PLC控制变频器调速系统.docx
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PLC控制变频器调速系统
摘要
可编程控制器（PLC）是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发出来的，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、计数和算术运算等，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。
本次设计主要内容是PLC控制变频器调速，通过PLC与变频器相连，改变电压，间接改变频率，从而实现电动机的转速变化，不仅如此，在完成这次设计同时，能够很好的了解PLC软件编程的思想，解决了PLC与变频器接线的问题，建立了简单的基于PLC控制系统简单的体系结构。
要完成好电气控制系统的设计系统，除要求我们掌握必要的电气设计基础知识外，还要求我们必须经过反复实践，深入生产现场，将我们所学的理论知识和积累的经验技术应用到设计中来。
本次课程设计正是本着这一目的而着手实施的实践性环节，它是一项初步的模拟工程训练。
通过这次课程设计，我感到更深地了解一般电气控制系统的设计要求、设计内容和设计方法。
关键字：
PLC、变频器，转速
第一章课程设计内容及PLC初步了解
1.1设计要求
1.确定控制方案，选择PLC和变频器。
2.画出电气控制线路原理图。
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。
1.2设计任务和目的
1.了解PLC控制变频调速系统。
2.了解S7-200系列CPU加MM420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控制变频调速系统调试基本过程及方法。
1.3系统控制要求
1.变频调速器受0~10V输入电压控制；
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；
10V输出频率为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。
图1.3.1转速与时间的函数关系
3.改变输出转速~时间的变化函数，重复上述过程.
1.4PLC简介
1.4.1PLC的基本概念
国际电工委员会对PLC做了定义为“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器机器有关设备，都应该按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其能力的原则设计”。
从上述定义可以看出，PLC是一种用于程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能完成各种各样的控制能力外，还有与其他计算机通行联网的功能。
1.4.2PLC的基本结构
如图1.4.1所示，PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。
PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。
PLC主要由CPU模块、I/O模块、变成装置和电源组成。
根据硬件结构的不同，可以将PLC分为整体式、模块式和混合式。
整体式PLC又叫做单元式或箱体式，他的体积小、价格低、小型PLC一般采用整体结构。
模块式PLC一般用于大、中型PLC，它由机架和模块组成。
（1）输入部件
输入部件是PLC与工业生产现场被控对象之间的连接部件，是现场信号进入PLC的桥梁。
该部件接收由主令元件、检测元件来的信号。
（2）输出部件
输出部件也是PLC与现场设备之间的连接部件，其功能是控制现场设备进行工作。
对于PLC，希望它能直接驱动执行元件，如微电机、接触器、灯和音响等，因此，输出部件中的输出级常是一些大功率器件，如机械触点式继电器、无触点交流开关（如双向可控硅）及直流开关（如晶体三极管）等。
（3）CPU模块
CPU模块主要有微处理器和存储器组成。
在PLC控制系统中CPU模块相当于人的大脑和心脏，他不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来存储程序和数据。
（4）I/O模块
输入模块和输出模块简称I/O模块，他们相当于人的眼、耳、手、脚，是联系外部设备和CPU模块的桥梁。
输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接受从按钮、选择开关、数字拨号开关、限位开关、接近开关、光电开关、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。
（5）编程器
编程器用来生成用户程序，并用它来编辑、检查、修改用户程序，监视用户程序的执行情况。
手持式编程器不能直接接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器，它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用于现场调试和维护。
（6）电源
PLC使用AC220V电源或DC24V电源。
内部开关电源为各模块提供不同电压等级的直流电源。
小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器提供DC24V电源，驱动PLC负载的直流电源一般有用户提供。
1.4.3PLC的工作原理
PLC通电后，需要对硬件和软件做一些初始化工作。
为了使PLC的输出及时地响应各种输入信号，初始化后PLC要反复不停地分段处理各种不同的任务，这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。
1、初始化过程：
与其它单片机运行一样，上电运行或复位时进行处理
（1）硬件初始化，复位输出输入模块，清零
（2）清除数据区
