基于PLC的變頻調速系統(tǒng)設計

1、目 錄第1章 緒論21.1 PLC（可編程序控制器）概述21.2 PLC特點3第2章 VFO變頻器介紹42.1 松下變頻器VF0系列簡介42.2 設定變頻器模式52.3 變頻器的控制方式52.3.1 U/f=C的正弦脈寬調制（SPWM）控制方式52.3.2 電壓空間矢量（SVPWM）控制方式62.3.3 矢量控制（VC）方式62.3.4 直接轉矩控制（DTC）方式62.3.5 矩陣式交交控制方式62.4 歐姆龍CP1H的特點及功能簡介72.4.1 歐姆龍CP1H功能簡介72.4.2 歐姆龍功能簡介82.5 變頻器接線82.5.1 主回路接線82.5.2 控制回路接線92.5.3 接線注意事項9

2、第3章 電機介紹103.1 電機的規(guī)格指標參數103.2 電動機的工作原理113.3 電動機的接線113.4 PLC、變頻器、電機三者的運行關系11第4章 PLC變頻調速系統(tǒng)的設計與調試124.1 系統(tǒng)設計程序124.2 接線圖134.3 程序調試14第5章 課程總結15參考文獻16第1章 緒論1.1 PLC（可編程序控制器）概述PLC（可編程控制器）應用廣泛，其CPU功能較強，可靠性高，但在輸入輸出I/O方面,PLC存在價格過高，擴展模塊不隔離，輸入信號還要進行編程運算來完成采集，品牌繁多，互不兼容，用戶使用起來不方便等缺點。其在工業(yè)現(xiàn)場因其編程方便，抗干擾能力強，獲得了廣泛的應用。但受到內

3、部硬件電路的限制，在運算速度、數據處理能力等方面和PC機相比，要遜色很多。因此在工業(yè)現(xiàn)場對復雜模型進行控制時，可以借助上位機PC來建立生產模型，通過構建 SCC監(jiān)督式控制系統(tǒng)，讓下位機PC為一DCC直接數字控制系統(tǒng)，實現(xiàn)復雜系統(tǒng)的控制。另外，還可通過上位機PC和下位機PC組建監(jiān)控系統(tǒng)，達到對工業(yè)現(xiàn)場實時監(jiān)控的目的。其中關鍵技術為PC機和PC之間的通訊。本文首先介紹PC機與PLC的通訊種類和機制，然后就采用高級語言VB和組態(tài)軟件MCGS，對完成以上二者通訊。 PC機和PLC有兩種通訊方式，一種是PC機作主動者，即主局，PLC為從動者，即子局。另一種是PLC為主局，而PC機為子局。無論工作在哪種方

4、式，數據一般都采用串行方式來傳輸，即可通過RS232、RE422或RS485電纜線來進行信息傳遞。 在進行通訊時，首先將PC機和PLC傳遞信息的波特率設置一致。另外還要對奇偶校驗位、傳輸數據位數和停止位進行設置。在PC機和PLC進行通訊時，要使用命令幀和響應幀的形式來進行信息傳遞。 每次通信送出的一組數據稱作“幀”。幀可以從持有發(fā)送權的一方傳出。每送出一幀，上位機或PLC就將發(fā)送權交給另一方。當接收方收到終端（命令或響應的終字符）或分界符（分割幀的字符）信息后，就將發(fā)送權轉到另一方。 1.2 PLC特點 PLC是面向用戶的專用工業(yè)控制計算機，具有許多明顯的特點。1. 可靠性高，抗干擾能力強 為

5、了限制故障的發(fā)生或者在發(fā)生故障時，能很快查出故障發(fā)生點，并將故障限制在局部，采取了多種措施，使PC除了本身具有較強的自診斷能力，能及時給出出錯信息，停止運行等待修復外，還使PC具有了很強的抗干擾能力。2. 通用性強，控制程序可變，使用方便PLC品種齊全的各種硬件裝置，可以組成能滿足各種要求的控制系統(tǒng)，用戶不必自己再設計和制作硬件裝置。用戶在硬件確定以后，在生產工藝流程改變或生產設備更新的情況下，不必改變PLC的硬設備，只需改編程序就可以滿足要求。因此，PLC除應用于單機控制外，在工廠自動化中也被大量采用。3. 功能強，適應面廣現(xiàn)代PLC不僅有邏輯運算、計時、計數、順序控制等功能，還具有數字和模

