《基于PLC的PWM變頻調速系統設計》8400字

I1引言1.1變頻調速的背景及發(fā)展方向有效利用能源在我國十分緊迫。作為主要的能源消耗者之一，電機具有巨大的節(jié)能潛力。中國80%以上的各類電機為0.55-220KW。使用中的電動系統的整體設備水平僅相當于發(fā)達國家50代的水平。因此，從“十五”開始，國家將加大對電機系統節(jié)能的投入，變頻調速系統在中國將有巨大的市場需求。多年來，國家經貿委與國家有關部門共同致力于變頻器技術的開發(fā)、推廣和應用。重點支持技術開發(fā)和技術改造，組織開展變頻調速技術評估推薦，將變頻調速技術推廣應用作為風機、水泵專項節(jié)能技術改造的重點投資方向。同時，鼓勵各單位實行同樣的貸款和還款模式，注重開發(fā)、示范項目。我們還辦理了風機和水泵節(jié)能中心，并開展了信息咨詢和培訓。1995年至1997年三年間，中國投資3.5億元對風機、水泵變頻調速進行技術改造，總容量100萬千瓦，年節(jié)電7億千瓦時，平均投資回收期約2年。根據相關數據，變頻調速技術在中國的應用取得了相當大的成就，每年的銷售額達數十億元，表明變頻器在中國得到了廣泛的應用。從簡單的手動控制到基于RS-485網絡的多機控制，它與計算機和PLC聯網，形成一個復雜的控制系統。在大型綜合自動化系統中，先進的控制和優(yōu)化技術、大型成套專用系統，如連鑄連軋生產線、高速造紙生產線、光纜生產線、化纖生產線、建材生產線等。，變頻器的功能是電氣傳動控制。其控制復雜度、控制精度和動態(tài)響應都有很高的要求，完全取代了直流調速技術。近年來，變頻器在功能上運用先進的控制理論，開發(fā)了卷取、提升、主從等控制功能，使應用系統的組成更加方便、簡單，將變頻器的應用技術提高到了一個新的水平。目前變頻調速技術主要發(fā)展方向為：[6]（1）高水平控制矢量控制、磁場控制、轉矩控制、模糊控制等高水平的控制技術已經應用在交流變頻調速中。（2）開發(fā)清潔節(jié)能的變頻器隨著變頻技術的不斷發(fā)展和人們對環(huán)境問題的關注，減少變頻器對環(huán)境的影響是大勢所趨。盡可能減少網側和負荷的諧波成分，減少對電網的污染和電機轉矩的波動，實現清潔電能的轉變。（3）結構小型化緊湊型變頻調速系統要求功率和控制元件高度集成。主電路中電源電路的模塊化控制電路采用大規(guī)模集成電路和全數字控制技術，促進了變頻器結構的小型化。（4）高集成化提高集成電路技術及采用表面貼片技術，使裝置的容量體積比得到進一步提高1.2變頻調速的現實意義在電力拖動領域，廣泛推廣變頻調速具有十分重要的現實意義：能夠大大提高生產設備的工藝水平、加工精度和工作效率，從而提高產品的質量。(2)能夠大大減小生產機械的體積和質量，減少金屬耗用量。(3)對風機和水泵類負載，采用變頻調速技術，可顯著地節(jié)約電能。變頻調速技術在國民經濟和日常生活中起著非常重要的作用。變頻調速技術使頻率成為一種充足的資源。近年來，變頻調速技術發(fā)展迅速，取得了明顯的社會效益和經濟效益[6]。1.3畢業(yè)設計的主要內容本次畢業(yè)設計采用德國西門子314c-2dpPLC作為系統控制器，對電機的轉速進行控制，采用渦流測功機顯示電機的實際轉速、轉矩和功率，并能手動改變電機的負載轉矩。變頻器的頻率從0到100Hz不等。為保證設計安全，變頻器的最大頻率人為設定為50Hz。同樣，電機的最大轉速控制在1450rpm（額定轉速為1500rpm）。變頻調速控制系統主要分為兩種控制方式：動態(tài)控制和自動控制。在這里，我主要使用jog固定頻率控制作為手動控制方法，并使用控制面板上的控制開關組合變頻。然后利用電位器控制模擬信號進行變頻，作為一種自動控制方法，通過速度反饋提高變頻效率。最后，對兩種方案進行了比較分析。實驗設計的硬件接線圖如下：2西門子可編程控制器S7-3002.1PLC介紹2.1.1PLC的工作原理及工作過程可編程邏輯控制器是隨著計算機技術、通信技術、微電子技術和繼電控制技術的進步而發(fā)展起來的技術。目前，PLC已廣泛應用于機械制造、冶金、化工、電力、交通、礦山、建材、輕工、環(huán)保、食品等行業(yè)。國際電工委員會（IEC）將PLC定義為：可編程控制器是一種數字操作的電子系統，旨在應用于工業(yè)環(huán)境。它采用可編程存儲器，用于存儲和執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算的指令，并通過數字和模擬輸入輸出控制各種類型的機械或生產過程?？