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1、湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）I 摘摘 要要 本文主要介绍了本人与本组同学研究和设计基于可编程控制器的变频调速系统的若干成果，在本次的设计中，我们的设计系统主要由 PLC、变频器、电动机等几部分组成。经过本次设计和研究，使我对所有器件有了新的认识，尤其对 PLC有了更多的了解：PLC 是能进行行逻辑运算，顺序运算，计时，计数，和算术运算等操作指令，并能通过数字式或模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程的工业计算机。首先我们查阅各个器件的资料，先对其有个明确的认识，然后通过老师的指点明白了整个系统的大概工作原理框图后，通过学习资料与老师指点将硬件设备连接成功。本文综合
2、应用电子学与机械学知识去解决基于可编程控制器的变频调速系统，本次设计选用三相异步交流电机，而 PLC 和 交流电机无论在工业还是生活中都是应用最广，因此本次设计具有相当的实用价值。关键词关键词：PLC；变频器；三相异步电动机 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）II 目 录 摘 要.I 第一章 绪论.3 1.1 课题研究背景.3 1.2 课题研究方法.4 第二章 PLC 简介.5 2.1 PLC 的基本概念.5 2.2 PLC 的基本结构.5 2.3 PLC 的外围接线以及各部分细节.7 第三章 变频器简介.10 3.1 变频器的选择以及变频调速原理.10 3.1.1 变频器的选
3、择.10 3.1.2 变频调速原理.11 3.1.3 变频器的工作原理.11 3.2 变频器设置.11 第四章 三相异步电动机.15 4.1 三相异步电机概述.15 4.1.1 基本工作原理.15 4.1.2 基本结构.16 4.1.3 旋转磁场.17 4.2 三相异步电机转矩特性与机械特性.19 4.3 异步电机原始数学模型.20 第五章 PLC 硬件连接及软件编程.23 5.1 系统主电路图.23 5.2 硬件设计.24 5.3 PLC 软件编程.24 5.3.1 设计步骤.24 5.3.2 程序的主体.25 5.4 控制程序.25 第六章 调试过程及结果.31 6.1 调试过程.31 6
4、.2 调试结果.31 结论.32 致 谢.33 参考文献.34 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）3 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题研究背景 本次设计主要以PLC和变频器为主，PLC是能进行行逻辑运算，顺序运算，计时，计数，和算术运算等操作指令，并能通过数字式或模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程的工业计算机。它灵活、通用、I/O接口丰富，可靠性高、抗干扰能力强，编程简单、使用方便，设计施工周期短、接线简单、维护工作量小，体积小，重量轻、能耗低、易于实现机电一体化，联网方便，便于系统集成。变频器操作方便、体积小、控制性能高而成为目前世界上最受欢迎的调速方式，在工
5、业工厂中应用十分广泛，所以本次设计课题为我们今后到工厂发展打下很好的铺垫，很有实用价值。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
6、已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统（DCS）。但就其控制策略而言，占统治地位的仍旧是常规的 PID 控制。PID 结构简朴、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型。PID 的使用已经有 60 多年了，有人称赞它是控制领域的常青树。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
7、用场合选择不同类型的变频器。湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）4 1.2 课题研究方法 组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且轻易犯错 误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成。组态王是海内一家较有影响力的组态软件开发公司开发的，组态王具有流程画面，过程数据记录，趋势曲线，报警窗口，
8、生产报表等功能，已经在多个领域被应用。湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）5 第二章第二章 PLCPLC 简介简介 2.1 PLC 的基本概念 国际电工委员会对 PLC 做了定义为“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器机器有关设备，都应该按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其能力的原则设计”。从上述定义可以看出，PLC 是一种用于程序来改变控制功能的工业控制计算机，
9、除了能完成各种各样的控制能力外，还有与其他计算机通行联网的功能。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制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，所以将可编程序控制器简称 PLC,PLC 自 1969年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。2.2 PLC 的基本结构 如图
