1、- -1毕 业 设 计 （ 论 文 ） 任 务 书毕业设计（论文）题目 PLC 与变频器控制电机多段速运行 专业： 11 机电一体化 姓名： 孙大鹏 毕业设计（论文）工作起止时间： 毕业设计（论文）的内容要求：1、采用西门子的 S7-300型 PLC 作为核心控制器进行步进电机控制系统的设计； 2、并且设计出了系统结构图、程序指令、梯形图以及输入输出端子的分配方案； 3、同时根据步进电机调速控制系统总体控制要求和特点,确定 PLC 的输入输出分配,并进行现场调试 指导教师（签名）： 年 月 日- -2毕业设计开题报告一、课题设计（论文）目的及意义目前，我国的能源消费仅次于美国，位列世界第二，但
2、国民生产总值却排在第八位左右，其中最重要的原因之一就是单位产值能耗太大。我国具有各类风机约780 万台，水泵 4000 万台，空压机 560 万台，这些装置又占去了电机耗电的一半以上。由于这些设备一般均采用恒速驱动，每年造成大量能源浪费。国家在规划中指出：坚持开发节约并重、节约优先，按照减量化、再利用、资源化的原则，大力推进节能节水节地节材，加强资源综合利用，完善再生资源回收利用体系，全面推行清洁生产，形成低投入、低消耗、低排放和高效率的节约型增长方式。实行有利于资源节约的价格和财税政策。强化节约意识，鼓励生产和使用节能节水产品、节能环保型汽车，发展节能省地型建筑，形成健康文明、节约资源的消费
3、模式。我国对交流变频调速技术的研究起步较晚，到上个世纪 90 年代才有产品出现，采用的控制技术几乎都还只是 V/F 控制，调速性能根本无法与国外产品相比。目前在中、低压交流传动中，变频器的使用越来越多，而我国在研究矢量控制系统所需的各种硬件条件已经具备，如已出现的智能化功率器件（IPM） ，其电压等级、开关频率都有很大的提高；数字化控制元件也已出现单指令周期 10ns 的高速数字信号处理器（DSP）和几乎能完成一个系统功能的专用集成电路。变频调速已成为电动机调速的最新潮流，有其自身的特点和优点，随着交流电动机变频技术的日趋完善和推广应用，特别是在矿用大功率高压设备中的绞车、提升机、通风机、带式
4、输送机等矿用设备上的应用效果则更加明显。对耗电大、生产环境恶劣的煤炭行业推广应用变频技术更具有现实意义。本课题以 PLC 和变频器控制交流调速为研究对象，设计出基于 PLC 和变频器控制交流调速系统的实验装置。本论文的选题不论是从理论上还是从实践上都有十分重要的意义。二、课题设计（论文）提纲1、设计流程。2、选择适合的传感器以及相关硬件。- -33、线路的设计以及 PLC的选择三、课题设计（论文）思路、方法及进度安排1、参阅相关产品的技术资料，如步进电机调速的设计方法等，拟确定各结构设计方案，从而能实现步进电机的功能。2、要从各种方案中选择合适的方案，分析出各方案的优缺点，综合优化各种设计方案
5、，从而确定出本次设计的最后设计方案。3、要完成步进电机的设计与校核。4、完成总装配图，零件图，部件图设计和说明书的撰写。进度安排1、调研及收集相关资料；2、方案设计、审查和确定，撰写开题报告；3、绘制图纸和撰写设计说明书；4、统一打印；5、提交图纸，说明书，审图及修改，毕业答辩。四、课题设计（论文）参考文献；1 魏志精.可编程控制器应用基础电子工业出版社,20032 周恩涛.可编程控制器原理及其在液压系统中的应用机械工业出版社3 廖常初.PLC基础及应用北京：机械工业出版社,20034 杨长能，张兴毅可编程序控制器基础及应用重庆：重庆大学出版社1992，31-525 袁秀英组态软件技术北京：电
6、子工业出版社2003，6-37，154-1596 北京昆仑通态自动化软件科技有限公司MCGS 用户指南7 胡健，西门子 S7-300, 机械工业出版社,2007,2- -4- I -目 录目 录 I 摘 要 .II引 言 .31 PLC和变频器 .41.1 PLC的介绍 .41.1.1 PLC的结构及特点 .41.1.2 PLC的工作原理 .51.1.3 PLC的应用 .61.1.4 PLC发展趋势 .61.2 变频器的介绍 .71.2.1 变频器的工作原理 .71.2.2 变频器的控制方式 .81.2.3 变频器的应用 .91.3 PLC与变频器的组合 .92系统功能设计的分析与总体方案 .
