《基于PLC的PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)》8400字

I1引言1.1變頻調(diào)速的背景及發(fā)展方向有效利用能源在我國(guó)十分緊迫。作為主要的能源消耗者之一，電機(jī)具有巨大的節(jié)能潛力。中國(guó)80%以上的各類(lèi)電機(jī)為0.55-220KW。使用中的電動(dòng)系統(tǒng)的整體設(shè)備水平僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國(guó)家50代的水平。因此，從“十五”開(kāi)始，國(guó)家將加大對(duì)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的投入，變頻調(diào)速系統(tǒng)在中國(guó)將有巨大的市場(chǎng)需求。多年來(lái)，國(guó)家經(jīng)貿(mào)委與國(guó)家有關(guān)部門(mén)共同致力于變頻器技術(shù)的開(kāi)發(fā)、推廣和應(yīng)用。重點(diǎn)支持技術(shù)開(kāi)發(fā)和技術(shù)改造，組織開(kāi)展變頻調(diào)速技術(shù)評(píng)估推薦，將變頻調(diào)速技術(shù)推廣應(yīng)用作為風(fēng)機(jī)、水泵專(zhuān)項(xiàng)節(jié)能技術(shù)改造的重點(diǎn)投資方向。同時(shí)，鼓勵(lì)各單位實(shí)行同樣的貸款和還款模式，注重開(kāi)發(fā)、示范項(xiàng)目。我們還辦理了風(fēng)機(jī)和水泵節(jié)能中心，并開(kāi)展了信息咨詢(xún)和培訓(xùn)。1995年至1997年三年間，中國(guó)投資3.5億元對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵變頻調(diào)速進(jìn)行技術(shù)改造，總?cè)萘?00萬(wàn)千瓦，年節(jié)電7億千瓦時(shí)，平均投資回收期約2年。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，變頻調(diào)速技術(shù)在中國(guó)的應(yīng)用取得了相當(dāng)大的成就，每年的銷(xiāo)售額達(dá)數(shù)十億元，表明變頻器在中國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。從簡(jiǎn)單的手動(dòng)控制到基于RS-485網(wǎng)絡(luò)的多機(jī)控制，它與計(jì)算機(jī)和PLC聯(lián)網(wǎng)，形成一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)。在大型綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中，先進(jìn)的控制和優(yōu)化技術(shù)、大型成套專(zhuān)用系統(tǒng)，如連鑄連軋生產(chǎn)線(xiàn)、高速造紙生產(chǎn)線(xiàn)、光纜生產(chǎn)線(xiàn)、化纖生產(chǎn)線(xiàn)、建材生產(chǎn)線(xiàn)等。，變頻器的功能是電氣傳動(dòng)控制。其控制復(fù)雜度、控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)都有很高的要求，完全取代了直流調(diào)速技術(shù)。近年來(lái)，變頻器在功能上運(yùn)用先進(jìn)的控制理論，開(kāi)發(fā)了卷取、提升、主從等控制功能，使應(yīng)用系統(tǒng)的組成更加方便、簡(jiǎn)單，將變頻器的應(yīng)用技術(shù)提高到了一個(gè)新的水平。目前變頻調(diào)速技術(shù)主要發(fā)展方向?yàn)椋篬6]（1）高水平控制矢量控制、磁場(chǎng)控制、轉(zhuǎn)矩控制、模糊控制等高水平的控制技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在交流變頻調(diào)速中。（2）開(kāi)發(fā)清潔節(jié)能的變頻器隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注，減少變頻器對(duì)環(huán)境的影響是大勢(shì)所趨。盡可能減少網(wǎng)側(cè)和負(fù)荷的諧波成分，減少對(duì)電網(wǎng)的污染和電機(jī)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)清潔電能的轉(zhuǎn)變。（3）結(jié)構(gòu)小型化緊湊型變頻調(diào)速系統(tǒng)要求功率和控制元件高度集成。主電路中電源電路的模塊化控制電路采用大規(guī)模集成電路和全數(shù)字控制技術(shù)，促進(jìn)了變頻器結(jié)構(gòu)的小型化。（4）高集成化提高集成電路技術(shù)及采用表面貼片技術(shù)，使裝置的容量體積比得到進(jìn)一步提高1.2變頻調(diào)速的現(xiàn)實(shí)意義在電力拖動(dòng)領(lǐng)域，廣泛推廣變頻調(diào)速具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義：能夠大大提高生產(chǎn)設(shè)備的工藝水平、加工精度和工作效率，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量。(2)能夠大大減小生產(chǎn)機(jī)械的體積和質(zhì)量，減少金屬耗用量。