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文檔簡介
1、基于PLC交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2012年5月基于PLC交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)DesignofFrequencyFonversionFpeedRegulationSystemBasedonPLC摘要近年來,隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展,交流傳動(dòng)與控制技術(shù)成為目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一,電氣傳動(dòng)技術(shù)面臨著一場歷史革命,即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢(shì)。電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動(dòng)性能,高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果,廣泛的適用范圍及其它
2、許多優(yōu)點(diǎn)而被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。而PLC控制技術(shù)的引入使得調(diào)速控制的快速性,穩(wěn)定性,準(zhǔn)確性方面有了不小的改進(jìn)。因此,應(yīng)用PLC控制交流變頻調(diào)速有著較為廣闊的發(fā)展前景。本文內(nèi)容介紹了步進(jìn)電機(jī)以及單片機(jī)原理、該系統(tǒng)的硬件電路、程序組成,同時(shí)對(duì)軟、硬件進(jìn)行了調(diào)試。該設(shè)計(jì)具有思路明確、可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn),通過調(diào)試實(shí)現(xiàn)了上述功能。關(guān)鍵詞:交流調(diào)速系統(tǒng)變頻技術(shù)異步電動(dòng)機(jī)PLC控制技術(shù)AbstractInrecentyears,withthedevelopmentofpowerelectronictechnology,computertechnology,automaticcontro
3、ltechnologyisdevelopingrapidly,ACdriveandcontroltechnologyhasbecomethemostrapidlydevelopingtechnology,electricdrivetechnologyisfacingahistoricalrevolution,namelytheACspeedregulationtoreplaceDCspeedcontrolandcomputerdigitalcontroltechnologytoreplacetheanalogcontroltechnologyhasbecomethetrendofdevelop
4、ment.MotorACvariablefrequencyspeedcontroltechnologyisnowtheelectricitysaving,improvetheprocesstoimproveproductqualityandimprovingtheenvironment,promotingtechnologicalprogressandamainmeans.Withitshighfrequencyconversionspeedandbrakingperformsnee,highefficiency,highpowerfactorandenergysavingeffect,wid
5、eapplicablerangeandmanyotheradvantagesbydomesticgrandpathinkthemostpromisingcontrolmode.WhilethePLCcontroltechnologymakesthespeedcontrolspeed,stability,accuracy,thereisnotasmallimprovement.Therefore,theapplicationofPLCcontrolACdrivehasamorebroadprospectsfordevelopment.Thisarticleintroducedthestepper
6、motorandtheprincipleofsingle-chipcomputer,thehardwarecircuitofthesystem,theprogramcomponents,whilethesoft,hardwaredebugging.Thedesignhastheadvantagesofclearthinking,highreliability,strongstabilityandothercharacteristics,thefunctionsareachievedthroughdebugging.Keywords:ACvariablespeedcontrolsystemfre
7、quencyconversiontechnologyasynchronousmotorPLCcontroltechnologyII目錄摘要I-緒論11系統(tǒng)的工作原理21.1 三相異步電機(jī)2111三相異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)21.1.2三相異步電機(jī)的工作原理31.2 變頻器31.3 控制系統(tǒng)41.3.1 PLC的工作原理41.3.2 PLC的應(yīng)用2系統(tǒng)控制方案選取72.1 電機(jī)的選擇72.2 變頻器的選擇72.3 PLC的選擇8102.4 控制方式的選擇93變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 軟件設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽3.1.1 S7-200PLC錯(cuò)誤!未定義書簽3.1.2 MicroMaster420變頻器錯(cuò)誤!未
