交流异步电机变频调速时电流和转速监测系统设计

1、交流异步电动机变频调速时电流和转速监测系统设计摘要最近几年，随着新型电力电子器件的不断涌现和计算机技术的飞速发展，高性能的交流电动机参数监控系统得到了广泛的应用，它的显著的节能效果和灵活的运行方式，给人们留下了深刻的印象。本毕业设计论文给出了交流异步电动机变频调速实验系统PLC程序设计的基本内容，主要包括对交流电机的监控系统进行了硬件和软件的设计。在硬件上主要详细介绍了三菱PLC、特殊功能模块、三菱FR-A700变频器、编码器及互感器的工作原理、性能特点、使用方法、接线说明，给出了监控系统原理框图和实际的接线图；软件的设计主要实现对交流异步电机运行过程的数据监测，通过FX2N-4AD模块测量电

2、机中的工作电流，通过变频器的特殊端口测量其工作电压，通过FX2N-4AD测量磁粉制动器的工作电流，通过PLC的内部高速计数器测量电动机的转速；最后通过与监控软件进行联机调试和测量，观察记录各种数据，根据实验数据可以分析电动机和变频器的工作特性，并设计了实验用表和分析计算方法。经相关的实验及组态监控软件的仿真，表明该系统满足预期的设计要求。关键词： 交流电机，变频器，PLC，参数监控，编码器，互感器 THE PROGRAM DESIGN OF PLC TO FREQUENCY CONTROL OF SPEED EXPERIMENT SYSTEM OF AC ASYNCHRONOUS MOTORA

3、BSTRACTIn recent years, with the new emerging power electronic devices and the rapid development of computer technology, high-performance AC motor parameter monitoring system has been widely used, and its remarkable energy-saving effect and flexible operation mode, giving people a deep impression on

4、 it.This article described the basics of AC induction motor VVVF System PLC Programming, It outlined the development and application in China and the future in this field should be done in; secondly，to conduct a systematic analysis of the system schematic diagram, control circuit, electrical control

5、 circuit, as well as hardware and software , then the implementation of the program of the monitoring system were demonstrated.In this article，hardware design was be done in Ac motor control system, it described the working principle and characteristics of Mitsubishi PLC, characteristics and functio

6、n modules, Mitsubishi FR-A700 converter, encoder, and transformer in detail. The design of software is to monitor the data in the process of AC motor running，we can use Mitsubishi PLC and transducer, as well as configuration monitoring software to control the AC motors, we can measure the voltage in

7、 circuit by FX2N-4AD module, and measure the speed of AC motor by internal counter of PLC. Then observe the data for debugging, the we can obtain the results of the experiment.By the related experiments and configuration control software, simulation, shows that the system meets the expected design r

8、equirements.Key words: AC motor, Frequency Converters, PLC, Control of Parameters, Encoder,Transformer目 录1 绪论41.1 引言41.2 课题研究的主要意义52 系统方案论证62.1 交流电机变频调速实验系统的构成与硬件介绍62.2 电气系统图252.3 电气接线图、PLC端子分配图、变频器主电路与控制电路图262.3.1 系统接线图262.3.2 变频器主电路原理图272.3.3 变频器控制电路接线图282.3.4 PLC端子分布图282.4 变频器参数设置-速度控制模式293 PLC变频

9、调速监控系统设计313.1 PLC程序设计313.1.1 PLC编程软件介绍313.1.2 模块FX2N-4AD初始参数设置313.1.3 PLC程序工艺流程图323.1.4 I/O接口分配及PLC系统运行梯形程序323.2 PLC调试过程介绍363.3 PLC与组态监控软件的连接373.3.1 监控画面383.3.2 组态王与FX2N的通信394 实验指导书434.1 变负载时电流与负载转矩的关系测量434.2 恒负载时转差率的测量444.3 变负载时转速转矩的关系测量45参考文献47致谢481 绪论1.1 引言最近几年，随着新型电力电子器件的不断涌现和计算机技术的飞速发展，高性能的交流电动