删幊炭刂破骷捌湎嚓P設備的設計應遵循易于與工業(yè)控制系統集成、易于擴展其功能的原則。[1]PLC的工作過程如下：1.初始化過程：(1）硬件初始化，復位輸出輸入模塊，清零。(2）清除數據區(qū)。(3）輸出輸入地址分配。2.掃描過程(1）掃描輸入，將輸入口狀態(tài)讀入至輸入口映像區(qū)。(2）時鐘處理，特殊寄存器更新。(3）執(zhí)行用戶程序。(4）輸出，將輸出口映像區(qū)輸出至輸出端口刷新。(5）自診斷檢查3.出錯處理檢查PLC內部電路，CPU、電池電壓、程序存儲器、I/O、通訊異常，當出現致命錯誤，CPU強制為STOP方式，所有掃描停止。4.PLC運行流程如下：[1]電源ON電源ON內部處理 內部處理輸入處理（輸入傳送，遠程I/O）輸入處理（輸入傳送，遠程I/O）通信服務（外設，CPU，總線服務）通信服務（外設，CPU，總線服務）更新時鐘，特殊寄存器更新時鐘，特殊寄存器CPU運行方式？STOPCPU運行方式？執(zhí)行程序RUN執(zhí)行程序輸出處理輸出處理執(zhí)行自診斷執(zhí)行自診斷PLC正常否？NPLC正常否？存放自診斷錯誤結果存放自診斷錯誤結果是致命錯誤嗎？N是致命錯誤嗎？YCPU強制為STOPCPU強制為STOPPLC運行框圖2.1.2PLC的優(yōu)點（1）可靠性高，抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC采用現代大規(guī)模集成電路技術和嚴格的生產工藝。內部電路采用先進的抗干擾技術，可靠性高。例如，三菱公司生產的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC平均無故障時間較長。從PLC的外部電路來看，采用PLC構成控制系統，與同等規(guī)模的繼電器-接觸器系統相比，電氣接線和開關觸點減少了數百甚至數千倍，故障大大減少。此外，PLC還具有硬件故障自檢測功能，在發(fā)生故障時能及時發(fā)出報警信息。在應用軟件中，用戶還可以編寫外圍設備的故障自診斷程序，使系統中除PLC以外的電路和設備也能得到故障自診斷保護。這樣，整個系統的可靠性就不足為奇了。（2）配套齊全，功能完善，適用性強在PLC發(fā)展的今天，已經形成了一系列大、中、小型產品?？捎糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能外，大多數現代PLC還具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。近年來，大量PLC功能單元的出現，使PLC滲透到位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。隨著PLC通信能力的增強和人機接口技術的發(fā)展，利用PLC構成各種控制系統變得非常容易。（3）易學易用，深受工程技術人員歡迎PLC作為一種通用工業(yè)控制計算機，是工礦企業(yè)的工業(yè)控制設備。其接口容量圖十分接近，僅需少量PLC的開關量邏輯控制指令即可輕松實現繼電器電路的功能。從事電子電路的人，不熟悉電子組裝原理的人，都會用它來控制工業(yè)電路。（4）系統的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造PLC采用存儲邏輯代替布線邏輯，大大減少了控制設備的外部布線，大大縮短了控制系統的設計和施工周期，同時也使維護更加方便。更重要的是，同樣的設備可以通過改變程序來改變生產過程。這非常適合多品種和小批量生產場合。（5）體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，新生產的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅為幾瓦。由于體積小，很容易安裝到機器上。是實現機電一體化的理想控制設備。2.1.3PLC的應用領域目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。[7]（1）開關量的邏輯控制這是PLC最基本、最廣泛的應用領域。它取代了傳統的繼電器電路，實現了邏輯控制和順序控制。它不僅可以用于單臺設備的控制，還可以用于多臺機組的控制和自動裝配線。