10、2-1 所示，PLC 主要由 CPU 模块、输入模块、输出模块和编程器组成。PLC 的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。PLC 主要由 CPU 模块、I/O 模块、变成装置和电源组成。根据硬件结构的不同，可以将 PLC 分为整体式、模块式和混合式。整体式 PLC 又叫做单元式或箱体式，他的体积小、价格低、小型 PLC 一般采用整体结构。模块式 PLC 一般用于大、中型 PLC，它由机架和模块组成。湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）6 中央 处理单 元(CPU)系统存储器用户存储器输入部件输出部件外设接口I/O扩展口编程器电源可编程序控制器至现场用户设备接触器指示灯电磁阀电源模
11、拟量输出来自用户设备按钮选择开关限位开关电源模拟量输入 图 2-1 PLC 基本组成 （1）输入部件 输入部件是 PLC 与工业生产现场被控对象之间的连接部件，是现场信号进入PLC 的桥梁。该部件接收由主令元件、检测元件来的信号。（2）输出部件 输出部件也是 PLC 与现场设备之间的连接部件，其功能是控制现场设备进行工作(如电机的启、停、正/反转，阀门的开、关，设备的转动、移动、升降等)。对于 PLC，希望它能直接驱动执行元件，如电磁阀、微电机、接触器、灯和音响等，因此，输出部件中的输出级常是一些大功率器件，如机械触点式继电器、无触点交流开关(如双向可控硅)及直流开关(如晶体三极管)等。（3）
12、CPU 模块 CPU 模块主要有微处理器和存储器组成。在 PLC 控制系统中 CPU 模块相当于人的大脑和心脏，他不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来存储程序和数据。（4）I/O 模块 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）7 输入模块和输出模块简称 I/O 模块，他们相当于人的眼、耳、手、脚，是联系外部设备和 CPU 模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接受从按钮、选择开关、数字拨号开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。（5）编程器 编程器用来生成用户程序，并用它
13、来编辑、检查、修改用户程序，监视用户程序的执行情况。手持式编程器不能直接接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器，它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC 编程，或者用于现场调试和维护。（6）电源 PLC 使用 AC 220V 电源或 DC 24V 电源。内部开关电源为各模块提供不同电压等级的直流电源。小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器提供DC 24V电源，驱动 PLC 负载的直流电源一般有用户提供。2.3 PLC 的外围接线以及各部分细节 将开关和状态灯接入电路中，图 2-2 的 24V 电源是有变压器输出的。L 和 M 是PLC 本身的 24V 输出。湖
14、南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）8 SB 1 24V 20V 图 2-2 PLC 的外围接线原理图 PLC 通电后，需要对硬件和软件做一些初始化工作。为了使 PLC 的输出及时地响应各种输入信号，初始化后 PLC 要反复不停地分段处理各种不同的任务，这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。(一)初始化过程：与其它单片机运行一样，上电运行或复位时进行处理 （1）硬件初始化，复位输出输入模块，清零 （2）清除数据区 （3）输出输入地址分配(二)扫描过程 （1）扫描输入，将输入口状态读入至输入口映像区 （2）时钟处理，特殊寄存器更新 Q 0.0 I 0.0 Q 0.1 Q 0.2
15、 S7S7-200200 Q 0.3 PU224 PU224 Q 0.4 Q 0.5 Q 0.6 1M M Q 0.7 1L L+2L 3L 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）9 （3）执行用户程序 （4）输出，将输出口映像区输出至输出端口刷新 （5）自诊断检查(三)出错处理 检查 PLC 内部电路 CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通讯异常 致命错误，CPU 强制 STOP 方式，所有扫描停止。其具体如图 2-3 所示一小型PLC 的典型工作过程：图 2-3PLC 的典型工作过程 置错误标志和 光显示 错误还是报警 执行来自外设 （如编程器）命令 上机 清I/O的内部电器
16、 复位计时器 检查总线及 I/O 的边线情况 复位监视定时器 检查硬件和程序存储器 正确?输入采样 执行用户程序 输出刷新 复位监视定时器 复位监视定时器 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）10 第三章第三章 变频器简介变频器简介 3.1 变频器的选择以及变频调速原理 变频器输出频率的上、下限幅值。频率限制是为防止误操作或外接频率设定信号源出故障，而引起输出频率的过高或过低，以防损坏设备的一种保护功能。在应用中按实际情况设定即可。3.1.1 变频器的选择 正确选择通用型变频器对于传动系统能够正常运行时至关重要的，首先要明确使用通用变频器的目的，按照生产机械的类型、调速范围、速度
