PLC控制電機變頻調(diào)速試驗系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn) 電氣工程專業(yè)

PLC控制電機變頻調(diào)速試驗系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)摘要變頻調(diào)速是一種有效的節(jié)能技術(shù)，節(jié)能率非常高，幾乎可以由于設(shè)計冗余量改變浪費和節(jié)約能源；由于其高速度、高精度、高功率因數(shù)，可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，生產(chǎn)能力，和同時降低材料和設(shè)備的消耗，也能減少機械磨損和噪音，改善車間的工作環(huán)境，滿足生產(chǎn)工藝要求。本文首先介紹了基本的硬件和使用西門子S7-300PLC的硬件描述和倫茨變頻器的使用方法8200。此外，還介紹了STEP7編程軟件的使用方法。然后介紹了變頻調(diào)速的原理和方法，結(jié)合實驗設(shè)計、原理、方法和實驗設(shè)計圖，介紹了硬件連接的設(shè)計、PLC輸入輸出節(jié)點的分布、模數(shù)轉(zhuǎn)換方法的設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試程序。關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速、PLC、變頻器、模擬量數(shù)字量轉(zhuǎn)換

AbstractFrequencyisaneffectiveenergysavingtechnologies,energy-savingrateofitsveryhigh,almosttodesignchangesintheamountofredundancyandwasteofallenergysavings;alsobecauseofitsspeedandhighprecision,highpowerfactorcharacteristics,theuseofitcanimproveproductquality,yield,andreducethelossofmaterialsandequipment,butalsocanreducethemechanicalwearandnoise,improvetheworkingenvironmentworkshoptomeettherequirementsofproductiontechnology.ThispaperfirstintroducestheSiemensS7-300PLChardwareandhowtousethebasicsituation,Lenze8200Inverterandhowtousehardwaredescription.Step7alsointroducedtheuseofprogrammingsoftware.AndthenintroducedtheprincipleandmethodofVVVF,combinedwiththeexperimentaldesign,introducedtheideaofthedesignandexperimentaldesigndiagramoftheprincipleofconnectingthehardware,thedistributionofPLCinputandoutputnodes,thedesignofanalogdigitalconversionmethod,andthenprogramming,debuggingthesystem.Keywords：FrequencyControl、PLCFrequencyConverter Analogdigitalconverter

目錄TOC\o"1-3"\h\u19545摘要 I26081Abstract II12737第一章前言 1231411.1變頻調(diào)速的背景及發(fā)展方向 1313931.2變頻調(diào)速的現(xiàn)實意義 2201341.3畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容 227352第二章西門子可編程控制器S7-300 4271872.1PLC介紹 4231022.1.1PLC的工作原理及工作過程 4168902.1.2PLC的優(yōu)點 573192.1.3PLC的應(yīng)用領(lǐng)域 6273892.2西門子S7-300介紹 8271432.2.1電源模塊 8244242.2.2數(shù)字量模擬量輸入輸出模板 821557第三章Lenze變頻器 10127223.1變頻器介紹 10300813.2變頻器使用注意事項 1095843.3Lenze8200vector變頻器 1113053第四章系統(tǒng)設(shè)計 16174024.1系統(tǒng)分析 16284194.1.1變頻調(diào)速原理介紹 16294704.1.2實驗設(shè)計原理分析 16147464.2硬件設(shè)計 1716444.3軟件設(shè)計 20135914.3.1創(chuàng)建項目 20184024.3.2系統(tǒng)硬件組態(tài) 20226734.3.3系統(tǒng)控制設(shè)計 2169144.3.4JOG固定頻率選擇 22182104.3.5數(shù)據(jù)處理設(shè)計 23137234.4分析比較 2627151第五章系統(tǒng)的調(diào)試 279695.1硬件調(diào)試 27115925.2軟件模擬監(jiān)控 2814581第六章總結(jié) 3130949參考文獻 3224029致謝 34第一章前言1.1變頻調(diào)速的背景及發(fā)展方向在我國，能源的有效利用已經(jīng)刻不容緩。