8、定義書簽3.1.3 外部電路設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽3.1.4 變頻開環(huán)調(diào)速錯(cuò)誤!未定義書簽3.1.5 數(shù)字量方式多段速控制錯(cuò)誤!未定義書簽3.2 軟件設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽3.2.1 編程軟件錯(cuò)誤!未定義書簽錯(cuò)誤!未定義書簽3.2.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)4系統(tǒng)抗干擾措施264.1 PLC抗干擾措施264.2 軟件抗干擾措施26結(jié)論27致謝284.3 獻(xiàn)294緒論(1) 課題背景從1876年第一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)問世到1888年交流電動(dòng)機(jī)的發(fā)明及廣泛應(yīng)用,再到電機(jī)隨處可見當(dāng)今世界,電機(jī)的發(fā)展早已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家現(xiàn)代化水平標(biāo)準(zhǔn)之一,縱觀電機(jī)的發(fā)展,其應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大,使用要求不斷提高,結(jié)構(gòu)類型不斷增多,理論要
9、求不斷深入。特別是近30年來,伴隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,尤其是超導(dǎo)技術(shù)的重大突破和新原理,新結(jié)構(gòu),新材料,新工藝,新方法的不斷推動(dòng),電機(jī)發(fā)展更是呈現(xiàn)出勃勃生機(jī),其前景是不可限量的。近年來隨著電力電子技術(shù),計(jì)算機(jī)技術(shù),自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展,電機(jī)的控制技術(shù)得到了迅速的發(fā)展,人們?cè)谧非罂刂齐姍C(jī)更快,更準(zhǔn),更穩(wěn)的同時(shí),也意識(shí)到節(jié)能,環(huán)保,經(jīng)濟(jì)的重要性。變頻技術(shù)是近年來國際家電領(lǐng)域全面開發(fā)和應(yīng)用的一項(xiàng)高新技術(shù),它采用新型變頻器,將50Hz的固定供電頻率轉(zhuǎn)換為30-130HZ的變化頻率,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的自動(dòng)調(diào)節(jié),達(dá)到節(jié)能和提高效率的目的。上個(gè)世紀(jì)80年代初,變頻器實(shí)現(xiàn)了商品化。在近20年的時(shí)
10、間內(nèi),經(jīng)歷了由模擬控制到全數(shù)字控制和由采用BJT到采用IGBT兩個(gè)大發(fā)展過程。PLC是20世紀(jì)70年代以來,在電氣控制技術(shù),集成電路,計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心,把自動(dòng)化技術(shù),把計(jì)算機(jī)技術(shù),通信技術(shù)融為一體的一種新型工業(yè)控制設(shè)備。它具有功能強(qiáng),可靠性高,配置靈活,使用方便,以及體積小,重量輕等優(yōu)點(diǎn)。(2) 設(shè)計(jì)的目的和意義隨著工業(yè)控制要求的不斷發(fā)展,對(duì)電機(jī)的速度控制要求也越來越高,一般都需要進(jìn)行閉環(huán)控制。交流電機(jī)調(diào)速的方法有很多,調(diào)壓串級(jí)滑差變頻等方式都不同程度地應(yīng)用于各種各樣的工控領(lǐng)域。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展,變頻器越來越多的被應(yīng)用于調(diào)速場合??删幊炭刂破魇歉鶕?jù)順
11、序邏輯控制的需要而發(fā)展起來的,是專門為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置,將PLC應(yīng)用于交流變頻調(diào)速,不僅可靠性高,易于操作,而且還能降低能耗,節(jié)約能源。1系統(tǒng)的工作原理1.1 三相異步電機(jī)三相異步電機(jī)(Triple-phaseasynchronousmotor)是靠同時(shí)接入三相交流電源(相位差120度)供電的一類電動(dòng)機(jī),由于三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場以相同的方向、不同的轉(zhuǎn)速成旋轉(zhuǎn),存在轉(zhuǎn)差率,所以叫三相異步電機(jī)。1.1.1 三相異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)異步電機(jī)主要由固定不動(dòng)的和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩部分組成,定子轉(zhuǎn)子之間有氣隙,在定子兩端有端蓋支撐轉(zhuǎn)子。(1)定子異步電機(jī)的定子由鐵心,定子繞組和機(jī)
