基于PLC的电机变频调速控制.docx

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基于PLC的电机变频调速控制

毕业设计（论文）

课题名称：

基于PLC的电机变频调速控制

系部：

电子电气工程系

班级：

姓名：

学号：

指导教师：

2012.5.25

摘要

在本次的基于PLC的电机变频调速控制设计中，我们的设计系统主要由PLC、A/D转换器D/A转换器、变频器、触摸屏、传感器、电动机等几部分组成。

经过本次设计，一起讨论研究，使我对所有器件有了新的认识，尤其对PLC有了更多的了解：

PLC是能进行行逻辑运算，顺序运算，计时，计数，和算术运算等操作指令，并能通过数字式或模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程的工业计算机。

首先我们查阅各个器件的资料，先对其有个明确的认识，然后通过老师的指点明白了整个系统的大概工作原理框图后，通过学习资料与老师指点将硬件设备连接成功。

接着通过学习GXdeveloper编程软件将所用设备用程序将其连在一起，然后在实验室调试和外部线路的连接最终完成项目的全部工作，并制作成功样机一台。

对于这次的设计，与以前的相比，相差甚大，本次设计更具有价值，每一点成果都是我们查阅资料，一起研究，和老师指导，完成的。

本文综合应用电子学与机械学知识去解决基于可编程控制器的变频调速系统，本次设计选用三相异步交流电机，而PLC和交流电机无论在工业还是生活中都是应用最广，因此本次设计具有相当的实用价值。

关键词：

PLC、变频器、触摸屏、传感器、A/D、D/A转换器

第一章概述

1．1PLC的应用领域

作为通用工业控制计算机，30多年来，可编程控制器从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃，其功能从弱到强，实现了逻辑控制的到数字控制的进步，其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及离散控制等各种任务的跨越。

今天的可编程控制器正在成为工业领域的主流控制设备，在世界工业控制中发挥着越来越大的作用。

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算的电子装置。

它采用可编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序运算，计时，计数，和算术运算等操作指令，并能通过数字式或模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁，石油，化工，电力，建材，机械制造，汽车，轻纺，交通运输，环保文化娱乐等各个行业。

使用情况可分为下列几类：

〔一〕开关量的逻辑控制

它PLC最基本的功能、最广泛的应用领域，取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，即可用于单台设备的控制，又可以用于多机群控及自动化流水线。

所控制的逻辑可以是各种各样的，如时序的、组合的、计数的、不计数的等，控制的输入输出的点数可以不受限制，少则10点、几十点、多则成千上万点，并可以通过联网来实现控制。