作為耗能最大的家庭之一，電動機在節(jié)能方面有很大的發(fā)展?jié)摿?。在中國各類電機，80%以上是0.55—220千瓦，與電機驅(qū)動系統(tǒng)的整體裝備水平只相當(dāng)于發(fā)達國家50代水平。因此，從國家“十五”計劃的節(jié)能電機系統(tǒng)狀態(tài)的投資將增加，而變頻調(diào)速系統(tǒng)將在中國有巨大的市場需求。多年來，與國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會應(yīng)用的發(fā)展已經(jīng)與國家有關(guān)部門一起致力于逆變技術(shù)，技術(shù)開發(fā)和技術(shù)改造給予了重點支持，變頻調(diào)速技術(shù)的評價組織和推薦工作，促進了變頻調(diào)速技術(shù)的使用為風(fēng)機、水泵的節(jié)能技術(shù)改造項目的重點投資方向，同時鼓勵單位開展同樣的貸款與抓發(fā)展，抓示范工程，抓應(yīng)用，還應(yīng)對節(jié)能中心風(fēng)機、水泵、提供信息咨詢培訓(xùn)。1995～1997年間，我國的風(fēng)機、水泵變頻調(diào)速技術(shù)改造投資3億5000萬元，改造總?cè)萘窟_到100萬千瓦，節(jié)電7億度，投資回收期約2年。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用已在中國取得了相當(dāng)?shù)某删停瑢γ磕陻?shù)百億元的銷售，說明變頻器在中國的應(yīng)用非常廣泛。從簡單的手動控制到基于RS-485網(wǎng)絡(luò)的多機控制，用計算機和PLC聯(lián)網(wǎng)形成一個復(fù)雜的控制系統(tǒng)。在大型綜合自動化系統(tǒng)技術(shù)、先進控制及優(yōu)化大套的特殊系統(tǒng)，如連鑄連軋生產(chǎn)線、高速造紙生產(chǎn)線、光纜生產(chǎn)線、建筑材料、化學(xué)纖維生產(chǎn)線生產(chǎn)線，變頻器是電氣傳動控制的作用，其控制的復(fù)雜性，控制精度和動態(tài)響應(yīng)非常高的要求，已經(jīng)完全取代了直流調(diào)速技術(shù)。近年來，變頻器在先進控制理論的基礎(chǔ)上，開發(fā)了卷繞、升級、主從等控制功能，使應(yīng)用系統(tǒng)更加方便、易于實現(xiàn)，使變頻器的應(yīng)用技術(shù)達到了一個新的水平。目前變頻調(diào)速技術(shù)主要發(fā)展方向為：[6]（1）高水平控制矢量控制、磁場控制、轉(zhuǎn)矩控制、模糊控制等高水平的控制技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在交流變頻調(diào)速中。（2）開發(fā)清潔節(jié)能的變頻器隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對環(huán)境問題的關(guān)注，減少變頻器對環(huán)境的影響已成為時代潮流。盡可能減少網(wǎng)側(cè)和負載的諧波分量，減少電網(wǎng)污染和電機轉(zhuǎn)矩脈動，實現(xiàn)清潔電能的變化。（3）結(jié)構(gòu)小型化緊湊的變頻系統(tǒng)需要高度集成的電源和控制元件。主電路功率模塊控制電路采用大規(guī)模集成電路和全數(shù)字控制技術(shù)，促進了變頻裝置結(jié)構(gòu)的小型化。（4）高集成化提高集成電路技術(shù)及采用表面貼片技術(shù)，使裝置的容量體積比得到進一步提高1.2變頻調(diào)速的現(xiàn)實意義在電力拖動領(lǐng)域，廣泛推廣變頻調(diào)速具有十分重要的現(xiàn)實意義：(1)它極大地提高了生產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)水平、加工精度和工作效率，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量。(2)能夠大大減小生產(chǎn)機械的體積和質(zhì)量，減少金屬耗用量。(3)對于風(fēng)機和水泵的負荷，變頻調(diào)速技術(shù)可顯著節(jié)約電能。變頻技術(shù)在國民經(jīng)濟和日常生活中占有十分重要的地位，變頻技術(shù)使頻率成為資源的充分理由。近年來，變頻調(diào)速技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，取得了明顯的社會效益和經(jīng)濟效益[6]。