12、座三部分組成,定子鐵心的作用是作為電機(jī)磁路的一部分和嵌放定子繞組。為了減少交變磁場在鐵心中引起的損耗,鐵心一般采用導(dǎo)磁性能良好,比損耗小的0.5mm厚低硅鋼片疊成。定子繞組是電機(jī)的電路,器作用是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)流過電流。定子繞組在槽內(nèi)部分與鐵心間必須可靠絕緣,槽絕緣的材料厚度由電機(jī)耐熱等級(jí)和工作電壓來決定。機(jī)座的作用主要是固定和支撐定子鐵心。(2)轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子鐵心是電機(jī)磁路的一部分,一般由0.5mm硅鋼片沖制后疊壓而成。轉(zhuǎn)軸起支撐轉(zhuǎn)子鐵心和輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩的作用,轉(zhuǎn)子繞組的作用是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),流過電流和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。其結(jié)構(gòu)形式有兩種:籠式和繞線式。(3)氣隙異步電機(jī)
13、定,轉(zhuǎn)子之間氣隙很小,對(duì)于小型異步電機(jī),氣隙一般為0.2到1.5mm氣隙大小對(duì)異步電機(jī)性能影響很大。為了降低電機(jī)的空載電流和提高電機(jī)的功率,氣隙應(yīng)盡可能的小,但氣隙太小又可能造成定轉(zhuǎn)子在運(yùn)行中發(fā)生摩擦,因此異步電機(jī)氣隙長度應(yīng)為定轉(zhuǎn)子在運(yùn)行中不發(fā)生機(jī)械摩擦所允許的最小值。91.1.2 三相異步電機(jī)的工作原理三相交流異步電動(dòng)機(jī)的工作原理是建立在電磁感應(yīng)定律、全電流定律、電路定律和電磁力定律等基礎(chǔ)上的。當(dāng)磁極沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),磁極的磁力線切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條,導(dǎo)條中就感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)的方向由右手定則來確定。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)是相對(duì)的,假如磁極不動(dòng),轉(zhuǎn)子導(dǎo)條沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),則導(dǎo)條中同樣也能感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)來。在電動(dòng)勢(shì)
14、的作用下,閉合的導(dǎo)條中就產(chǎn)生電流。該電流與旋轉(zhuǎn)磁極的磁場相互作用,而使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條受到電磁力,電磁力的方向可用左手定則確定。由電磁力進(jìn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)起來。三相繞組接通三相電源產(chǎn)生的磁場在空間旋轉(zhuǎn),稱為旋轉(zhuǎn)磁場,轉(zhuǎn)速的大小由電動(dòng)機(jī)極數(shù)和電源頻率而定。轉(zhuǎn)子在磁場中相對(duì)定子有相對(duì)運(yùn)動(dòng),切割磁楊,形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。轉(zhuǎn)子銅條是短路的,有感應(yīng)電流產(chǎn)生。轉(zhuǎn)子銅條有電流,在磁場中受到力的作用。轉(zhuǎn)子就會(huì)旋轉(zhuǎn)起來。第一:要有旋轉(zhuǎn)磁場,第二:轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向與旋轉(zhuǎn)磁場方向相同,第三:轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速必須小于同步轉(zhuǎn)速,否則導(dǎo)體不會(huì)切割磁場,無感應(yīng)電流產(chǎn)生,無轉(zhuǎn)矩,電機(jī)就要停下來,停下后,速度減慢,由于有轉(zhuǎn)速差,轉(zhuǎn)子又開始轉(zhuǎn)
15、動(dòng),所以只要旋轉(zhuǎn)磁場存在,轉(zhuǎn)子總是落后同步轉(zhuǎn)速在轉(zhuǎn)動(dòng)。"2三相異步電機(jī)是感應(yīng)電機(jī),定子通入電流以后,部分磁通穿過短路環(huán),并在其中產(chǎn)生感應(yīng)電流。短路環(huán)中的電流阻礙磁通的變化,致使有短路環(huán)部分和沒有短路環(huán)部分產(chǎn)生的磁通有了相位差,從而形成旋轉(zhuǎn)磁場。通電啟動(dòng)后,轉(zhuǎn)子繞組因與磁場間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)而感生電動(dòng)勢(shì)和電流,即旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子存在相對(duì)轉(zhuǎn)速,并與磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)起來,實(shí)現(xiàn)能量變換。1.2 變頻器變頻器主要應(yīng)用于對(duì)電機(jī)速度的調(diào)節(jié),可將其分為四個(gè)部分,其結(jié)構(gòu)如圖所示。1.1通用變頻器由主電路和控制回路組成。給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分,稱為主電路。主電路包括整流
