PLC与变频器实现电机正反转、任意转速、停车急停

1、摘要随着电气工业的不断发展，可编程控制器（PLC）、变频器得以普及到人们生活、生产中，使电气控制更加方便、简洁、实用。在工业生产过程中，具有大量的的开关量顺序控制，要求按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行联锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集等。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司公开招标，提出研制能够取代继电器的控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程控制器，成Programmable Controller（PC）。个人计算机（

2、简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。现今，PLC已经具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。可预见的将来，PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的主导地位，是其他控制技术无法求带的。变频器是把工频电源（50Hz或60HZ）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于

3、如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有事还需要一个进行转矩运算的CPU以及一些相应的电路。目录引言-3第一章. PLC与变频器实现电机正反转控制1.1 设计要求-41.2 设计思路-41.3 设计目的-4第二章. 电机正反转控制系统PLC设计2.1 梯形图程序的设计方案-52.2 系统所需的电气元件介绍-5第三章. 电动机控制要求实现3.1 PLC通过RS485通讯实现变频调速-113.2 变频器控制电机正反转-123.3 变频器实现电机制动、急停-123.4 实现电动机控制梯形图程序-14第四章.注意事项4.1 安装环境-164.2 电源接线-164.3 接地-164.4 直流24

4、V接线端-174.5 输入接线注意点-17结束语-18参考文献-19评审意见表-20引言本课题设计：电动机要实现无级调速，可用变频器控制，电机的正反转，停车，急停也可由PLC控制变频器实现。研究这一课题的目的和意义有以下几点：1）、用PLC控制技术对电动机的控制电路实施改造，则具有普遍的技术及经济意义；2）、提高电动机控制电路的稳定性和自动化程度；3）、通过PLC改造后，可以延长电动机的使用寿命，还可以降低机床的故障、更加便于控制、方便维修等各种好处。采用PLC实现电动机电气控制时，继电一接触器系统中按钮、速度继电器为PLC的输入设备，接触器线圈及指示灯为PLC的输出设备。经过这样处理后，仅需

5、要8个输入点，6个输出点，又基于三菱的PLC在市场上被广泛使用且价格便宜，适用于经济型的改造，因此，我选用三菱型号为FX1N-14MT的PLC。而根据电压和功率要求，以及变频器功能的不同，我选用了普传PI9000变频器。第一章. PLC与变频器实现电机正反转控制1.1设计要求1）对电机控制的实物了解，熟悉其工作原理。2）通过实物连线画其相应的电气接线图。3）通过原理图对电机电气部分进行PLC的设计改造。4）对改造后进行调试、改进并画出改造后的PLC接线图。5）编写说明书设计小结。1.2设计思路通过对电机所有硬件部分接线方式的了解与认识，从实际连线出发掌握电动机控制系统的工作原理以及各机械部件的

6、动作方式。然后按照其接线画出相应原理图，并对其进行注释。对原理图作进一步的分析，将所有的机械动作原件（接触器、继电器、按钮等）转换成以PLC的软件控制（即软触点换成硬触点）。设计PLC的梯形图，要求与原有电气部分控制的工作原理相同。1.3设计目的在工业控制领域，为了实现弱电对强电的控制，使机械设备实现预期的要求，继电器系统曾被广泛使用并占主导地位。虽然它具有结构简单、易学易懂、价格便宜的优点，但其控制过程是由硬件接线的方式实现的。如果某一个继电器损坏，甚至仅仅是一对触点接触不良，就可能造成系统的瘫痪，而故障的查找和排除又往往是困难的，需要花费很长时间。如果产品更新换代，则需要改变整个系统的控制

7、周期。第二章. 电机正反转控制系统PLC设计2.1 梯形图程序的设计方案电动机控制系统采用继电一接触器控制移植法设计梯形图程序。（1）设置中间单元在梯形图中，为简化电路，多个线圈都受某一触点串并联电路的控制，在梯形图中设置用该电路控制的中间继电器。（2）设计梯形图时以线圈为单位，分别考虑继电器电路图中每个线圈受到哪些触点和电路的控制，然后画出相应的等效梯形图电路。（3）外部联锁电路的设计在梯形图中设置对应的输出继电器的线圈串联的常闭触点组成的软件互锁外，还应在PLC外部设置硬件互锁电路。2.2 系统所需的电气元件介绍1）、可编程序控制器可编程控制器简称PC（英文全称：Programmable

