PLC與變頻器控制電機多段速運行

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書畢業(yè)設(shè)計（論文）題目 PLC與變頻器控制電機多段速運行 專業(yè)： 11機電一體化 姓名： 孫大鵬 畢業(yè)設(shè)計（論文）工作起止時間： 畢業(yè)設(shè)計（論文）的內(nèi)容要求：1、采用西門子的S7-300型PLC 作為核心控制器進行步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計； 2、并且設(shè)計出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖、程序指令、梯形圖以及輸入輸出端子的分配方案； 3、同時根據(jù)步進電機調(diào)速控制系統(tǒng)總體控制要求和特點,確定PLC 的輸入輸出分配,并進行現(xiàn)場調(diào)試 指導(dǎo)教師（簽名）： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計開題報告一、課題設(shè)計（論文）目的及意義目前，我國的能源消費僅次于美國，位列世界第二，但國民生產(chǎn)總值卻排在第八位左右，其中最重要的原因

2、之一就是單位產(chǎn)值能耗太大。我國具有各類風機約780 萬臺，水泵 4000 萬臺，空壓機 560 萬臺，這些裝置又占去了電機耗電的一半以上。由于這些設(shè)備一般均采用恒速驅(qū)動，每年造成大量能源浪費。國家在規(guī)劃中指出：堅持開發(fā)節(jié)約并重、節(jié)約優(yōu)先，按照減量化、再利用、資源化的原則，大力推進節(jié)能節(jié)水節(jié)地節(jié)材，加強資源綜合利用，完善再生資源回收利用體系，全面推行清潔生產(chǎn)，形成低投入、低消耗、低排放和高效率的節(jié)約型增長方式。實行有利于資源節(jié)約的價格和財稅政策。強化節(jié)約意識，鼓勵生產(chǎn)和使用節(jié)能節(jié)水產(chǎn)品、節(jié)能環(huán)保型汽車，發(fā)展節(jié)能省地型建筑，形成健康文明、節(jié)約資源的消費模式。我國對交流變頻調(diào)速技術(shù)的研究起步較晚，到

3、上個世紀 90 年代才有產(chǎn)品出現(xiàn)，采用的控制技術(shù)幾乎都還只是 V/F 控制，調(diào)速性能根本無法與國外產(chǎn)品相比。目前在中、低壓交流傳動中，變頻器的使用越來越多，而我國在研究矢量控制系統(tǒng)所需的各種硬件條件已經(jīng)具備，如已出現(xiàn)的智能化功率器件（IPM），其電壓等級、開關(guān)頻率都有很大的提高；數(shù)字化控制元件也已出現(xiàn)單指令周期 10ns 的高速數(shù)字信號處理器（DSP）和幾乎能完成一個系統(tǒng)功能的專用集成電路。變頻調(diào)速已成為電動機調(diào)速的最新潮流，有其自身的特點和優(yōu)點，隨著交流電動機變頻技術(shù)的日趨完善和推廣應(yīng)用，特別是在礦用大功率高壓設(shè)備中的絞車、提升機、通風機、帶式輸送機等礦用設(shè)備上的應(yīng)用效果則更加明顯。對耗電大

4、、生產(chǎn)環(huán)境惡劣的煤炭行業(yè)推廣應(yīng)用變頻技術(shù)更具有現(xiàn)實意義。本課題以 PLC 和變頻器控制交流調(diào)速為研究對象，設(shè)計出基于 PLC 和變頻器控制交流調(diào)速系統(tǒng)的實驗裝置。本論文的選題不論是從理論上還是從實踐上都有十分重要的意義。二、課題設(shè)計（論文）提綱 1、設(shè)計流程。 2、選擇適合的傳感器以及相關(guān)硬件。 3、線路的設(shè)計以及PLC的選擇三、課題設(shè)計（論文）思路、方法及進度安排 1、參閱相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)資料，如步進電機調(diào)速的設(shè)計方法等，擬確定各結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，從而能實現(xiàn)步進電機的功能。 2、要從各種方案中選擇合適的方案，分析出各方案的優(yōu)缺點，綜合優(yōu)化各種設(shè)計方案，從而確定出本次設(shè)計的最后設(shè)計方案。 3、要完成