〔二〕模拟量的闭环控制

PLC具有A/D、D/A转换算术运算功能，因此可实现模拟量控制，有的PLC还具有PID调节控制或模糊控制的功能。

可用于闭环的位置控制速度控制和过程控制。

〔三〕数字量的智能控制

利用PLC能接收和输出高速脉冲的功能，在配置相应的传感装置（如旋转编码器）或脉冲伺服装置（如环行分配器、公放、步进电机）就能实现数字量的智能控制。

较高级的PLC还专门开发了位控单元模块、运动单元模块等。

可实现曲线插补。

新开发的运动单元还能识别数控技术的编程语言，为PLC进行数字量的智能控制提供了方便。

〔四〕数据采集与监控

PLC实现控制时，可把现场的数据实时的显示出来或采集保存下来，供进一步的分析研究。

较普遍使用的是PLC加上触摸屏，可随时观察采集来的数据。

〔五〕通讯、联网及离散控制：

PLC通讯联网能力很强，除了PLC和PLC之间的通信联网外，PLC还可以与计算机进行通讯联网，计算机来实现对其编程和管理。

PLC还可以与计算机进行联网通讯，计算机来实现对其编程和管理。

PLC也能与智能仪表，智能执行装置（如变频器的）进行通信和联网，互相交换数据并对其实施控制。

1．2变频器的分类

变频器在国民经济的各部门得到了广泛的应用。

从使用对象的角度，变频器可分为通用变频器和专用变频器。

专用变频器用于特定的控制对象，例如机床的主轴、进给部分的控制器等。

通用变频器是相对专用变频器而言的，我们通常把系列化、批量化、占市场量最大的中小功率变频器称为通用变频器。

通用一词有两方面含义：

一是这种变频器可用以驱动通用性交流电机，而不一定使用专用变频电机；二是通用变频器具有各种可供选择的功能，能适应许多不同性质的负载机械。

由于通用变频器强调通用性，其性能可以满足大多数生产机械调速控制的需要，而且比专用变频器价格便宜，所以它适用于不同的场合。

通用变频器和异步电机结合起来，实现了对生产机械的调速传动控制，在很多文献中都简单的称其为变频器传动。

变频器传动具有它固有的优势，应用到不同的生产机械或设备上，可以体现出的功能，达到不同的目的，收到相应的效益。

在一切需要进行速度控制的场合，变频器传动以其操作方便、体积小、控制性能高而成为目前世界上最受欢迎的调速方式，它的优越性已带来了巨大的社会效益和经济效益。

静止式变频器从主电路的结构形式上又可分为两种：

交-直-交型和交-交型。

（1）交-直-交型变频器：

它根据直流部分电流，电压的不同形式，又可分为电压型和电流型两种。

由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率，所以其主要优点是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响，它主要适用于中、小容量的交流传动系统。

与其相比，电流型变频器施加于负载上的电流值稳定不变，其特性类似于电流源，它主要应用在大容量的电机传动系统以及大容量风机、泵类节能调速中。

（2）交-交型变频器：

它的功能是把一种频率的电直接变成另一种频率的交流电。

由于中间不经过直流环节，不需换流，因而多用于低速大功率系统中，如回转窑，轧钢机等。

但这种控制方式决定了最高输出频率只能达到电源频率的1/3~1/2，所以不能高速运行。

1．3本课题的意义

本次设计主要以PLC和变频器为主，PLC是能进行行逻辑运算，顺序运算，计时，计数，和算术运算等操作指令，并能通过数字式或模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程的工业计算机。

它灵活、通用、I/O接口丰富，可靠性高、抗干扰能力强，编程简单、使用方便，设计施工周期短、接线简单、维护工作量小，体积小，重量轻、能耗低、易于实现机电一体化，联网方便，便于系统集成。

变频器操作方便、体积小、控制性能高而成为目前世界上最受欢迎的调速方式，在工业工厂中应用十分广泛，所以本次设计课题为我们今后到工厂发展打下很好的铺垫，很有实用价值。

第二章应用器件的介绍

2．1PLC的工作原理和结构

可编程控制器的工作原理与计算机的工作原理基本上是一致的。

但PLC装入了专用程序后成为一种专用机，它采用循环扫描的方式，系统工作任务管理，及应用程序执行都是循环扫描方式来完成的。

PLC系统正常工作所要完成的任务如下：

1．计算机内部各个工作单元的调度，监控；

2．计算机与外部设备间的通讯；

3．用户程序所要完成的工作；

PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”作为编程语言。

梯形图、语句表和控制系统流程图等是PLC常用的编程语言。

有些PLC还尝试使用高级语言编程。

在使用PLC进行顺序控制时，首先应根据控制动作的顺序，画出梯形图，然后将其翻译成相应的PLC指令，用编程器将程序写入PLC的内存RAM中，对程序进行调试，发现错误可用变成器进行修改，直到程序调试正确无误为止。