8、Controller），它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（英文全称：Programmable Logic Controller）和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为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

9、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该按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。”可编程控制器工作原理PLC的工作原理就是无限循环扫描，扫描过程是，初始化处理；处理输入信号阶段；程序处理阶段；处理输出信号阶段。扫描周期过程是T=（读入一点时间*点数）+（运算速度*程序步数）+故障诊断时间。可编程序控制器的性能（1）工作环境，一般PLC的工作的温度为0设施度到55设施度，最高为60设施度，存储温度为-20设施度之+85设施度；相对温度为5%95%。（空气条件，周围不能混有可然性，易爆性和腐蚀性气体）（2）耐振动，冲击性能强，

10、一般PLC能承受振动和冲击频率为1055HZ，振幅为0.5mm加速度为2g，冲击为10g（3）循环扫描，一周期扫描时间为10ms左右，因此PLC故障率低，不易坏，可靠性高。2）、变频器变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器作用1、变频节能 变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷

11、下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。以上海正艺信息科技有限公司生产的变频器应用到风机水泵型负载的节能的例子来说：一台离心泵电机功率为55千瓦，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16千瓦，省电48.8，当转速下降到原转速的l2时，其耗电量为6.875千瓦，省电87.5。2、功率因数补偿节能 无功功率不但增加线损和设备的发热，更主

12、要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。3、软启动节能 电机硬启动对电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。 PI9000配线框图3）、热继电器热继电器是由流入热元件的电流产生热

13、量，使有不同膨胀系数的双金属片发生形变，当形变达到一定距离时，就推动连杆动作，使控制电路断开，从而使接触器失电，主电路断开，实现电动机的过载保护。热继电器主要用来对异步电动机进行过载保护，作为电动机的过载保护元件，以其体积小，结构简单、成本低等优点在生产中得到了广泛应用。4）、断路器断路器（英文名称：circuit-breaker，circuit breaker）是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件（包括短路条件）下的电流的开关装置。断路器可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及

14、欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件。目前，已获得了广泛的应用。 断路器按其使用范围分为高压断路器，和低压断路器，高低压界线划分比较模糊，一般将3kV以上的称为高压电器。5）、交流接触器接触器(Contactor)是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。接触器由电磁系统（铁心，静铁心，电磁线圈）触头系统（常开触头和常闭触头）和灭弧装置组成。其原理是当接触器的电磁线圈通电后，会产生很强的磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作：常闭触头断开；常开触头闭合，两者是联动的。当线圈

15、断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原：常闭触头闭合；常开触头断开。6）、5.5KW变频电机对普通异步电动机来说，再设计时主要考虑的性能参数是过载能力、启动性能、效率和功率因数。而变频电动机，由于临界转差率反比于电源频率，可以在临界转差率接近1时直接启动，因此，过载能力和启动性能不在需要过多考虑，而要解决的关键问题是如何改善电动机对非正弦波电源的适应能力。7）、按钮按钮，是一种常用的控制电器元件，常用来接通或断开“控制电路”（其中电流很小），从而达到控制电动机或其他电气设备运行目的的一种开关。8）、RS485转换器参数接口：符合EIA RS-232，RS-485，RS-4

16、22标准工作方式：异步传输，点对多点，2线半双工，4线全双工波特率：300bps，自动侦测串口信号速率方向控制：ADDC，自动判别和控制数据传输方向光电隔离：3000V环境指标工作温度：-20到60湿度：相对湿度5%到95%第三章.电动机控制要求实现3.1 PLC通过RS485实现变频调速本方法是PLC主机上装RS-485BD通讯适配器与变频器的485PU口相连接（具体连接方式见附录图6所示），通过PLC和变频器之间的RS485半双工串行通讯来实现电动机的变频调速。PLC和变频器之间的RS-485协议PLC和变频器之间进行通讯，通讯规格必须在变频器的初始化中设定，如果没有进行设定或有一个错误的

17、设定，数据将不能进行通讯。且每次参数设定后，需复位变频器。确保参数的设定生效。设定好参数后按如下协议进行数据通讯该过程分5个阶段：1、计算机发出通讯请求；2、变频器处理等待；3、变频器作出应答；4、计算机处理等待；5、计算机作出应答。根据不同的通讯要求完成相应的过程，如写变频器启、停控制命令时则只需完成1-3三个过程；监视变频器运行频率时则需完成1-5五个过程。不论是写数据还是读数据，均有PLC发出请求，变频器只是被动接受请求并作出应答。每个阶段的数据格式均有差别。现只列出较为常用的三种格式：要实现PLC对变频器的通讯控制，必须对PLC进行编程;通过程序实现PLC对变频器的各种运行控制和数据的

