基于PLC模拟量方式的变频闭环调速控制系统设计

1、* 基于PLC模拟量方式的变频闭环调速控制系统设计学生学号:*学生姓名:*专业班级:*指导教师:*职称:*起止日期:*专业综合设计任务书一.设计题目:基于PLC模拟量方式的变频闭环调速控制系统设计二.设计目的1.掌握S7-200PLC数据转换指令的使用及编程。2.掌握S7-200PLC模拟量控制变频器进行闭环调速的接线、调速、操作;三.设计任务及要求1.总体控制要求:PLC根据模拟量输入端的给定值和过程变量值,控制信号及模拟量输入端的给定值信号和过程变量值信号,经过程序运算后由模拟量输出端输出值到变频器;2.电机运行速度超出设定值时开始减速;3. 电机运行速度低于设定值时开始减速。四.设计时间

2、及进度安排(宋体,小四号字,加黑设计时间共三周(20*.*.*20*.*.*,具体安排如下表: - I -基于PLC模拟量方式的变频闭环调速控制系统设计目录专业综合设计任务书 .I 第1章专业综合设计的目的 (1第2章三相交流异步电动机 (22.1 三相交流异步电动机工作原理 (22.2 电机极对数 (32.3 三相异步电动机的调速方式 (42.3.1 变极调速 (42.3.2 变频调速 (42.3.3 变转差率调速 (4第3章MM440变频器简介 (63.1 MM440概述 (63.1.1 MM440简介 (63.1.2 MM440特点 (63.1.3 MM440参数设置 (63.2 变频器

3、MM440启动三相异步电机 (8第4章西门子S7-200概述 (94.1 S7-200介绍 (94.2 S7-200系列PLC的基本硬件组成 (104.3 可编程控制器的工作扫描方式 (134.4 以太网电缆与STEP7 Micro/WIN SMART的编程设备进行通信连接 (14第5章变频调速系统结构 (155.1 系统结构控制模型 (155.2 PLC变频调速闭环系统流程图 (15第6章程序设计 ················&#

4、183;·················································&#

5、183;······错误!未定义书签。6.1 第7章第一节题目(黑体,小三,1.5倍行距,段前1行 ··········错误!未定义书签。7.1.1第7章第一节一级题目(黑体,四号,1.5倍行距,段前0.5行 错误!未定义书签。结论 (17参考文献 (18第1章专业综合设计的目的随着我国国民经济的不断发展,PLC的应用越来越广泛,在各种检测控制过程中都可以见到。变频技术是近年来国际家电领域全面开发和应用的一项高新技术,它采用新型变频器,

6、实现电动机运转频率的自动调节,达到节能和提高效率的目的。本次毕业设计要求综合利用所学过的基础理论知识,利用PLC的控制优点,通过对变频器的控制实现电机自动调速。交流变频调速技术自发展以来,以其优越的性能得到迅速发展,进入21世纪以来,伴随着电力电子器件的发展,以及控制理论的进步,变频调速及其调速高,调速控制范围广,回路保护功能完善,响应速度快,节能显著等优点,已经广泛应用于电力,制造,运输等国民经济领域。PLC具有结构简单,编程方便,性能优越,灵活应用,使用方便,可靠性高,寿命长等一系列优点,在工业生产过程控制领域得到广泛应用。本文所研究的电机变频调速控制系统,可以实现电机速度的调节,满足节约

7、能源和适应生产的需要,该系统能对电机系统实现精确控制,使用性强,具有一定的推广价值,有利于生产。- 1 -第2章三相交流异步电动机2.1 三相交流异步电动机工作原理三相交流异步电动机是一种将电能转化为机械能的电力拖动装置。它主要由定子、转子和它们之间的气隙构成。对定子绕组通往三相交流电源后,产生旋转磁场并切割转子,获得转矩。三相交流异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格便宜、过载能力强及使用、安装、维护方便等优点,被广泛应用于各个领域。1.旋转磁场定子旋转磁场旋转切割转子绕组,转子绕组产生感应电动势,其方向由“右手螺旋定则”确定。由于转子绕组自身闭合,便有电流流过,并假定电流方向与电动势方向相