10、机变频调速系统得到了广泛的应用，他显著的节能效果和灵活的运行方式，给人们留下了深刻的印象。在过去的几十年里,世界范围工业进步的一个重要因素是工厂自动化程度的不断提高。工厂里的生产线一般包括一个或多个可变速的电机传动装置,用于大功率传送带、机械手、桥式吊车、钢材扎制生产线以及塑料和合成纤维生产线等。50年代以前，所有这些应用都需要使用直流电机传动，交流电机由于其固有的以同步或几乎同步于电源的频率运行，所以难以真正的调节或平滑的改变速度。然而，直流传动存在的诸如运行中产生火花、对环境要求较高、电刷易于磨损、维护麻烦等等的自身结构上的问题促使人们不断寻求更好的解决问题的方法。一般来说，交流传动与相当

11、的直流传动相比通常有价格方面的优势，而且具有较少维护、较小的电机尺寸和更高的可靠性。然而对这些传动系统可利用的控制灵活性是非常有限的，而且它们的应用主要局限在风机、泵和压风机等应用方面，其速度只需要粗略调节而对暂态响应和低速特性没有严格要求。用于机床、高速电梯、测功器、矿井提升机等的传动装置，有更加复杂的要求，而且必须提供允许调节多个变量的灵活性，例如速度、位置、加速度和转矩等。这样的高性能应用，一般在速度闭环下要求高速段保持高于0.5%的调速精度和至少20：1的宽调速范围，以及高于50rad/s的快速暂态响应。以前，这样的传动装置几乎全部是直流电机的应用领域，并根据具体应用的需要配置各种结构

12、的AC-DC变换器。然而，采用适当控制的感应电动机传动在高性能应用上已胜过直流传动，并且交流传动更加广泛的应用于计算机外围设备的传动、机床和电动工具、机器人和自动装置的传动、电动汽车和电动火车传动等等。经过近三十年的发展，交流调速电气传动已上升为电气调速的主流，正在越来越广泛的领域取代传统的直流调速传动。其中变频调速是交流电机调速中发展最快、最活跃的一支。它以其优异的调速和起、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式，成为现代调速传动的主流。在冶金、交通、机械、电子、石油化工、纺织、制药、造纸、家用电器、电力牵引等工业领域得到了广泛的应用，产生

13、了巨大的经济效益。同时变频调速传动系统无论在性能、装置体积、设备维护还是在节能乃至环保等方面也都体现了巨大的优势。1.2 课题研究的主要意义电机变频调速运行状态监测对于提高电机运行的可靠性和安全性具有重要意义。本课题对交流电机转速和电流的监控目的在于保护电机装置的安全，对转速和电流分别用传感器来监测，利用编码器来对电机转速进行脉冲计数，然后把脉冲信号传送到PLC，通过SPD的指令编程，把脉冲转换成转速来显示，在上位机上监控转速。用电流互感器对电流进行监测，在测量大的交变电流时,为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流，能有效的保护电动机，初级绕组接在电路中，次级绕组接到FX2N-4AD模块中

14、，把电流模拟量传送到FX2N-4AD模块中，把模拟量转换成数字量在上位机上来分析电流的情况。本课题中用PLC的开关量控制变频器，把信号发送给变频器，使电动机进行变频调速度，给电机加减负载，在计算机上可观察电流和转速情况。变频器变频调速在电气传动系统中占据的地位日趋重要，已获得巨大的节能效果。三菱变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。本课题研究的主要目的是设计一套交流电机变频调速实验系统，通过该系统的使用，学生能够熟练掌握三菱变频器，三菱PLC，功能模块以及编码器和互感器的用法和原理，能够让学生从自己动手的过程中去了解它们的特点，通过对实验的接线和调试，能够让学生熟悉并掌握PLC的编程，变

15、频器的参数设定，了解电动机的机械特性，从而能综合运用各种相关的知识。2 系统方案论证2.1 交流电机变频调速实验系统的构成与硬件介绍本系统由小型异步电动机，三菱PLC及其模块，三菱变频器，磁粉制动器，编码器，互感器，上位机组成。微型异步电动机介绍（1） 外形如图2-1：图2-1 微型异步电动机（2） 本实验系统所用的微型异步电动机的型号和基本参数如下： 型号：YS-6324W 额定功率：250W 额定电压:380v 最大电流不超过0.87A 额定频率：50HZ 额定转速：1400交流异步电动机是应用最广泛的一种动力机械。异步电动机所以能得到这样广泛的应用，是由于它结构简单、制造容易、运行可靠、

