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1、PLC 与变频器结合实现电动机恒转矩控制摘要本文介绍了一种由西门子PLC和变频器构成的恒转矩控制系统.采用PROFIBUS协 议实现了 PLC 与变频器的通讯 . 介绍 PROFIBUS 通信协议 ,以德国西门子公司 MICROMASTER 440 型变频器为例,介绍了 PLC 与变频器进行通信的硬件连接。依据该 协议,实现了以 PLC 作为控制器,在 PLC 环境下编制程序对变频器进行远程控制.该系统 可以对各变频器的运行参数进行在线监测,并进行远程控制。文中介绍了关于钢板的清洗工艺,以系统的实际应用来说明本系统的实际价值，调节 刷辊的转矩来控制对钢板的刷洗力度。最后附以程序,有 PLC 和
2、变频器的通讯的程序和 PLC 与变频器结合控制电动机恒转矩的 PLC 程序. 实践证明,该系统能有效地减少系统 布线、提高系统的抗干扰能力,为恒转矩控制系统提供了一个低成本和高性能的方案。关键词：PLC,变频器，PROFIBUS协议PLC Combining With Frequency-converter Achieving ConstantTorque Control Of Electric MotorAbstractThis paper introduces a control system for instance torque composed of SIEMENS PLC and
3、frequency-converter. The serial communication between PLC and frequency-converter is realized based on the PROFIBUS protocol. The PROFIBUS protocol is introduced in detail. Hardware link of communication between PLC and frequency-converter are introduced with an example of SIEMENS frequency-converte
4、r MICROMASTER 440. According to this protocol, remote control of inverter is realized with SIEMENS PLC being controller under the environment of visual PLC. The presented system is very convenient to monitor the parameters of every frequency-converter on line and realize the distance control.The pap
5、er introduced steel cleaning processes for the system to illustrate the practical application of the actual value of the system, Adjusting brush roller torque to control brush roller intensity on the skin of steel. At last, together with procedures, there are communication procedures of PLC and freq
6、uency-converter and the procedures of PLC combining with frequency-converter achieving constant torque control of electric motor. Practice has proved that the method can reduce electric connections and improve the anti-jamming capability of the system. Thereby a scheme for PLC combining with frequen
7、cy-converter to achieve constant torque control of electric motor with low-cost and high-performance is provided.目录摘要 IABSTRACT II1 绪论 11.1 选题的背景 11.2 PLC 和变频器的发展 11.3 系统综述 22 三相异步电动机 42.1 异步电动机的旋转原理 42.2 异步电动机的电磁转矩 42.3 异步电动机的机械特性 53 变频器的恒转矩控制 63.1 变频器的工作原理 63.2 转矩控制时的运行特点 63.3 转矩给定信号与电动机转矩 64 STEP
8、7-300 简介 84.1 PLC的定义84. 2 STEP7-300 软件 85分布式外围设备现场总线(PROFIBUS-DP) 95.1 PROFIBUS-DP 简介95.2 PROFIBUS-DP 的物理连接95.3 PROFIBUS-DP 的报文结构96 系统的实现 116.1 系统的硬件连接116.2 MICROMASTER440 标准型变频器设置 116.3 MICROMASTER 440 控制字和状态字的设置 136.4 PROFIBUS-DP 主站与 MICROMASTER 440 的连接136.5 PLC与变频器的通讯程序设计146.6 系统的实际应用 18结论 31致谢 3
