1、变频器技术与应用课程设计报告系 别 自动化工程系 班 级 10 电气 4 姓 名 鲁 鹏 学 号 10020118 指导教师 王玉中 2013 年 12 月基于 PLC 及组态监控的变频调速系统设计任务书一、课程设计要求1. 具体控制要求 要求变频器的输出频率按照课程设计要求的频率控制特性曲线变化(每组一图)； 用 PLC 的控制程序来控制变频器的输出频率； 变频器的工作方式需要手动设置（参数） ，工作过程由 PLC 程序控制； 使用组态软件监控变频调速系统的工作。2. 变频器输出频率曲线的要求每个班分成 16 个小组，每个小组完成一组频率控制特性曲线（曲线见下页） ，每组频率控制特性曲线的设
2、计难度非常相近，保证公平公正。3. 课程设计的设备要求设计过程需采用的设备有：PLC、变频器、按钮、电动机、计算机及软件、导线等。二、课程设计内容1通过仔细阅读变频器的使用说明书，理解变频器的工作原理、功能、接线注意事项等内容，学会变频器的功能参数设置；2完成系统主电路的连接，保证主电路连接的正确性、可靠性；3完成 PLC 控制程序的编写和调试，实现 PLC 对变频器的控制；4完成组态软件对变频调速系统的动画监控；5完成课程设计报告的编写，字数要求不少于 5000 字，内容包括：设计任务书，系统的硬件结构设计（包括系统总体结构设计、主电路设计、变频器选型设计、控制电路设计、PLC 选型设计）
3、，PLC 控制程序设计，组态监控画面设计，课程设计总结，参考文献；6设计报告封面和内容排版格式参照学校要求的统一格式；7设计报告以个人为单位上交，同组同学说明书内容可相同；8答辩。目 录第一章 系统的硬件结构设计 .11.1 变频器 .11.1.1 变频器是什么 11.1.2 变频器的分类 11.1.3 MM420 变频器对外接线端子简介 11.2 PLC 的介绍 21.2.1 PLC 综述 21.2.2 PLC 的应用领域 31.3 系统硬件 .51.3.1 系统硬件结构控制要求 .51.3.2 实验接线方式 .51.4 主电路 61.4.1 对 PLC 的 I/O 口进行分配： 61.4.
4、2 电气原理图 61.5 控制方案的选择 .71.6 系统的总体结构图设计 .7第二章 PLC 的控制程序设计 82.1 实验设备 82.2 PLC 程序流程图 82.3 PLC 程序编程 9第三章 组态监控画面设计 .123.1 建立一个新的组态王 KINGVIEW 工程 .123.2 选择设备 .143.3 建立在监控画面中要使用的控制变量或内部变量点 .183.4 建立画面 .183.5 动画连接 .203.6 运行和调试 .22第四章 系统的调试运行 .234.1 电动机参数设置 .234.2 变频器参数设置 .234.3 系统的调试运行 .24第五章 总结和体会 .255.1 结束语
5、 255.2 课设体会 25参考文献 .26致 谢 .26天津理工大学中环信息学院本科课程设计报告- 1 -第一章 系统的硬件结构设计1.1 变频器1.1.1 变频器是什么变频器室把工频电源（50HZ 或 60HZ）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20 世纪 60 年代以后，电力电子器件经历了 SCR（晶闸管） 、GTO（门极可关断晶闸管） 、BJT（双极型功率晶体管） 、MOSFET（金属氧化物
6、场效应管） 、SIT（静电感应晶体管） 、SITH（静电感应晶闸管） 、MGT(MOS 控制晶体管)、MCT(MOS 控制晶闸管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)的发展过程，器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展。20 世纪 70 年代开始，脉宽调制变压变频(PWM-VVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20 世纪 80 年代，作为变频技术核心的 PWM 模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波 PWM 模式效果最佳。20 世纪 80 年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的 VVVF 变频器已投入市场并获得了广泛应用
7、。1.1.2 变频器的分类变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器;按照开关方式分类，可以分为 PAM 控制变频器、PWM 控制变频器和高载频PWM 控制变频器;按照工作原理分类，可以分为 V/f 控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等;按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。VVVF：改变电压、改变频率 CVCF：恒电压、恒频率。各国使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均为 400V/50Hz 或 200V/60Hz(50Hz)，等等。通常，把电压和频率固定不变的交流
8、电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电(DC)。1.1.3 MM420 变频器对外接线端子简介MM420变频器对外接线端子有一下两部分：天津理工大学中环信息学院本科课程设计报告- 2 -1电源端子 L/L1，N/L2，L3。2连接电动机的端子 U，V，W，以及 DC+，DC-3. 西门子MM420变频器外部端子接线图，如图下所示。图 1.1.3 MM420 变频器对外接线端子图1.2 PLC 的介绍1.2.1 PLC 综述PLC 是可编程控制器（Programmable Logic Controller）的简称。主要
