《基于PLC的PWM变频调速系统设计》8400字

I1引言1.1变频调速的背景及发展方向有效利用能源在我国十分紧迫。作为主要的能源消耗者之一，电机具有巨大的节能潜力。中国80%以上的各类电机为0.55-220KW。使用中的电动系统的整体设备水平仅相当于发达国家50代的水平。因此，从“十五”开始，国家将加大对电机系统节能的投入，变频调速系统在中国将有巨大的市场需求。多年来，国家经贸委与国家有关部门共同致力于变频器技术的开发、推广和应用。重点支持技术开发和技术改造，组织开展变频调速技术评估推荐，将变频调速技术推广应用作为风机、水泵专项节能技术改造的重点投资方向。同时，鼓励各单位实行同样的贷款和还款模式，注重开发、示范项目。我们还办理了风机和水泵节能中心，并开展了信息咨询和培训。1995年至1997年三年间，中国投资3.5亿元对风机、水泵变频调速进行技术改造，总容量100万千瓦，年节电7亿千瓦时，平均投资回收期约2年。根据相关数据，变频调速技术在中国的应用取得了相当大的成就，每年的销售额达数十亿元，表明变频器在中国得到了广泛的应用。从简单的手动控制到基于RS-485网络的多机控制，它与计算机和PLC联网，形成一个复杂的控制系统。在大型综合自动化系统中，先进的控制和优化技术、大型成套专用系统，如连铸连轧生产线、高速造纸生产线、光缆生产线、化纤生产线、建材生产线等。，变频器的功能是电气传动控制。其控制复杂度、控制精度和动态响应都有很高的要求，完全取代了直流调速技术。近年来，变频器在功能上运用先进的控制理论，开发了卷取、提升、主从等控制功能，使应用系统的组成更加方便、简单，将变频器的应用技术提高到了一个新的水平。目前变频调速技术主要发展方向为：[6]（1）高水平控制矢量控制、磁场控制、转矩控制、模糊控制等高水平的控制技术已经应用在交流变频调速中。（2）开发清洁节能的变频器随着变频技术的不断发展和人们对环境问题的关注，减少变频器对环境的影响是大势所趋。尽可能减少网侧和负荷的谐波成分，减少对电网的污染和电机转矩的波动，实现清洁电能的转变。（3）结构小型化紧凑型变频调速系统要求功率和控制元件高度集成。主电路中电源电路的模块化控制电路采用大规模集成电路和全数字控制技术，促进了变频器结构的小型化。（4）高集成化提高集成电路技术及采用表面贴片技术，使装置的容量体积比得到进一步提高1.2变频调速的现实意义在电力拖动领域，广泛推广变频调速具有十分重要的现实意义：能够大大提高生产设备的工艺水平、加工精度和工作效率，从而提高产品的质量。(2)能够大大减小生产机械的体积和质量，减少金属耗用量。(3)对风机和水泵类负载，采用变频调速技术，可显著地节约电能。变频调速技术在国民经济和日常生活中起着非常重要的作用。变频调速技术使频率成为一种充足的资源。近年来，变频调速技术发展迅速，取得了明显的社会效益和经济效益[6]。1.3毕业设计的主要内容本次毕业设计采用德国西门子314c-2dpPLC作为系统控制器，对电机的转速进行控制，采用涡流测功机显示电机的实际转速、转矩和功率，并能手动改变电机的负载转矩。变频器的频率从0到100Hz不等。为保证设计安全，变频器的最大频率人为设定为50Hz。同样，电机的最大转速控制在1450rpm（额定转速为1500rpm）。变频调速控制系统主要分为两种控制方式：动态控制和自动控制。在这里，我主要使用jog固定频率控制作为手动控制方法，并使用控制面板上的控制开关组合变频。然后利用电位器控制模拟信号进行变频，作为一种自动控制方法，通过速度反馈提高变频效率。最后，对两种方案进行了比较分析。实验设计的硬件接线图如下：2西门子可编程控制器S7-3002.1PLC介绍2.1.1PLC的工作原理及工作过程可编程逻辑控制器是随着计算机技术、通信技术、微电子技术和继电控制技术的进步而发展起来的技术。目前，PLC已广泛应用于机械制造、冶金、化工、电力、交通、矿山、建材、轻工、环保、食品等行业。国际电工委员会（IEC）将PLC定义为：可编程控制器是一种数字操作的电子系统，旨在应用于工业环境。它采用可编程存储器，用于存储和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算的指令，并通过数字和模拟输入输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其相关设备的设计应遵循易于与工业控制系统集成、易于扩展其功能的原则。