如注塑機、印刷機、裝訂機、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。（2）模擬量控制在工業(yè)生產過程中，許多不斷變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度，都是模擬量。為了使可編程控制器能夠處理模擬量，必須實現模擬量和數字量之間的A/D轉換和D/A轉換。PLC制造商生產支持a/D和D/a轉換模塊，因此可編程控制器可用于模擬控制。（3）運動控制PLC可用于控制圓周運動或直線運動。在控制機構配置方面，早期直接用于開關量I/O模塊，連接位置傳感器和執(zhí)行器。現在，人們普遍使用特殊的運動控制模塊。例如，可以驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界主要PLC制造商的產品幾乎都具有運動控制功能，廣泛應用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。（4）過程控制過程控制指溫度、壓力和流量等模擬量的閉環(huán)控制。PLC作為工業(yè)控制計算機，可以編寫各種控制算法程序來完成閉環(huán)控制。PID調節(jié)是一種廣泛應用于一般閉環(huán)控制系統的調節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊。目前，許多小型PLC也有這個功能模塊。PID處理一般是運行一個特殊的PID子程序。過程控制廣泛應用于冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合。（5）數據處理現代PLC具有數學運算（包括矩陣運算、函數運算和邏輯運算）、數據傳輸、數據轉換、排序、查表、位運算等功能。它可以完成數據的收集、分析和處理。這些數據可以與存儲在存儲器中的參考值進行比較，以完成某些控制操作。它們也可以通過使用通信功能傳輸到其他智能設備，或者可以打印和制表。數據處理通常用于大型控制系統，如非受控柔性制造系統；它也可用于過程控制系統，如造紙、冶金和食品工業(yè)中的一些大型控制系統。（6）通信及聯網PLC通信包括PLC之間的通信以及PLC與其他智能設備之間的通信。隨著計算機控制技術的發(fā)展，工廠自動化網絡得到了迅速發(fā)展。各PLC廠商都非常重視PLC的通訊功能，紛紛推出自己的網絡系統。新生產的PLC具有通訊接口，通訊非常方便。2.2西門子S7-300介紹本次畢業(yè)設計采用的的是西門子S7-300系列的314C-2DPCPU。介紹將以此CPU為例。2.2.1電源模塊PS307電源模塊（5A）（6ES7307-1EAOO-OAAO）特性：（1）輸出電流為5A（2）輸出電壓為24VDC；防短路和開路保護（3）連接單相交流系統（輸入電壓120/230VAC，50/60Hz）（4）可靠的隔離特性，符合EN60950（5）可用作負載電源接線圖2.2.2數字量模擬量輸入輸出模板數字量/模擬量輸入/輸出缺省：地址備注24個數字量輸入124.0—126.7其中16個輸入用于技術功能：124.0—125.7所有數字輸入都可以作為中斷輸入編程任選技術功能：計數頻率測量脈沖寬度調制定位16個數字量輸出124.0—125.7其中4個輸入用于技術功能：124.0—124.34+1個模擬量輸入752—7612個模擬量輸出752—7553系統設計3.1系統分析3.1.1變頻調速原理介紹由于異步電動機的同步轉速n與電源頻率f、轉速差s和電極級對數p成如下物理關系：n＝60f(1－s)/p式中n———異步電動機的轉速；f———異步電動機的頻率；s———電動機轉差率；p———電動機極對數。從上面的公式可以看出，速度n與頻率f成正比。只要頻率f改變，電機的速度就可以改變。當頻率f在0~50Hz范圍內變化時，電機的調速范圍很寬，為變頻調速。變頻器通過改變電機的工頻來實現調速。3.1.2實驗設計原理分析實驗設計原理圖如下：負載M變頻器PLC設定轉速+負載M變頻器PLC-測量變送n測量變送n本次畢業(yè)設計首先利用控制面板上的按鍵組合將液位信號發(fā)送給PLC，然后由PLC控制變頻器選擇jog的三級固定頻率。具體三級固定頻率為20Hz、30Hz和40Hz，經過一段時間后，采用自動控制方式進行變頻：PLC作為系統的CPU（執(zhí)行器），通過電位器的電壓（模擬量）輸入PLC的值作為電機的設定轉速，通過PLC的輸出電壓（模擬量）控制變頻器（執(zhí)行器）的輸出頻率，控制三相異步鼠籠式電動機（被控對象）的電機轉速。