控制系统三级项目报告

1、控制系统三级项目 控制系统三级项目 课程设计说明书 设计题目： 基于PLC控制的变频调速系统设计 指导教师： 陈军杰、陈少波 姓 名： 莫智斌 汕头大学 机电工程系 年 月 日基于PLC控制的变频调速系统设计 一、设计目的1、掌握PLC的应用设计过程2、掌握常用变频器的应用过程3、初步掌握电气原理图的设计过程4、*初步了解人机界面的开发过程5、完成PLC程序的设计过程 6、完成变频器主要参数的设置二、实验室可用设备1、可编程序控制器（三菱FX2N、西门子S200、S7-1200任选）2、变频器（西门子MM440或精威JBA-0022-S任选）3、计算机及梯形图编辑软件1套4、电机及电气技术综合

2、实验台三、设计内容及要求1、假设某一控制系统，由一台PLC控制1台变频器带动异步电机进行变频调速运行。2、能实现电机的正、反转及调速控制（调速过程保持负载转矩恒定，具体转矩值可以根据实验室设备现场确定），最少能实现高速（1300转）、中速（700转）及低速（300转）等速度的自动控制。3、完成PLC输入输出点的分配。4、完成电气原理图的设计及主要电气元件的参数选择。5、*完成触模屏人机界面设计，完成人机界面程序的仿真。6、完成PLC程序设计，完成PLC程序的仿真。7、完成设计内容的仿真或实验验证，完成设计报告。9、*内容为选做实验报告要求：1. 无转矩补偿条件下的n-f曲线（要求作出相应的拟合

3、直线）；2.根据无转矩补偿条件下的n-f曲线分析出低频转矩补偿起始点和低频转矩补偿比例（也要说明此比例下0Hz时的补偿电压）；3.有转矩补偿条件下的n-f曲线（要求作出相应的拟合直线），分析自己的补偿是否合理并说明原因；4.在有转矩补偿的条件下，在负载不变（与探究转矩补偿曲线时的负载一致）的条件下，采用PLC控制变频器对三相鼠笼式异步电机进行变压变频调速，能实现电机的正、反转及调速控制，调出低速（300-400r/min，参考范围）、中速（700-800r/min）、高速（1200-1300r/min）三种转速。要求说明选择的PLC类型，变频器频率给定源的选择（固定频率、模拟量等）、，PLC程

4、序、程序说明及变频器参数设定。5.设计实验心得（比如针对实验过程中出现的现象和问题，自己的分析思路和解决办法）。四、调速控制系统设计过程本系统采用一台PLC控制1台变频器，从而控制1个三相异步电机的正转、反转、调速、制动等功能。电机功率为2.2kW，额定电压220V，额定电流为0.5A，额定的频率为50Hz。4.1选择机电控制设备1、可编程序控制器：三菱FX2N&三菱FX-4DA特殊功能DA转换器；2、变频器：西门子MM440；3、计算机及梯形图编辑软件，人机界面设计软件；本设计中采用的是三菱PLC结合人机界面对变频器调频，进而对异步电机实施调速操作。4.2 变频器主回路的电路设计，外

5、接测功机（恒负载）Rf2选用D42的900串联900共1800阻值，R2选用D42的900阻值。电流表A2选择D31挂箱上的200mA量程档，A4选择D31挂箱上的200mA量程档。V2选择D31挂箱上的200V量程档。电机M绕组为接法。4.3变频器面板控制PXXXX初值设定根据实验的内容可知，变频器MM440的可能选择初值如表格，主要是电机各项参数（额定电压，电流，功率）的输入，还有V/f补偿的输入，根据项目步骤的不同，选择的控制方式也不同，例如第一步的频率-转速曲线的电压补偿曲线的测定要采用BOP面板操作，第二步的三级调速实现则采用模拟量输入端子排控制。参数号设置值说明P00031用户访问

