基于PLC與變頻器的交流電機調速控制硬件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

基于PLC與變頻器的交流電機調速控制硬件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)完成日期：指導教師簽字：辯論小組成員簽字：摘要可編程控制器〔PLC〕是一種數(shù)字運算與操作的控制裝置。PLC作為傳統(tǒng)繼電器的替代產(chǎn)品，廣泛應用于工業(yè)控制的各個領域。由于PLC可以用軟件來改變控制過程，并有體積小，組裝靈活，編程簡單，抗干擾能力強及可靠性高等特點，特別適用于惡劣環(huán)境下運行。隨著電力電子技術以及控制技術的開展，交流變頻調速在工業(yè)電機拖動領域得到了廣泛應用；本文介紹了基于PLC的變頻器調速系統(tǒng)。將現(xiàn)在應用最廣泛的PLC和變頻器綜合起來主要功能實現(xiàn)了變頻調速。首先通過設置給定輸入給PLC，再通過PLC控制變頻器，再經(jīng)由變頻器來控制異步電機，控制運算主要由PLC和變頻器來完成，執(zhí)行元件為變頻器和異步電機。關鍵詞：電力電子；變頻器；變頻調速；交流電機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目錄TOC\h\z\t"標題1,1,標題2,2,標題3,3,標題,1"1概述12系統(tǒng)設計總體方案與功能分析12.1設計總體方案12.2系統(tǒng)功能23PLC和變頻器的型號選擇33.1PLC的選擇33.2變頻器的選擇54硬件設計64.1變頻器接線6變頻器主電路接線6控制端子接線74.2變頻器的操作及參數(shù)設置9變頻器的操作說明9變頻器的參數(shù)設置104.3PLC的硬件接線114.4PLC與變頻器的連接124.5調速控制總電路135安裝調試146總結14參考文獻15致謝16附錄171概述PLC就是可編程控制器〔ProgrammablelogicController〕，國際電工委員會〔InternationalElectricalCommittee〕在1987年發(fā)布的PLC標準草案中對PLC做了這樣的定義：一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)就是可編程控制器，主要是在工業(yè)環(huán)境下應用。PLC是在電氣控制技術和計算機技術的根底上開發(fā)形成的，它以微處理器為核心，融入了自動化及計算機技術。PLC在世界范圍內已廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)，交通運輸，生活娛樂等。PLC在工業(yè)中應用廣泛，它的工作方式以及使用方便快捷。在硬件方面，接口比擬容易，方便連接。此外，它還可以有很多實用功能，比方，它可以編入外圍器件的故障自診斷程序，可以讓系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設備也可以獲得故障自診斷保護，并且也已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用；在軟件方面，PLC的梯形圖程序一般采用順序控制設計法。這種編程方法規(guī)律性強，容易掌握編程語言容易學習，較為簡單，并且梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近。變頻器是應用電力電子技術與變頻技術和自動控制技術，通過改變三相異步電機工作電源頻率來控制交流電動機轉速的電力控制設備。變頻調速已被公認為是最理想、最有開展前景的調速方式之一[1]。采用變頻器調速有以下優(yōu)點提高了設備的自動化程度也提高了生產(chǎn)速度，可以最大的節(jié)約能源、降低生產(chǎn)本錢。PLC和變頻器被廣泛的應用在電力、冶金、礦物開采、化工、交通控制、機械加工和食品加工等諸多領域。本次課題將對S7-200PLC與臺達變頻器對交流電機調速控制系統(tǒng)進行研究。本文所研究的交流電機調速系統(tǒng)采用PLC來控制變頻器調速。充分發(fā)揮可編程控制器的高可靠性、靈活性、通用性、擴展性等優(yōu)點。