(3)對(duì)風(fēng)機(jī)和水泵類(lèi)負(fù)載，采用變頻調(diào)速技術(shù)，可顯著地節(jié)約電能。變頻調(diào)速技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和日常生活中起著非常重要的作用。變頻調(diào)速技術(shù)使頻率成為一種充足的資源。近年來(lái)，變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展迅速，取得了明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[6]。1.3畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用德國(guó)西門(mén)子314c-2dpPLC作為系統(tǒng)控制器，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，采用渦流測(cè)功機(jī)顯示電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率，并能手動(dòng)改變電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。變頻器的頻率從0到100Hz不等。為保證設(shè)計(jì)安全，變頻器的最大頻率人為設(shè)定為50Hz。同樣，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速控制在1450rpm（額定轉(zhuǎn)速為1500rpm）。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要分為兩種控制方式：動(dòng)態(tài)控制和自動(dòng)控制。在這里，我主要使用jog固定頻率控制作為手動(dòng)控制方法，并使用控制面板上的控制開(kāi)關(guān)組合變頻。然后利用電位器控制模擬信號(hào)進(jìn)行變頻，作為一種自動(dòng)控制方法，通過(guò)速度反饋提高變頻效率。最后，對(duì)兩種方案進(jìn)行了比較分析。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的硬件接線(xiàn)圖如下：2西門(mén)子可編程控制器S7-3002.1PLC介紹2.1.1PLC的工作原理及工作過(guò)程可編程邏輯控制器是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)和繼電控制技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展起來(lái)的技術(shù)。目前，PLC已廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、化工、電力、交通、礦山、建材、輕工、環(huán)保、食品等行業(yè)。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）將PLC定義為：可編程控制器是一種數(shù)字操作的電子系統(tǒng)，旨在應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境。它采用可編程存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)和執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算的指令，并通過(guò)數(shù)字和模擬輸入輸出控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊炭刂破骷捌湎嚓P(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循易于與工業(yè)控制系統(tǒng)集成、易于擴(kuò)展其功能的原則。[1]PLC的工作過(guò)程如下：1.初始化過(guò)程：(1）硬件初始化，復(fù)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。2.掃描過(guò)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(shí)鐘處理，特殊寄存器更新。(3）執(zhí)行用戶(hù)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3.出錯(cuò)處理檢查PLC內(nèi)部電路，CPU、電池電壓、程序存儲(chǔ)器、I/O、通訊異常，當(dāng)出現(xiàn)致命錯(cuò)誤，CPU強(qiáng)制為STOP方式，所有掃描停止。4.PLC運(yùn)行流程如下：[1]電源ON電源ON內(nèi)部處理 內(nèi)部處理輸入處理（輸入傳送，遠(yuǎn)程I/O）輸入處理（輸入傳送，遠(yuǎn)程I/O）通信服務(wù)（外設(shè)，CPU，總線(xiàn)服務(wù)）通信服務(wù)（外設(shè)，CPU，總線(xiàn)服務(wù)）更新時(shí)鐘，特殊寄存器更新時(shí)鐘，特殊寄存器CPU運(yùn)行方式？STOPCPU運(yùn)行方式？執(zhí)行程序RUN執(zhí)行程序輸出處理輸出處理執(zhí)行自診斷執(zhí)行自診斷PLC正常否？NPLC正常否？存放自診斷錯(cuò)誤結(jié)果存放自診斷錯(cuò)誤結(jié)果是致命錯(cuò)誤嗎？N是致命錯(cuò)誤嗎？YCPU強(qiáng)制為STOPCPU強(qiáng)制為STOPPLC運(yùn)行框圖2.1.2PLC的優(yōu)點(diǎn)（1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)和嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝。內(nèi)部電路采用先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，可靠性高。例如，三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無(wú)故障時(shí)間高達(dá)30萬(wàn)小時(shí)。一些使用冗余CPU的PLC平均無(wú)故障時(shí)間較長(zhǎng)。從PLC的外部電路來(lái)看，采用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，與同等規(guī)模的繼電器-接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線(xiàn)和開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)減少了數(shù)百甚至數(shù)千倍，故障大大減少。此外，PLC還具有硬件故障自檢測(cè)功能，在發(fā)生故障時(shí)能及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。在應(yīng)用軟件中，用戶(hù)還可以編寫(xiě)外圍設(shè)備的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路和設(shè)備也能得到故障自診斷保護(hù)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)的可靠性就不足為奇了。（2）配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)在PLC發(fā)展的今天，已經(jīng)形成了一系列大、中、小型產(chǎn)品。可用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能外，大多數(shù)現(xiàn)代PLC還具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來(lái)，大量PLC功能單元的出現(xiàn)，使PLC滲透到位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。隨著PLC通信能力的增強(qiáng)和人機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展，利用PLC構(gòu)成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。（3）易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎PLC作為一種通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是工礦企業(yè)的工業(yè)控制設(shè)備。其接口容量圖十分接近，僅需少量PLC的開(kāi)關(guān)量邏輯控制指令即可輕松實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。從事電子電路的人，不熟悉電子組裝原理的人，都會(huì)用它來(lái)控制工業(yè)電路。（4）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造PLC采用存儲(chǔ)邏輯代替布線(xiàn)邏輯，大大減少了控制設(shè)備的外部布線(xiàn)，大大縮短了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工周期，同時(shí)也使維護(hù)更加方便。更重要的是，同樣的設(shè)備可以通過(guò)改變程序來(lái)改變生產(chǎn)過(guò)程。這非常適合多品種和小批量生產(chǎn)場(chǎng)合。（5）體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，新生產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅為幾瓦。由于體積小，很容易安裝到機(jī)器上。是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。2.1.3PLC的應(yīng)用領(lǐng)域目前，PLC在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車(chē)、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類(lèi)。[7]（1）開(kāi)關(guān)量的邏輯控制這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。它取代了傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)了邏輯控制和順序控制。它不僅可以用于單臺(tái)設(shè)備的控制，還可以用于多臺(tái)機(jī)組的控制和自動(dòng)裝配線(xiàn)。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、裝訂機(jī)、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線(xiàn)、電鍍流水線(xiàn)等。（2）模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，許多不斷變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度，都是模擬量。