通過改變渦流測功機來改變電機的負載轉矩，從而改變電機的實際轉速（增加或減少）。該系統通過渦流測功機測量電機的實際速度，并將其轉換為電壓信號（反饋）至PLC。PLC將設定轉速與實際轉速進行比較，并改變輸出電壓，從而控制變頻器的輸出頻率，電機的實際轉速也會隨之改變（降低或升高），最終達到系統設定的轉速值?？梢钥闯?，自動控制方案是一個帶反饋的閉環(huán)控制系統。3.2硬件設計畢業(yè)設計的硬件的一些基本情況：PLC:西門子S7-300系列的314C-2DPCPU，設計中使用了2個數字量輸入，1個數字量輸出，2個模擬量輸入，一個模擬量輸出。變頻器：PWM矢量變頻器采用1/N/PE電源連接方式。主電源額定電流9.0a，輸出功率（U、V、w）1.6kva，額定輸出功率0.75KW，額定輸出電流4.8A。③電機：西門子三相鼠籠式異步電動機，型號DSO100K4，額定轉速1500rpm，額定電壓230V/400V，額定電流4.8A/2.8A，額定功率1KW。本次畢業(yè)設計的電機采用△接法。系統硬件接線圖（1）強電部分：本次畢業(yè)設計實驗采用220V單相交流電作為系統的輸入電源。對于PLC，依次連接PLC的電源模塊L1、N和PE。變頻器的反面也采用220V單相交流電源作為輸入電源。變頻器的具體電源接線圖如下：端子排上的+UG、-UG、L3/N三個端子不接電源線。其它三個端子接線為：L1接電源火線，L2/N接零線，PE為接地端。（2）弱點部分：主要為PLC數字量、模擬量的輸入輸出，以及直流電源和接地線（分數字地和模擬地）。具體接線如下：（1）數字輸入：①I124.1———電機啟動，接至控制面板上的SB1按鈕；②I124.2———電機停止，接至控制面板上的SB2按鈕；③I124.3———JOG選頻按鈕，接至控制面板上的SB3按鈕；④I124.4———JOG選頻按鈕，接至控制面板上的SB4按鈕；（2）數字輸出：①Q124.1———JOG頻率控制，接至變頻器端子面板X3/E1端子上；②Q124.2———JOG頻率控制，接至變頻器端子面板X3/E2端子上；③Q124.3———變頻器起啟動/停止，接至變頻器端子面板X3/28端子上；（3）模擬量輸入：①PIW752———設定轉速（電壓）輸入端，接至點位器；②PIW754———反饋轉速（電壓）輸入端，接至電機負載轉矩控制器的電壓信號接口；（4）模擬量輸出：①PQW754———用于控制變頻器的輸出頻率的電壓信號，接至變頻器端子面板上X1/1U端子上；（5）直流電源：①電位器的電源取至于變頻器的5V直流電源，接至變頻器端子面板上X3/9端子上；②PLC上兩個數字量輸入輸出點24V直流電源接至PLC電源模塊的24V端子上；（6）接地線：①數字地：PLC上四個數字量輸入輸出公共端接至PLC電源模塊的接地端，再接至變頻器的X3/7端子上；②模擬地：個模擬量輸入輸出的接地端子都接至變頻器的另一個X3/7端子上（注意兩個X3/7接地要分開）；（7）變頻器的跳線器：由于本次畢業(yè)設計采用0-5V直流電源作為變頻器的電壓輸入控制信號，同時使用的是X3/1U端子，所以跳線器A(7-9)取下，跳線器B（8-10）連接。3.3軟件設計3.3.1創(chuàng)建項目創(chuàng)建項目時，雙擊桌面上的STEP7圖標，進入SIMATIC窗口并彈出標題為“STEP7Wizart”：“NewProject”的小窗口。點擊[NEXT]按鈕，在新項目中選擇CPU模塊的型號為CPU314-2DP。點擊[NEXT]按鈕，選擇需要生成的邏輯塊。這里選0B1作為主程序的組織塊。點擊[NEXT]按鈕，輸入項目的名稱“Elevatorcontrol3”。點擊[FINISH]按鈕，關閉窗口。單擊菜單欄中的菜單項目的名稱，在下拉菜單中選“Open”命令，會彈出標題為“OpenProject”，的小窗口。在“UserProjects”下選“Elevatorcontrol3”，單擊[OK]按忸生成項目，如下圖：3.3.2系統硬件組態(tài)硬件組態(tài)的任務就是在STEP7中成一個與實際的硬件系統完全相同的硬件系統。硬件組態(tài)的步驟：①雙擊“Hardware”圖標，進入硬件組態(tài)窗口；②生成機架，在機架中放置電源、CPU、數量輸入輸出模塊及模擬量輸入輸出模塊：③雙擊模塊，在打開的對話框中設置模塊的參數，包括模塊的屬性和DP主站和從站的參數，最后組態(tài)完成的完整機架如圖：④保存硬件設置。