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目錄 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 第一章 緒 論 1 1.1課題研究的背景及意義 1 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 2.3 本課題研究的主要內(nèi)容 3 第二章 系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)和總體思路 5 2.1系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)分析 5 2.2設(shè)計(jì)要求 5 2.3 設(shè)計(jì)思路 6 第三章 變頻器設(shè)計(jì) 7 3.1變頻器的工作原理 7 3.2變頻器的綜合技術(shù)特性 7 3.3英威騰變頻器的面板簡(jiǎn)介 8 第四章 控制設(shè)計(jì) 11 4.1變頻器硬件說(shuō)明 11 4.2變頻器參數(shù)設(shè)置 12 4.3變頻器多段速設(shè)計(jì) 13 4.4 PLC程序編程 14 第五章 實(shí)驗(yàn)調(diào)試和數(shù)據(jù)分析 18 5.1程序調(diào)試、分析 18 5.2運(yùn)行結(jié)果 20 第六章 總結(jié)和體會(huì) 22 附錄1：變頻器控制回路接線圖 23 附錄2：硬件連接圖 24 2.1變頻器外部接線圖 24 2.1 PLC外部接線圖 25 附錄3：PLC梯形圖 26 參考文獻(xiàn) 28 摘要 基于變頻器的多速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 隨著工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)以及電氣技術(shù)的發(fā)展，變頻技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)變頻器多段速的PLC控制。通過(guò)PLC的給定數(shù)據(jù)調(diào)整PLC的輸出控制，完成變頻器的給定輸入，最終實(shí)現(xiàn)變頻器的多段速輸出。 關(guān)鍵詞 ：變頻器 變頻調(diào)速 PLC I Abstract Design?of?multi-speed?system?based?on?inverter. ABSTRACT With the development of industrial automation control technology and electrical technology, converter technique has been widely used in industrial automation control system. The?main?task?of?this?design?is?to?realize?the?PLC?control?of?frequency? converter.?The?output?control?of?PLC?is?adjusted?by?the?given?data?of?PLC,?and?the?given?input? of?frequency?converter?is?completed,?and?the?multi-segment?speed?output?of?the?converter?is?realized. Key words: Variable-frequency Drive Frequency control PLC II 第一章 緒論 第一章 緒 論 1.1課題研究的背景及意義 近年來(lái)，計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展下，各行各業(yè)的生產(chǎn)力都得到了巨大的提高，其中的提高不得不歸功于PLC和變頻調(diào)速技術(shù)的作用。PLC強(qiáng)大的運(yùn)算速度，完善而強(qiáng)大的功能，方便迅捷的編程，和較高的抗干擾性，使得對(duì)需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采集的設(shè)備更好的控制。其中的組態(tài)軟件技術(shù)可以幫助用戶在電腦端定制出特定功能的控制界面，利用PLC實(shí)現(xiàn)更加方便的設(shè)備控制。由于各行業(yè)對(duì)降低勞動(dòng)力、提高生產(chǎn)工藝，減少生產(chǎn)成本的要求越來(lái)越高，生產(chǎn)設(shè)備以及自動(dòng)化系統(tǒng)往往扮演著重要的角色。 由于閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)的變頻節(jié)能系統(tǒng)有廣泛的用途，它可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)消除偏差來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。目前通過(guò)PLC控制變頻器，而變頻器控制各種設(shè)備的多層控制方式的應(yīng)用隨處可見(jiàn)。目前另一種常見(jiàn)的方法是利用模擬信號(hào)來(lái)控制變頻器，但在傳輸?shù)倪^(guò)程中，由于模擬量的信號(hào)比較低，它的抗干擾能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性都不太強(qiáng)，不能應(yīng)用于對(duì)精度要求較高的系統(tǒng)中。而采用通信方式作為一種純數(shù)字化的傳輸，是可以完成精確對(duì)變頻器的精確控制的，再配合上FVC變頻電機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力都很強(qiáng)大，并且PLC的操作系統(tǒng)簡(jiǎn)單便捷，功能完善，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的閉環(huán)控制，因而PLC與變頻器的控制系統(tǒng)越來(lái)越多的被應(yīng)用到了各個(gè)行業(yè)。 