1、2016 届毕业设计说明书（论文）变频调速实验挂件的 PLC 控制设计院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 指导教师： 职称 高级实验师 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 完成时间： 摘 要近年来，电力电子技术发展迅猛，交流变频调速已经逐渐成为工控领域的一种主流调速方式，可编程控制器 PLC 与变频器相结合变频调速系统性能稳定，抗干扰能力强，已经广泛用于民生、国防等各个方面。本次设计主要是利用组态软件和 PLC，对变频调速实验挂件 DJK13 进行控制，从而实现电机转速的无极调节。在进行本次控制系统设计之前，熟悉了 PLC、DJK13 的详细参数和变频调速原理及组态软件等有关方面
2、的知识。明确设计要求后便进行硬件部分的设计，首先测量了 DJK13 需要的输入信号和控制键输入参数，再选择合适的PLC，确定 I/O 分配表，接着计算、设计、制作电平转换电路，最后绘制原理图和接线图。之后再进行软件部分的设计，包括程序设计说明，组态界面设计和调试结果。在完成下位机的相关设计之后，利用组态王软件设计制作了控制系统的上位机人机互动界面后，将 PLC、DJK13 和电机接线，实现电机转速的远程控制。实验结果表明，利用计算机远程控制电机速率的控制系统能够达到预期效果：可以选择三种电机变频调速模式，让电机可以来回切换正转反转，并且实现加速减速的功能，还能选择 V/f 曲线。该设计结果说明
3、， PLC 和组态技术的使用大大增加了控制系统的稳定性、可靠性，论文所设计的变频调速实验挂件PLC 控制系统设计对于教学来说具有一定的参考价值。关键词：PLC ；DJK13；变频调速；组态软件ABSTRACTIn recent years, the fast development of power electronic technology, ac frequency conversion speed regulation has gradually become a mainstream in the field of industrial automation control, prog
4、rammable controller PLC and frequency converter combining variable frequency speed regulation system has stable performance, strong anti-interference ability, are already widely used in many aspects, such as, the defense of the peoples livelihood. This design mainly is to use the configuration softw
5、are and PLC, to control variable frequency speed regulation experiment hang DJK13, so as to realize the promise of motor speed regulation. Before the control system design, illustrates the detailed parameters of the PLC, DJK13, variable frequency speed regulation principle and configuration software
6、 are expounded in detail and related aspects. After clear the design requirements for the design of the hardware part, first measured DJK13 need input signal, and then choose the appropriate PLC, determine the I/O allocation table, calculation, design and production of level conversion circuit, and
7、then the best drawing principle diagram and the wiring diagram. Before the design of the software part, including the program design specifications, configuration interface design and debug results. Under the complete machine related design, using the kingview software design the control system of t
8、he upper machine man-machine interactive interface, PLC, DJK13 and electrical wiring, to realize the remote control of motor speed. Actual wiring operation results, using computer remote control of motor speed control system can achieve the desired effect: you can choose three kinds of motor frequen
