基于PLC的电机变频调速系统

摘要

随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频调速技术广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业，并取得了显著的经济效益。本系统就是采用PLC来控制变频器实现三相交流异步电机的速度调节。

本文根据变频调速系统的特点和原理，进行了硬件和软件的设计，分别介绍了变频器的参数设置以及变频开环调速、多段调速、触摸屏控制调速等硬件设计，在此基础上对软件进行设计，编写出相应的程序流程图及相关的梯形图程序，实现了三相交流异步电动机的调速。本文上位机采用通过触摸屏通信的设置、背景的设计实现三相交流异步电动机的加速、减速、以及正反转控制。最后增加了抗干扰能力的设计，从而使系统具有更好的稳定性。

关键词：PLC；变频器；电机控制系统；触摸屏

ABSTRACT

With industrial automation and the continuous improvement of global energy shortage, VVVF technology widely used in machinery, textiles, chemicals, paper making, metallurgy, food and other industries as well as fans, and have made significant Economic benefits. The PLC system is used to control the frequency converter to achieve the three-phase AC induction motor speed regulation.

Frequency Control System Based on the characteristics and principles of a hardware and software design, introduced a set of parameters and inverter frequency open-loop speed control, multi-speed, speed control, such as touch-screen hardware design, on the basis of this The software design, preparation of the corresponding flow chart of the ladder and related procedures, and a three-phase AC induction motor speed. In this paper, the top touch-screen machines used by the communications settings, the design background to achieve the three-phase AC induction motor acceleration, deceleration, as well as positive and control. Finally an increase of anti-disturbance capacity of design, so that a better system stability.

Key words: PLC; Inverter; Motor control system; Touchscreen

目录

1 绪论 (1)

1.1课题的背景 (1)

1.1.1 电机的起源和发展 (1)

1.1.2 变频调速技术的发展和应用 (2)

1.2本文设计的主要内容 (3)

2 变频调速系统的方案确定 (4)

2.1变频调速系统 (4)

2.1.1 三相交流异步电动机的结构和工作原理 (4)

2.1.2 变频调速原理 (4)

2.1.3 变频调速的基本控制方式 (5)

2.2系统的控制要求 (6)

2.3方案的确定 (6)

2.3.1 电动机的选择 (6)

2.3.2 开环控制的选择 (7)

2.3.3 变频器的选择 (7)

4 变频调速系统的硬件设计 (8)

4.1S7-200PLC (8)

4.2M ICRO M ASTER420变频器 (8)

4.3外部电路设计 (9)

4.3.1 变频开环调速 (9)

4.3.2 数字量方式多段速控制 (11)

4.3.3 PLC、触摸屏及变频器通信控制 (12)

5 变频调速系统的软件设计 (14)

5.1编程软件的介绍 (14)

5.2变频调速系统程序设计 (15)

6 触摸屏的设计 (23)

6.1触摸屏的介绍 (23)

6.2MT500系列触摸屏 (25)

6.3触摸屏的设计过程 (26)

6.3.1 计算机和触摸屏的通信 (26)

6.3.2 窗口界面的设计 (27)

6.3.3 触摸屏工程的下载 (31)

7 PLC系统的抗干扰设计 (33)

7.1 变频器的干扰源 (33)

7.2干扰信号的传播方式 (33)

7.3 主要抗干扰措施 (34)

7.3.1 电源抗干扰措施 (34)

7.3.2 硬件滤波及软件抗干扰措施 (34)

7.3.3 接地抗干扰措施 (34)

结论 (36)

致谢 (37)

参考文献 (38)

1 绪论

1.1 课题的背景

1.1.1 电机的起源和发展

最先制成电动机的人是德国的雅可比，在两个u型电磁铁中间，装一六臂轮，每臂带两根棒型磁铁。通电后，棒型磁铁与u型磁铁之间产生相互吸引和排斥作用，带动轮轴转动。后来，雅可比做了一具大型的装置安在小艇上，用320个丹尼尔电池供电，1838年小艇在易北河上首次航行，时速只有2.2公里，与此同时，美国的达文波特也成功地制出了驱动印刷机的电动机，印刷过美国电学期刑《电磁和机械情报》，但这两种电动机都没有多大商业价值，用电池作电源，成本太大、不实用。