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1PLC的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 隨著PLC應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，PLC技術(shù)及其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)都在不斷改進(jìn)，功能日益強(qiáng)大，性價(jià)比越來(lái)越高。 （1） 生產(chǎn)規(guī)模雙向發(fā)展。微型方面正致力發(fā)展反應(yīng)快、性價(jià)比高而體積更小的PLC，來(lái)滿足對(duì)小型機(jī)器的控制；大型方面正大力研究超高反應(yīng)速度和存儲(chǔ)器容量龐大的高性能大型PLC。在微機(jī)技術(shù)和計(jì)算機(jī)水平的飛速提高，PLC對(duì)信息的處理速度以及對(duì)用戶容量的發(fā)展也是越來(lái)越快。 （2）通信發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化 ?控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化是指將PLC與各種電子設(shè)備形成通訊網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而構(gòu)建成數(shù)據(jù)更通暢的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。許多大型的額PLC生產(chǎn)廠家都已經(jīng)擁有自己的專用通信模塊和軟件，使得PLC的網(wǎng)絡(luò)通信能力更加強(qiáng)大。甚至各大PLC廠商之間也架構(gòu)起通用的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而形成廠商之間更為龐大的通信網(wǎng)絡(luò)。目前，PLC在集散式控制系統(tǒng)中已經(jīng)扮演了不可或缺的角色。 （3）系統(tǒng)模塊化、智能化 ?隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，控制系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。為增加PLC的應(yīng)用范圍，加強(qiáng)PLC的功能和提高PLC系統(tǒng)的穩(wěn)定性，許多智能化的模塊被開(kāi)發(fā)了出來(lái)。其中包括智能I/O模塊、溫控模塊和PLC外部故障檢測(cè)模塊等。 （4）編程語(yǔ)言和編程工具的多樣化和標(biāo)準(zhǔn)化 ?多種編程語(yǔ)言的并存、互補(bǔ)與發(fā)展是PLC軟件進(jìn)步的一種趨勢(shì)。 PLC廠家在使硬件及編程工具換代頻繁、豐富多樣、功能提高的同時(shí)，日益向MAP(制造自動(dòng)化協(xié)議)靠攏，使PLC的基本部件，包括輸入輸出模塊、通信協(xié)議、編程語(yǔ)言和編程工具等方面的技術(shù)規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化[[] .曹歷濤.PLC控制三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)[D].2014. ]。 1.2.2變頻器的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 國(guó)外的工業(yè)自動(dòng)化比較發(fā)達(dá)，變頻器在機(jī)械、化工、紡織、造紙、冶金、食品等各個(gè)行業(yè)以及風(fēng)機(jī)、水泵等的節(jié)能場(chǎng)合都被廣泛的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了很高的經(jīng)濟(jì)效益。目前國(guó)外的變頻調(diào)速的現(xiàn)狀有以下幾點(diǎn)：(1)功率等級(jí)高。隨著GTO和IGBT等功率器件對(duì)電壓和電流承受能力的提高以及串聯(lián)并聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，電壓等級(jí)高、功率值大的變頻器已經(jīng)在實(shí)際中得到了應(yīng)用；（2）控制技術(shù)領(lǐng)先。近年來(lái)，隨著矢量控制和轉(zhuǎn)矩控制等最近控制理論的問(wèn)世，高性能變頻器已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了應(yīng)用；（3）微電子技術(shù)發(fā)展快。信號(hào)處理器（DSP）、16/32位的高速微處理器以及專用集成電路（ASIC）技術(shù)的發(fā)展，極大的提高了變頻器的性能和相應(yīng)速度，同時(shí)為變頻器的多功能化提供了硬件手段[[]. 韓焦.通過(guò)變頻器調(diào)速系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].2014. ]。 現(xiàn)在我國(guó)已經(jīng)擁有許多自己的變頻器廠商，而且國(guó)內(nèi)對(duì)變頻器的理論的認(rèn)知也和世界上的發(fā)達(dá)國(guó)家非常接近了，但更加客觀的看待國(guó)內(nèi)變頻器的發(fā)展，依然和歐美與日本有不小的差距：（1）變頻器的整體技術(shù)相對(duì)落后。（2）變頻器適用的核心部件技術(shù)空白。目前完全國(guó)產(chǎn)化的變頻器還沒(méi)有出現(xiàn)，而半導(dǎo)體功率器件的制造業(yè)更是沒(méi)有進(jìn)展。（3）主要產(chǎn)品集中在低壓產(chǎn)品和中低端市場(chǎng)。從V/F控制和電壓控制來(lái)看，國(guó)內(nèi)還處于手工加工的生產(chǎn)階段，質(zhì)量和安全性同國(guó)外相比難以保證，因此在國(guó)際上，仍是以歐美和日本品牌為主導(dǎo)。 