5、步進電機的設(shè)計與校核。4、完成總裝配圖，零件圖，部件圖設(shè)計和說明書的撰寫。進度安排 1、調(diào)研及收集相關(guān)資料； 2、方案設(shè)計、審查和確定，撰寫開題報告； 3、繪制圖紙和撰寫設(shè)計說明書； 4、統(tǒng)一打??；5、提交圖紙，說明書，審圖及修改，畢業(yè)答辯。四、課題設(shè)計（論文）參考文獻；1 魏志精.可編程控制器應(yīng)用基礎(chǔ)電子工業(yè)出版社,20032 周恩濤.可編程控制器原理及其在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用機械工業(yè)出版社3 廖常初.PLC基礎(chǔ)及應(yīng)用北京：機械工業(yè)出版社,20034 楊長能，張興毅可編程序控制器基礎(chǔ)及應(yīng)用重慶：重慶大學(xué)出版社1992，31-525 袁秀英組態(tài)軟件技術(shù)北京：電子工業(yè)出版社2003，6-37，154

6、-1596 北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司MCGS用戶指南7 胡健，西門子S7-300, 機械工業(yè)出版社,2007,24- -目 錄目 錄 I 摘 要II引 言31 PLC和變頻器41.1 PLC的介紹41.1.1 PLC的結(jié)構(gòu)及特點41.1.2 PLC的工作原理51.1.3 PLC的應(yīng)用61.1.4 PLC發(fā)展趨勢61.2 變頻器的介紹71.2.1 變頻器的工作原理71.2.2 變頻器的控制方式81.2.3 變頻器的應(yīng)用91.3 PLC與變頻器的組合92系統(tǒng)功能設(shè)計的分析與總體方案102.1 系統(tǒng)功能設(shè)計的分析102.2 設(shè)計要求102.3 設(shè)計思路103 控制設(shè)計113.1 變頻器功能

7、參數(shù)設(shè)置與操作113.2 變頻器參數(shù)設(shè)置123.3 PLC程序設(shè)計13參 考 文 獻18附錄A 變頻器內(nèi)部原理框圖19附錄B 硬件連接圖20致 謝22摘 要可編程控制器（PLC）是一種數(shù)字運算與操作的控制裝置。PLC作為傳統(tǒng)繼電器的替代產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。由于PLC可以用軟件來改變控制過程，并有體積小，組裝靈活，編程簡單，抗干擾能力強及可靠性高等特點，特別適用于惡劣環(huán)境下運行。隨著電力電子技術(shù)以及控制技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速在工業(yè)電機拖動領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用；可編程控制器PLC作為替代繼電器的新型控制裝置,常常被用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和設(shè)備的控制。本文介紹了基于PLC的變頻器調(diào)速系統(tǒng)。

8、將現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的PLC和變頻器綜合起來主要功能實現(xiàn)了變頻調(diào)速。首先通過設(shè)置給定輸入給PLC，再通過PLC控制變頻器，再經(jīng)由變頻器來控制電機，隨后將電機的轉(zhuǎn)速反饋給PLC，經(jīng)比較后輸出給變頻器從而實現(xiàn)無靜差調(diào)速，控制運算主要由PLC和變頻器來完成，執(zhí)行元件為變頻器和電機。關(guān)鍵詞：PLC；變頻器；變頻調(diào)速- 22 -引言調(diào)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(chǎn)中基本要求。在科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐的諸多領(lǐng)域中 調(diào)速系統(tǒng)占有著極為重要的地位 特別是在國防、汽車、冶金、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足輕重的作用。調(diào)速控制系統(tǒng)的工藝過程復(fù)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(shù)和控制理論

9、。 可編程控制器（PLC）可編程控制器是一種工業(yè)控制計算機，是繼續(xù)計算機、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動裝置。它具有抗干擾能力強，價格便宜，可靠性強，編程簡樸，易學(xué)易用等特點，在工業(yè)領(lǐng)域中深受工程操作人員的喜歡，因此PLC已在工業(yè)控制的各個領(lǐng)域中被廣泛地使用。 變頻調(diào)速已被公認為是最理想、最有發(fā)展前景的調(diào)速方式之一，采用變頻器構(gòu)成變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)的主要目的，一是為了滿足提高勞動生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高設(shè)備自動化程度、提高生活質(zhì)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(chǎn)成本。用戶根據(jù)自己的實際工藝要求和運用場合選擇不同類型的變頻器。1 PLC和變頻器1.1 PLC的介紹1.1.