8、同,转子绕组感应电流在定子旋转磁场作用下,产生电磁力,其方向由“左手螺旋定则”判断。该力对转轴形成转矩(称电磁转矩,并可见,它的方向与定子旋转磁场(即电流相序一致,于是,电动机在电磁转矩的驱动下,顺着旋转磁场的方向旋转,且一定有转子转速。有转速差是异步电动机旋转的必要条件,异步的名称也由此而来。电动机长期稳定运行时,电磁转矩T和机械负载转矩T2相等,即T=T2。三组绕组间彼此相差120度,每一组绕组都由三相交流电源中的一相供电。绕组与具有相同电相位移的交流电流相互交叉,每组产生一个交流正弦波磁场。此磁场总是沿相同的轴,当绕组的电流位于峰值时,磁场也位于峰值。每组绕组产生的磁场是两个磁场以相反方

9、向旋转的结果,这两个磁场值都是恒定的,相当于峰值磁场的一半。此磁场.在供电期内完成旋转。其速度取决于电源频率(f和磁极对数(P。这称作“同步转速”。2.转差率旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率。描述转子转速与旋转磁场转速相差的程度。在正常运行范围内,异步电动机的电磁力产生原理转差率很小,仅在0.010.06之间。当电动机的三相定子绕组通入三相对称交流电后,将产生一个旋转磁场,该旋转磁场切割转子绕组,从而在转子绕组中产生感应电流(转子绕组是闭合通路,载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力,从而在电机转轴上形成电磁转矩,驱动电动机旋转,并且电机旋转方向

10、与旋转磁场方向相。当导体在磁场内切割磁力线时,在导体内产生感应电流,“感应电机”的名称由此而来。感应电流和磁场的联合作用向电机转子施加驱动力。我们让闭合线圈ABCD在磁场B内围绕轴xy旋转。如果沿顺时针方向转动磁场,闭合线圈经受可变磁通量,产生感应电动势,该电动势会产生感应电流(法拉第定律。根据楞次定律,电流的方向为:感应电流产生的效果总是要阻碍引起感应电流的原因。因此,每个导体承受相对于感应磁场的运动方向相反的洛仑兹力F。确定每个导体力F方向的一个简单的方法是采用右手三手指定则(磁场对电流作用将拇指置于感应磁场的方向,食指为力的方向。将中指置于感应电流的方向。这样一来,闭合线圈承受一定的转矩

11、,从而沿与感应子磁场相同方向旋转,该磁场称为旋转磁场。闭合线圈旋转所产生的电动转矩平衡了负载转矩。只有当闭合线圈有感应电流时,才存在驱动转矩。转矩由闭合线圈的电流确定,且只有当环内的磁通量发生变化时才存在。因此,闭合线圈和旋转磁场之间必须有速度差。因而,遵照上述原理工作的电机被称作“异步电机”。同步转速(ns和闭合线圈速度(n之间的差值称作“转差”,用同步转速的百分比表示,如公式2-1所示。 (2-1其中s为下标。运行过程中,转子电流频率为电源频率乘以转差率。当电动机起动时,转子电流频率处于最大值,等于定子电流频率。转子电流频率随着电机转速的增加而逐步降低。处于恒稳态的转差率与电机负载有关系。

12、它受电源电压的影响,如果负载较低,则转差率较小,如果电机供电电压低于额定值,则转差率增大。同步转速三相异步电动机的同步转速与电源频率成正比,与定子的对数成反比。例如:公式2-1中ns同步转速,单位为r/lmin;f-频率,单位为Hz;P磁极对数给出了在50Hz; 60Hz以及100Hz工业频率下,对应于不同磁极数的旋转磁场转速或同步转速。实际上,即使电压.正确无误,如果供电频率高于异步电机的额定频率,一也未必能够提高电机转速。必须首先确定其机械和电气容量。由于存在转差率,带负载的异步电机的转速稍稍低于表格中给出的同步转速。改变电动机的旋转方向,改变电源的相序即可实现,即交换通入到电机的三相电压

13、接到电机端子中任意两相就行。因为三相异步电机转子线圈中的感应电流是由于转子导体与磁场有相对运动而产生的。三相异步电机的转子转速不会与旋转磁场同步,更不会超过旋转磁场的速度。如果三相异步电机转子的转速与旋转磁场的转速成大小相等,那么,磁场与转子之间就没有相对运动,导体不能切割磁力线,因此转子线圈中也就不会产生感应电势和电流,三相异步电机转子导体在磁场中也就不会受到电磁力的作用而使转子转动。因而三相异步电机的转子旋转速度不可能与旋转磁场相同,总是小于旋转磁场的同步转速。但在特殊运行方式下(如发电制动,三相异步电机转子转速可以大于同步转速。2.2 电机极对数三相交流电机每组线圈都会产生N、S磁极,每

