基于PLC模拟量的变频器闭环调速控制

漳州师范学院

课

程

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计

报

告

课题名称：PLC的变频闭环调速及其应用

姓名：林铭泰

学号:070505116

班级：07电气1班

指导老师：洪清辉

2010-06-20

1 引言 (3)

2 系统设计 (3)

2.1 设计目的 (3)

2.2 设计要求 (3)

2.3 硬件接线图 (6)

3 各硬件模块简介 (6)

3.1 变频器 (6)

3.1.1 变频器主要功能 (6)

3.1.2 变频器平面图 (7)

4 软件设计 (8)

4.1 A/D输入模块程序 (8)

4.2 D/A输出模块程序 (8)

4.3 偏移参数设定 (8)

5 系统测试 (8)

5.1 测试方法 (8)

5.2 测试中遇到的问题 (9)

6 应用扩展 (10)

基于PLC在矿井提升机中的调速控制系统 (10)

6.1 控制要求 (10)

6.2 本设计控制结构 (10)

6.3 设计说明 (11)

7 结束语 (12)

8 参考文献 (12)

9 附录 (13)

1 引言

随着变频调速技术的应用日益广泛,应用水平的不断提高,对变频调速控制系统的精度要求也越来越高。目前,许多变频调速装置属于开环控制方式,不能满足有较高精度的控制要求。为提高开环变频调速器控制精度,本系统采用有编码器速度检测的、由高性能FX2NPLC 调节控制的闭环系统。

2 系统设计

2.1 设计目的

1．利用可编程控制器及其模拟量模块，通过对变频器的控制，实现电机的闭环调速。

2．了解可编程控制器在实际工厂生产中的应用及可编程控制器的编程方法。

2.2 设计要求

电机的实际转速在较快的时间内接近给定目标转速，并且能够稳定运行。当改变给定速度时，电机能快速响应达到接近给定值。

系统简介

1.1FXON一3A简介

可编程控制器(PLC)原是为了开关量的控制而设计的。但是，在一个复杂的控制系统中，控制任务多种多样，而且随着电子技术的发展，新型过程控制计算机的不断涌现，在STD总线计算机、可编程调节器、集散型控制系统的基础上，PLC的模拟量控制越来越得到广泛的应用。模拟量不同于开关量，它在时间上、数值上都是连续变化的。

为了满足模拟量控制系统的控制要求，几乎所有的可编程控制器生产厂家都开发了模拟量控制功能。采取的方法是在软件上为PLC增加功能指令，在硬件上为PLC设计各种各样的模拟量控制模块。不同厂家的可编程控制器，开发了不同的模拟量专用模块，三菱FXON一3A模块就是其中的一种。

FXoN是日本三菱公司设计的产品，该系列是依据FX2系列的固定及可扩展性概念，在软硬件两方面兼备微程序装置所必要的性能、功能。FX ON一3A是可编程控制器的模拟量特殊功能模块。该模块具有2路模拟量输入通道和1路模拟量输出通道。其输入通道数字分辨率为8位，A／D的转换时间为100s，在模拟与数字信号之间采用光电隔离，适用于FX1N、FX2N、FX2NC子系列。在A／D转换中，输入通道接收模拟信号后转换成数字信号；在D ／A转换中，输出通道取数字信号并输出等同的模拟信号。它占用FXON扩展总线的8点输入／输出，8点可定为输入或输出。对于FXON一3A模块，用户可连接电压或电流输入／输出，并有3种信号形式可供选择：0～10 VDC(分辨率为40 mV)，0～5 VDC(分辨率为

20 mV)或4～20 ma(分辨率为64 )。

FXON一3A模块所有数据及参数可通过FXON一3A的软件以FROM／TO指令进行调整。

1.2系统控制基本原理

整个系统由传感器、FX ON一3A模块、可编程控制器、功率驱动、执行元件和控制设备组成，模拟量控制系统框图如图1所示。

图1 PLC的模拟量控制系统框图

线路设计

通过FXON一3A模拟量模块所带电缆可直接与可编程控制器基本单元连接，各模块与基本单元连接时统一编号，从最靠近基本单元的那一个开始顺次编号为0～7。模拟信号和FX ON 一3A模块的连接如图2所示，当选择电流输入时，必须保证端子[VIN]和[IIN]连在一起。但是，选择电流输出时，不能把端子[VOUT]和[IOUT]连在一起

输电流入电路电压输入电路

电流输入电路电流输入电路

寄存器的分配

FXON-3A模块内部有一个寄存器缓冲区，由32个16位的寄存器组成，编号为#BFM0~#BFM31，内容如下：

BFM17:

B0=0 选择通道1 B0=1 选择通道0

B1=0~1 开始A/D转换

B2=1~0 开始D/A转换

A/D，D/A转换

FXON-3A可以选择电流电压输入、输出。并可以选择0~10V，0~5V,4~20mA，3种信号量程。与数字量的对应关系如下:

系统输出电压对应关系输入电压对应关系

1.3系统框图

2.3 硬件接线图

3 各硬件模块简介

3.1 变频器

3.1.1 变频器主要功能

变频器的主要任务是将工频电源转换为频率和幅度可调节的交流到交流的变频器，是当前应用最广的交流调速设备，变频器的功能不是以调速为目的，而是控制某一过程为目的。它有完善的保护功能:变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别(如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等)，并立即封锁输出电压。这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。

3.1.2 变频器平面图

3.2 同轴编码器

同轴编码器可以将电动机的转速按比例转换成电压信号，通常是0~5V

旋转编码器是用来测量转速的装械量转换成相应的电脉冲置，光电式旋转编码器通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机以数字量输出（REP）。它分为单路输出和双路输出两种。技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组A/B相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向

