《变频器调速实验》doc版.docx

目 录绪 论1实验一 变频器的操作面板的使用21实验目的22实验原理23. 实验器材34. 实验内容及步骤3实验二 变频器的外部端子控制实验51. 实验目的52. 实验原理53. 实验器材64. 实验内容和步骤6实验三 变频器的多段速控制实验81实验目的82实验原理83. 实验器材84实验内容及步骤9实验四 PLC控制变频器实验91实验目的92实验原理103. 实验器材104. 实验内容及步骤105. PLC程序11实验五 恒压供水系统的PID控制实验121实验目的122实验原理123. 实验器材154. 实验内容及步骤15实验心得15参考文献16绪 论 随着电力电子技术、微电子技术、计算机控制技术及自动化控制理论的发展，变频器制造技术有了跨越式的进步，以变频器为核心的交流电机调速已广泛应用于国民经济各部门，在工业自动化领域，交流电机调速已经取代传统的直流调速系统，而且大大提高了技术经济指标。在耗电大户的风机、泵类(其耗电量几乎占工业用电一半)应用变频器控制，可以大大节约电能；在广泛关系各行各业的机械专业，应用变频器技术，是改造这一传统产业，实现机电一体化的重要手段；此外，在化纤、纺织塑料、化学、轻工等工业领域，应用变频器技术。实现自动化提高了产品的质量与数量变频器不仅应用于工业、交通领域，而且已进入家庭，在家电工业领域，空调器、电冰箱都有了变频器控制的相应产品，提高了家电产品的经济技术指标和智能化水平。随着现代化的程度提高，对变频器的应用会更加普及。 PLC是一种专门在工业环境下应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按照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。 西门子S7-200PLC在实时模式下具有速度快，具有通讯功能和较高的生产力的特点。一致的模块化设计促进了低性能定制产品的创造和可扩展性的解决方案。来自西门子的S7 - 200微型PLC可以被当作独立的微型PLC解决方案或与其他控制器相结合使用。它的应用领域从更换继电器和接触器一直扩展到在单机、网络以及分布式配置中更复杂的自动化任务。S7-200也越来越多地提供了对以前曾由于经济原因而开发的特殊电子设备的地区的进入。 西门子MM420变频器适用于多种变速驱动应用。其灵活性使之具有极为广泛的应用范围。它特别适合与工业泵和风机一起使用。 此变频器具有以用户为导向的性能和易于使用的特性。 它比 MICROMASTER 420 （即带人工和自动切换的优化的操作员面板）有更多的输入和输出，并且有适配软件的功能。西门子MM420变频器操作员面板和通讯模块很容易更换。实验一 变频器的操作面板的使用1实验目的1.1 熟悉变频器的操作面板的使用方法；1.2 熟悉变频器的功能参数设置；1.3 掌握变频器的正反转、点动以及频率调节的方法。2实验原理变频器MM420系列（MICROMASTER 420）采用高性能的V/f控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具有很强的过载能力，以满足广泛的应用场合。对于变频器的应用，必须先熟悉变频器的操作面板，再根据实际应用场合，对变频器的各种功能参数进行设置。该实验设备选用的是均为基本操作面板（BOP）修改或显示参数。BOP可改变变频器的各个参数，它具有 7段显示的五位数字，可显示参数的序号和数值，报警和故障信息，如图1-1所示。图1-1 基本操作板BOP下表1-1说明如何改变参数P1000=1的过程为例，来介绍通过基本操作面板(BOP)修改设置参数的流程。修改参数时，BOP有时显示P-，表示变频器正忙于处理优先级更高的任务。操作步骤BOP显示结果1按键，访问参数2按键，直到显示P10003按键，直到显示in000，即P1000的第0组值4按键，显示当前值25按键，达到所要求的值16按键，存储当前设置7按键，显示r00008按键，显示频率表1-1 基本操作面板(BOP)修改设置参数流程3. 实验器材西门子MM420变频器、异步电动机/水泵、电气控制柜、电工工具（1套）、连接导线若干等。4. 实验内容及步骤由于所用的设备的不同，所用的异步电动机与水泵的性能参数不尽相同，电梯系统的异步电机的参数为：额定电压220V、额定电流0.38A、额定功率40W、额定频率50Hz、额定转速1350rpm。