基于PLC的变频调速系统设计课程设计

《电气控制与PLC》课程

设计说明书

基于PLC的变频调速系统设计

The variable frequency speed regulation system based on PLC design

学生姓名

学生学号

学院名称

专业名称电气工程及其自动化

指导教师

20111

3年2月日

摘要

本文主要介绍了研究和设计的基于可编程控制器的变频调速系统的成果，在本次的设计中，我的设计系统主要由PLC、变频器、电动机等几部分组成。经过本次设计和研究，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。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；电动机；调速

目录

1 引言 (1)

1.1 概述 (1)

1.2设计内容 (1)

2 系统的功能设计分析和总体思路 (2)

2.1 系统功能设计分析 (2)

2.2 系统设计的总体思路 (2)

3 PLC和变频器的选择 (3)

3.1PLC的概述 (3)

3.1.1 PLC的基本结构 (3)

3.1.2 PLC的工作原理 (4)

3.1.3PLC的型号选择 (5)

3.2变频器的选择和参数设置 (6)

3.2.1 变频器的选择 (6)

3.2.2 变频调速原理 (7)

3.2.3 变频器的工作原理 (7)

3.2.4 变频器的快速设置 (7)

4 开环控制设计及PLC编程 (8)

4.1 硬件设计 (8)

4.2 PLC软件编程 (9)

4.2.1设计步骤 (9)

4.2.2系统流程框图 (9)

4.2.3 程序的主体 (10)

4.2.4 控制程序T形图 (11)

5 PLC系统的抗干扰设计 (16)

5.1 变频器的干扰源 (16)

5.2 干扰信号的传播方式 (17)

5.3 主要抗干扰措施 (17)

5.3.1 电源抗干扰措施 (17)

5.3.2 硬件滤波及软件抗干扰措施 (17)

5.3.3 接地抗干扰措施 (18)

结论与心得 (18)

参考文献 (19)

附录 (20)

1 引言

1.1 概述

调速系统快速性、稳定性、动态性能好是工业自动化生产中基本要求。在科学研究和生产实践的诸多领域中调速系统占有着极为重要的地位特别是在国防、汽车、冶金、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。调速控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。

可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继续计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简朴，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。

1.2设计内容

（1）利用西门子S7-200PLC、EM235、西门子MM420变频器等硬件设计一个变频系统，可以控制电动机的正反转和停止，另外能够平滑地调节电动机的转速；

(2)用MCGS上位机软件界面给出频率设定值。

2 系统的功能设计分析和总体思路

2.1 系统功能设计分析

随着电力电子技术以及控制技术的发展，交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用；可编程控制器PLC作为替代继电器的新型控制装置，简单可靠，操作方便、通用灵活、体积小、使用寿命长且功能强大、容易使用、可靠性高，常常被用于现场数据采集和设备的控制；组态软件技术作为用户可定制功能的软件开发平台工具，可实现显示电机转速，可实现远程调速控制，在PC机上可开发友好人机界面，通过PLC可以对自动化设备进行“智能”控制。在此，本次设计就是基于PLC的变频器调速系统。将现在应用最广泛的PLC和变频器综合起来主要功能实现了变压变频调速。电机的正反转，加减速以及快速制动等。因此，该系统必须具备以下三个主体部分：控制运算部分、执行和反馈部分。控制运算主要由PLC和变频器来完成；执行元件为变频器和电机；反馈部分主要为速度反馈。

2.2 系统设计的总体思路

系统主要由三个部分构成，即可编程逻辑控制器件PLC、变频器和电机。首先通过设置给定输入给PLC，再通过PLC控制变频器，再经由变频器来控制电机，随后将电机的转速反馈给PLC，经比较后输出给变频器从而实现无静差调速。具体如下图所示：

图2-1速度闭环控制的机构控制图

3 PLC和变频器的选择

3.1PLC的概述

3.1.1 PLC的基本结构

可编程序控制器简称为PLC（Programmable Logic Controller）主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。（如下图3-1所示）

图3-1 PLC控制系统示意图

可编程序控制器实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控制系统相似，甚至与之无异。可编程序控制器主要由CPU（中央处理单元）、存储器（RAM和EPROM）、输入/输出模块（简称I/O模块）、编程器和电源五大部分组成。

1）CPU模块

CPU模块又叫中央处理单元或控制器，它主要由微机处理器（CPU）和存储器组成。CPU的作用类似于人类的大脑和心脏。它采用扫描方式工作，每一次扫描要完成以下工作：（1）输入处理：将现场的开关量输入信号和数据分别读入输入映像寄存器和数据寄存器。

（2）程序执行：逐条读入和解释用户程序，产生相应的控制信号去控制有关的电路，完成数据的存取、传送和处理工作，并根据运算结果更新各有关寄存器的内容。

（3）输出处理：将输出映像寄存器的内容送给输出模块，去控制外部负载。

2）I/O模块

I/O模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号。输入信号有两类：一类是从按钮、选择开关、数字开关、限位开关、接收开关、关电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的模拟量输入信号。

可编程序控制器通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器，可编程序控制器控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。

CPU模块的工作电压一般是5V，而可编程序控制器的输入/输出信号电压一般较高，如直流24V和交流220V。从外部引入的尖蜂电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使可编程序控制器不能正常工作，所以CPU模块不能直接与外部输入/输出装置相连。I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与噪声隔离的作用。

3）编程器