16、器、中間直流環(huán)節(jié)(又稱平波回路)、逆變器、控制回路。圖1-1變頻器簡化結(jié)構(gòu)圖(1) 整流器。它的作用是把工頻電源變換成直流電源。(2) 平波回路(中間直流環(huán)節(jié))。由于逆變器的負(fù)載為異步電動(dòng)機(jī),屬于感性負(fù)載。無論電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)還是發(fā)電狀態(tài),起始功率因數(shù)總不會(huì)等于1。因此,在中間直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無功功率的交換,這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件一電容器或電感器來緩沖,所以中間直流環(huán)節(jié)實(shí)際上是中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。(3) 逆變器。與整流器的作用相反,逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率。逆變器的結(jié)構(gòu)形式是利用6個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的三相橋式逆變器電路。通過有規(guī)律的控制逆變器中主開關(guān)
17、的導(dǎo)通和斷開,可以得到任意頻率的三相交流輸出波形。(4) 控制回路。控制回路常由運(yùn)算電路,檢測(cè)電路,控制信號(hào)的輸入、輸出電路,驅(qū)動(dòng)電路和制動(dòng)電路等構(gòu)成。其主要任務(wù)是完成對(duì)逆變器的開關(guān)控制,對(duì)整流器的電壓控制,以及完成各種保護(hù)功能。控制方式有模擬控制或數(shù)字控制口叫。1.3PLC控制系統(tǒng)1.3.1 PLC的工作原理PLC是微機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物,是一種以微處理器為核心的用于控制的特殊計(jì)算機(jī),因此PLC的基本組成與一般的微機(jī)系統(tǒng)類似。PLC的硬件主要由中央處理器(CPU,存儲(chǔ)器(EPROM,RAI輸入單元,輸出單元,通信接口,擴(kuò)展接口,電源等部分組成。其中,CPU是PLC的核心,輸入單元與輸出
18、單元是連接現(xiàn)場I/O設(shè)備與CPU之間的接口電路,通信接口用于與編程器,上位計(jì)算機(jī)等外設(shè)連接。PLC的工作原理可以簡單的描述為在系統(tǒng)程序管理下,通過運(yùn)行應(yīng)用程序,對(duì)控制要求進(jìn)行處理判斷,并通過執(zhí)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。PLC采用“順序掃描,不斷循環(huán)”的工作方式:(1) 每次掃描過程,集中采集輸入信號(hào),集中對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行刷新。(2) 輸入刷新過程,當(dāng)輸入端口關(guān)閉時(shí),程序在進(jìn)行執(zhí)行階段時(shí),輸入端有新狀態(tài),新狀態(tài)不能被讀入。只有程序進(jìn)行下一次掃描時(shí),新狀態(tài)才被讀入。(3) 一個(gè)掃描周期分為輸入采樣,程序執(zhí)行,輸出刷新。(4) 元件映象寄存器的內(nèi)容是隨著程序的執(zhí)行變化而變化的。(5) 掃描周期的長短由
19、以下三條決定:CPU執(zhí)行指令的速度;指令本身占有的時(shí)間;指令條數(shù),現(xiàn)在的PLC掃描速度都是非常快的。(6) 由于采用集中采樣,集中輸出的方式,存在輸入/輸出滯后的現(xiàn)象,即輸入/輸出響應(yīng)延遲(7X6)。1.3.2 PLC的應(yīng)用PLC的應(yīng)用領(lǐng)域,最初,PLC主要用于開關(guān)量的邏輯控制。隨著PLC技術(shù)的進(jìn)步,它的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。如今,PLC不僅用于開關(guān)量控制,還用于模擬量及數(shù)字量的控制,可采集與存儲(chǔ)數(shù)據(jù),還可對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控;還可聯(lián)網(wǎng)、通訊,實(shí)現(xiàn)大范圍、跨地域的控制與治理。PLC已日益成為產(chǎn)業(yè)控制裝置家族中一個(gè)重要的角色??纱蟾欧譃閮蓚€(gè)領(lǐng)域:其一為單機(jī)控制為主的一切設(shè)備自動(dòng)化領(lǐng)域,比如:包裝機(jī)械、
20、印刷機(jī)械、紡織機(jī)械、注塑機(jī)械、自動(dòng)焊接設(shè)備、隧道盾構(gòu)設(shè)備、水處理設(shè)備、切割、多軸磨床、冶金行業(yè)的輯壓、連鑄機(jī)械等,這些設(shè)備的所有動(dòng)作,加工都需要靠依據(jù)工藝設(shè)定在PLC內(nèi)的程序來指導(dǎo)執(zhí)行和完成,就如人的大腦。其二為過程控制為主的流程自動(dòng)化行業(yè),比如污水處理、自來水處理、樓宇控制、火電主控、輔控、水電主控、輔控、冶金行業(yè)、太陽能、水泥、石油、石化、鐵路交通等。這些行業(yè)所有設(shè)備的連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行,總存在許多的監(jiān)控點(diǎn)和大量的實(shí)時(shí)參數(shù),而要監(jiān)視、控制、和采集這些流程參數(shù)和相關(guān)的工藝設(shè)備,也必須依靠PLC這個(gè)大腦來完成.,當(dāng)然傳統(tǒng)叫法也有DCS盡管設(shè)計(jì)之初的理念不一樣,但現(xiàn)技術(shù)路線已逐漸融合。綜合來說,PLC