6、擬量的輸入輸出、功率驅動、通信、人機對話、自檢、記錄顯示等功能。既可控制一臺生產機械、一條生產線，又可控制一個生產過程。4. 編程簡單，容易掌握目前，大多數PLC仍采用繼電控制形式的“梯形圖編程方式”。既繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀，又考慮到大多數工廠企業(yè)電氣技術人員的讀圖習慣及編程水平，所以非常容易接受和掌握。PLC在執(zhí)行梯形圖程序時，用解釋程序將它翻譯成匯編語言然后執(zhí)行（PLC內部增加了解釋程序）。與直接執(zhí)行匯編語言編寫的用戶程序相比，執(zhí)行梯形圖程序的時間要長一些，但對于大多數機電控制設備來說，是微不足道的，完全可以滿足控制要求。5. 減少了控制系統(tǒng)的設計及施工的工作量由于PLC采用了軟件

7、來取代繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數器等器件，控制柜的設計安裝接線工作量大為減少。同時，PLC的用戶程序可以在實驗室模擬調試，更減少了現(xiàn)場的調試工作量。并且，由于PLC的低故障率及很強的監(jiān)視功能，模塊化等等，使維修也極為方便。6. 體積小、重量輕、功耗低、維護方便PLC是將微電子技術應用于工業(yè)設備的產品，其結構緊湊，堅固，體積小，重量輕，功耗低。并且由于PLC的強抗干擾能力，易于裝入設備內部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。第2章 VFO變頻器介紹2.1 松下變頻器VF0系列簡介小巧，操作簡單，可由PLC直接調節(jié)頻率松下變頻器VFO系列特點：1.小巧：為了滿足各類機器小型化

8、的需要，實現(xiàn)了同類產品中最小型化；2.操作簡單：采用了新設計的調頻電位器，使調頻操作簡單輕松；而且用操作盤就可容易地操作正轉/反轉；3.可由PLC直接調節(jié)頻率：可直接接收PLC的PWM信號并可控制電動機頻率；同時可與PLC(FP0等)配套使用，無需模擬I/O單元； 4.功能齊全的小型產品：8段速控制制動功能；再試功能；根據外部SW調整頻率增減和記憶功能；再生制動功能的充實；400V系列型:內置制動電路；200V系列型:內置0.4-1.5kW電阻；0.2kW電路沒有制動電阻；0.4kW是外部設置的同包裝電阻。2.2 設定變頻器模式在模式設置中通過改變P08和P09改變控制方式為面板控制和面板外控

9、。當設置為面板控制設置fr控制其輸出頻率，設置dr控制其旋轉方向。當設置為面板外控時，輸出頻率和旋轉方向有外界信號控制。在這次實驗中將P08的值改為4，則端子5控制運行和停止，端子6控制旋轉方向。將P09的值改為3，端子2、3接受05v電壓信號控制輸出頻率。1.將P08的值改為4 把運行指令設為面板外控，操作板有復位功能，接線如圖2.1。圖2.12.將P09的值設為 把頻率設定信號改為外控，設定信號為05v電壓信號，改變電壓大小改變其輸出頻率大小。接線端子為NO.2、3（2：+，3：）。2.3 變頻器的控制方式低壓通用變頻輸出電壓為380650V，輸出功率為0.75400kW，工作頻率為040

10、0Hz，它的主電路都采用交直交電路。其控制方式經歷了以下四代。 U/f=C的正弦脈寬調制（SPWM）控制方式 其特點是控制電路結構簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，已在產業(yè)的各個領域得到廣泛應用。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態(tài)轉矩能力和靜態(tài)調速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。 電壓空間矢量（SVPWM）控制方式 它是以三相

11、波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成三相調制波形，以內切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經實踐使用后又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉矩的調節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。 矢量控制（VC）方式 矢量控制變頻調速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1、It1（