恒压供水系统的水泵参数为：额定电压220V、额定电流0.92A、额定功率180W、额定频率50Hz、额定转速2800rpm。请根据所选用的设备对变频器进行相应的参数调节，否则电机不能正常运行。4. 1 参数设置由于变频器参数繁多，在实验之前先将变频器的全部参数复位为工厂的缺省设置值，已避免之前实验改动参数值。设置方法为： 设定P0010=30； 设定P0970=1。（1）设置电动机参数：为了使电动机与变频器相匹配，需要设置电动机参数。电动机参数设置见表1-2。电动机参数设定完成后，设P0010=0，变频器当前处于准备状态，可正常运行，以异步电机为例。参数号出厂值设置值说明P000311设定用户访问级为标准级P001001快速调试P010000功率以KW表示，频率为50HzP0304230220电动机额定电压（V）P03053.250.92电动机额定电流（A）P03070.750.18电动机额定功率（KW）P03105050电动机额定频率（Hz）P031102800电动机额定转速（r/min）P390003只进行电动机数据的计算表1-2 电动机参数设置（2）设置面板操作控制参数。表1-3列出需设置的相关参数，填写下表设置值，使变频器按操作面板控制，实现下述运行操作。参数号出厂值设置值说明P000311设用户访问级为标准级P001001正确地进行运行命令的初始化P000400命令和数字I/OP070021由键盘输入设定值（选择命令源）P100021由键盘（电动电位计）输入设定值P108000电动机运行的最低频率(Hz)P10825050电动机运行的最高频率(Hz)P1040520设定键盘控制的频率值(Hz)P1058510正向点动频率(Hz)P1059510反向点动频率(Hz)P1060105点动斜坡上升时间（s）P1061105点动斜坡下降时间（s）表1-3 面板基本操作控制参数4.2 变频器运行操作（1） 变频器启动：在变频器的前操作面板上按运行键，变频器将驱动电动机升速，并运行在由P1040所设定的20Hz频率对应的540r/min的转速上;（2） 正反转及加减速运行：电动机的转速（运行频率）及旋转方向可直接通过按前操作面板上的增加键/减少键（/）来改变;（3） 点动运行：按下变频器前操作面板上的点动键，则变频器驱动电动机升速，并运行在由P1058所设置的正向点动10Hz频率值上。当松开变频器前面板上的点动键，则变频器将驱动电动机降速至零。这时，如果按下一变频器前操作面板上的换向键，在重复上述的点动运行操作，电动机可在变频器的驱动下反向点动运行;（4） 电动机停车：在变频器的前操作面板上按停止键，则变频器将驱动电动机降速至零。实验二 变频器的外部端子控制实验1. 实验目的1.1 掌握MM420变频器基本参数的输入方法；1.2 掌握MM420变频器输入端子的操作控制方式。2. 实验原理变频器在实际使用中，电动机经常要根据各类机械的某种状态而进行正转、反转、点动等运行，变频器的给定频率信号、电动机的起动信号等都是通过变频器控制端子给出，即变频器的外部运行操作，这样可大大提高了生产过程的自动化程度。2.1 MM420变频器的数字输入端口（1） MM420变频器有3个数字输入端口，具体如图2-1所示。图2-1 MM420变频器的数字输入端口（2） 数字输入端口功能MM420变频器的3个数字输入端口（DIN1-DIN3），即端口“5”、“6”、“7”，每一个数字输入端口功能很多，根据需要进行设置（见附录1）。参数号P0701-P0703为与端口数字输入1功能至数字输入3功能，每一个数字输入功能设置参数值范围均为0-99，出厂默认值均为1。以下列出其中几个常用的参数值，各数值的具体含义见表2-1。参数值功能说明0禁止数字输入1ON/OFF1（接通正转、停车命令1）2ON/OFF1(接通反转、停车命令1)3OFF2（停车命令2），按惯性自由停车4OFF3（停车命令3），按斜坡函数曲线快速降速9故障确认10正向点动11反向点动12反转表2-1 MM420数字输入端口功能设置表3. 实验器材西门子MM420变频器一台、异步电动机一台、断路器一个、自锁按钮三个、导线若干、通用电工工具一套等。4. 实验内容和步骤4.1 按要求接线变频器外部运行操作接线如图2-1所示。4.2 参数设置 用自锁按钮SB1和SB2，外部线路控制MM420变频器的运行，实现电动机正转和反转控制，SB3实现电动机点动功能。