基于PLC的电机调速控制系统.docx
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基于PLC的电机调速控制系统
摘要………………………………………………………………………1
关键字…………………………………………………………………1
前言………………………………………………………………………
1电动机变频器及PLC概述……………………………………………1
1.1电动机的分类……………………………………………………………………
1.2电动机的基本结构……………………………………………………………….
1.3变频器概述……………………………………………………………………..
1.4PLC的基本结构及控制原理…………………………………………………..
1.5基于PLC的电机调速控制系统的优点………………………………………….
2本设计的主体思路………………………………………………….
2.1基于PLC的电机调速系统的构想……………………………………………
3控制系统的硬件选择…………………………………………………………..
3.1LG公司SV-IG5系列变频器介绍………………………………………………
3.2三菱PLC-FX2N系列PLC介绍…………………………………………………
3.3电机的选择……………………………………………………………………...
4系统控制要求………………………………………………………….
4.1控制的要求………………………………………………………………………
5控制系统的硬件设计…………………………………………………
5.1系统的接线原理图………………………………………………………………
5.2系统的I/O分配………………………………………………………………….
5.3变频器的参数设定……………………………………………………………
6控制系统的软件设计…………………………………………………
6.1系统的梯形图……………………………………………………………………
6.2系统的指令表…………………………………………………………………..
致谢………………………………………………………………………
附录………………………………………………………………………
参考文献…………………………………………………………………
基于PLC的电机调速系统设计
-八段有极升速调速控制
学生：
xxx
指导老师：
xxx
（xxxxxxxxx学院）
摘要：
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）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。
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。
PLC具有结构简单、编程方便、性能优越、灵活通用、使用方便、可靠性高、搞干扰能力强等到一系列优点，在工业生产过程自动控制领域得到了广泛应用。
所以，掌握PLC技术是改造传统生产工艺和设备的重要途径。
PLCcontrolACmotorspeedregulationsystemDesignandImplementation
Abstract
SincethesixtiesthetwentiethcenturytheUnitedStateslaunchedaprogrammablelogiccontroller（ProgrammableLogicController,PLC）hasreplacedthetraditionalrelaycontroldevice,PLChasbeenrapiddevelopment,iswidelyusedaroundtheworld.Meanwhile,PLCfunctionisalsoimproved.Withcomputertechnology,signalprocessingtechnology,controltechnologyandnetworktechnologyforthecontinuousdevelopmentofrisinguserdemand,PLCbasisoftheswitchratetreatmentstotreatvolumesaddedtothesimulationandmotioncontrolfunctions.PLCtodaynolongerlimitedtologiccontrol,motioncontrol,processcontrolandotherfieldsalsoplayanimportantrole.
关键字：
PLC电机调速系统变频调速控制系统
前言
可编程控制器是以计算机为核心的通用自动控制装置，它的功能强、可靠性极强、编程简单、使用方便、体积小。
现已广泛应用于工业控制的各个领域，它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、记数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。
随着PLC技术的迅猛发展PLC越来越多的被用于工业领域，配合变频器PLC被用于电机调速，基于PLC的电机调速系统具有效率高、节能显著；调速平滑，能在5～100Hz范围内无级调速；低频起动时力矩对负载冲击小；起动电流小，应用范围广，在50Hz以下可作恒转矩运行，在50Hz以上可作恒功率运行；较电磁调速电机节能降耗，调速范围广，结构简单，使用可靠，维修方便。
等诸多优势。
其优点是传统调速系统无法比拟的。
1电动机变频器及PLC概述
1.1电动机的分类
电动机应用广泛，种类繁多 按工作电源种类划分：
可分为直流电动机和交流电动机。
直流电动机按结构及工作原理可划分：