10、1 PLC的結(jié)構(gòu)及特點(1) PLC的結(jié)構(gòu)如下 電源PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設(shè)計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去 中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然

11、后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。為了進一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。 存儲器存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。 輸入輸出接口電路現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是PLC與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入

12、通道。2、現(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用PLC通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號。 功能模塊如計數(shù)、定位等功能模塊。 通信模塊如以太網(wǎng)、RS485、Profibus-DP通訊模塊等。(2) PLC其特點如下： 可靠性高，抗干擾能力強傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器、時間繼電器。由于觸點接觸不良，容易出現(xiàn)故障。PLC用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的1/101/100，因觸點接觸不良造成的故障大為減少。高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集

13、成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。 硬件配套齊全，功能完善，適用性強

14、PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，并且已經(jīng)標準化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。PLC的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。PLC有較強的帶負載能力，可直接驅(qū)動一般的電磁閥和交流接觸器，可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易

15、。 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。 系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量小，維護方便，容易改造PLC的梯形圖程序一般采用順序控制設(shè)計法。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，梯形圖的設(shè)計時間比設(shè)計繼電器系統(tǒng)電路圖的時間要少得多。PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線

16、，使控制系統(tǒng)設(shè)計及。建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。體積小，重量輕，能耗低。1.1.2 PLC的工作原理當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(fù)執(zhí)行上述三個階段。 (1) 輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀

17、態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 (2) 用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。 即在用戶程序執(zhí)行過程

18、中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。 在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。 (3) 輸出刷新階段 當掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進入輸出刷新

19、階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。這時，才是PLC的真正輸出。1.1.3 PLC的應(yīng)用最初，PLC主要用于開關(guān)量的邏輯控制。隨著PLC技術(shù)的進步，它的應(yīng)用如今，PLC不僅用于開關(guān)量控制，還用于模擬量及數(shù)字量的控制，可采集與存儲數(shù)據(jù)，還可對控制系統(tǒng)進行監(jiān)控；還可聯(lián)網(wǎng)、通訊，實現(xiàn)大范圍、跨地域的控制用PLC進行開關(guān)量控制實例是很多的。PLC控制系統(tǒng)可應(yīng)用于三相異步電動機單向運轉(zhuǎn)控制、三相異步電動機可逆運轉(zhuǎn)控制、水塔水位控制、自動送料裝車控制、交通信號燈控制、液體混合裝置控制、大小球分類傳送控制、人行橫道與車道燈控制、電動機的

20、丫-減壓起動控制、送料車控制和天塔之光控制等。目前PLC在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、輕紡。汽車。交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況主要分為：開關(guān)量邏輯控制、模擬量控制、運動量控制、數(shù)據(jù)采集及處理、信號監(jiān)控、通信及聯(lián)網(wǎng)。由于PLC上述幾個方面的應(yīng)用，而且PLC控制系統(tǒng)使其網(wǎng)絡(luò)又可大可小，所以PLC已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個行業(yè)，如冶金、機械、化工、輕工、食品、建材等等，不僅如此，PLC也應(yīng)用于一些非工業(yè)過程，如樓宇自動化、電梯控制、以及農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境參數(shù)調(diào)控等。1.1.4 PLC發(fā)展趨勢由于PLC的性能優(yōu)越，兼具計算機的功能完備，靈活性強，通用性好和繼電接

21、觸器控制簡單易懂，維修方便等雙重優(yōu)點，形成以微電腦為核心的電子控制設(shè)備?？删幊绦蚩刂破骷夹g(shù)在世界上己廣泛應(yīng)用，成為自動化系統(tǒng)中的基本電控裝置PLC在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和實際生活中有著廣泛的應(yīng)用，由于可編程控制器（PLC）具有編程軟件采自易學(xué)易懂的梯形圖語言、控制靈活方便、抗干擾能力強、運行穩(wěn)定可靠等特點，現(xiàn)在的工業(yè)自動化生產(chǎn)控制多采用可編程控制器來實現(xiàn)。現(xiàn)今，國內(nèi)外的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)已由勞動力密集型態(tài)轉(zhuǎn)移至技術(shù)密集型態(tài)，低成本、省力化及自動化已成為大家一直追求的目標。PLC由于其性能優(yōu)越、可靠性高、程序編寫容易、安裝與維修方便，且只要改變其軟件程序即可改變其控制順序，從而輕易地達成控制上的不同需求。近年來大

