以為輸入電路和外部的電子傳感器提供 DC 24V 電源 ，驅(qū)動 PLC負載的直流電源一般有用戶提供。 PLC 的外圍接線以及各部分細節(jié) PLC 的外圍接線 Q 0 .0Q 0 .1Q 0 .2Q 0 .3Q 0 .4Q 0 .5Q 0 .6Q 0 .71L2L3LL+M1MI S B 1A C 2 20 VS7 2 0 0C P U 2 2 4 圖 PLC 的外圍接線原理圖 這樣將開關(guān)和狀態(tài)燈接入電路中，上圖的 24V 電源是有變壓器輸出的。 L 和 M是 PLC本身的 24V輸出。 PLC 的工作原理 PLC 通電后，需要對硬件和軟件做一些初始化工作。為了使 PLC 的輸出及時地響應(yīng)各種輸入信號，初24V 6 始化后 PLC 要反復不停地分段處理各種不同的任務(wù)，這種周而復始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。 初始化過 程： 與其它單片機運行一樣，上電運行或復位時進行處理 （ 1）硬件初始化，復位輸出輸入模塊，清零 （ 2）清除數(shù)據(jù)區(qū) （ 3）輸出輸入地址分配 掃描過程 （ 1）掃描輸入，將輸入口狀態(tài)讀入至輸入口映像區(qū) （ 2）時鐘處理，特殊寄存器更新 （ 3）執(zhí)行用戶程序 （ 4）輸出，將輸出口映像區(qū)輸出至輸出端口刷新 （ 5）自診斷檢查 出錯處理 檢查 PLC 內(nèi)部電路 CPU、電池電壓、程序存儲器、 I/O、通訊異常 致命錯誤， CPU 強制 STOP 方式，所有掃描停止。 圖 所示為一小型 PLC的典型工作過程 上 電清 I / O 和內(nèi)部電器復位定時器檢查總線及 I / O 邊接情況復位監(jiān)視定時器檢查硬件和程序存儲器復位監(jiān)視定時器輸出刷新執(zhí)行用戶程序輸入采樣復位監(jiān)視定時器執(zhí)行來自外設(shè)( 如編程器) 的命令正確？置錯誤標志和光顯示錯誤還是報警？NY錯誤報警 圖 小型 PLC 的典型工作過程 第二章 變頻器簡介 7 變頻器的選擇和參數(shù)設(shè)置 變頻器的選擇 正確選擇通用型變頻器對于傳動系統(tǒng)能夠正常運行時至關(guān)重要的，首先要明確使用通用變頻器的目的，按照生產(chǎn)機械的類型、調(diào)速范圍、速度響應(yīng)和控制精度、啟動轉(zhuǎn)矩等要求，充分了解變頻器所驅(qū)動負載特性，決定采用什么功能的通用變頻器構(gòu)成控制系統(tǒng)，然后決定選 用哪種控制方式最合適。所選用的通用變頻器應(yīng)是既滿足生產(chǎn)工藝要求，又要在技術(shù)經(jīng)濟指標上合理。若對通用變頻器選型、系統(tǒng)設(shè)計及使用不當，往往會使通用變頻器不能正常的運行、達不到預期目標，甚至引發(fā)設(shè)備故障，造成不必要的損失。另外，為了確保通用變頻器長期可靠的運行，變頻器的地線的連接也是非常重要的。 變頻器在調(diào)速系統(tǒng)中的優(yōu)點： 1．控制電機的啟動電流； 2．降低電力線路的電壓波動； 3．啟動時需要的功率更低； 4．可控的加速功能； 5．可調(diào)的運行速度； 6．可調(diào)的轉(zhuǎn)矩極限； 7．受控的停止方式； 8．節(jié)能； 9．可 逆運行控制； 10．減少機械傳動部件。 在本系統(tǒng)中，選用了由西門子生產(chǎn)的通用變頻器 MM420。 變頻器 MM420 為我們提供了很好的 BOP 控制面板具體如下圖： 8 變頻調(diào)速原理 變頻調(diào)速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調(diào)速的目的。 n=60f(1s)/p 對于成品電機，其磁極對數(shù) p 已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率 s 變化不大，故電機的轉(zhuǎn)速n 與電源的頻率 f 成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機的同步轉(zhuǎn)速，進而達到異步電機的調(diào)試目的。 變頻器的工作原理 變頻器 的工作原理是把市電（ 380V 、 50Hz）通過整流器變成平滑直流，然后利用半導體器件（ GTO、 GTR 或 IGBT）組成的三相逆變器，將直流電變成可變電壓和可變頻率的交流電。 變頻器的快速設(shè)置 如果所用的變頻器剛剛出廠的變頻器，則需對它進行快速調(diào)試，試驗中用到的變頻器都已經(jīng)完成了快速調(diào)試。 序號 變頻器參數(shù) 出廠值 設(shè)定值 功能說明 1 P0304 230 380 電動機的額定電壓 ( 380V ) 2 P0305 電動機的額定電流 ( ) 3 P0307 電動機的額定功率 ( 60W ) 9 4 P0310 電動機的額定頻率 ( 50Hz ) 5 P0311 0 1430 電動機的額定轉(zhuǎn)速 ( 1430 r/min ) 6 P1000 2 1 用操作面板（ BOP）控制頻率的升降 7 P1080 0 0 電動機的最小頻率 ( 0Hz ) 8 P1082 50 電動機的最大頻率 ( 50Hz ) 9 P1120 10 10 斜坡上升時間 ( 10S ) 10 P1121 10 10 斜坡下降時間 ( 10S ) 11 P0700 2 2 選擇命令源（ 由端子排輸入 ） 12 P0701 1 10 正向點動 13 P0702 12 11 反向點動 14 P1058 30 正向點動頻率（ 30Hz） 15 P1059 20 反向點動頻率（ 20Hz） 16 P1060 10 點動斜坡上升時間（ 10S） 17 P1061 5 點動斜坡下降時間（ 5S） 注 :（ 1）設(shè)置參數(shù)前先將變頻器參數(shù)復位為工廠的缺省設(shè)定值 （ 2）設(shè)定 P0003=2 允許訪問擴展參數(shù) （ 3）設(shè)定電機參數(shù)時先設(shè)定 P0010=1(快速調(diào)試 ),電機參數(shù)設(shè)置完成設(shè)定P0010=0(準備 ) 例如： 修改下表參數(shù) P0719 選擇命令 /設(shè)定這源