1.3畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容本次畢業(yè)設(shè)計設(shè)計采用德國西門子314C-2DPPLC作為系統(tǒng)的控制器，以及德國Lenze8200Vector變頻器作為執(zhí)行機構(gòu)，控制一臺電機的轉(zhuǎn)速，還有一臺渦流測功機，可以顯示電機的實際轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率，其可以手動改變電機的負載轉(zhuǎn)矩。變頻器的頻率可變范圍從0—100Hz，為保證設(shè)計安全，變頻器的最高頻率被人為設(shè)定在50Hz，同樣，電機的最高轉(zhuǎn)速控制在1450rpm（額定轉(zhuǎn)速為1500rpm）。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要分手動控制和自動控制兩種控制方法。這里我主要采用JOG固定頻率控制作為手動控制的方法，利用控制面板上的控制開關(guān)組合變頻。然后采用電位器控制模擬信號來變頻作為自動控制的方法，帶有轉(zhuǎn)速反饋來提高變頻效率。最后對兩種方案進行比較分析。實驗設(shè)計的硬件接線圖如下：第二章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序控制器（PLC）是隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)和繼電器控制技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的一門技術(shù)。目前，PLC已廣泛應(yīng)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）對PLC的定義是：可編程控制器是一種用于工業(yè)環(huán)境的電子操作系統(tǒng)。它利用可編程存儲器在內(nèi)部存儲器中存儲和執(zhí)行邏輯操作、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等指令，并通過數(shù)字、模擬輸入和輸出來控制各種機械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其相關(guān)設(shè)備的設(shè)計應(yīng)遵循工業(yè)控制系統(tǒng)易于形成整體和擴展功能的原則。[1]PLC的工作過程如下：1.初始化過程：(1）硬件初始化，復(fù)位輸出輸入模塊，清零。(2）清除數(shù)據(jù)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(nèi)部電路，CPU、電池電壓、程序存儲器、I/O、通訊異常，當(dāng)出現(xiàn)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(nèi)部處理 內(nèi)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(wù)（外設(shè)，CPU，總線服務(wù)）通信服務(wù)（外設(shè)，CPU，總線服務(wù)）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(jié)果存放自診斷錯誤結(jié)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(shè)備的關(guān)鍵性能。由于采用了現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)和嚴格的生產(chǎn)工藝，PLC采用了先進的抗干擾技術(shù)，可靠性高。例如，三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC的平均故障時間是30萬小時。使用冗余CPU的plc平均失效時間較長。從PLC外部電路構(gòu)成PLC控制系統(tǒng)。與同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線和開關(guān)觸點減少到數(shù)百個甚至數(shù)千個部件，故障大大減少。此外，PLC具有硬件故障自檢測功能，故障發(fā)生時可及時發(fā)出報警信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用程序還可以編寫外圍設(shè)備的故障自診斷程序，使PLC以外的電路和設(shè)備也能進行自診斷和保護。這樣，整個系統(tǒng)就具有很高的可靠性就不足為奇了。（2）配套齊全，功能完善，適用性強今天，PLC已經(jīng)形成了一系列大、中、小規(guī)模的產(chǎn)品。