[1]PLC的工作过程如下：1.初始化过程：(1）硬件初始化，复位输出输入模块，清零。(2）清除数据区。(3）输出输入地址分配。2.扫描过程(1）扫描输入，将输入口状态读入至输入口映像区。(2）时钟处理，特殊寄存器更新。(3）执行用户程序。(4）输出，将输出口映像区输出至输出端口刷新。(5）自诊断检查3.出错处理检查PLC内部电路，CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通讯异常，当出现致命错误，CPU强制为STOP方式，所有扫描停止。4.PLC运行流程如下：[1]电源ON电源ON内部处理 内部处理输入处理（输入传送，远程I/O）输入处理（输入传送，远程I/O）通信服务（外设，CPU，总线服务）通信服务（外设，CPU，总线服务）更新时钟，特殊寄存器更新时钟，特殊寄存器CPU运行方式？STOPCPU运行方式？执行程序RUN执行程序输出处理输出处理执行自诊断执行自诊断PLC正常否？NPLC正常否？存放自诊断错误结果存放自诊断错误结果是致命错误吗？N是致命错误吗？YCPU强制为STOPCPU强制为STOPPLC运行框图2.1.2PLC的优点（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采用现代大规模集成电路技术和严格的生产工艺。内部电路采用先进的抗干扰技术，可靠性高。例如，三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC平均无故障时间较长。从PLC的外部电路来看，采用PLC构成控制系统，与同等规模的继电器-接触器系统相比，电气接线和开关触点减少了数百甚至数千倍，故障大大减少。此外，PLC还具有硬件故障自检测功能，在发生故障时能及时发出报警信息。在应用软件中，用户还可以编写外围设备的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路和设备也能得到故障自诊断保护。这样，整个系统的可靠性就不足为奇了。（2）配套齐全，功能完善，适用性强在PLC发展的今天，已经形成了一系列大、中、小型产品。可用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能外，大多数现代PLC还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，大量PLC功能单元的出现，使PLC渗透到位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。随着PLC通信能力的增强和人机接口技术的发展，利用PLC构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作为一种通用工业控制计算机，是工矿企业的工业控制设备。其接口容量图十分接近，仅需少量PLC的开关量逻辑控制指令即可轻松实现继电器电路的功能。从事电子电路的人，不熟悉电子组装原理的人，都会用它来控制工业电路。（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC采用存储逻辑代替布线逻辑，大大减少了控制设备的外部布线，大大缩短了控制系统的设计和施工周期，同时也使维护更加方便。更重要的是，同样的设备可以通过改变程序来改变生产过程。这非常适合多品种和小批量生产场合。（5）体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新生产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅为几瓦。由于体积小，很容易安装到机器上。是实现机电一体化的理想控制设备。2.1.3PLC的应用领域目前，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。[7]（1）开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域。它取代了传统的继电器电路，实现了逻辑控制和顺序控制。它不仅可以用于单台设备的控制，还可以用于多台机组的控制和自动装配线。