基于PLC的變頻調速系統(tǒng)設計

1、 課 程 論 文題 目： 基于PLC的變頻調速系統(tǒng)設計 姓 名： 金 亦 鋮 學 號： 專業(yè)班級： 電氣工程及其自動化1班 學 院： 機電工程學院 指導教師： 唐榮年 基于PLC的變頻調速系統(tǒng)設計摘要：交流異步電動機是工農業(yè)生產中最重要的拖動設備之一，因其結構簡單、維修容易等優(yōu)點而得到了廣泛應用。而在現代工業(yè)生產中，有一些設備需要根據不同的工作環(huán)境，要調節(jié)到一個特定的轉速。從而對交流異步電動機的速度提出了要求，希望能達到一臺設備運行時，能根據不同材料的加工產品，實現運行速度的調節(jié)，并能穩(wěn)定運行。本設計主要由PLC、變頻器、電動機等幾部分組成。PLC是能進行行邏輯運算，順序運算，計時，計數，和算

2、術運算等操作指令，并能通過數字式或模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械或生產過程的工業(yè)計算機。本文綜合應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速系統(tǒng)，本次設計選用三相異步交流電機，而 PLC和 交流電機無論在工業(yè)還是生活中都是應用最廣，因此本次設計具有相當的實用價值。關鍵詞：PLC；變頻器；電動機；調速 一、緒論本次設計主要以PLC和變頻器為主，PLC是一種工業(yè)控制計算機，能進行邏輯運算，順序運算，計時，計數，和算術運算等操作指令，并能通過數字式或模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械或生產過程的工業(yè)計算機。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。變頻器操作

3、方便、體積小、控制性能高而成為目前世界上最受歡迎的調速方式，在工業(yè)工廠中應用十分廣泛，所以本次設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)自動化生產中基本要求。在科學研究和生產實踐的諸多領域中，調速系統(tǒng)占有著極為重要的地位。調速控制系統(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和控制理論。目前在控制領域中，雖然逐步采用了電子計算機這個先進技術工具，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結構簡樸、穩(wěn)定性好、工作可靠、使用中不必弄清系統(tǒng)的數學模

4、型。變頻調速已被公認為是最理想、最有發(fā)展前景的調速方式之一，采用變頻器構成變頻調速傳動系統(tǒng)的主要目的，一是為了滿足提高勞動生產率、改善產品質量、提高設備自動化程度、提高生活質量及改善生活環(huán)境等要求；二是為了節(jié)約能源、降低生產成本。用戶根據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)軟件是指一些數據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)概念出現之前，要實現某一任務，都是通過編寫程序來實現的。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)

5、軟件的出現，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，過程數據記錄，趨勢曲線，報警窗口，生產報表等功能，已經在多個領域被應用。二、系統(tǒng)的功能設計分析和總體思路系統(tǒng)功能設計分析隨著電力電子技術以及控制技術的發(fā)展，交流變頻調速在工業(yè)電機拖動領域得到了廣泛應用；可編程控制器PLC作為替代繼電器的新型控制裝置，簡單可靠，操作方便、通用靈活、體積小、使用壽命長且功能強大、容易使用、可靠性高，常常被用于現場數據采集和設備的控制；組態(tài)軟件技術作為用戶可定制功能的軟件開發(fā)平臺工具，可實現顯示電機轉速，可實現遠程調速

6、控制，在PC機上可開發(fā)友好人機界面，通過PLC可以對自動化設備進行“智能”控制。在此，本次設計就是基于PLC的變頻器調速系統(tǒng)。將現在應用最廣泛的PLC和變頻器綜合起來主要功能實現了變壓變頻調速。電機的正反轉，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。系統(tǒng)設計的總體思路系統(tǒng)主要由三個部分構成，即可編程邏輯控制器件PLC、變頻器和電機。首先通過設置給定輸入給PLC，再通過PLC控制變頻器，再經由變頻器來控制電機，隨后將電機的轉速反饋給PLC，經比較后輸出給變頻器從而實

7、現無靜差調速。具體如下圖所示：速度給定 +電機變頻調速系統(tǒng)PLC（PID）速度反饋信號圖1.1 速度閉環(huán)控制的機構控制圖1、 PLC和變頻器的選擇PLC的概述PLC的基本結構可編程序控制器簡稱為PLC（Programmable Logic Controller）主要由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成。（如下圖2.1所示）編程器接觸器線圈按鈕輸入接口輸出接口存儲器指示燈繼電器觸點電磁閥線圈位置開關.微處理器 電源PLC圖2.1 PLC控制系統(tǒng)示意圖可編程序控制器實際上是一種工業(yè)控制計算機，它的硬件結構與一般微機控制系統(tǒng)相似，甚至與之無異?？删幊绦蚩刂破髦饕蒀PU（中央處理單元）、存儲