16、维护方便，而且效率高、重量轻、价格低。交流异步电机由俄国奥德萨的工程师多布洛夫斯基，对三相输电的理论作了大量研究，于1889年最先发明了功率为一百瓦的三相交流异步电动机、并于1891年第一次实现了三相交流电的输送。与直流电机相比，交流电动机是多变量，强耦和的非线性系统，要实现良好的转矩控制非常困难。20世纪70年代德国工程师F.Blaschke首先提出异步电动机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。异步电机是典型的常规交流电机。自从现代交流变频调速技术发明以来，异步电机驱动技术得到了广泛的研究和发展。但在这些研究中，主要针对变频器拓朴结构及控制算法的研究开发，而在异步电机设计和分析方面却没有

17、明显的改变。目前，我国所用电动机主要为20世纪70年代末设计出来的Y系列异步电机，该电机主要是针对恒频恒压电源设计的。这样的电机在变频器供电下，其效率、功率因数和功率密度等稳态性能都有所下降，且电机绝缘、噪声及其它故障情况也趋于恶化。因此，重新考虑异步电机在变频调速系统中的设计问题势在必行。 变频器介绍（1） 本实验系统所使用的是三菱FR-A700变频器，如下图2-2所示：图2-2 三菱FR-A700变频器（2） 变频器的主接线：图2-3 变频器的主接线（3） 变频器操作面板：FR-A700型变频器一般需通过操作面板或参数单元来操作（总称为PU操作），操作面板外形如下图2-4所示，操作面板各按

18、键及各显示符的功能如下表2-1和表2-2所示。图2-4 变频器操作面板表2-1 操作面板各按键的功能表2-2 操作面板各显示符的功能（4） 变频调速技术的优点和发展方向交流异步电动机调速系统种类繁多，常见的有：降压调速，电磁转差离合器调速，饶线转子异步电机串级调速，变极对数调速和变压变频调速。而由电机学可知，交流异步电机的转速公司如下： （2-1）其中：n是异步电动机转速，p是异步电动机的极对数，s是异步电动机的转差率，f是供电电源的频率。 变频调速的优点： 调速范围宽，可以使普通异步电动机实现无级调速； 启动电流小，而启动转矩大； 启动平滑，消除机械的冲击力，保护机械设备； 对电机具有保护功

19、能，降低电机的维修费用； 具有显著的节电效果； 通过调节电压和频率的关系方便地实现恒转矩或者恒功率调速； 目前，变频调速己经成为异步电动机最主要的调速方式，在很多领域都得到了广泛的应用：而且随着一些新的交流电机调速理论（如：矢量控制和直接转矩控制）和现代电力电子技术（IGBT、IPM、PIC）以及高效的处理器（如：DSP）等相关技术的发展，它将在很长一段时间内主导电气传动领域，并向更高性能、更大容量以及智能化方向发展。（5） 变频器的构成：图2-5 变频器的构成变频器的作用是通过改变电源的频率来改变电机的转速，也就是通常所说的变频调速。变频器分为交直交和交交变频两大类。目前交直交变频使用比较广

20、泛，下面简单就介绍其工作原理。它由整流器、中间滤波环节、逆变器三部分组成。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（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的。 可编程控制器介绍可编程控制器简称PC（英文全称：Programmable 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。PLC的发展史 世界上公认的第一台PLC是1969年美国

21、数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。（1） 本实验系统所使用的是FX系列PLC，如下图2-6：图2-6 三菱FX2N

22、-32MRFX系列PLC为单元型，内含CPU、电源和固定搭配的输入/输出。Q4AR系列为双机热备系列，最大输入输出点数为8192点。A系列PLC的最大输入输出点数为2048点。F系列PLC的最大输入输出点数为256点。三菱小型 FX2N系列程控器的输入输出点最大不超过256点。每台主机可连模入、模出、高速记数、定位等特殊功能模块，不超过8个。目前FX系列PLC为中国内地销量最多的小型PLC。FX 系列PLC根据输入输出点数不同及功能分为多个不同的系列：输入出点数在30点以內可使用 FX1S系列，输入出点数在128点以內可使用FX1N系列，输入出点数在256点以內可使用FX2N系列。FX2N是F