21、的應(yīng)用領(lǐng)域是寬闊的,還有許多領(lǐng)域急待開拓,如用于海關(guān)過境車輛認(rèn)證(深圳鹽田)、自動(dòng)售藥(若干中藥店)在我國已有實(shí)例。另外,在離散事件系統(tǒng)中,如公路網(wǎng)交通流(車輛計(jì)數(shù)、乘客計(jì)數(shù)及停留時(shí)間計(jì)量)、物流系統(tǒng)、柔行制造系統(tǒng)(敏捷制造系統(tǒng))及一切非標(biāo)準(zhǔn)隨服務(wù)系統(tǒng)中,均可以采用PLC,進(jìn)而建模和采取對(duì)策并優(yōu)化。PLC的前途一片美好FLC與其它技術(shù)融合,那還需要一定的時(shí)間mill2控制方案的選取2.1電動(dòng)機(jī)的選擇在變頻電機(jī)中,電動(dòng)機(jī)類型選擇的原則是,在滿足工作機(jī)械對(duì)于拖動(dòng)系統(tǒng)要求的前提下,所選電動(dòng)機(jī)應(yīng)盡可能結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價(jià)格低廉。因此,在選用電動(dòng)機(jī)種類時(shí),若機(jī)械工作對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)無過高要求,應(yīng)優(yōu)
22、先選用交流電動(dòng)機(jī)。與單相異步電動(dòng)機(jī)相比,三相異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,制造方便,運(yùn)行性能好,并可節(jié)省各種材料,價(jià)格便宜。在交流電動(dòng)機(jī)中,籠型異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,運(yùn)行最可靠,維護(hù)最方便,對(duì)起動(dòng)性能無過高要求的調(diào)速系統(tǒng),應(yīng)優(yōu)先考慮。在電機(jī)工作中起動(dòng)、制動(dòng)比較頻繁,為提高生產(chǎn)率,又要求電動(dòng)機(jī)具有較大的起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩以縮短起動(dòng)制動(dòng)時(shí)間,同時(shí)還有一定的調(diào)速要求,所以本設(shè)計(jì)采用籠型異步電動(dòng)機(jī),其參數(shù)為:型號(hào):WDJ26電壓:380V;接法:角接;轉(zhuǎn)速:1430r/min;功率:40W電流:0.2A;頻率:50HZ絕緣等級(jí):E2。2.2變頻器的選擇隨著變頻器性能價(jià)格比的提高,交流變頻調(diào)速己應(yīng)用到許多領(lǐng)域,由于變頻調(diào)
23、速的諸多優(yōu)點(diǎn),使得交流變頻調(diào)速得到廣泛應(yīng)用。其功能較強(qiáng),使用靈活,但其價(jià)格相對(duì)較貴。所以我選用了通用變頻器,通過合理的配置、設(shè)計(jì)和編程,同樣可以達(dá)到專用變頻器的控制效果。本設(shè)計(jì)采用的變頻器是西門子公司面向世界推出的21世紀(jì)通用型變頻器MM420它可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)操作和精確控制,使電動(dòng)機(jī)達(dá)到理想輸出,這種變頻器不僅考慮了V/f控制,而且還實(shí)現(xiàn)了矢量控制,通過其本身的自動(dòng)調(diào)諧功能與無速度傳感器電流矢量控制,很容易得到高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與較高的調(diào)速范圍。MM42(變頻器的特點(diǎn)如下:(1)包括電流矢量控制在內(nèi)的四種控制方式均實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。(2) 有豐富的內(nèi)藏與選擇功能。(3)由于采用了最新式的硬件,因此,功能全、體
24、積小。(4)保護(hù)功能完善、維修性能好。(5)通過LCD操作裝置,可提高操作性能。2.3 PLC的選擇傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中,我們一般有采用單片機(jī)和PLC控制兩種選擇。與單片機(jī)相比,PLC有以下優(yōu)點(diǎn):(1) 通用性強(qiáng),使用方便。(2) 可靠性高,抗干擾能力強(qiáng),所有的I/O口均采用光電隔離,有效使內(nèi)部電路與外部隔離,其各模塊均采用屏蔽措施,采用性能良好的開關(guān)電源,具有良好的自診斷功能,在大型的PLC中采用雙CPU或三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng),是可靠性進(jìn)一步提高。(3) 豐富的I/O接口模塊。(4) 采用模塊化結(jié)構(gòu),方便組合。(5) 編程簡單易學(xué),PLC編程米用梯形圖與繼電器電路圖類似,不需要計(jì)算機(jī)專門知識(shí)也能
25、理解。(6) 安裝簡單,維修方便。(7) 驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,成本相對(duì)較低。而對(duì)于單片機(jī)最大的缺點(diǎn)就是抗干擾的能力差,驅(qū)動(dòng)能力差,需要很多外圍設(shè)備來驅(qū)動(dòng),在工業(yè)控制中多采用PLC,此外單片機(jī)編程復(fù)雜,需要了解單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及工作方式。在控制中,PLC的選擇的原則是在滿足可靠性,實(shí)時(shí)性,快速性,操作的便捷性以及強(qiáng)勁的通信能力的前提下,選擇成本更低的。因此選擇西門子S7-200可編程控制器來作為主要的控制裝置。S7-200系列的PLC具有極高的可靠性,豐富的指令集,易于掌握,便捷的操作,豐富的內(nèi)置集成功能,實(shí)時(shí)特性,強(qiáng)勁的通信能力,豐富的擴(kuò)展模塊,適用于各行各業(yè)各種場合的檢測(cè)監(jiān)