可用于各種尺寸的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能外，大多數(shù)現(xiàn)代PLC都具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可應(yīng)用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來，PLC的功能單元不斷涌現(xiàn)，使PLC滲透到各種工業(yè)控制中，如位置控制、溫度控制、數(shù)控系統(tǒng)等。隨著PLC通信能力的提高和人機接口技術(shù)的發(fā)展，使用PLC構(gòu)成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。（3）易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎PLC作為工業(yè)控制計算機，是工礦企業(yè)的工業(yè)控制設(shè)備。它與接口電路非常接近，邏輯控制開關(guān)指令只有PLC才能方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。（4）系統(tǒng)的設(shè)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，大大減少了控制裝置外接線，縮短了控制系統(tǒng)的設(shè)計和施工周期，使維修更容易。更重要的是，可以通過改變程序來使相同的設(shè)備改變生產(chǎn)過程。適用于多種品種和小批量生產(chǎn)場合。（5）體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，對新生產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，而功耗只有幾瓦。由于體積小，易于裝在機器內(nèi)部，是機電一體化的理想控制裝置。2.1.3PLC的應(yīng)用領(lǐng)域目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)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(guān)量的邏輯控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有許多連續(xù)變化，如溫度、壓力、流量、液位和速度，為了使可編程控制器處理模擬量，A/D轉(zhuǎn)換和D/A模擬量之間的轉(zhuǎn)換（模擬）和數(shù)字量（數(shù)字）必須實現(xiàn)。PLC制造商都生產(chǎn)了一套完整的A／D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬控制。（2）模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。（3）運動控制PLC可用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構(gòu)的結(jié)構(gòu)上講，它直接用于開關(guān)量I/O模塊，用于早期連接位置傳感器和執(zhí)行器。目前，常用的一種特殊的運動控制模塊。如單軸或多軸位置控制模塊，可驅(qū)動步進電機或伺服電機。PLC的主要制造商在世界上幾乎所有的運動控制功能，并廣泛應(yīng)用于各種機械，機床，機器人，電梯和其他場合。（4）過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等的閉環(huán)控制。PLC作為工業(yè)控制計算機，可以編寫多種控制算法，完成閉環(huán)控制。在一般的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，PID調(diào)節(jié)是最常用的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC有PID模塊，目前許多小型PLC也有這個功能模塊。pid處理一般是一個專用的pid子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。（5）數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運算功能（包括矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位運算等功能，能夠完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值進行比較，完成某些控制操作，也可以通過通信功能傳送到其他智能設(shè)備，或者它們可以打印和表列。數(shù)據(jù)處理一般應(yīng)用于大規(guī)模控制系統(tǒng)，如無控制的柔性制造系統(tǒng)，也適用于造紙、冶金和食品工業(yè)等過程控制系統(tǒng)。（6）通信及聯(lián)網(wǎng)PLC通信由PLC與PLC與其他智能設(shè)備之間的通信組成。隨著計算機控制技術(shù)的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)得到了飛速的發(fā)展。