基于plc与变频器的交流调速控制系统设计毕业论文

基于plc与变频器的交流调速控制系统设计毕业论文内容摘要：

程控制器（ PLC）是微电子技术、继电器控制技术和计算机及通信技术相结合的新型通用的自动控制装置。 PLC 具有体积小、功能强、可靠性高、使用方便、易于编程控制、适于工业应用环境等一系列优点，因此广泛应用于各行业的控制系统中，如机械制造、电力、交通、轻工、食品加工等行业。 PLC 既可用于旧设备改造，也可用于新产品开发，在机电一体化、工业自动化等方面应用极其广泛。 可编程控制器（ PLC）广泛地应用于工业控制。 它通过用户存储的应用程序来控制生产过程，具有可靠性高、稳定性好 和实时处理能力强的优点。 PLC 是把计算机技术与继电器控制技术有机地结合起来，为工业自动化提供近乎完美的现代化自动控制的装置。 ，抗干扰能力强 传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。 由于触点接触不良，容易出现故障。 PLC 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统 1/10~1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。 高可靠性是电气控制设备的关键性能。 PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采 用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。 例如三菱公司生产的 F系列PLC平均无故障时间高达 30万小时。 一些使用冗余 CPU的 PLC的平均无故障工作时间则更长。 从PLC 的机外电路来说，使用 PLC 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。 此外， PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。 在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。 这样 ，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 ，功能完善，适用性强 PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。 PLC 的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。 PLC 有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。 除了逻辑处理功能以外，现代 PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。 近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、 CNC 等各种工业控制中。 加 13 上 PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC组成各种控制系统变得非常容易。 ，深受工程技术人员欢迎 PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。 它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。 梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。 为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造 PLC 的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。 这种编程方法很有规律，很容易掌握。 对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。 更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。 这很适合多品种、小批量的生产场合。 ，重量轻，能耗低 以超小型 PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm，仅相 当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的 1/2~1/10。 它的重量小于 150g，功耗仅数瓦。 由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 1 扫描技术 当 PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。 完成上述三个阶段称作一个扫描周期。 在整个运行期间， PLC的 CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 1）输入采样阶段 在输入采样阶段， PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入 I/O映象区中的相应得单元内。 输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。 在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化， I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。 因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 2)用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段， PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序 (梯形图 )。 在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据 逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统 RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在 I/O映象区或系统 RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 3） 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后， PLC 就进入输出刷新阶段。 在此期间， CPU 按照 I/O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。 这时，才是 PLC的真正输出。 同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。 另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。 当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。 