无刷直流电动机和有刷直流电动机。
有刷直流电动机可划分：
永磁直流电动机和电磁直流电动机。
电磁直流电动机划分：
串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。
永磁直流电动机划分：
稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。
其中交流电机还可分：
单相电机和三相电机。
按结构和工作原理划分：
可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。
同步电动机可划分：
永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。
异步电动机可划分：
感应电动机和交流换向器电动机。
感应电动机可划分：
三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。
交流换向器电动机可划分：
单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。
按起动与运行方式划分：
电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。
按用途划分：
驱动用电动机和控制用电动机。
1.2电动机的基本结构
一般电动机主要分为定子和转子两部分。
定子：
由铁心、绕组与机座三部分组成。
定子铁心是电动机磁路的一部分，它是由0.5mm的硅钢片叠压而成，片与片之间是绝缘的，以减少涡流损耗，定子铁心的硅钢片的内圆冲有定子槽，槽中安放绕组，硅钢片铁心在叠压后称为一个整体，固定于机座上。
定子绕组是电动机的电路部分，由许多线圈连接而成，每个线圈有两个有效边，分别放在两个槽里。
三相对称绕组AX，BY，CZ可连接成星型或三角形。
机座主要用于固定与支撑定子铁心。
中小型异步电动机一般采用铸铁机座。
根据不同的冷却方式采用不同的机座形式
转子：
转子由铁心与绕组组成。
转子铁心压装在转轴上，由硅钢片叠压而成，转子硅钢片冲片如图5.2所示，转子铁心也是电动机磁路的一部分，转子铁心、气隙与定子铁心构成电动机的完整磁路。
异步电动机转子绕组多采用鼠笼式，它是在转子铁心槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊在两个铜端环上而组成，小型鼠笼式转子绕组多用铝离心浇注而成，
异步电动机的转子绕组除了鼠笼式外还有线绕式，线绕式转子绕组与定子绕组一样，由线圈组成绕组放入转子铁心槽里，转子绕组一般是连接成星型的三相绕组，转子绕组组成的磁极数与定子相同，绕线式转子通过轴上的滑环和电刷在转子回路中接入外加电阻，
1.3变频器概述
变频器（Variable-frequencyDrive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。
变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。
通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。
随着工业自动化程度的不断提高，变频器以其简便耐用，便于维修，功能完善等优点在现代工业制造中运用也越来越广泛。
相比于传统调速系统，与PLC相结合的变频调速系统可以设置更多的参数，完成更多的工业技术的要求。
使得现代调速系统的调速和一些其他的技术指标跟加完善。
1.4PLC的基本结构及控制原理
PLC主要分为以下几部分（如图1.4-1）
图1.4-1PLC的硬件组成
中央处理器
中央处理器单元一般由控制器、运算器和寄存器组成。
CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与储存单元、输入输出接口、通信接口、扩展接口相连。
CPU是PLC的核心，它不断采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出。
储存器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两种。
系统存储器用于存放PLC的系统程序，用户存储器用于存放PLC的用户程序。
现在的PLC一般均采用可电擦除的E2PROM存储器来作为系统存储器和用户存储器。
输入输出接口单元
PLC的输入接口电路的作用是将按钮、行程开关或传感器等产生的信号输入CPU；PLC的输出接口电路的作用是将CPU向外输出的信号转换成可以驱动外部执行元件的信号，以便控制接触器线圈等电器的通、断电。
PLC的输入输出接口电路一般采用光耦合隔离技术，可以有效地保护内部电路。
输入接口电路
PLC的输入接口电路可分为直流输入电路和交流输入电路。
直流输入电路的延迟时间比较短，可以直接与接近开关，光电开关等电子输入装置连接；交流输入电路适用于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。
交流输入电路和直流输入电路类似，外接的输入电源改为220V交流电源。
输出接口电路
输出接口电路通常有3种类型：
继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。
继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型的输出电路类似，只是晶体管或晶闸管代替继电器来控制外部负载。
扩展接口和通信接口
PLC的扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要；通信接口的功能是通过这些通信接口可以和监视器、打印机、其他的PLC或是计算机相连，从而实现“人-机”或“机-机”之间的对话。