通過PLC的開關量輸入輸出模塊控制變頻器的多功能輸入端，從而改變三相異步電機工作電源頻率，實現(xiàn)電動機的多級調速。2系統(tǒng)設計總體方案與功能分析2.1設計總體方案系統(tǒng)采用PLC控制變頻器實現(xiàn)交流電動機啟動、停止、正反轉及各種轉速的改變。系統(tǒng)主要由三個局部構成，即可控制局部PLC，執(zhí)行局部變頻器和三相異步交流電機，系統(tǒng)構成框圖如圖2-1所示。首先通過設置給定輸入給PLC，再通過PLC控制變頻器，再經(jīng)由變頻器來控制電機。輸入開關輸入開關PLC變頻器M圖2-1系統(tǒng)主要構成圖2.2系統(tǒng)功能隨著電力電子技術以及自動控制技術的開展，交流變頻調速在工業(yè)電機拖動領域得到了廣泛應用[5]。PLC和變頻器作為替代繼電器的新型控制裝置，可靠性高，抗干擾能力強，硬件配套齊全，功能完善，使用方便，體積小，重量輕，能耗低，使用壽命長且功能強大，常常被用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和設備的控制。本次設計就是基于PLC的變頻器調速系統(tǒng)，首先通過設置給定輸入給PLC，再通過PLC控制變頻器，再經(jīng)由變頻器來控制電機。結合實際情況，我為系統(tǒng)設計了以下功能：〔1〕按下正轉按鈕〔I0.0〕時，異步電機按變頻器的旋鈕設定頻率進行正轉?！?〕按下反轉按鈕〔I0.1〕時，異步電機按變頻器的旋鈕設定頻率進行反轉?！?〕按停止按鈕〔I0.3〕時，電機在任何情況下都停止運轉。頻率〔4〕按下自動按鈕〔I0.2〕時，可以使變頻器按照自身設定程序自動循環(huán)運轉。具體運轉模式見圖2-2。頻率0Hz0Hz10Hz11Hz35Hz50Hz20HzP19P21P23P17P81P82P83P84P85P86P87P22時間正轉反轉P8132HzP18P20P17圖2-2變頻器控制電動機運轉模式〔5〕按下按鈕〔I0.4〕時，電動機正轉，使電機按照PLC設定程序自動循環(huán)運轉。具體運轉模式見圖2-3。0Hz0Hz頻率時間10sP20P18P19P21P22P23P1712s15s20s8s17s15s10Hz20Hz32Hz35Hz50Hz11Hz圖2-3PLC控制電動機運轉模式〔6〕按下按鈕〔I0.6〕時，電動機按照PLC設定程序正反轉交替循環(huán)運轉。每15s交替一次，正轉頻率為35Hz，反轉頻率為20Hz?！?〕變頻器故障時〔I0.5〕，即當交流電機驅動器偵測到有異常狀況發(fā)生時，電動機停止運轉。3PLC和變頻器的型號選擇3.1PLC的選擇在PLC系統(tǒng)設計時，首先應確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設計選型，工藝流程的特點和應用要求是設計選型的主要依據(jù)[2]。在PLC型號的選擇上，工藝流程的特點和應用要求是設計選型的主要依據(jù)，同時綜合了輸入輸出〔I/O〕點數(shù)、存儲器容量、各項控制功能和機型的考慮以及性價比等各方面的因素，來確定PLC型號的選擇。根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定PLC的功能、外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設計相應的控制系統(tǒng)[9]。PLC還有故障自診斷功能，可以讓系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設備也可以獲得故障自診斷保護。PLC的梯形圖程序一般采用順序控制設計法。這種編程方法規(guī)律性強，容易掌握編程語言容易學習，較為簡單，并且梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近。本次設計PLC輸入點數(shù)在7個，輸出點數(shù)6個。I/O點數(shù)估算時應考慮增加10%～20%的余量，因此選擇了S7-200PLC/CPU224/14輸入/10輸出。由于控制較簡單，對PLC存儲容量、殊功能模塊沒有特殊要求。根據(jù)學校實驗室現(xiàn)有設備，從中選擇了S7-200PLC/CPU224XP/14輸入/10輸出。S7-200PLC具體型號見表3-1。