8、器（RAM和EPROM）、輸入/輸出模塊（簡稱I/O模塊）、編程器和電源五大部分組成。PLC的工作原理PLC運行時，需要進行大量的操作，這迫使PLC中的CPU只能根據分時操作原理，按一定的順序，每一時刻執(zhí)行一個操作。這種分時操作的方式，稱為CPU的掃描工作方式，是PLC進行實時控制的常用的一種方式。 PLC采取按順序循環(huán)掃描的工作方式，當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。 PLC的型號選擇工藝流程的特點和應用要求是設計選型的主要依據。PLC

9、及有關設備應是集成的、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應是在相關工業(yè)領域有投運業(yè)績、成熟可靠的系統(tǒng)，PLC的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應與裝置規(guī)模和控制要求相適應。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關的編程語言有利于縮短編程時間，因此，工程設計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務和范圍確定所需的操作和動作，然后根據控制要求，估算輸入輸出點數、所需存儲器容量、確定PLC的功能、外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設計相應的控制系統(tǒng)。綜合了輸入輸出（I/O）點數、存儲器容量、各項控制功能和機型的考慮以及性價比等各方

10、面的因素，在此我為該系統(tǒng)設計選擇了S7-200 PLC一臺。圖 S7-200 PLC CPU的外形模型圖S7-200有5種CPU模塊、6個有12種工作方式的高速計數器和兩點高速計數器/和脈沖寬度調制器、直接讀寫的模擬量I/O模塊、先進的程序結構、靈活方便的尋址方式以及程序化的PID編程控制。強大的通訊功能，它支持多種通信協(xié)議。價格是它在所有品牌在同一功能區(qū)內很有競爭力的。最重要的是它還提供了完善的的網上支持。這些都為實現本系統(tǒng)的設計提供很好的條件和方便。例如，高速計數器可以用來測速從而實現速度反饋。變頻器的選擇和參數設置變頻器的選擇隨著變頻器性能價格比的提高，交流變頻已應用到許多領域，由于變頻

11、調速的諸多優(yōu)點，使得交流變頻調速得到廣泛應用。其功能較強，使用靈活，但其價格相對較貴。所以我選用了通用變頻器，通過合理的配置、設計和編程，同樣可以達到專用變頻器的控制效果。本設計采用的變頻器是西門子公司面向世界推出的21世紀通用型變頻器MM420。它可實現平穩(wěn)操作和精確控制，使電動機達到理想輸出，這種變頻器不僅考慮了V/f控制，而且還實現了矢量控制，通過其本身的自動調諧功能與無速度傳感器電流矢量控制，很容易得到高起動轉矩與較高的調速范圍。MM420變頻器的特點如下：（1） 包括電流矢量控制在內的四種控制方式均實現了標準化（2） 又豐富的內藏與選擇功能（3） 由于采用了最新式的硬件，因此，功能全

12、、體積小。（4） 保護功能完善、維修性能好。（5） 通過LCD操作裝置，可提高操作性能。變頻調速原理變頻調速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調速的目的。n=60f(1-s)/p 對于成品電機，其磁極對數p已經確定，轉差率s變化不大，故電機的轉速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速，進而達到異步電機的調試目的。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。三相異步電動機的幾種調速方式 三相異步電動機轉速公式為：

13、n=60f/p（1-s） 從上式可見，改變供電頻率f、電動機的極對數p及轉差率s均可太到改變轉速的目的。從調速的本質來看，不同的調速方式無非是改變交流電動機的同步轉速或不改變同步轉兩種。在生產機械中廣泛使用不改變同步轉速的調速方法有繞線式電動機的轉子串電阻調速、斬波調速、串級調速以及應用電磁轉差離合器、液力偶合器、油膜離合器等調速。改變同步轉速的有改變定子極對數的多速電動機，改變定子電壓、頻率的變頻調速有能無換向電動機調速等。 從調速時的能耗觀點來看，有高效調速方法與低效調速方法兩種：高效調速指時轉差率不變，因此無轉差損耗，如多速電動機、變頻調速以及能將轉差損耗回收的調速方法（如串級調速等）。