12、Im1相當于直流電動機的勵磁電流；It1相當于與轉矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐標變換，實現(xiàn)正交或解耦控制。然而在實際應用中，由于轉子磁鏈難以準確觀測，系統(tǒng)特性受電動機參數的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。 直接轉矩控制（DTC）方式直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型，控制電

13、動機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數學模型。 矩陣式交交控制方式 由于矩陣式交交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現(xiàn)功率因數為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學者深入研究。其實質不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉矩直接作為被控制量來實現(xiàn)的。具體方法是： 控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器，實現(xiàn)無速度傳感器方式； 自動識別（ID）依靠精確的電機數學模型，對電機參數自動識別； 算出實際值

14、對應定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實際的轉矩、定子磁鏈、轉子速度進行實時控制； 實現(xiàn)BandBand控制按磁鏈和轉矩的BandBand控制產生PWM信號，對逆變器開關狀態(tài)進行控制。2.4 歐姆龍CP1H的特點及功能簡介 歐姆龍CP1H功能簡介歐姆龍 CP1H小型高功能PLC ，有如下特點： 1.基本性能處理速度：基本指令0.1s；特殊指令0.3s； I/O容量： 最多7個擴展單元，開關量最大320點，模擬量最大37路程序容量：20K步； 數據容量：32K字 ； 機型類別：本體40點，24點輸入，16點輸出，繼電器輸出或晶體管輸出可選； 2.特殊功能 4軸脈沖輸出：100kHz×

15、;2和30 kHz×2（X型和XA型），最大1MHz（Y型）； 4軸高速計數：單向100kHz或相位差50 kHz×4（X型和XA型），最大1MHz（Y型）； 內置模擬量： 4輸入，2輸出（XA型）； 3.通信功能 通信接口：最大2個串行通信口（RS-232A或RS-422/485任選）；本體附帶一個USB編程端口； 通信功能：上位鏈接、無協(xié)議通信、NT鏈接（1:N）、串行網關功能、串行PLC鏈接功能、 Modbus-RTU簡易主站； 4.其他功能 4-1模擬量輸入手動設定； 2位7段碼發(fā)光二極管顯示故障信息； 支持歐姆龍中型機CJ1系列高功能模塊（最大2塊）； 支持FB/

16、ST編程，可以利用歐姆龍的Smart FB庫，與CJ1/CS1系列程序統(tǒng)一，可以互換。 歐姆龍功能簡介1.中斷功能 CP1H的CPU單元，通常周期性重復（公共處理運算處理掃描處理I/O刷新外設端口服務）的處理，運算處理中執(zhí)行周期執(zhí)行任務。與此不同，根據特定要求的發(fā)生，可以在該周期的中途中斷，使其執(zhí)行特定的程序。中斷功能種類如下：（1）輸入中斷（直接模式）（2）輸入中斷（計時器模式）（3）定時中（4）高速計數器中斷（5）外部中斷2.模擬輸入/輸出功能XA型的CP1HCPU單元內置模擬輸入4點及模擬輸出2點。分辨率分為1/6000或1/12000兩種。輸入輸出分別刻選擇：05V、15V、010V、

17、10V10V、020A、420A等5種方式。3.串行通信功能CP1H CPU單元支持串行通信功能有串行網關、串行PLC鏈接、NT鏈接1：N、上位鏈接、工具總線等。2.5 變頻器接線 主回路接線圖2.2 變頻器電源接線 控制回路接線PLC模擬量信號輸出端接入變頻器2，3端子?？刂破漭敵鲱l率。PLC輸出地址100.00接端子5，對應的地址COM接端子3。控制其運行與停止。PLC輸出地址100.01接端子6，對應的地址COM接端子3?？刂破湫D方向。圖2.3 變頻器控制端接線 接線注意事項1.將電源連接到輸入電子（L,N）上，電動機連接到輸出端子（U,V,W）上。2.電源和電動機的端子請使用帶套筒的