表3-1S7-200PLCCPU選型型號表注：AC/DC/繼電器——100～230VAC電源/24VDC輸入/繼電器輸出；CPU系列號產(chǎn)品圖片描述選型型號CPU224XPAC/DC/繼電器；14點輸入/10點輸出；2輸入/1輸出共3個模擬量I/O點6ES7214-2BD23-0XB0在PLC的應用中還有重要的一項就是編程，編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、堆棧操作指令、計數(shù)指令、定時器指令、比擬指令和程序控制指令等?！?〕觸點指令觸點指令包括邏輯取和線圈驅動指令，它有兩種連接形式，即串聯(lián)和并聯(lián)。①邏輯取和線圈驅動指令。指令格式為：LD取指令；LDN取反指令。②觸點串聯(lián)指令。指令格式為：A常開觸點串聯(lián)：AN常閉觸點串聯(lián)。③觸點并聯(lián)指令。指令格式為：O常開觸點并聯(lián)：ON常閉觸點并聯(lián)?！?〕邏輯電路塊的連接指令①串聯(lián)電路塊的并聯(lián)指令。指令格式為：OLD。②并聯(lián)電路塊的串聯(lián)指令。指令格式為：ALD?！?〕置位，復位，取反指令①置位指令的格式為：SbitN。②復位指令的格式為：RbitN。③取反指令的格式為：NOT?！?〕計數(shù)器指令①增計數(shù)器指令CTU：其指令格式為：CTUCx,PV。x為計數(shù)器編號。②減計數(shù)器指令CTD：其指令格式為：CTDCx,PV。x為計數(shù)器編號。③增減計數(shù)器指令CTUD：其指令格式為：CTUDCx,PV。x為計數(shù)器編號?！?〕定時器指令①接通延時指令TON：其指令格式為：TONTx,PT。x為定時器編號。②斷開延時指令TOF：其指令格式為：TOFTx,PT。x為定時器編號。③有記憶接通延時指令TONR：其指令格式為：TORTx,PT。x為定時器編號?！?〕結束及暫停指令①結束指令可分為有條件結束指令END和無條件結束指令MEND。②暫停指令的指令格式為：STOP。〔7〕子程序指令子程序指令包括3個指令：建立子程序、子程序調用和子程序返回。其中子程序調用指令又有2條指令：子程序調用指令CALL和子程序條件返回指令CRET。3.2變頻器的選擇在選擇變頻器時，首先要確定在該設計系統(tǒng)中使用通用變頻器的目的，根據(jù)目的來選擇最優(yōu)的變頻器，從而到達預期效果。再根據(jù)該設計的控制要求，對調速范圍、速度響應和控制精度、啟動轉矩等要素，并充分了解變頻器所驅動負載特性，從而來確定采用什么功能的變頻器對于該設計的實現(xiàn)更加方便，然后確定采用什么控制方式最適宜。所選用的通用變頻器應是既滿足生產(chǎn)工藝要求，又要在技術經(jīng)濟指標上合理。假設對變頻器選型、系統(tǒng)設計及使用不當，可能會造成很多影響，比方，可能會使變頻器不能正常的運行，從而達不到預期效果；可能引發(fā)設備故障，造成不必要的損失。為了保證所選用的變頻器長期的可靠的運行，應當重點注意變頻器的地線的接地連接。變頻器的工作原理是把市電〔380V、50Hz〕通過整流器變成平滑直流，然后利用半導體器件〔GTO、GTR或IGBT〕組成的三相逆變器，將直流電變成可變電壓和可變頻率的交流電[4]。根據(jù)實驗室現(xiàn)有設備我選擇了小型的三相異步電機，異步電機參數(shù)如下：PN=180W，UN=380V，IN=0.65A，nN=1400rpm。根據(jù)電機參數(shù)變頻器應選用三相電源380~480VAC，50Hz，輸出額定功率應大于200W。再根據(jù)學校實驗室現(xiàn)有設備和三相異步電動機參數(shù)，從中選擇了臺達VFD-022M。變頻器具體型號及參數(shù)見表3-2。表3-2臺達VFD-M變頻器型號及參數(shù)表變頻器系列號產(chǎn)品圖片描述選型型號VFD-MLC-M2E數(shù)字控制面板/三相電源380~480VAC,50/60Hz/電機輸出額定功率2.20kW(3HP)/額定輸出容量3.8kVA/額定輸出(入)電流5.0A〔6.0A〕/輸出頻率(Hz)0.1~400Hz/強制風冷VFD022M43B4硬件設計4.1變頻器接線4.1.1變頻器主電路接線本次設計選用的臺達VFD-022M變頻器電源為三相380V交流電，在主電路接線時應正確的和三相交流電源連接。