2.3 本課題研究的主要內(nèi)容 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要由可編程序控制器PLC、變頻器、電機(jī)幾部分組成。按下啟動(dòng)按鈕以后，PLC根據(jù)已經(jīng)寫(xiě)好的程序進(jìn)行循環(huán)掃描而執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)字量輸出，根據(jù)數(shù)字量輸出的不同組合方式控制變頻器的多段速輸入，然后變頻器再根據(jù)不同的輸出，使電機(jī)在不同的頻率下運(yùn)行。本系統(tǒng)主要是利用PLC對(duì)變頻器進(jìn)行多段速控制，所以采用開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。具體流程圖如下： 電機(jī)機(jī)機(jī)器機(jī) 變頻調(diào)速系統(tǒng) PLC控制 速度給定 圖1.1開(kāi)環(huán)控制流程圖 因此，本課題的研究?jī)?nèi)容的關(guān)鍵技術(shù)就包括：PLC對(duì)變頻器的控制、變頻器的調(diào)速系統(tǒng)。 其中PLC常常通過(guò)以下方法對(duì)變頻器速率進(jìn)行修改： （1） 模擬量控制，PLC利用模擬量輸入模塊采集變頻器的反饋信號(hào)或者連接在電機(jī)上編碼器的的信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部運(yùn)算，利用模擬量輸出模塊對(duì)變頻器進(jìn)行模擬信號(hào)控制。 （2） 串行總線通訊控制，通過(guò)編寫(xiě)PLC程序，利用Modbus串行通信協(xié)議所定義的串行通信中異步傳輸?shù)膸瑑?nèi)容及使用格式，達(dá)到通訊控制及數(shù)據(jù)采集。該方法有很高的性價(jià)比，操作方便，靜差率小，穩(wěn)定性好，調(diào)速范圍廣而且具有一定的精度，是目前很有前景的控制方法。 （3） 開(kāi)關(guān)量的非線性頻率控制，該方法一般用于要求不是很高的場(chǎng)合，對(duì)于需要精確控制的情況很難控制。 考慮到以上幾種方法，我選擇了第二種性價(jià)比最高的方式，即利用通信控制實(shí)現(xiàn)可編程控制器（PLC）對(duì)變頻器的控制，進(jìn)而完成對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的多段速控制。  38 第二章系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)和總體思路 第二章 系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)和總體思路 2.1系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)分析 隨著工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)和理論的不斷發(fā)展，交流變頻調(diào)速模式已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各種工業(yè)控制領(lǐng)域；可編程序控制器PLC作為新型控制儀器具有優(yōu)良的工業(yè)特性，可靠性高、穩(wěn)定性好，能適合較為惡劣的環(huán)境，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)律、安裝方便、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)，修改方便，編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單易學(xué)、體積小、能耗低，PLC通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝于設(shè)備上的儀器、儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析達(dá)到對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的集中自動(dòng)控制。 PLC常常通過(guò)以下幾種方式對(duì)變頻器頻率進(jìn)行修改： （1）模擬量控制，PLC利用模擬量輸入模塊采集變頻器的反饋信號(hào)或者連接在電機(jī)上編碼器的的信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部運(yùn)算，利用模擬量輸出模塊對(duì)變頻器進(jìn)行模擬信號(hào)控制。 （2）串行總線通訊控制，現(xiàn)在市面上的主流變頻器都已配備通信接口，像西門(mén)子的profibus DP；Modbus通訊協(xié)議；匯川、英威騰等品牌的RS485通信等，通過(guò)編寫(xiě)PLC程序，利用Modbus串行通信協(xié)議所定義的串行通信中異步傳輸?shù)膸瑑?nèi)容及使用格式，達(dá)到通訊控制及數(shù)據(jù)采集。其中通訊方式是利用數(shù)字化的信息傳輸方式來(lái)控制變頻器的，它的精確度可以達(dá)到很高的水準(zhǔn)，而且系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗干擾能力都很好。 （3）開(kāi)關(guān)量的非線性頻率控制，首先通過(guò)變頻器內(nèi)部進(jìn)行頻率多段速設(shè)置，然后通過(guò)PLC的數(shù)字量模塊，對(duì)變頻器的開(kāi)關(guān)量端子進(jìn)行控制及信號(hào)反饋，從而達(dá)到非線性頻率控制。 2.2設(shè)計(jì)要求 根據(jù)Goodrive100變頻器的參數(shù)說(shuō)明，我們知道該變頻器最多可以實(shí)現(xiàn)16級(jí)的不同速率的多段速控制，而我們要求做到8段速控制即可，加上初始速度，我們?cè)O(shè)計(jì)成7段固定頻率控制檔。 設(shè)定七個(gè)檔位，檔位0，10Hz；檔位1,15Hz；檔位2，24Hz；檔位3,35Hz；檔位4,49Hz；檔位5，40Hz；檔位6,30Hz。 （1）按下啟動(dòng)按鈕后，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，經(jīng)過(guò)加速時(shí)間，頻率有0爬升到檔位0的頻率。 （2）20S后，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行檔位1頻率 （3）30S后，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行檔位2頻率 （4）20S后，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行檔位3頻率 （5）40S后，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行檔位4頻率 （6）40S后，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行檔位5頻率 （7）30S后，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行檔位6頻率 2.3 設(shè)計(jì)思路 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)由可編程序控制器PLC、變頻器、電機(jī)三部分來(lái)實(shí)現(xiàn)。按下啟動(dòng)按鈕以后，PLC根據(jù)已經(jīng)寫(xiě)好的程序進(jìn)行循環(huán)掃描而執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)字量輸出，根據(jù)數(shù)字量輸出的不同組合方式控制變頻器的多段速輸入，然后變頻器再根據(jù)不同的輸出，使電機(jī)在不同的頻率下運(yùn)行。本系統(tǒng)主要是利用PLC對(duì)變頻器進(jìn)行多段速控制，所以采用開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。具體流程圖見(jiàn)圖1.1。 第三章 變頻器設(shè)計(jì) 第三章 變頻器設(shè)計(jì) 3.1變頻器的工作原理 變頻器，英文名是Variable-frequency Drive，簡(jiǎn)稱VFD是應(yīng)用變頻技術(shù)和微電子技術(shù)，變換成各種頻率的交換電源，是一種將交流工頻電源轉(zhuǎn)換成電壓、頻率均可變得適合交流電動(dòng)的電力電子變換裝置。主要有以下幾個(gè)部分構(gòu)成整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器和控制4個(gè)部分組成[[]. 英威騰變頻器CHV160 說(shuō)明書(shū).2013. ],[[]. INVT英威騰說(shuō)明書(shū)CHE說(shuō)明書(shū)(1.3版).2012. ],[[]. 變頻器使用說(shuō)明.2012. ],[[]. 英威騰IPR200系列工程型變頻器.2016. ]。 整流器就是是把交流電變成直流電的裝置。 中間直流環(huán)節(jié)就是為了抑制整流工作過(guò)程中產(chǎn)生的電壓波動(dòng)，主要采用電感和電容組合來(lái)吸收產(chǎn)生的電壓波動(dòng)。 逆變器是把直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能，其實(shí)就是一種電壓逆變的過(guò)程。 控制電路是將信號(hào)傳送同時(shí)并接收給整流器、中間電路和逆變器，它的主要功能就是監(jiān)視變頻器的工作狀態(tài)，提供保護(hù)變頻器正常運(yùn)行的功能。 3.2變頻器的綜合技術(shù)特性 （1）輸入輸出特性 ① 輸入電壓范圍：AC 3PH 380V（-15%）~440V(+10%)[[]. 英威騰IPE200系列工程型變頻器(V2.0).2017. ] ② 輸入頻率范圍：50Hz或60Hz ③ 輸出電壓范圍：0~額定輸入電壓 ④ 輸出頻率范圍：0~400Hz （2）外圍接口特性 ① 可編程數(shù)字輸入：7路開(kāi)關(guān)量輸入，1路高速脈沖輸入，支持PNP、NPN雙極性光耦隔離輸入。 ② 可編程模擬量輸入：AI：-10V~10V，AI2：0-10V或4-20mA輸入。 ③ 可編程開(kāi)路集電極輸出：1路輸出（開(kāi)路集電極輸出或高速脈沖輸出） ④ 繼電器輸出：2路繼電器輸出 ⑤ 模擬量輸出：2路輸出，分別可選0/4-20mA或0-10V （3）技術(shù)性能特性 ① 控制方式：空間電壓矢量控制模式，無(wú)PG矢量控制模式 ② 過(guò)載能力：150%額定電流 1分鐘；180%額定電流10秒，200%額定電流1秒 ③ 調(diào)速比：異步電機(jī)1：100（SVC）[[]. 英威騰變頻器說(shuō)明書(shū).2016. ] （4）功能特性 ① 頻率設(shè)定方式：數(shù)字設(shè)定、模擬量設(shè)定、脈沖頻率設(shè)定、Modbus設(shè)定、多段速及簡(jiǎn)易PLC設(shè)定、PID設(shè)定等，不同設(shè)定的組合和方式切換。 ② PID控制功能。 ③ 簡(jiǎn)易PLC、多段速控制功能。 ④瞬時(shí)停電不停機(jī)功能[7]。 ⑤穩(wěn)壓功能：當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，能夠自動(dòng)保持穩(wěn)定電壓輸出，不會(huì)因?yàn)殡妷翰▌?dòng)不穩(wěn)，而造成電機(jī)輸出不穩(wěn)。 ⑥提供多種故障保護(hù)功能：提供三十多種故障保護(hù)功能。 3.3英威騰變頻器的面板簡(jiǎn)介 鍵盤(pán)控制面板Goodrive100變頻器、讀取狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)和調(diào)整參數(shù)。 圖3.1 變頻器面板 Goodrive100系列鍵盤(pán)的顯示狀態(tài)分為停機(jī)參數(shù)顯示、運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)顯示、功能碼參數(shù)編輯狀態(tài)顯示、故障報(bào)警狀態(tài)顯示等。 