基于PLC与变频器的交流电机调速控制硬件系统设计与实现

基于PLC与变频器的交流电机调速控制硬件系统设计与实现完成日期：指导教师签字：辩论小组成员签字：摘要可编程控制器〔PLC〕是一种数字运算与操作的控制装置。PLC作为传统继电器的替代产品，广泛应用于工业控制的各个领域。由于PLC可以用软件来改变控制过程，并有体积小，组装灵活，编程简单，抗干扰能力强及可靠性高等特点，特别适用于恶劣环境下运行。随着电力电子技术以及控制技术的开展，交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用；本文介绍了基于PLC的变频器调速系统。将现在应用最广泛的PLC和变频器综合起来主要功能实现了变频调速。首先通过设置给定输入给PLC，再通过PLC控制变频器，再经由变频器来控制异步电机，控制运算主要由PLC和变频器来完成，执行元件为变频器和异步电机。关键词：电力电子；变频器；变频调速；交流电机AbstractProgrammablelogiccontroller(PLC)isadigitalcomputingandcontroldeviceoperation.PLCasathetraditionalrelayreplacementproducts,widelyusedinallareasofindustrialcontrol.PLCsoftwarecanbeusedtochangecontrolprocess,andsmallsize,flexibleassemblyandprogrammingissimple,stronganti-jammingcapabilityandhighreliability,especiallysuitableforharshenvironments.Withthedevelopmentofpowerelectronicstechnologyandcontroltechnology,theACfrequencycontrolhasbeenwidelyusedinthefieldofindustrialmotordrag;programmablelogiccontrollerPLCasanewalternativerelaycontroldevice,oftenusedforfielddatacollectionandcontrolequipment.ThisarticledescribestheinverterspeedcontrolsystembasedonPLC.NowthemostwidelyusedPLCandinvertertogetherthemainfunctionoffrequencycontrol.FirstsettothegiveninputtothePLC,PLCcontrolinvertertocontrolthemotorviatheinvertercontrolalgorithmsmainlybythePLCandinvertertocompletetheimplementationofthecomponentsoftheinverterandthemotor.Keywords：Powerelectronics;Converter;Frequencycontrol;A-cmachive目录TOC\h\z\t"标题1,1,标题2,2,标题3,3,标题,1"1概述12系统设计总体方案与功能分析12.1设计总体方案12.2系统功能23PLC和变频器的型号选择33.1PLC的选择33.2变频器的选择54硬件设计64.1变频器接线6变频器主电路接线6控制端子接线74.2变频器的操作及参数设置9变频器的操作说明9变频器的参数设置104.3PLC的硬件接线114.4PLC与变频器的连接124.5调速控制总电路135安装调试146总结14参考文献15致谢16附录171概述PLC就是可编程控制器〔ProgrammablelogicController〕，国际电工委员会〔InternationalElectricalCommittee〕在1987年发布的PLC标准草案中对PLC做了这样的定义：一种数字运算操作的电子系统就是可编程控制器，主要是在工业环境下应用。PLC是在电气控制技术和计算机技术的根底上开发形成的，它以微处理器为核心，融入了自动化及计算机技术。PLC在世界范围内已广泛应用于工业生产，交通运输，生活娱乐等。