最后将程序写到PLC的只读存储器EEPROM中。

PLC投入运行后，便进入程序执行过程。

在一个扫描周期内，程序执行过程分3个阶段：

输入采样、程序执行和输出刷新。

在输入采样阶段，PLC以扫描方式将所有输入端的输入信号读到输入映像寄存器中存起来，接着转人程序执行阶段。

在程序执行阶段，PLC按照顺序进行扫描，如果程序是用梯形图来表示，则扫描顺序总是先上后下，先做后右。

每扫描到一条指令，所需的状态分别从输入映像寄存器中读出，而将执行结果写入元素影响寄存器中当程序执行完后，进入最后一个阶段----输出刷新。

将元素映像寄存器中的所有输出继电器的状态转存到输出琐存电路，驱动用户设备（或负载）工作。

PLC寄存器EEPROM的程序随时可以擦除和修改。

如果改变程序外部端口接线，有可以重新组成一个新的系统。

PLC是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的，并逐步发展成以微处理器为核心的，把自动化技术、计算机技术、通讯技术容为一体的新型工业自动控制装置。

早期的PLC只能进行逻辑控制、还能完成模拟量的控制、数值控制、过程监控和通信联网等功能。

PLC因具有程序可变、可靠性高、功能强、环境适应性好、抗干扰能力强、体积小和重量轻等特点而在机电一体化系统中得到广泛的应用。

PLC的系统框图

工业控制计算机（PLC）其硬件结构主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）输入输出器件（I/O）接口、电源及编程设备几大部分组成。

中央处理器是可编程控制器的核心，他在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统工作等任务。

可编程控制器中采用的CPU一般有3大类，一类通用微处理器、一类为单片机芯片、还有位处理器。

一般来说CPU的位数越高，档次越高，运算速度越快，指令功能越强。

现在常用的可编程控制器多为8位或16位机，一般中型的PLC有2个CPU，字处理器和位处理器。

存储器是可编程控制器存放系统程序，用户程序及运算数据的单元。

和一般计算机一样，可编程控制器的存储器只有只读存储器（ROM）和随机读写存储器（RAM）只读存储器是用来保持那些需永久保存，即使机器掉电也后也保存程序即数据的存储器。

一般分为掩膜只读存储器和可编程电改写只读存储器。

只读存储器用来存放系统程序。

随即读写存储器的特点是写入与擦除都很容易，但在掉电情况下存储器的数据就会丢失，一般用来存放用户与系统运行中产生的临时数据，为了能使用户程序及某些运算数据在可编程控制器脱离外界电源后也能保持，在实际使用中都为一些重要的随机读写存储器配备电池或电容等掉电保持装置。

输入输出接口是可编程控制器和工业控制现场个类信号连接的部分。

（1）模拟量输入电路框图

（2）模拟量的输出原理图

可编程控制器的电源包括为可编程控制器个工作单元供电的开关电源即为掉电保护电路供电后备电源。

2．2A/D转换器、D/A转换器的作用与原理

A/D转换器的作用是将模拟量转换成数字量。

在A/D转换过程中，输入的是时间上、幅值上都是连续的模拟量，而输出的则是时间上，幅值上均离散的数字量，因此，要把模拟量转换成数字时需经采样、保持、量化、编码四个步骤：

（A/D转换原理框图）

D/A转换器的作用是将数字量转换成模拟量。

D/A转换器实际上是一个由运算放大器构成的模拟加法器，基准电压经不同的权位二进制数控制的电子开关和相应电阻网络后做为各个不同比例的输入电压由运放相加，作为模拟量的输出。

（A/D、D/A在工业控制系统中的作用）

2.3变频器的工作原理及其组成结构

变频器是指可以用于改变电源频率，同时也能改变电源电压的电能转换的装置。

它是由电力电子器件（例如整流模块、IGBT）、电子器件（集成电路、开关电源、电阻、电容器等）和微处理器等组成。

变频器使用时串联接在输出端（R、S、T）和电动机输出端（U、V、W）之间，通常变频器的功率范围为0.75-500KW（大于此功率值建议选用中压电动机及中压变频器）。