為了保證所選用的變頻器長期的可靠的運行，應當重點注意VFD-M變頻器的地線的接地連接。根據(jù)變頻器使用手冊，電源、變頻器、三相異步電機具體接線如圖4-1。圖4-1變頻器主電路配線圖三相異步電機使用Y型接法，異步電機接線如圖4-2。圖4-2異步電機接線圖4.1.2控制端子接線臺達VFD-M變頻器提供了多種控制功能，其中有外部多功能端子控制，數(shù)字操作面板控制，通訊控制等。根據(jù)設計要求及簡捷控制的目的，我選擇了通過外部多功能端子控制變頻器，以到達控制異步電機的目的。臺達VFD-M變頻器控制端子說明見下表4-1。表4-1多功能控制端子說明表端子記號端子功能說明規(guī)格RA﹣RC多功能指示信號輸出接點對應參數(shù)P46繼電器(RELAY)RB﹣RC多功能指示信號輸出接點接點輸出M0﹣GND多功能輸入輔助端子對應參數(shù)P38,39,40,41,42M1﹣GND多功能輸入選擇一對應參數(shù)P38,39,40,41,42M2﹣GND多功能輸入選擇二對應參數(shù)P38,39,40,41,42M3﹣GND多功能輸入選擇三對應參數(shù)P38,39,40,41,42M4﹣GND多功能輸入選擇四對應參數(shù)P38,39,40,41,42M5﹣GND多功能輸入選擇五對應參數(shù)P38,39,40,41,42本次設計中多功能指示輸出端子RA/RB/RC使用故障指示端子，變頻器產(chǎn)生故障時RA端子的繼電器會接通，產(chǎn)生一個故障信號送給PLC，PLC會停止變頻器和異步電機的運轉。故障指示端子電路如圖4-3。圖4-3故障指示端子電路圖本次設計中多功能輸入端子M0/M1/M2/M3/M4/M5全部使用，其相應功能分配見表4-2，段速選擇指令見表4-3。表4-2多功能輸入端子功能分配表端子設定功能M0正轉/停止M1反轉/停止M2變頻器內部程序自動運轉開始指令輸入M3多段速指令一/段速選擇M4多段速指令二/段速選擇M5多段速指令三/段速選擇表4-3指令與段速對應表段速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多功能輸入端子通過PLC給定的信號執(zhí)行相應的正轉、反轉、停止、段速選擇等命令。多功能輸入端子電路如圖4-4。圖4-4多功能輸入端子電路圖4.2變頻器的操作及參數(shù)設置變頻器的操作說明變頻器操作面板變頻器VFD-M為我們提供了簡易的控制面板，其中有參數(shù)顯示，運行指示，操作鍵MODE/RUN/ENTER/STOP，頻率旋鈕等。具體如下列圖4-5。圖4-5變頻器操作面板通過控制面板按鍵可以修改變頻器的設定參數(shù)，參數(shù)的修改方法如下表4-4。表4-4參數(shù)的修改舉例例如：修改參數(shù)P00操作步驟說明顯示按MODE鍵進入?yún)?shù)設定畫面P00按上下鍵選擇欲讀出或修改的參數(shù)號碼P00~P157按ENTER鍵進入?yún)?shù)設置，讀出參數(shù)內容00按上下鍵修改參數(shù)01按ENTER鍵輸入資料無誤那么顯示"End"輸入資料有誤那么顯示"Err"EndErr變頻器的參數(shù)設置根據(jù)控制要求現(xiàn)將變頻器主要參數(shù)進行設定，參數(shù)設定值見表4-5。表4-5主要參數(shù)設定表參數(shù)參數(shù)功能設定值實現(xiàn)功能P00頻率指令來源設定00主頻率輸入由數(shù)字操作器控制P01運轉指令來源設定01運轉指令由外部端子控制，鍵盤STOP鍵有效P02電機停車方式設定00以減速剎車方式停止P03最高操作頻率選擇50Hz最高操作頻率P04最大電壓頻率選擇50Hz最大電壓頻率P05最高輸出電壓選擇380V最高輸出電壓P10第一加速時間選擇6s電機到達設定轉速用時P11第一減速時間選擇6s電機停止用時P17第一段頻率設定10Hz第一段頻率P18第二段頻率設定20Hz第二段頻率P19第三段頻率設定35Hz第三段頻率P20第四段頻率設定50Hz第四段頻率P21第五段頻率設定32Hz第五段頻率P22第六段頻率設定20Hz第六段頻率P23第七段頻率設定11Hz第七段頻率P24禁止反轉功能設定00可反轉P36輸出頻率上限設定50Hz輸出頻率上限P37輸出頻率下限設定0Hz輸出頻率下限P38多功能