14、有轉差損耗的調速方法屬低效調速，如轉子串電阻調速方法，能量就損耗在轉子回路中；電磁離合器的調速方法，能量損耗在離合器線圈中；液力偶合器調速，能量損耗在液力偶合器的油中。一般來說轉差損耗隨調速范圍擴大而增加，如果調速范圍不大，能量損耗是很小的。 一、變極對數調速方法 這種調速方法是用改變定子繞組的接紅方式來改變籠型電動機定子極對數達到調速目的，特點如下：具有較硬的機械特性，穩(wěn)定性良好；無轉差損耗，效率高；接線簡單、控制方便、價格低；有級調速，級差較大，不能獲得平滑調速；可以與調壓調速、電磁轉差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調速特性。 本方法適用于不需要無級調速的生產機械，如金屬切削機床、升降

15、機、起重設備、風機、水泵等。 2、 變頻調速方法 變頻調速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉速的調速方法。變頻調速系統(tǒng)主要設備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流-直流-交流變頻器和交流-交流變頻器兩大類，目前國內大都使用交-直-交變頻器。其特點：效率高，調速過程中沒有附加損耗；應用范圍廣，可用于籠型異步電動機；調速范圍大，特性硬，精度高；技術復雜，造價高，維護檢修困難。 本方法適用于要求精度高、調速性能較好場合。 3、 串級調速方法 串級調速是指繞線式電動機轉子回路中串入可調節(jié)的附加電勢來改變電動機的轉差，達到調速的目的。大部分轉差功率被串入的附加電勢所吸收，再利用產生附加的裝

16、置，把吸收的轉差功率返回電網或轉換能量加以利用。根據轉差功率吸收利用方式，串級調速可分為電機串級調速、機械串級調速及晶閘管串級調速形式，多采用晶閘管串級調速，其特點為：可將調速過程中的轉差損耗回饋到電網或生產機械上，效率較高；裝置容量與調速范圍成正比，投資省，適用于調速范圍在額定轉速70%-90%的生產機械上；調速裝置故障時可以切換至全速運行，避免停產；晶閘管串級調速功率因數偏低，諧波影響較大。本方法適合于風機、水泵及軋鋼機、礦井提升機、擠壓機上使用。開環(huán)控制設計及PLC編程硬件設計在沒有反饋信息的比較，通過直接給定控制信息的控制調速系統(tǒng)稱之為開環(huán)調速系統(tǒng)。其控制思想的結構框圖如下圖所示：速度

17、給定變頻調速系統(tǒng) PLC圖4-1速度開環(huán)控制的結構控制開環(huán)控制的外部硬件連接圖：+24VDIN1DIN2AIN1AIN2L1L21M 1LI0.0 Q0.0I0.1 Q0.1I0.2 Q0.22M+24V UVWS7-200PLCA B C西門子MM420變頻器LNFUMAC220VX Y Z圖4-2 硬件連接圖PLC軟件編程設計步驟(1) 使用PLC的各個輸入點作為系統(tǒng)的各個控制信號； (2) 使用PLC的一個模擬量輸出點AQWO作為使電機轉動的頻率給定信號，接到MM440變頻器的AIN1+，AIN1-端子上； (3) 調節(jié)變頻器使其輸出頻率受模擬量輸入電壓控制； (4) 然后編制輸出按時間

18、函數循環(huán)的梯形圖程序； (5) 最后調試并運行。程序的主體（1） 初始化變量及判斷按鍵和鎖定相應的狀態(tài)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） 有循環(huán)位時啟動下一次循環(huán)子程序 （8） 外部電壓給定子程序控制程序T形圖PLC系統(tǒng)的抗干擾設計變頻器的干擾源 在變頻器的輸入輸出電路中，除較低次的諧波成分外，還有許多頻率很高的諧波電流，這些電流除了增加輸入側的無功功率，降低功率因數以外，還將以各種方式把自己的能量傳播出去，形成對其他設備的干擾信號，嚴重的甚至使某些設備無法正常

19、工作。 變頻器干擾其他設備的根本原因是因為輸入和輸出電流中具有高次諧波成分。變頻器的輸入電流中具有很大的高次諧波成分，這些高次諧波電流除了影響功率因數外，也可能對其他設備進行干擾。由于絕大多數逆變橋都采用SPWM調制方式，其輸出電壓為輸出占空比按正弦規(guī)律分布的系列矩形波。又由于電動機定子繞組的電感性質，其定子電流十分接近正弦波，但其中與載波頻率相等的諧波分量仍較大。干擾信號的傳播方式 電路傳導方式 通過電源網絡傳播。這時變頻器輸入電流干擾信號的主要傳播方式。 通過漏電流傳播。這是變頻器輸出側干擾信號的主要傳播方式。 感應耦合方式 電磁感應方式。這是電流干擾信號的主要傳播方式。由于變頻器的輸入電

