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1、第1章 概 述随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，这促进了电气传动的技术革命。交流电机变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高效率，高功率因数，以及优异的调速和启制动性能等诸多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。1.1系统概述在现代工业和经济生活中，随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，交流变频调速技术作为高新技术、节能技术广泛应用于各个领域；由于PLC的功能强大、使用容易、可靠性高，常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。组态软件技术作为用户可定制功能的软件平台工具，
2、在工控机上可开发出友好的人机界面，通过PLC可以对自动化设备进行“智能化”控制。在本课题的系统中，考虑到电机的启动、运行、调速和制动的特性，因此采用高功能性控制的通用变频器对电机进行转速调节，此变频器的S型加减速功能和转矩提升功能，能很好的解决转速之间的切换和启动问题。系统中由PLC完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。基于PLC的编程软件采用模块化的程序设计方法，大量采用功能模块重用，减少软件的开发和维护。利用组态软件良好的人机界面和通信能力及PROFIBUS总线技术，使工程师、操作人员可以在中央控制室的工控机上方便的浏览现场的工业流程、实现变频器的参数设置、故障诊断和电机的启动和
3、停止的控制；同时可以在现场进行电机的启动、停止及增减速等的操作。1.2 PLC的概述可编程序控制器（PLC）是以微处理器为基础的工业控制装置，它的功能强，可靠性极高，编程简单，使用方便，体积小巧，近年来在工业生产中得到了广泛的应用，被誉为当代工业自动化的主要支柱之一。PLC的功能包括逻辑控制、定时控制、计数控制、步进（顺序）控制、PID控制、数据控制、通信和联网以及许多特殊功能模块。PLC具有极高的可靠性，丰富的I/O接口模块并且采用了模块化结构以适应各种工业控制的需要，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算
4、机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握，而且其安装简单，维修也方便，由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。适应行强的可编程序控制器产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各硬件装置功用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。可编程序控制器安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。可编程序控制器有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。可编程序控制器用软件代替大量的中间继电器、时间继电器，仅剩下与输和输出有关的少量接下接线，一般为继电器控制系统的十分之一到百分之一，因接触
5、不良造成的故障减少了很多。可编程序控制器采取了一系列软件和硬件抗干扰措施，使之具有很强的抗扰能力，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，可编程序控制器以被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，在发达的工业国家，PLC已经广泛应用于所有的工业部门，随着其性能价格比的不断提高，应用范围也不断扩大。主要用于：开关逻辑控制、运动控制、闭环过程控制、数据处理、通信联网等领域。1.4变频器的简介变频器按照变换环节分为两种：（1）交-交变频器 交-交变频器是将工频交流直接转换成
6、频率电压可调的交流，又称直接式变频器。（2）交-直-交变频器 交-直-交变频器是先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流。由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”所以又称间接式的变压变频器。交-直-交变频器的工作原理是把工频交流电通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电。利用变频器可以根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速或减速，具有效率高、范围宽、精度高且能无级变速的优点。其原理图如下所示：图1.1 变频器调速原理除了上面的分类外，变频器还有其他分类方式。按照主电路工
7、作方式，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。 本次设计采用MICROMASTER 420变频器，采用具有现代先进技术水平的绝缘双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。因此具有很搞的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。第2章 总体设计方案2.1 主