17、响应和控制精度、启动转矩等要求，充分了解变频器所驱动负载特性，决定采用什么功能的通用变频器构成控制系统，然后决定选用哪种控制方式最合适。所选用的通用变频器应是既满足生产工艺要求，又要在技术经济指标上合理。若对通用变频器选型、系统设计及使用不当，往往会使通用变频器不能正常的运行、达不到预期目标，甚至引发设备故障，造成不必要的损失。另外，为了确保通用变频器长期可靠的运行，变频器的地线的连接也是非常重要的。变频器在调速系统中的优点：a)控制电机的启动电流；b)降低电力线路的电压波动；c)启动时需要的功率更低；d)可控的加速功能；e)可调的运行速度；f)可调的转矩极限；g)受控的停止方式；h)节能；i
18、)可逆运行控制；j)减少机械传动部件。在本系统中，选用了由西门子生产的通用变频器 MM420。变频器 MM420 为我们提供了很好的 BOP 控制面板具体如图 3-1：湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）11 图 3-1 BOP 控制面板 3.1.2 变频调速原理 变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的，其公式如下：n=60f(1-s)/p （3-1）对于成品电机，其磁极对数 p 已经确定，转差率 s 变化不大，故电机的转速n 与电源的频率 f 成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机的调试目的。3.1.3 变频器的工作原理 变频
19、器的工作原理是把市电（380V、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO、GTR 或 IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电。3.2 变频器设置 如果所用的变频器刚刚出厂的变频器，则需对它进行快速调试，试验中用到的变频器都已经完成了快速调试。湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）12 表3-1 变频器的调试 序号序号 变频器参数变频器参数 出厂值出厂值 设定值设定值 功能说明功能说明 1 P0304 230 380 电动机的额定电压(380V)2 P0305 3.25 0.35 电动机的额定电流(0.35A)3 P0307 0.75
20、0.06 电动机的额定功率(60W)4 P0310 50.00 50.00 电动机的额定频率(50Hz)5 P0311 0 1430 电动机的额定转速(1430 r/min)6 P1000 2 1 用操作面板（BOP）控制频率的升降 7 P1080 0 0 电动机的最小频率(0Hz)8 P1082 50 50.00 电动机的最大频率(50Hz)9 P1120 10 10 斜坡上升时间(10S)10 P1121 10 10 斜坡下降时间(10S)11 P0700 2 2 选择命令源（由端子排输入）12 P0701 1 10 正向点动 13 P0702 12 11 反向点动 14 P1058 5.
21、00 30 正向点动频率（30Hz）15 P1059 5.00 20 反向点动频率（20Hz）16 P1060 10.00 10 点动斜坡上升时间（10S）17 P1061 10.00 5 点动斜坡下降时间（5S）注:（1）设置参数前先将变频器参数复位为工厂的缺省设定值 （2）设定 P0003=2 允许访问扩展参数 （3）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定P0010=0(准备)湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）13 例如：例如：修改下表 3-2 参数 P0719 选择命令/设定这源 1）按 访问参数 2）按 直到显示出 P0719 3）按 直
22、到参数数值访问级 4）按 显示当前的设定值 5）按 或 悬着运行所需最大频率 6）按 确定和储存 P0719 的设定值 7）按 直到显示出 r0000 8)按 返回标准的变频器显示（由用户定义）说明 -忙碌信息 修改参数的数值时，BOP 有时会显示：，表明变频器正忙于处理优先级更高的任务。为了快速修改参数的数值，可以单独修改显示出的每个数字，操作步骤如下：a)按（功能键），最右边的一个数字闪烁。b)按 /，修改这位数字的数值。操作步骤操作步骤 显示的结果显示的结果 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）14 c)再按（功能键）,相邻的下一位数字闪烁。d)执行2至4步，直到显示出所要
23、求的数值。e)按 ，退出参数数值的访问级。湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）15 第四第四章章 三相异步电动机三相异步电动机 4.1 三相异步电机概述 三相异步电机是感应电机,定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其中产生感应电流。短路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场。通电启动后，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，即旋转磁场与转子存在相对转速，并与磁场相互作用产生电磁转矩，使转子转起来，实现能量变换。4.1.1 基本工作原理 如图 4-1 所示是两级三相异步电动机的转动原理示意图。其中 N-S