18、采集。PLC程序首先应完成FX2N-485BD通讯适配器的初始化、控制命令字的组合、代码转换和变频器应答数据的处理工作。3.2 变频器控制电机正反转由于选择采用PLC控制变频器实现电机的正反转控制，根据PI9000的功能，可以通过更改参数，而不改变电机接线实现改变电机正反转向的目的，其作用相当于调整电机（U、V、W）任意两条线实现电机旋转方向的转换。3.3 变频器实现电机制动、急停PI9000启停控制组DC起始频率：减速停机过程中，当运行频率降低到该频率时，开始直流制动过程。DC等待时间：在运行频率降低到停机直流制动起始频率后，变频器线停止输出一段时间，然后再开始直流制动过程。用于防止在较高速

19、度时开始制动可能引起的过流等故障。停机制动电流：之直流制动时的输出电流，相对电机额定电流的百分比。此值越大则直流制动效果越强，但是电机和变频器的发热越大。停机制动时间：直流制动量保持的时间。此值为0则直流制动过程被取消。停机直流制动过程如下图所示。停机直流制动示意图3.4 实现电机控制梯形图程第四章.注意事项4.1 安装环境PLC适用于大多数工业现场，但它对使用场合、环境温度等还是有一定要求。控制PLC的工作环境，可以有效的提高它的工作效率和寿命。在安装PLC时，要避开下列场所：（1）环境温度超过050的范围；（2）相对湿度超过85%或者存在露水凝聚（由温度突变或其他因素所引起的）；（3）太阳

20、光直接照射；（4）有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等；（5）有大量铁屑及灰尘；（6）频繁或连续的振动，振动频率为1055Hz、幅度为0.5mm（峰峰）；（7）超过10g（重力加速度）的冲击。4.2 电源接线PLC供电电源为50Hz、220V10%的交流电。FX1N系列可编程控制器有直流24V输出接线端。该接线端可为输入传感（如光电开关或接近开关）提供直流24V电源。如果电源发生故障，中断时间少于10ms，PLC工作不受影响。若电源中断超过10ms或电源下降超过允许值，则PLC停止工作，所有的输出点均同时断开。当电源恢复时，若RUN输入接通，则操作自动进行。对于电源线来的干扰，PLC本身具

21、有足够的抵制能力。如果电源干扰特别严重，可以安装一个变比为1:1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。4.3 接地良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。接地线与机器的接地端相接，基本单元接地。如果要用扩展单元，其接地点应与基本单元的接地点接在一起。为了抑制加在电源及输入端、输出端的干扰，应给可编程控制器接上专用地线，接地点应与动力设备（如电机）的接地点分开。若达不到这种要求，也必须做到与其他设备公共接地，禁止与其他设备串联接地。接地点应尽可能靠近PLC。4.4 直流24V接线端使用无源触点的输入器件时，PLC内部24V电源通过输入器件向输入端提供每点7mA

22、的电流。PLC上的24V接线端子，还可以向外部传感器（如接近开关或光电开关）提供电流。24V端子作传感器电源时，COM端子是直流24V地端。如果采用扩展单元，则应将基本单元和扩展单元的24V端连接起来。另外，任何外部电源不能接到这个端子。如果发生过载现象，电压将自动跌落，该点输入对可编程控制器不起作用。每种型号的PLC的输入点数量是有规定的。对每一个尚未使用的输入点，它不耗电，因此在这种情况下，24V电源端子向外供电流的能力可以增加。 FX1N系列PLC的空位端子，在任何情况下都不能使用。4.5 输入接线注意点（1）输入接线一般不要超过30m。但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。 （2）输入、输出线不能用同一根电缆，输入、输出线要分开。 （3）可编程控制器所能接受的脉冲信号的宽度，应大于扫描周期的时间。结束语通过一周的课程设计我收获了很多，通过自己动手可以把以前学过的理论知识和实践结合在一起，实现学以致用，简单的课设体现着大道理。课设的题目是PLC与变频器实现电机正反转控制，虽然实习内容看似并不是很难，和老师平时经常讲的电机正反转控制差不多，但是真正要将理论