PLC与变频器控制电机.docx
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PLC与变频器控制电机
1实训的目的
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。
同时，PLC的功能也不断完善。
随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能，PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。
今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。
电气控制在生产生活中广泛应用，例如PLC控制电梯，电机的运行，PLC还可以控制音乐喷泉。
变频器是运动控制系统中的功率变换器。
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，能实现对交流异。
当今的运动控制系统是包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是：
驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。
因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。
现在变频器多余PLC配合使用，例如PLC通过变频器控制电机的正反转、变频运行等等。
如今PLC与变频器控制已经广泛应用于我们的生活中，为了对PLC与变频器的控制不陌生，就有了实训，这次试训的目的是熟悉PLC和变频器，以及他们相互配合使用控制电机的正反装以及电机的多段运行，还有PLC对步进电机的控制的电路设计和程序设计。
在实训的过程中，还可以将以前所学的关于PLC的只是进行加深巩固实践的目的就是运用所学专业技术基础课及专业课知识，进行控制系统设计及综合实验，使学生在综合运用专业理论方面得到实际锻炼。
通过实践，培养学生理论联系实际的能力，独立进行工程设计的能力。
2变频器控制电机
2.1变频器的工作原理
近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低，变频调速越来越被工业上所采用。
如何选择性能好的变频其应用到工业控制中。
2.1.1变频器的工作原理
交流电动机的同步转速表达式位：
n＝60f（1－s）/p
（1）
式中n———异步电动机的转速；f———异步电动机的频率；s———电动机转差率；p———电动机极对数。
由式
（1）可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。
变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
2.1.2变频器控制方式
低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交—直—交电路。
其控制方式经历了以下四代。
1、U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式：
其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。
但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。
2、电压空间矢量（SVPWM）控制方式
它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。
经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。
3、矢量控制（VC）方式
矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。
4、直接转矩控制（DTC）方式
直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。
它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
5、矩阵式交—交控制方式
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。
其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。
为此，矩阵式交—交变频应运而生。
由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。
它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。
该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。
其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。
2.2变频器控制电机的正反转
2.2.1控制要求
本次目的是了解变频器外部控制端子的功能，掌握外部运行模式下变频器的操作方法。