22、量的運用于電力系統(tǒng)訓(xùn)練、故障檢測、配電自動化及電廠遙控、系統(tǒng)監(jiān)控中。由于工業(yè)生產(chǎn)對自動控制系統(tǒng)需求的多樣性，PLC的發(fā)展方向有兩個：(1) 朝著小型、簡易、價格低廉方向發(fā)展。近年來，單片機的出現(xiàn)，促進了PLC向緊湊型發(fā)展，體積減小，價格降低，可靠性不斷提高。這種PLC可以廣泛取代繼電器控制系統(tǒng)，應(yīng)用于單機控制和規(guī)模比較小的自動線控制，如日本立石公司的C20PC40PC60PC20HC40H等。(2) 朝著大型、高速、多功能方向發(fā)展。大型的PLC一般為多處理器系統(tǒng)，由字處理器、位處理器和浮點處理器等組成，有較大的存儲能力和功能很強的輸入輸出接口。通過豐富的智能外圍接口，可以獨立完成位置控制、閉環(huán)

23、調(diào)節(jié)等特殊功能；通過網(wǎng)絡(luò)接口，可級連不同類型的PLC和計算機，從而組成控制范圍很大的局部網(wǎng)絡(luò)，適用于大型自動化控制系統(tǒng)，如霍尼韋爾的9000系列等。從PLC的發(fā)展趨勢看，PLC控制技術(shù)將成為今后工業(yè)自動化的主要手段。在未來的工業(yè)生產(chǎn)中，PLC技術(shù)、機器人技術(shù)和CAD/CAM技術(shù)將成為實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的三大支柱。1.2 變頻器的介紹1.2.1 變頻器的工作原理變頻器，英文名是Variable-frequency Drive，簡稱VFD。變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源的頻率和幅度的方式來控制交流電動機的電力傳動元件。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一

24、頻率的電能控制裝置。主要是由“整流器” 、“平波回路” 、“逆變器” 組成。其控制電路則主要是由“運算電路” 、“電壓、電流檢測電路” 、“驅(qū)動電路” 、“速度檢測電路” 、“保護電路”組成。而控制電路的作用是給異步電動機供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路。交流電輸入整流器，變?yōu)橹绷魍ㄟ^中間電路，最后變回交流從逆變器輸出。期間可通過控制電路調(diào)節(jié)控制電流的大小、傳輸速率和逆變情況等。交流電動機的同步轉(zhuǎn)速表達式見式1.1： n60 f(1s)/p (1.1) 式1.1中 n異步電動機的轉(zhuǎn)速；f異步電動機的頻率；s電動機轉(zhuǎn)差率；p電動機極對數(shù)。 由式可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變

25、頻率f即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，當頻率f在050Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。1.2.2 變頻器的控制方式 低壓通用變頻輸出電壓為380650V，輸出功率為0.75400kW，工作頻率為0400Hz，它的主電路都采用交直交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。(1) U/f=C的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制方式： 其特點是控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比

26、較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。 (2) 電壓空間矢量（SVPWM）控制方式 它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經(jīng)實踐使用后又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。(3) 矢量控制（VC）方式 矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流電

27、流Im1、It1（Im1相當于直流電動機的勵磁電流；It1相當于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。 (4)直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方式 直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學(xué)模型。 (5) 矩陣式交交控制方式VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交直交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流電路

28、需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進行四象限運行。為此，矩陣式交交變頻應(yīng)運而生。由于矩陣式交交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現(xiàn)功率因數(shù)為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。其實質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來實現(xiàn)的。1.2.3 變頻器的應(yīng)用變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢經(jīng)歷大約三十年的研發(fā)與應(yīng)用實踐，隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器的性能價格比越來越高，體積越來越小，而廠家仍然在不斷地提高可靠性實現(xiàn)變頻器的進一步小型輕量化

29、、高性能化和多功能化以及無公害化而做著新的努力。變頻器性能的優(yōu)劣，一要看其輸出交流電壓的諧波對電機的影響，二要看對電網(wǎng)的諧波污染和輸入功率因數(shù)，三要看本身的能量損耗（即效率）如何。變頻器主要用于交流電動機（異步電機或同步電機）轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，是公認的交流電動機最理想、最有前途的調(diào)速方案，除了具有卓越的調(diào)速性能之外，變頻器還有顯著的節(jié)能作用，是企業(yè)技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想調(diào)速裝置。自上世紀80年代被引進中國以來，變頻器作為節(jié)能應(yīng)用與速度工藝控制中越來越重要的自動化設(shè)備，得到了快速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。交流電動機變頻調(diào)速已成為當代電機調(diào)速的潮流，它以體積小、重量輕、轉(zhuǎn)矩大、精度高、功能強、可靠性高、操

