【文章內(nèi)容簡介】 基于 PLC 的變頻調(diào)速系統(tǒng) 變頻調(diào)速 系統(tǒng)的 控制方法及其比較 開環(huán)恒壓比（ V／ F=常數(shù)）的控制方式 優(yōu)勢： 控制結(jié)構(gòu)簡單、成本較低 缺點： 具體來說，其控制曲線會隨著負載的變化而變化；轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電視轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降穩(wěn)定性變差等 。 比較適合應(yīng)用在風機、水泵調(diào)這 種 場合 。 優(yōu)勢： 成本較低，在國內(nèi)的應(yīng)用廣泛 缺點： 設(shè)計要求考慮的問題和對待問題所要采用的措施相當復(fù)雜 ，對設(shè)計人員的要求非常高，與 PLC 相比穩(wěn)定性略差。 控制 優(yōu)勢： 硬件簡潔、 抗干擾性能強， 軟件靈活性強、調(diào)試方便、維護量小 ，對設(shè)計人員的要求相對較低 缺點：設(shè)備成本較高，不適合大批量采用 系統(tǒng)的設(shè)計構(gòu)想 和主要內(nèi)容 本次設(shè)計就是基于 PLC 的變頻器調(diào)速系統(tǒng)。將現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的 PLC 和變頻器綜合起來主要功能實現(xiàn)了變壓變頻調(diào)速。電機的正反轉(zhuǎn)，加減速以 及快速制動等。因此，該系統(tǒng)必須具備以下三個主體部分：控制運算部分、執(zhí)行和反饋部分?？刂七\算主要由 PLC 和變頻器來完成；執(zhí)行元件為變頻器和電機；反饋部分主要為速度反饋 。 通過設(shè)定交流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速傳輸?shù)?PLC， PLC 根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)速通過模擬量輸出模塊，輸出模擬信號控制變頻器的輸出頻率，變頻器的輸出控制交流電機調(diào)速控制。變頻器的轉(zhuǎn)向由正 /反轉(zhuǎn)開關(guān)進行控制。交流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速由測速發(fā)電機轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的轉(zhuǎn)速模擬信號輸入模擬量的輸入模塊，模擬量輸入模塊產(chǎn)生的數(shù)字信號送入 PLC。由開環(huán) /閉環(huán)開關(guān)控制系統(tǒng)在開環(huán)或閉環(huán)狀態(tài)下運 行。當交流調(diào)徐州師范大學本科生畢業(yè)論文 基于 PLC 的變頻調(diào)速系統(tǒng) 速系統(tǒng)設(shè)定為開環(huán)運行時，檢測到的轉(zhuǎn)速信號 PLC 不進行處理，直接進行顯示；當交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)定為閉環(huán)運行時，光電編碼器將檢測到的轉(zhuǎn)速信號一方面由PLC 與設(shè)定轉(zhuǎn)速信號進行運算處理，處理過的信號 送去控制變頻器，另一方面將數(shù)據(jù)實時顯示。 本文內(nèi)容安排如下 ： 第一章 緒論 介紹了本課題的研究目的和意義，還有變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀。還對各種變頻調(diào)速的控制方法做了簡單的闡述和比較。 第二章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 介紹了系統(tǒng)的組成及其工作原理 ，對 其外部硬件的接線和內(nèi)部模擬量數(shù)字量轉(zhuǎn)換模塊的主要參數(shù)進行了說明 ，論證了本系統(tǒng)對于 PLC和變頻器的選型，介紹了變頻器的快速設(shè)置方法。 第三章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 介紹了系統(tǒng) 上位機編程 軟件 SWOPCFXGP/WINC 及其GOT 編程軟件 GTdesigner2，說明了 FX2n 的 PID 控制指令，對 PLC 控制程序及其部分控制內(nèi)容做了簡單的介紹。 第四章 系統(tǒng)的調(diào)試及其數(shù)據(jù)分析 對設(shè)計的系統(tǒng)進行了現(xiàn)場的運行和調(diào)試，并利用現(xiàn)場得到的結(jié)果進行修正，說明了閉環(huán)反饋參數(shù)的計算方法及其誤差產(chǎn)生的原因。 