23、X2的持续，基本单元 (16128点) 有继电器或晶体管输出,最多可扩展到256点。 內置有8K步RAM (最多可扩展到16K步)可选用存储卡盒, 有RAM, EPROM和EEPROM。FX2N系列PLC的有以下特点：超高速的运算速度，0.08微秒，比FX2的0.48微秒快六倍，容量极大8K步(最大16K步)，比FX2大四倍。机体小型化比FX2小50% 。兼容FX2的编程设计。备有多种不同的FX2N扩展单元及特殊模块。（2） 电源规格：图2-7 电源规格（3） PLC外部接线：图2-8 PLC外部接线（4） PLC的基本结构 PLC由中央处理单元，存储器，输入单元，输出单元，电源五部分组成。其

24、结构框图如下图2-9、2-10所示。图2-9 PLC结构简化框图图2-10 PLC的硬件结构图PLC除上述五部分外，随机型的不同还有多种外部设备，其作用是帮助编程，实现监控以及网络通讯，常用的外部设备有编程器，打印机，盒式磁带录音机，计算机等。（5） PLC的特点 可靠性高。 控制功能强。 编程方便，易于使用。 使用于恶劣的工业环境，抗干扰能力强。 具有各种接口，与外部设备连接非常方便。 采用积木式结构或模块式结构，具有较大的灵活性和可扩展性，扩展灵活方便。 维修方便。PLC上有I/O指示灯（LED），哪个I/O元件有故障，一目了然。 可根据生产工艺要求或运行情况，随时对程序进行在线修改，不用

25、更改硬接线，灵活性大，适应性强。（6） PLC的应用领域及未来展望目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类： 开关量逻辑控制 运动控制 闭环过程控制 数据处理 通信及联网21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求

26、；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。模拟量输入/输出模块及其应用现代工程控制项目中，仅仅使用PLC的I/O模块，还不能完全解决工程上的一些实际问题。

27、因此，PLC成产厂家开发了许多特殊功能模块，如模拟量输入模块、模拟量输出模块、高速计数模块、PID过程控制调节模块、定位控制模块、专用通信模块等。有了这些模块与PLC主机一起连接起来，就可以构成功能完善、可满足各种工程要求的控制系统单元，使得PLCD 的应用范围越来越广泛。模拟量输入模块（A/D模块）是把现场连续变化的模拟信号转换成适合PLC内部处理的数字信号。输入的模拟信号经运算放大器放大后进行A/D转换，再经光电藕合器为PLC提供一定位数的数字信号。（1） 模拟量输入模块FX2N-4AD：FX2N-4AD为4通道12位A/D转换模式，它可以将模拟电压或电流转换为最大分辨率为12位的数字量，

28、并以二进制补码方式存入内部16位缓冲寄存器中，通过扩展总线与FX2N基本单元进行数据交换。 FX2N-4AD的设置步骤：图2-11 FX2N-4AD的设置步骤 FX2N-4AD技术指标：图2-12 FX2N-4AD技术指标 FX2N-4AD的端子分布：图2-13 FX2N-4AD的端子分布 FX2N-4AD的线路连接：图2-14 FX2N-4AD的线路连接 FX2N-4AD 模拟量输入与输出的关系：图2-15 FX2N-4AD的模拟量输入与输出的关系编码器介绍本实验系统使用的是Omron编码器E6B2-C。（1） 编码器的外形尺寸与装配图：图2-16 外形尺寸与装配图（2） 编码器的基本参数：

29、表2-3 编码器的基本参数BLACK：A相BLUE:0V（com）WHITE:B相BROWN:524DCORANGE:Z相分辨率：1024P/R（3） 工作原理：光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠，接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。（4） 光电编码器原理：光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定

30、直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图2-17所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。图2-17 原理示意图当光电编码器的轴转动时A、B两根线都产生脉冲输出,A、B两相脉冲相差90度相位角，由此可测出光电编码器转动方向与电机转速。如果A相脉冲比B相脉冲超前则光电编码器为正转，否则为反转.Z线为零脉冲线，光电编码器每转一圈产生一个脉冲，主要用作计数。A线用来测量脉冲个数，B线与A线配合可测量出转动方向。（5） 本系统设计的测速方法“