PLC在工业中应用广泛，它的工作方式以及使用方便快捷。在硬件方面，接口比拟容易，方便连接。此外，它还可以有很多实用功能，比方，它可以编入外围器件的故障自诊断程序，可以让系统中除PLC以外的电路及设备也可以获得故障自诊断保护，并且也已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，有品种齐全的各种硬件装置供用户选用；在软件方面，PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法规律性强，容易掌握编程语言容易学习，较为简单，并且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。变频器是应用电力电子技术与变频技术和自动控制技术，通过改变三相异步电机工作电源频率来控制交流电动机转速的电力控制设备。变频调速已被公认为是最理想、最有开展前景的调速方式之一[1]。采用变频器调速有以下优点提高了设备的自动化程度也提高了生产速度，可以最大的节约能源、降低生产本钱。PLC和变频器被广泛的应用在电力、冶金、矿物开采、化工、交通控制、机械加工和食品加工等诸多领域。本次课题将对S7-200PLC与台达变频器对交流电机调速控制系统进行研究。本文所研究的交流电机调速系统采用PLC来控制变频器调速。充分发挥可编程控制器的高可靠性、灵活性、通用性、扩展性等优点。通过PLC的开关量输入输出模块控制变频器的多功能输入端，从而改变三相异步电机工作电源频率，实现电动机的多级调速。2系统设计总体方案与功能分析2.1设计总体方案系统采用PLC控制变频器实现交流电动机启动、停止、正反转及各种转速的改变。系统主要由三个局部构成，即可控制局部PLC，执行局部变频器和三相异步交流电机，系统构成框图如图2-1所示。首先通过设置给定输入给PLC，再通过PLC控制变频器，再经由变频器来控制电机。输入开关输入开关PLC变频器M图2-1系统主要构成图2.2系统功能随着电力电子技术以及自动控制技术的开展，交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用[5]。PLC和变频器作为替代继电器的新型控制装置，可靠性高，抗干扰能力强，硬件配套齐全，功能完善，使用方便，体积小，重量轻，能耗低，使用寿命长且功能强大，常常被用于现场数据采集和设备的控制。本次设计就是基于PLC的变频器调速系统，首先通过设置给定输入给PLC，再通过PLC控制变频器，再经由变频器来控制电机。结合实际情况，我为系统设计了以下功能：〔1〕按下正转按钮〔I0.0〕时，异步电机按变频器的旋钮设定频率进行正转。〔2〕按下反转按钮〔I0.1〕时，异步电机按变频器的旋钮设定频率进行反转。〔3〕按停止按钮〔I0.3〕时，电机在任何情况下都停止运转。频率〔4〕按下自动按钮〔I0.2〕时，可以使变频器按照自身设定程序自动循环运转。具体运转模式见图2-2。频率0Hz0Hz10Hz11Hz35Hz50Hz20HzP19P21P23P17P81P82P83P84P85P86P87P22时间正转反转P8132HzP18P20P17图2-2变频器控制电动机运转模式〔5〕按下按钮〔I0.4〕时，电动机正转，使电机按照PLC设定程序自动循环运转。具体运转模式见图2-3。0Hz0Hz频率时间10sP20P18P19P21P22P23P1712s15s20s8s17s15s10Hz20Hz32Hz35Hz50Hz11Hz图2-3PLC控制电动机运转模式〔6〕按下按钮〔I0.6〕时，电动机按照PLC设定程序正反转交替循环运转。每15s交替一次，正转频率为35Hz，反转频率为20Hz。〔7〕变频器故障时〔I0.5〕，即当交流电机驱动器侦测到有异常状况发生时，电动机停止运转。3PLC和变频器的型号选择3.1PLC的选择在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型，工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据[2]。在PLC型号的选择上，工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据，同时综合了输入输出〔I/O〕点数、存储器容量、各项控制功能和机型的考虑以及性价比等各方面的因素，来确定PLC型号的选择。