輸入選擇一(M0)多功能輸入選擇二(M1)00M0：正轉/停止M1：反轉/停止P39多功能輸入選擇二(M2)16AUTORUN可程序自動運轉P40多功能輸入選擇三(M3)06多段速指令一P41多功能輸入選擇四(M4)07多段速指令二P42多功能輸入選擇五(M5)08多段速指令三P46多功能輸出RELAY接點07故障指示P78可程序運轉模式選擇04自動運行循環(huán)運轉〔STOP間隔〕P79可程序運轉轉向設定34運轉方向“0100010〞*0＝正轉*1＝反轉P81第一段運行時間設定對應參數(shù)P1710s第一段運行時間P82第二段運行時間設定對應參數(shù)P1812s第二段運行時間P83第三段運行時間設定對應參數(shù)P1915s第三段運行時間P84第四段運行時間設定對應參數(shù)P2020s第四段運行時間P85第五段運行時間設定對應參數(shù)P218s第五段運行時間P86第六段運行時間設定對應參數(shù)P2217s第六段運行時間P87第七段運行時間設定對應參數(shù)P2315s第七段運行時間4.3PLC的硬件接線本次設計選用的PLC型號為CPU224XP14輸入/10輸出/AC/DC/RLY，根據(jù)PLC的安裝要求可以確定PLC的供電電源為220V交流電。PLC的輸入端供電為DC24V，PLC本身提供24V直流電源，可以作為輸入電源使用。PLC的輸出模式為繼電器模式，輸出端相當于一個自動開關，PLC有輸出時會接通。所以PLC輸出端供電使用變頻器多功能端，這樣就可以形成一個完整的回路，到達控制的目的。PLC的供電電源、PLC的輸入、輸出接線電路如圖4-6。圖4-6PLC的接線電路圖4.4PLC與變頻器的連接本設計中PLC對變頻器的控制是通過PLC的繼電器輸出模塊控制變頻器的多功能輸入端，從而改變電機工作電源頻率，實現(xiàn)電機的多級調速。PLC輸入/輸出地址分配及連接項見表4-6。表4-6PLC輸入/輸出分配表輸入輸出地址功能連接項地址功能連接端口I0.0正轉SB1Q0.0正轉M0I0.1反轉SB2Q0.1反轉M1I0.2變頻器自動運轉SB3Q0.2變頻器自動運轉M2I0.3停止SB4Q0.3段速選擇M3I0.4多段速運轉SB5Q0.4段速選擇M4I0.5故障急停RAQ0.5段速選擇M5I0.6正反轉交替SB6PLC與變頻器的接線電路如圖4-7。圖4-7PLC與變頻器的接線電路圖4.5調速控制總電路通過對PLC和變頻器各局部的設計，現(xiàn)確定了基于PLC與變頻器的交流電機調速控制硬件系統(tǒng)的總體設計方案電路，如圖4-8。圖4-8總體設計方案電路圖5安裝調試根據(jù)所設計的電路對PLC、變頻器、異步電機進行安裝接線。在安裝過程中首先應注意的是平安問題，因為安裝的過程中會接觸到220V及380V交流電，應當小心不要觸電，在接線和調試時一定確保斷開電源。在接通電源前需要確定電源電壓為所需要的正確電壓。變頻器的三相電源之間電壓要均衡，以免不能正常啟動。為了保證所選用的變頻器長期的可靠的運行，應當重點注意變頻器的地線的接地連接。6總結本系統(tǒng)結構簡單、操作方便，可實現(xiàn)自動控制。本系統(tǒng)結構簡單、操作方便，可實現(xiàn)自動控制。通過PLC與變頻器的連接共同來選擇交流電機的段速，從而可以鍛煉我們對軟件的編程能力的提高以及對硬件連接熟知能力的提高。通過這一次課程設計，我不僅熟悉和掌握了PLC和變頻器的結構和工作原理。同時也加深了對PLC和變頻器的理解，通過硬件設計和動手操作，逐步掌握硬件設計的根本方法和產(chǎn)品安裝技術。本次論文所用圖片通過CAD所繪，鍛煉了制圖能力。在做實驗時，把握住每一個重點的細節(jié)，防止出現(xiàn)任何由于粗心導致的過失，并且在寫論文時，應該有側重點。在這次課程設計中我覺得最重要的就是要有自學能力，運用工具書，利用網(wǎng)絡高效率的查閱資料。遇到問題的時候，要認真思考可能的原因，然后一步一步的去驗證自己的想法，直到解決遇到的問題。將理論應用到實踐當中，培養(yǎng)我們的創(chuàng)新能力，從而不斷地挑戰(zhàn)自己，超越自己，為今后工作打下能力根底。參考文獻[1]喬東凱.基于PLC和變頻器控制異步電動機轉速的研究[J].機械與電子,2023,(7):71-72.[2]方強，李麗娜，孫宏昌.可編程控制器技術開發(fā)與應用[