如注塑机、印刷机、装订机、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。（2）模拟量控制在工业生产过程中，许多不断变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度，都是模拟量。为了使可编程控制器能够处理模拟量，必须实现模拟量和数字量之间的A/D转换和D/A转换。PLC制造商生产支持a/D和D/a转换模块，因此可编程控制器可用于模拟控制。（3）运动控制PLC可用于控制圆周运动或直线运动。在控制机构配置方面，早期直接用于开关量I/O模块，连接位置传感器和执行器。现在，人们普遍使用特殊的运动控制模块。例如，可以驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界主要PLC制造商的产品几乎都具有运动控制功能，广泛应用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。（4）过程控制过程控制指温度、压力和流量等模拟量的闭环控制。PLC作为工业控制计算机，可以编写各种控制算法程序来完成闭环控制。PID调节是一种广泛应用于一般闭环控制系统的调节方法。大中型PLC都有PID模块。目前，许多小型PLC也有这个功能模块。PID处理一般是运行一个特殊的PID子程序。过程控制广泛应用于冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合。（5）数据处理现代PLC具有数学运算（包括矩阵运算、函数运算和逻辑运算）、数据传输、数据转换、排序、查表、位运算等功能。它可以完成数据的收集、分析和处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值进行比较，以完成某些控制操作。它们也可以通过使用通信功能传输到其他智能设备，或者可以打印和制表。数据处理通常用于大型控制系统，如非受控柔性制造系统；它也可用于过程控制系统，如造纸、冶金和食品工业中的一些大型控制系统。（6）通信及联网PLC通信包括PLC之间的通信以及PLC与其他智能设备之间的通信。随着计算机控制技术的发展，工厂自动化网络得到了迅速发展。各PLC厂商都非常重视PLC的通讯功能，纷纷推出自己的网络系统。新生产的PLC具有通讯接口，通讯非常方便。2.2西门子S7-300介绍本次毕业设计采用的的是西门子S7-300系列的314C-2DPCPU。介绍将以此CPU为例。2.2.1电源模块PS307电源模块（5A）（6ES7307-1EAOO-OAAO）特性：（1）输出电流为5A（2）输出电压为24VDC；防短路和开路保护（3）连接单相交流系统（输入电压120/230VAC，50/60Hz）（4）可靠的隔离特性，符合EN60950（5）可用作负载电源接线图2.2.2数字量模拟量输入输出模板数字量/模拟量输入/输出缺省：地址备注24个数字量输入124.0—126.7其中16个输入用于技术功能：124.0—125.7所有数字输入都可以作为中断输入编程任选技术功能：计数频率测量脉冲宽度调制定位16个数字量输出124.0—125.7其中4个输入用于技术功能：124.0—124.34+1个模拟量输入752—7612个模拟量输出752—7553系统设计3.1系统分析3.1.1变频调速原理介绍由于异步电动机的同步转速n与电源频率f、转速差s和电极级对数p成如下物理关系：n＝60f(1－s)/p式中n———异步电动机的转速；f———异步电动机的频率；s———电动机转差率；p———电动机极对数。从上面的公式可以看出，速度n与频率f成正比。只要频率f改变，电机的速度就可以改变。当频率f在0~50Hz范围内变化时，电机的调速范围很宽，为变频调速。变频器通过改变电机的工频来实现调速。3.1.2实验设计原理分析实验设计原理图如下：负载M变频器PLC设定转速+负载M变频器PLC-测量变送n测量变送n本次毕业设计首先利用控制面板上的按键组合将液位信号发送给PLC，然后由PLC控制变频器选择jog的三级固定频率。具体三级固定频率为20Hz、30Hz和40Hz，经过一段时间后，采用自动控制方式进行变频：PLC作为系统的CPU（执行器），通过电位器的电压（模拟量）输入PLC的值作为电机的设定转速，通过PLC的输出电压（模拟量）控制变频器（执行器）的输出频率，控制三相异步鼠笼式电动机（被控对象）的电机转速。