电源
PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、12V、24V直流电源，使PLC能正常工作
1.5基于PLC的电机调速控制系统的优点
plc控制电路相对于继电器控制电路具有以下优点
1、控制方式上看：
电器控制硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能很是困难；而plc软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。
2、工作方式上看：
电器控制并行工作，而plc串行工作，不受制约。
3、控制速度上看：
电器控制速度慢，触点易抖动；而plc通过半导体来控制，速度很快，无触点，顾而无抖动一说。
4、定时、记数看：
电器控制定时精度不高，容易受环境温度变化影响，且无记数功能；plc时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽；有记数功能。
5、可靠、维护看：
电器控制触点多，会产生机械磨损和电弧烧伤，接线也多，可靠、维护性能差；plc无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。
2本设计的主体思路
2.1基于PLC的电机调速系统的构想
利用PLC的开关量输出继电器对变频器的多功能输入端进行控制，可以实现三相电动机的正反转、多速有极控制。
对大多数控制系统来说，对大多数速度控制系统来说，这种多级速度控制方式不仅能满足工艺要求，而且接线简单、抗干扰能
力强，使用方便。
与利用模拟信号进行速度给定的方法比较，成本低，并且不会存在因外部和内部漂移带来的一些问题。
3控制系统的硬件选择
3.1LG公司SV-IG5系列变频器介绍
LG变频器是由韩国LG产电为自动化设备行业倾力打造的专业变频器。
具有更好的低速特性，IP防护和应用功能。
从外观，结构，散热，电路设计，软件设计等诸多方面进行了精心改进，提高了产品的可靠性和易用性，进一步满足了客户不同应用场合的要求。
LG变频器IG5系列是LG变频器中的一个系列。
其特点是
V/F控制和无传感矢量控制，内置RFI干扰滤波器，电机参数自整定，内置电位器，0.5HZ具有150%转矩，可编程的I/O端子，0-400HZ的输出频率范围，PNP/NPN类型，1-10KHZ的载波频率范围，0-10VDC模拟输出，内置PID控制，可选择Modbus通讯卡，接地保护。
3.2三菱PLC-FX2N系列PLC介绍
三菱FXPLC是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置，除输入出16～25
点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。
其特点是:
系统配置即固定又灵活；-编程简单；备有可自由选择，丰富的品种；令人放心的高性能；高速运算；使用于多种特殊用途；外部机器通讯简单化；共同的外部设备。
3.3电机的选择
电动机的选择主要根据以下条件来选择
1电动机的机械特性、启动、制动、调速及其它控制性能应满足机械特性和生产工艺过程的要求，电动机工作过程中对电源供电质量的影响（如电压波动、谢波干扰等），应在容许的范围内；
2按预定的工作制、冷却方法基辅在情况所确定的电动机功率，电动机的温升应在限定的范围内；
3根据环境条件、运行条件、安装方式、传动方式，选定电动机的结构、安装、防护形式，保证电动机可靠工作；
4综合考虑一次投资几运行费用，整个驱动系统经济、节能、合理、可靠和安全。
4系统控制要求
4.1控制的要求
本设计主要用于电机的8段有级调速控制。
这8个速度是：
40Hz10Hz35Hz20Hz50Hz15Hz30Hz25Hz
具体的要求是：
当正转或反转按钮按下后，电动机按照10Hz速度运行。
按下SB6，电机升一级速度运行，即以15Hz运行。
每按一次，升一级速度，直到8级速度，即全速50Hz为止。
按下按钮SB7，电机降一级速度运行，每按一次，下降一级速度，直到一级速度（10Hz速度）为止。
当电机运行在中间某一速度时，同样可以通过SB6或SB7进行升速或降速控制。
5控制系统的硬件设计
5.1系统的接线原理图
用PLC对变频器进行有级调速的控制原理图如图5.1.1所示。
途中变频器的型号为SV-004ig-2，适用于电动机功率0.37kw
图5.1.1PLC对变频器进行有机调速控制原理图
5.2系统的I/O分配（表5.2.1）
表5.2.1
输入
I/O
输出
功能解释
SB0
X00
变频器电源接触器停止按钮
SB1
X01
变频器电源运行按钮
SB2
X02
变频器正传停止
SB3
X03
变频器正传启动
SB4
XO4
变频器反转停止
SB5
X05
变频器反转启动
SB6
X06
加速
SB7
X07
减速
Y00
KM
KM为变频器主电源接触器
Y01
HL1
HL1为变频器运行指示
Y02
HL2
HL2变频器故障指示
YO6
P1
多功能端子
Y07
P2
多功能端子
Y10
P3
多功能端子
Y11
RST
RST为复位端子
Y12
RX
RX为反转端子
Y13
FX
FX为正转端子
﹡多功能输出端子MO-MG定义为“停止检测”
5.3变频器的参数设定
5.3.1主要参数设定
图5.3.1是变频器的多功能输出端子的逻辑输入与频率输出的关系，根据下图可以完成对变频器的输出控制
图5.3.1端子P3、P2、P1在不同组合情况下的运行速度
根据表5.3.1及设计要求的8个频率值，的到多段速度控制的与运行频率的对应关系，根据下图可以完成对频率具体数值的设定
表5.3.1八段速度与多段速控端子对应关系
多步频率
参数代码
速度-H
（P3）
速度-M
（P2）
速度-L
（P1）
