运动控制系统课程设计基于PLC的变频调速控制系统设计

1、湖 南 工 程 学 院课 程 设 计课程名称 运动控制系统 课题名称 基于plc的变频调速控制系统设计 专业班级 姓 名 学 号 指导教师 2011年9月23日湖南工程学院课程设计任务书课程名称： 运动控制系统题 目：基于plc的变频调速控制系统设计专业班级： 学生姓名： 学号： 指导老师： 审 批： 任务书下达日期 2011年09月13日课程设计完成日期2011年09月23日 设计内容与设计要求一 设计内容：1. 变频器的选择设计2. plc的选择设计3. 基于plc的变频器开环调速控制系统的设计4. 基于plc的变频器模拟量闭环调速控制系统的设计二 设计要求：1 设计思路清晰，给出整体设计

2、框图；2 单元电路设计，给出具体设计思路和电路；3 分析所有单元电路与总电路的工作原理，4 绘制控制系统原理图，plc的控制程序设计，5 写出设计报告； 主要设计条件1 设计依据主要参数1） 西门子变频器一台2） s7-200plc一台3） 交流电动机一台 2. 可提供实验 说明书格式1 课程设计封面；2 任务书；3 说明书目录；4 plc、变频器的选择及参数设置与操作5 基于plc的变频器开环调速控制系统的设计6 基于plc的变频器模拟量闭环调速控制系统的设计7 实验调试，实验数据及分析。8 总结与体会；9 附录（完整的总电路图）；10 参考文献；10、课程设计成绩评分表 进 度 安 排 第

3、一周星期一:课题内容介绍和查找资料； 星期二:总体电路方案确定 星期三:主电路设计星期四:控制电路设计 星期五:控制电路设计；第二周星期一: 控制电路设计星期二：电路原理及波形分析、实验调试及仿真等星期四五:写设计报告，打印相关图纸； 星期五下午:答辩及资料整理 参 考 文 献1石玉 栗书贤电力电子技术题例与电路设计指导机械工业出版社，1998 2王兆安 黄俊电力电子技术（第4版）机械工业出版社，20003浣喜明 姚为正电力电子技术高等教育出版社，20004莫正康电力电子技术应用（第3版）机械工业出版社，20005郑琼林耿学文电力电子电路精选机械工业出版社，19966刘定建朱丹霞实用晶闸管电路

4、大全机械工业出版社，19967刘祖润 胡俊达毕业设计指导机械工业出版社，19958刘星平运动控制系统实验指导书校内，20099. 刘星平.thpk-2型工业综合自动化控制装置实训指导书.2009目 录第1章 概 述11.1系统概述11.2 plc的概述11.3变频器的简介2第2章 总体设计方案42.1 主电路的设计42.2控制电路的设计62.3保护电路的设计6第3章 系统硬件设计83.1 变频器的选择与设置83.2 plc的选择93.3 s7200 plc的硬件组成及指令系统15第4章 系统软件设计164.1 plc程序梯形图16第5章 系统调试24第6章 总结与体会26附 录27参 考 文

5、献28第1章 概 述随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，这促进了电气传动的技术革命。交流电机变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高效率，高功率因数，以及优异的调速和启制动性能等诸多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。1.1系统概述在现代工业和经济生活中，随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，交流变频调速技术作为高新技术、节能技术广泛应用于各个领域；由于plc的功能强大、使用容易、可靠性高，常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。组态软件技术作为用户可定制功能的软件平台

6、工具，在工控机上可开发出友好的人机界面，通过plc可以对自动化设备进行“智能化”控制。在本课题的系统中，考虑到电机的启动、运行、调速和制动的特性，因此采用高功能性控制的通用变频器对电机进行转速调节，此变频器的s型加减速功能和转矩提升功能，能很好的解决转速之间的切换和启动问题。系统中由plc完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。基于plc的编程软件采用模块化的程序设计方法，大量采用功能模块重用，减少软件的开发和维护。利用组态软件良好的人机界面和通信能力及profibus总线技术，使工程师、操作人员可以在中央控制室的工控机上方便的浏览现场的工业流程、实现变频器的参数设置、故障诊断和电机的