3.3.3系統控制設計本次實驗系統設計設計的控制部分僅為兩個開關量（啟動和停止），根據硬件設計部分的數字量地址分配情況，在0B1下編寫以下程序：3.3.4JOG固定頻率選擇3.3.5數據處理設計為了整個程序文件的更加直觀明了，創(chuàng)建一個FC1功能塊：（1）實驗設計最開始是通過電位器給PLC輸入電壓信號（模擬量、0-5V直流電源）作為電機的轉速設定值，PLC采集電壓信號后，需要轉變成數字量。同時，為了使此電壓信號轉變?yōu)檎嬲脑O定轉速，必須建立一個電壓信號與設定轉速的轉換關系，具體關系如下:模擬量信號（V）模擬值（16進制）對應的10進制值對應的轉速值（10進制）PIW75201016≈0rpm53620138561500rpm倍率為：13856÷1500=9.23733333讀取電壓信號：數據先轉化為雙整型，再轉化為實數最后建立電壓信號與設定轉速的轉換關系：程序中MD20即實際的設定轉速。（2）然后是反饋電壓信號的采集，渦流測功機會把轉數以1000rpm等價于1V的直流電壓信號輸入給PLC。同樣，PLC需要將此反饋的模擬電壓信號轉化為數字量，再經過一個電壓信號與實際轉速的變比關系把電壓信號轉化為實際的反饋轉速。關系如下：模擬量信號（V）模擬值（16進制）對應的10進制值對應的轉速值（10進制）PIW7541.3（計算所得）E8037121331rpm倍率為：3712÷1331=2.800900（3）然后是比較操作。設定速度（MD20）和反饋實際速度（md34）之間的比較計算。設定速度-反饋的實際速度=Δn1（MD38），Δn1÷5=Δn（MD42）。再次將Δn添加到設定速度，并在計算后獲得新的輸出速度（md46）。該輸出速度將覆蓋原始電機速度，作為電機的實際速度。（4）在運算過程中，可能運算后的輸出轉速超過電機的額定轉速（1450rpm），為此設計一個轉速上限值防止電機超速運行。（5）最后需要將運算后的輸出轉速通過一個變比關系轉化為電壓信號（模擬值）輸送給變頻器，作為變頻器頻率的控制信號。變比關系的倍率也是9.23733333。3.4分析比較通過觀察變頻器控制面板上的頻率、渦流測功機面板上的顯示以及電機轉速的變化，比較變頻調速兩種設計方案，可以知道：：①在空載情況下，與自動控制相比，手動控制可以快速準確地達到設定速度，但可調頻率范圍有限，即一些“頻率點”（如20Hz、30Hz和40Hz），而自動控制是頻率范圍。②當有負載（負載扭矩不是0）時，與手動控制相比，自動控制可以快速準確地達到設定速度。主要原因是在反饋作用下，PLC可以計算頻率差，控制和改變變頻器的輸出頻率。手動控制無法反映電機負載，因此電機轉速無法準確達到設定轉速。4系統的調試4.1硬件調試在220V交流電源未通電的前提下，用萬用表檢查各跳閘線是否完全正確，各接地線是否未連接。完成后，用電線連接變頻器和電機，電機的輸入為△連接方法。將PC/MPI編程電纜的一段連接到計算機的USB端口，另一端連接到PLC。打開“SIMATICmanager”，在菜單欄的選項中設置pg/PC界面，彈出如下對話框：在“為使用的接口分配參數”中選擇“PCAdapter（MPI）”，并查看其屬性，具體設置如下：并在“本地連接”中選擇連接到“USB”。選擇工程項目，再點擊工具欄中的“”下載按紐，進行程序的下載。待程序下載完成后，即可通電，將PLC的開關由“STOP”打至“RUN”,運行程序。按下SB1，滑動電位器，選擇任意一個電位，系統運行。觀察渦流測功機的轉速和轉矩顯示表。4.2軟件模擬監(jiān)控在系統運行的前提，點擊工具欄中的“”按紐，進行軟件的模擬監(jiān)控。會出現如下所示（某一瞬間的截圖）：控制程序：設定轉速（1373.56rpm）：實際轉速（1319.58rpm）：實際轉速（測量）為（1322rpm）：運算后輸出的轉速為（1384.35rpm）：為了監(jiān)控實驗的轉速誤差精度，設計以下程序段：由監(jiān)控可知，此時的轉速誤差為53.9808rpm,誤差精度為3.93個百分點。至此PLC變頻調速控制系統完成。5總結畢業(yè)設計已進入最后階段?；仡欉^去的三個月，我遇到了很多困難。通過自己的努力，在導師的幫助下，我基本達到了任務設定的目的，解決了課題中的大部分問題，最終取得了畢業(yè)設計的成果?？傊?，陽光總是在風雨之后。本次畢業(yè)設計的變頻調速控制系統的設計任務基本