PLC在多段调速系统中的应用.docx

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PLC在多段调速系统中的应用

《可编程控制器技术》课程设计任务书

一、设计题目

PLC在多段调速系统中的应用

二、设计主要内容

在工业应用控制中，经常用到多段速度控制实际生产设备，用参数将多种速度预先设定，用输入端子进行转换。

如恒压供水、电梯速度控制等。

本课题要求设计一个由PLC、变频器、异步电动机组成的变频调速控制系统，完成PLC接线图和控制梯形图的设计。

学习力控组态组态软件，进行监控界面的设计，利用实验室设备完成PLC端子和变频器、异步电动机的接线，并进行运行调试。

具体设计内容如下：

1、掌握FR-S540变频器的基本工作原理

（1）了解变频器的基本结构及工作原理；

（2）掌握变频器各参数的意义及设置方法；

（3）掌握变频器操作面板的基本操作。

2、三相异步电动机3速系统控制设计

用PLC、变频器设计一个电动机的三速运行的控制系统。

其控制要求如下：

按下起动按钮，电动机以30Hz速度运行，5s后转为45Hz速度运行，再过5s转为20Hz速度运行，按停止按钮，电动机即停止。

FR-S540变频器的设定参数：

（1）上限频率Pr1=50Hz；

（2）下限频率Pr2=0Hz；

（3）基底频率Pr3=50Hz；

（4）加速时间Pr7=2s；

（5）减速时间Pr8=2s；

（6）电子过电流保护Pr9=电动机的额定电流；

（7）操作模式选择（组合）Pr79=3；

（8）多段速度设定（1速）Pr4=20Hz；

（9）多段速度设定（2速）Pr5=45Hz；

（10）多段速度设定（3速）Pr6=30Hz。

3、三相异步电动机15段速度运行系统控制设计

按下启动按钮，可选择工频/变频控制，能实现自动控制和手动控制（自动转换频段/手动输入频段），并可实现高、低速转换。

4、监控界面的设计

监控界面实现自动控制和手动控制（自动转换频段/手动输入频段），并可实现高、低速转换。

能够对设备的运行状态进行监控。

三、原始资料

1、变频器的基本工作原理

交－直－交变频器的基本构成

2、FR-S540变频器的基本参数

（1）输出频率范围（Pr.1、Pr.2），Pr.1为上限频率，Pr.2为下限频率。

（2）多段速度运行（Pr.4、Pr.5、Pr.6、Pr.24～Pr.27），

（3）加减速时间（Pr.7、Pr.8、Pr.20），

（4）电子过电流保护（Pr.9），Pr.9用来设定电子过电流保护的电流值，以防止电动机过热，故一般设定为电动机的额定电流值。

（5）起动频率（Pr.13），

（6）适用负荷选择（Pr.14），

（7）点动运行（Pr.15、Pr.16），

（8）参数写入禁止选择（Pr.77），

（9）操作模式选择（Pr.79），

3、FR-S540变频器的各电路的接线端子

4、七段速度对应的端子

5、15段速度对应的端子

6、课程设计使用设备

（1）变频器1台（三菱FR-S540）；

（2）三相异步电动机1台；

（3）导线若干；

（4）PC机；

（5）电位器1个（2W/1kW）；

（6）PLC实验控制台。

四、要求的设计成果

（1）根据控制要求进行电气控制系统硬件电路设计。

（2）完成PLC、变频器、异步电动机组成的变频调速控制系统的软件设计。

（3）利用实验室设备进行运行调试。

（4）编写《可编程控制器技术课程设计》报告，课程设计报告内容包括：

①设计方案、课程设计过程和设计思想、方法、原理。

②用A4图纸绘制PLC控制系统的电气原理图（可用绘图软件也可手绘）。

③PLC控制程序（梯形图和指令表），有程序说明。

④参考资料、参考书及参考手册。

⑤其他需要说明的问题，例如操作说明、程序的调试过程、遇到的问题及解决方法、对课程设计的认识和建议等。

⑥《可编程控制器技术课程设计》报告可以手写，也可以用电脑编排打印，报告格式按照《华中科技大学武昌分校课程设计管理办法》执行。

课程设计报告要求内容正确完整，图表清晰，叙述简明，语句通顺，字数不得少于2000汉字。

⑦课程设计报告按封面、任务书、设计说明书、图纸、实物照片贴页（实物照片贴在A4复印纸上）、成绩评定表的顺序装订。

五、进程安排

内容

时间

下达课程设计任务书。

讲解课程设计的任务与要求、进度安排、指导时间、注意事项、提供参考资料。

学生到实验室熟悉设备。

1天

搜集资料、方案论证、初步设计。

1天

系统设计、绘制系统控制原理图、接线图及软件编程。

2天

利用实验室设备完成控制系统的硬件接线工作，运行控制程序，进行运行调试。

3天

方案优化、总结完善、整理资料、撰写课程设计报告

2天

答辩、课程设计总结。

1天

共计

10天（2周）

六、主要参考资料

[1]马小军.可编程控制器及其应用.南京:

东南大学出版社，2007.

[2]姚锡禄.变频器技术应用.北京：

电子工业出版社，2009.

[3]巫莉.电气控制与PLC应用.北京：

中国电力出版社，2008.

[4]曹辉，马栋萍.组态软件技术及运用.北京：

电子工业出版社，2009.