6、级为标准级P00101快速调试P01000功率以 Kw 表示，频率为 50HZP0304230电动机额定电压P03050.5电动机额定电流P03070.1电动机额定功率P031050电动机额定频率P03111420电动机额定转速P00031设置用户访问级为标准级P00047命令和数字 I/OP07002命令源选择有端子排输入P00032设置用户访问级为扩展级P00047命令和数字 I/OP07011ON 接通运行，OFF 停止（端子5）P07022ON 反向接通运行，OFF 停止（端子 6）P070317BCD码+ON命令（端子8）P070417BCD码+ON命令（端子16）P00031设置用

7、户访问级为标准级P000410设置值通道和斜坡函数发生器P10003主给定值源：选用“固定频率”P00032设置用户访问级为扩展级P000410设定值通道和斜坡函数发生器4.3、对低频端的转速与频率进行电压补偿4.31当V/f特性补偿值为0时候，测量转速与频率的曲线在此之前，需要先介绍V/f控制的原理：由于负载恒定或者是电机在设计的时候在电机的设计时候，为了充分利用铁芯通过磁通的能力，统筹将铁芯的磁通选在磁化曲线的弯曲点，使电机能产生较大的扭矩。若减少频率，磁通会增加，将使到铁芯饱和时候，要使到磁通再增加，需要较大的励磁电流，这会导致电动机绕组的电流过大，造成电动机过热。因此方案是当降低频率时

8、候，为防止磁路饱和，使到m成不变，于是保持E1/f不变。所以会采用恒压频比控制方式。在低频恒定外负载的时候，很可能出现：“带不动”，或者是转速-频率曲线在低频段下凹。通过实验来观察变频器初值P1310=0时的，转速频率关系（一定要保证测功机的IF=400mA与励磁电流100mA恒定不变）。变频器的初值选定如下：参数号设置值说明P00033用户访问级为专家级P00101快速调试P01000功率以 Kw 表示，频率为 50HZP0304220电动机额定电压P03050.5电动机额定电流P03070.1电动机额定功率P031050电动机额定频率P03111420电动机额定转速P0700=11BOP面

9、板控制启动或者停止P10001由BOP面板对运行频率为50Hz通过对面板操作输入初值，以及调节输入电机的电压频率，并记录转速以及测功机电压，和加在异步电动机的电定子压（在变频器上长按P可显示）。频率/f5040302010987.4转速/n/min1431113383252920817211866测功机的定子电压/V1701349760211693异步电动机定子（变频器显示）电压/v2201761318844393532根据实验数据测得的转速与频率在P1310=0时候的曲线如下：分析：观察曲线可以发现，在频率10Hz以上的曲线线性拟合度极高，很接近或等于1，但是在10Hz以下的低频段的线性度不

10、够，可见在恒负载的情况下，载荷能力在低频段较差。因此要想实现PLC控制变频器实现稳定三级调速需要对低频段的曲线进行电压补偿。根据变频器P1310，V/f的调节原理，是通过在某段曲线的电压补偿，具体的变频器初值控制如图：低频转矩补偿起始点为10Hz，由于由上图可以分析出，低频转矩补偿起始点为10Hz，又由于当f 等于2.35Hz左右，转速为0。所以需要补偿的点为10Hz，6Hz，2.4Hz。次实验测出的三相绕组的冷态电阻为53，负载测功机的电枢电流为0.40A，所以计算得出的补偿值为53*0.4=21.2V。由计算的理论值，然后经过实际电机的检验，最后的补偿电压的步骤如下：由实验可得，0Hz时需

11、要补偿的电压为21V，在本次实验中，采用的变频器V/f 特性的可编程特性（如图2）去补偿（即令P1300=3），由于变频器参数的P1310 对应的不是电压值而是与电压成比例，当P1310 为250 时，补偿的电压为30V，所以计算可得P1310=50。我们是使P1310=50，这个是既是改变低频段的电压与频率的比值。再测转速与频率之间的关系曲线如下：频率/f5040302010987654转速/n/min143011338335342382101801511219566测功机的定子电压/V1701349761242117141073异步电动机定子（变频器显示）电压/v2201771339149