表3.1 變頻器面板說(shuō)明[3] 序號(hào) 名稱 說(shuō)明 1 狀態(tài)指示燈 RUN/TUNE 燈滅時(shí)表示變頻器處于停機(jī)狀態(tài)；燈閃爍表示變頻器處于參數(shù)自學(xué)習(xí)狀態(tài)；燈亮?xí)r表示變頻器處于運(yùn)行狀態(tài) FWD/REV 正反轉(zhuǎn)指示燈 燈滅表示處于變頻器正轉(zhuǎn)狀態(tài)，燈亮?xí)r表示變頻器處于反轉(zhuǎn)狀態(tài) LOCAL/REMOT 鍵盤(pán)操作，段子操作與遠(yuǎn)程通訊控制的指示燈。燈滅時(shí)表示鍵盤(pán)操作控制狀態(tài)；燈閃爍表示端子操作控制狀態(tài)；燈亮表示處于遠(yuǎn)程操作控制狀態(tài) TRIP 故障指示燈 當(dāng)變頻器處于故障狀態(tài)下，該燈點(diǎn)亮；正常狀態(tài)下為熄滅；當(dāng)變頻器處于預(yù)報(bào)警狀態(tài)下，該燈閃爍。 2 單位指示燈 表示鍵盤(pán)當(dāng)前顯示的單位。 Hz 頻率單位 RPM 轉(zhuǎn)速單位 A 電流單位 % 百分?jǐn)?shù) V 電壓?jiǎn)挝? 3 數(shù)碼管顯示區(qū) 5位LED顯示設(shè)定頻率、輸出頻率等各種監(jiān)視數(shù)據(jù)以報(bào)警代碼。 顯示字母 對(duì)應(yīng)字母 顯示字母 對(duì)應(yīng)字母 顯示字母 對(duì)應(yīng)字母 顯示字母 對(duì)應(yīng)字母 0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 A A B B C C D D E E F F H H I I L L N N n n o o P P r R S S t t U U v V . . - - 4 模擬電位器 相當(dāng)于AI1（P00.06，P00.07） 5 按鈕區(qū) 編程鍵 進(jìn)入或退出菜單 確定鍵 進(jìn)入不同菜單頁(yè)面和設(shè)定參數(shù) UP遞增鍵 數(shù)據(jù)或功能碼的遞增 DOWN遞減鍵 數(shù)據(jù)或功能碼的遞減 右移位鍵 可以在修改參數(shù)時(shí)，移動(dòng)數(shù)據(jù)位，進(jìn)行快捷操作。 運(yùn)行鍵 用于變頻器處于鍵盤(pán)控制方式下操作 停止/復(fù)位鍵 變頻器運(yùn)行時(shí)，按此鍵可進(jìn)行停機(jī)操作；該功能碼受P07.04制約。故障時(shí)可以用來(lái)進(jìn)行報(bào)警復(fù)位。 快捷多功能鍵 該鍵功能由功能碼P07.02確定 第四章 控制設(shè)計(jì) 第四章 控制設(shè)計(jì) 4.1變頻器硬件說(shuō)明 通過(guò)對(duì)變頻器Goodriver100的參數(shù)說(shuō)明，得到了輸入輸出特性： ① 輸入電壓范圍：AC 3PH 380V（-15%）~440V(+10%) ② 輸入頻率范圍：50Hz或60Hz （2）外圍接口特性 ① 可編程數(shù)字輸入：7路開(kāi)關(guān)量輸入，1路高速脈沖輸入，支持PNP、NPN雙極性光耦隔離輸入。 ② 可編程模擬量輸入：AI：-10V~10V，AI2：0-10V或4-20mA輸入。 ③ 可編程開(kāi)路集電極輸出：1路輸出（開(kāi)路集電極輸出或高速脈沖輸出） ④ 繼電器輸出：2路繼電器輸出 ⑤ 模擬量輸出：2路輸出，分別可選0/4-20mA或0-10V （3）技術(shù)性能特性 ① 控制方式：空間電壓矢量控制模式，無(wú)PG矢量控制模式 ② 過(guò)載能力：150%額定電流 1分鐘；180%額定電流10秒，200%額定電流1秒。 圖4.1 變頻器控制回路接線圖 4.2變頻器參數(shù)設(shè)置 變頻器功能參數(shù)見(jiàn)表4.1 表4.1變頻器參數(shù)一覽表 功能碼 名稱 參數(shù)詳細(xì)說(shuō)明 出廠值 設(shè)定值 P00.00 速度控制模式 0：無(wú)PG矢量控制模式0 此模式適用于中小功率場(chǎng)合。 1：無(wú)PG矢量控制模式1 適用于控制要求較高的場(chǎng)合，具有轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩精度高且無(wú)需安裝編碼器的優(yōu)點(diǎn)。 2：空間電壓矢量控制模式 適用于對(duì)控制精度要求不高的場(chǎng)合。 1 1 P00.01 運(yùn)行指令通道 選擇變頻器控制指令的通道 變頻器控制指令包括：?jiǎn)?停、正/反轉(zhuǎn)、點(diǎn)動(dòng)、復(fù)位等。 0：鍵盤(pán)運(yùn)行指令通道 1：端子運(yùn)行指令通道 2：通訊運(yùn)行指令通道 0 1 P00.06 A頻率指令選擇 0：鍵盤(pán)數(shù)字設(shè)定 1：模擬量AI1設(shè)定 2：模擬量AI2設(shè)定 3：模擬量AI3設(shè)定 4：高速脈沖HDI設(shè)定 5：簡(jiǎn)易PLC設(shè)定 6：多段速運(yùn)行設(shè)定 7：PID控制設(shè)定 8：MODBUS設(shè)定 2 6 P02.01 異步電動(dòng)機(jī)額定功率 0.1~3000.0KW 機(jī)型確定 1.1KW P02.03 異步電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速 1~36000rpm 機(jī)型確定 1480rpm P02.03 異步電動(dòng)機(jī)額定電壓 0~1200V 機(jī)型確定 380V P02.04 異步電動(dòng)機(jī)額定電流 0.8~6000.0A 機(jī)型確定 2.3A P05.01 S1端子功能選擇 0：無(wú)功能 1：正轉(zhuǎn)運(yùn)行 2：反轉(zhuǎn)運(yùn)行 3：三線式運(yùn)動(dòng)控制 16：多段速端子1 17：多段速端子2 18：多段速端子3 19：多段速端子4 1 16 P05.02 S2端子功能選擇 4 17 P05.03 S3端子功能選擇 7 18 P05.04 S4端子功能選擇 0 1 P05.13 端子控制運(yùn)行模式 0：兩線制控制，使能和方向合一 1：兩線制控制，使能和方向分離 0 0 4.3變頻器多段速設(shè)計(jì) 在第二章中的設(shè)計(jì)要求中，我們看到的是8段不同頻率下變頻器控制電機(jī)的運(yùn)行。