7、102.1 系统功能设计的分析 .102.2 设计要求 .102.3 设计思路 .103 控制设计 .113.1 变频器功能参数设置与操作 .113.2 变频器参数设置 .123.3 PLC程序设计 .13参 考 文 献 .18附录 A 变频器内部原理框图 .19附录 B 硬件连接图 .20致 谢 22- II -摘 要可编程控制器（PLC）是一种数字运算与操作的控制装置。PLC 作为传统继电器的替代产品，广泛应用于工业控制的各个领域。由于 PLC可以用软件来改变控制过程，并有体积小，组装灵活，编程简单，抗干扰能力强及可靠性高等特点，特别适用于恶劣环境下运行。随着电力电子技术以及控制技术的发展
8、，交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用；可编程控制器 PLC作为替代继电器的新型控制装置,常常被用于现场数据采集和设备的控制。本文介绍了基于 PLC的变频器调速系统。将现在应用最广泛的 PLC和变频器综合起来主要功能实现了变频调速。首先通过设置给定输入给 PLC，再通过 PLC控制变频器，再经由变频器来控制电机，随后将电机的转速反馈给 PLC，经比较后输出给变频器从而实现无静差调速，控制运算主要由 PLC和变频器来完成，执行元件为变频器和电机。关键词：PLC；变频器；变频调速- 3 -引言调速系统快速性、稳定性、动态性能好是工业自动化生产中基本要求。在科学研究和生产实践的诸多领域中 调
9、速系统占有着极为重要的地位 特别是在国防、汽车、冶金、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。调速控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继续计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简朴，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此 PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。变频调速已被公认为是最理想、最有发展前景的调速方式之一，采用变频器构成变频调速传动系统的主要目的，一是为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自
10、动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求；二是为了节约能源、降低生产成本。用户根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。- 4 -1 PLC 和变频器1.1 PLC 的介绍1.1.1 PLC 的结构及特点(1) PLC的结构如下 电源PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此 PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去 中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是 PLC的控制中枢。它按照 PLC系统程序赋予的功能接收并存储
11、从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O 以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当 PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入 I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入 I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将 I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高 PLC的可靠性，近年来对大型 PLC还采用双 CPU构成冗余系统，或采用三 CPU的表决式系统。这样，即使某个 CPU出现
12、故障，整个系统仍能正常运行。 存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 输入输出接口电路现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是 PLC与现场控制的接口界面的输入通道。2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用 PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 功能模块如计数、定位等功能模块。 通信模块如以太网、RS485、Profibus-DP 通讯模块等。(2) PLC其特点如下： 可靠性高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现
13、故障。PLC 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/101/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很- 5 -高的可靠性。例如三菱公司生产的 F系列 PLC平均无故障时间高达 30万小时。一些使用冗余 CPU的 PLC的平均无故障工作时间则更长。从 PLC的机外电路来说，使用 PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
14、此外，PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 硬件配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC 的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC 有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场
15、合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC的功能单元大量涌现，使 PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上 PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC组成各种控制系统变得非常容易。 易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控
16、制打开了方便之门。 系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及。建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。体积小，重量轻，能耗低。1.1.2 PLC 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
17、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。 (1) 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。 (2) 用户程序执行阶段 - 6 -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
18、，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
19、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。 (3) 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。1.1.3 PLC 的应用最初，PLC 主要用于开关量的逻辑控制。随着 PLC技术的进步，它的应用如今，PLC 不仅用于开关量控制，还用
20、于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制用 PLC进行开关量控制实例是很多的。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
21、。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。1.1.4 PLC 发展趋势由于 PLC的性能优越，兼具计算机的功能完备，灵活性强，通用性好和继电接触器控制简单易懂，维修方便等双重优点，形成以微电脑为核心的电子控制设备。可编程序控制器技术在世界上己广泛应用，成为自动化系统中的基本电控装置 PLC在现代工业生产和实际生活中有着广泛的应用，由于可编程控制器（PLC）具有编程软件采自易学易懂的梯形图语言、控制灵活方便、抗干扰能力强、运行稳定可靠等特点，现在的工业自动化生产控制多采用可编程控制器