12、454137332925根据曲线分析可得：通过反复调试之后确定最终的补偿电压为50V补偿之后的转速与频率曲线是一条拟合度为1的规则曲线，可以说明转速与频率在低频段恒负载的情况下也能带动负载。4.32、三级（300、700、1300）调速的PLC控制变频器实现：1、西门子MM440 变频器数字输入变量定义   变频器的数字输入端子5通过P0701参数设为正转启动控制端；变频器的数字输入端子6通过P0702参数设为反转启动控制端。变频器的数字输入端子3和4和A/D转换器连接，为模拟输入端口；变频器的数字输入端子9接PLC的com端；2、 PLC数字输入输出变量的定义 

13、  M0-电机正转运行，对应的按钮为“正转”；M3-电机停止，对应的按钮为“启/停”；M2-电机反转运行，对应的按钮为“反转”；M7-电机低速运行，对应的按钮为“低速”；M5-电机中速运行，对应的按钮为“中速”；M6-电机高速运行，对应的按钮为“高速”；Y0-电动机正转运行/停止控制，接变频器的端子5Y1-电动机反转运行/停止控制，接变频器的端子6采用FX-4DA转换器，加FX-2NPLC和MM440变频器变频器的初值选取表：参数号设置值说明P00033用户访问级为专家级P00101快速调试P01000功率以 Kw 表示，频率为 50HZP0304220电动机额定电压P03050.5

14、电动机额定电流P03070.1电动机额定功率P031050电动机额定频率P03111420电动机额定转速P10002模拟量输入P07002端子排控制P07011ON/OFFP070212反向电气连接图的设计连接如下：我们采用的是人机界面控制电机的启动，停止，反转，正转，利用GT-designer对人机界面并与PLC进行数据USB连接。设计的人机界面如下：当正转按钮按下的时候，PLC中的M0置1，Y0通电自锁，电机正转，当反转按钮按下的时候M0，M1都置1，Y0，Y1通电同时自锁控制变频器使电机反转。三个速度按钮，其中一个按下的时候，就会使PLC产生数字信号，再经DA转换器转化为模拟信号，变频器

15、接收到信号产生该模拟信号控制下的的频率输出。根据补偿实验所测得的转速与频率曲线得出，频率与转速的关系图，和关系方程，为n= 29.706f - 56.679，所以得到频率关于转速的函数f=0.03366*n+1.908，查找FX-4DA的说明书可以知道，转换器的输出电压为0-10V，对应数字量为0-2048，对应频率为0-50Hz，根据计算公式可以初步算出所需要输入的数字量；D=f50*2047;初步算出的数字量为351（对应300n/min），963（对应700n/min）, 1321 (1300n/min)，所以设计程序之后运行之后测得转速：数字量7583511321转速/n/min104

16、34921800数字量与转速之间也是严格的线性关系：因此可以根据拟合曲线求出目的三个转速的数字量，并运用到程序中：转速/n/min3007001300求得数字量4249631772所以设计的PLC程序如下：PLC梯形图：PLC程序：项目成果展示：按下正转按钮（虚拟）能够开机，电机正转，按下反转（虚拟）后电机缓慢停止后反转，当按下停止按钮（虚拟），电机停止转动。当在正反转状态后分别按下低速、中速、高速按钮（虚拟），然后测速，测模拟量电压如下表格：目的转速/n/min3007001300实际转速/n/min300.4700.81304模拟量/V2.1264.8358.898五、项目总结在项目的执行过程中，尤其是在对变频器参数设置不清楚或者不熟悉的情况下，进行补偿实验会导致实验数据出错或者补偿效果不佳，甚至是错误的，在我们第一次的补偿实验的进行中，我们忘记了调整一个额定电机功率的值还有一个面板控制的设置，所以导致面板控制不了，后来测出来的数据也出错。所以在进行实验之前，对变频器参数不理解或者说理解不深入会导致实验过程出现错误，只有认真阅读说明书加上实践才能真正掌握变频器以及PLC的操作。接线的时候我们也出现了较大的问题，我们认真阅读端口说明书之后，发现变频器的端口控制输入只能通过固定的端子输入，例如5,6口是控制