根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统[9]。PLC还有故障自诊断功能，可以让系统中除PLC以外的电路及设备也可以获得故障自诊断保护。PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法规律性强，容易掌握编程语言容易学习，较为简单，并且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。本次设计PLC输入点数在7个，输出点数6个。I/O点数估算时应考虑增加10%～20%的余量，因此选择了S7-200PLC/CPU224/14输入/10输出。由于控制较简单，对PLC存储容量、殊功能模块没有特殊要求。根据学校实验室现有设备，从中选择了S7-200PLC/CPU224XP/14输入/10输出。S7-200PLC具体型号见表3-1。表3-1S7-200PLCCPU选型型号表注：AC/DC/继电器——100～230VAC电源/24VDC输入/继电器输出；CPU系列号产品图片描述选型型号CPU224XPAC/DC/继电器；14点输入/10点输出；2输入/1输出共3个模拟量I/O点6ES7214-2BD23-0XB0在PLC的应用中还有重要的一项就是编程，编程中需要用到的指令如下。S7-200系列PLC的根本指令包括常用指令、堆栈操作指令、计数指令、定时器指令、比拟指令和程序控制指令等。〔1〕触点指令触点指令包括逻辑取和线圈驱动指令，它有两种连接形式，即串联和并联。①逻辑取和线圈驱动指令。指令格式为：LD取指令；LDN取反指令。②触点串联指令。指令格式为：A常开触点串联：AN常闭触点串联。③触点并联指令。指令格式为：O常开触点并联：ON常闭触点并联。〔2〕逻辑电路块的连接指令①串联电路块的并联指令。指令格式为：OLD。②并联电路块的串联指令。指令格式为：ALD。〔3〕置位，复位，取反指令①置位指令的格式为：SbitN。②复位指令的格式为：RbitN。③取反指令的格式为：NOT。〔4〕计数器指令①增计数器指令CTU：其指令格式为：CTUCx,PV。x为计数器编号。②减计数器指令CTD：其指令格式为：CTDCx,PV。x为计数器编号。③增减计数器指令CTUD：其指令格式为：CTUDCx,PV。x为计数器编号。〔5〕定时器指令①接通延时指令TON：其指令格式为：TONTx,PT。x为定时器编号。②断开延时指令TOF：其指令格式为：TOFTx,PT。x为定时器编号。③有记忆接通延时指令TONR：其指令格式为：TORTx,PT。x为定时器编号。〔6〕结束及暂停指令①结束指令可分为有条件结束指令END和无条件结束指令MEND。②暂停指令的指令格式为：STOP。〔7〕子程序指令子程序指令包括3个指令：建立子程序、子程序调用和子程序返回。其中子程序调用指令又有2条指令：子程序调用指令CALL和子程序条件返回指令CRET。3.2变频器的选择在选择变频器时，首先要确定在该设计系统中使用通用变频器的目的，根据目的来选择最优的变频器，从而到达预期效果。再根据该设计的控制要求，对调速范围、速度响应和控制精度、启动转矩等要素，并充分了解变频器所驱动负载特性，从而来确定采用什么功能的变频器对于该设计的实现更加方便，然后确定采用什么控制方式最适宜。所选用的通用变频器应是既满足生产工艺要求，又要在技术经济指标上合理。假设对变频器选型、系统设计及使用不当，可能会造成很多影响，比方，可能会使变频器不能正常的运行，从而达不到预期效果；可能引发设备故障，造成不必要的损失。为了保证所选用的变频器长期的可靠的运行，应当重点注意变频器的地线的接地连接。变频器的工作原理是把市电〔380V、50Hz〕通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件〔GTO、GTR或IGBT〕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[4]。根据实验室现有设备我选择了小型的三相异步电机，异步电机参数如下：PN=180W，UN=380V，IN=0.65A，nN=1400rpm。根据电机参数变频器应选用三相电源380~480VAC，50Hz，输出额定功率应大于200W。