其中端口“5”（DIN1）设为正转控制，端口“6”（DIN2）设为反转控制，端口“7”（DIN3）设为正向点动。对应的功能分别由P0701、 P0702和P0703的参数值设置。接通断路器QS，在变频器在通电的情况下（变频器没有主电源开关，因此当电源电压接通时变频器就已带电），完成相关参数设置，具体设置见表2-2。参数号出厂值设置值说明P000311设用户访问级为标准级P000407命令和数字I/OP070022命令源选择“由端子排输入”P000312设用户访问级为扩展级P000407命令和数字I/OP070111ON接通正转，OFF停止P070212ON接通反转，OFF停止P0703910正向点动表2-2 变频器参数设置4.3 变频器运行操作（1）正向运行：当按下带锁按钮SB1时，变频器数字端口“5”为ON，电动机按P1120所设置的5S斜坡上升时间正向启动运行，经5S后稳定运行在540r/min的转速上，此转速与P1040所设置的20Hz对应。放开按钮SB1，变频器数字端口“5”为OFF，电动机按P1121所设置的5S斜坡下降时间停止运行；（2）反向运行：当按下带锁按钮SB2时，变频器数字端口“6”为ON，电动机按P1120所设置的5S斜坡上升时间正向启动运行，经5S后稳定运行在540r/min的转速上，此转速与P1040所设置的20Hz对应。放开按钮SB2，变频器数字端口“6”为OFF，电动机按P1121所设置的5S斜坡下降时间停止运行；（3）电动机的点动运行：正向点动运行：当按下带锁按钮SB3时，变频器数字端口“7”为ON，电动机按P1060所设置的5S点动斜坡上升时间正向启动运行，经5S后稳定运行在270r/min的转速上，此转速与P1058所设置的10Hz对应。放开按钮SB3，变频器数字端口“7”为OFF，电动机按P1061所设置的5S点动斜坡下降时间停止运行；（4）电动机的速度调节分别更改P1040和P1058、P1059的值，按上步操作过程，就可以改变电动机正常运行速度和正、反向点动运行速度。实验三 变频器的多段速控制实验1实验目的1.1 掌握变频器多段速频率控制方式；1.2 熟练掌握变频器的多段速运行操作过程。2实验原理多段速功能，也称作固定频率，在有些工业生产中需要几段固定频率的设定，本变频器提供了7个固定频率供用户选择。在设置参数P1000=3的条件下，用开关量端子选择固定频率的组合，实现电动机多段速度运行模式。选择固定频率的办法：2.1 直接选择（P0701 - P0703 = 15）在这种操作方式下，一个数字输入选择一个固定频率。如果有几个固定频率输入同时被激活，选定的频率是它们的总和，例如：FF1+FF2+FF3；2.2 直接选择+ON命令（P0701-P0703=16）选择固定频率时，既有选定的固定频率，又带有ON命令，把它们组合在一起。在这种操作方式下，一个数字输入选择一个固定频率。如果有几个固定频率输入同时被激活，选定的频率是它们的总和，例如：FF1+FF2+FF3；2.3 二进制编码十进制数（BCD码）选择+ON命令（P0701-P0703=17）使用这种方法最多可以选择7个固定频率。各个固定频率的数值根据下表3-1选择：DIN1DIN2DIN3不激活不激活不激活OFF激活不激活不激活FF1P1001不激活激活不激活FF2P1002激活激活不激活FF3P1003不激活不激活激活FF4P1004激活不激活激活FF5P1005不激活激活激活FF6P1006激活激活激活FF7P1007为了使用固定频率功能，需要用P1000选择固定频率的操作方式。3. 实验器材西门子MM420变频器一台、异步电动机一台、断路器一个、自锁按钮三个、导线若干、通用电工工具一套等。4实验内容及步骤在“直接选择”的操作方式（P0701-P0703=15）下，还需要一个ON命令才能使变频器运行，这里以（P0701-P0703=17）“二进制编码的十进制数（BCD码）选择+ON命令”。4.1 恢复出厂设置，并进行快速调试（P0010=1）根据电动机铭牌写入相关参数；P0010=1P1120=5P1121=5P1000=3P1080=0P1082=50P0010=0P0003=3P0004=7P0701=17P0702=17P0703=17P0004=10P1001=10P1002=15P1003=20P1004=25P1005=30P1006=35P1007=40闭合数字输入端的开关，电动机将10Hz（P1001=10）的频率下运行，可以通过3个数字输入端上的开关闭合和断开的不同排列调出七种不同的速度；将数字输入端1、2、3分别设定为低速，中速，高速（频率自行设定），其频率值通过设定P1001、P1002、P1004的数值来实现。