18、圓形壓緊式端子。3主電路接線后，一定要確認連接的是否牢固，否則一旦控制電路接線后會因電線的進出受到限制而不能重新擰緊主電路。4.以最短方式連接到大容量電源變壓器時（500KVA以上），在變頻器的輸入端一定要設置改善功率因數的扼流圈（可選件）。5.為了適應CE標記的要求，變頻器的電源輸入端必須設置過電流、短路以及漏電的保護設備。第3章 電機介紹3.1 電機的規(guī)格指標參數變頻器在使用過程中帶動的是電機，所以，變頻器的選型可以從電機的角度來選擇型號、規(guī)格。那首先，我們就必須先了解電機的各項規(guī)格指標參數。 每臺電機都有它自己出廠的銘牌，從銘牌上，我們不難找到電機的各項參數。這些參數中，我們需要了解的主

19、要參數有：電機的額定電壓、額定電流、額定頻率、額定轉速等。 電機的額定電壓：電機的額定電壓一般有110V、220V、380V、690V、1140V、6kV等。 電機的額定電流：電機的額定電流根據電機的功率不同而不同。選擇變頻器時，變頻器的額定電流應大于或等于電機的額定電流，特殊情況應將變頻器功率檔次放大一檔。 電機的額定頻率：普通電機的額定頻率一般是5060Hz，高速電機有10003000Hz等。CH_100系列可滿足0600Hz電機的需要，如需更高頻率，請選用CH_150系列變頻器。 電機的額定轉速：電機有分為2極、4極、6極、8極等，極數越高，轉速越低，同功率電流也越大。我們一般用的電機的

20、額定轉速是1500 rpm對應4極電機。變頻器也是根據4極電機來設計的。2極對應3000 rpm、6極對應960 rpm、8極對應720 rpm左右。3.2 電動機的工作原理當導體在磁場內切割磁力線時，在導體內產生感應電流，“感應電機”的名稱由此而來。感應電流和磁場的聯(lián)合作用向電機轉子施加驅動力。 三組繞組問彼此相差120度，每一組繞組都由三相交流電源中的一相供電。電動機使用了電流的磁效應原理，發(fā)現(xiàn)這一原理的的是丹麥物理學家奧斯特。3.3 電動機的接線在接線完成后。通如電源，若發(fā)現(xiàn)未控制電機反轉，而旋轉方向反轉，則斷開電源可以通過任意對調電動機的兩根相線來改變其旋轉方向。圖3.1 電機旋轉方向

21、3.4 PLC、變頻器、電機三者的運行關系用PLC編寫程序。將程序輸出信號取出，接到變頻器外控端子，控制變頻器的輸出信號。變頻器接到控制信號后控制電機的運行、停止、反轉、正轉以及電機的轉速。第4章 PLC變頻調速系統(tǒng)的設計與調試4.1 系統(tǒng)設計程序程序如下：LD 0.00OR W200.00ANDNOT W200.01OUT W200.00LD W200.00ANDNOT C0000ANDNOT W200.02TIM 0000 #10LD T0000OUT W200.02+(400) #100 210 210LD T0000LD 0.01OR 0.02OR 0.03OUT TR0CNT 000

22、0 #20LD TR0MOV(021) #0 210LD 0.02ANDNOT 100.00LDNOT 0.02AND 100.00ORLDANDNOT W200.01OUT 100.00LD 0.03ANDNOT 100.01LDNOT 0.03AND 100.01ORLDANDNOT W200.01OUT 100.01LD 0.01OUT W200.01MOV(021) #0 2104.2 接線圖圖4.1 總電路的接線圖4.3 程序調試1.把程序編好了，在“PLC“選項里選擇“傳送”，然后在選擇“到PLC”這個功能，其中“設置“中選擇內建”AD/DA“如圖4.1所示，范圍選擇05V。圖4.12.按下變頻器RUN變頻器開始工作。3.按下0.00，PLC程序開始工作，頻率開始由0Hz開始變化，每隔一秒加速一次，加速二十次后頻率為44Hz停止加速。4.按下0.02，Q100.00得電，給變頻器5端輸入高電頻，變頻器給電機輸入電源。5.按下0.03，Q100.01得電，給變頻器6端輸入高電頻，變頻器給控制電