直到第一台实用直流发动机问世，电动机被广泛应用。1870年比利时工程师格拉姆发明了直流发电机，在设计上，直流发电机和电动机很相似。后来，格拉姆证明向直流发动机输入电流，其转子会象电动机一样旋转。于是，这种格拉姆型电动机大量制造出来，效率也不断提高。与此同时，西门子开始着手研究由电动机驱动的车辆，于是西门子公司制成了世界电车。1879年，在柏林工业展览会上，西门子公司不冒烟的电车赢得观众的一片喝彩。西门子电机车当时只有3马力，后来美国发明大王爱迪生试验的电机车已达12─15马力，但当时的电动机全是直流电机，只限于驱动电车。

1888年南斯拉夫出生的美国发明家特斯拉发明了交流电动机。它是根据电磁感应原理制成，又称感应电动机，这种电动机结构简单，使用交流电，无需整流，无火花，因此被广泛应用于工业的家庭电器中，交流电动机通常用三相交流供电。

1902年瑞典工程师丹尼尔森首先提出同步电动机构想。同步电动机工作原理同感应电动机一样，由定子产生旋转磁场，转速固定不变，不受负载影响。因此同步电动机特别适用于钟表，电唱机和磁带录音机。

当今世界，电机的发展已成为衡量一个国家现代化程度的标志之一。近二十年来，科学技术突飞猛进。随着电力电子技术、计算机技术和控制理论发展，电机调速技术

得到迅速发展，使得电机的应用不再局限于工业应用而且在商业及家用设备等各个领域获得更加广泛的应用；而随着新材料如稀土永磁材料Nd-Fe-B、磁性复合材料的出现，更给电机设计插上翅膀，各种新型、高效、特种电机层出不穷。这些都极大地丰富了电机理论，拓宽了电机的应用领域，同时也给电机设计和制造工艺提出更高的要求。

1.1.2 变频调速技术的发展和应用

变频技术是近年来国际家电领域全面开发和应用的一项高新技术，它采用新型变频器，将50Hz的固定供电频率转换为30-130Hz的变化频率，实现电动机运转频率的自动调节，达到节能和提高效率的目的。

上个世纪80年代初，变频器实现了商品化。在近20年的时间内，经历了由模拟控制到全数字控制和由采用BJT到采用IGBT两个大发展过程。

80年代初采用的BJT的PWM变频器实现了通用化。到了90年代初，BJT通用变频器的容量达到了600KV A,400KV A以下。前几年主开关器件开始采用IGBT，仅三、四年的时间，IGBT变频器的单机容量己达800IV A，随着IGBT容量的扩大，通用变频器的容量也将随之扩大。

变频器主电路中功率电路的模块化，控制电路采用大规模集成电路和全数字控制技术，结构设计上采用“平面安装技术”等一系列措施，促进了变频电源装置的小型化。另外，一种混合式功率集成器件，采用厚薄膜混合集成技术，把功率电桥、驱动电路、检测电路、保护电路等封装在一起，构成了一种“智能电力模块”这种器件属于绝缘金属基底结构，所以防电磁干扰能力强，保护电路和检测电路与功率开关间的距离尽可能的小，因而保护迅速且可靠，传感信号也十分迅速。

电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化方向发展。特别是微机的应用，为变频器多功能化和高性能化提供了可靠的保证。

人们总结了交流调速电气传动控制的大量实践经验，并不断融入软件功能。日益丰富的软件功能使通用变频器的多功能化和高性能化为用户提供了一种可能，即可以把原有生产机械的工艺水平“升级”，达到以往无法达到的境界，使其变成一种具有高度软件控制功能的新机种。

