PLC控制变频器调速系统实训

第一章实训任务、目的及要求
实训要求
1.确定控制方案，选择PLC和变频器。

2.画出电气控制线路图。

3.设计程序。

4.完成PLC控制系统梯形图软件及其语句表的编制任务。

5.在实验室条件下，通过试验调试初步验证其程序的正确性。

实训任务和目的
1.了解PLC控制变频调速系统。

2.了解S7-200CPU加M440变频器参数设置。

3.了解电气控制系统设计的基本原则、内容与一般步骤。

4.掌握PLC变频调速控制系统调试基本过程和方法。

系统控制要求
1.变频调速器受0-10v电压控制。

输出0Hz对应同步转速为0r/min。

输出50Hz对应同步转速为1500r/min。

输出100Hz对应同步转速为3000r/min。

输入电压与输出频率按线性关系变化。

2.要求输出转速按函数变化，请编写梯形图控制程序，并完成调试。

3.改变输出转速-时间的变化函数，重复上述过程。

PLC简介
PLC的基本概念
可编程控制器是计算机家族中的一员,是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）
的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。

由于它可通过软件来改变控制过程，而且具有体积小，组装灵活，编程简单，抗干扰能力强及可靠性高等特点，非常适合于在恶劣的工业环境下使用。

故自60年代末第一台PLC问世以来，已很快被应用到机械制造、冶金、矿业、轻工等各个领域，大大推进了机电一体化进程。

进入80年代，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使得可编程控制器有了突飞猛进的发展，功能日益增强，已远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，具备模数转换、数模转换、高速计数、速度控制、位置控制、轴定位控制、温度控制、PID控制、远程通讯、高级语言编辑以及各种物理量转换等功能。

特别是远程通讯功能的实现，易于实现时柔性加工和制造系统（FMS），使得PLC如虎添翼，被人们称为现代工业控制三大支柱之一。

PLC的基本结构
PLC的结构有如下组成：
①电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。

如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。

一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去
②中央处理单元(CPU)
中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。

它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。

等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。

这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

③存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

④输入输出接口电路
现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。

2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。

⑤功能模块
如计数、定位等功能模块。

⑥通信模块
如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。

PLC的工作原理
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

(1)输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

(2)用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。

即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。

(3)输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时，才是PLC的真正输出。

第二章总体设计方案
控制系统I/O点数分析
在控制回路中需要控制电动机启动和停止的开关以及模拟量的输出等。

如表为控制系统I/O分配图。

表控制系统I/O分配
选择机型
PLC的选择
在此次课程设计中PLC对控制要求并不高而且在控制系统中没有大量的输
出端子因此选择较为简单和便宜的S7-200系列PLC。

S7-200系列PLC具有开关量输入输出，但是没有模拟量的输入输出，因此需要扩展模拟量输入输出模块。

模拟量模块的选择
与S7-200配套的扩展模块有EM232，EM235。

EM232只有两路模拟量输出但是没有数字量输出。

EM235具有四路模拟量输入和一路电压输出和一路电流输出。

考虑到实验室设备，并且是控制系统便于PID的扩展选择EM235。

EM235是四路AI/一路AO（暂用两路输出地址），D/A转换器是12位的。

其电压输出为0~10V，电流输出为0~20mA。

符合对变频器的控制要求。

图模拟量模块EM235
变频器的选择
正确选择通用型变频器对于传动系统能够正常运行时至关重要的，首先要明确使用通用变频器的目的，按照生产机械的类型、调速范围、速度响应和控制精度、启动转矩等要求，充分了解变频器所驱动负载特性，决定采用什么功能的通用变频器构成控制系统，然后决定选用哪种控制方式最合适。

所选用的通用变频器应是既满足生产工艺要求，又要在技术经济指标上合理。

若对通用变频器选型、系统设计及使用不当，往往会使通用变频器不能正常的运行、达不到预期目标，甚至引发设备故障，造成不必要的损失。

另外，为了确保通用变频器长期可靠的运行，变频器的地线的连接也是非常重要的。

在本系统中，选用了由西门子生产的通用变频器MM440。

变频器MM440为我们提供了很好的BOP控制面板具体如下图：
图变频器MM440控制面板
系统控制结构
由PLC和变频器组成的控制系统，开关量输入端由两输入，开始与停止按钮；PLC输出端是从0—10V的模拟量作为变频器的输入。

实现如下控制：
0V输出频率为0Hz，对应同步转速为0r/min; 5V输出频率为50Hz，对应同步转速为1500r/min; 输出频率为75HZ,对应同步转速为2250r/min;10V输出频率为100Hz，对应同步转
速为3000r/min。

第三章硬件部分设计
系统主电路图
图系统主电路图
系统控制电路图
图系统控制电路图
PLC的外围接线
图 PLC的外围接线电压输出规格
图电压输出规格
如果设置值超过下面提供的规定，将发生输出设置错误，并将输出有输出保持功能规定的输出量。

根据设计要求选取输出范围:0~10 V.
输出范围:0~10V所对应的十进制数为:00000~32000
标度变换公式：V=AIWO/3200
变频器参数设置表
图变频器参数设置
变频器报警装置设定：设定P2828＝，P0731=r2829。

