PLC课程设计-变频调速控制.doc

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湖南工程学院

课程设计

课程名称运动控制系统

课题名称基于PLC的变频调速控制系统设计

专业班级

姓名

学号

指导教师刘星平

2011年9月23日

湖南工程学院

课程设计任务书

课程名称：

运动控制系统

题目：

基于PLC的变频调速控制系统设计

专业班级：

学生姓名：

学号：

指导老师：

刘星平

审批：

李晓秀

任务书下达日期2011年09月13日

课程设计完成日期2011年09月23日

设计内容与设计要求

一．设计内容：

1.变频器的选择设计

2.PLC的选择设计

3.基于PLC的变频器开环调速控制系统的设计

4.基于PLC的变频器模拟量闭环调速控制系统的设计

二．设计要求：

1．设计思路清晰，给出整体设计框图；

2．单元电路设计，给出具体设计思路和电路；

3．分析所有单元电路与总电路的工作原理，

4．绘制控制系统原理图，PLC的控制程序设计，

5．写出设计报告；

主要设计条件

1．设计依据主要参数

1）西门子变频器一台

2）S7-200PLC一台

3）交流电动机一台

2.可提供实验

说明书格式

1．课程设计封面；

2．任务书；

3．说明书目录；

4．PLC、变频器的选择及参数设置与操作

5．基于PLC的变频器开环调速控制系统的设计

6．基于PLC的变频器模拟量闭环调速控制系统的设计

7．实验调试，实验数据及分析。

8．总结与体会；

9．附录（完整的总电路图）；

10．参考文献；

10、课程设计成绩评分表

进度安排

第一周星期一:

课题内容介绍和查找资料；

星期二:

总体电路方案确定

星期三:

主电路设计

星期四:

控制电路设计

星期五:

控制电路设计；

第二周星期一:

控制电路设计

星期二：

电路原理及波形分析、实验调试及仿真等

星期四~五:

写设计报告，打印相关图纸；

星期五下午:

答辩及资料整理

参考文献

1．石玉栗书贤．电力电子技术题例与电路设计指导．机械工业出版社，1998

2．王兆安黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，2000

3．浣喜明姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2000

4．莫正康．电力电子技术应用（第3版）．机械工业出版社，2000

5．郑琼林．耿学文．电力电子电路精选．机械工业出版社，1996

6．刘定建朱丹霞．实用晶闸管电路大全．机械工业出版社，1996

7．刘祖润胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995

8．刘星平．运动控制系统实验指导书．校内，2009

9.刘星平.THPK-2型工业综合自动化控制装置实训指导书.2009

目录

第1章概述 1

1.1系统概述 1

1.2PLC的概述 1

1.3变频器的简介 2

第2章总体设计方案 4

2.1主电路的设计 4

2.2控制电路的设计 6

2.3保护电路的设计 6

第3章系统硬件设计 8

3.1变频器的选择与设置 8

3.2PLC的选择 9

3.3S7——200PLC的硬件组成及指令系统 15

第4章系统软件设计 16

4.1PLC程序梯形图 16

第5章系统调试 24

第6章总结与体会 26

附录 27

参考文献 28

第1章概述

随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，这促进了电气传动的技术革命。

交流电机变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。

变频调速以其高效率，高功率因数，以及优异的调速和启制动性能等诸多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

1.1系统概述

在现代工业和经济生活中，随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，交流变频调速技术作为高新技术、节能技术广泛应用于各个领域；由于PLC的功能强大、使用容易、可靠性高，常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。

组态软件技术作为用户可定制功能的软件平台工具，在工控机上可开发出友好的人机界面，通过PLC可以对自动化设备进行“智能化”控制。

在本课题的系统中，考虑到电机的启动、运行、调速和制动的特性，因此采用高功能性控制的通用变频器对电机进行转速调节，此变频器的S型加减速功能和转矩提升功能，能很好的解决转速之间的切换和启动问题。

系统中由PLC完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。

基于PLC的编程软件采用模块化的程序设计方法，大量采用功能模块重用，减少软件的开发和维护。

利用组态软件良好的人机界面和通信能力及PROFIBUS总线技术，使工程师、操作人员可以在中央控制室的工控机上方便的浏览现场的工业流程、实现变频器的参数设置、故障诊断和电机的启动和停止的控制；同时可以在现场进行电机的启动、停止及增减速等的操作。

