在多段調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、一. 課程設(shè)計題目及要求1. 課程設(shè)計題目： PLC在多段調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用2. 系統(tǒng)控制要求：在工業(yè)應(yīng)用控制中，經(jīng)常用到多段速度控制實際生產(chǎn)設(shè)備，用參數(shù)將多種速度預(yù)先設(shè)定，用輸入端子進(jìn)行轉(zhuǎn)換。如恒壓供水、電梯速度控制等。本課題要求設(shè)計一個由PLC、變頻器、異步電動機組成的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，完成PLC接線圖和控制梯形圖的設(shè)計。利用實驗室設(shè)備完成PLC端子和變頻器、異步電動機的接線，并進(jìn)行運行調(diào)試。具體設(shè)計內(nèi)容如下：（1）掌握FR-S540變頻器的基本工作原理了解變頻器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理；掌握變頻器各參數(shù)的意義及設(shè)置方法；掌握變頻器操作面板的基本操作。（2）三相異步電動機3速系統(tǒng)控制設(shè)計用PLC

2、、變頻器設(shè)計一個電動機的三速運行的控制系統(tǒng)。其控制要求如下：按下起動按鈕，電動機以30Hz速度運行，5s后轉(zhuǎn)為45Hz速度運行，再過5s轉(zhuǎn)為20Hz速度運行，按停止按鈕，電動機即停止。（3）三相異步電動機15段速度運行系統(tǒng)控制設(shè)計按下啟動按鈕，可選擇工頻/變頻控制， 能實現(xiàn)自動控制和手動控制（自動轉(zhuǎn)換頻段/手動輸入頻段），并可實現(xiàn)高、低速轉(zhuǎn)換。3.系統(tǒng)總體設(shè)計方案：本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖所示。變頻器 PLC控制信號M-控制臺由圖可知，本文通過PLC控制變頻器達(dá)到變頻調(diào)速的目的，從而實現(xiàn)交流電機的正反轉(zhuǎn)、起停、加速、減速控制以及速度的調(diào)節(jié)，并且能夠在在控制臺上進(jìn)行操作，控制電機調(diào)速。二變頻器工作原理1

3、變頻器的基本工作原理自20世紀(jì)60年代以來，電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動技術(shù)面臨著一場革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速、計算機數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)展趨勢。電機變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、失去技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速起動、制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，得到廣泛應(yīng)用。目前，通用型變頻器絕大多數(shù)是交直交型變頻器，通常尤以電壓器變頻器為通用，其主回路圖（見圖），它是變頻器的核心電路，由整流回路（交直交換），直流濾波電路（能耗電路）及逆變電路（直交變換）組成，當(dāng)然還包括有限流電路、制動電路、控制

4、電路等組成部分。變頻調(diào)速技術(shù)是強弱電混合、機電一體的綜合性技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換(整流、逆變)，又要處理信息的收集、交換和傳輸，因此它的共性技術(shù)必定分成功率和控制兩大部分。前者要解決與高電壓大電流有關(guān)的技術(shù)問題，后者要解決控制模塊的硬、軟件開發(fā)問題通用變頻器一般都采用交直交的方式組成，其基本工作原理如下圖所示： 通用變頻器通常都是由以下兩部分組成： 主電路 包括整流部分、直流環(huán)節(jié)、逆變部分、制動或回饋環(huán)節(jié)等部分。 控制回路 包括變頻器的核心軟件算法電路、檢測傳感電路、控制信號輸入/輸出電路、驅(qū)動電路和保護(hù)電路等。2. 調(diào)速原理調(diào)速即速度調(diào)節(jié)，是指在電力拖動系統(tǒng)中人為的改變電動機的轉(zhuǎn)速，以