通过改变涡流测功机来改变电机的负载转矩，从而改变电机的实际转速（增加或减少）。该系统通过涡流测功机测量电机的实际速度，并将其转换为电压信号（反馈）至PLC。PLC将设定转速与实际转速进行比较，并改变输出电压，从而控制变频器的输出频率，电机的实际转速也会随之改变（降低或升高），最终达到系统设定的转速值。可以看出，自动控制方案是一个带反馈的闭环控制系统。3.2硬件设计毕业设计的硬件的一些基本情况：PLC:西门子S7-300系列的314C-2DPCPU，设计中使用了2个数字量输入，1个数字量输出，2个模拟量输入，一个模拟量输出。变频器：PWM矢量变频器采用1/N/PE电源连接方式。主电源额定电流9.0a，输出功率（U、V、w）1.6kva，额定输出功率0.75KW，额定输出电流4.8A。③电机：西门子三相鼠笼式异步电动机，型号DSO100K4，额定转速1500rpm，额定电压230V/400V，额定电流4.8A/2.8A，额定功率1KW。本次毕业设计的电机采用△接法。系统硬件接线图（1）强电部分：本次毕业设计实验采用220V单相交流电作为系统的输入电源。对于PLC，依次连接PLC的电源模块L1、N和PE。变频器的反面也采用220V单相交流电源作为输入电源。变频器的具体电源接线图如下：端子排上的+UG、-UG、L3/N三个端子不接电源线。其它三个端子接线为：L1接电源火线，L2/N接零线，PE为接地端。（2）弱点部分：主要为PLC数字量、模拟量的输入输出，以及直流电源和接地线（分数字地和模拟地）。具体接线如下：（1）数字输入：①I124.1———电机启动，接至控制面板上的SB1按钮；②I124.2———电机停止，接至控制面板上的SB2按钮；③I124.3———JOG选频按钮，接至控制面板上的SB3按钮；④I124.4———JOG选频按钮，接至控制面板上的SB4按钮；（2）数字输出：①Q124.1———JOG频率控制，接至变频器端子面板X3/E1端子上；②Q124.2———JOG频率控制，接至变频器端子面板X3/E2端子上；③Q124.3———变频器起启动/停止，接至变频器端子面板X3/28端子上；（3）模拟量输入：①PIW752———设定转速（电压）输入端，接至点位器；②PIW754———反馈转速（电压）输入端，接至电机负载转矩控制器的电压信号接口；（4）模拟量输出：①PQW754———用于控制变频器的输出频率的电压信号，接至变频器端子面板上X1/1U端子上；（5）直流电源：①电位器的电源取至于变频器的5V直流电源，接至变频器端子面板上X3/9端子上；②PLC上两个数字量输入输出点24V直流电源接至PLC电源模块的24V端子上；（6）接地线：①数字地：PLC上四个数字量输入输出公共端接至PLC电源模块的接地端，再接至变频器的X3/7端子上；②模拟地：个模拟量输入输出的接地端子都接至变频器的另一个X3/7端子上（注意两个X3/7接地要分开）；（7）变频器的跳线器：由于本次毕业设计采用0-5V直流电源作为变频器的电压输入控制信号，同时使用的是X3/1U端子，所以跳线器A(7-9)取下，跳线器B（8-10）连接。3.3软件设计3.3.1创建项目创建项目时，双击桌面上的STEP7图标，进入SIMATIC窗口并弹出标题为“STEP7Wizart”：“NewProject”的小窗口。点击[NEXT]按钮，在新项目中选择CPU模块的型号为CPU314-2DP。点击[NEXT]按钮，选择需要生成的逻辑块。这里选0B1作为主程序的组织块。点击[NEXT]按钮，输入项目的名称“Elevatorcontrol3”。点击[FINISH]按钮，关闭窗口。单击菜单栏中的菜单项目的名称，在下拉菜单中选“Open”命令，会弹出标题为“OpenProject”，的小窗口。在“UserProjects”下选“Elevatorcontrol3”，单击[OK]按忸生成项目，如下图：3.3.2系统硬件组态硬件组态的任务就是在STEP7中成一个与实际的硬件系统完全相同的硬件系统。硬件组态的步骤：①双击“Hardware”图标，进入硬件组态窗口；②生成机架，在机架中放置电源、CPU、数量输入输出模块及模拟量输入输出模块：③双击模块，在打开的对话框中设置模块的参数，包括模块的属性和DP主站和从站的参数，最后组态完成的完整机架如图：④保存硬件设置。