9、用于控制机械的生产过程。PLC = Programmable logic Controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通天津理工大学中环信息学院本科课程设计报告- 3 -过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分 PLC = Programmable Logic Controller，可编程控制器，另外 PLC 还有以下几个名称：PLC = Power Line Communication，电力线通信，
10、即我们俗称的“电力线上网” 。 PLC = Public Limited Company，公共有限公司，股票上市公司。 PLC = Power-line Carrier，输电线载波，电力线载波，电源线车。 PLC = Power Loading Control，动力负载控制。 PLC = Preparative Layer Chromatography，制备层色谱法。 PLC = Programming Language Committee，程序设计语言委员会美。由于它可通过软件来改变控制过程，而且具有体积小，组装灵活，编程简单，抗干扰能力强及可靠性高等特点，非常适合于在恶劣的工业环境下使用。
11、故自 60 年代末第一台 PLC 问世以来，已很快被应用到机械制造、冶金、矿业、轻工等各个领域，大大推进了机电一体化进程。进入 80 年代，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使得可编程控制器有了突飞猛进的发展，功能日益增强，已远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，具备模数转换、数模转换、高速计数、速度控制、位置控制、轴定位控制、温度控制、PID 控制、远程通讯、高级语言编辑以及各种物理量转换等功能。特别是远程通讯功能的实现，易于实现时柔性加工和制造系统（FMS） ，使得 PLC 如虎添翼，被人们称为现代工业控制三大支柱之一。可编程控制器(Programmable Controller)是计算机
12、家族中的一员，是为 工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称 PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称 PLC,PLC 自 1966 年出现，美国，日本，德国的可编程控制器质量优良，功能强大 19。1.2.2 PLC 的应用领域目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、
13、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。1. 开关量的逻辑控制。这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。模拟量控制。在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的 A/D 转换及 D/A 转换。PLC 厂家都生产配套的A/D 和 D/A 转换模块，使可编程控
14、制器用于模拟量控制。天津理工大学中环信息学院本科课程设计报告- 4 -2.运动控制。PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量 I/O 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要 PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。过程控制。过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型 PLC 都有 PID
15、模块，目前许多小型 PLC 也具有此功能模块。PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。3.数据处理。现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算） 、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。4.通信及联网。PLC 通信含 PLC 间的通信及
16、 PLC 与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。PLC 的应用领域仍在扩展，在日本，PLC 的应用范围已从传统的产业设备和机械的自动控制，扩展到以下应用领域：中小型过程控制系统、远程维护服务系统、节能监视控制系统，以及与生活关连的机器、与环境关连的机器，而且均有急速的上升趋势。值得注意的是，随着 PLC、DCS 相互渗透，二者的界线日趋模糊的时候，PLC 从传统的应用于离散的制造业向应用到连续的流程工业扩展。PLC 的组成结构如图所示。图
17、1.2.2 PLC 组成结构图天津理工大学中环信息学院本科课程设计报告- 5 -1.3 系统硬件1.3.1 系统硬件结构控制要求输入电压/电流与输出频率按线性关系变化；要求变频器的输出频率按照课程设计的要求曲线变化，需采用 PLC 编程的方式完成；除手动设置变频器功能外，只能采用 PLC 对变频器进行控制；需设置启动、停止按钮。1.3.2 实验接线方式CPU226 变频器 接线端子1L 24V+ VF-8(13）Q0.0 DIN1 VF-5(10)Q0.1 DIN2 VF-6(11)Q0.2 DIN3 VF-7(12)图 1.3.2 硬件连接图天津理工大学中环信息学院本科课程设计报告- 6 -