7、启动和停止的控制；同时可以在现场进行电机的启动、停止及增减速等的操作。1.2 plc的概述可编程序控制器（plc）是以微处理器为基础的工业控制装置，它的功能强，可靠性极高，编程简单，使用方便，体积小巧，近年来在工业生产中得到了广泛的应用，被誉为当代工业自动化的主要支柱之一。plc的功能包括逻辑控制、定时控制、计数控制、步进（顺序）控制、pid控制、数据控制、通信和联网以及许多特殊功能模块。plc具有极高的可靠性，丰富的i/o接口模块并且采用了模块化结构以适应各种工业控制的需要，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。plc的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具

8、备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握，而且其安装简单，维修也方便，由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。适应行强的可编程序控制器产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各硬件装置功用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。可编程序控制器安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。可编程序控制器有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。可编程序控制器用软件代替大量的中间继电器、时间继电器，仅剩下与输和输出有关的少量接下接线，一般为继电器控制系统的十分之一到百分之一，

9、因接触不良造成的故障减少了很多。可编程序控制器采取了一系列软件和硬件抗干扰措施，使之具有很强的抗扰能力，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，可编程序控制器以被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。虽然plc问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，plc也迅速发展，在发达的工业国家，plc已经广泛应用于所有的工业部门，随着其性能价格比的不断提高，应用范围也不断扩大。主要用于：开关逻辑控制、运动控制、闭环过程控制、数据处理、通信联网等领域。1.3变频器的简介变频器按照变换环节分为两种：（1）交-交变频器 交-交变频器是将工频交流直接

10、转换成频率电压可调的交流，又称直接式变频器。（2）交-直-交变频器 交-直-交变频器是先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流。由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”所以又称间接式的变压变频器。交-直-交变频器的工作原理是把工频交流电通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电。利用变频器可以根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速或减速，具有效率高、范围宽、精度高且能无级变速的优点。其原理图如下所示：图1.1 变频器调速原理除了上面的分类外，变频器还有其他分类方式。按照主

11、电路工作方式，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式，可以分为pam控制变频器、pwm控制变频器和高载频pwm控制变频器；按照工作原理，可以分为v/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。 本次设计采用micromaster 420变频器，采用具有现代先进技术水平的绝缘双极型晶体管（igbt）作为功率输出器件。因此具有很搞的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。第2章 总体设计方案2.

12、1 主电路的设计本系统设计的变频调速系统单元，采用交流变频调速，通过控制变频器来实现三相异步电动机的开闭环、正反转和快慢速的转换。其具体工作过程如下：从电网上接入380v交流三相电源，首先通过一个接触器作为整个电路的通断开关。电动机三相u、v、w接在变频器的输出端口，输入端口l1、l2、l3通过a级滤波器连接在交流接触器km1上。由于电机在转动过程中会产生大量热量，故主电路中还接了一个风机，起到冷却泵的作用，变频电机的风机则通热继电器fr41连接在交流接触器km42上，再连接到交流接触器km41的电网上。接下来是变频电机简单的起、停、开闭环、变频调速电器控制线路。其控制线路说明如下：qf41为

13、空气断路器，当空气开关闭合，没有按下启动按钮sb41时，交流接触器km41处于断开状态；当按下起动按钮sb41时，接通交流接触器km41，km41继电器通电，交流接触器km41保持通电状态，可编程序控制器运行，输出端给变频器一个启动信号，电源指示灯hr4亮。在运行中按下停止按钮sb42，则km41继电器断电，交流接触器km41断开。电机风机的控制电路用到了变频器的两个控制点rl1-b和rl1-c，当变频器通电时，这两点自动接通，交流接触器km42的线圈也接通，风机开始运转，同时我们还用了热继电器fr41，用于过载保护。在加速和减速过程以外，电机一直是稳速运行。变频电机的加速、减速、慢速和稳速运