5、滿足工業(yè)機械的不同轉(zhuǎn)速要求。調(diào)速是通過改變電動機的參數(shù)或電源電壓等方法來改變電動機的機械特性，從而改變它與負(fù)載機械特性的交點，改變電動機的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。由電機學(xué)可知，三相異步電機的轉(zhuǎn)速為：式中n0同步轉(zhuǎn)速； f 電源頻率，單位為Hz； p 電動機極對數(shù)； s 電動機轉(zhuǎn)差率。3. 變頻調(diào)速原理由三相電動機的轉(zhuǎn)速公式可知，只要連續(xù)改變f就可以實現(xiàn)平滑調(diào)速。但變頻調(diào)速時要注意變頻與調(diào)壓的配合。通常分基頻（電源額定頻率）以下調(diào)速和基頻以上調(diào)速。（1）基頻以下的調(diào)速在基頻以下調(diào)速時，速度調(diào)低。在調(diào)節(jié)過程中，必須配合電源電壓的調(diào)節(jié)，否則電動機無法正常運行。原因是根據(jù)電動機電動勢電壓平衡方程UE4.4

6、4fNKm(式中N為每相繞組的匝數(shù)；m為電動機氣隙磁通的最大值；K為電動機的結(jié)構(gòu)系數(shù))，當(dāng)f下降時，若U不變，則必使m增加，而在電動機設(shè)計制造時，磁路磁通m設(shè)計的已經(jīng)接近飽和，m的上升必然使磁路飽和，勵磁電流劇增，使電動機無法正常工作。為此，在調(diào)節(jié)中應(yīng)使m恒定不變，則必須使U/f常數(shù)，可見，在基頻以下調(diào)速時，為恒磁通調(diào)速，相當(dāng)于直流電動機的調(diào)壓調(diào)速，此時應(yīng)使定子電壓隨頻率成正比例變化。（2）基頻以上的調(diào)速在基頻以上調(diào)速時，速度調(diào)高。但此時也按比例升高電壓是不行的，因為往上調(diào)U將超過電動機額定電壓，從而超過電動機絕緣耐壓限度，危及電動機繞組的絕緣。因此，頻率上調(diào)時應(yīng)保持電壓不變，即U常數(shù)（極為額

7、定電壓），此時，f升高，m應(yīng)下降，相當(dāng)于直流電動機弱磁調(diào)速。在本設(shè)計中，我們將只用到基頻以下的調(diào)速。4. 調(diào)速方式（1）變極調(diào)速對鼠籠式異步電機可以通過改變電動機繞組的接線方式，使電動機從一種極對數(shù)變?yōu)榱硪环N極對數(shù)，從而實現(xiàn)異步電動機的有級調(diào)速。變極調(diào)速所需設(shè)備簡單，價格低廉，工作也比較可靠。一般為兩種速度，三種速度以上的變極調(diào)速電動機繞組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用較少。變極調(diào)速電動機的關(guān)鍵在于繞組設(shè)計，以最少的繞組抽頭和改接以達(dá)到最好的電動機技術(shù)性能指標(biāo)。（2）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速對于繞線式異步電動機，可以通過調(diào)節(jié)串聯(lián)在轉(zhuǎn)子繞組中的電阻值（調(diào)阻調(diào)速）、在轉(zhuǎn)子電路中引入附加的轉(zhuǎn)差電壓（串級調(diào)速）、調(diào)整電機定子電壓

8、（調(diào)壓調(diào)速）以及采用電磁轉(zhuǎn)差離合器（電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速）改變氣隙磁場等方法實現(xiàn)變轉(zhuǎn)差s，從而對電動機進(jìn)行無級調(diào)速。變轉(zhuǎn)差率調(diào)速盡管效率不高，但在異步電動機調(diào)速技術(shù)中占有重要的地位，特別是轉(zhuǎn)差功率得到回收利用的串級調(diào)速系統(tǒng)，更是現(xiàn)代大容量風(fēng)機、水泵等調(diào)速節(jié)能的重要手段。（3）變頻調(diào)速通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速實現(xiàn)對異步電動機的調(diào)速，在調(diào)速過程中從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因此具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能。變頻調(diào)速是異步電動機的一種比較合理且理想的調(diào)速方法。本設(shè)計中就采用的是這種調(diào)速方法。5. FR-S540型變頻器的結(jié)構(gòu)特點6. FR-S540型變頻器的參數(shù)設(shè)置方法 注明