因此。我們需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)變頻器的參數(shù)進(jìn)行一些必要的調(diào)整。首先根據(jù)變頻器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，我們可以知道該變頻器最多可以實(shí)現(xiàn)16級(jí)的不同頻率的多段速控制。而我們要求的為八段速控制，因?yàn)槲覀兊母鶕?jù)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)對(duì)以下參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。如4.2多段速控制參數(shù)一覽表。 表4.2多段速控制參數(shù)一覽表 功能碼 名稱 參數(shù)詳細(xì)說(shuō)明 出廠值 設(shè)定值 P10.02 多段速0 Goodrive100變頻器可設(shè)定16段速度，由多段速端子1-4的組合編碼選擇，對(duì)應(yīng)多段速0至多段速15。 當(dāng)S1=S2=S3=S4=OFF時(shí)，頻率的輸入方式由代碼P00.06或P00.07選擇。 0.0% 20% P10.04 多段速1 0.0% 30% P10.06 多段速2 0.0% 48% P10.08 多段速3 0.0% 70% P10.10 多段速4 0.0% 98% P10.12 多段速5 0.0% 80% P10.14 多段速6 0.0% 60% P10.34 0-7段的加減速時(shí)間選擇 0x0000 0 根據(jù)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的16段速度由端子1-4的組合編碼選擇，而我們的設(shè)計(jì)要求為8段速，因此我們只需要用到其中的三個(gè)端子即可完成設(shè)計(jì)要求，而這也就確定了PLC的輸出端子。S1、S2、S3端子與多段速的關(guān)系如4.3表。 表4.3端子與多段速的關(guān)系 輸入端子 轉(zhuǎn)速檔次 頻率（Hz） S1（Q0.0） S2(Q0.1) S3(Q0.2) 0 0 0 0 1 0 0 0 10 0 1 0 1 15 0 0 1 2 25 1 1 0 3 35 1 0 1 4 50 0 1 1 5 40 1 1 1 6 30 4.4 PLC程序編程 4.4.1 PLC硬件選型及說(shuō)明 目前市面上主流的品牌PLC廠家有西門(mén)子、ABB、三菱、歐姆龍、信捷、微控等。PLC的種類繁多，其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價(jià)格等各有不同，適用的場(chǎng)合也各有側(cè)重。因此，合理選擇PLC，對(duì)于提高PLC控制系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著重要意義。下面從PLC的機(jī)型選擇、容量選擇、I/O模塊選擇、電源模塊選擇等方面中和考慮，我選擇了西門(mén)子小型PLC Smart200系列下的ST20（輸入電源DC24V），12點(diǎn)輸入、8點(diǎn)輸出。輸出采用繼電器輸出： （1）PLC機(jī)型要做到在滿足對(duì)控制變頻器功能的要求情況下，系統(tǒng)的可靠性、維護(hù)方便性的性價(jià)比也要盡量達(dá)到最佳。 （2）PLC的I/O容量選擇：根據(jù)之前變頻器的設(shè)計(jì)，可以知道系統(tǒng)需要2個(gè)輸入端口來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)和6個(gè)端子輸出來(lái)完成變頻器的7個(gè)段速控制。而ST20擁有12個(gè)輸入和8點(diǎn)輸出，可以在有一定余量的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制。 （3）I/O模塊的選擇： ①開(kāi)關(guān)量輸入模塊的選擇：常用的開(kāi)關(guān)量輸入模塊有三種：直流輸入、交流輸入和交流/直流輸入。其中交流輸入模塊接觸可靠，適合于有油霧、粉塵的惡劣環(huán)境下使用；直流輸入模塊的延遲時(shí)間較短，還可以直接與接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)等電子輸入設(shè)備鏈接。由于本設(shè)計(jì)的工作環(huán)境比較簡(jiǎn)單，而且對(duì)控制的即時(shí)性要求較高，選擇了直流輸入模塊。 ②輸入接線方式選擇：按輸入電路接線方式的不同，開(kāi)關(guān)量輸入模塊可分為匯點(diǎn)式輸入和分組式輸入兩種。由于本設(shè)計(jì)只有開(kāi)關(guān)兩個(gè)輸入點(diǎn)，因此采用最簡(jiǎn)單的匯點(diǎn)式輸入接線。 ③考慮到同時(shí)接通的輸入點(diǎn)數(shù)量一般不要超過(guò)輸入點(diǎn)數(shù)的60%，而ST20有12個(gè)輸入端，完全滿足設(shè)計(jì)要求。 （4）開(kāi)關(guān)量輸出模塊的選擇： 輸出方式的選擇：開(kāi)關(guān)量輸出方式有三種：繼電器輸出、晶閘管輸出和晶體管輸出。由于繼電器輸出的價(jià)格便宜，可以完成交流負(fù)載和直流負(fù)載，而且適用的電壓大小范圍較寬，同時(shí)承受瞬時(shí)過(guò)的電壓和電流能力較強(qiáng)，雖然其缺點(diǎn)是觸點(diǎn)反應(yīng)較慢而且可靠性不強(qiáng)，但是本系統(tǒng)不用頻繁通斷，選擇了繼電器輸出[[]. 許翏.王淑英.電器控制與PLC控制技術(shù)[J].機(jī)械工業(yè)出版社.2005. 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[17].肖桃李.淺談西門(mén)子PLC控制網(wǎng)絡(luò)的配置策略與應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件. 2016(10) [18].劉天菊.西門(mén)子PLC技術(shù)在現(xiàn)代冶金工業(yè)上的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程. 2017(09) [19].