為了使可編程控制器能夠處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間的A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換。PLC制造商生產(chǎn)支持a/D和D/a轉(zhuǎn)換模塊，因此可編程控制器可用于模擬控制。（3）運(yùn)動(dòng)控制PLC可用于控制圓周運(yùn)動(dòng)或直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。在控制機(jī)構(gòu)配置方面，早期直接用于開(kāi)關(guān)量I/O模塊，連接位置傳感器和執(zhí)行器。現(xiàn)在，人們普遍使用特殊的運(yùn)動(dòng)控制模塊。例如，可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。世界主要PLC制造商的產(chǎn)品幾乎都具有運(yùn)動(dòng)控制功能，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場(chǎng)合。（4）過(guò)程控制過(guò)程控制指溫度、壓力和流量等模擬量的閉環(huán)控制。PLC作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，可以編寫(xiě)各種控制算法程序來(lái)完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一種廣泛應(yīng)用于一般閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊。目前，許多小型PLC也有這個(gè)功能模塊。PID處理一般是運(yùn)行一個(gè)特殊的PID子程序。過(guò)程控制廣泛應(yīng)用于冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場(chǎng)合。（5）數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（包括矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算）、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位運(yùn)算等功能。它可以完成數(shù)據(jù)的收集、分析和處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的參考值進(jìn)行比較，以完成某些控制操作。它們也可以通過(guò)使用通信功能傳輸?shù)狡渌悄茉O(shè)備，或者可以打印和制表。數(shù)據(jù)處理通常用于大型控制系統(tǒng)，如非受控柔性制造系統(tǒng)；它也可用于過(guò)程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金和食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。（6）通信及聯(lián)網(wǎng)PLC通信包括PLC之間的通信以及PLC與其他智能設(shè)備之間的通信。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，工廠(chǎng)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)得到了迅速發(fā)展。各PLC廠(chǎng)商都非常重視PLC的通訊功能，紛紛推出自己的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新生產(chǎn)的PLC具有通訊接口，通訊非常方便。2.2西門(mén)子S7-300介紹本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用的的是西門(mén)子S7-300系列的314C-2DPCPU。介紹將以此CPU為例。2.2.1電源模塊PS307電源模塊（5A）（6ES7307-1EAOO-OAAO）特性：（1）輸出電流為5A（2）輸出電壓為24VDC；防短路和開(kāi)路保護(hù)（3）連接單相交流系統(tǒng)（輸入電壓120/230VAC，50/60Hz）（4）可靠的隔離特性，符合EN60950（5）可用作負(fù)載電源接線(xiàn)圖2.2.2數(shù)字量模擬量輸入輸出模板數(shù)字量/模擬量輸入/輸出缺?。旱刂穫渥?4個(gè)數(shù)字量輸入124.0—126.7其中16個(gè)輸入用于技術(shù)功能：124.0—125.7所有數(shù)字輸入都可以作為中斷輸入編程任選技術(shù)功能：計(jì)數(shù)頻率測(cè)量脈沖寬度調(diào)制定位16個(gè)數(shù)字量輸出124.0—125.7其中4個(gè)輸入用于技術(shù)功能：124.0—124.34+1個(gè)模擬量輸入752—7612個(gè)模擬量輸出752—7553系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)分析3.1.1變頻調(diào)速原理介紹由于異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n與電源頻率f、轉(zhuǎn)速差s和電極級(jí)對(duì)數(shù)p成如下物理關(guān)系：n＝60f(1－s)/p式中n———異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；f———異步電動(dòng)機(jī)的頻率；s———電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；p———電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。