交流电动机调速控制变频器的最早形式是用旋转发电机组作为可变频率的电源，供给交流发电机。

随着电力半导体器件的发展，静止式的变频电源以成为了变频器的主要形式。

2．4触摸屏的作用与工作原理

触摸屏人机界面是在操作人员和机器设备之间双向沟通的桥梁，用户可以自由的组合文字，按钮，图形，数字等来处理或监控管理及应付随时可能变化信息的多功能显示屏幕。

随着机械设备的飞速发展，以往的操作界面需要由熟练的操作人员才能操作，而且操作困难，无法提高工作效率。

但是使用人机界面能够明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变得简单生动，并且可以减少操作上的失误，即使是新手也可以很轻松的操作整个机器设备。

使用人机界面还可以使机器的配线标准化，简单化，同时也能减少PLC控制所需的I/O点数，降低生产成本同时由面板控制的小型化及高性能，相对提高了整套设备的附加价值。

为了操作上的方便，人们用触摸屏来代替鼠标或键盘。

工作时，我们必须首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。

触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。

2．5PID的的作用

PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。

比例（P）调节作用：

是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。

比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。

积分（I）调节作用：

是使系统消除稳态误差，提高无差度。

因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。

积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。

反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。

积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。

微分（D）调节作用：

微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。

因此，可以改善系统的动态性能。

在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。

微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。

此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。

微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。

第三章总体组合电路的设计

3．1本次设计的工作过程，首先用将计算机里的一个数字量传送到PLC中，PLC在传送到D/A转换器中，经过转换，D/A转换器输出模拟量到变频器中（输出0-5V的电压），通过变频器控制电动机工作。

工作后，本学校的实验室电动机上接有传感检测器将速度的模拟量输送到A/D转换器中，经过转换，输出数字量传到PLC中，在PLC中经PID调节，使其更准确，构成一个闭环负反馈控制系统。

通过触摸屏对系统进行监控。

总体结构设计图

总体设计流程图

3．2设计器件的选用

在本次设计主要以三菱型号的器件为主：

PLC我们选用三菱的FX2N——48MR

FX2N系列可编程控制器:

·控制规模：

16~256点

·内置8K容量的EEPROM存储器,最大可以扩展到16K

·CPU运算处理速度0.55~0.7μS/基本指令

·在FX2N系列右侧可连接输入输出扩展模块和特殊功

能模块

·基本单元内置2轴独立最高100kHz定位功能（晶体管

输出型）

变频器我们选用三菱变频器S500系列-简单易用型

三菱变频器S500系列-简单易用型

功率范围:

0.4～3.7KW（三相380V，FR-S540系列）

0.2～1.5KW（单相220V，FR-S520S系列）

特点:

·自动转矩提升,实现6Hz时150%转矩输出。

·数字式拨盘,设定简单快捷。

·柔性PWM,实现更低噪音运行。

·15段速,PID,4-20mA输入和漏、源型转换等多项能

·可提供RS-485通信功能的机型FR-S520S-口K-R（可

通过电缆接FR-PU04面板）及FR-S540-口K-CHR

（可通过电缆接FR-PA02-02面板）。

变频器的端子接线图

A/D，D/A转换器我们选用三菱的2AD和三菱的2DA。

2AD外部结构图

2AD内部结构图

2DA内部结构图

触摸屏我们选用eView500系列触摸屏人机界面

电动机我们选用三相异步交流电动机。

三相异步电动机的基本构造图

保护器件我们选用三相自动空气开关。

3．3外部设备的连接

3．4软件编程设计

3．4．12DA转换器的程序

当计算机输入一个数字量传送到PLC中，PLC在传送到D/A转换器中转换，将转换好的输出模拟量（0-5V电压）输送到变频器中，通过变频器控制电动机工作（在使用变频器时，最基本要接正转或反转）2DA转换还需要自己编的D/A转换程序才能完成的。

我们使用的2DA转换器的精度只有12位。

2DA转换器程序梯形图

开关X010、X011、X012其中一个闭合，是选择一个数字量移到PLC的D502寄存器中。

当X000闭合将D502中的数字量输送到M100-M115的16位，在输出到D/A转换器K16通道输入低8位，然后在K17通道选择保持，再将高四位输送到K16通道中，然后在K17通道选择通道2转换。