指导教师（签名）：

20年月日

1.课程设计题目及要求……………………………………………………………………1

1.1题目……………………………………………………………………………………1

1.2控制要求…………………………………………………………………………………1

1.3系统总体方案设计………………………………………………………………………1

2.变频器工作原理……………………………………………………………………………2

2.1变频器的基本工作原理……………………………………………………………………2

2.2FR-S540型变频器的结构特点……………………………………………………………2

2.3FR-S540型变频器的参数及参数设置方法………………………………………………3

3.PLC工作原理…………………………………………………………………………………6

3.1PLC工作原理及扫描工作方式……………………………………………………………6

3.1.1PLC工作原理……………………………………………………………………………6

3.1.2扫描工作过程……………………………………………………………………………6

3.2FX2N-48MR型PLC…………………………………………………………………………7

4．控制系统设计…………………………………………………………………………………9

4.1PLC控制电路图……………………………………………………………………………9

4.2多段转速控制………………………………………………………………………………9

4.3PLC（I/O）分配……………………………………………………………………………10

4.4程序设计…………………………………………………………………………………11

5．监控界面的设计……………………………………………………………………………16

5.1监控软件介绍……………………………………………………………………………16

5.2监控界面的制作过程……………………………………………………………………17

5.2.1本次力控组态软件介绍………………………………………………………………17

5.2.2设计流程………………………………………………………………………………17

6．运行调试……………………………………………………………………………………22

7．总结…………………………………………………………………………………………23

8.参考文献……………………………………………………………………………………25

9.附录1多段调速系统硬件接线图…………………………………………………………26

附录2多段调速PLC控制梯形图…………………………………………………………27

附录3实物照片

……………………………………………………………………………30

1课程设计题目及要求

1.1题目

PLC在多段调速系统中的应用

1.2控制要求

按下起动按钮，电动机以30Hz速度运行，5s后转为45Hz速度运行，再过5s转为20Hz速度运行，按停止按钮，电动机即停止。

按下启动按钮，可选择工频/变频控制，能实现自动控制和手动控制（自动转换频段/手动输入频段），并可实现高、低速转换。

监控界面实现自动控制和手动控制（自动转换频段/手动输入频段），并可实现高、低速转换。

能够对设备的运行状态进行监控。

1.3系统总体方案设计

如下图1-1所示

组态软件PLC变频器电机

图1-1系统结构图

如图所示，我们先要弄清楚变频器的结构特点以及如何对电机进行调速。

然后要编写PLC的控制梯形图，完成PLC对变频器的控制。

最后要学会组态软件的使用，完成组态软件对PLC的控制。

2变频器工作原理

2.1变频器的基本工作原理

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。

我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

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。

通用变频器一般都采用交——直——交的方式组成，其基本工作原理如下图2-1所示：

图2-1变频器基本工作原理

2.2FR-S540型变频器的结构特点

如图2-2所示

图2-2FR-S540型变频器的结构特点

变频器有内部模式（pu）和外部模式（exit）。

FR-S500没有通讯模块，在PU模式可以直接控制电机高低速转换，这就不需要plc控制。

我们采用exit外部模式，所有的信号由plc输入到变频器，这样就可以直接实现自动与手动的切换，同时从一速到七速的频率在变频器外部模式下根据特定的参数设定好。