14、个电机每相含有的磁极个数就是极数。由于磁极是成对出现的,所以电机有2、4、6、8极之分。电动机同步转速公式如2-2所示。 (2-2式中:n为电机转速,其单位为r/minf为频率50Hz- 3 -p为电机磁极对数(注意是磁极对数而非磁极的个数,如2极电机p=11对极对数电机转速:3000转/分;2对极对数电机转速:60×50/2=1500转/分。在输出功率不变的情况下,电机的极对数越多,电机的转速就越低,但它的扭矩就越大。所以在选用电机时,考虑负载需要多大的起动扭矩。由于在中国三相交流电的频率为50Hz,因此2极同步转速是3000r/min,4极同步转速是1500r/min,6极同步转

15、速是1000r/min,8极同步转速是750r/min。这几种速度都只是各种极数电机的同步转速,而非实际转速。2.3 三相异步电动机的调速方式2.3.1 变极调速异步电动机变极是通过改变定子绕组接线来实现的。这种调速方法是改变绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的。特点如下:具有较硬的机械特性,稳定性好;无转差损耗,效率高;接线简单、控制方便、价格低廉;有级调速,级差大,不能获得平滑调速;可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用,获得较高效率的平滑调速特型。2.3.2 变频调速变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系式如2-3所示。 (2-3式中n、f、s

16、、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数;通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术,电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。变频调速是改变电动机定子电源的频率,从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器,变频器可分为交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类,目前我国内使用比较多的是交流-直流-交流变频器。其特点是:效率高,调速过程中没有附加损耗;应用范围广,可用于笼型异步电动机;调速范围大,特性硬,精度高;技术复杂,造价高,维护检修困难。本方法适用于要求精度高、调速性能较好的场合

17、。2.3.3 变转差率调速串级调速方法:串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差,达到调速目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收,再利用产生附加的装置,把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式,串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式,多采用晶闸管串级调速。变转差率调速是将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上,效率较高;装置容量与调速范围成正比,投资省,适用于调速范围在额定转速70%90%的生产机械上,调速装置故障时可以切换全速运行,避免停产;晶闸管串级调速功率因数偏低,谐波影响大。- 5 -第3章 MM

18、440变频器简介3.1 MM440概述3.1.1 MM440简介MM440变频器由微处理器控制,并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管(IGBT作为功率输出器件。因此,它们具有很高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。3.1.2 MM440特点1.丰富的控制功能。通过P1300参数可以选择从V/F控制到带传感器的矢量控制VC等12种不同特点的控制模式,适用于恒转矩、变转矩等各种性质负载,满足各行业的驱动控制要求。2.强大的通讯功能。利用Profibus通讯可选件,可以将MM440接

19、入开放的、高速(12Mb/S的DP网,实现性能更佳、精度更高的通讯控制。3.自由功能模块和BICO技术。MM440继承和吸收了6SE70工程型变频器的许多优良特点,其中最具实用性的是具有区别一般通用变频器的自由功能模块和BICO技术,利用丰富的自由功能模块和灵活的BICO技术,可方便地实现各种不同目的的组态设计,完成复杂控制设计的要求;4.丰富的停车和制动功能。MM440具有3种停车方式,即按斜坡减速停车(OFF1、惯性停车(OFF2快速停车(OFF3。3种制动功能,即直流制动、复合制动、动力制动(须外接制动电阻,75kW以下已内置制动单元。停车方式和制动方式的灵活配用,可适应不同机械惯性负载

20、的要求。3.1.3 MM440参数设置MM440变频器面板基本操作控制1.恢复变频器工厂默认值P0010=30 工厂的设定值P0970=1 参数复位2.设置电动机的参数P0003=1 设用户访问级为标准级P0010=1 快速调试P0100=0 功率以KW表示 频率为50HzP0304=380 电动机额定电压,VP0305=2.6 电动机额定电流,AP0307=0.9 电动机额定功率,KWP0310=50 电动机额定频率,HZP0311=1420 电动机额定转速,r/minP0010=0 变频器处于准备状态3.面板基本操作参数P0003=1 设用户访问级为标准级P0004=7 命令和数字I/0P