8、电路的设计本系统设计的变频调速系统单元，采用交流变频调速，通过控制变频器来实现三相异步电动机的开闭环、正反转和快慢速的转换。其具体工作过程如下：从电网上接入380V交流三相电源，首先通过一个接触器作为整个电路的通断开关。电动机三相U、V、W接在变频器的输出端口，输入端口L1、L2、L3通过A级滤波器连接在交流接触器KM1上。由于电机在转动过程中会产生大量热量，故主电路中还接了一个风机，起到冷却泵的作用，变频电机的风机则通热继电器FR41连接在交流接触器KM42上，再连接到交流接触器KM41的电网上。接下来是变频电机简单的起、停、开闭环、变频调速电器控制线路。其控制线路说明如下：QF41为空气断
9、路器，当空气开关闭合，没有按下启动按钮SB41时，交流接触器KM41处于断开状态；当按下起动按钮SB41时，接通交流接触器KM41，KM41继电器通电，交流接触器KM41保持通电状态，可编程序控制器运行，输出端给变频器一个启动信号，电源指示灯HR4亮。在运行中按下停止按钮SB42，则KM41继电器断电，交流接触器KM41断开。电机风机的控制电路用到了变频器的两个控制点RL1-B和RL1-C，当变频器通电时，这两点自动接通，交流接触器KM42的线圈也接通，风机开始运转，同时我们还用了热继电器FR41，用于过载保护。在加速和减速过程以外，电机一直是稳速运行。变频电机的加速、减速、慢速和稳速运行全部
10、都由变频器控制。加速和减速过程时间的长短，以及稳速值的大小由人为在变频器中根据需要设定。图2.1 变频调速系统总电气图2.2控制电路的设计图2.2 控制电路图总体控制要求：PLC根据输入端的控制信号及脉冲信号，经过程序运算后由通讯端口控制变频器运行设定的行程；电机运行到减速值后开始减速；电机运行到设定值后停止运行并锁定。2.3保护电路的设计当主电路电流超过某一数值后(2A左右)，由9R3，9R20上取得的过流信号电压超过运算放大器的反向输入端，使D触发器的输出为高电平，使晶体三极管V由截止变为导通，结果使继电器K的线圈得电，继电器K由释放变为吸引，它的常闭触点接在主回路接触器的线圈回路中，使接
11、触器释放，断开主电路。并使发光二极管亮，作为过流信号指示，告诉操作者已经过流跳闸。SA为解除记忆的复位按钮，当过流动作后，如过流故障已经排除，则须按下以解除记忆，恢复正常工作。图2.3保护电路图第3章 系统硬件设计3.1 变频器的选择与设置本次课程设计选用的是西门子的变频器，其型号是MM420。具体操作如下：P0010的参数过滤功能和P0003选择用户访问级别的功能在调试时是十分重要的。由此可以选定一组允许进行快速调试的参数。电动机的设定参数和斜坡函数的设定参数都包括在内。在快速调试的各个步骤都完成以后，应选定P3900，如果它置为1，将执行必要的电动机计算，并使其他所有的参数（P0010=1
12、不包括在内）恢复为缺省设置值。只有在快速调试方式下才进行这一操作。参照下表快速设置变频器。参数功能表序号变频器参数出厂值设定值功能说明1P070015命令源选择2P100025频率设定值选择（通过 COM 链路的USS）3P11355.00停止时间4P1232100150直流制动电流5P123301直流制动电流持续时间3.2 PLC的选择可编程控制器简称PLC（Programmable Logic Controller），在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC是一种专门为在工业环境下应
13、用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。（一）PLC的分类按产地分，可分为日系、欧美、韩台、大陆等。其中日系具有代表性的为三菱、欧姆龙、松下、光洋等；欧美系列具有代表性的为西门子、A-B、通用电气、德州仪表等；韩台系列具有代表性的为LG、台达等；大陆系列具有代表性的为合利时、浙江中控等。按点数分，可分为大型机、中型机及小型机等。大型机一般I/O
14、点数2048点；具有多CPU，16位/32位处理器，用户存储器容量816K，具有代表性的为西门子S7-400系列、通用公司的GE-系列等；中型机一般I/O点数为2562048点；单/双CPU，用户存储器容量28K，具有代表性的为西门子S7-300系列、三菱Q系列等；小型机一般I/O点数256点，单CPU，8位或16位处理器，用户存储器容量4K字以下，具有代表性的为西门子S7-200系列、三菱FX系列等。按结构分，可分为整体式和模块式。整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点；小型PLC一般采用这种整体式结构。模块式PLC由不同I/O
15、点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等；扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU；基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接；整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。按功能分，可分为低档、中档、高档三类。低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能；还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能；主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。中档PLC除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能；有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。高档PLC除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其