9、：七段調(diào)速參數(shù)設(shè)置：上限頻率Pr1=50Hz；下限頻率Pr2=0Hz；基底頻率Pr3=50Hz；加速時間Pr7=2s；減速時間Pr8=2s；電子過電流保護(hù)Pr9=電動機的額定電流；操作模式選擇（組合）Pr79=3；多段速度設(shè)定（1速）Pr4=45Hz；多段速度設(shè)定（2速）Pr5=40Hz；多段速度設(shè)定（3速）Pr6=35Hz;Pr24=30Hz;Pr25=25Hz;Pr26=20Hz;Pr27=15Hz。三. PLC工作原理1. 掃描工作原理當(dāng)PLC運行時，是通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來完成控制任務(wù)的，需要執(zhí)行眾多的操作，但CPU不可能同時去執(zhí)行多個操作，它只能按分時操作（串行工作），每一

10、次執(zhí)行一個操作，按順序逐個執(zhí)行。由于CPU得運算處理速度很快，所以從宏觀上來看，PLC外部出現(xiàn)的結(jié)果似乎是同時（并行）完成的。這種串行工作過程稱為PLC的掃描工作方式。用掃描工作方式執(zhí)行用戶程序時，掃描是從第一條程序開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按程序存儲順序的先后，逐條執(zhí)行用戶程序，直到程序結(jié)束。然后再從頭開始掃描執(zhí)行，周而復(fù)始地重復(fù)運行。PLC的掃描工作方式與電氣控制的工作原理明顯不同。電氣控制裝置采用硬邏輯的并行工作方式，如果某個繼電器的線圈通電或斷電，那么該繼電器的所有常開和常閉觸點不論處在控制線路的哪個位子上，都會立即同時動作；而PLC采用掃描工作方式（串行工作方式），如果某個軟

11、繼電器的線圈被接通或斷開，其所有的觸點不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。但由于PLC的掃描速度快，通常PLC與電氣控制裝置在IO的處理結(jié)果上并沒有什么差別。2. 掃描工作過程內(nèi)部通信通信服務(wù)輸入采樣執(zhí)行程序輸出刷新STOPRUNPLC的掃描工作過程出除了執(zhí)行用戶程序外，在每次掃描工作過程中還要完成內(nèi)部處理、通信服務(wù)工作。如上圖所示，整個掃描過程包括內(nèi)部處理、通信服務(wù)、輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新五個階段。整個過程掃描執(zhí)行一遍所需的時間稱為掃描周期。掃描周期與CPU運行速度、PLC的硬件配置及用戶程序長短有關(guān)，典型值為1100ms。在內(nèi)部處理階段，進(jìn)行PLC自檢，檢查內(nèi)部硬件是否正常，

12、對監(jiān)視定時器（WDT）復(fù)位以及完成其他一些內(nèi)部處理工作。在通信服務(wù)階段，PLC與其他智能裝置實現(xiàn)通信，響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容等。當(dāng)PLC處于停止（STOP）狀態(tài)時，只完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)工作。當(dāng)PLC處于運行（RUN）狀態(tài)時，除完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)工作外，還要完成輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新工作。PLC的掃描工作方式簡單直觀，便于程序的設(shè)計，并為可靠運行提供了保障。當(dāng)PLC掃描到得指令被執(zhí)行后，其結(jié)果馬上就被后面將要掃描到的指令所利用，而且還可以通過CPU內(nèi)部設(shè)置的監(jiān)控定時器來監(jiān)視每次掃描是否超過規(guī)定時間，避免由于CPU內(nèi)部故障使程序執(zhí)行進(jìn)入死循環(huán)。3. FX2N-48