從上面的公式可以看出，速度n與頻率f成正比。只要頻率f改變，電機(jī)的速度就可以改變。當(dāng)頻率f在0~50Hz范圍內(nèi)變化時(shí)，電機(jī)的調(diào)速范圍很寬，為變頻調(diào)速。變頻器通過(guò)改變電機(jī)的工頻來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。3.1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理圖如下：負(fù)載M變頻器PLC設(shè)定轉(zhuǎn)速+負(fù)載M變頻器PLC-測(cè)量變送n測(cè)量變送n本次畢業(yè)設(shè)計(jì)首先利用控制面板上的按鍵組合將液位信號(hào)發(fā)送給PLC，然后由PLC控制變頻器選擇jog的三級(jí)固定頻率。具體三級(jí)固定頻率為20Hz、30Hz和40Hz，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，采用自動(dòng)控制方式進(jìn)行變頻：PLC作為系統(tǒng)的CPU（執(zhí)行器），通過(guò)電位器的電壓（模擬量）輸入PLC的值作為電機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速，通過(guò)PLC的輸出電壓（模擬量）控制變頻器（執(zhí)行器）的輸出頻率，控制三相異步鼠籠式電動(dòng)機(jī)（被控對(duì)象）的電機(jī)轉(zhuǎn)速。通過(guò)改變渦流測(cè)功機(jī)來(lái)改變電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，從而改變電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速（增加或減少）。該系統(tǒng)通過(guò)渦流測(cè)功機(jī)測(cè)量電機(jī)的實(shí)際速度，并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)（反饋）至PLC。PLC將設(shè)定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，并改變輸出電壓，從而控制變頻器的輸出頻率，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速也會(huì)隨之改變（降低或升高），最終達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的轉(zhuǎn)速值?？梢钥闯?，自動(dòng)控制方案是一個(gè)帶反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。3.2硬件設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)的硬件的一些基本情況：PLC:西門(mén)子S7-300系列的314C-2DPCPU，設(shè)計(jì)中使用了2個(gè)數(shù)字量輸入，1個(gè)數(shù)字量輸出，2個(gè)模擬量輸入，一個(gè)模擬量輸出。變頻器：PWM矢量變頻器采用1/N/PE電源連接方式。主電源額定電流9.0a，輸出功率（U、V、w）1.6kva，額定輸出功率0.75KW，額定輸出電流4.8A。③電機(jī)：西門(mén)子三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，型號(hào)DSO100K4，額定轉(zhuǎn)速1500rpm，額定電壓230V/400V，額定電流4.8A/2.8A，額定功率1KW。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的電機(jī)采用△接法。系統(tǒng)硬件接線(xiàn)圖（1）強(qiáng)電部分：本次畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)采用220V單相交流電作為系統(tǒng)的輸入電源。對(duì)于PLC，依次連接PLC的電源模塊L1、N和PE。變頻器的反面也采用220V單相交流電源作為輸入電源。變頻器的具體電源接線(xiàn)圖如下：端子排上的+UG、-UG、L3/N三個(gè)端子不接電源線(xiàn)。其它三個(gè)端子接線(xiàn)為：L1接電源火線(xiàn)，L2/N接零線(xiàn)，PE為接地端。（2）弱點(diǎn)部分：主要為PLC數(shù)字量、模擬量的輸入輸出，以及直流電源和接地線(xiàn)（分?jǐn)?shù)字地和模擬地）。具體接線(xiàn)如下：（1）數(shù)字輸入：①I(mǎi)124.1———電機(jī)啟動(dòng)，接至控制面板上的SB1按鈕；②I124.2———電機(jī)停止，接至控制面板上的SB2按鈕；③I124.3———JOG選頻按鈕，接至控制面板上的SB3按鈕；④I124.4———JOG選頻按鈕，接至控制面板上的SB4按鈕；（2）數(shù)字輸出：①Q(mào)124.1———JOG頻率控制，接至變頻器端子面板X(qián)3/E1端子上；②Q124.2———JOG頻率控制，接至變頻器端子面板X(qián)3/E2端子上；③Q124.3———變頻器起啟動(dòng)/停止，接至變頻器端子面板X(qián)3/28端子上；（3）模擬量輸入：①PIW752———設(shè)定轉(zhuǎn)速（電壓）輸入端，接至點(diǎn)位器；②PIW754———反饋轉(zhuǎn)速（電壓）輸入端，接至電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩控制器的電壓信號(hào)接口；（4）模擬量輸出：①PQW754———用于控制變頻器的輸出頻率的電壓信號(hào)，接至變頻器端子面板上X1/1U端子上；（5）直流電源：①電位器的電源取至于變頻器的5V直流電源，接至變頻器端子面板上X3/9端子上；②PLC上兩個(gè)數(shù)字量輸入輸出點(diǎn)24V直流電源接至PLC電源模塊的24V端子上；（6）接地線(xiàn)：①數(shù)字地：PLC上四個(gè)數(shù)字量輸入輸出公共端接至PLC電源模塊的接地端，再接至變頻器的X3/7端子上；②模擬地：個(gè)模擬量輸入輸出的接地端子都接至變頻器的另一個(gè)X3/7端子上（注意兩個(gè)X3/7接地要分開(kāi)）；（7）變頻器的跳線(xiàn)器：由于本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用0-5V直流電源作為變頻器的電壓輸入控制信號(hào)，同時(shí)使用的是X3/1U端子，所以跳線(xiàn)器A(7-9)取下，跳線(xiàn)器B（8-10）連接。3.3軟件設(shè)計(jì)3.3.1創(chuàng)建項(xiàng)目創(chuàng)建項(xiàng)目時(shí)，雙擊桌面上的STEP7圖標(biāo)，進(jìn)入SIMATIC窗口并彈出標(biāo)題為“STEP7Wizart”：“NewProject”的小窗口。點(diǎn)擊[NEXT]按鈕，在新項(xiàng)目中選擇CPU模塊的型號(hào)為CPU314-2DP。點(diǎn)擊[NEXT]按鈕，選擇需要生成的邏輯塊。這里選0B1作為主程序的組織塊。點(diǎn)擊[NEXT]按鈕，輸入項(xiàng)目的名稱(chēng)“Elevatorcontrol3”。點(diǎn)擊[FINISH]按鈕，關(guān)閉窗口。單擊菜單欄中的菜單項(xiàng)目的名稱(chēng)，在下拉菜單中選“Open”命令，會(huì)彈出標(biāo)題為“OpenProject”，的小窗口。在“UserProjects”下選“Elevatorcontrol3”，單擊[OK]按忸生成項(xiàng)目，如下圖：3.3.2系統(tǒng)硬件組態(tài)硬件組態(tài)的任務(wù)就是在STEP7中成一個(gè)與實(shí)際的硬件系統(tǒng)完全相同的硬件系統(tǒng)。硬件組態(tài)的步驟：①雙擊“Hardware”圖標(biāo)，進(jìn)入硬件組態(tài)窗口；②生成機(jī)架，在機(jī)架中放置電源、CPU、數(shù)量輸入輸出模塊及模擬量輸入輸出模塊：③雙擊模塊，在打開(kāi)的對(duì)話(huà)框中設(shè)置模塊的參數(shù)，包括模塊的屬性和DP主站和從站的參數(shù)，最后組態(tài)完成的完整機(jī)架如圖：④保存硬件設(shè)置。3.3.3系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)本次實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的控制部分僅為兩個(gè)開(kāi)關(guān)量（啟動(dòng)和停止），根據(jù)硬件設(shè)計(jì)部分的數(shù)字量地址分配情況，在0B1下編寫(xiě)以下程序：3.3.4JOG固定頻率選擇3.3.5數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)為了整個(gè)程序文件的更加直觀(guān)明了，創(chuàng)建一個(gè)FC1功能塊：（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)最開(kāi)始是通過(guò)電位器給PLC輸入電壓信號(hào)（模擬量、0-5V直流電源）作為電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定值，PLC采集電壓信號(hào)后，需要轉(zhuǎn)變成數(shù)字量。同時(shí)，為了使此電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檎嬲脑O(shè)定轉(zhuǎn)速，必須建立一個(gè)電壓信號(hào)與設(shè)定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換關(guān)系，具體關(guān)系如下:模擬量信號(hào)（V）模擬值（16進(jìn)制）對(duì)應(yīng)的10進(jìn)制值對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速值（10進(jìn)制）PIW75201016≈0rpm53620138561500rpm倍率為：13856÷1500=9.23733333讀取電壓信號(hào)：數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)化為雙整型，再轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù)最后建立電壓信號(hào)與設(shè)定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換關(guān)系：程序中MD20即實(shí)際的設(shè)定轉(zhuǎn)速。（2）然后是反饋電壓信號(hào)的采集，渦流測(cè)功機(jī)會(huì)把轉(zhuǎn)數(shù)以1000rpm等價(jià)于1V的直流電壓信號(hào)輸入給PLC。同樣，PLC需要將此反饋的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再經(jīng)過(guò)一個(gè)電壓信號(hào)與實(shí)際轉(zhuǎn)速的變比關(guān)系把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的反饋轉(zhuǎn)速。