30、作簡便、便于通信等功能優(yōu)于以往的任何調(diào)速方式，如變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、滑差調(diào)速、串級調(diào)速、整流子電動機調(diào)速、液力偶合調(diào)速，乃至直流調(diào)速。因而在鋼鐵、有色、石油、石化、化纖、紡織、機械、電力、電子、建材、煤炭、醫(yī)藥、造紙、注塑、卷煙、吊車、城市供水、中央空調(diào)及污水處理行業(yè)得到普遍應(yīng)用。 運動控制系統(tǒng)的發(fā)展變頻器是運動控制系統(tǒng)中的功率變換器，運動控制系統(tǒng)是作為機電能量變換器的電氣傳動技術(shù)的發(fā)展。當今的運動控制系統(tǒng)是包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，總的發(fā)展趨勢是：驅(qū)動的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因此，變頻器作為系統(tǒng)的重要功率變換部件，提供可控的高性能變壓變頻的交流電源而得到迅猛

31、發(fā)展。1.3 PLC與變頻器的組合在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，最為常見的是PLC和變頻器的組合應(yīng)用，并且產(chǎn)生了多種多樣的PLC控制變頻器的方法。通過PLC與變頻器的組合對機械產(chǎn)品進行控制，其優(yōu)點是擁有較強的抗干擾能力、傳輸速率高、傳輸距離遠且節(jié)省部件經(jīng)費，從而減少資金消耗。而且PLC控制變頻器這個組合能更有效率的反應(yīng)故障信息，作用動作更迅速、測量更精確，控制更簡單方便。變頻器和PLC進行配合時所需注意的事項：(1) 開關(guān)指令信號的輸入變頻器的輸入信號中包括對運行/停止、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)、微動等運行狀態(tài)進行操作的開關(guān)型指令信號。變頻器通常利用繼電器接點或具有繼電器接點開關(guān)特性的元器件（如晶體管）與PLC相

32、連，得到運行狀態(tài)指令。 在使用繼電器接點時，常常因為接觸不良而帶來誤動作；使用晶體管進行連接時，則需考慮晶體管本身的電壓、電流容量等因素，保證系統(tǒng)的可靠性。在設(shè)計變頻器的輸入信號電路時還應(yīng)該注意，當輸入信號電路連接不當時有時也會造成變頻器的誤動作。例如，當輸入信號電路采用繼電器等感性負載時，繼電器開閉產(chǎn)生的浪涌電流帶來的噪音有可能引起變頻器的誤動作，應(yīng)盡量避免。圖2與圖3給出了正確與錯誤的接線例子。當輸入開關(guān)信號進入變頻器時，有時會發(fā)生外部電源和變頻器控制電源（DC24V）之間的串擾。正確的連接是利用PLC電源，將外部晶體管的集電極經(jīng)過二極管接到PLC。(2) 數(shù)值信號的輸入輸入信號防干擾的接

33、法變頻器中也存在一些數(shù)值型（如頻率、電壓等）指令信號的輸入，可分為數(shù)字輸入和模擬輸入兩種。數(shù)字輸入多采用變頻器面板上的鍵盤操作和串行接口來給定；模擬輸入則通過接線端子由外部給定，通常通過010V/5V的電壓信號或0/420的電流信號輸入。由于接口電路因輸入信號而異，因此必須根據(jù)變頻器的輸入阻抗選擇PLC的輸出模塊。當變頻器和PLC的電壓信號范圍不同時，如變頻器的輸入信號為010V，而PLC的輸出電壓信號范圍為05V時；或PLC的一側(cè)的輸出信號電壓范圍為010V而變頻器的輸入電壓信號范圍為05V時，由于變頻器和晶體管的允許電壓、電流等因素的限制，需用串聯(lián)的方式接入限流電阻及分壓方式，以保證進行開