目前出现了一类“多控制方式”通用变频器。例如安川公司的VS616—G5变频器就有:无PG(速度传感器)V/f控制:有PG V/f控制:无PG矢量控制:有PG矢量控制等四种控制方式。通过控制面板，可以控制上述四种控制方式中的一种，以满足用户的需要。

通用变频器经历了模拟控制、数字控制、数模混合控制，直到全数字控制的演变，逐步地实现了多功能化和高性能化，进而使之对各类生产机械、各类生产工艺的适应性不断增强。最初通用变频器仅用于风机、泵类负载的节能调速和化纤工业中高速缠绕的多机协调运行等，到目前为止，其应用领域得到了相当的扩展。如搬运机械，从反抗性负载的搬运车辆、带式运输机到位能负载的起重机、提升机、立体仓库、立体停车厂等都已采用了通用变频器。各类切削机床直到高速磨床乃至数控机床、加工中心超高速伺服机的精确位置控制都己应用通用变频器。

1.2 本文设计的主要内容

本系统是通过可编程控制器控制三相交流异步电动机的调速功能。具体内容如下：

⑴在理论研究的基础上，对变频调速系统进行总体方案的设计。

⑵对变频调速系统进行硬件设计，包括变频器参数的设置、变频开环调速、多段速控制以及触摸屏通信方式的设计。

⑶在硬件设计的基础上，对变频调速系统进行软件设计，包括程序的编写和分析。

⑷实现调速系统的触摸屏设计。

⑸采用良好的抗干措施使系统更具稳定性。

2 变频调速系统的方案确定

2.1 变频调速系统

2.1.1 三相交流异步电动机的结构和工作原理

三相交流异步电动机是把电能转换成机械能的设备。一般电动机主要由两部分组成：固定部分称为定子，旋转部分称为转子。三相交流异步电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则来确定。因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。

2.1.2 变频调速原理

变频器可以分为四个部分，如图3.1所示。

通用变频器由主电路和控制回路组成。给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。主电路包括整流器、中间直流环节（又称平波回路）、逆变器。

图3.1变频器简化结构图

⑴整流器。它的作用是把工频电源变换成直流电源。

⑵平波回路（中间直流环节）。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动状态还是发电状态，起始功率因数总不会等于1。因此，在中间

直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件—电容器或电感器来缓冲，所以中间直流环节实际上是中间储能环节。

⑶逆变器。与整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率。逆变器的结构形式是利用6个半导体开关器件组成的三相桥式逆变器电路。通过有规律的控制逆变器中主开关的导通和断开，可以得到任意频率的三相交流输出波形。

⑷控制回路。控制回路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路，驱动电路和制动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制，以及完成各种保护功能。控制方式有模拟控制或数字控制。

2.1.3 变频调速的基本控制方式

⑴普通控制型V/f通用变频器

①普通控制型V/f通用变频器是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路比较简单；电动机选择通用标准异步电动机，因此其通用性比较强，性价比比较高，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。

②具有恒定磁通功能的V/f通用变频器

为了克服普通控制型的V/f通用变频器对V/f的值进行调整的困难，如果采用磁通反馈，让异步电动机所输入的三相正弦电流在空间产生圆形旋转磁场，那么就会产生恒定的电磁转矩。这样的控制方法叫做磁链跟踪控制。由于磁链的轨迹是靠电压相加矢量得到的，所以磁链跟踪控制也叫做电压空间矢量控制。

⑵矢量控制方式

矢量控制方式的基本思想是：仿照直流电动机的调速特点，使异步交流电动机的转速也能通过控制两个互相独立的直流磁场进行调节。矢量控制方式分为无速度传感器的矢量控制和有速度传感器的转速或转矩闭环矢量控制。

无速度传感器的矢量控制。它是对异步电动机进行单电动机传动的典型模式。主要性能是：在1：10的速度范围内。速度精度小于0.5%，转速上升时间小于100ms；在额定功率10%的范围内，采用电流闭环控制的转速开环控制。工作模式可采用软件功能选择。当工作频率高于额定频率的10%时，进入矢量控制状态。转速的实际值可