徐州師范大學本科生畢業(yè)論文 基于 PLC 的變頻調(diào)速系統(tǒng) 2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 系 統(tǒng)的組成及工作 原理 系統(tǒng)主要由 四 個 部分構(gòu)成，即 速度給定， 可編程邏輯控制器件 PLC、變頻器 ，電機 和測速發(fā)電機 ，其中速度給定由 GOT 完成，控制器由 PLC 負責，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和變頻器，電機組成了系統(tǒng)的被控對象，而測速發(fā)電機（光電編碼器）和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成了系統(tǒng)的反饋。 首先通過設(shè)置給定輸入給 PLC，確定選擇的是開環(huán)工作模式或閉環(huán)工作模式，再通過 PLC 控制變頻器，經(jīng)由變頻器來控制電機，隨后將電機的轉(zhuǎn)速反饋給 PLC，經(jīng)比較后輸出給變頻器從而實現(xiàn)無靜差調(diào)速。 系統(tǒng) 框圖如圖 21 所示。 可編程控制器 PLC 接收 4~20mA 的轉(zhuǎn)速給定信號和轉(zhuǎn)速反饋信號，A/D轉(zhuǎn)換變 成 12 位數(shù)字信號，然后在 PLC主機內(nèi)完成 PI 運算，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換器輸出0~20mA 電流信號，在逆變器內(nèi)部，把該信號對映變成不同頻率，不同電壓的交流信號控制交流電機的轉(zhuǎn)速，最后用測速發(fā)電機完成速度反饋，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 MMG O TP L CD / A變 頻器測 速 發(fā)電 機A / D控 制 器反 饋被 控 對 象速 度 給定 圖 21 變頻調(diào)速系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖 徐州師范大學本科生畢業(yè)論文 基于 PLC 的變頻調(diào)速系統(tǒng) 外部硬件接線圖 M開關(guān)電源模塊開關(guān)電源模塊開關(guān)電源模塊開關(guān)電源模塊直 流 2 2 0 V 直 流 2 4 V 直 流 1 2 V 直 流 5 V控 制 操 作 屏P L C 主 控 制 器零 線變 頻 器Q S K M 1K M 2V F三相輸入電源 圖 22外部硬件接線圖 徐州師范大學本科生畢業(yè)論文 基于 PLC 的變頻調(diào)速系統(tǒng) 模擬量輸入輸出模塊 FX2n4AD 與 FX2n4DA FX2n4AD 模擬量輸入模塊是一種高精度的模擬量輸入模塊，只要選擇合適的傳感器及前置放大器，就可以用于溫度，壓力，流量，電壓和電流等模擬信號的監(jiān)視與控制， FX— 4AD 模擬量輸入模塊有 4 個輸入通道，通道號分別為 CH1， CH2，CH3， CH4。輸入通道用于將外部輸入的模擬量信號，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，即稱為A/D 轉(zhuǎn)換，其分辨率為 12 位。 輸入的模擬量信號可以是電壓也可以是電流，輸入電壓或電流的選擇是由用戶通過不同的接線來完成的。模擬量電壓值范圍是 — 10V~10V，分辨率為 果為電流輸入，則電流輸入范圍為 4~20mA 或 20mA~+20Ma,分辨率為 20uA。 特點： 1）提供 12 位高精度分辨率（包括符號位） 2） 4 通道電壓輸入（ 10~+10V）或電流輸入（ 20~+20mA）。 3) 每一通道都可以分別指定為電壓輸入或電流輸入。 4） FX2N 型 PLC 最多可連接 8 臺。 性能指標： 1）電源：模擬電路： 24V177。 10%V，電流為 55mA(源于基本單元的外部電源 )。 數(shù)字電路： 5V DC 30mA (源于基本單元的內(nèi)部電源 )。 2）環(huán)境：與 PLC 基本單元一致，耐壓絕緣電壓 :AC 5000V, 1 分鐘（在所有端子和地之間） FX2n4DA模擬量輸出 模塊用于將可編程控制器中的 12位數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量輸出到外部，控制外部電氣設(shè)備。 FX— 4DA 有四個輸出通道，可以輸出 10V 到 10V直流電壓（分辨率： 5mV）或 0~20mA(分辨率： 20uA)的模擬量輸出。 FX2n4DA 和FX2n 主單元之間通過緩沖器交換數(shù)據(jù)， FX2n— 4DA共有 32個緩沖器，每個緩沖器16位。 FX2n— 4DA 占用 FX2n 擴展總線的 8 個點。這 8 個點可以分配成輸入或輸出。FX2n— 4DA 消耗 FX2n 主單元或有源擴展單元 5V 電源槽的 30mA 電源。 徐州師范大學本科生畢業(yè)論文 基于 PLC 的變頻調(diào)速系統(tǒng) 擴展模擬量輸入模塊接線圖 (如圖 23 所示） 4 A D 模 塊+ 2 4 V（ P L C ）C O M（ P L C ）+ 2 4 V 2 4 V瓷 片 電 容4 7 4測 速 發(fā) 電 機紅 線測 速 發(fā) 電 機黑 線V +（ 1 ）V I （ 1 ） 圖 23擴展模擬量輸入模塊接線圖 擴展模擬量輸出模塊及其變頻器接線圖 （如圖 24 所示） M三 相交 流電 源交 流 接觸 器K M 2RSTS F S R S CWVUF CF R變 頻 器C O M ( P L C )+ 2 4 VV + ( 1 )V 1 ( 1 ) 2 4 V4 D A 模 塊Y 6 ( PL C )C O M 2( P L C)Y 4 ( PL C )交 流 調(diào) 速 電動 機 圖 24 擴展模擬量輸出模塊及其變頻器接線圖 徐州師范大學本科生畢業(yè)論文 基于 PLC 的變頻調(diào)速系統(tǒng) 硬件的選型 在 PLC 系統(tǒng)設(shè)計時，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是 PLC 工程設(shè)計選型。