26、測(cè)及自動(dòng)化控制的需要。S7-200系列的PLC是整體式結(jié)構(gòu),根據(jù)其規(guī)模的的大小,可選擇相應(yīng)的主機(jī)單元CPUL。2.4 調(diào)速方式的選擇變頻調(diào)速是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率,從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器,變頻器可分成交流-直流交流變頻器和交流-交流變頻器兩大類,目前國內(nèi)大都使用交直-交變頻器。其特點(diǎn):(1) 效率高,調(diào)速過程中沒有附加損耗;(2)應(yīng)用范圍廣,可用于籠型異步電動(dòng)機(jī);(3) 調(diào)速范圍大,特性硬,精度高;從效率和穩(wěn)定性的角度出發(fā),綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益,選擇變頻調(diào)速方式。3變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 硬件的設(shè)計(jì)3.1.1 S7-200PLC本系統(tǒng)選用的是
27、西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列小型PLC可用于代替繼電器的簡單控制場合,也可用于復(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。由于它極強(qiáng)的的通信功能,在大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮其功能。S7-200的可靠性高,可以用梯形圖語句表功能塊圖三種語言來編程。它的指令豐富,指令功能強(qiáng),易于掌握,操作方便,內(nèi)置有高速計(jì)數(shù)器、高速輸出、PID控制器、RS-485通信/編程接口、PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議和自由端口模式通信功能,最大可以擴(kuò)展到248點(diǎn)數(shù)字量I/O或35路模擬量I/O,最多有30多KB的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間o3.1.2 MicroMaster420變頻器本系統(tǒng)采用的是通用變頻器MicroMaster420,M
28、icroMaster420是全新一代模塊化設(shè)計(jì)的多功能標(biāo)準(zhǔn)變頻器。它有強(qiáng)大的通訊能力、精確的控制性能、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),具有更多的靈活性,操作方便。最新的IGBT技術(shù),具有7個(gè)固定頻率,4個(gè)跳轉(zhuǎn)頻率。靈活的斜坡函數(shù)發(fā)生器帶有起始段和結(jié)束段的平滑特性,防止運(yùn)行中不應(yīng)有的跳閘,直流制動(dòng)和復(fù)合制動(dòng)方式提高制動(dòng)性能。用BiCo技術(shù),實(shí)現(xiàn)I/O端口自由連接。MicroMaster420是用于控制三相交流電動(dòng)機(jī)速度的變頻器系列,從單相電源電壓額定功率120W到三相電源電壓額定功率11KW可供選用,由微處理器控制,用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作為功率輸出器件。因此,具有很高的運(yùn)行可靠
29、性和功能的多樣性。其脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)頻率是可選的,因而降低了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的噪聲,全面完善的保護(hù)功能為變頻器和電動(dòng)機(jī)提供了良好的保護(hù)。MicroMaster420具有缺省的工廠設(shè)置參數(shù),它是給數(shù)量眾多的簡單的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)供電的理想變頻驅(qū)動(dòng)裝置。由于MicroMaster420具有全面而完善的控制功能,在設(shè)置相關(guān)參數(shù)以后,它也可用于更高級(jí)的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)o3.1.3 外部電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要完成異步電機(jī)三種調(diào)速,由于變頻器的參數(shù)設(shè)置的不同,調(diào)速方式也有所不同,分別為變頻開環(huán)調(diào)速、數(shù)字量方式多段速控制和PLC及變頻器通信控制。3.1.4 變頻開環(huán)調(diào)速變頻開環(huán)調(diào)速根據(jù)輸入端的控制信號(hào)經(jīng)過程序運(yùn)算后由通
30、信端口控制變頻器運(yùn)行。打開啟動(dòng)開關(guān),變頻器開始運(yùn)行。首先應(yīng)對(duì)變頻器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,如表3-1所示。表3-1變頻器的參數(shù)設(shè)置序號(hào)變頻器參數(shù)出廠值設(shè)定值功能說明1P0304230380電動(dòng)機(jī)的額定電壓(380V)2P03053.250.35電動(dòng)機(jī)的額定電流(0.35A)3P03070.750.06電劫機(jī)的額定功率(60W)4P031050.0050.00電動(dòng)機(jī)的額定頻率(50Hz)5P031101430電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速(1430r/min)6P100023固定頻率設(shè)定7P108000電動(dòng)機(jī)的最小頻率(0Hz)8P10825050.00電動(dòng)機(jī)的最大頻率(50Hz)9P11201010斜坡上升時(shí)間(1
31、0S)10P11211010斜坡下降時(shí)間(10S)11P070022選擇叩令源(由端了排輸入)12P0701117固定頻率設(shè)值(二進(jìn)制編碼選擇+ON命令)13P07021217固定頻率設(shè)值(二進(jìn)制編碼選擇+ON命令)14P0703917固定頻率設(shè)值(二進(jìn)制編碼選擇+ON命15P10010.005.00固頻率116P10025.0010.00固7E頻率217P100310.0020.00固7E頻率318P100415.0025.00固頻率419P100520.0030.0固定頻率520P100625.0040.00固頻率621P100730.0050.00固定頻率7其中:在設(shè)置參數(shù)前先將變頻器參