所有的PLC制造商都非常重視PLC的通信功能，并推出了自己的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新研制的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(shè)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(tǒng)（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(shù)字量模擬量輸入輸出模板數(shù)字量/模擬量輸入/輸出缺省：地址備注24個數(shù)字量輸入124.0—126.7其中16個輸入用于技術(shù)功能：124.0—125.7所有數(shù)字輸入都可以作為中斷輸入編程任選技術(shù)功能：計數(shù)頻率測量脈沖寬度調(diào)制定位16個數(shù)字量輸出124.0—125.7其中4個輸入用于技術(shù)功能：124.0—124.34+1個模擬量輸入752—7612個模擬量輸出752—755第三章Lenze變頻器3.1變頻器介紹變頻器是用來改變交流電頻率的電氣設(shè)備。此外，它還具有改變交流電壓的輔助功能。變頻器通常由整流器、濾波電路、驅(qū)動電路、保護電路和控制器組成。首先，通過整流器和電容器對單相或三相交流電源進行濾波。然后在逆變器中加入一個固定幅值的直流電壓。逆變器的輸出脈沖通過逆變器的功率元件的開關(guān)控制獲得。在這里，通過改變矩形脈沖的寬度來控制電壓幅值，通過改變調(diào)制周期來控制輸出頻率，從而在逆變器上同時控制輸出電壓和頻率，以滿足變頻調(diào)速對U／f協(xié)調(diào)控制的要求。交流變頻電機（異步電機或同步電機）調(diào)速，交流電機的速度控制是公認的最理想、最有前途的，除了優(yōu)良的調(diào)速性能，逆變器和顯著的節(jié)能效果，是企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品升級換代的理想控制裝置。自上個世紀(jì)80年代的中國介紹，變頻器作為節(jié)能應(yīng)用和速度控制越來越重要的自動化設(shè)備，并得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。3.2變頻器使用注意事項（1）變頻器不經(jīng)常使用時，要隔斷時間去給變頻器充下電，同時電源電壓要慢慢升高。變頻器長期不使用，電解電容未充放電，易老化，電容容量下降，耐壓下降，漏電嚴重。（2）變頻器的電源輸入輸出端不能接反，否則可能燒壞變頻器。（3）電磁波干擾。由于整流和變頻，變頻器中存在許多干擾。這些高頻電磁波干擾了附近的儀器和儀器。因此，所有部件都應(yīng)可靠接地。此外，所有電氣元件、儀表和儀表之間應(yīng)選擇屏蔽控制電纜和屏蔽接地。（4）防止輸入端過電壓。逆變器的輸入端往往有過電壓保護，但輸入端電壓過高，逆變器的輸入端會受到損壞。因此，在實際應(yīng)用中，應(yīng)采用變頻器、單相或三相輸入電壓和變頻器的額定電壓。特別是電源電壓極不穩(wěn)定，是要有溫度和壓力的設(shè)備，否則會造成嚴重后果。（5）Earthing。變頻器的正確接地是提高控制系統(tǒng)靈敏度和抑制噪聲能力的重要手段。接地電阻越小，接地電阻越好。此外，變頻器的接地必須與電源設(shè)備的位置分開，不能共用。（6）變頻器散熱引起的故障。散熱不足，部件更易老化，損耗快。（7）在使用變頻器時，導(dǎo)線、電纜連接電源、輸出設(shè)備夠長就行，而且要放直，千萬別把多余的導(dǎo)線電纜打圈，否則會產(chǎn)生高頻高次諧波。這經(jīng)常會使漏電斷電器跳閘，同時，電表走的會很快。所以，工業(yè)中，變頻器和電表經(jīng)常安置的盡量遠，并且屏蔽電表。（8）停止變頻器時，需先關(guān)閉變頻器，再斷電源。否則，變頻器因為欠壓故障而導(dǎo)致變頻器燒壞。3.3Lenze8200vector變頻器本次畢業(yè)設(shè)計采用的是德國Lenze8200vector變頻器。訂貨號為：E82EV751K2B000XXVN14。根據(jù)訂貨號，我們可以知道此變頻器的一些參數(shù)（如下）：[8]①型號：E82EV②功率：751=75*10（的一次方）=750W③功能模塊（選件）：K無功能塊④電壓等級：2=240V⑤硬件版本：VN⑥軟件版本：14一些常用術(shù)語說明：①AIF：自動化接口：通訊模塊的接口②FIF：功能接口：功能模塊的接口③Cxxxx/y：代碼Cxxxx的子代碼y（例C0410/3=代碼C0410的子代碼3）④Xk/y：端子排Xk上的端子y（例X3/28=端子排X3上的端子28）考慮到在實際運行過載能力能提高到120%的情況，電源電壓有多種接線方式，Lenze8200矢量變頻器（具體針對E82EV751K2B000XXVN14型號）可以運行在①1/N/PE；AC100V-0%…..264V+0%；48Hz-0%……62Hz+0%②3/PE；AC100V-0%…..264V+0%；48Hz-0%……62Hz+0%兩種情況下，具體的一些額定數(shù)據(jù)如下：型號E82EV751K2B000XXVN14電源接線方式1/N/PE3/PE主電源額定電流9.0A5.2A輸出功率U，V，W1.6kVA輸出功率0.75kW額定輸出電流4.8A可持續(xù)60S輸出的最大電流6.0A本次畢業(yè)設(shè)計采用的是1/N/PE電源接法，所以主電源額定電流為9.0A，輸出功率（UVW）為1.6kVA，額定輸出功率為0.75KW，額定輸出電流為4.8A。