20、流與輸出電流中的高頻成分要產生高頻磁場，該磁場的高頻磁力線穿過其他設備的控制線路而產生感應干擾電源。 靜電感應方式。這是電壓干擾信號的主要傳播方式。是變頻器輸出的高頻電壓波通過線路的分布電容傳播給主電路。 空中輻射方式。頻率很高的諧波分量具有向空中輻射電磁波的能力，從而多其他設備形成干擾。主要抗干擾措施 電源抗干擾措施在PLC控制系統(tǒng)中，電源占有極重要的地位。電網干擾串入PLC控制系統(tǒng)主要通過PLC系統(tǒng)的供電電源（如CPU電源、I/O電源等）、變送器供電電源與PLC系統(tǒng)具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進入的。現在，對于PLC系統(tǒng)供電的電源，一般都采用隔離性能較好電源，而對于變送器供電的電源

21、和PLC系統(tǒng)有直接電氣連接的儀表的供電電源，并沒受到足夠的重視，雖然采取了一定的隔離措施，但普遍還不夠，主要是使用的隔離變壓器分布參數大，抑制干擾能力差，經電源耦合而串入共模干擾、差模干擾。所以，對于變送器和共用信號儀表供電應選擇分布電容小、抑制帶大（如采用多次隔離和屏蔽及漏感技術）的配電器，以減少PLC系統(tǒng)的干擾。此外，為保證電網饋點不中斷，可采用在線式不間斷供電電源供電，提高供電的安全可靠性。并且UPS還具有較強的干擾隔離性能，是一種PLC控制系統(tǒng)的理想電源。硬件濾波及軟件抗干擾措施信號在接入計算機前，在信號線與地間并接電容，以減少共模干擾；在信號兩極間加裝濾波器可減少差模干擾。由于電磁干

22、擾的復雜性，要根本消除迎接干擾影響是不可能的，因此在PLC控制系統(tǒng)的軟件設計和組態(tài)時，還應在軟件方面進行抗干擾處理，進一步提高系統(tǒng)的可靠性。常用的一些措施：數字濾波和工頻整形采樣，可有效消除周期性干擾；定時校正參考點電位，并采用動態(tài)零點，可有效防止電位漂移；采用信息冗余技術，設計相應的軟件標志位；采用間接跳轉，設置軟件陷阱等提高軟件結構可靠性。接地抗干擾措施接地的目的通常有兩個，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。 系統(tǒng)接地方式有：浮地方式、直接接地方式和電容接地三種方式。對PLC控制系統(tǒng)而言，它屬高速低電平控制裝置，應采用直接接地方式。由

23、于信號電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響，裝置之間的信號交換頻率一般都低于1MHz，所以PLC控制系統(tǒng)接地線采用一點接地和串聯一點接地方式。集中布置的PLC系統(tǒng)適于并聯一點接地方式，各裝置的柜體中心接地點以單獨的接地線引向接地極。如果裝置間距較大，應采用串聯一點接地方式。用一根大截面銅母線（或絕緣電纜）連接各裝置的柜體中心接地點，然后將接地母線直接 連接接地極。接地線采用截面大于222mm的銅導線，總母線使用截面大于602 mm的銅排。接地極的接地電阻小于2，接地極最好埋在距建筑物1015m遠處，而且PLC系統(tǒng)接地點必須與強電設備接地點相距10m以上。信號源接地時，屏蔽層應在信號側接地；不接地時，應在PLC側接地；信號線中間有接頭時，屏蔽層應牢固連接并進行絕緣處理，一定要避免多點接地；多個測點信號的屏蔽雙絞線與多芯對絞總屏電纜連接時，各屏蔽層應相互連接好，并經絕緣處理。選擇適當的接地處單點接點。結論在這次課程設計中我覺得最重要的就是要有自學能力，因為這次實訓中有部分知識我們之前還沒有接觸過，所以自己必須學會查找相關的資料。另外就是在遇到實際問題的時候，要認真思考，運用所學的知識，一步一步的去探索，是完全可以解決遇到的一般問題的。而在這次設計程序的過程中，我一開始時走了很多彎路，這也是自己的知識不夠扎實的原因。不過經過自己幾天的努力，最后還是做了出來，而且