3.3 PLC模块

PLC特点：第一，可靠性高、抗干扰能力强，平均故障时间为几十万小时。而且PLC 采用了许多硬件和软件抗干扰措施。第二，编程简单、使用方便目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。一些PLC还根据具体问题设计了如步进梯形指令等，进一步简化了编程。第三，设计安装容易，维护工作量少。第四，适用于恶劣的工业环境，采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。第五，与外部设备连接方便，采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子功能适合于多种电气规格。第六，功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。

4 软件设计

4.1 A/D输入模块程序

4.2 D/A输出模块程序

4.3 偏移参数设定

5 系统测试

5.1 测试方法

1．按下表对变频器进行参数设置;

2.按接线图正确将导线连接完毕后，将程序下载致PLC主机，将“RUN/STOP”开关拨到“RUN”。

3．先设定改定值。点击标准工具条上的“软件园测试”快捷项，进入软件园测试对话框。在“字软元件”栏中的软元件项中键入D0，确定电动机的转速，输入的设定值N为十进制。如：N=1000，则电机的转速目标值就为1000 转/min。

4．按变频器面板上的RUN，启动电机转动。电机转动平稳后，记录给定目标转速、电机实

5.2 测试中遇到的问题

1.在开始监控前，转换完程序后，要把PLC上是否为STOP状态。

2．测试中不要急躁，在变频器设置中更不能马虎,一点的参数设置不准确，可能导致系统的不稳定，不要急，要仔细检查。

3．当调试的时候，会发现PLC内部的的扫描周期比较快，而电动机的反应速度比较慢，则但扫描很多次后才会改变电动机的转速因此加一个定时器用来延迟扫描速度。

4.程序中的D0，D1，D2要看清，给定，反馈，输出编程中别弄混，导致程序中运行不动。测试中一定要认真，仔细，严谨。

6 应用扩展

基于PLC在矿井提升机中的调速控制系统

6.1 控制要求

矿井提升机是矿山生产最重要的设备。传统提升机转子串电阻调速电控系统存在诸多问题，如控制方式繁琐、可靠性低、调速性能差等。针对这种情况采用PLC与变频器相结合的控制方案对原有电控系统进行改造，提高整个电控系统安全可靠性、控制精度及调速性能。6.2 本设计控制结构

基于PLC控制的大功率矿井提升机变频调速控制系统由动力装置、液压站、变频器、操作台和控制监视系统组成，系统框图如图所示。

动力装置：包括主电机、减速器、卷筒、制动器和底座，完成人、物、料的运输任务。主电机通过减速器向卷筒提供牵引所需的动力。

液压站：为提升机提供制动力，停车时先通过液压站给卷筒施加机械制动力，再取消直流制动力；提升机起动时，先对电机施加直流制动，再松开机械抱闸，防止溜车，以保证系统安

全可靠地工作。变频器：是动力站的能量供给单元，通过它可将输入工频电能转换成频率可调的电能提供给交流电动机，以达到控制交流电动机转速的目的。

操作台：操作台设置两个手柄，分别用于速度辅助给定及制动力给定。它是整个矿井提升机运输系统的控制核心，通过它可以设定系统的工作方式和控制方式，可以发布系统的各种控制命令，以实现对提升机启动、加速、平稳运行、减速、停车以及紧急制动等各种控制功能。

控制监视系统：是操作人员和控制系统及运输系统之间的桥梁，它可以在线监测提升机运输系统的各种工作参数、工作状态、故障参数和故障状态。

控制系统工作原理：当司机听到开车信号时，按下启动按钮，PLC控制将380V动力电源接入变频器。再松开液压制动闸并将主令控制器推到正向（或反向），提升机开始运行。在提升过程中，控制提升机运行的主速度给定S形速度曲线由PLC编程产生，经过A/D转换，由模拟量输出口输出，以驱动变频器工作；对变频器输出频率的调整控制，也可根据现场的工况需要，由操作台速度控制手柄以辅助给定的方式进行控制。旋转编码器可以检测主电动机的转速，并将此信号传送给可编程控制器[3]，PLC通过该信号可以累计计算提升机的速度及行走距离，监视器可以时时显示提升机速度和位置。

6.3 设计说明

6.3.1制动控制回路

提升机负载由于惯性较大，当变频器的输出频率下降至0Hz时，常常停不住，而有“蠕动”(也称爬行)现象，在矿山提升机这种大负载机械中，蠕动现象有可能造成十分危险的后果。为此，变频器调速时应设置能耗制动和直流制动功能。

6.3.2 PLC各种保护监视功能

监控内容包括：超速监视、过卷监视、实时速度监视、井筒过卷监视、变频器故障监视、矿车行程监视、过载监视、深度指示器监视等，以上监视内容出现故障时，通过报警回路报警或安全回路实现抱闸停车保护。

7 结束语

传统提升机电控系统采用PLC与变频器相结合的方案进行改选后，省去了大量的继电器、接触器及调速电阻，减少了故障发生率，同时还有利于节能。另外该系统采用PLC软件编程实现提升机主S形速度给定及操作台辅助速度给定，能够实现自动及手动调速，灵活性大，易于操作.

采用三菱FX2n可编程控制器和三菱变频器,组成三相电动机的闭环变频调速控制系统. 通过采用变积分PI 控制算法,并且加入软件滤波和硬件滤波措施,实际运行结果表明系统运行稳定,通过A/ D 送入给定并使系统启动后,电机转速迅速达到预期效果. 该系统能对电机转速实现精确控制,实用性强,具有一定的推广价值

8 参考文献

[1]洪清辉.PLC实验讲义[M].漳州:漳州师范学院出版社,2006：48-49

[2]缪常初.FX系列PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2010

[3]杜俊明. 矿井提升机的变频调速改造[J]. 电气时代，2006(5)：74-79

9 附录1 程序