当X003通时，Y000得电，Y000接变频器的正转端口，所以电动机是正转。

当X004通时，Y001得电，Y001接变频器的反转端口，所以电动机是反转。

在正转与反转的选择上使用了互锁，和停止开关。

3．4．22AD转换器的程序与PID调节程序

当电动机上的传感将转速模拟量传送到A/D转换器中，转换后输出数字量到PLC中，在PLC中经PID调节使其更加准确，构成闭环控制系统。

2AD转换器的转换也需要自己编程的程序才能完成。

2AD转换器程序梯形图

PID调节程序梯形图

当X001闭合时，在A/D转换器的K17通道中，输入0选择通道1，在K17通道中输入1开始转换，然后读取K0通道中的低8位，数据转换，接着读取K1通道中的高4位，数据转换，最后将读取转换好的12位数移到PLC中。

当X005通时PID才能调节。

首先设置目标数，设置多长时间开始调节，设置采样时间，设置方向，滤波，有无微分增益，输出上下限制等参数，M0脉冲驱动M1闭合，开始调节，结果传送到D502寄存器中。

3．5触摸屏设计

触摸屏是控制与监控系统的装置。

第一个界面用元件里面的、位状态切换开关，设置数字量输入开关：

设备类型LB、设备地址0、后面每个设置的都要不同，输出地址：

设备类型X、设备地址010、（与程序中的开关对应），开关类型：

复归型开关、图形自选，标签：

600，易懂（打上所对应的数字量）状态号0，创建三个，在用功能键设制一个结束键和进入下一页的键（功能键属性：

切换基本窗口，窗口编号11）到下一页。

第二个界面用元件里的位状态开关，设置，正转开关X003、反转开关X004和停止开关XOO7。

在用元件里的位状态指示灯元件设置两个指示灯显示（监视）状态。

（正转）读取设备地址：

设备类型Y，设备地址0，功能选择：

闪烁状态为0图形、频率1。

（反转）读取设备地址：

设备类型Y，设备地址0，功能选择：

闪烁状态为0频率1。

在用功能键设置一个返回键和进入下一页的键和返回主页的键。

第三个界面，用元件里面的位状态开关设置D/A转换开关X000和A/D转换开关X001，PID调节开关X005。

属性和上面类型一样设置，在用功能键设置一个返回上一页的键和进入下一页的键。

第四章总结

我们的在学生生涯即将结束，在大学中我荒废了许多的宝贵时间，但我在第三年长大了，在这一学年中努力学习本专业的知识，今年也是实用东西收获最多的时候，通过参加这次毕业设计，真的幸运。

这与我想要得到实用技术的渴望，不谋而合，本次毕业设计是以可编程控制器的为主的内容：

PLC是能进行行逻辑运算，顺序运算，计时，计数，和算术运算等操作指令，并能通过数字式或模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程的工业计算机。

本次设计是要能够实现：

在计算机中输入一个数字量，传送到PLC的器中，PLC在传送到D/A转换器中转换，经过转换输出模拟量到变频器，通过变频器控制电动机的旋转。

，传感器输出模拟量传到A/D转换器中转换，经过转换输出数字量到PLC中，在PLC中用编好的PID程序控制PID调节，输出值控制变频器运转，构成一个闭环负反馈控制系统。

通过触摸屏对系统进行控制与监控。

通过本次设计学习，我学会可编程控制器变频调速的软件编程设计与设备的连接，和对所有器件有了更深的了解。

设计所应用到的知识和器件，与我的专业很对口，对我们机电专业的学生来说，为将来在PLC设计的发展中有了很好的铺垫。

本次设计我们经历了查资料，老师指导，2DA的软件编程，触摸屏的设计，PID学习，GXdeveloper编程软件的学习，在实验室的调试，最后成功，都是我们在老师指导下一起完成的。

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