21、0700=1 由键盘输入设定值选择命令源P0003=1 设用户访问级为标准级P0004=10 设定值通道和斜坡函数发生器P1000=1 由键盘 电动电位计输入设定值P1080=0 电动机运行的最低频,HzP1082=50 电动机运行的最高频,HzP0003=2 设用户访问级为扩展级P0004=10 设定值通道和斜坡函数发生器P1040=20 设定键盘控制的频率值P1058=10 正向点动频率,HzP1059=10 反向点动频率,HzP1060=5 斜坡上升时间,sP1061=5 斜坡下降时间,s- 7 -3.2 变频器MM440启动三相异步电机通过设置变频器MM440的电动机参数可以直接使用变

22、频器操作面板将电动机启动。将电动机的参数通过变频器MM440使用说明书键入。1.变频器恢复出厂设置:P0010=30、P0970=1.(大概三分钟2.电机参数设置:P0304、P0305、P0307、P0308、P0310、P0311(根据电机名牌输入3.设置数字输入控制参数:P0700=1 命令源选择有端子排输入P0701=1 ON正转、OFF停止P0702=1 ON反转、OFF停止P1000=2 由键盘输入设定值P1080=0 电动机运行最低频率P1082=50 电动机运行最高频率P1040=40 设定键盘设定的频率值通过这些参数就可以实现电动机的正反转,接线图如图3-1所示。 图3-1

23、变频器接线图第4章西门子S7-200概述S7-200是一种小型的可编程序控制器,适用于各行各业,各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中,或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。4.1 S7-200介绍SIEMENS PLC SIMATIC S7-200 Micro 自成一体:别紧凑但是具有惊人的能力-特别是有关它的实时性能-它速度快,功能强大的通讯方案,并且具有操作简便的硬件和软件。但是还有更多特点:SIMATIC S7-200 Micro PLC具有统一的模块化设计-目前不是很大,但是未来不可限量的定制解决方

24、案。这一切都使得SIMATIC S7-200 Micro PLC在一个紧凑的性能范围内为自动化控制提供一个非常有效和经济的解决方案。SIMATIC S7-200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。除了五种不同CPU的全面基本功能,SIMATIC S7-200的模块化系统技术还提供了一系列可升级的专用扩展模块,以满足各种需求对功能性的极高要求。各型号优点:CPU 221本机集成6输入/4输出共10个数字量I/O点。无I/O扩展能力。6K字节程序和数据存储空间。4

25、个独立的30kHz高速计数器,2路独立的20kHz高速脉冲输出。1个RS485通讯/编程口,具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。非常适合于小点数控制的微型控制器。CPU 222本机集成8输入/6输出共14个数字量I/O点。可连接2个扩展模块。6K字节程序和数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器,2路独立的20kHz高速脉冲输出。1个RS485通讯/编程口,具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。非常适合于小点数控制的微型控制器。CPU 224本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块,最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量

26、I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器, 2路独立的20kHz高速脉冲输出,具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口,具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。CPU 224XP本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点,2输入/1输出共3个模拟量I/O点,可连接7个扩展模块,最大扩展值至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。20K字节程序和数据存储空- 9 -间,6个独立的高速计数器(100KHz,2个100KHz的高速脉冲输出,2个RS485通讯/编程口,具有PPI通

27、讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。本机还新增多种功能,如内置模拟量I/O,位控特性,自整定PID功能,线性斜坡脉冲指令,诊断LED,数据记录及配方功能等。是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。CPU 226本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块,最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器, 2路独立的20kHz高速脉冲输出,具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口,具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控

28、制系统,具有更多的输入/输出点,更强的模块扩展能力,更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。优点:1.SIMATIC S7-200发挥统一而经济的解决方案。整个系统的系列特点:(1强大的性能;(2最优模块化和;(3开放式通讯。2.S7-200 性能优越,久经考验,适合于工业领域的各种应用:(1结构紧凑小巧-狭小空间处任何应用的理想选择;(2在所有CPU型号中的基本和高级功能;(3大容量程序和数据存储器;(4杰出的实时响应-在任何时候均可对整个过程进行完全控制,从而提高了质量、效率和安全性;(5易于使用STEP 7-Micro/WIN工程软件-初学者和专

29、家的理想选择;(6集成的R-S 485接口或者作为系统总线使用;(7极其快速和精确的操作顺序和过程控制;(8通过时间中断完整控制对时间要求严格的流程。4.2 S7-200系列PLC的基本硬件组成S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。1.基本单元S7-200系列PLC中可提供4种不同的基本型号的8种CPU供选择使用,其输入输出点数的分配见表4-1所示。表4-1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元型号输入点输出点可带扩展模块数S7-200CPU221 6 4 -S7-200CPU222