（3）输出输入地址分配
2、扫描过程
（1）扫描输入，将输入口状态读入至输入口映像区
（2）时钟处理，特殊寄存器更新
（3）执行用户程序
（4）输出，将输出口映像区输出至输出端口刷新
（5）自诊断检查
3、出错处理
检查PLC内部电路
CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通讯异常
致命错误，CPU强制STOP方式，所有扫描停止。
图1.4.2小型PLC的典型工作过程
第二章总体设计方案
本次设计是实现控制变频调速系统，选用PLC和变频器的组合可完成数字量的输入，实现模拟量和数字量的输出控制。
可以通过控制PLC模拟端的电压输出的大小来控制变频器的电压给定信号来改变变频器输出频率大小来实现对电机运转速度的控制，使得速度变化更加平滑和实现精确调速。
并且可以通过改变PLC内部程序的参数来改变电压输出的波形和大小。
实现自动和人工相互切换的控制过程。
2.1控制系统的I/0点分析
输入
输出
外接元件
地址
功能
地址
功能
SB1
I0.0
电机启动
AWQ0
电机启动
SB2
I0.1
电机停止
I0.6
变频器报警
SB3
I0.2
电机运行1
SB4
I0.3
电机运行2
表格2.1.1控制系统I/0分配图
2.2选择机型
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。
这次设计选用EM235CN作为模拟量模块。
参照西门子S7-200产品目录及市场实际价格，选用主机为CPU224（2个模拟量输入，1个模拟量输出），本系统变频器采用西门子MM420通用变频器。
电机型号不选（电机性型号决定变频器内部的参数的初始化字，不同的电机对与不同的参数设置。
这里不对电机选型不对变频器参数设置）。
CPU224模块I/O总点数为24点（14/10点），可带7个扩展模块；用户程序存储器容量为4K字；内置高速计数器，具有PID控制的功能；有2个高速脉冲输出端和1个RS-485通讯口；具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由口协议的通讯能力。
2.3系统控制结构
由PLC和变频器组成的控制系统，开关量和模拟量的按键，各个按键和内部地址对应上图的表格，不在一一列出。
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;
7.5V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
3.1系统主电路图
图3.1.1系统主电路图
3.2系统控制电路图
由于PLC内部对各个开关已经进行相互的互锁和自锁设计所以在外部电气连接图上就相应的简单，不应对其进行各种复杂的互锁和自锁设计，各个输出信号直接控制相应的开关就可以。
3.3PLC与变频器接线以及各部分细节
3.3.1PLC与变频器接线
图3.3.2PLC与变频器硬件接线
输入和输出部分作为例子，其他的接线相同，不再一一接出。
实际接线图如下：
图3.3.3外围接实际线图
3.3.2单个单元的细节接线
开关量：
用常开触点，每个状态都要人工给定，内部的触点结构如下：
F
A
B
图3.3.4按键接触点原理图
当F按下A和B接触将两边的导线接通就形成常开触点，中间的轴上有弹簧当力消失时A和B断开，外部导线断开。
由于试验用开关是一个按钮接有常开和常闭两个开关，需要进行检测，方法是，用万用表的二极管档位，将两根导线连接当导线是联通的时候，万用表会发出声音，这样就知道现在这两根导线是联通的。
这样就可以检测导线的联通行了。
按照上面的实际连接图连接硬件电路。
这里没有一些电机正转很反转控制开关和状态开关，以及其接线电路。
可以有如下的接线将各个信号接入实际的工程。
Q
地电源
图3.3.5外围驱动原理图图3.3.6输出规格图
3.4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。
变频器按照线性输出频率设置。
EM235模拟输出电压设定为0~10V.对应的频率输出范围位0~3000Hz。
EM235内部数据量对应外部电压输出也位线性输出变化。
32000对应10V，内部数字对应外部电压计算如下：
V=x/32000*103.4.1
3.5变频器参数设置表
图3.4.2变频器参数设置图
第四章软件部分设计
4.1设计步骤
（1）使用PLC的各个输入点作为系统的各个控制信号；
（2）使用PLC的一个模拟量输出点AQW1作为使电机转动的频率给定信号，接到MM440变频器的AIN1+，AIN1-端子上；
（3）调节变频器使其输出频率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。
4.2系统的流程图
4.3程序的主体
初始化变量及判断按键和锁定相应的状态位
（1）0-25秒上升子程序
（2）25-35秒平衡子程序
（3）35-40秒下降子程序
（4）40-60秒平衡子程序
（5）60-65秒下降子程序
（6）有循环位时启动下一次循环子程序
（7）外部电压给定子程序
4.4控制程序
4.4.1初始化变量及判断按键和锁定相应的状态位
LDI0.0
ANI0.1
OM0.0
=M0.0
Network2
LDM0.0
ANT37
TONT37,650
Network3
LDM0.0
AW<=T37,200
CALLSBR_0:
SBR0
Network4
LDW>=T37,200
AW<=T37,300
MOVW24000,AQW0
Network5
LDW>=T37,300
AW<=T37,400
CALLSBR_1:
SBR1
Network6
LDW>=T37,400
AW<=T37,600
MOVW8000,AQW0
Network7
LDW>=T37,600
AW<=T37,650
CALLSBR_2:
SBR2
4.4.20-25秒上升子程序
LDSM0.0
ANT96
TONT32,5
RC3,1
Network2
LDT32
=M0.1
TONT96,5
Network3
LDM0.1
LDC1
