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1、陕西工业职业技术学院 陕西工业职业技术学院 基于PLC的变频器多段速调速系统设计专 业： 机电一体化 班 级： 机电1105班 姓 名： 冯 志 超 指 导 教 师： 司 老 师 目录1 绪论12课题的背景1背景分析23 PLC 和变频器的介绍54 PLC 的结构及特点55 PLC 的工作原理76 PLC 的应用77 PLC 发展趋势88 PLC 控制变频器带电机多段速运行89变频器的介绍810变频器的控制方式911变频器的应用912 PLC 与变频器的组合1013变频器和 PLC 进行配合时所需注意的事项1014变频调速系统1115变频调速的基本控制方式1116系统的控制要求1217方案的确
2、定1218 S7-200 PLC219MicroMaster420 变频器1320外部电路设计1421 变频开环调速1422按项目控制要求设计PLC和变频器1523 PLC程序设计1524变频器参数设置1625任务拓展1726项目实现17附录20结论23致谢24参考文献25绪论 课题的背景最先制成电动机的人是德国的雅可比，在两个 u 型电磁铁中间，装一六臂轮，每 臂带两根棒型磁铁。通电后，棒型磁铁与 u 型磁铁之间产生相互吸引和排斥作用 ， 带动轮轴转动。后来，雅可比做了一具大型的装置安在小艇上，用 320 个丹尼尔电池 供电，1838 年小艇在易北河上首次航行，时速只有 2.2 公里，与此同
3、时，美国的达文 波特也成功地制出了驱动印刷机的电动机，印刷过美国电学期刑电磁和机械情报 ， 但这两种电动机都没有多大商业价值，用电池作电源，成本太大、不实用。 直到第一台实用直流发动机问世 ，电动机被广泛应用。1870 年比利时工程师格 拉姆发明了直流发电机，在设计上，直流发电机和电动机很相似。后来，格拉姆证明 向直流发动机输入电流，其转子会象电动机一样旋转。于是，这种格拉姆型电动机大 量制造出来， 效率也不断提高。 与此同时， 西门子开始着手研究由电动机驱动的车辆， 于是西门子公司制成了世界电车。1879 年，在柏林工业展览会上，西门子公司不冒 烟的电车赢得观众的一片喝彩。西门子电机车当时只
4、有 3 马力，后来美国发明大王爱 迪生试验的电机车已达 1215 马力，但当时的电动机全是直流电机，只限于驱动电 车。 1888 年南斯拉夫出生的美国发明家特斯拉发明了交流电动机。 它是根据电磁感应 原理制成，又称感应电动机，这种电动机结构简单，使用交流电，无需整流，无火花， 因此被广泛应用于工业的家庭电器中，交流电动机通常用三相交流供电。 1902 年瑞典工程师丹尼尔森首先提出同步电动机构想。同步电动机工作原理同 感应电动机一样，由定子产生旋转磁场，转速固定不变，不受负载影响。因此同步电 动机特别适用于钟表，电唱机和磁带录音机。 当今世界， 电机的发展已成为衡量一个国家现代化程度的标志之一。
5、 近二十年来， 科学技术突飞猛进。随着电力电子技术、计算机技术和控制理论发展，电机调速技术 得到迅速发展， 使得电机的应用不再局限于工业应用而且在商业及家用设备等各个领 域获得更加广泛的应用；而随着新材料如稀土永磁材料 Nd-Fe-B、磁性复合材料的出 现，更给电机设计插上翅膀，各种新型、高效、特种电机层出不穷。这些都极大地丰 富了电机理论，拓宽了电机的应用领域，同时也给电机设计和制造工艺提出更高的要 求。 变频技术是近年来国际家电领域全面开发和应用的一项高新技术， 它采用新型变 频器，将 50Hz 的固定供电频率转换为 30-130Hz 的变化频率，实现电动机运转频率 的自动调节，达到节能和
6、提高效率的目的。 上个世纪 80 年代初，变频器实现了商品化。在近 20 年的时间内，经历了由模拟 控制到全数字控制和由采用 BJT 到采用 IGBT 两个大发展过程。 80 年代初采用的 BJT 的 PWM 变频器实现了通用化。到了 90 年代初，BJT 通用 变频器的容量达到了 600KVA,400KVA 以下。前几年主开关器件开始采用 IGBT，仅 三、四年的时间，IGBT 变频器的单机容量己达 800IVA，随着 IGBT 容量的扩大，通 用变频器的容量也将随之扩大。 变频器主电路中功率电路的模块化， 控制电路采用大规模集成电路和全数字控制 技术， 结构设计上采用“平面安装技术”等一系
7、列措施， 促进了变频电源装置的小型化。 另外， 一种混合式功率集成器件， 采用厚薄膜混合集成技术， 把功率电桥、 驱动电路、 检测电路、保护电路等封装在一起，构成了一种“智能电力模块”这种器件属于绝缘金 属基底结构，所以防电磁干扰能力强，保护电路和检测电路与功率开关间的距离尽可 能的小，因而保护迅速且可靠，传感信号也十分迅速。 电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化方向发 展。特别是微机的应用，为变频器多功能化和高性能化提供了可靠的保证。 人们总结了交流调速电气传动控制的大量实践经验，并不断融入软件功能。日益 丰富的软件功能使通用变频器的多功能化和高性能化为用户提供了一
8、种可能， 即可以 把原有生产机械的工艺水平“升级”，达到以往无法达到的境界，使其变成一种具有高 度软件控制功能的新机种。 目前出现了一类“多控制方式”通用变频器。例如安川公司的 VS616G5 变频器 就有:无 PG(速度传感器)V/f 控制:有 PG V/f 控制:无 PG 矢量控制:有 PG 矢量控制等四 种控制方式。通过控制面板，可以控制上述四种控制方式中的一种，以满足用户的需 要。 通用变频器经历了模拟控制、 数字控制、 数模混合控制， 直到全数字控制的演变， 逐步地实现了多功能化和高性能化，进而使之对各类生产机械、各类生产工艺的适应 性不断增强。最初通用变频器仅用于风机、泵类负载的节