9、cy conversion speed regulating mode, let the motor can switch back and forth is reversed, and realize the function of the speed reducer, also can choose V/f curve. The design results indicate that the use of PLC and configuration technology has greatly improved the stability and reliability of the c
10、ontrol system, the paper design of frequency control of motor speed experiment hang PLC control system design has a certain practical value.Key words ： PLC; DJK13; frequency control of motor speed; configuration software目 录1 绪论 .11.1 设计的目的和意义 .11.2 设计任务 .11.3 设计要求 .12 相关硬件、软件介绍 .12.1 可编程控制器概述 .12.2
11、可编程控制器的基本组成及工作原理 .12.3 三菱 FX2N系列 PLC 的介绍 .12.4 实验挂件 DJK13 .12.5 变频原理综述 .12.6 组态软件介绍 .13 设计方案的选择 .13.1 方案比较 .13.2 方案确定 .14 系统硬件设计 .14.1 设计中的需求分析 .14.2 PLC 型号的选择 .14.3 电平转换电路设计 .14.4 硬件连接图 .14.5 系统电路图 .15 系统软件设计 .15.1 系统梯形图设计 .15.2 组态软件设计 .15.3 实际操作 .16 总结 .1参考文献 .1致 谢 .111 绪论20 世纪以来，可编程控制器技术（PLC）的研发和
12、发展特别迅速，很快在市场上有许多新的功能强大的 PLC，并且具有特殊功能模块和通信强大的各种网络设备，可编程控制器（PLC）为一系列微机技术、自动化技术于一体的通用工业控制装置提供了强有力的工具，广泛应用于自动化控制领域。目前，PLC发展的潮流是系统网络化、工厂自动化（FA）。本课题来源于变频调速实验的拓展部分，核心部分是组态技术和 PLC 可编程逻辑控制器，利用实验室已有的实验设备，通过组态软件，让 PLC 对变频模式、V/f 曲线进行选择，并实现电机转速的远程无级调节。1.1 设计的目的和意义PLC 的优点有结构简单、编程语言容易、性能卓越、灵活多样、操作简易、可靠、抗干扰能力强、使用时间
13、长。可编程控制器(PLC)不仅包含计算机技术优点，还吸取了传统的继电器控制系统的长处，在恶劣的实际工业控制环境下，还可以稳定的、精确的运行。在工厂设备中使用 PLC 技术是为了更好的加强设备的自动化程度，这是大部分企业的通用做法。自动采集、监控数据，对电机进行变频调速，利用组态软件控制电机，这是未来电机控制系统发展的潮流。类似这种潮流的系统可以完成对电机转速精准控制，在实际工程中具有很强的实用性，有一定普及价值。电机调速领域的前进趋势是交流调速和计算机数字控制技术，这种趋势将会让直流调速和计算机模拟控制技术消失在历史的长河。电机交流变频调速技术可以节约能源、保护环境、使工艺流程更加简化，改善产
14、品质量和促进技术发展。变频调速被国际国内认为最有发展前景的调试措施，有许多有点如：优秀的调速和启动停止性能，效率高、功率因数高和节约用电，适用范围广泛。本文对怎样将变频器 PLC 和电机相连，采用 PLC 对变频模式、V/f 曲线进行选择，并实现电机速率的无级调节。并且利用组态软件对 PLC 的输入输出进行监控和实时通信，而且可以在计算机上模拟输入，控制 DJK13，从而对电机速率进行远程控制。1.2 设计任务(1)要求熟悉 SPWM 正弦波脉宽调制控制方式、马安波脉宽调制控制方式、SVPWM 空间电压矢量控制方式下的变频调速原理。(2)利用实验室已有的实验设备，采用 PLC 对变频模式、V/
15、f 曲线进行选择，并实现频率的无级调节。2(3)利用组态软件实现对变频器的远程控制。1.3 设计要求(1)通过 PLC 实现 SPWM 正弦波脉宽调制、马安波脉宽调制、SVPWM 空间电压矢量控制方式的选择。(2)通过 PLC 实现 V/f 函数曲线的十六种选择。(3)通过 PLC 完成变频器的频率增、减，和电机正反转的切换。(4)做出实物并顺利完成上述功能。32 相关硬件、软件介绍2.1 可编程控制器概述PLC 的定义可编程控制器（Programmable Controller）简称 PC 但个人计算机（Personal Computer）也简称 PC 为了区别人们仍习惯称可编程控制器为PL
16、C（Programmable Logical Controller）。国际电工委员会（International Electrical Committee）在 1987 年公布了可编程控制器 PLC 的标准，并且定义为“可编程控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置”。它的存储器是能够编制程序，并且可以在它的内部存储履行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等一些操作的指令，并且在控制各种类型的机械或生产过程利用数字式或模拟式的输入和输出。可以与工业控制系统有机结合形成一个重要整体，扩展其功能简便是可编程控制器（PLC）和他相关的外围设备设计原则。计算机的完成进程多、