CTUC1,2000
Network4
LDSM0.0
MOVD12,VD70
DTRVD70,VD70
Network5
LDSM0.0
ITDC1,VD60
DTRVD60,VD60
MOVRVD60,VD80
*RVD70,VD80
ROUNDVD80,VD80
Network6
LDSM0.0
DTIVD80,VW90
MOVWVW90,AQW1
4.4.325-35秒平衡子程序
LDW>=T37,200
AW<=T37,300
MOVW24000,AQW1
4.4.435-40秒下降子程序
LDSM0.0
ANT96
TONT32,5
RC1,1
Network2
LDT32
=M0.2
TONT96,5
Network3
LDM0.2
LDC2
CTUC2,1000
Network4
LDSM0.0
MOVD16,VD20
DTRVD20,VD20
Network5
LDSM0.0
ITDC2,VD10
DTRVD10,VD10
MOVRVD10,VD30
*RVD20,VD30
Network6
LDSM0.0
MOVD24000,VD50
DTRVD50,VD50
*R-1.0,VD30
+RVD50,VD30
ROUNDVD30,VD30
Network7
LDSM0.0
DTIVD30,VW40
MOVWVW40,AQW1
4.4.540-60秒平衡子程序
LDW>=T37,400
AW<=T37,600
MOVW8000,AQW1
4.4.660-65秒下降子程序
LDSM0.0
ANT96
TONT32,5
RC2,1
Network2
LDT32
=M0.3
TONT96,5
Network3
LDM0.3
LDC3
CTUC3,500
Network4
LDSM0.0
MOVD16,VD120
DTRVD120,VD120
Network5
LDSM0.0
ITDC3,VD110
DTRVD110,VD110
MOVRVD110,VD130
*RVD120,VD130
Network6
LDSM0.0
MOVD8000,VD150
DTRVD150,VD150
*R-1.0,VD130
+RVD150,VD130
ROUNDVD130,VD130
Network7
LDSM0.0
DTIVD130,VW140
MOVWVW140,AQW1
4.4.7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）
2.5
500
5
1000
7.5
1500
I0.2按钮为加速按钮，I0.3按钮为减速按钮。
4.5控制程序T形图
控制程序梯形图
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
5.1调试过程
1、先将PLC程序传入S7PLC中，连接外部连线和按键以及各个状态指示灯。
2、按下启动按钮，然后用万用表测模拟量I/0模块的两点间的电压，看是否按照规定曲线运行，如果运行正确则证明PLC部分调试成功。
4、在各个时刻切换各种状态观察状态指示灯以及电压输出情况。
5.2调试结果
系统按照给定的时间函数连续循环运行，如图所示，由此说明系统设计合理可靠，此设计完全符合设计要求。
图11调试结果
第六章元器件清单
元件名称
元件型号
单价
数量
生产公司
CPU222
212-1AB22-OXBO
1
50
德国西门子股份公司
EM222
6ES7
222-1BF22-OXA8
1
350
德国西门子股份公司
EM235
6ES7
235-OKD222-OXA8
1
800
德国西门子股份公司
刀开关
HS11F
1
50
乐清市电气有限公司
按钮开关
XB2BA42C
2
17
施耐德电器有限公司
指示灯
3SB3244-6AA*0
3
60
德国西门子股份公司
喇叭
DFSG-103
1
不详
哈尔滨东方报警公司
电机
Y80M2-2
1
350
上海德东电机
热继电器
LRE08N2.5-4A
1
45
施耐德电器有限公司
熔断器
XRNM1
5
180
乐清联智电气有限公司
变频器
三菱FR-E540
1
600
三菱电气自动化公司
总结
通过本次课程设计，对S7-200系列PLC的特点有了更深的理解。
利用了S7-200系列PLC的特点，对按钮、开关等输入/输出，模拟量输入/输出进行控制，实现了变频器在控制作用下的变频调速。
在本次课程设计的实践环节中，我更深刻地理解和掌握了电器控制及可编程控制器（PLC）的理论知识和动手技能。
参阅了大量的电器控制及可编程控制器（PLC）系统设计的书籍资料，查询了大量的图表、程序和数据，使得课程设计的方案和数据更为翔实和准确，力求科学严谨，使本次以变频器为主题的课程设计精益求精。
经历自己设计实验和查阅资料，让我了解了更多关于西门子S7-200和变频器方面的资料，让我了解了大概的选型和注意事项，并自己动手实验，参照一些编程试着去编一个程序，资料上查到的是欧姆龙或者是三菱的编程语句，但是通过他们的编程思路，我们可以借鉴到自己的S7-200程序中，编程序的过程中遇到了很多问题，通过不断的问同学，反复的思考，调试，终于编出了调用子程序来达到控制的目的，此次课程设计让我收获颇多，在这个课程设计的过程中，既让我与同学加深了沟通，又让我学到关于西门子的一些知识，我知道这知识很少的一点，但我会在以后的学习中了解更多。
由于本人资历有限，可能还有一些没有注意到的问题，还请老师赐教，深表感谢！
致谢
经过两周的时间，基于PLC控制变频器调速系统课程设计终于完成，衷心感谢马瑞军老师在整个过程中给予各方面的指导，同时也要感谢我的同组成员王玉淅，陆瑜等同学在背后的大力支持，如果没有大家的齐心协力，我们的课程设计不能进展的那么顺利，再一次表示感谢！
参考文献
[1]王永华。
现代电气控制及PLC应用技术。
北京航空航天大学出版社
[2]肖青。
王忠峰。
西门子PLC课程设计指导书江西理工大学应用科学学院
[3]谢克明等主编。
可编程控制器原理与程序设计【M】电子工业出版社
.
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