14、行全部都由变频器控制。加速和减速过程时间的长短，以及稳速值的大小由人为在变频器中根据需要设定。图2.1 变频调速系统总电气图2.2控制电路的设计图2.2 控制电路图总体控制要求：plc根据输入端的控制信号及脉冲信号，经过程序运算后由通讯端口控制变频器运行设定的行程；电机运行到减速值后开始减速；电机运行到设定值后停止运行并锁定。2.3保护电路的设计当主电路电流超过某一数值后(2a左右)，由9r3，9r20上取得的过流信号电压超过运算放大器的反向输入端，使d触发器的输出为高电平，使晶体三极管v由截止变为导通，结果使继电器k的线圈得电，继电器k由释放变为吸引，它的常闭触点接在主回路接触器的线圈回路中

15、，使接触器释放，断开主电路。并使发光二极管亮，作为过流信号指示，告诉操作者已经过流跳闸。sa为解除记忆的复位按钮，当过流动作后，如过流故障已经排除，则须按下以解除记忆，恢复正常工作。图2.3保护电路图第3章 系统硬件设计3.1 变频器的选择与设置本次课程设计选用的是西门子的变频器，其型号是mm420。具体操作如下：p0010的参数过滤功能和p0003选择用户访问级别的功能在调试时是十分重要的。由此可以选定一组允许进行快速调试的参数。电动机的设定参数和斜坡函数的设定参数都包括在内。在快速调试的各个步骤都完成以后，应选定p3900，如果它置为1，将执行必要的电动机计算，并使其他所有的参数（p001

16、0=1不包括在内）恢复为缺省设置值。只有在快速调试方式下才进行这一操作。参照下表快速设置变频器。参数功能表序号变频器参数出厂值设定值功能说明1p070015命令源选择2p100025频率设定值选择（通过 com 链路的uss）3p11355.00停止时间4p1232100150直流制动电流5p123301直流制动电流持续时间3.2 plc的选择可编程控制器简称plc（programmable logic controller），在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

17、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。（一）plc的分类按产地分，可分为日系、欧美、韩台、大陆等。其中日系具有代表性的为三菱、欧姆龙、松下、光洋等；欧美系列具有代表性的为西门子、a-b、通用电气、德州仪表等；韩台系列具有代表性的为lg、台达等；大陆系列具有代表性的为合利时、浙江中控等。按点数分，可分为大型机、中型机及小型机等。大型机一般

18、i/o点数2048点；具有多cpu，16位/32位处理器，用户存储器容量816k，具有代表性的为西门子s7-400系列、通用公司的ge-系列等；中型机一般i/o点数为2562048点；单/双cpu，用户存储器容量28k，具有代表性的为西门子s7-300系列、三菱q系列等；小型机一般i/o点数256点，单cpu，8位或16位处理器，用户存储器容量4k字以下，具有代表性的为西门子s7-200系列、三菱fx系列等。按结构分，可分为整体式和模块式。整体式plc是将电源、cpu、i/o接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点；小型plc一般采用这种整体式结构。模块式plc由不同

19、i/o点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有cpu、i/o接口、与i/o扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或eprom写入器相连的接口等；扩展单元内只有i/o和电源等，没有cpu；基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接；整体式plc一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。这种模块式plc的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型plc一般采用模块式结构。还有一些plc将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式plc。按功能分，可分为低档、中档、高档三类。低档plc 具有逻辑运算、定时、计数、移位

20、以及自诊断、监控等基本功能；还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能；主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。中档plc除具有低档plc的功能外，还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程i/o、子程序、通信联网等功能；有些还可增设中断控制、pid控制等功能，适用于复杂控制系统。高档plc除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等；高档plc机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。（二）plc的特

21、点1可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。plc由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。一些使用冗余cpu的plc的平均无故障工作时间则更长。从plc的机外电路来说，使用plc构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，plc带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除plc以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2.配套

22、齐全，功能完善，适用性强plc发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代plc大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来plc的功能单元大量涌现，使plc渗透到了位置控制、温度控制、cnc等各种工业控制中。加上plc通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用plc组成各种控制系统变得非常容易。3.易学易用，深受工程技术人员欢迎plc作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用plc的少量开关量逻辑控制指令