31、M法”测速：通过测量一段固定时间间隔内的编码器脉冲数来计算转速。设在固定时间T内测得的编码器脉冲数为，则用除以T(即)得到单位时间内编码器产生的脉冲数，用它再除以P，则得到的表示单位时间内前轮转动的周数，最后再乘以60(s)就得到前轮每分钟转动的周数，从而实现计算转速的目的。用公式表示为，根据以上分析，可知这种测速方法的准确性主要由决定，并且在转速较高时也较大，其相对误差较小，故适合于高速场合测试。（6） 编码器额定值/性能：图2-18 编码器额定值/性能（7） 输入输出回路图：图2-19 输入输出回路图互感器介绍（1） 电流互感器的基本参数： 准确级：0.5 穿芯匝数：3T 一次电流和二次电

32、流之比：50/5（2） 电流互感器外形形状：图2-20 电流互感器为了保证电力系统安全经济运行,必须对电力设备的运行情况进行监视和测量。但一般的测量和保护装置不能直接接入一次高压设备,而需要将一次系统的高电压和大电流按比例变换成低电压和小电流,供给测量仪表和保护装置使用。执行这些变换任务的设备,最常见的就是我们通常所说的互感器。进行电压转换的是电压互感器,而进行电流转换的互感器为电流互感器。本课题将给出电流互感器的相关基本知识。（3） 电流互感器工作原理：电流互感器起到变流和电气隔离作用。便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流，避免直接测量线路的危险。电流互感器是升压(降流)变压器，它是电力

33、系统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路电流信息的传感器，电流互感器将高电流按比例转换成低电流，电流互感器一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表、继电保护等。（4） 电流互感器的结构原理：电流互感器的结构较为简单，由相互绝缘的一次绕组、二次绕组、铁心以及构架、壳体、接线端子等组成。其工作原理与变压器基本相同，一次绕组的匝数(N1)较少，直接串联于电源线路中，一次负荷电流通过一次绕组时，产生的交变磁通感应产生按比例减小的二次电流；二次绕组的匝数(N2)较多，与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷(Z)串联形成闭合回路，见图2-21：图2-21 电流互感器的结构原理由于一次绕组与二次绕

34、组有相等的安培匝数，即。电流互感器实际运行中负荷阻抗很小，二次绕组接近于短路状态，相当于一个短路运行的变压器。磁粉制动器介绍（1） 磁粉制动器的基本参数： 额定转矩：10 额定电流：0.6A 阻值：10给磁粉制动器加上5V电压，中间再串一个100的可调电阻来调节电动机的负载。（2） 磁粉制动器的机械部件图：图2-22 轴连结、机座支撑磁粉制动器磁粉制动器是根据电磁原理和利用磁粉传递转矩的。其具有激磁电流和传递转矩基本成线性关系的特点。在同滑差无关的情况下能够传递一定的转矩，具有响应速度快、结构简单、无污染、无噪音、无冲击振动节约能源等优点。是一种多用途、性能优越的自动控制元件。现已被广泛应用于

35、造纸、印刷、 塑料、橡胶、纺织、印染、电线电缆、冶金、压片机以及其他有关卷取加工行业中的放卷和收卷张力控制。磁粉制动器还经常被用于传动机械的测功加载和制动等。磁粉制动器和磁粉离合器经常配对使用。（3） 磁粉制动器的用途：表2-4 磁粉制动器的用途 缓冲起动，停止用 连续滑动、张力控制用 转矩限制器用 高速应答用续表2-4 动力吸收用 定位停止用 模拟负载用（4） 磁粉制动器的特点：表2-5 磁粉制动器的特点 可以轻松进行大范围的控制 可以达到连续滑动运转 可以得到安定的扭力 无鸣叫音 热容量很大 可以达到平顺的连续及驱动状态2.2 电气系统图图2-23 电气系统结构图以上是交流异步电动机变频调

36、速实验系统PLC程序设计的电气系统原理图，异步电机工作情况是由PLC发送指令给变频器，然后变频器发指令给电机来实现本次实验的目的。电机运行过程中，编码器记录的脉冲传送给PLC来监控电机的转速，PLC的扩展模块FX2N-4AD把互感器的信号进行A/D转换，送入PLC来监测电机运行时候的电压和电流情况。2.3 电气接线图、PLC端子分配图、变频器主电路与控制电路图2.3.1 系统接线图图2-24 系统接线图2.3.2 变频器主电路原理图图2-25 变频器主电路2.3.3 变频器控制电路接线图图2-26 变频器控制电路2.3.4 PLC端子分布图图2-27 PLC端子分布2.4 变频器参数设置-速度