關(guān)系如下：模擬量信號(hào)（V）模擬值（16進(jìn)制）對(duì)應(yīng)的10進(jìn)制值對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速值（10進(jìn)制）PIW7541.3（計(jì)算所得）E8037121331rpm倍率為：3712÷1331=2.800900（3）然后是比較操作。設(shè)定速度（MD20）和反饋實(shí)際速度（md34）之間的比較計(jì)算。設(shè)定速度-反饋的實(shí)際速度=Δn1（MD38），Δn1÷5=Δn（MD42）。再次將Δn添加到設(shè)定速度，并在計(jì)算后獲得新的輸出速度（md46）。該輸出速度將覆蓋原始電機(jī)速度，作為電機(jī)的實(shí)際速度。（4）在運(yùn)算過(guò)程中，可能運(yùn)算后的輸出轉(zhuǎn)速超過(guò)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速（1450rpm），為此設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)速上限值防止電機(jī)超速運(yùn)行。（5）最后需要將運(yùn)算后的輸出轉(zhuǎn)速通過(guò)一個(gè)變比關(guān)系轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)（模擬值）輸送給變頻器，作為變頻器頻率的控制信號(hào)。變比關(guān)系的倍率也是9.23733333。3.4分析比較通過(guò)觀(guān)察變頻器控制面板上的頻率、渦流測(cè)功機(jī)面板上的顯示以及電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，比較變頻調(diào)速兩種設(shè)計(jì)方案，可以知道：：①在空載情況下，與自動(dòng)控制相比，手動(dòng)控制可以快速準(zhǔn)確地達(dá)到設(shè)定速度，但可調(diào)頻率范圍有限，即一些“頻率點(diǎn)”（如20Hz、30Hz和40Hz），而自動(dòng)控制是頻率范圍。②當(dāng)有負(fù)載（負(fù)載扭矩不是0）時(shí)，與手動(dòng)控制相比，自動(dòng)控制可以快速準(zhǔn)確地達(dá)到設(shè)定速度。主要原因是在反饋?zhàn)饔孟?，PLC可以計(jì)算頻率差，控制和改變變頻器的輸出頻率。手動(dòng)控制無(wú)法反映電機(jī)負(fù)載，因此電機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)法準(zhǔn)確達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速。4系統(tǒng)的調(diào)試4.1硬件調(diào)試在220V交流電源未通電的前提下，用萬(wàn)用表檢查各跳閘線(xiàn)是否完全正確，各接地線(xiàn)是否未連接。完成后，用電線(xiàn)連接變頻器和電機(jī)，電機(jī)的輸入為△連接方法。將PC/MPI編程電纜的一段連接到計(jì)算機(jī)的USB端口，另一端連接到PLC。打開(kāi)“SIMATICmanager”，在菜單欄的選項(xiàng)中設(shè)置pg/PC界面，彈出如下對(duì)話(huà)框：在“為使用的接口分配參數(shù)”中選擇“PCAdapter（MPI）”，并查看其屬性，具體設(shè)置如下：并在“本地連接”中選擇連接到“USB”。選擇工程項(xiàng)目，再點(diǎn)擊工具欄中的“”下載按紐，進(jìn)行程序的下載。待程序下載完成后，即可通電，將PLC的開(kāi)關(guān)由“STOP”打至“RUN”,運(yùn)行程序。按下SB1，滑動(dòng)電位器，選擇任意一個(gè)電位，系統(tǒng)運(yùn)行。觀(guān)察渦流測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩顯示表。4.2軟件模擬監(jiān)控在系統(tǒng)運(yùn)行的前提，點(diǎn)擊工具欄中的“”按紐，進(jìn)行軟件的模擬監(jiān)控。會(huì)出現(xiàn)如下所示（某一瞬間的截圖）：控制程序：設(shè)定轉(zhuǎn)速（1373.56rpm）：實(shí)際轉(zhuǎn)速（1319.58rpm）：實(shí)際轉(zhuǎn)速（測(cè)量）為（1322rpm）：運(yùn)算后輸出的轉(zhuǎn)速為（1384.35rpm）：為了監(jiān)控實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)速誤差精度，設(shè)計(jì)以下程序段：由監(jiān)控可知，此時(shí)的轉(zhuǎn)速誤差為53.9808rpm,誤差精度為3.93個(gè)百分點(diǎn)。至此PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)完成。5總結(jié)畢業(yè)設(shè)計(jì)已進(jìn)入最后階段?；仡欉^(guò)去的三個(gè)月，我遇到了很多困難。通過(guò)自己的努力，在導(dǎo)師的幫助下，我基本達(dá)到了任務(wù)設(shè)定的目的，解決了課題中的大部分問(wèn)題，最終取得了畢業(yè)設(shè)計(jì)的成果?？傊?，陽(yáng)光總是在風(fēng)雨之后。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)基本