以利用由微型机支持的对异步电动机进行模拟的仿真模型来计算。

有速度传感器的转速或转矩闭环矢量控制。这种方式的主要特征更是：在速度设定值的全范围内，转矩上升时间大约为15ms，速度设定范围大于1：100；对于闭环控制而言，转速上升时间不大于60ms。

2.2 系统的控制要求

本系统的结构如图3.2所示。

图3.2 系统的结构图

由图3.2可知，本文通过PLC控制变频器达到变频调速的目的，从而实现交流电机的正反转、起停、加速、减速控制以及速度的调节，并且能够在在触摸屏上进行操作，控制电机调速。

2.3 方案的确定

2.3.1 电动机的选择

在变频电机中，电动机类型选择的原则是，在满足工作机械对于拖动系统要求的前提下，所选电动机应尽可能结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。因此，在选用电动机种类时，若机械工作对拖动系统无过高要求，应优先选用交流电动机。

在交流电动机中，笼型异步电动机结构简单，运行最可靠，维护最方便，对起动性能无过高要求的调速系统，应优先考虑。在电机工作中起动、制动比较频繁，为提高生产率，又要求电动机具有较大的起动、制动转矩以缩短起动制动时间，同时还有一定的调速要求，所以本设计采用笼型异步电动机，其参数为：

型号：WDJ26；

电压：380V；

接法：角接；

转速：1430r/min;

功率：40W；

电流：0.2A；

频率：50HZ；

绝缘等级：E。

2.3.2 开环控制的选择

开环控制是最简单的一种控制方式，他所具有的特点是，控制量与被控制量之间只有前向通路而没有反向通路。这种控制方式的特点是控制作用的传递具有单向性。由于开环控制结构简单，调整方便，成本低。在国民经济各部门均有采用。因此，本系统采用开环控制系统。

2.3.3 变频器的选择

随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速己应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速得到广泛应用。其功能较强，使用灵活，但其价格相对较贵。所以我选用了通用变频器，通过合理的配置、设计和编程，同样可以达到专用变频器的控制效果。

本设计采用的变频器是西门子公司面向世界推出的21世纪通用型变频器MM420。它可实现平稳操作和精确控制，使电动机达到理想输出，这种变频器不仅考虑了V/f控制，而且还实现了矢量控制，通过其本身的自动调谐功能与无速度传感器电流矢量控制，很容易得到高起动转矩与较高的调速范围。

MM420变频器的特点如下：

⑴包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化。

⑵有丰富的内藏与选择功能。

⑶由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小。

⑷保护功能完善、维修性能好。

⑸通过LCD操作装置，可提高操作性能。

4 变频调速系统的硬件设计

4.1 S7-200 PLC

本系统选用的是西门子公司生产的SIMATIC S7-200系列小型PLC，可用于代替继电器的简单控制场合，也可用于复杂的自动化控制系统。由于它极强的的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其功能。

S7-200的可靠性高，可以用梯形图语句表功能块图三种语言来编程。它的指令丰富，指令功能强，易于掌握，操作方便，内置有高速计数器、高速输出、PID控制器、RS-485通信/编程接口、PPI通信协议、MPI通信协议和自由端口模式通信功能，最大可以扩展到248点数字量I/O或35路模拟量I/O，最多有30多KB的程序和数据存储空间。

4.2 MicroMaster420变频器

本系统采用的是通用变频器MicroMaster420，MicroMaster420是全新一代模块化设计的多功能标准变频器。它有强大的通讯能力、精确的控制性能、模块化结构设计，具有更多的灵活性，操作方便。最新的IGBT技术，具有7个固定频率，4个跳转频率。灵活的斜坡函数发生器带有起始段和结束段的平滑特性，防止运行中不应有的跳闸，直流制动和复合制动方式提高制动性能。用BiCo技术，实现I/O端口自由连接。MICROMASTER420是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列，从单相电源电压额定功率120W到三相电源电压额定功率11KW可供选用，由微处理器控制，用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率输出器件。因此，具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声，全面完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。MICROMASTER420具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。由于MICROMASTER420具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。