要求如下：
1、正确设置变频器输出的额定频率、额定电压、额定电流、额定功率、额定转速。
2、通过外部端子控制电机启动/停止、正转/反转，打开“K1”、“K3”电机正转，打开“K2”电机反转，关闭“K2”电机正转；在正转/反转的同时，关闭“K3”，电机停止。
3、运用操作面板改变电机启动的点动运行频率和加减速时间
2.2.2控制电路的设计
首先是实训设备，见表2-1
表2-1实训设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
实训装置
THPFSM-2
1
2
实训挂箱
C10
1
3
导线
3号/4号
若干
4
电动机
WDJ26
1
5
实训指导书
THPFSM-1/2
1
然后就要对变频器的参数进行设置，见表2-2
表2-2变频器的参数
序号
变频器参数
出厂值
设定值
功能说明
1
P0304
230
380
电动机的额定电压（380V）
2
P0305
3.25
0.35
电动机的额定电流（0.35A）
3
P0307
0.75
0.06
电动机的额定功率（60W）
4
P0310
50.00
50.00
电动机的额定频率（50Hz）
5
P0311
0
1430
电动机的额定转速（1430r/min）
6
P0700
2
2
选择命令源（由端子排输入）
7
P1000
2
1
用操作面板（BOP）控制频率的升降
8
P1080
0
0
电动机的最小频率（0Hz）
9
P1082
50
50.00
电动机的最大频率（50Hz）
10
P1120
10
10
斜坡上升时间（10S）
11
P1121
10
10
斜坡下降时间（10S）
12
P0701
1
1
ON/OFF（接通正转/停车命令1）
13
P0702
12
12
反转
14
P0703
9
4
OFF3（停车命令3）按斜坡函数曲线快速降速停车
注:
（1）设置参数前先将变频器参数复位为工厂的缺省设定值
（2）设定P0003=2允许访问扩展参数
（3）设定电机参数时先设定P0010=1（快速调试）,电机参数设置完成设定P0010=0（准备）
2.2.3电路的设计
变频器的外部接线如图2-1所示。
图2-1变频器外部接线图
操作步骤：
1、检查实训设备中器材是否齐全。
2、按照变频器外部接线图完成变频器的接线，认真检查，确保正确无误。
3、打开电源开关，按照参数功能表正确设置变频器参数
4、打开开关“K1”，电机正转。
5、关闭开关“K1”，打开开关“K2”，电机反转。
6、打开开关“K3”，电机停止。
2.3变频器控制电机多段运行
2.3.1控制要求
本次实验的要求是：
1、正确设置变频器输出的额定频率、额定电压、额定电流、额定功率、额定转速。
2、通过外部端子控制电机启动/停止、正转/反转，打开“K1”、“K3”电机正转，打开“K2”电机反转，关闭“K2”电机正转；在正转/反转的同时，关闭“K3”，电机停止。
3、运用操作面板改变电机启动的点动运行频率和加减速时间。
2.3.2控制电路的设计
本次实验的设备见表2-1，对变频器的参数设置，见表2-3。
需要注意以下三点：
（1）设置参数前先将变频器参数复位为工厂的缺省设定值
（2）设定P0003=2允许访问扩展参数
（3）设定电机参数时先设定P0010=1（快速调试）,电机参数设置完成设定P0010=0（准备）
2.3.3控制电路
变频器外部接线图见图2-1，操作步骤：
1、检查实训设备中器材是否齐全。
2、按照变频器外部接线图完成变频器的接线，认真检查，确保正确无误。
变频器的L、N接口接三相电源的W相和地线。
3、打开电源开关，按照参数功能表正确设置变频器参数。
4、切换开关“K1”、“K2”、“K3”的通断，观察并记录变频器的输出频率。
各个固定频率的数值根据表2-4选择。
“K1”、“K2”、“K3”三种不同组合频率，DIN1、DIN2、DIN3的输入不同，通过变频器的内部结构，是的输出分别有5Hz、10Hz、20Hz、25Hz、30Hz、40Hz、50Hz。
表2-3变频器的参数
序号
变频器参数
出厂值
设定值
功能说明
1
P0304
230
380
电动机的额定电压（380V）
2
P0305
3.25
0.35
电动机的额定电流（0.35A）
3
P0307
0.75
0.06
电动机的额定功率（60W）
4
P0310
50.00
50.00
电动机的额定频率（50Hz）
5
P0311
0
1430
电动机的额定转速（1430r/min）
6
P1000
2
3
固定频率设定
7
P1080
0
0
电动机的最小频率（0Hz）
8
P1082
50
50.00
电动机的最大频率（50Hz）
9
P1120
10
10
斜坡上升时间（10S）
10
P1121
10
10
斜坡下降时间（10S）
11
P0700
2
2
选择命令源（由端子排输入）
12
P0701
1
17
固定频率设值（二进制编码选择+ON命令）
13
P0702
12
17
固定频率设值（二进制编码选择+ON命令）
14
P0703
9
17
固定频率设值（二进制编码选择+ON命令）
15
P1001
0.00
5.00
固定频率1
16
P1002
5.00
10.00
固定频率2
17
P1003
10.00
20.00
固定频率3
18