18、1.4 主电路1.4.1 对 PLC 的 I/O 口进行分配：PLC 的 I/O 配置输入 输出电路符号 地址 功能 地址 连接端子 功能SB1 I0.0 启动按钮 Q0.0 5 10HZ 运行SB2 I0.1 停止按钮 Q0.1 6 50HZ 运行Q0.2 7 5HZ 运行Q0.3 运行指示灯Q0.4 停止指示灯1.4.2 电气原理图图 1.4.2 控制连线图天津理工大学中环信息学院本科课程设计报告- 7 -1.5 控制方案的选择通过上述可编程器与其它工业控制器的论证比较后，我们不难发现 PLC 控制性能的先进性，它具有很强的抗干扰能力，很高的可靠性，能在恶劣环境下工作。根据要求，本设计选用
19、 PLC 与变频器相结合控制。1.6 系统的总体结构图设计根据本设计的内容要求，本文进行了各种控制器的比较，确定了其优劣，最终确定系统的总体结构图如图所示。图 1.6 系统总体结构图天津理工大学中环信息学院本科课程设计报告- 8 -第二章 PLC 的控制程序设计2.1 实验设备1硬件西门子 CPU226 CN 1 台西门子 PC/PPI 通讯电缆 1 根MM420 变频器 1 台计算机 1 台2软件STEP7-Micro winV4.0 SP3组态王 6.512.2 PLC 程序流程图图 2.2 PLC 工作流程图天津理工大学中环信息学院本科课程设计报告- 9 -2.3 PLC 程序编程打开电
20、脑桌面上的 step7 西门子 s7-200 编程软件，对软件进行设置：图 2.3.1 选择 PLC 的类型对 PLC 编程如下图：天津理工大学中环信息学院本科课程设计报告- 10 -天津理工大学中环信息学院本科课程设计报告- 11 -图 2.3.2 Plc 编程的梯形图天津理工大学中环信息学院本科课程设计报告- 12 -第三章 组态监控画面设计3.1 建立一个新的组态王 KINGVIEW 工程点击电脑桌面上的“开始”“程序”“组态王 6.51”“组态王 6.51”，如图打开组态王工程管理器。图 3.1.1 打开组态王工程管理器图 3.1.2 组态王开始页面点击“新建” ，出现新建工程向导之一
21、对话框。天津理工大学中环信息学院本科课程设计报告- 13 -图 3.1.3 新建工程按提示，点击下一步，进入新建工程向导之二对话框，通过“浏览”选择保存目录。图 3.1.4 选择保存目录点击下一步，进入新建工程向导之三对话框，输入工程名称和工程描述。单击“完成” ，建立一个名为“电机变频组态”的新组态王工程。图 3.1.5 输入工程名称和工程描述天津理工大学中环信息学院本科课程设计报告- 14 -图 3.1.6 组态建立完成3.2 选择设备在设备下选择 COM1，右侧窗口出现“新建”图标。选中“新建”图标，点击右键“新建逻辑设备” ，在设备配置向导窗口中，选择“PLC” ，从其下拉菜单中选择“
22、西门子”-“S7-200 系列”-“PPI” ；点击下一步，输入逻辑设备，在此输入“PPI”；点击下一步，选择串口号；再点击下一步，输入设备地址，此设备地址为“0” ；单击下一步，输入通信参数，一般确定默认值即可；单击下一步，可看见信息总结窗口，点击“完成” ，完成设备的选择和参数设置。图 3.2.1 选择 COM1天津理工大学中环信息学院本科课程设计报告- 15 -图 3.2.2 新建逻辑设备图 3.2.3 设备配置图 3.2.4 配置向导天津理工大学中环信息学院本科课程设计报告- 16 -图 3.2.5 逻辑名称图 3.2.6 选择串口号图 3.2.7 设备地址设置天津理工大学中环信息学院
23、本科课程设计报告- 17 -图 3.2.8 通信参数图 3.2.9 信息总结图 3.2.10 工程浏览器天津理工大学中环信息学院本科课程设计报告- 18 -3.3 建立在监控画面中要使用的控制变量或内部变量点点击数据库下的数据词典，双击新建变量，输入变量名，选择变量类型，描述变量，选择连接设备，寄存器地址和读写属性，其中寄存器的地址与变量在 PLC 中的地址一致。内存变量只需输入变量名、变量类型和描述。图 3.3.1 输入变量名变量全部建立后，如下图所示：图 3.3.2 变量建立完毕3.4 建立画面点击文件-画面，单击“新建画面”右键，新建画面。弹出新画面窗口，输入画面名称，设置相应参数，点击
24、确认，进入画面开发系统窗口。天津理工大学中环信息学院本科课程设计报告- 19 -图 3.4.1 新建画面图 3.4.2 画面开发系统窗口利用工具箱中的图形、文本绘制自动车库实验画面；调色板可用于六种形式的着色，包括线条色、填充色、背景色、字符色、窗口色、透明色。绘制完成后的画面如下图所示：天津理工大学中环信息学院本科课程设计报告- 20 -图 3.4.3 绘制完成后的画面此后，要对画面中的按钮、指示灯等作动画连接，使其达到监控作用。图 3.4.4 动画连接3.5 动画连接1）输入变量的动画连接，如双击启动按钮，出现动画连接对话框，在命令语言连接下方选择“按下时” ，点击“按下时”按钮，出现命令
25、语言对话框，输入命令语言，选择相关变量，此语言意为按钮按下时起作用。注：按钮连接的变量是中间点变量，而不是实验模板上的硬件点变量。在西门子 S7-200 程序中，天津理工大学中环信息学院本科课程设计报告- 21 -用中间点 M 与硬件输入点进行了与运算，使其达到硬件点相同的控制功能。图 3.5.1 命令语言2)输出变量的动画连接 如画面中的指示灯，双击指示灯，出现动画连接对话框，在特殊下方选择“隐含” ，点击“隐含”按钮，出现隐含连接对话框，点击“ ”选择输出变量。图 3.5.2 动画连接图 3.5.3 隐含连接3）内部变量的动画连接天津理工大学中环信息学院本科课程设计报告- 22 -图 3.