实验四 PLC控制变频器实验1实验目的1.1 熟练掌握变频器的多段速运行操作过程；1.2 掌握PLC通过外部端子方式控制变频器。2实验原理结合实验三变频器的多段速控制实验，使用PLC代替自锁按钮的作用，在PLC的输入段接入两个开关SA1和SA2，分别用于启动和停止变频器的多段速运行程序，自动实现变频器的3段不同的速度。3. 实验器材西门子MM420变频器一台、S7-200 PLC、异步电动机一台、开关两个、导线若干、通用电工工具一套等。4. 实验内容及步骤4.1 按要求接线变频器外部运行操作接线如图5-1所示。图5-1 变频器外部运行操作接线4.2 变频器参数设定根据实验三的内容设置变频器的参数，可实现3个数字输入端口使能有效。4.3 PLC程序编写在PLC上编写程序，用于实现三段速控制要求：按下开关SA1，启动程序使变频器开始按照低速10Hz频率控制电动机运行，5s后加速到中速频率20Hz运行，5s后再加速到高速频率30Hz运行，5s后自由停车，运行频率如图5-2所示；按下开关SA2可使变频器在运行过程中停止控制电动机。图5-2 3段频率运行特性如果选用电梯系统设备，对应的使用PLC输入端口为：I0.0、I0.1输出端口：Q2.2、Q2.3如果使用恒压供水系统设备，对应的使用输入端口为I0.0、I0.1输出端口Q0.2、Q0.5、Q0.6其中Q0.2是控制继电器给变频器供电使用的，所以通过两个数字输入端实现3段速控制电动机运行。5. PLC程序实验五 恒压供水系统的PID控制实验1实验目的1.1 了解恒压供水系统的工作原理；1.2 掌握PID控制方法的基本原理；1.3 熟练掌握PLC的模拟量编程方法。2实验原理恒压供水系统的控制目标是泵站总管的出水压力,系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较,差值由系统运算处理后,发出控制指令,控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速,从而达到控制管网中水压恒定的目的控制系统通过由安装在管网上的压力传感器和变送器,将水管出水口压力测出,并将压力信号转换成420mA标准电流信号,直接送到变频器,与所设定的压力信号进行比较,得出偏差,其偏差值由PLC的PID调节器,按预先规定的调节规律进行运算得出调节信号,从而使变频器输出为连续可调电压与频率的交流电,供给水泵电机来进行变频调速,同时PLC利用变频器在运行时所输出的状态信号来控制备用泵的投入和工频泵的自动切除。2.1恒压供水系统本实验设备是双容水箱控制系统，能实现恒定压力控制和恒定液位控制，本实验主要学习恒压力控制方式。该系统由水箱及进出水管道与阀门、变频器及控制的磁力齿轮泵、压力变送器液位传感器等部分组成，将机械和电气有机组合在一起，实现点位控制，如图6-1，包括：（1）超声波传感器：检测液位。（2）变频器：控制水泵转速。（3）操作面板：启动、停止、压力/液位、急停。（4）浮球液位开关：共2只，分别安装在供水水箱的下部和回水水箱的上部，主要功能是在供水水箱缺水或回水水箱溢水时报警（5）磁力齿轮水泵：二级三相交流变频电机控制。出水流量约4L/min （MAX）。（6）二通电磁阀：控制回水水箱的出水，主要功能是防止无人操作时回水水箱的出水不受控，造成供水水箱溢流。（7）截流阀：调节管道中水流量，也可通过对水泵出水口处的截流阀的调节观察压力的变化，进而观察水泵的工作状态。（8）压力变送器：用来测量流水管壁的压力、控制范围为00.1MPA。（9）水箱：分为供水水箱和回水水箱。通过安装在水泵出水总管上的精确压力变送器，将水泵出口压力转换成模拟电流信号，并与设定的压力值进行比较，通过PLC的PID功能输出控制变频器的模拟信号，进而控制电机的转速，达到恒压供水的目的。图6-1 恒压供水系统结构图2.2模拟量扩展模块（1） EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。模块的接线方式请参考6，该实验是按照电流信号接线，采集4-20mA电流信号。