37、控制模式设置变频器的参数，我们要对以下几个参数要进行设置：（1） 输出频率范围（Pr.1、Pr.2、Pr.18），Pr.1为上限频率，（2） 多段速度运行（Pr.4、Pr.5、Pr.6、Pr.24Pr.27），（3） 加减速时间（Pr.7、Pr.8、Pr.20），（4） 电子过电流保护（Pr.9），Pr.9用来设定电子过电流保护的电流值，以防止电动机过热，故一般设定为电动机的额定电流值。（5） 起动频率（Pr.13），（6） 适用负荷选择（Pr.14），（7） 点动运行（Pr.15、Pr.16），（8） 参数写入禁止选择（Pr.77），（9） 操作模式选择（Pr.79）， 具体设置的参数值如下

38、表：表2-6 变频器参数设置速度控制模式参数序号意义初值设定值注0转矩提升6，与初值同1上限频率502下限频率5，与初值同3基准频率50，与初值同4高速50，与初值同5中速30，与初值同6低速10，与初值同7加速时间5，与初值同8减速时间5，与初值同9电子过流保护0.8755频率监视基准50，与初值同56电流监视基准1续表2-671电机选择0，与初值同79运行模式选择0，与初值同80电机容量0.25P800=20时用初始值81电机极数482电机励磁电流0.8783电机额定电压38084电机额定频率50800控制方法选择20，与初值同125端子2频率设定增益频率50，与初值同模拟电压最大值对应的

39、频率126端子4频率设定增益频率50，与初值同模拟电流最大值对应的频率3 PLC变频调速监控系统设计3.1 PLC程序设计3.1.1 PLC编程软件介绍FXZN的编程语言是FXGPWIN-MFC，它是用于FX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、CSF和ST来编程。这是一种可以运行于通用微机中，在Windows环境下进行编程的语言。将它通过计算机的串口和一根PC/MPI转换电缆与PLC的MPI口相连，即可以进行相互间的通信。通过FXGPWIN-MFC编程软件，不仅可以非常方便的使用梯形图和语句表等形式进行离线编程，经过编译后通过转接电

40、缆直接下载入PLC的内存中执行，而且在调试运行时，还可以在线监视程序中各个输入输出或状态点的通断状况，甚至进行在线修改程序中的变量，给调试工作也带来极大的方便。FXGPWIN-MFC软件的一个特点是调试功能很强大，不仅能在线读取数据，而且能在线修改过程数据，对于调试大型复杂控制程序非常有效。FXGPWIN-MFC软件还附带一些控制程序模块，如PID调节模块，这些模块可以从主控制程序中直接调用，实现不同的功能。3.1.2 模块FX2N-4AD初始参数设置（1） 位置为N0.0（0号模块），通道选择：使用1、2、3通道，电压输入范围-10V10V ，故BFM#0单元的设置应为H3000。测量电动机

41、电压接在1通道，测量变频器模拟量接入2通道（验证1通道数据的准确性），测量磁粉制动器的电压接在3通道。三种数据分别保存于D0，D1，D2中。（2） A/D转换的速度选择：可通过对BFM#15写入1或0来选择。（3） 调整增益与偏置量：由系统原理图知，偏移量和增益量无需调整。3.1.3 PLC程序工艺流程图图3-1 PLC程序工艺流程图3.1.4 I/O接口分配及PLC系统运行梯形程序表3-1 I/O接口分配信号名称输入输出A相X0/B相X1/Z相X2/正转X3Y3反转X4Y4低速X5Y5中速X6Y6续表3-1高速X7Y7复位X10Y10（1） 电压监测模拟量梯形程序：图3-2 电压监测模拟量梯

42、形程序（2） 转速的监测梯形程序：图3-3 转速的监测梯形程序（3） 控制电机变频调速梯形程序：图3-4 控制电机变频调速梯形程序（4） 控制电动机运行操作说明本系统通过PLC来控制异步电机的变频调速，从而在异步电机高中低三种速度运行时测量其转速和电流，然后研究异步电机变频调速时候的机械特性曲线。PLC控制电动机变频调速监控系统要求用FX2N-4AD来进行A/D转换，编码器A相的脉冲信号送入PLC，通过SPD指令来进行对转速脉冲的计数。本系统控制电动机正反转和高中低的运转，根据以上的接线图和对变频器参数的设置。当把变频器调到EXT，则进行外部控制，PLC上的开关量把信号传给PLC来控制电动机的