30、 8 62个扩展模块78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点S7-200CPU22414 107个扩展模块168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点S7-200CPU226 24 162个扩展模块248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点S7-200CPU226XM 24 162个扩展模块248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点2.扩展单元S7-200系列PLC主要有6种扩展单元,它本身没有CPU,只能与基本单元相连接使用,用 类型型号输入点输出点数字量扩展模块EM221EM222EM2238无4/8/16无84/8/16模拟量扩展模块EM231EM232EM2353无3无213.编

31、程器PLC在正式运行时,不需要编程器。编程器主要用来进行用户程序的编制、存储和管理等,并将用户程序送入PLC中,在调试过程中,进行监控和故障检测。S7-200系列PLC可采用多种编程器,一般可分为简易型和智能型。- 11 -简易型编程器是袖珍型的,简单实用,价格低廉,是一种很好的现场编程及监测工具,但显示功能较差,只能用指令表方式输入,使用不够方便。智能型编程器采用计算机进行编程操作,将专用的编程软件装入计算机内,可直接采用梯形图语言编程,实现在线监测,非常直观,且功能强大, S7-200系列PLC的专用编程软件为STEP7-Micro/WIN。4.程序存储卡为了保证程序及重要参数的安全,一般

32、小型PLC设有外接EEPROM卡盒接口,通过该接口可以将卡盒的内容写入PLC,也可将PLC内的程序及重要参数传到外接EEPROM卡盒内作为备份。程序存储卡EEPROM有6ES 7291-8GC00-0XA0和6ES 7291-8GD00-0XA0两种,程序容量分别为8K和16K程序步。5.写入器写入器的功能是实现PLC和EPROM之间的程序传送,是将PLC中RAM区的程序通过写入器固化到程序存储卡中,或将PLC中程序存储卡中的程序通过写入器传送到RAM区。6.文本显示器文本显示器TD200不仅是一个用于显示系统信息的显示设备,还可以作为控制单元对某个量的数值进行修改,或直接设置输入/输出量。文

33、本信息的显示用选择/确认的方法,最多可显示80条信息,每条信息最多4个变量的状态。过程参数可在显示器上显示,并可以随时修改。TD200面板上的8个可编程序的功能键,每个都分配了一个存储器位,这些功能键在启动和测试系统时,可以进行参数设置和诊断。4.3 可编程控制器的工作扫描方式PLC采用循环扫描工作方式,这个工作过程一般包括五个阶段:内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理,其工作过程如图4-1所示。图中当PLC方式开关置于RUN(运行时,执行所有阶段;当方式开关置于STOP(停止时,不执行后三个阶段,此时可进行通信处理,如对PLC联机或离线编程。 图4-1 工作扫描过

34、程图- 13 -由于循环扫描机制,可编程控制器再I/O处理方面遵循以下几点:1.输入映像寄存器的数据,取决于各个输入端子在上一个刷新时间的状态;2.输出映像寄存器的数据,由输出指令决定;3.输出锁存寄存器的数据,由上一个刷新时间输出映像寄存器的数据决定;4.输出端子板上的输出状态,由输出锁存寄存器确定;5.程序如何执行,取决于I/O映像寄存器。4.4 以太网电缆与STEP7 Micro/WIN SMART的编程设备进行通信连接S7-200 SMART CPU 可以通过以太网电缆与安装有STEP7 Micro/WIN SMART 的编程设备进行通信连接。注意:一对一通信不需要交换机,如果网络中存

35、在两台以上设备则需要交换机。1、硬件连接(编程设备直接与CPU 连接首先,安装CPU 到固定位置;其次,在CPU 上端以太网接口插入以太网电缆,如图4-2所示;最后,将以太网电缆连接到编程设备的以太网口上。 图4-2 以太网接口示意图2、建立Micro/WIN SMART 与CPU 的连接首先,在STEP 7-Micro/WIN SMART 中,点击“通信”按钮打开“通信”对话框如图4-3所示;双击打开“通信”就会弹出一个操作页面,操作页面如图4-4所示。 图4-3 STEP 7-Micro/WIN SMART界面的通信按钮第5章变频调速系统结构5.1 系统结构控制模型本系统的控制模型如图5-1所示。 图5-1 控制模型5.2 PLC变频调速闭环系统流程图本系统通过S7-200编程软件将设计程