变频器课程设计报告.docx
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变频器课程设计报告.docx
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变频器课程设计报告
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),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。
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。
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)。
1.1.3MM420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:
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1.1.3MM420变频器对外接线端子图
1.2PLC的介绍
1.2.1PLC综述
PLC是可编程控制器(ProgrammableLogicController)的简称。
主要用于控制机械的生产过程。
PLC=ProgrammablelogicController,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=ProgrammableLogicController,可编程控制器,另外PLC还有以下几个名称:
PLC=PowerLineCommunication,电力线通信,即我们俗称的“电力线上网”。
PLC=PublicLimitedCompany,公共有限公司,股票上市公司。
PLC=Power-lineCarrier,输电线载波,电力线载波,电源线车。
PLC=PowerLoadingControl,动力负载控制。
PLC=PreparativeLayerChromatography,制备层色谱法。
PLC=ProgrammingLanguageCommittee,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。
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(ProgrammableController)是计算机家族中的一员,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(ProgrammableLogicController),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(PersonalComputer)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]。
1.2.2PLC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、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,使可编程控制器用于模拟量控制。
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1.2.2PLC组成结构图
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
1L24V+VF-8(13)
Q0.0DIN1VF-5(10)
Q0.1DIN2VF-6(11)
Q0.2DIN3VF-7(12)
图1.3.2硬件连接图
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
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
第二章PLC的控制程序设计
2.1实验设备
1.硬件
西门子CPU226CN1台
西门子PC/PPI通讯电缆1根
MM420变频器1台
计算机1台
2.
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