这样，当有任何一种故障发生时，变频器的1号数字量输出端口即会输出信号“1”。

第四章软件部分设计
设计步骤
1.使用PLC各个输入点作为系统的各个输入信号。

2.使用PLC的一个模拟量输入点AQWO作为使电机运转的频率信号，接到变频器M440的AINI+和AINI-端子上。

3.调节变频器使其输出频率受受模拟量输入电压控制。

4.然后编制输出按时间函数循环的梯形图程序。

5.最后调试并运行。

系统流程框图
图系统流程框图
程序的主体
初始化变量及判断按键和锁定相应的状态位
LD
AN
O
=
Network 2
LD
AN T37
TON T37, 650
Network 3
LD
AW<= T37, 200
CALL SBR_0:SBR0
Network 4
LDW>= T37, 200
AW<= T37, 300
MOVW 24000, AQW0
Network 5
LDW>= T37, 300
AW<= T37, 400
CALL SBR_1:SBR1
Network 6
LDW>= T37, 400
AW<= T37, 600
MOVW 8000, AQW0
Network 7
LDW>= T37, 600
AW<= T37, 650
CALL SBR_2:SBR2
0-25秒上升子程序
LD
AN T96
TON T32, 5
R C3, 1
Network 2
LD T32
=
TON T96, 5
Network 3
LD
LD C1
Network 4
LD
MOVD 12, VD70
DTR VD70, VD70
Network 5
LD
ITD C1, VD60
DTR VD60, VD60
MOVR VD60, VD80
*R VD70, VD80
ROUND VD80, VD80
Network 6
LD
DTI VD80, VW90
MOVW VW90, AQW0 25-35秒平衡子程序
LDW>= T37, 200
AW<= T37, 300
MOVW 24000, AQW0
35-40秒下降子程序
LD
AN T96
TON T32, 5
R C1, 1
Network 2
LD T32
=
TON T96, 5
Network 3
LD
LD C2
CTU C2, 1000
Network 4
LD
MOVD 16, VD20
DTR VD20, VD20
Network 5
LD
ITD C2, VD10
DTR VD10, VD10
MOVR VD10, VD30
Network 6
LD
MOVD 24000, VD50
DTR VD50, VD50
*R , VD30
+R VD50, VD30
ROUND VD30, VD30
Network 7
LD
DTI VD30, VW40
MOVW VW40, AQW0 40-60秒平衡子程序
LDW>= T37, 400
AW<= T37, 600
MOVW 8000, AQW0
60-65秒下降子程序
LD
AN T96
TON T32, 5
R C2, 1
Network 2
LD T32
=
TON T96, 5
Network 3
LD
LD C3
CTU C3, 500
Network 4
LD
MOVD 16, VD120
DTR VD120, VD120
Network 5
LD
ITD C3, VD110
DTR VD110, VD110
MOVR VD110, VD130
*R VD120, VD130
Network 6
LD
MOVD 8000, VD150
*R , VD130
+R VD150, VD130
ROUND VD130, VD130
Network 7
LD
DTI VD130, VW140
MOVW VW140, AQW0
电动机按照特定转速执行
变频器输出电压（V）电动机转速（r/min）
500
5 1000
1500
按钮为加速按钮，按钮为减速按钮。

程序梯形图
按特定曲线控制程序梯形图主程序梯形图
子程序0梯形图：
子程序1梯形图：
子程序2梯形图：
第五章调试过程及结果
调试过程
将PLC程序下载到PLC，测试系统的电压输出分析是否符合设计要求。

（1）线路连接
将PLC与变频器的各端子按电路图连好，然后进行EM235的扩展，PLC与PC进行通信连接。

检查无误后接通电源。

（2）程序调试
输入系统程序编译无误后下载到PLC。

运行系统观察系统是否正常运行，修
改程序使系统能正常运行。

运行后用万用表和秒表记录PLC模拟输出，修改程序参数使系统达到控制要求。

运行整个系统观察变频器的频率输出。

（3）程序仿真
将程序载入仿真软件,CPU选择CPU224，扩展模块选择EM235，开关、、按钮后观察EM235模块里AQ0的电压数值变化。

误差分析：默认情况下EM235对应的单级范围为0~32000，实际对应为0~32678，本设计是以32000为单位来计算，仿真结果与要求电压略有不同。

调试结果
系统波形在0-25秒上升,在25-35秒平衡，在35-40秒下降，在40-60秒平衡，在60-65秒下降。

图调试结果
第六章元器件清单
西门子PLC系列S7-200、西门子变频器M440、西门子模拟量模块EM235
指示灯三个（红、绿、黄各一个），刀开关（HD13)，熔断器（RM10），交流电机一台
第七章心得体会
通过两个星期的课程设计成功完成了PLC控制变频调速系统的硬件设计，软件编程及系统的整体调试。

在调速系统中硬件连接较为简单也很容易实现没有大量的开关器件和复杂的连线。

软件编程实现了模拟扩展模块电压输出的控制，实现了要求输出的波形。

通过最后的调试使整个系统能够稳定可靠地运行。

在完成课程设计的同时也学到了很多知识。

首先让我对PLC有了更深的理解和认识，也学习了不少变频器的知识。

其次让我认识到PLC在电气控制方面优越性。

最后是我的了解到电气专业相关项目研究的过程，提高了我综合应用所学知识分析解决问题的能力。

在这次课程设计过程中马老师耐心地指导和各位同学地热心帮助也是完成这次课程设计的一个重要原因，在此对马老师和各位同学表示感谢。

参考文献
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社,2002
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