对于某一模块，只能将输入端同时设置为一种量程和格式，即相同的输入量程和分辨率。首先用DIP开关设置EM235扩展模块，开关1到6可选择输入模拟量的单/双极性、增益和衰减。EM235开关 单/双极性选择增益选择衰减选择SW1SW2SW3SW4SW5SW6ON单极性OFF 双极性OFF OFF X1OFF ONX10 ONOFF X100ONON无效ONOFF OFF 0.8OFF ONOFF 0.4OFF OFF ON0.2表6-1 EM235模式选择6个DIP开关决定了所有的输入设置。也就是说开关的设置应用于整个模块，开关设置也只有在重新上电后才能生效。该实验设置的DIP值为：（1为ON，0为OFF）（2） EM235数据字格式图6-2给出了12位数据值在CPU的模拟量输入字中的位置图6-2 模拟量单极性输入字格式可见，模拟量到数字量转换器（ADC）的12位读数是左对齐的。最高有效位是符号位，0表示正值。在单极性格式中，3个连续的0使得模拟量到数字量转换器（ADC）每变化1个单位，数据字则以8个单位变化。图6-3给出了12位数据值在CPU的模拟量输出字中的位置：图6-3模拟量单极性输出字格式数字量到模拟量转换器（DAC）的12位读数在其输出格式中是左端对齐的，最高有效位是符号位，0表示正值。（3）模拟量扩展模块的寻址每个模拟量扩展模块，按扩展模块的先后顺序进行排序，其中，模拟量根据输入、输出不同分别排序。模拟量的数据格式为一个字长，所以地址必须从偶数字节开始。例如：AIW0，AIW2，AIW4、AQW0，AQW2。每个模拟量扩展模块至少占两个通道，即使第一个模块只有一个输出AQW0,第二个模块模拟量输出地址也应从AQW4开始寻址，以此类推。（4）模拟量值和A/D转换值的转换假设模拟量的标准电信号是A0Am（如：420mA），A/D转换后数值为D0Dm（如：640032000），设模拟量的标准电信号是A，A/D转换后的相应数值为D，由于是线性关系，函数关系Af（D）可以表示为数学方程：A（DD0）（AmA0）（DmD0）A0 （1-1）根据该方程式，可以方便地根据D值计算出A值。将该方程式逆变换，得出函数关系Df（A）可以表示为数学方程：D（AA0）（DmD0）（AmA0）D0 （1-2）2.3 PID算法在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。压力设定值：设定压力目标值，单位为KPA；压力测量值：当前实测的压力值，单位为KPA；比例增益（Kp）：PID调节时P值的大小；积分时间（TI）：PID调节时I值的大小，单位为100ms。在S7-200系列的PLC支持PID自整定功能，该算法是基于延时反馈算法。只需要调节参数，为过程控制回路提供一套最优化的整定参数，使用这些整定值可达到极佳的控制效果，真正优化控制过程。STEP 7-Micro/WIN软件中包含一个PID整定控制面板，可以以图形的方式监视PID回路，还可以将推荐整定值或设定的整定值应用到实际控制中去。3. 实验器材西门子MM420变频器一台、S7-200 PLC、水泵一台、导线若干、通用电工工具一套等。4. 实验内容及步骤4.1 按要求接线4.2 变频器参数设定根据控制要求设置变频器的参数，可实现数字输入端口使能有效。4.3 PLC程序编写（1）编写恒压力程序，实现管网中水压恒定。通过由安装在管网上的压力变送器,将水管出水口压力测出,并将压力信号转换成420mA标准电流信号,直接送到变频器,与所设定的压力信号进行比较（使用PLC的PID自整定功能）,从而使变频器输出为连续可调电压与频率的交流电,供给水泵电机来进行变频调速。 （2）使用PID自整定面板界面，监视PID回路的控制效果，并进行实时调节。实验心得 课程设计是大学学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的设计出可逆运行电动机的PLC控制，我摆脱了单纯的理论知识学习状态。通过实际设计相结合，锻炼了我综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平。通过这次PLC实训设计，提高了我的意志力和品质力，提升了自己的忍耐力，懂得了怎样缓解压力，学会了独立思考、逻辑思维、提出问题、分析问题、解决问题的方法。这是我希望看到的，也正是我的目的所在。 在此次课程设计中充分了解了PLC操作程序，学会了PLC的基本编程方