23、就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造plc用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5.体积小，重量轻，能耗低以超小型plc为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。（三）plc的结构plc的类型繁多，功能和指令系统

24、也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源、编程器扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。1.主机主机部分包括中央处理器（cpu）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。cpu是plc的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如编程器、电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。plc的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器

25、，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。2.输入/输出（i/o）接口i/o接口是plc与输入/输出设备连接的部件。输入接口接受输入设备（如按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。i/o接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。i/o点数即输入/输出端子数是plc的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。3.电源图中电源是指为cpu、存储器、i/o接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。4.编程器编程

26、器是plc的一种主要的外部设备，用于手持编程，用户可用以输入、检查、修改、调试程序或监示plc的工作情况。除手持编程器外，还可通过适配器和专用电缆线将plc与电脑联接，并利用专用的工具软件进行电脑编程和监控。5.输入/输出扩展单元i/o扩展接口用于连接扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）。6.外部设备接口此接口可将编程器、打印机、条码扫描仪等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。（四）plc的工作原理plc是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在plc运行时，cpu根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指

27、令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。plc的扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。plc在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。plc在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，执行的结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段：当所有指令执行完毕

28、，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。3.3 s7200 plc的硬件组成及指令系统（一）硬件组成s7-200cpu将一个微处理器、一个集成电源和数字量i/o点集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的微型plc，具体见下图：s7-200cpu模块包括一个中央处理器（cpu）、电源以及i/o点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。cpu负责执行程序和存储数据，以便对工业自动控制任务或过程进行控制。输入和输出时系统的控制点：输入部分从现场设备中（例如传感器或开关）采集信号，输出部分则控制泵、电机、指

29、示灯以及工业过程中的其他设备。电源向cpu及所连接的任何模块提供电力支持。通信端口用于连接cpu与上位机或其他工业设备。状态信号灯显示了cpu工作模式，本机i/o的当前状态，以及检查出的系统错误。第4章 系统软件设计4.1 plc程序梯形图在本次设计中，很多控制都是通过plc程序来实现的，比如：变频器的控制、pid参数的设定、触摸屏的连接等。s7-200编程语言也通过是step 7实现，它是用于s7系列plc进行编程、调试的全新软件，它是在国际标准iec1131-3的基础上建立的，可以用lad、fbd、stl、cfc、sfc、scl来编程。下面是变频调速系统中所用到的梯形图程序。simatic

30、 200 程序块 ob1： 4.2 plc程序指令表 第5章 系统调试变频器参数的设定可通过 前面板上的薄膜型按钮键改变和设定参数，以调节出所需要的变频器特性例如加速时间，最小和最大频率等。被选定的参数号和设定的参数值通通过四位led显示屏显示出来。操作步骤如下：1.检查实训设备中器材及调试程序。 2.按照i/o端口分配表或接线图完成plc与实训模块之间的接线，认真检查，确保正确无误。3.打开示例程序或用户自己编写的控制程序，进行编译，有错误时根据提示信息修改，直至无误，用pc/ppi通讯编程电缆连接计算机串口与plc通讯口，打开plc主机电源开关，下载程序至plc中，下载完毕后将通讯编程电缆

31、从plc通信口上取下，再将uss通信电缆连接变频器通信口与plc通讯口。最后将plc的“run/stop”开关拨至“run”状态。4.根据参数表设置变频器参数。序号变频器参数出厂值设定值功能说明6p070015命令源选择7p100025频率设定值选择（通过 com 链路的uss）8p11355.00停止时间9p1232100150直流制动电流10p123301直流制动电流持续时间5.打开启动开关，变频器启动开始运行，带动电机运转。6.电机在运转过程中带动旋转编码器，经过转速盒的处理后输出脉冲信号到plc的高速计数器输入端。7.当计数值达到减速值时，plc控制变频器降低输出频率，电机减速运行。8.当计数值达到设定值时，plc控制变频器输出短暂直流电压加到电机上，电机停止运行并锁定当前位置，完成定位控制。第6章 总结与体会本次课程设计的题目是基于plc的变频调速控制系统设计，在这两个星期的时间里，使我对