34、閉時不超過PLC和變頻器相應(yīng)的容量。此外，在連線時還應(yīng)注意將布線分開，保證主電路一側(cè)的噪音不傳到控制電路。通常變頻器也通過接線端子向外部輸出相應(yīng)的監(jiān)測模擬信號。電信號的范圍通常為010V/5V及0/420電流信號。無論哪種情況，都應(yīng)注意：PLC一側(cè)的輸入阻抗的大小要保證電路中電壓和電流不超過電路的允許值，以保證系統(tǒng)的可靠性和減少誤差。另外，在使用PLC進行順序控制時，由于CPU進行數(shù)據(jù)處理需要時間，存在一定的時間延遲，故在較精確的控制時應(yīng)予以考慮。2系統(tǒng)功能設(shè)計的分析與總體方案2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計的分析隨著電力電子技術(shù)以及控制技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速在工業(yè)電機拖動領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用；可編程控制

35、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(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和設(shè)備的控制；通過PLC可以對自動化設(shè)備進行“智能”控制。PLC控制變頻器的頻率一般有兩種方法：(1) 模擬量控制，可以用模擬量輸入和輸出模塊，根據(jù)變頻器的具體要求選擇0-10V電壓或4-20mA電流輸出，控制變頻器的頻率，變頻器的頻率反饋根據(jù)要求可以選擇模擬量輸入進行采集（也可以不采集，開環(huán)控制）。(2) 串行總線通信控制，高檔的變頻器有通信接口，像uss，profibus DP,simolink等，可以通過PLC的通信端口（或通信模塊）給定頻率值，變頻

36、器和PLC間相互通信。2.2 設(shè)計要求(1) 按下啟動按鈕 電動機以20HZ速度運行(2) 20s后電動機以50HZ速度運行(3) 40s后電動機以35HZ速度運行(4) 40s后電動機以10HZ速度運行(5) 20s后電動機以30HZ速度運行(6) 20s后電動機以40HZ速度運行(7) 20s后電動機以50HZ速度運行(8) 按下停止按鈕 電動機停止運行2.3 設(shè)計思路系統(tǒng)主要由三個部分構(gòu)成，即可編程邏輯控制器件PLC、變頻器和電機。首先通過設(shè)置給定輸入給PLC，再通過PLC控制變頻器，再經(jīng)由變頻器來控制電機，隨后將電機的轉(zhuǎn)速反饋給PLC，經(jīng)比較后輸出給變頻器從而實現(xiàn)無靜差調(diào)速。具體如圖2

37、.1：-速度給定速度反饋信號+PLC（PID）變頻調(diào)速系統(tǒng) 圖2.1速度閉環(huán)控制的機構(gòu)控制圖3 控制設(shè)計3.1 變頻器功能參數(shù)設(shè)置與操作變頻器操作功能見表3.1表3.1變頻器功能表顯示/按鈕功能功能的說明狀態(tài)顯示 LCD 顯示變頻器當前的設(shè)定值 起動變頻器 按此鍵起動變頻器。缺省值運行時此鍵是被封鎖的。為了使此鍵的操應(yīng)設(shè)定P0700=1 停止變頻器OFF1：按此鍵，變頻器將按選定的斜坡下降速率減速停車.缺省值運行時此鍵被封鎖；為了允許此鍵操作，應(yīng)設(shè)定P0700=1。OFF2：按此鍵兩次（或一次，但時間較長）電動機將在慣性作用下自由停車此功能總是“使能”的 電動機點動在變頻器無輸出的情況下按此鍵

38、，將使電動機起動，并按預(yù)設(shè)定的點動頻率運行。釋放此鍵時，變頻器停車。如果變頻器/電動機正在運行，按此鍵將不起作用。 改變電動機的轉(zhuǎn)向 按此鍵可以改變電動機的轉(zhuǎn)動方向 訪問參數(shù)按此鍵即可訪問參數(shù)。功能此鍵用于瀏覽輔助信息。變頻器運行過程中，在顯示任何一個參數(shù)時按下此鍵并保持不動2 秒鐘，將顯示以下參數(shù)值（在變頻器運行中，從任何一個參數(shù)開始）：1. 直流回路電壓（用d 表示 單位：V） 2. 輸出電流（A）3. 輸出頻率（Hz）4. 輸出電壓（用o 表示 單位：V）。5. 由P0005 選定的數(shù)值（如果P0005 選擇顯示上述參數(shù)中的任何一個（3 4，或5）， 這里將不再顯示）。連續(xù)多次按下此鍵，