4.3 外部电路设计

本系统主要完成异步电机三种调速，由于变频器参数设置的不同，调速方式也有所不同，分别为变频开环调速、数字量方式多段速控制和PLC触摸屏及变频器通信控制。

4.3.1 变频开环调速

变频开环调速根据输入端的控制信号经过程序运算后由通信端口控制变频器运行。打开启动开关，变频器开始运行。

首先应对变频器的参数进行设置，如表4.1 所示。

表4.1变频器的参数设置

其中：在设置参数前先将变频器参数复位为工厂的缺省设定值；设定P0003=2 允许访问扩展参数；设定电机参数时先设定P0010=1(快速调试),电机参数设置完成设P0010=0(准备)。

根据系统分析，需要九个输入量，输出端由三-八通信线实现其I/O分配如表4.2 所示。

表4.2 系统的I/O分配

变频开环调速外部接线如图4.3所示。

图4.3 变频开环调速外部接线图

4.3.2 数字量方式多段速控制

在MM420变频器通过数字量的输入DIN1、DIN2、DIN3不同的组合方式可实现七种不同的输出频率，从而实现多段速的控制。变频器的参数设置如表4.4所示。

表4.4 变频器的参数设置

输入输出分配如表4.5所示。

表4.5 系统的I/O分配

数字量方式多段速控制外部接线如图4.6所示。

图 4.6 外部接线图

图4.6 数字量方式多段速控制外部接线图

由图4.6可知通过切断开关的通断来控制PLC输出点Q0.0、Q0.1、Q0.2的不同组合来控制变频器的不同的频率。

4.3.3 PLC、触摸屏及变频器通信控制

此部分主要是能够在触摸屏上进行操作，通过通信方式对PLC进行控制，实现电机的速度调节。变频器参数设置如表4.7所示

表4.7 变频器的参数设置

触摸屏及变频器通信控制外部接线如图4.8所示

图4-8触摸屏及变频器通信控制外部接线图

5 变频调速系统的软件设计

5.1 编程软件的介绍

⑴本系统采用的编程软件是STEP7 MicroWIN,该编程软件可以方便的在Windows环境下对PLC编程、调试、监控。使得PLC编程更加方便、快捷。

⑵项目的组成

①程序块

程序块由可执行的代码和注释组成，可执行的代码由主程序(OB1)、可选的子程序和中断程序组成。代码被编译并下载到PLC。

②数据块

数据块由数据(变量存储器的初始值)和注释组成。数据被编译并下载到PLC。

③系统块

系统块用来设置系统的参数，例如存储器的断电保持范围密码STOP模式时PLC 的输出状态模拟量与数字量输入滤波值脉冲捕捉位等，系统模块中的信息需要下载到PLC。

④符号表

符号表允许程序员用符号来代替存储器的地址，符号地址便于记忆，使程序更容易理解。程序编译下载到PLC时，所有符号地址被转换为绝对地址，符号表中的信息不会下载到PLC。

⑤状态表

状态表用来观察程序执行时指定的内部变量的状态，状态表并不下载到PLC，仅仅是监控用户程序运行情况的一种工具。

⑥交叉引用表

交叉引用表列举出程序中使用的各操作数在哪一个程序块的哪一个网络中出现，以及使用它们的指令助记符。还可以查看哪些内存区域已经被使用，是作为单位使用还是作为字节使用。在运行模式下编译程序时，可以查看程序当前正

在使用的跳变触点的编号。交叉引用表并不下载到PLC，程序编译成功后才能看到交叉引用表的内容。在交叉引用表中双击某操作数，可以显示出包含该操作数的那一部分程序。

5.2 变频调速系统程序设计

⑴基于PLC数字量方式多段速控制