再根据学校实验室现有设备和三相异步电动机参数，从中选择了台达VFD-022M。变频器具体型号及参数见表3-2。表3-2台达VFD-M变频器型号及参数表变频器系列号产品图片描述选型型号VFD-MLC-M2E数字控制面板/三相电源380~480VAC,50/60Hz/电机输出额定功率2.20kW(3HP)/额定输出容量3.8kVA/额定输出(入)电流5.0A〔6.0A〕/输出频率(Hz)0.1~400Hz/强制风冷VFD022M43B4硬件设计4.1变频器接线4.1.1变频器主电路接线本次设计选用的台达VFD-022M变频器电源为三相380V交流电，在主电路接线时应正确的和三相交流电源连接。为了保证所选用的变频器长期的可靠的运行，应当重点注意VFD-M变频器的地线的接地连接。根据变频器使用手册，电源、变频器、三相异步电机具体接线如图4-1。图4-1变频器主电路配线图三相异步电机使用Y型接法，异步电机接线如图4-2。图4-2异步电机接线图4.1.2控制端子接线台达VFD-M变频器提供了多种控制功能，其中有外部多功能端子控制，数字操作面板控制，通讯控制等。根据设计要求及简捷控制的目的，我选择了通过外部多功能端子控制变频器，以到达控制异步电机的目的。台达VFD-M变频器控制端子说明见下表4-1。表4-1多功能控制端子说明表端子记号端子功能说明规格RA﹣RC多功能指示信号输出接点对应参数P46继电器(RELAY)RB﹣RC多功能指示信号输出接点接点输出M0﹣GND多功能输入辅助端子对应参数P38,39,40,41,42M1﹣GND多功能输入选择一对应参数P38,39,40,41,42M2﹣GND多功能输入选择二对应参数P38,39,40,41,42M3﹣GND多功能输入选择三对应参数P38,39,40,41,42M4﹣GND多功能输入选择四对应参数P38,39,40,41,42M5﹣GND多功能输入选择五对应参数P38,39,40,41,42本次设计中多功能指示输出端子RA/RB/RC使用故障指示端子，变频器产生故障时RA端子的继电器会接通，产生一个故障信号送给PLC，PLC会停止变频器和异步电机的运转。故障指示端子电路如图4-3。图4-3故障指示端子电路图本次设计中多功能输入端子M0/M1/M2/M3/M4/M5全部使用，其相应功能分配见表4-2，段速选择指令见表4-3。表4-2多功能输入端子功能分配表端子设定功能M0正转/停止M1反转/停止M2变频器内部程序自动运转开始指令输入M3多段速指令一/段速选择M4多段速指令二/段速选择M5多段速指令三/段速选择表4-3指令与段速对应表段速M3(Q0.3)M4(Q0.4)M5(Q0.5)第一段段速P17100第二段段速P18010第三段段速P19110第四段段速P20001第五段段速P21101第六段段速P22011第七段段速P23111多功能输入端子通过PLC给定的信号执行相应的正转、反转、停止、段速选择等命令。多功能输入端子电路如图4-4。图4-4多功能输入端子电路图4.2变频器的操作及参数设置变频器的操作说明变频器操作面板变频器VFD-M为我们提供了简易的控制面板，其中有参数显示，运行指示，操作键MODE/RUN/ENTER/STOP，频率旋钮等。具体如下列图4-5。图4-5变频器操作面板通过控制面板按键可以修改变频器的设定参数，参数的修改方法如下表4-4。表4-4参数的修改举例例如：修改参数P00操作步骤说明显示按MODE键进入参数设定画面P00按上下键选择欲读出或修改的参数号码P00~P157按ENTER键进入参数设置，读出参数内容00按上下键修改参数01按ENTER键输入资料无误那么显示"End"输入资料有误那么显示"Err"EndErr变频器的参数设置根据控制要求现将变频器主要参数进行设定，参数设定值见表4-5。