P1004
15.00
25.00
固定频率4
19
P1005
20.00
30.00
固定频率5
20
P1006
25.00
40.00
固定频率6
21
P1007
30.00
50.00
固定频率7
表2-4开关频率的选择
K1
K2
K3
输出频率
OFF
OFF
OFF
OFF
ON
OFF
OFF
固定频率1
OFF
ON
OFF
固定频率2
ON
ON
OFF
固定频率3
OFF
OFF
ON
固定频率4
ON
OFF
ON
固定频率5
OFF
ON
ON
固定频率6
ON
ON
ON
固定频率7
2.4变频器控制三台电机
2.4.1控制要求
某供水系统需三台异步电动机拖动工作，现若采用一台变频器实现软启动，试设计其电气控制系统，实现变频恒压供水目的。
具体要求如下：
（1）当一台电动机为变频工作时，另两台电机必须为工频工作或停止状态；
（2）需考虑消防的需要；
（3）要求有必要的电气保护；
（4）绘制该系统的主电路和控制电路图，并选取相应的电器的型号（注：
电机功率可自定）。
2.4.2主电路的设计
电机有两种工作模式：
在工频电下运行和变频电下运行。
主电路图见图2-2
1、QA1,QA2分别为电动机MA1,MA2,MA3变频运行时接通电源的控制接触器。
2.、QA3,QA4,QA5分别为电动机MA1,MA2,MA3工频运行时接通电源的控制接触器。
热继电器是利用电流的热效应原理工作的保护电路。
它在电路中的作用为电动机的过载保护。
QA为低压断路器，也称为自动开关或空气开关。
作用是对设备发生短路，严重过载及欠电压等进行保护。
图2-2变频器控制三台电机
2.4.3控制电路的设计
控制原理:
FA1，FA2为熔断器，是电路中的一种简单的短路保护装置。
使用时，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路，防电气设备短路和严重过载。
BB1,BB2，BB3为热继电器起到过载保护的作用。
SF1为总控制开关，SF3，SF4分别为三台电动机变频控制按钮，当三个开关为断开时，三台电机停止变频。
SF6,SF8，SF10分别为电机的工频控制按钮，当开关断开时，三台电机停止运行。
SF2为QA1的启动按钮。
当SF2闭合时QA1主线圈得电，辅助线圈QA1闭合，MA1处于变频工作状态，由于互锁MA2的变频支路QA1常闭触点断开，只能处于工频或停止工作状态。
当SF9闭合时QA4主线圈得电，辅助线圈QA4闭合，同时MA1变频支路的常闭触点QA4处于断开状态，此时只能工作在工频状态。
MA2工作原理与MA1相同。
控制电路见图2-3
图2-3变频器控制三台电机控制电路
3PLC控制设计
3.1PLC的简介
3.1.1PLC的应用
PLC控制系统可应用于三相异步电动机单向运转控制、三相异步电动机可逆运转控制、水塔水位控制、自动送料装车控制、交通信号灯控制、液体混合装置控制、大小球分类传送控制、人行横道与车道灯控制、电动机的丫-△减压起动控制、送料车控制和天塔之光控制等。
目前PLC在国内外已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、轻纺。
汽车。
交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为：
开关量逻辑控制、模拟量控制、运动量控制、数据采集及处理、信号监控、通信及联网。
由于PLC上述几个方面的应用，而且PLC控制系统使其网络又可大可小，所以PLC已经应用于工业生产的各个行业，如冶金、机械、化工、轻工、食品、建材等等，不仅如此，PLC也应用于一些非工业过程，如楼宇自动化、电梯控制、以及农业大棚环境参数调控等。
3.1.2PLC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。
（一）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。
（二）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。
（三）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。
3.1.3S7-200的简介
s7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
如：
冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。
S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU
CPU单元设计：
集成的24V负载电源：
可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU221，222具有180mA输出，CPU224，CPU224XP，CPU226分别输出280，400mA。
可用作负载电源。
CPU221~226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。