呂偉. 西門(mén)子PLC自動(dòng)化的控制網(wǎng)絡(luò)配置[J].電子技術(shù)與軟件工程. 2017(12) [20]. 祝玉勇.西門(mén)子PLC組網(wǎng)技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].中國(guó)設(shè)備工程. 2017(20) [21] 朱潔.西門(mén)子PLC控制網(wǎng)絡(luò)的配置策略與應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù). 2015(24) [22].丁超.西門(mén)子PLC控制網(wǎng)絡(luò)的配置策略與應(yīng)用探析[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用. 2017(03) [23]. 帥旗.基于西門(mén)子840D系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床PLC應(yīng)用[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化. 2014(05) [24].商丹丹. 西門(mén)子PLC控制網(wǎng)絡(luò)的配置策略與應(yīng)用[J]. 科技展望. 2016(15) [25].劉界武.西門(mén)子PLC在化工行業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用. 2016(30) [26].施啟迪;宋宏;劉釗.酸、堿廢水電氣自動(dòng)控制中和處理技術(shù)的應(yīng)用[J]. 熱電技術(shù). 2017. ]。 4.4.2 PLC程序設(shè)計(jì) （1）PLC輸入/輸出地址分配 變頻器Goodrive100的數(shù)字輸入S1、S2、S3、S4端口通過(guò)P05.01、P05.02、P05.03、P05.04參數(shù)設(shè)置為七段速固定頻率控制端。每一段頻率由S1、S2、S3組合設(shè)置決定。PLC的輸入/輸出分配地址見(jiàn)表4.3.3。 表4.3.3PLC入輸出分配表 輸入 輸出 電路符號(hào) 地址 功能 地址 功能 說(shuō)明 SB0 I0.0 停止按鈕 Q0.1 S1 多段速控制信號(hào) SB1 I0.1 啟動(dòng)按鈕 Q0.2 S2 Q0.3 S3 Q0.4 S4 變頻器啟停信號(hào) （2）PLC程序設(shè)計(jì)思路 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以計(jì)算出整個(gè)系統(tǒng)八個(gè)段速循環(huán)一次的時(shí)間為180S，而SMart-200 PLC內(nèi)部的時(shí)間繼電器T37~T63的計(jì)數(shù)單位為100mS，因此整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間應(yīng)該為1800mS。 圖4.2 PLC接線圖 當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕后，變頻器開(kāi)始運(yùn)行，同時(shí)M0.0得電，此時(shí)變頻器的運(yùn)行頻率為10Hz，檔位0；繼續(xù)運(yùn)行20S以后，M0.1得電，M0.0斷電，此時(shí)變頻器 的運(yùn)行頻率為15H，檔位1；繼續(xù)運(yùn)行30S（即整個(gè)周期運(yùn)行50S）以后M0.2得電，M0.1斷電，此時(shí)變頻器運(yùn)行頻率為24Hz，檔位2；繼續(xù)運(yùn)行20S后（即整個(gè)周期運(yùn)行70S）后，M0.3得電，M0.2斷電，此時(shí)變頻器運(yùn)行頻率為35Hz，檔位3；繼續(xù)運(yùn)行40S（即系統(tǒng)運(yùn)行110S）后，M0.4得電，M0.3斷電，此時(shí)變頻器運(yùn)行頻率為49Hz，檔位4；繼續(xù)運(yùn)行40S（即系統(tǒng)運(yùn)行150S）后，M0.5得電，M0.4斷電，此時(shí)變頻器運(yùn)行頻率為40Hz，檔位5；繼續(xù)運(yùn)行30S（即系統(tǒng)運(yùn)行180S）后，M0.6得電，M0.5斷電，此時(shí)變頻器運(yùn)行頻率為30Hz，檔位6。當(dāng)按下停機(jī)按鈕后，整個(gè)系統(tǒng)繼電器回復(fù)初始狀態(tài)，變頻器自由停車。 此次設(shè)計(jì)思路忽略變頻器的加減速時(shí)間。如果計(jì)算上變頻器的加減速時(shí)間，那么相應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間會(huì)縮短。當(dāng)然也可以通過(guò)改變變頻器的相關(guān)代碼，計(jì)算出加減速時(shí)間，從而重新計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)循環(huán)的周期以及各個(gè)段速階段的運(yùn)行時(shí)間。 圖4.3 程序流程圖 PLC梯形圖見(jiàn)附錄3。 第六章 總結(jié)和體會(huì) 第五章 實(shí)驗(yàn)調(diào)試和數(shù)據(jù)分析 5.1程序調(diào)試、分析 由于Smart-200沒(méi)有西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的官方仿真軟件，而S7-200的仿真軟件對(duì)于Smart-200程序和S7-200程序可以通用，所以利用S7-200的仿真軟件對(duì)Smart的程序進(jìn)行仿真。不過(guò)首先在程序編程界面將程序?qū)С?.awl格式，然后將軟件打開(kāi)進(jìn)行仿真運(yùn)行，點(diǎn)擊菜單欄的程序，然后 裝載導(dǎo)出的程序文件即可。 圖5.1 未啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行圖 此時(shí)PLC處于運(yùn)行狀態(tài)，但是并沒(méi)有按下啟動(dòng)按鈕，這個(gè)時(shí)候可以看到PLC的并沒(méi)有輸出。 