39、將輪流顯示以上參數(shù)。跳轉(zhuǎn)功能在顯示任何一個參數(shù)（rXXXX 或PXXXX）時短時間按下此鍵，將立即跳轉(zhuǎn)到r0000, 如果需要的話，您可以接著修改其它的參數(shù)。跳轉(zhuǎn)到r0000 后，按此鍵將返回原來的顯示點。 增加數(shù)值按此鍵即可增加面板上顯示的參數(shù)數(shù)值減少數(shù)值按此鍵即可減少面板上顯示的參數(shù)數(shù)值. 3.2 變頻器參數(shù)設(shè)置變頻器參數(shù)設(shè)置見表3.2表3.2變頻器參數(shù)設(shè)置參 數(shù) 號出 廠 值設(shè) 置 值說 明P000311設(shè)用戶訪問級為標準級P000407命令和數(shù)字I/OP070022命令源選擇由端子排輸入P000312設(shè)用戶訪問級為擴展級P000407命令和數(shù)字I/OP0701117選擇固定頻率P070

40、2117選擇固定頻率P0703117選擇固定頻率P000311設(shè)用戶訪問級為標準級P0004010設(shè)定值通道和斜坡函數(shù)發(fā)生器P100023選擇固定頻率設(shè)定值P000312設(shè)用戶訪問級為擴展級P0004010設(shè)定值通道和斜坡函數(shù)發(fā)生器P1001020設(shè)置固定頻率1（HZ）P1002550設(shè)置固定頻率2（HZ）P1003535設(shè)置固定頻率3（HZ）P1004510設(shè)置固定頻率4（HZ）P1005530設(shè)置固定頻率5（HZ）P1006540設(shè)置固定頻率6（HZ）P1007550設(shè)置固定頻率7（HZ）3.3 PLC程序設(shè)計 (1) PLC輸入/輸出地址分配變頻器MM440數(shù)字輸入DIN1、DIN2、D

41、IN3端口通過P0701、P0702、P0703參數(shù)設(shè)為七段固定頻率控制端，每一段的頻率可分別由P1001、P1002和P1003等參數(shù)設(shè)置。PLC輸入/輸出地址分配見表3.3。表 3.3 PLC輸入/輸出分配表輸 入輸 出電路符號地址功能地址功能SB1I0.1起動按鈕Q0.1DIN1SB2I0.2停止按鈕Q0.2DIN2Q0.3 DIN3 (2) PLC程序設(shè)思路按下SB1以后，中間繼電器MO.O閉合，M0.0控制變頻器檔速為20HZ；20s后中間繼電器M0.0斷開，M0.1閉合，M0.1控制變頻器檔速為50HZ；40s后中間繼電器M0.1斷開，M0.2閉合，M0.2控制變頻器檔速變?yōu)?5H

42、Z；40s后中間繼電器M0.2斷開，M0.3閉合，M0.3控制變頻器檔速變?yōu)?0HZ；20s后中間繼電器M0.3斷開，M0.4閉合，M0.4控制變頻器檔速變?yōu)?0HZ；20s后中間繼電器M0.4斷開，M0.5閉合，M0.5控制變頻器檔速變?yōu)?0HZ；20s后中間繼電器M0.5斷開，M0.6閉合，M0.6控制變頻器檔速變?yōu)?0HZ；按下SB2以后，所有中間繼電器全部斷開，電機停止轉(zhuǎn)動。(3) PLC梯形圖按下起動按鈕SB1后，輸入繼電器I0.1得電，繼電器M0.0自鎖，同時定時器T37得電計時。T37正轉(zhuǎn)定時到20s，位常開觸點閉合，使繼電器M0.1自鎖、M0.0斷開，同時定時器T38得電計時。

43、T38正轉(zhuǎn)定時到40s，位常開觸點閉合，使繼電器M0.2自鎖、M0.1斷開，同時定時器T39得電計時。T39正轉(zhuǎn)定時到40s，位常開觸點閉合，使繼電器M0.3自鎖、M0.2斷開，同時定時器T40得電計時。T40正轉(zhuǎn)定時到20s，位常開觸點閉合，使繼電器M0.4自鎖、M0.3斷開，同時定時器T41得電計時。T41正轉(zhuǎn)定時到20s，位常開觸點閉合，使繼電器M0.5自鎖、M0.4斷開，同時定時器T42得電計時。T42正轉(zhuǎn)定時到20s，位常開觸點閉合，使繼電器M0.6自鎖、M0.5斷開。按下停止按鈕SB2，輸入繼電器I0.2得電，M0.0、M0.1、M0.2、M0.3、M0.4、M0.5、M0.6全部置位。然后通過各個中間繼電器來控制輸出繼電器Q0.0、Q0