2.3FR-S540型变频器的参数及参数设置方法

变频器的设定参数多，每个参数均有一定的选择范围，使用中常常遇到因个别参数设置不当，导致变频器不能正常工作的现象。

控制方式：

即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。

采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。

说明：

SD-公共端接PLC的COM口，

RH-高速输出（变频器原始设置是50HZ）接PLC程序控制的三速输出Y24

RM-中速输出（变频器原始设置是30HZ）接PLC程序控制的二速输出Y23

RL-低速输出（变频器原始设置是20HZ）接PLC程序控制的一速输出Y22

变频器四速到七速的输出有RH,RM,RL组合

变频器多速组合输出如下图2-3所示：

图2-3变频器多速组合输出

由于现在一般的电机都是按工频50HZ制造而成，因此频率设置参数如下表2-4：

exit（外部）模式

频率

Pr.6（低速）

10HZ

Pr.5（中速）

15HZ

Pr.4（高速）

20HZ

Pr.24（四速）

25HZ

Pr.25（五速）

30HZ

Pr,26（六速）

35HZ

Pr.27（七速）

40HZ

表2-4频率设置参数

在界面上可以直接操作：

鼠标直接点击手动或自动，在选择点击正转或反转，最后点击启动。

点击手动时，在电机启动后可以直接用鼠标点击1速到7速，同时变频器显示模块会显示对应的频率，点击停止后电机马上停下来。

点击自动时，电机自动从1速运行到7速，最后保持在7速，每一次速度变化时，变频器显示模块上频率相应变化，可以明显看出来。

需要点击自动复位，电机才会回到1一速，在慢慢运行到7速，点击停止后，电机马上，显示模块频率会马上降到0。

FR-S540型变频器参数设置见下图2-5,2-6

图2-5FR-S540型变频器参数设置

图2-6FR-S540型变频器参数设置

3PLC工作原理

3.1PLC工作原理及扫描工作方式

3.1.1PLC工作原理

当PLC运行时，是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作，但CPU不可能同时去执行多个操作，它只能按分时操作（串行工作），每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。

由于CPU得运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时（并行）完成的。

这种串行工作过程称为PLC的扫描工作方式。

用扫描工作方式执行用户程序时，扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户程序，直到程序结束。

然后再从头开始扫描执行，周而复始地重复运行。

PLC的扫描工作方式与电气控制的工作原理明显不同。

电气控制装置采用硬逻辑的并行工作方式，如果某个继电器的线圈通电或断电，那么该继电器的所有常开和常闭触点不论处在控制线路的哪个位子上，都会立即同时动作；而PLC采用扫描工作方式（串行工作方式），如果某个软继电器的线圈被接通或断开，其所有的触点不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。

但由于PLC的扫描速度快，通常PLC与电气控制装置在I／O的处理结果上并没有什么差别。

3.1.2扫描工作过程

扫描过程如图3-1

图3-1扫描过程

PLC的扫描工作过程出除了执行用户程序外，在每次扫描工作过程中还要完成内部处理、通信服务工作。

如上图所示，整个扫描过程包括内部处理、通信服务、输入采样、程序执行、输出刷新五个阶段。

整个过程扫描执行一遍所需的时间称为扫描周期。

扫描周期与CPU运行速度、PLC的硬件配置及用户程序长短有关，典型值为1～100ms。

在内部处理阶段，进行PLC自检，检查内部硬件是否正常，对监视定时器（WDT）复位以及完成其他一些内部处理工作。

在通信服务阶段，PLC与其他智能装置实现通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等。

当PLC处于停止（STOP）状态时，只完成内部处理和通信服务工作。

当PLC处于运行（RUN）状态时，除完成内部处理和通信服务工作外，还要完成输入采样、程序执行、输出刷新工作。

PLC的扫描工作方式简单直观，便于程序的设计，并为可靠运行提供了保障。

当PLC扫描到得指令被执行后，其结果马上就被后面将要扫描到的指令所利用，而且还可以通过CPU内部设置的监控定时器来监视每次扫描是否超过规定时间，避免由于CPU内部故障使程序执行进入死循环。