17、方便、应用广泛等优点和继电器控制系统的通俗易懂,操作快捷便利、物美价廉等优点的有机结合从而产生了PLC。可编程控制器用户程序存储器软件设计的原则是现实应用对象的控制以及控制器能够方便连接被控对象。20 世纪以来，以微处理器和微型计算机为核心的半导体技术发展迅速。到了 70 年代中期，PLC 的中央处理器已经广泛普及微处理器，随着集成电路工程的发展，中、大规模的集成电路广泛应用于电子领域，采用这种方式的输入输出模块和外围电路的 PLC 已不单单逻辑判断功能，还有处理数据、PID 控制和人机通信功能。PLC 其实是一种数字运算控制的电子系统，主要用于残酷、外界因素多变的工业环境。它的逻辑运算顺序控
18、制、定时、计数和算式运算等指令在其内部存储中执行，在各类机械控制和生产过程中采用数字式的输入输出和模拟式的输入输出控制。传统的继电接触控制器机械触点接线繁琐，容易出故障，不节能，兼容性差，使用麻烦，PLC 不仅包含了微机技术的优点，还继承了传统继电接触控制技术的长处，受到广大工控人员的欢迎。日前，可编程控制器已经被大多数工控技术人员喜爱，广泛应用在各种自动化控制领域。PLC 可以说是为了恶劣工业控制环境而设计的，其具有一些独有的特点可以表明这点。（1）可靠性高，抗干扰能力强；（2）配套齐全，功能完善，适用性强；（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎；（4）系统设计周期短，维护方便改造容易；4（5
19、）体积小，重量轻，能耗低。2.2 可编程控制器的基本组成及工作原理2.2.1 PLC 的基本组成可编程控制器虽然外观不同，但其结构大部份一样，都是以微处理器为主要核心的布局。一般由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O ）、电源和编程器等几个部分组成。 (1)中央处理单元（CPU ） CPU 是 PLC 的主要运算核心，用户可以自己编写系统程序，是其完成逻辑运算、数学运算和协调系统其他部分。主要功能有：（1）诊断 PLC 内部电路工作状况;（2）判断程序语法错误; （3）扫描 I/O 口，接收程序、数据;（4）执行指令输出控制数据。(2)存储器（RAM、ROM）
20、 存储器主要用于存储系统程序、用户程序和运算数据，主要由只读存储器（ROM）和随机存储器(RAM) 构成。永久保存的系统程序一般存在只读存储器中；而系统运行中产生的临时数据一般存放在随机存储器中，掉电即消失。(3)输入输出单元（I/O 单元） 输入输出接口是 PLC 与工业设计现场联系的接口。输入端可以接收各类传感器、按钮、开关等参数，存放于输入映像寄存器中。输出接口输出类控制信号，达到预期控制效果，还要求能够对干扰具有一定抵抗能力，能够匹配工业实际控制信号。(4)电源 PLC 的电源一般由开关电源和掉电保护电路供电的后备电源。(5)编程器 可控制编程器具有因操作、灵活的特点，其程序可以根据设
21、计要求、用户需求进行方便的更改，编程器是必不可少的设备。编程器除了可以进行编程、下载程序外，还可以对 PLC 程序进行调试和监控，还可以进行人机通信互动。可控制编程器的编程设备分为两种：一种是携带方便的专用编程器；一种是利用计算机上的编程软件进行编程，如 GXdeveloper。5图 1 可编程控制器基本组成框图2.2.2 PLC 的工作原理 PLC 的工作方式是分时处理及扫描工作方式，在系统程序的管理下，运行用户编译的程序完成预期的控制任务，CPU 执行完上一条语句，接着执行下一条，执行结束即返回至第一条程序，不断往复。PLC 系统正常工作是要完成以下任务：（1）内部各工作单元的调度和监控;
22、（2）与外部设备间的通讯;（3）用户程序所要完成的工作。 (1) 输入处理 输入处理也叫输入采样。在此阶段，输入接口的通断状态一次被读入且存入内存中的输入映像寄存器。之后会刷新映像寄存器，程序开始执行。在执行程序的过程中，输入口通断情况出现改变，输入映像寄存器的内容不会发现任何改变，到下一个循环，才会对这种输入口的变化进行处理。(2) 程序执行 PLC 梯形图程序扫描原则是按照用户程序先左后右、先上后下的顺序，逐条逐句扫描，执行程序。如有跳转指令，先判断是否满足跳转条件，再确定跳转地址。程序执行的结果均存储在输出状态暂存区，程序执行过程会改变映像6寄存器中的内容。(3) 输出处理 这是程序执行
23、的最后一个阶段，也称为输出刷新阶段。把输出映像寄存器中的信息转存到输出锁存器上，送到各个输出端口，刷新输出口的状态。图 2 PLC 典型工作过程2.3 三菱 FX2N 系列 PLC 的介绍图 3 FX2N实物图FX2n 系列是 FX 系列 PLC 家族中最先进的超小型高性能的 PLC，具有非常快的运算速度，贴合用户使用的高级功能，还拥有方便的拓展模块，系统配置固定又不失灵活，编程简便，可以满足用户大部分要求。上 电清 I/O和 内 部 电 器复 位 定 时 器检 查 总 线 及 I / O边 接 情 况复 位 监 视 定 时 器检 查 硬 件 和 程 序 存 储 器复 位 监 视 定 时 器输 出 刷 新执 行 用 户 程 序输 入 采 样复 位 监 视 定 时 器执 行 来 自 外 设(如 编 程 器 )的 命 令正 确 ？置 错 误 标 志 和 光 显 示错 误 还 是 报 警 ？NY错 误报 警