工藝流程的特點和應(yīng)用要求是設(shè)計選型的主要依據(jù)。 PLC 及有關(guān)設(shè)備應(yīng)是集成的、標準的， 按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則選型所選用 PLC 應(yīng)是在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域有投運業(yè)績、成熟可靠的系統(tǒng)， PLC 的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應(yīng)與裝置規(guī)模和控制要求相適應(yīng)。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關(guān)的編程語言有利于縮短編程時間，因此，工程設(shè)計選型和估算時，應(yīng)詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定 PLC 的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價格比的 PLC 和設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 控制對象 本次設(shè)計的 被控對象是一臺實驗室用鼠籠式三相交流異步電動機。額定值為AC 380 V、 0. 4 kW、 極對數(shù) P= 轉(zhuǎn)速 1 500 r/ min, Y 型連接 , 中間一臺是直流發(fā)電機 ,該機為并勵直流機 ,其額定值為 DC 250 V、 0. 5 kW、 2 000 r/ min。 在系統(tǒng)中作為可變負載用。 本文以空載形式介紹。 最后一臺為測速發(fā)電機 , 額定值為 DC 110 V、 200 mW、轉(zhuǎn)速 2 200 r / min。在系統(tǒng)中作為反饋裝置。 小型可編程控制器的選型 FX2N32MR 型 小型可編程控制器 是三菱電機小型 PLC 的強功能機， FX2n系列 PLC 由基本單元，擴展單元，擴展模塊，特殊功能模塊和編程器等構(gòu)成?；締卧ㄖ鳈C）中包含 CPU，儲存器， I/O 電路和電源，是 PLC 的主要部分；擴展單元是用于增加 I/O 點數(shù)，內(nèi)部沒有電源；擴展模塊用于增加 I/O 點數(shù)和改變 I/O比例，模塊內(nèi)部無電源，由基本單元或擴展單元供電。 擴展單元和擴展模塊都無CPU，必須與基本單元一起使用。特殊功能模塊是為了獲得某些特殊功能，滿足控制要求的特殊裝置。編程器用于程序的輸入，運行監(jiān)視和故障分析等。 所以 在這里我選擇了 課程中學習過的三菱公司 FX2N32MR 型 PLC 徐州師范大學本科生畢業(yè)論文 基于 PLC 的變頻調(diào)速系統(tǒng) FX2n32MR 的各部分構(gòu)成和說明 如圖 25 所示 [注 ]圖片引用自三菱 FX2N 使用手冊 圖 25 FX2n32MR 的各部分構(gòu)成和說明 及變頻器 的選型 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)和控制精徐州師范大學本科生畢業(yè)論文 基于 PLC 的變頻調(diào)速系統(tǒng) 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(yù)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。 在本系統(tǒng)中我采用了 VS mini 變頻器 VS mini 變頻器的外形結(jié)構(gòu) 如圖 26 所示 圖 26 VS mini 變頻器的外形結(jié)構(gòu) 徐州師范大學本科生畢業(yè)論文 基于 PLC 的變頻調(diào)速系統(tǒng) VS mini 變頻器控制端控制運行模式時的基本連線圖 如圖 27 所示 U、 V、 W 是變頻器輸出 , 當電機在基頻以 下轉(zhuǎn)動時為恒轉(zhuǎn)矩區(qū) , 其輸出為電壓與頻率呈恒比值的交流信號 ,控制三相交流異步電動機的轉(zhuǎn)速 。當電機在基頻以上轉(zhuǎn)動時 ,為恒功率區(qū) ,其輸出為電壓不變頻率變化的交流信號 , 控制三相交流異步電動機的轉(zhuǎn)速 ,并且 U、 V、 W 的相序任意調(diào)換兩相 , 則電機的轉(zhuǎn)動方向改變一次。 正 轉(zhuǎn)運 行 / 停 止反 轉(zhuǎn)運 行 / 停 止故 障 復(fù) 位三 相 電 源2 K ΩO VF CF RF SM