43、运转，用磁粉制动器给予负载，从计算机上可以观察频率，电流和电压的参数关系，同时在变频器上也可以观察这些参数。空载时： 电机低速运转（10HZ）：在100ms内产生了503个脉冲，则根据公式 (3-1)（编码器每转一周产生1024个脉冲）得n=295r/min此时计算机D0显示479，根据换算得出电压为2.40V，由于分压阻值的有效值为36.43,所以电路总电流： 电机中速运转（30HZ）：在100ms内产生了1527个脉冲，则根据公式3-1（编码器每转一周产生1024个脉冲）得n=895此时计算机D0显示393，根据换算得出电压为1.97V，由于分压阻值的有效值为36.43,所以电路总电流：

44、电机高速运转（50HZ）：在100ms内产生了2546个脉冲，则根据公式3-1（编码器每转一周产生1024个脉冲）得n=1492此时计算机D0显示367，根据换算得出电压为1.84V，由于分压阻值的有效值为36.43,所以电路总电流：主电源由三菱变频器提供，当交流电机转动时，加在转动轴上的编码器对把脉冲信号通过PLC的X0来计算脉冲，然后通过计算把脉冲转化为转速。互感器把系统电路中的信号传送到FX2N-4AD模块中的电压通道进行A/D转换（在中间串个可调电阻能保证电压的范围在模块要求的电压范围，如果直接接到电流通道则很难保证模块要求的电流范围，所以接入电压通道），本系统也把变频器的AM和5两个

45、接口接入模块中，这样能更准确的在上位机显示参数数据结果。磁粉制动器的电压也通过模块来测量，这样可以计算电动机的负载电流，从而能知道电动机的负载转矩和电动机电流的关系。以上设计要求经实际使用完全达到了预定要求。而在生产实际中对异步电动机实际转速的大小及其变化规律有各种不同的要求，都可以通过设置数字变频器的不同频率及其变化规律，以真正实现PLC控制数字变频器监测异步电动机转速和电流的目的。3.2 PLC调试过程介绍在系统整体接线完成后，先根据变频器说明书设置变频器的参数，把变频器切换至PU模式，再将设计好的程序写入PLC后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。然后开始监控系统，由于一开始用的

46、计数器是FX2N-1HC高数计数模块，把编码器按NPN方式接入模块后，上位机出来的脉冲数跟实际的不符，而且Z相每转一周就复位，如此一来计算电动机的转速非常麻烦，后来在老师的提点下，我把编码器A相直接接入PLC的X0上，然后通过SPD指令来写入PLC，这样一来出来的转速是符合实际情况的，当变频器频率变化，脉冲数也随之变化，转速的显示在计算机D10中显示。测量电机工作电流方法是：由于FX2N-4AD模块的输入电流范围不能超过20mA，所以我采用先测电压再除以电阻的方法来计算。由于电路中的电压也比较大，而模块的输入电压要小于10V，所以我用一个电阻来进行分压，经过测量，调整好后的电阻为36.43。电

47、动机的电流为交流电，所以我用一个整流二极管将其转化为直流，经过查阅手册，中间的损耗为10%，这为后面计算电流做了准备。随后我把变频器上的AM和5两个端子接入模块的2号通道，在上位机观察其模拟量数据，这样测出的数据再根据模拟量输入和输出的换算就是电动机的电压了，如此一来能够验证刚才测量电流的准确性。最后由于实验要求研究负载转矩和电动机电流直接的关系和变频调速时候的电动机机械特性，我把磁粉制动器接出两根电压线到模块3号通道去监测了磁粉制动器工作时候的电压，由于磁粉制动器的电阻是固定的10，所以也很方便的算出了负载电流，由公式求出负载转矩。以上调试过程中出现了很多问题，也只有在现场调试时候才能发现问

48、题，并及时地解决问题。3.3 PLC与组态监控软件的连接随着工业自动化技术的发展，人们对自动化监控系统的要求越来越高。如何用最简单的方法设计开发一个实时监控系统成了广大工程技术人员最关心的问题。作为一种组态软件，组态王6.52可构造一个有效的监控和数据采集系统，并以其图形界面清晰准确，设计开发过程简单易学的特点广泛应用于各种工程领域。本系统以工控PC机为主控上位机，利用人机接口的智能软件包在PC机上建立工控的对象，完成对PLC(下位机)的控制，由于上位机只需要完成对监控信息的收集和处理而不需要对设备的运行进行具体控制，上下位机处理同时进行，可以以最少的人员配备对远程监控的管理，提供较为直观、清