13、MR型PLC(1)FX2N-48MR型圖片(2)FX2N-48MR特點：節(jié)省空間：其體積僅相當(dāng)于以前ANS系列PLC60%。安裝靈活：有多種主基板和擴展基板供選擇。高性能模塊：提供有多種特殊功能模塊，功能更為強大。并且有相關(guān)設(shè)置軟件，編程及調(diào)試更加方便。(3)FX2N-48MR表示的意義：FX2N-48MR表示PLC系列名稱；表示輸入輸出點數(shù)總和，2N系列的點數(shù)總和時對半分的，故這里表示有24點輸入，24點輸出；表示單元種類：M基本單元，E輸入輸出混合擴展單元，EX輸入專用擴展模塊，EY輸出專用擴展模塊；表示輸出形式：R繼電器輸出，S晶閘管輸出，T晶體管輸出。四控制系統(tǒng)設(shè)計1. PLC控制電路

14、圖控制電路圖見下一頁。（注明：此處給的為7段調(diào)速系統(tǒng)的控制電路圖，3段及15段調(diào)速系統(tǒng)的控制電路接線圖與此類似，相應(yīng)的增減輸入端口即可）2. 多段轉(zhuǎn)速控制變頻器每個輸出頻率的檔次需要由三個輸入端的狀態(tài)來決定，而操作人員切換轉(zhuǎn)速所用的開關(guān)器件每個檔次只有一個觸點。所以必須解決好轉(zhuǎn)速選擇開關(guān)的狀態(tài)和變頻器各控制端狀態(tài)間的變換問題。變頻器輸出的7檔（或15檔）轉(zhuǎn)速對應(yīng)于變頻器的3個輸入端的狀態(tài)如下圖所示：X0X1X2X3X4X5X6X7X20COMY20Y21Y22Y23Y24COMSTFRHRMRLAU (REX)SDR S T PESB8SB1SB2SB3SB4SB5SB6SB7SB10PLC變

15、頻器U V WM3QS220VPLC控制電路圖3.PLC（I/O）分配接線圖如下：(M100)X0X22X3X2M7M6M5M1M100X17X16X15X14X7X6X5X1X20T6T6T5T5T4T4T3T3T2T2T1T1M100X20M100M1004. 程序梯形圖(Y20)(M1)(T1 K50)(M2)(T2 K50)(M3)(T3 K50)(M4)(T4 K50)(M5)(T5 K50)(M6)(T6 K50)(M7)X4(Y21)END(Y23)(Y22)X1X5X3X1M7M5M4M100M3X17X15X13X11X7X5X4X3X20M7M6M4M2M100X17X16

16、X13X12X7X6X4X2X20X6X25.心得總結(jié)利用通用變頻器和PLC實現(xiàn)了對電機的控制，通過合理的設(shè)備選型、參數(shù)設(shè)置和軟件設(shè)計，實現(xiàn)電機運行的速度調(diào)節(jié)，達(dá)到本次設(shè)計目的。 通過本次設(shè)計，我的知識領(lǐng)域得到進(jìn)一步擴展，專業(yè)技能得到進(jìn)一步提高，同時增強了分析和解決工程實際的綜合能力。另外，也培養(yǎng)了自己嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)求實的工作作風(fēng)。本次課程設(shè)計是對大學(xué)三年所學(xué)知識的一個總的運用，它將三年所學(xué)的知識融入到一個課題中，主要考察學(xué)生對所學(xué)知識的運用能力、自學(xué)能力和翻閱資料的能力。通過這次畢課程設(shè)計也使我們真正體會到了知識是學(xué)無止境的，以前一直想大學(xué)中所學(xué)的知識應(yīng)該就可以了，可是通過這次設(shè)計，使我清楚的認(rèn)識到我們在書本上學(xué)到的知識僅僅是基礎(chǔ)而已，要想真的