32、數(shù)復(fù)位為工廠的缺省設(shè)定值;設(shè)定P0003=2允許訪問擴(kuò)展參數(shù);設(shè)定電機(jī)參數(shù)時(shí)先設(shè)定P0010=1(快速調(diào)試),電機(jī)參數(shù)設(shè)置完成設(shè)P0010=0(準(zhǔn)備)【河同。根據(jù)系統(tǒng)分析,需要九個(gè)輸入量,輸出端由三-八通信線實(shí)現(xiàn)。其I/O分配如表3-2所示。表3-2系統(tǒng)的I/O分配序號(hào)PLC地址(PLC端子)電氣符號(hào)(面板端子)功能說明1I0.0啟動(dòng)開關(guān)變頻器開始運(yùn)行210.1停止開關(guān)變頻器停止運(yùn)行3I0.2急停開關(guān)變頻器緊急停止4I0.3復(fù)位開關(guān)變頻器錯(cuò)誤復(fù)位5I0.4反轉(zhuǎn)開關(guān)變頻器反轉(zhuǎn)運(yùn)行6I0.5減速開關(guān)變頻器減速運(yùn)行7I0.6加速開關(guān)變頻器加速運(yùn)行8I0.7全速開關(guān)變頻器全速運(yùn)行911.0歸零開關(guān)變頻
33、器頻率歸零變頻開環(huán)調(diào)速外部接線如圖31所示26傘速® +24V00-:4OJQ動(dòng)停止4急停6復(fù)位O反轉(zhuǎn)EFIIO OO1415變頻器MM420IIII歸妄圖3-1變頻開環(huán)調(diào)速外部接線圖3.1.5 數(shù)字量方式多段速控制在MM420變頻器通過數(shù)字量的輸入DIN1、DIN2、DIN3不同的組合方式可實(shí)現(xiàn)七種不同的輸出頻率,從而實(shí)現(xiàn)多段速的控制。變頻器的參數(shù)設(shè)置如表3-3所示表3-3變頻器的參數(shù)設(shè)置序號(hào)變頻器參數(shù)出廠值設(shè)定值功能說明32P070022選擇叩令源(由端了排輸入)33P0701117固定頻率設(shè)值(二進(jìn)制編碼選擇+ON命令)34P07021217固定頻率設(shè)值(二進(jìn)制編碼選擇+ON命
34、令)35P0703917固定頻率設(shè)值(二進(jìn)制編碼選擇+0N命令)36P10010.005.00固定頻率137P10025.0010.00固定頻率238P100310.0020.00固定頻率339P100415.0025.00固;E頻率440P100520.0030.0固定頻率541P100625.0040.0042P100730.0050.00固定頻率7輸入輸出分配如表3-4所示。表3-4系統(tǒng)的I/O分配序號(hào)PLC地址(PLC端子)電氣符號(hào)(面板端子)1I0.0K1210.1K23I0.2K34I0.3K45Q0.0DIN16Q0.1DIN27Q0.2DIN3數(shù)字量方式多段速控制外部接線如圖3
35、-2所示。由圖3-2可知通過切斷開關(guān)的通斷來控制PLC輸出點(diǎn)QO.O、Q0.1、Q0.2的不同組合來控制變頻器的不同的頻率【知皿。GHD+24VCD圖3-2數(shù)字量方式多段速控制外部接線圖3.2 軟件的設(shè)計(jì)(1) .1編程軟件(2) 本系統(tǒng)采用的編程軟件是STEP7MicroWIN,該編程軟件可以方便的在Windows環(huán)境下對(duì)PLC編程、調(diào)試、監(jiān)控。使得PLC編程更加方便、快捷。(3) 項(xiàng)目的組成程序塊程序塊由可執(zhí)行的代碼和注釋組成,可執(zhí)行的代碼由主程序(OB1)、可選的子程序和中斷程序組成。代碼被編譯并下載到PLC。數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊由數(shù)據(jù)(變量存儲(chǔ)器的初始值)和注釋組成。數(shù)據(jù)被編譯并下載到PLC。
36、系統(tǒng)塊系統(tǒng)塊用來設(shè)置系統(tǒng)的參數(shù),例如存儲(chǔ)器的斷電保持范圍密碼STOP模式時(shí)PLC的輸出狀態(tài)模擬量與數(shù)字量輸入濾波值脈沖捕捉位等,系統(tǒng)模塊中的信息需要下載到PLC。符號(hào)表符號(hào)表允許程序員用符號(hào)來代替存儲(chǔ)器的地址,符號(hào)地址便于記憶,使程序更容易理解。程序編譯下載到PLC時(shí),所有符號(hào)地址被轉(zhuǎn)換為絕對(duì)地址,符號(hào)表中的信息不會(huì)下載到PLG狀態(tài)表狀態(tài)表用來觀察程序執(zhí)行時(shí)指定的內(nèi)部變量的狀態(tài),狀態(tài)表并不下載到PLC,僅僅是監(jiān)控用戶程序運(yùn)行情況的一種工具。交叉引用表交叉引用表列舉出程序中使用的各操作數(shù)在哪一個(gè)程序塊的哪一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn),以及使用它們的指令助記符。還可以查看哪些內(nèi)存區(qū)域已經(jīng)被使用,是作為單位使用還
37、是作為字節(jié)使用。在運(yùn)行模式下編譯程序時(shí),可以查看程序當(dāng)前正在使用的跳變觸點(diǎn)的編號(hào)。交叉引用表并不下載到PLC,程序編譯成功后才能看到交叉引用表的內(nèi)容。在交叉引用表中雙擊某操作數(shù),可以顯示出包含該操作數(shù)的那一部分程序“N。322變頻調(diào)速系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)(1)基于PLC數(shù)字量方式多段速控制去,其梯形圖如下:網(wǎng)絡(luò)1網(wǎng)絡(luò)標(biāo)題I網(wǎng)絡(luò)注釋一I0.0MOOT371|1/|INTON*5-PT100ms網(wǎng)絡(luò)2T37MO.O()網(wǎng)貉310011T38IntonPT100msT38mioM,1n問第4SHL W網(wǎng)絡(luò)5MO.OM117ENOMW1ChINOUT-MW101-10.0Q。網(wǎng)結(jié)8M11.4I0.0M11.5