一般来说， PLC 的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采 样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。 14 目前， PLC产品大致可分为美国、欧洲国家、日本三大主流。 在 PLC 选型时，反复比较，编者选中了目前流行的、有较高性价比的西门子 S7200系列小型 PLC。 该型号的 PLC指令丰富、功能强大，其占有率在国内市场正处于上升趋势。 选择西门子 S7200的 PLC， CPU224的结构图如图 2所示。 本机集成 14输入 /10输出共 24个数字量I/O点。 可连接 7个扩展模块，最大扩至 168路数字量 I/O点或 35路模拟量 I/O点。 16K字节程序和数据存储空 间。 6 个独立的 30kHz 高速计数器， 2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出，具有 PID 控制器。 1 个 RS485通讯 /编程口，具有 PPI通讯协议、 MPI通讯协议和自由方式通讯能力。 I/O 端子排可很容易地整体拆卸。 是具有较强控制能力的控制器。 (1)当三相异步电机接入三相交流电源 (各相差 120度电角度 )时，三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势并产生旋转磁场，该磁场以同步转速 n0沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转。 (2)该旋转磁场与转子导体有相对切割运动 ,根据电磁感应原理 ,转子导 体产生感应电动势并产生感应电流。 (3)根据电磁力定律，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。 载流的转子导体在定子产生的磁场磁场中受到电磁力作用，电磁力对电机转子轴形成电磁转矩，驱动电机转子沿着旋转磁场方向旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。 （ 1）变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。 变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制 4个部分组成。 整流部分为三相桥式不可控整流器，逆 变部分为 IGBT 三相桥式逆变器，且输出为 PWM 波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。 （ 2） 我们知道，交流电动机的同步转速表达式位： n＝ 60f(1－ s)/p (1) 式中 n——— 异步电动机的转速； f——— 异步电动机的频率； s——— 电动机转差率； p——— 电动机极对数。 由式 (1)可知，转速 n 与频率 f 成正比，只要改变频率 f 即可改变电动机的转速，当频率 f在 0～ 50Hz的范围内变化时，电动机转速调 节范围非常宽。 变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。 整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为 IGBT 三相桥式逆变器，且输出为 PWM 波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。 变频器主要是由主电路、控制电路组成： (1)主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。 (2)控制电路是给异步电动机供电（电压 、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路” 15 以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。 MM 440系列变频器 MICROMASTER440是用于控制三相交流电动机速度和转矩的变频器。 本系列有多种型号，额定功率范围从 120W到 200kW(恒定转矩 (CT)控制方式 )，或者可达 250kW(可变转矩 (VT)控制方 )，供用户选用。 本变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术 水平的绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)作为功率输出器件。 因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。 采用脉冲频率可选的专用脉宽调制技术，可使电动机噪声运行。 全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。 MICROMASTER 440 具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的可变速控制系统供电的理想变频传动装置。 由于 MICROMASTER 440具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。 MICROMASTER 440既可用于单独传动系统，也可集成到‘自动化系统’ 中。 MM440变频器特点 1）、主要特性 易于安装 易于调试 牢固的 EMC设计 可由 IT电源供电 对控制信号的响应是快速和可重复的 参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置 电缆连接简便 具有多个继电器输 具有多个模拟量输出 (0~20mA) 6个带隔离的数字输入，并可切换可 NPN/PNP接线 1 2个模拟输入：  ADC1： 0~10V， 0~20mA和 10至 +10V  ADC2： 0~10V， 0~20mA 1 2个模拟输入可以作为第 7和第 8个数字输入 1 BICO技术 1模块化设计，配置非常灵活 1开关频率高 (传动变频器可到 16kHz)，因而电动机运行的噪音低 1内部 RS485接口 (端口 ) 1详细的变频器状态信息和完整的信息功能 2）、性能特性 矢量控制  无传感器矢量控制 (SLVC)  带编码器的矢量控制 (VC) V/f控制  磁通电流控制 (FCC)，用于改善动态响应和电动机的控制特性  多点 V/f特性 自动再启动 捕捉再启动 滑差补偿 快速电流限制 (FCL)动能，适用于自由脱扣运行 电机停机抱闸 16 内置直流制动 复合制动功能改善了制动特性 内置制动单元 (框架尺寸 A至 F)用于电阻制动 (动力制动 ) 1给定值输入，通过：  模拟输入  通讯接口  点动 (JOG)功能  电动电位计  固定频率 1斜坡函数发生器  有平滑功能  无平滑功能 1工艺调节器 (PID) 1参数组转换  传动数据组 (DDS)  命令数据组和给定值源 (CDS) 1自由功能块 1直流母线电压调节器 1动能缓冲 1定位控制的斜坡下降 3）、保护特性 过电压 /欠电压保护 变频器过热保护 接地故障保护 短路保护 I2t电动机过热保护 PTC/KTY84电动机保护 17 MM440变频器的控制端子 表 2 MM440变频器的控制端子 PLC 的 I/O 分配 I0.，电动机运行，对应电动机运行按钮 SB1； I0.，电动机停止，对应电动机停止按钮 SB2； Q0.，固定频率设置，接 MM40数字输入端子“ 5” 18 Q0.，固定频率设置，接 MM40数字输入端子“ 6” Q0.，固定频率设置，接 MM40数字输入端子“ 7” Q0.。