26、5.4 内部变量的动画连接图 3.5.5 开关指示灯向导3.6 运行和调试组态王工程已经初步建立起来，进入到运行和调试阶段。在组态王开发系统中选择“文件切换到 View”菜单命令，进入组态王运行系统。在运行系统中选择“画面打开”命令，从“打开画面”窗口选择“电动机变频”画面。显示出组态王运行系统画面，也可点击按钮进行操作，观察画面的动态效果。天津理工大学中环信息学院本科课程设计报告- 23 -第四章 系统的调试运行4.1 电动机参数设置先将变频器恢复到出厂设置值参数设置如下设置后按下 P 键等待变频器恢复，大概 3 分钟左右的等待时间。恢复完成后按下图的参数值一次设置电动机的参数4.2 变频器
27、参数设置按下面的参数值依次键入变频器天津理工大学中环信息学院本科课程设计报告- 24 -4.3 系统的调试运行按下启动按钮 SB1 电动机开始启动运行在第一段速的频率 10HZ，经过 10S 后电动机自动升速到 50HZ 运行，稳定运行 10S 后，电动机自动降速运行在 10HZ 频率下运行 5S后，电动机在自动降速运行在 5HZ，稳定运行 5s 后电动机自动停止运行，变频调速结束。输出的频率响应曲线如下图所示：图 4.3 输出频率特性曲线图天津理工大学中环信息学院本科课程设计报告- 25 -第五章 总结和体会5.1 结束语PLC 和变频技术经过几十年的发展，已经相当成熟。其品种齐全，功能繁多
28、，已被广泛应用于工业控制的各个领域。以 PC 机为上位机，PLC 为下位机，能够很好地满足特有的要求。在国内市场，有来自许多著名厂家的 PLC 产品。这些产品从简单到复杂，都自成系列，可以满足不同应用的特殊要求。大多数中低档次的 PLC 产品，都包含有离散点输入和输出（点数的多少可以依据应用情况增减） 、模拟采样输入、时钟、通信等功能。利用这类 PLC 的现成功能，可以方便地实现对电动机的变频控制自动化的功能。使用PLC 的离散输入点来实现遥信、用 PLC 的离散输出点来实现遥控、用 PLC 的模拟采样输入来实现遥测、用 PLC 的通信功能来实现和主机的通信。完成这些功能，都无需额外的硬件，对
29、 PLC 进行简单编程即可。不仅如此，利用 PLC 的模拟输出功能，这样一种基于PLC 和变频器对电动机的变频控制自动化的实现方案，完全可以满足电动机的变频控制自动化的特殊要求。它具有以下特点和优势：硬件结构简单，完全免维护；规模可大可小，只需将 PLC 的扩展模块连接在一起，就可以实现遥控点、遥信点、遥测点的增加；抗恶劣环境；高可靠性；编程实现各种功能，免硬件调试；费用低廉。5.2 课设体会这次课程设计历时八个星期左右，通过课程设计，发现自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。这次的课程设计也让我看到了团队的力量，我认为我们的工作是
30、一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。刚开始的时候，我们就分配好了各自的任务，有的设计程序的，进行连线的，有的积极查询相关资料，并且经常聚在一起讨论各个方案的可行性。在课程设计中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们成功的一项非常重要的保证。而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。在这个过程中，我也曾经因为实践经验的缺乏失落过，也曾经程学设计成功而热情高涨。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。虽然这只是一次的极简单的课程制作，可是平心而论，也耗费了我们不少的心血，这就让我不得不佩服专门搞变频器开发的技术前辈，才意识到老一辈对我们社会的付出，为了人们的生活更美好，他们为我们社会所付出多少心血啊！