9、能调速和化纤工业中高速缠 绕的多机协调运行等，到目前为止，其应用领域得到了相当的扩展。如搬运机械，从 反抗性负载的搬运车辆、带式运输机到位能负载的起重机、提升机、立体仓库、立体 停车厂等都已采用了通用变频器。各类切削机床直到高速磨床乃至数控机床、加工中 心超高速伺服机的精确位置控制都己应用通用变频器。 本系统是通过可编程控制器控制三相交流异步电动机的调速功能。具体内容如 下： 在理论研究的基础上，对变频调速系统进行总体方案的设计。 对变频调速系统进行硬件设计，包括变频器参数的设置、变频开环调速、多 段速控制以及触摸屏通信方式的设计。 在硬件设计的基础上，对变频调速系统进行软件设计，包括程序的编
10、写和分 析。 实现调速系统的触摸屏设计。 采用良好的抗干措施使系统更具稳定性。1背景分析（1）项目选题背景该项目选自于高等职业院校机电一体化技术专业的专业核心课程电气控制与可编程序控制器应用，课程的主要任务是使学生掌握常用电气控制元件，常用电气控制线路，可编程序控制器（PLC）的原理、结构、编程元件与指令系统，梯形图设计原则与技巧，PLC控制系统的设计方法，以及计算机辅助编程和PLC网络系统。（2）学生背景机电一体化技术专业高职二年级某班，学生40人，该课程开设在第三学期，该专业的学生在此之前学习了电工技术、电子技术、电机电气控制技术等前序课程。本项目任务处于电气控制与可编程序控制器应用课程的
11、后期，即学生通过本课程前几章的学习，已经熟练掌握了电气控制系统常用器件及常用电气控制线路设计，了解S7-200PLC的原理、结构、编程元件与指令系统，梯形图设计原则与技巧，熟悉常用基本环节的编程以及计算机辅助编程。可根据控制要求能自己读懂书上已设计好的梯形图，了解PLC在实际应用中的若干问题，具有熟练编程，调试及实际操作的能力。（3）学习条件10套THMDTK-1型机械设备装调与控制技术实训装置。实训装置和学习场所的实训室布局如下图1所示。集中讲授区低压电器元件展台工位1工位3工位5工具存放区 分组教学区工位2工位4工位1工位8工位10工位7工位9低压电器元件展台图1 实训设备和实训室布局图
12、PLC 和变频器的介绍 4 PLC 的结构及特点(1) PLC 的结构如下 电源 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源 系统是无法正常工作的，因此 PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流 电压波动在+10%(+15%)范围内， 可以不采取其它措施而将 PLC 直接连接到交流电网上去 中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是 PLC 的控制中枢。它按照 PLC 系统程序赋予的功能接收并存 储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O 以及警戒定时器的状态， 并能诊断用户程序中的语法错误。当 PLC 投入运行时，首先它以扫
13、描的方式接收现场各 输入装置的状态和数据，并分别存入 I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用 户程序， 经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入 I/O 映象区或数 据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将 I/O 映象区的各输出状态或输出 寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提 高 PLC 的可靠性，近年来对大型 PLC 还采用双 CPU 构成冗余系统，或采用三 CPU 的表决 式系统。这样，即使某个 CPU 出现故障，整个系统仍能正常运行。 存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程
14、序 存储器。 输入输出接口电路 现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路， 作用是 PLC 与现场控制的 接口界面的输入通道。2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求 电路集成，作用 PLC 通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 功能模块 如计数、定位等功能模块。 通信模块 如以太网、RS485、Profibus-DP 通讯模块等。 (2) PLC 其特点如下： 可靠性高，抗干扰能力强 传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不 良，容易出现故障。PLC 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和 输出有关的
15、少量硬件， 接线可减少到继电器控制系统的 1/101/100， 因触点接触不良造 成的故障大为减少。 高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采 用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如 三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长。从 PLC 的机外电路来说，使用 PLC 构成控制系统，和同 等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故 障也就大大降低。此外，PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报 信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护