表4-5主要参数设定表参数参数功能设定值实现功能P00频率指令来源设定00主频率输入由数字操作器控制P01运转指令来源设定01运转指令由外部端子控制，键盘STOP键有效P02电机停车方式设定00以减速刹车方式停止P03最高操作频率选择50Hz最高操作频率P04最大电压频率选择50Hz最大电压频率P05最高输出电压选择380V最高输出电压P10第一加速时间选择6s电机到达设定转速用时P11第一减速时间选择6s电机停止用时P17第一段频率设定10Hz第一段频率P18第二段频率设定20Hz第二段频率P19第三段频率设定35Hz第三段频率P20第四段频率设定50Hz第四段频率P21第五段频率设定32Hz第五段频率P22第六段频率设定20Hz第六段频率P23第七段频率设定11Hz第七段频率P24禁止反转功能设定00可反转P36输出频率上限设定50Hz输出频率上限P37输出频率下限设定0Hz输出频率下限P38多功能输入选择一(M0)多功能输入选择二(M1)00M0：正转/停止M1：反转/停止P39多功能输入选择二(M2)16AUTORUN可程序自动运转P40多功能输入选择三(M3)06多段速指令一P41多功能输入选择四(M4)07多段速指令二P42多功能输入选择五(M5)08多段速指令三P46多功能输出RELAY接点07故障指示P78可程序运转模式选择04自动运行循环运转〔STOP间隔〕P79可程序运转转向设定34运转方向“0100010〞*0＝正转*1＝反转P81第一段运行时间设定对应参数P1710s第一段运行时间P82第二段运行时间设定对应参数P1812s第二段运行时间P83第三段运行时间设定对应参数P1915s第三段运行时间P84第四段运行时间设定对应参数P2020s第四段运行时间P85第五段运行时间设定对应参数P218s第五段运行时间P86第六段运行时间设定对应参数P2217s第六段运行时间P87第七段运行时间设定对应参数P2315s第七段运行时间4.3PLC的硬件接线本次设计选用的PLC型号为CPU224XP14输入/10输出/AC/DC/RLY，根据PLC的安装要求可以确定PLC的供电电源为220V交流电。PLC的输入端供电为DC24V，PLC本身提供24V直流电源，可以作为输入电源使用。PLC的输出模式为继电器模式，输出端相当于一个自动开关，PLC有输出时会接通。所以PLC输出端供电使用变频器多功能端，这样就可以形成一个完整的回路，到达控制的目的。PLC的供电电源、PLC的输入、输出接线电路如图4-6。图4-6PLC的接线电路图4.4PLC与变频器的连接本设计中PLC对变频器的控制是通过PLC的继电器输出模块控制变频器的多功能输入端，从而改变电机工作电源频率，实现电机的多级调速。PLC输入/输出地址分配及连接项见表4-6。表4-6PLC输入/输出分配表输入输出地址功能连接项地址功能连接端口I0.0正转SB1Q0.0正转M0I0.1反转SB2Q0.1反转M1I0.2变频器自动运转SB3Q0.2变频器自动运转M2I0.3停止SB4Q0.3段速选择M3I0.4多段速运转SB5Q0.4段速选择M4I0.5故障急停RAQ0.5段速选择M5I0.6正反转交替SB6PLC与变频器的接线电路如图4-7。图4-7PLC与变频器的接线电路图4.5调速控制总电路通过对PLC和变频器各局部的设计，现确定了基于PLC与变频器的交流电机调速控制硬件系统的总体设计方案电路，如图4-8。图4-8总体设计方案电路图5安装调试根据所设计的电路对PLC、变频器、异步电机进行安装接线。在安装过程中首先应注意的是平安问题，因为安装的过程中会接触到220V及380V交流电，应当小心不要触电，在接线和调试时一定确保断开电源。在接通电源前需要确定电源电压为所需要的正确电压。变频器的三相电源之间电压要均衡，以免不能正常启动。为了保证所选用的变频器长期的可靠的运行，应当重点注意变频器的地线的接地连接。6总结本系统结构简单、操作方便，可实现自动控制。本系统结构简单、操作方便，可实现自动控制。通过PLC与变频器的连接共同来选择交流电机的段速，从而可以锻炼我们对软件的编程能力的提高以及对硬件连接熟知能力的提高。通过这一次课程设计，我不仅熟悉和掌握了PLC和变频器的结构和工作原理。同时也加深了对PLC和变频器的理解，通过硬件设计和动手操作，逐步掌握硬件设计的根本方法和产品安装技术。本次论文所用图片通过CAD所绘，锻炼了制图能力。在做实验时，把握住每一个重点的细节，防止出现任何由于粗心导致的过失，并且在写论文时，应该有侧重点。在这次课程设计中我觉得最重要的就是要有自学能力，运用工具书，利用网络高效率的查阅资料。遇到问题的时候，要认真思考可能的原因，然后一步一步的去验证自己的想法，直到解决遇到的问题。将理论应用到实践当中，培养我们的创新能力，从而不断地挑战自己，超越自己，为今后工作打下能力根底。参考文献[1]乔东凯.基于PLC和变频器控制异步电动机转速的研究[J].机械与电子,2023,(7):71-72.[2]方强，李丽娜，孙宏昌.可编程控制器技术开发与应用[