本机数字量输入/输出点，CPU221具有6个输入点和4个输出点，CPU222具有8个输入点和6个输出点，CPU224具有14个输入点和10个输出点，CPU224XP具有14个输入点和10个输出点，CPU226具有24个输入点和16个输出点。
本机模拟最输入/输出点，CPU224XP具有2个输入点，1个输出点。
中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。
高速计数器，CPU221/222。
个高速计数器（30KHz），可编程并具有复位输入，2个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接两个相位差为90°的A/B相增量编码器，CPU224/224XP/226，6个高速计数器（30KHz），具有CPU221/222相同的功能。
CPU222/224/224XP/226，可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。
可使用仿真器（选件）对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序。
3.2PLC控制电机的正反转
3.2.1控制电路设计
PLC通过变频器来控制电机的正反转，变频器的参数设置参考表2-1，PLC的外部接线图见图3-1。
图3-1PLC外部接线图
三个开关“K1”、“K2”、“K3”作为PLC的输入I0.0、I0.1、I0.2，输出点Q0.0、Q0.1、Q0.2给到变频器的DIN1、DIN2、DIN3，这样就可以PLC通过变频器来控制电机的正反转。
3.2.2程序设计
控制电路的地址分配表见表3-1。
表3-1PLCI/O分配表
输入口分配
输出口分配
K1
I0.0
DIN1
Q0.0
K2
I0.1
DIN2
Q0.1
K3
I0.2
DIN3
Q0.2
T型图见图3-2。
开关K1控制电机的正转，开关K2控制电机的反转，开关K3控制电机的停止。
操作步骤如下：
1、检查实训设备中器材是否齐全。
2、按照变频器外部接线图完成变频器的接线，认真检查，确保正确无误。
3、打开电源开关，按照参数功能表正确设置变频器参数。
4、打开示例程序或用户自己编写的控制程序，进行编译，有错误实根据提示信息修改，直至无误，用PC/PPI通讯编程电缆连接计算机串口与PLC通讯口，打开PLC主机电源开关，下载程序至PLC中，下载完毕后将PLC的“RUN/STOP”开关拨至“RUN”状态。
5、按下按钮“S1”,观察并记录电机的运转情况。
6、按下操作面板按钮“”,增加变频器输出频率。
7、按下按钮“S3”,等电机停止运转后,按下按钮“S2”,电机反转。
图3-2PLC控制电机T型图
3.3PLC控制电机多段运行
3.3.1控制电路的设计
PLC通过变频器来控制电机的正反转，变频器的参数设置参考表2-1，PLC的外部接线图见图3-3。
PLC的四个输入I0.0、I0.1、I0.2、I0.3分别有开关K1、K2、K3、K4控制，开关K1控制电机的自动多段速度运行，开关K2、K3、K4在不同组合输入时，电机或在不同频率下运行。
3.3.2程序设计
控制电路的地址分配表见表3-2。
表3-2多段I/O分配表
输入口地址
输出口地址
K1
I0.0
DIN1
Q0.0
K2
I0.1
DIN2
Q0.1
K3
I0.2
DIN3
Q0.2
K4
I0.3
图3-3PLC控制电机多段运行外部接线图
多段T型图见图3-3至图3-5
图3-3多段T型图网络1和网络2
操作步骤如下所示：
1.检查实训设备中器材是否齐全。
2.按照变频器外部接线图完成变频器的接线，认真检查，确保正确无误。
3.打开电源开关,按照参数功能表正确设置变频器参数。
4.打开示例程序或用户自己编写的控制程序,进行编译,有错误时根据提示信息修改,直至无误,用PC/PPI通讯编程电缆连接计算机串口与PLC通讯口,打开PLC主机电源开关,下载程序至PLC中,下载完毕后将PLC的“RUN/STOP”开关拨至“RUN”状态。
5.打开开关“K1”,观察并记录电机的运转情况。
6.关闭开关“K1”,切换开关“K2”“K3”“K4”的通断,观察并记录电机的运图3-4多段程序网络3和网络4、网络5、6
图3-5
3.4PLC控制步进电机
3.4.1硬件选择
1、步进电机:
步进电机有步距角、静力矩、电流三大要素组成。
根据负载的控制精度要求选择步距角大小,根据负载的大小确定静力矩,静力矩一经确定根据电机矩频特性曲线来判断电机的电流。
一旦三大要素确定,步进电机的型号便确定下来了。
2、驱动器:
遵循先选电机后选驱动的原则,电机的相数、电流大小是驱动器选择的决定性因素;在选型中,还要根据PLC输出信号的极性来决定驱动器输入信号是共阳极或共阴极。
为了改善电机的运行性能和提高控制精度,通常通过选择带细分功能的驱动器来实现,目前驱动器的细分等级有8倍、16倍、32倍、64倍等,最高可达256倍细分。
在实际应用中,应根据控制要和步进电机的特性选择合适的细分倍数,以达到更高的速度和更大的高速转矩,使电机运转精度更高,振动更小。
3.4.2PLC步进电机控制流程图
图3-6步进电机流程图
3.4.3操作步骤
1、检查实训设备中器材及调试程序。
2、按照I
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