3.3.3系统控制设计本次实验系统设计设计的控制部分仅为两个开关量（启动和停止），根据硬件设计部分的数字量地址分配情况，在0B1下编写以下程序：3.3.4JOG固定频率选择3.3.5数据处理设计为了整个程序文件的更加直观明了，创建一个FC1功能块：（1）实验设计最开始是通过电位器给PLC输入电压信号（模拟量、0-5V直流电源）作为电机的转速设定值，PLC采集电压信号后，需要转变成数字量。同时，为了使此电压信号转变为真正的设定转速，必须建立一个电压信号与设定转速的转换关系，具体关系如下:模拟量信号（V）模拟值（16进制）对应的10进制值对应的转速值（10进制）PIW75201016≈0rpm53620138561500rpm倍率为：13856÷1500=9.23733333读取电压信号：数据先转化为双整型，再转化为实数最后建立电压信号与设定转速的转换关系：程序中MD20即实际的设定转速。（2）然后是反馈电压信号的采集，涡流测功机会把转数以1000rpm等价于1V的直流电压信号输入给PLC。同样，PLC需要将此反馈的模拟电压信号转化为数字量，再经过一个电压信号与实际转速的变比关系把电压信号转化为实际的反馈转速。关系如下：模拟量信号（V）模拟值（16进制）对应的10进制值对应的转速值（10进制）PIW7541.3（计算所得）E8037121331rpm倍率为：3712÷1331=2.800900（3）然后是比较操作。设定速度（MD20）和反馈实际速度（md34）之间的比较计算。设定速度-反馈的实际速度=Δn1（MD38），Δn1÷5=Δn（MD42）。再次将Δn添加到设定速度，并在计算后获得新的输出速度（md46）。该输出速度将覆盖原始电机速度，作为电机的实际速度。（4）在运算过程中，可能运算后的输出转速超过电机的额定转速（1450rpm），为此设计一个转速上限值防止电机超速运行。（5）最后需要将运算后的输出转速通过一个变比关系转化为电压信号（模拟值）输送给变频器，作为变频器频率的控制信号。变比关系的倍率也是9.23733333。3.4分析比较通过观察变频器控制面板上的频率、涡流测功机面板上的显示以及电机转速的变化，比较变频调速两种设计方案，可以知道：：①在空载情况下，与自动控制相比，手动控制可以快速准确地达到设定速度，但可调频率范围有限，即一些“频率点”（如20Hz、30Hz和40Hz），而自动控制是频率范围。②当有负载（负载扭矩不是0）时，与手动控制相比，自动控制可以快速准确地达到设定速度。主要原因是在反馈作用下，PLC可以计算频率差，控制和改变变频器的输出频率。手动控制无法反映电机负载，因此电机转速无法准确达到设定转速。4系统的调试4.1硬件调试在220V交流电源未通电的前提下，用万用表检查各跳闸线是否完全正确，各接地线是否未连接。完成后，用电线连接变频器和电机，电机的输入为△连接方法。将PC/MPI编程电缆的一段连接到计算机的USB端口，另一端连接到PLC。打开“SIMATICmanager”，在菜单栏的选项中设置pg/PC界面，弹出如下对话框：在“为使用的接口分配参数”中选择“PCAdapter（MPI）”，并查看其属性，具体设置如下：并在“本地连接”中选择连接到“USB”。选择工程项目，再点击工具栏中的“”下载按纽，进行程序的下载。待程序下载完成后，即可通电，将PLC的开关由“STOP”打至“RUN”,运行程序。按下SB1，滑动电位器，选择任意一个电位，系统运行。观察涡流测功机的转速和转矩显示表。4.2软件模拟监控在系统运行的前提，点击工具栏中的“”按纽，进行软件的模拟监控。会出现如下所示（某一瞬间的截图）：控制程序：设定转速（1373.56rpm）：实际转速（1319.58rpm）：实际转速（测量）为（1322rpm）：运算后输出的转速为（1384.35rpm）：为了监控实验的转速误差精度，设计以下程序段：由监控可知，此时的转速误差为53.9808rpm,误差精度为3.93个百分点。至此PLC变频调速控制系统完成。5总结毕业设计已进入最后阶段。回顾过去的三个月，我遇到了很多困难。通过自己的努力，在导师的帮助下，我基本达到了任务设定的目的，解决了课题中的大部分问题，最终取得了毕业设计的成果。总之，阳光总是在风雨之后。本次毕业设计的变频调速控制系统的设计任务基本