具體實物圖如下：兩個選配的配件為：操作面板和端子面板。其具體顯示功能說明如下：操作面板上的按鈕說明如下：端子面板原理圖如下：其具體端子功能定義作用說明如下：第四章系統(tǒng)設(shè)計4.1系統(tǒng)分析4.1.1變頻調(diào)速原理介紹由于異步電動機的同步轉(zhuǎn)速n與電源頻率f、轉(zhuǎn)速差s和電極級對數(shù)p成如下物理關(guān)系：n＝60f(1－s)/p式中n———異步電動機的轉(zhuǎn)速；f———異步電動機的頻率；s———電動機轉(zhuǎn)差率；p———電動機極對數(shù)。從上公式可以看出，速度n與頻率f成正比，只要f的頻率改變，電機的轉(zhuǎn)速就可以改變。當(dāng)頻率f在0～50赫茲范圍內(nèi)變化時，電機調(diào)速范圍非常寬，即變頻調(diào)速。變頻器是通過改變電機的功率頻率來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。4.1.2實驗設(shè)計原理分析實驗設(shè)計原理圖如下：負載M變頻器PLC設(shè)定轉(zhuǎn)速+負載M變頻器PLC-測量變送n測量變送n本次畢業(yè)設(shè)計首先使用控制面板上的按鍵組合PLCPLC控制信號，然后慢跑三固定頻率逆變器，三固定特定頻率20Hz、30Hz，40hz。采用變頻自動控制系統(tǒng)的方法，經(jīng)過一定時間：采用PLC作為CPU（執(zhí)行器），電位器的電壓（模擬輸入）到PLC的值作為設(shè)定電機的轉(zhuǎn)速，PLC控制變頻器的輸出電壓（模擬）（執(zhí)行器）的輸出頻率控制三相鼠籠式異步電動機（對象）的運動速度。通過改變電渦流測功機改變電動機的負載轉(zhuǎn)矩，從而改變電機的實際速度（增加或減少），實際速度的系統(tǒng)由電機電渦流測功機測量并轉(zhuǎn)換成電壓信號（反饋）到PLC，PLC設(shè)定速度和實際速度的比較操作，改變輸出電壓，輸出為控制變頻器，電機的實際轉(zhuǎn)速也相應(yīng)的改變（增加或減少），最終實現(xiàn)轉(zhuǎn)速設(shè)定值系統(tǒng)?？梢钥闯?，這種自動控制方案是一種閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。4.2硬件設(shè)計畢業(yè)設(shè)計的硬件的一些基本情況：PLC:西門子S7-300系列的314C-2DPCPU，設(shè)計中使用了2個數(shù)字量輸入，1個數(shù)字量輸出，2個模擬量輸入，一個模擬量輸出。變頻器：Lenze8200矢量變頻器，采用的是1/N/PE電源接法，主電源額定電流為9.0A，輸出功率（UVW）為1.6kVA，額定輸出功率為0.75KW，額定輸出電流為4.8A。③電機：西門子三相鼠籠式異步電動機，型號DSO100K4，額定轉(zhuǎn)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(shè)計的電機采用△接法。系統(tǒng)硬件接線圖（1）強電部分：本次畢業(yè)設(shè)計實驗采用220V單相電交流電作為系統(tǒng)的輸入電源。PLC方面依照PLC的電源模塊L1,N,PE依次接好。變頻器反面也是采用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(shù)字量、模擬量的輸入輸出，以及直流電源和接地線（分數(shù)字地和模擬地）。具體接線如下：（1）數(shù)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(shù)字輸出：①Q(mào)124.1———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(shè)定轉(zhuǎn)速（電壓）輸入端，接至點位器；②PIW754———反饋轉(zhuǎn)速（電壓）輸入端，接至電機負載轉(zhuǎn)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(shù)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(shù)字地：PLC上四個數(shù)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(shè)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。4.3軟件設(shè)計4.3.1創(chuàng)建項目當(dāng)您創(chuàng)建項目時，雙擊桌面上的圖標(biāo)進入SIMATICSTEP7，窗口和彈出一個小窗口，用“7步wizart”的標(biāo)題：“新項目”。單擊[NEXT]按鈕，在被cpu314-2dp新項目選擇的CPU模塊的模型。單擊[NEXT]按鈕選擇需要生成的邏輯塊。這里0b1作為主程序塊。單擊[NEXT]按鈕并輸入項目“電梯控制3”的名稱。