49、晰、准确的现场状态信息，进而为维修和错误诊断提供多方面可能性，减少维修人员路上往返时间，整体提高远程监控系统的运行速度。现代远程监控技术采取的是实时在线监控方式，它借助于计算机网络和通信技术，通过安装在现场各种监控设备以及软件实现监控者在异地对现场工业设备的实时监控、诊断与控制。当系统运行时，现场的下位机需要安排有人值守，这样实际上并没有实现真正意义上远程监控。为解决这一问题，文中通过开发相关的程序，配合必要的硬件设施来实现远程监控，完全可以通过网络来监控现场的运行。启动组态王建立一个新工程的一般过程是:（1） 设计图形界面(定义画面)（2） 定义设备（3） 构造数据库(定义变量)（4） 建立

50、动画连接（5） 运行和调试3.3.1 监控画面电机在低速，中速，高速运行时的界面分别如下图所示：图3-5 低速运行图3-6 中速运行图3-7 高速运行3.3.2 组态王与FX2N的通信（1） 设置串口，设备配置向导设置设置PLC的逻辑名称为“新IO设备”，其更名为“PLC通讯”如图3-8 所示：图3-8 设置逻辑名称点击“下一步”，选择的串口设备为“COM1”及与前面的选择设备“COM1”一致，如下图3-9 所示：图3-9 串口选择号最后信息如下图3-10：图3-10（2） 组态王与PLC通信测试在上述完成新建的“PLC通讯”后，右键单击，弹出下拉菜单，点击“测试PLC通讯”，弹出对话框，如下

51、图3-11设备测试所示：图3-11 串口设备测试选择“设备测试”，在该画面中选择寄存器I，改为X，然后点击“添加”，数据类型为“Bit”，如图3-12所示：图3-12 添加寄存器（3） 数据词典图3-13 数据词典（4） 程序命令语言（模拟运行方式下）：if(本站点总开关=0) 本站点实际转速=0; 本站点实际电流=0;if(本站点总开关=1) 本站点实际转速=1000+200*Sin($秒); 本站点实际电流=5+2*Sin($秒);采用KingView开发交流电机变频调速控制系统，是模拟现代工业生产过程中对转速，电流进行测量、控制，观察其变化特性，研究过程控制规律的实验系统，具有过程控制的

52、动态过程一般特点(大惯量、大延时、非线性)。经过长期实验，运行稳定，数据采集准确可靠，为理论分析过程控制实验的实现奠定了基础，也可以推广到局域网内，与网络技术融合，采用B/S结构，实现在个人计算机上对实时数据进行访问，方便了数据的管理监控，为今后数据相关线性分析和决策提供了可靠的数据支持，可以进一步对该控制系统进行规律性研究或数学建模等工作。4 实验指导书随着我国工业自动化程度的提高, 对电动机的调速性能的要求大大提高,而变频调速电机具有效率高、调速范围广、精度高、调速平滑等优点,是异步电动机较理想的调速方法。本实验对交流三相异步电动机变频调速中的机械特性和参数进行了测量和研究。本实验针对下列

53、实验项目研究：4.1 变负载时电流与负载转矩的关系测量（1） 理论上：在负载增加时，负载转矩增加，同时负载电流也增加，电动机的电流也随之增加。（2） 实际测量数据（设置频率恒定为f=50HZ）：表4-1 负载转矩和电流的数据关系测量TL（Nm）1.72.53.44.1755.836.77.58.088.4I(A)0.580.590.610.620.640.670.680.690.710.72根据上组数据得出：负载转矩增加，电动机的电流也随之增加，由于系统存在一定的误差，数据跨度不等，下图4-1是测量的曲线图：图4-1 负载转矩和电流的数据关系4.2 恒负载时转差率的测量（1） 理论上：交流异步电机在额定负载时，n接近于，转差率S很小，一般为0.0150.060之间。转差率S是分析交流异步电机运行情况的主要参数。（2） 实际测量数据（恒定负载为TL=5）：表4-2 转差率、转速、频率之间的数据关系测量f(HZ)5045403530252015105n（r/min）14761325117510318837345904412941