3.2FX2N-48MR型PLC

PLC主机如下图3-2

图3-2PLC主机

FX2N系列PLC外部结构

三菱公司的FX系列PLC是比较具有代表性的微型PLC，除具有基本的指令表编程以外，还可以采用梯形图编程及对应机械动作流程进行顺序设计的SFC

（SequentialFunctionChart）顺序功能图编程，而且这些程序可以相互转换。

在FX系列PLC中设置了告诉计数器扩大了PLC的应用领域。

FX2N系列PLC的硬件结构可以参考图中带扩展模块的PLC，途中表示出主机如何扩展，通信接口位置等。

图3-3为详细I/O端子编号。

采用继电器输出，输出侧左端4个点公用一个COM端，右边多输出点公用一个COM端。

输出的COM比输入端要多，主要要考虑负载电源种类较多，而输入电源的类型相对较少。

对于晶体管输出其公用端子更多，下图还有FX2N-16MT的输出端子。

图3-3详细I/O端子编号

FX2N-48MR特点：

节省空间：

其体积仅相当于以前ANS系列PLC60%。

安装灵活：

有多种主基板和扩展基板供选择。

高性能模块：

提供有多种特殊功能模块，功能更为强大。

并且有相关设置软件，编程及调试更加方便。

（3）FX2N-48MR表示的意义：

FX2N---48MR

1②③④

①表示PLC系列名称；②表示输入输出点数总和，2N系列的点数总和时对半分的，故这里表示有24点输入，24点输出；③表示单元种类：

M—基本单元，E—输入输出混合扩展单元，EX—输入专用扩展模块，EY—输出专用扩展模块；④表示输出形式：

R—继电器输出，S—晶闸管输出，T—晶体管输出。

4控制系统设计

4.1PLC程序流程图

如图4-1

开始

是否手动Y切换到手动

N

速度1

定时5秒

速度2

定时5秒

速度3

定时5秒

速度4

定时5秒

速度5

定时5秒

速度6

定时5秒

速度7

复位

停止

图4-1PLC程序流程图

4.2多段转速控制

变频器每个输出频率的档次需要由三个输入端的状态来决定，而操作人员切换转速所用的开关器件每个档次只有一个触点。

所以必须解决好转速选择开关的状态和变频器各控制端状态间的变换问题。

变频器输出的7档（或15档）转速对应于变频器的3个输入端的状态如下图4-2,4-3所示：

图4-2变频器输出7档转速

图4-3变频器输出15档转速

4.3PLC（I/O）分配

设计的I/O分配如下表4-4

X000

启动

X001

电机正转

X002

电机反转

X003

复位

X004

停止

X005

一速

X006

二速

X007

三速

X010

手动控制

X011

自动控制

Y020

电机正转输出

Y021

电机反转输出

Y022

一速输出

Y023

二速输出

Y024

三速输出

Y001

四速输出

Y002

五速输出

Y003

六速输出

Y004

七速输出

表4-4I/O分配

4.4程序设计

调速系统由上位机和下位机组成。

下位机由plc控制变频器，同时由变频器实现电机的调速；上位机由组态软件实行监控。

下位机组成的变频调速系统主要由两部分组成：

手动控制和自动控制。

手动控制可以使电机选择正转或者反转，同时在一速到七速这七个速度之间自由切换。

自动控制是首先选择电机正转或者反转，在接着从低速一直慢慢升到高速，通过复位可以使电动机自动从高速在降到低速。

最后自动控制停止后可以直接切换到手动控制。

根据要求将整个系统分为各个模块进行设计介绍。

（1）手动控制设计

根据所学对手动与自动切换采用主控指令[MCN0M20]…[MCRN0]与[MCN0M1]…[MCRN0]将两者分开执行。

对于手动程序此处采用经验设计法：

经验设计法也叫试凑法，经验设计法需要设计者熟练掌握一些常见的典型电路，在此基础上再根据被控对象对控制的要求，将实际问题分解成典型控制，不断地修改和完善梯形图，直到满足要求为止。

经验设计法对于一些比较简单的或与某些典型程序相类似的控制系统的设计是比较奏效的，可收到很好的效果。

但由于该方法主要靠设计人员的经验进行设计，没有普遍的规律可循，设计用的时间、设计的质量与编程者的经验有较大关系，故对设计人员的要求较高，最好有一定的实践经验、对工业控制系统和工业上常用的各种典型环节比较熟悉，对于完成本系统的要求用经验设计法显得简单、易懂。