1.2PLC的概述

可编程序控制器（PLC）是以微处理器为基础的工业控制装置，它的功能强，可靠性极高，编程简单，使用方便，体积小巧，近年来在工业生产中得到了广泛的应用，被誉为当代工业自动化的主要支柱之一。

PLC的功能包括逻辑控制、定时控制、计数控制、步进（顺序）控制、PID控制、数据控制、通信和联网以及许多特殊功能模块。

PLC具有极高的可靠性，丰富的I/O接口模块并且采用了模块化结构以适应各种工业控制的需要，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握，而且其安装简单，维修也方便，由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。

适应行强的可编程序控制器产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各硬件装置功用户选用，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。

可编程序控制器安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。

可编程序控制器有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。

可编程序控制器用软件代替大量的中间继电器、时间继电器，仅剩下与输和输出有关的少量接下接线，一般为继电器控制系统的十分之一到百分之一，因接触不良造成的故障减少了很多。

可编程序控制器采取了一系列软件和硬件抗干扰措施，使之具有很强的抗扰能力，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，可编程序控制器以被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。

虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，在发达的工业国家，PLC已经广泛应用于所有的工业部门，随着其性能价格比的不断提高，应用范围也不断扩大。

主要用于：

开关逻辑控制、运动控制、闭环过程控制、数据处理、通信联网等领域。

1.3变频器的简介

变频器按照变换环节分为两种：

（1）交-交变频器交-交变频器是将工频交流直接转换成频率电压可调的交流，又称直接式变频器。

（2）交-直-交变频器交-直-交变频器是先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流。

由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”所以又称间接式的变压变频器。

交-直-交变频器的工作原理是把工频交流电通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电。

利用变频器可以根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速或减速，具有效率高、范围宽、精度高且能无级变速的优点。

其原理图如下所示：

图1.1变频器调速原理

除了上面的分类外，变频器还有其他分类方式。

按照主电路工作方式，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。

本次设计采用MICROMASTER420变频器，采用具有现代先进技

术水平的绝缘双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。

因此具有很搞的运行可靠性和功能的多样性。

其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。

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。

第2章总体设计方案

2.1主电路的设计

本系统设计的变频调速系统单元，采用交流变频调速，通过控制变频器来实现三相异步电动机的开闭环、正反转和快慢速的转换。

其具体工作过程如下：

从电网上接入380V交流三相电源，首先通过一个接触器作为整个电路的通断开关。

电动机三相U、V、W接在变频器的输出端口，输入端口L1、L2、L3通过A级滤波器连接在交流接触器KM1上。

由于电机在转动过程中会产生大量热量，故主电路中还接了一个风机，起到冷却泵的作用，变频电机的风机则通热继电器FR41连接在交流接触器KM42上，再连接到交流接触器KM41的电网上。

接下来是变频电机简单的起、停、开闭环、变频调速电器控制线路。

其控制线路说明如下：

QF41为空气断路器，当空气开关闭合，没有按下启动按钮SB41时，交流接触器KM41处于断开状态；当按下起动按钮SB41时，接通交流接触器KM41，KM41继电器通电，交流接触器KM41保持通电状态，可编程序控制器运行，输出端给变频器一个启动信号，电源指示灯HR4亮。

在运行中按下停止按钮SB42，则KM41继电器断电，交流接触器KM41断开。

电机风机的控制电路用到了变频器的两个控制点RL1-B和RL1-C，当变频器通电时，这两点自动接通，交流接触器KM42的线圈也接通，风机开始运转，同时我们还用了热继电器FR41，用于过载保护。

在加速和减速过程以外，电机一直是稳速运行。

变频电机的加速、减速、慢速和稳速运行全部都由变频器控制。

加速和减速过程时间的长短，以及稳速值的大小由人为在变频器中根据需要设定。

图2.1变频调速系统总电气图

2.2控制电路的设计

图2.2控制电路图

总体控制要求：

PLC根据输入端的控制信号及脉冲信号，经过程序运算后由通讯端口控制变频器运行设定的行程；电机运行到减速值后开始减速；电机运行到设定值后停止运行并锁定。

2.3保护电路的设计

当主电路电流超过某一数值后（2A左右），由9R3，9R20上取得的过流信号电压超过