运行频率
辅助继电器
多步频率-0
DRV-00
0
0
0
10Hz
M1
多步频率-1
DRV-05
0
0
1
15Hz
M2
多步频率-2
DRV-06
0
1
0
20Hz
M3
多步频率-3
DRV-07
0
1
1
25Hz
M4
多步频率-4
I/O-21
1
0
0
30Hz
M5
多步频率-5
I/O-22
1
0
1
35Hz
M6
多步频率-6
I/O-23
1
1
0
40Hz
M7
多步频率-7
I/O-24
1
1
1
50Hz
M8
我国的电机频率都是50Hz，因此电机的调速频率在0.1˜50Hz，在本设计中我们取了8个不同的值，40Hz10Hz35Hz20Hz50Hz15Hz30Hz25Hz，分别设置到参数DRV-00、DRV-05、DRV-06D、DRV-07I/O-21、I/O-22、I/O-23、I/O-24中。
只要给变频上电就可以进行设置。
图5.3.28段速度运行曲线
6控制系统的软件设计
6.1系统的梯形图
本设计的软件部分的PLC梯形图如图6.1.1所示
图6.1.1电机调速系统的梯形图
6.2系统的指令表
根据梯形图与系统的硬件连接，可以得出系统的PLC的指令表，
LD8002
RSTD0
LDX1
ORY0
OUTY0
ANDX0
LDX3
ORYY12
ANDX2
ANIX5
ANIY13
ANDY0
OUTY13
LDPX3
ORPX5
RSTD0
LDY12
ORM13
OUTM10
LD≦D0K0
OUTM11
LD≧D0K7
OUTM12
LDM10
LDIM12
ANPX6
INCD0
ORB
LPIM11
ANDX7
MRD
LDM0
MPS
AND=D0K0
OUTM1
MRD
AND=D0K1
OUTM2
MRD
AND=D0K2
OUTM3
MRD
AND=D0K3
OUTM4
ORD
AND=D0K4
OUTM5
MRD
AND=D0K5
OUTM6
MRD
ANDD0
OUTD
MPP
LD=D0K6
OUTM7
MPP
LD=D0K7
MPP
LDDOK7
OUTM8
LDM2
ORM4
ORM6
ORM8
OUTY10
LDM3
ORM4
ORM7
ORM8
OUTY7
LDM5
ORM6
ORM7
ORM8
OUTY6
END
致谢
在此，我还要感谢在一起愉快的度过三年大学生活的各位同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。
特别感谢我寝室的同学，他们对本课题做了不少工作，给予我不少的帮助。
本论文是在我的导师xxx老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。
他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。
从课题的选择到项目的最终完成，李老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。
两年多来，李老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向林老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。
在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。
而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。
在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!
最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们！
在此，向所有关心我的亲人、师长和朋友们表示深深的谢意。
附录：
附1LG系列变频器技术参数
1.功率/电压等级：
0.37～1.5kW,200-230VAC,1相
0.37～4.0kW,200-230VAC,3相
0.37～4.0kW,380-460VAC,3
2.防护等级：
IP00～IP20
3.变频器类型：
采用IGBT的PWM控制
4.控制方式：
V/F空间矢量PWM技术
-内置：
RS-485
-内置：
ModBus-RTU
-内置：
PID控制
-远程控制盘（可读写参数）
-0.5Hz输出150%转矩
-防失速功能
-8步速控制
-三段跳跃频率
5.变频器功率选择
使用电机
KWHP
220~230V
1相
220~230V
1相
220~230V
1相
0.3705
SV004iG5-1
SV008iG5-1
SV015iG5-1
SV004iG5-2
SV040iG5-2
0.751
SV008iG5-2
SV040iG5-2
1.52
SV015iG5-2
SV015iG5-4
2.23
SV022iG5-2
SV015iG5-4
3.75
SV037iG5-2
SV037iG5-4
4.054
SV040iG5-2
SV040iG5-4
6.变频器型号及相关参数
变频器型号（SVXXXIG5-X）
004-1
008-1
015-1
004-2
008-2
015-2
022-2
037-2
040-2
电机功率
HP
0.5
1
2
0.5
1
2
3
5
5.4
kW
0.37
0.75
1.5
0.37
0.75
1.5
2.2
3.7
4
输出功率
容量[kWA]*
1.1
1.9
3
1.1
1.9
3
4.5
6.1
6.5
额定电流[A]
3
5
8
3
5
8
12
16
17
频率
0～400Hz
电压
200～230V
输入功率
电压
1p
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