手动程序如下：

梯形图分析如下：

当按下X010,通过主控线圈指令[MCN0M20]进入手动程序，当按下X000启动,当X001或X002得电时选择电机正转输出（Y20）或反转输出（Y21），并正反转闭锁。

当正转输出（Y20）或反转输出（Y21）得电时，X005,X006,X007可以选择一速（Y22），二速（Y23），三速（Y24）输出。

对于四速（Y001）,五速（Y002），六速（Y003）,七速（Y004）输出由一速，二速，三速这个三种速度的输出线圈得电状态组合而完成，通过控制X005,X006,X007三个输入开关的闭合并进行组合，可以随便选择七个速度中任意一个速度。

其组合如下表4-5：

0表示断开，1表示合上。

最后是主控复位线圈指令MCR。

以下自动控制也有如下得电组合状态。

输出╲输入

X005

X006

X007

一速（Y022）

1

0

0

二速（Y023）

0

1

0

三速（Y024）

0

0

1

四速（Y001）

1

1

0

五速（Y002）

1

0

1

六速（Y003）

0

1

1

七速（Y004）

1

1

1

表4-5得电组合状态

（2）自动控制设计

自动控制设计是让电机由一速运行一段时间（通过延时继电器完成）后过渡到二速再延时一段过渡到三速，按这种思路逐步运行下去直到七速，并由复位开关实现停转。

这部分采用顺控步进程序完成设计。

顺序控制就是按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，使生产过程中各个执行机构自动而有序地进行工作。

顺序控制法亦称步进控制设计法，同时作为一种先进的设计方法，易被初学者接受，对于有经验的工程师，也会提高设计效率，方便程序的调试、修改和阅读。

采用顺序控制设计法进行程序设计的基本步骤及内容包括划分“步”、确定转换条件、绘制顺序功能图、编写梯形图程序四个部分。

设计程序如下：

当按下X011,通过主控指令进入自动程序，并使S0成为活动步，在这时按下X000（启动）后选择的按下X001（正转）或X0002（反转），实现电机正转或反转。

再通过Y020或Y021得电，使S20成为活动步。

在此处设定一个时间继电器T20，延时0.1S后使S0失电保证不使S0始终活动，使自动程序准确运行。

同样分析当S20成为活动步，按下X001或X002,电机有正或反转输出同时进入一速运行（由于M8000:

运行监控，常开接点，PLC在运行RUN时接点闭合，以下出现M8000均是如此分析。

），并在此时使延时继电器T0得电。

。

通过T0得电延时0.1S后使S21成为活动步，电机有正或反转输出并进入二速运行，在此时使延时继电器T1得电。

延时0.1S后延时继电器T1闭合使S22成为活动步，电机有正或反转输出，并进入三速运行，在此时使延时继电器T2得电使S23成为活动步。

当S23成为活动步后，电机有正或反转输出，并通过Y022和Y023同时得电而Y024不得电配合来控制变频器状态（见得电状态表4-4）进而使电机进入四速运行状态。

并通过延时继电器T3使S24成为活动步。

当S24成为活动步后，电机有正或反转输出，并通过Y022和Y024得电而Y023不得电根据此时得电状态控制变频器状态（见得电状态表4-4）进而使电机进入五速运行状态。

并通过延时继电器T4使S25成为活动步。

当S25成为活动步后，电机有正或反转输出，并通过Y023和Y024而Y022不得电，根据得电状态控制变频器状态进而使电机进入六速运行状态（见得电状态表4-4）。

并通过延时继电器T5使S26成为活动步。

当S26成为活动步后，电机有正或反转输出，并并通过Y022、Y023和Y024得电通过得电状态控制变频器输出状态（见表4-4）进而控制电机进入七速运行。

当按下X003使S0成为活动步返回起始运行状态。

并注意在步进结束时加RET。

当按下X004后，S0到S26全部复位失电，电机停转。

在程序末尾加上END结束。

5监控界面的设计

5.1监控软件介绍

组态软件，又称组态监控软件系统软件。

译自英文SCADA,即SupervisoryControl