圖5.2 0段速模式運(yùn)行圖 當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕之后，可以看到Q0.0（0段速模式）和Q0.4（變頻器運(yùn)行）同時(shí)運(yùn)行，此時(shí)變頻器處于運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行頻率為10Hz，檔位為0。此運(yùn)行結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果一致。 圖5.3 檔位3運(yùn)行圖 通過(guò)仿真軟件，當(dāng)T37=859時(shí)，M0.3得電，PLC輸出Q0.0、Q0.1得電，Q0.4保持通電，通過(guò)端子與多段速的關(guān)系表，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前正處于檔位3，頻率為35Hz。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果和理論設(shè)計(jì)相同。 圖5.4 檔位4運(yùn)行圖 通過(guò)仿真軟件，當(dāng)T37=1180時(shí)，M0.4得電，PLC輸出Q0.0、Q0.3得電，Q0.4保持通電，通過(guò)端子與多段速的關(guān)系表，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前正處于檔位4，變頻器運(yùn)行頻率為50Hz。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果和理論設(shè)計(jì)相同。 圖5.4 檔位7運(yùn)行圖 通過(guò)仿真畫(huà)面可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)間繼電器T37=8540時(shí)，PLC輸出Q0.0、Q0.1、Q0.2得電，Q0.4保持運(yùn)行。變頻器處于檔位7，運(yùn)行頻率為30Hz。通過(guò)對(duì)比端子與多段速理論數(shù)值相比較，完全符合。因?yàn)槔碚撏ㄟ^(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證。 圖5.4 停止后繼電器復(fù)位運(yùn)行圖 點(diǎn)擊停止按鈕I0.0，可以看到變頻器運(yùn)行繼電器Q0.4復(fù)位，其他繼電器全部復(fù)位。變頻器停止運(yùn)行，時(shí)間繼電器計(jì)數(shù)復(fù)位。 5.2運(yùn)行結(jié)果 通過(guò)仿真軟件所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和通過(guò)理論所得數(shù)據(jù)相比較，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)完全一樣。這樣就可以論證，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)完全符合從理論到實(shí)驗(yàn)再到現(xiàn)實(shí)中的運(yùn)用，并且可以得到完美的體現(xiàn)。再根據(jù)變頻器的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，仔細(xì)調(diào)整變頻器的參數(shù)設(shè)置，通過(guò)PLC為基礎(chǔ)的調(diào)整變頻器的多段速運(yùn)行得到完美實(shí)現(xiàn)。 第六章 總結(jié)和體會(huì) 本設(shè)計(jì)以PLC和變頻器為核心，通過(guò)PLC控制變頻器帶動(dòng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的詳細(xì)分析和仿真實(shí)驗(yàn)，完成了對(duì)硬件和軟件系統(tǒng)的驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的電氣控制。主要的工作內(nèi)容有通過(guò)Smart-200編程軟件對(duì)PLC程序進(jìn)行編寫(xiě)、同AutoCAD-2015對(duì)電氣圖紙進(jìn)行繪制，調(diào)出程序文件POU，然后在S7-200仿真軟件上進(jìn)行程序的模擬仿真，并且得到了較好的結(jié)果。 PLC是利用傳統(tǒng)控制理論在微處理器上研發(fā)出來(lái)的一種控制裝置，它融合了傳統(tǒng)繼電器電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及通信技術(shù)。雖然PLC出現(xiàn)的時(shí)間不長(zhǎng)，但是在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域取得的效果是空前，大大的節(jié)省了人力、物力，并提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，有力的推動(dòng)了工業(yè)自動(dòng)化及社會(huì)的發(fā)展。隨著工業(yè)領(lǐng)域的要求不斷提高，工藝水平的不斷改進(jìn)，相信PLC在自動(dòng)控制發(fā)展中會(huì)越來(lái)越好。 針對(duì)本次設(shè)計(jì)中，還有很多功能沒(méi)有做到位，在以后的工作中會(huì)繼續(xù)的學(xué)習(xí)和討論，以提高自己的技術(shù)水平。 在進(jìn)行這一次畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)需要了解的知識(shí)和資料還有很多，對(duì)自己知識(shí)的儲(chǔ)備有了清醒的認(rèn)識(shí)，并且對(duì)自己的實(shí)際動(dòng)手能力有了進(jìn)一步的提高。由于第一次做這種大型的設(shè)計(jì)，其中難免有一些不足和需要改進(jìn)的地方，還望老師批評(píng)指正。  附錄1 附錄1：變頻器控制回路接線圖  附錄3 附錄2：硬件連接圖 2.1變頻器外部接線圖  2.1 PLC外部接線圖 附錄3：PLC梯形圖 參考文獻(xiàn)