9、2参考文献 33附录A （英文文献）34附录B （中文译文）411 绪论1.1 选题的背景随着我国工业生产自动化程度的不断提高，PLC和变频器相结合的系统广泛地应用 在冶金、建材、电力、化工、食品等行业中。我国现在广泛使用的调速系统还比较落后， 直接影响了产品的质量。过去传统的电动机调速系统多采用变频器直接控制电动机的方法进行速度控制，由 于操作人员有限，不能安排太多人员在现场，现场外部工作环境又很恶劣，工厂车间闷 热，同时效率也很低，维修、维护麻烦，造成工作故障多，影响正常生产；另外由于变 频器技术仍未成熟，控制不稳定，精度低，调试烦琐，使用极不方便。根据所掌握的资 料，结合现代先进控制技术
10、，采用可编程序控制器控制 MICROMASTER 440 型变频器 拖动电动机方案，以弱电控制强电远程控制技术取代传统的直接控制方式。实践证明，该系统效率高，节约劳动力，为工作人员创造了舒适的工作环。由于以 上的优点，PLC和变频器相结合的系统会有更广阔的发展空间。1.2 PLC 和变频器的发展1、 PLC 的发展PLC 将朝着体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的方向发展。二是向大型化、 网络化、多功能方向发展。近年来，小型PLC的应用十分普遍，超小型PLC的需求 日益增多。据统计，美国机床行业应用小型PLC几乎占据了市场的1/4，国外许多PLC 厂家正在积极地研制开发各种超小型微型PLC
11、。例如德国西门子公司S7-200既可以单 机运行也可以联网实现复杂的控制。S7-200的最小配置是8个数字量输入和6个数字量 输出，还可以根据实际情况进行扩展27个模块，最多可达128个输入和120个输出， 此外S7-200还可以进行模拟量控制，是一种性能价格比较好的微型PLC.大型的多层次分布式控制系统与集中型相比，具有更高的安全性和可靠性。系统设 计、组态也更为灵活方便，地域分布也广，是当前控制系统发展的主要潮流。为了适应 这种发展，实现工厂自动化，世界上各 PLC 生产厂家不断地研制开发功能更强的 PLC 网络系统。这种 PLC 网络一般是多级的，网络的最底层是现场执行级，中间是协调级，
12、 网络上的最上层为组织管理级。现场执行级可以由多个PLC或远程I/O工作站所组成，中间一级由PLC或计算机构 成。最高一级一般由高性能的计算机组成。它们之间采用工业以太网和工业现场总线相连构成一个多级分布式PLC。随着自动控制技术的发展，这种多级分布式PLC控 制系统功能不再是单一的，除控制功能外，还可以实现在线优化、生产过程的实时调度、 产品计划、统计管理等功能，成为一种测、控、管一体化的多功能综合系统。目前 许 多 PLC开发商己经注意到了 PLC的兼容性，不仅是PLC与PLC兼容，而且还注意到PLC 与计算机的兼容，使之可以充分利用计算机现有的软件资源。例如西门子的 S7-300 采 用
13、SIMATIC S7的模块，它的软件编程、监控都可以在Window操作平台上操作和运行。 今后PLC将采用速度更快、功能更强的CPU、容量更大的存储器，并将更充分地利用 计算机资源.PLC控制系统将与智能控制系统工业控制计算机、集散控制系统、嵌入式 计算机等更进一步地相互渗透和结合，这必将更进一步拓宽 PLC 的应用领域和空间。2、变频器的发展 随着技术的不断发展，变频器技术的发展也越来越迅速，变频器将朝着以下几个方 面发展：（1）实现高水平的控制。基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场 控制、直接传矩控制和机械扭振补偿等；基于现代理论的控制策略，有滑模变结构技术、 模型参考自适应技
14、术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器，在某种指标意义 下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；基于智能控制思想的控制策略。（2）开发清洁电能的变流器。所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为 1，网 侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。（3）缩小装置的尺寸。紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度。（4）高速度的数字控制。以32位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能 力实现各种控制算法，Windows操作系统的引入使得可自由设计，图形编程的控制技术 也有很大的发展。（5）模拟与计算机辅助设计（CAD）技术。电机模拟器、负载模拟器以及各种C
15、AD 软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。1.3 系统综述本文介绍了利用 PLC 与变频器结合控制刷辊电动机恒转矩系统在钢板厂的应用， 介绍了刷辊对钢板刷洗的力度控制，通过对电机的力矩控制，实现了力度控制，从而对 钢板刷洗均匀 .干净。本系统是对电机的恒力矩控制，介绍了三相异步电动机、MICROMASTER 440 变频器、和 S7-300 的相关知识，为系统的设计做一些铺垫。本套系统采用西门子公司S7-300可编程控制器（PLC）作为中央控制核心，刷辊控 制采用西门子公司的 MICROMASTER 440 系列标准变频器， PLC 同变频器之间采用 PROFIBUS现场总线通讯
16、协议进行控制，恒转矩控制采用了集成在变频器内部的PID模 块，通过转矩的给定值和反馈值进行比较，达到输出稳定的功能。PLC同上位机之间通 过工业以太网，PLC采用STEP7 CPU 315-2DP，通过TCP/IP协议进行通讯。整体来说， 该电气自动化系统设计紧凑、控制方式先进、自动化程度高、控制方法灵活、适应性强。本文着重讲述了利用PROFIBUS-DP协议进行PLC与变频器之间的组态，实现PLC 对变频器的控制，首先必须把变频器和 PLC 之间用电缆连接起来，本套系统所采用的 连接电缆是双绞线（如常用的以太网缆）。然后就是对他们进行网络组态，设置 STEP7 CPU 315-2DP为DP主站，MICROMASTER 440变频器为DP