38、M11.6M11710.3100Q0.2M11.2M11.6)IRtt9100MO.OfR>1z1k"J100程序語句表如下:Network1LD10.0ANIMO.OOUTT37,+5Network2LDT37OUTMO.ONetwork3LDI0.0OUTT38,+5ANIT38K100OUTM1.0Network4LDM1.0OUTM11.0Network5LDMO.OANIM11.7SRWMW10,1Network6LDM11.1OR M11.31ORM11.5ORM11.7ANDI0.0SLDLD10.1ANII0.0ANBOUTQO.ONetwork7LDM11.2
39、ORM11.3ORM11.6ORM11.7ANDI0.0SLDLDI0.2ANII0.0ANBOUT1Q0,Network8LDM11.4ORM11.5ORM11.6ORM11.7ANDI0.0LDI0.2LDI0.3ANBOUTQ0.2Network9LD10.0OUTM0.0,100K100本系統(tǒng)主要是通過I0.0控制系統(tǒng)的啟動(dòng)10.1、I0.2、I0.3的通斷來控制輸出Q0.0、Q0.1、0.2的組合方式,經(jīng)過調(diào)試得到以下的控制結(jié)果,如表3-5所示。表3-5系統(tǒng)輸出指令表K1K2K3輸出頻率OFFOFFOFFOFFONOFFOFF固;E頻率1OFFONOFF固;E頻率2ONONOFF固T
40、E頻率3OFFOFFON固;E頻率4ONOFFON固定頻率5OFFONON固正頻率6ONONON固定頻率7(2)基于PLC通信方式變頻開環(huán)調(diào)速網(wǎng)踣3網(wǎng)絡(luò)標(biāo)題I碘注律NM3.3M2.1%1321|1|inton+100-PTQ%M2。i1msET-VW20網(wǎng)絡(luò)4臥12.0力T96INTON+100-PTQ力M211msET-WW202何絡(luò)5ZM2.0A10.510.6%C5-II1I1I1*M2.0匐0.6八10.5人M2,GII1I1I1QA11.0IRTLD人nn-PVQU.龕M2QD5cvaM26-AACO用絡(luò)GDLTD.FiENENQ%07OUT-WD10023網(wǎng)絡(luò)1USS_CTRLEM
41、RUNJf©IO.-10.3I1F_ACK八10.4DIR18-DriveResp_R1TypeErtorWD1C0-SpeetTStalus欽盟SpeedRun_END_Dirinhbit購D£-XQQ1XQ02-2XI0.3Fault-3X10.4程序分析由上邊的程序可知在實(shí)現(xiàn)通信的過程中使用了USS指令如圖3-3所示初始LI5W通信SM0.1USSJNITENModeDone9600- imoo4(no-Baud ActiveEnor-Q0.0-VB1圖3-3USS指令圖USSNIT指令:被用于啟用和初始化或禁止MicroMaster驅(qū)動(dòng)器通訊。在使用任何其他USS協(xié)
42、議指令之前,必須先執(zhí)行USSJNIT指令,才能繼續(xù)執(zhí)行下一條指令。EN:輸入打開時(shí),在每次掃描時(shí)執(zhí)行該指令。僅限為通訊狀態(tài)的每次改動(dòng)執(zhí)行一次USSJNIT指令。使用邊緣檢測(cè)指令,以脈沖方式打開EN輸入。若改動(dòng)初始化參數(shù),執(zhí)行一條新USSJNIT指令。MOD(模式,):輸入值1時(shí)將端口0分配給USS協(xié)議,并啟用該協(xié)議;輸入值0時(shí)將端口0分配給PPI,并禁止USS協(xié)議。BAU(波特率):將波特率設(shè)為1200>2400、4800、9600、19200、38400、57600或115200。ACTIVE(激活)表示激活的驅(qū)動(dòng)器。按啟動(dòng)按扭I0.0變頻器啟動(dòng),電機(jī)開始運(yùn)行。變頻器在運(yùn)行的時(shí)候按開關(guān)
43、I0.6,變頻器提高運(yùn)行頻率電機(jī)轉(zhuǎn)速加快。按動(dòng)減速開關(guān)I0.5,變頻器降低運(yùn)行頻率轉(zhuǎn)速降低。按動(dòng)反轉(zhuǎn)開關(guān)I0.4,變頻器先停止運(yùn)行,再反方向運(yùn)行。按停止開關(guān)10.1,變頻器慣性停止。變頻器在出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí),按復(fù)位開關(guān)I0.3,清除錯(cuò)誤信號(hào),變頻器重新運(yùn)行阿力網(wǎng)o294抗干擾措施4.1 電源抗干擾措施在PLC控制系統(tǒng)中,電源占有極重要的地位。電網(wǎng)干擾串入PLC控制系統(tǒng)主要通過PLC系統(tǒng)的供電電源(如CPU電源、I/O電源等)、變送器供電電源與PLC系統(tǒng)具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進(jìn)入的?,F(xiàn)在,對(duì)于PLC系統(tǒng)供電的電源,一般都采用隔離性能較好電源,而對(duì)于變送器供電的電源和PLC系統(tǒng)有直接電氣連接的儀表的供電電源,并沒受到足夠的重視,雖然采取了一定的隔離措施,但普遍還不夠,主要是使用的隔離變壓器分布參數(shù)大,抑制干擾能力差,經(jīng)電源耦合而串入共模干擾、差模干擾。所以,對(duì)于變送器和共用信號(hào)儀表供電應(yīng)選擇分布電容小、抑制帶大(如采用多次隔離和屏蔽及漏感技術(shù))的配電器,以減少PLC系統(tǒng)的干擾。此外,為保證電網(wǎng)饋點(diǎn)不中斷,可采用在線式不間斷供電電源供電,提高供電的安全可靠性。并且UPS還具
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