單擊[FINISH]按鈕并關(guān)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(biāo)題為“OpenProject”，的小窗口。在“UserProjects”下選“Elevatorcontrol3”，單擊[OK]按忸生成項目，如下圖：4.3.2系統(tǒng)硬件組態(tài)硬件組態(tài)的任務(wù)就是在STEP7中成一個與實際的硬件系統(tǒng)完全相同的硬件系統(tǒng)。硬件組態(tài)的步驟：①雙擊“Hardware”圖標(biāo)，進入硬件組態(tài)窗口；②生成機架，在機架中放置電源、CPU、數(shù)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(shè)置模塊的參數(shù)，包括模塊的屬性和DP主站和從站的參數(shù)，最后組態(tài)完成的完整機架如圖：④保存硬件設(shè)置。4.3.3系統(tǒng)控制設(shè)計本次實驗系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計的控制部分僅為兩個開關(guān)量（啟動和停止），根據(jù)硬件設(shè)計部分的數(shù)字量地址分配情況，在0B1下編寫以下程序：4.3.4JOG固定頻率選擇4.3.5數(shù)據(jù)處理設(shè)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(shè)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(zhuǎn)速設(shè)定值，PLC采集電壓信號后，需要轉(zhuǎn)變成數(shù)字量。同時，為了使此電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)檎嬲脑O(shè)定轉(zhuǎn)速，必須建立一個電壓信號與設(shè)定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換關(guān)系，具體關(guān)系如下:模擬量信號（V）模擬值（16進制）對應(yīng)的10進制值對應(yīng)的轉(zhuǎn)速值（10進制）PIW75201016≈0rpm53620138561500rpm倍率為：13856÷1500=9.23733333讀取電壓信號：數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)化為雙整型，再轉(zhuǎn)化為實數(shù)最后建立電壓信號與設(shè)定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換關(guān)系：程序中MD20即實際的設(shè)定轉(zhuǎn)速。（2）然后是反饋電壓信號的采集，渦流測功機會把轉(zhuǎn)數(shù)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(zhuǎn)化為數(shù)字量，再經(jīng)過一個電壓信號與實際轉(zhuǎn)速的變比關(guān)系把電壓信號轉(zhuǎn)化為實際的反饋轉(zhuǎn)速。關(guān)系如下：模擬量信號（V）模擬值（16進制）對應(yīng)的10進制值對應(yīng)的轉(zhuǎn)速值（10進制）PIW7541.3（計算所得）E8037121331rpm倍率為：3712÷1331=2.800900（3）接著就是比較運算。設(shè)定轉(zhuǎn)速（MD20）與反饋的實際轉(zhuǎn)速（MD34）的比較運算。設(shè)定轉(zhuǎn)速－反饋的實際轉(zhuǎn)速=Δn1（MD38）,Δn1÷5=Δn(MD42)。再Δn加給設(shè)定轉(zhuǎn)速，運算后得出一個新的輸出轉(zhuǎn)速（MD46），這個輸出轉(zhuǎn)速會覆蓋原有的電機轉(zhuǎn)速，作為電機的實際轉(zhuǎn)速。（4）在運算過程中，可能運算后的輸出轉(zhuǎn)速超過電機的額定轉(zhuǎn)速（1450rpm），為此設(shè)計一個轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速通過一個變比關(guān)系轉(zhuǎn)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(guān)系的倍率也是9.23733333。4.4分析比較通過觀察變頻器控制面板上的頻率、渦流測功機上的面板顯示和電機的轉(zhuǎn)速變化，比較兩種變頻調(diào)速的設(shè)計方案，可以得知：①在空載的情況下，手動控制相對自動控制能夠快速且準(zhǔn)確的達到設(shè)定的轉(zhuǎn)速，但是可調(diào)的頻率范圍有限，是一些“頻率點”（如20Hz、30Hz、40Hz），而自控控制是頻率段。②在帶有負載的情況下（負載轉(zhuǎn)矩不為0），自動控制相對手動控制能夠快速且準(zhǔn)確的達到設(shè)定的轉(zhuǎn)速，主要是在反饋的作用下，PLC能夠運算頻率差值而控制并改變變頻器的輸出頻率。手動控制由于無法反應(yīng)電機負載