24、 是一对磁极，在两个磁极中间装有一个能够转动的圆柱形铁芯，在铁芯的外圆槽内嵌放有封闭的导条。设磁场一同步转速 n1顺时针方向旋转，于是转子导条与磁场之间产生相对运动，即相当于磁场不动，而转子导条以逆时针方向切割磁力线，此时在导条中产生如图 4-1，所示方向的电动势。由于转子导条的两端由端环联通而形成闭合电路，因而在导条中产生了感应电流，其方向与导条中的感应电动势方向一致。载流的转子导条在磁场中受到电磁力 F 的作用而形成电磁转矩 T，在此转矩的作用下，转子就沿旋转的磁场的方向转动起来了。图 4-1 三相异步电机转动原理图 用 n 表示转子的转速，用 n1 表示磁场的转速（又称同步转速），则 n
25、 总小于n1。否则，由于两者之间没有相对运动，就不会产生感应电动势及感应电流，电磁转矩也无法形成，这就是异步电动机名称的由来。通常，把同步转速 n1 与转子转速 n 的差与 n1 的比值称为异步电动机的转差率，用 s 表示。湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）16 4.1.2 基本结构（一）定子铁芯如图 4-2 所示 图 4-2 定子铁芯 定子铁芯是异步电动机磁路的一部分，装在机座里。为了降低定子铁芯的涡流损耗和磁滞损耗，定子铁芯由导磁性能较好、0.5mm 厚的硅钢片叠压而成，在硅钢片的两面涂有绝缘漆。定子铁芯内表面开有槽，槽内放置定子绕组（也叫电枢绕组）。表 4-1 三相异步电
26、机定子的组成 定子 定子铁心 由厚度为 0.5mm 的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片内圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放定子三相绕组AX、BY、CZ。定子绕组 三组用漆包线绕制好的，对称地嵌入定子铁心槽内的相同的线圈。这三相绕组可接成星形或三角形。机座 机座用铸铁或铸钢制成，其作用是固定铁心和绕组 （二）定子绕组 定子绕组用来通入交流电产生旋转磁场，有绝缘的铜线或铝线绕成，嵌放在定子铁芯的槽内，放入半开口槽内的成型线圈有高强度的漆包扁铝线或扁铜线，或用玻璃丝包扁铜线绕成。开口槽亦放入成型线圈，其绝缘通常用云母带。湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）17（三）转子铁芯 是用 0.5m
27、m 厚的硅钢片叠压而成，套在转轴上，作用和定子铁心相同，一方面作为电动机磁路的一部分，一方面用来安放转子绕组。表 4-2 三相异步电机转子的组成 转子 转子铁心 由厚度为 0.5mm 的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片外圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放转子三相绕组。转子绕组 转子绕组有两种形式：鼠笼式-鼠笼式异步电动机。绕线式-绕线式异步电动机。转轴 转轴上加机械负载 （四）转子绕组 异步电动机的转子绕组分为绕线形与笼形两种，由此分为绕线转子异步电动机与笼形异步电动机。（五）其他部分 其他部分包括端盖、风扇等。端盖除了起防护作用外，在端盖上还装有轴承，用以支撑转子轴。4.1.3 旋转磁场（一）产
28、生 图 4-3 表示最简单的三相定子绕组 AX、BY、CZ，它们在空间按互差 1200的规律对称排列。并接成星形与三相电源 U、V、W 相联。则三相定子绕组便通过三相对称电流：随着电流在定子绕组中通过，在三相定子绕组中就会产生旋转磁场如图 4-4 所示。湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）18 图 4-3 三相异步电动机定子接线图 图 4-4 旋转磁场的形成 则得出以下公式：tIimusin （4-1）0120sintIimv （4-2）当 t=00 时，0Ai，AX 绕组中无电流；Bi为负，BY 绕组中的电流从 Y 流入B1 流出；Ci为正，CZ 绕组中的电流从 C 流入 Z
29、流出；当 t=1200 时，0Bi，BY绕组中无电流；Ai为正，AX 绕组中的电流从 A 流入 X 流出；Ci为负，CZ 绕组中的电流从 Z 流入 C 流出；当 t=2400 时，0Ci，CZ 绕组中无电流；Ai为负，AX 绕组中的电流从 X 流入 A 流出；Bi为正，BY 绕组中的电流从 B 流入 Y 流出；由此可见，当定子绕组中的电流变化一个周期时，合成磁场也按电流的相序方向在空间旋转一周。随着定子绕组中的三相电流不断地作周期性变化，产生的合成磁场也湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）19 不断地旋，因此称为旋转磁场。（二）旋转磁场的方向 旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序
30、决定的，若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调即可。这时，转子的旋转方向也跟着改变。4.2 三相异步电机转矩特性与机械特性 异步电动机的转矩T是由旋转磁场的每极磁通与转子电流I2相互作用而产生的。电磁转矩的大小与转子绕组中的电流I及旋转磁场的强弱有关。经理论证明，它们的关系是：其中：T为电磁转矩；KT为与电机结构有关的常数；为旋转磁场每个极的磁通量；I2为转子绕组电流的有效值；2为转子电流滞后于转子电势的相位角。若考虑电源电压及电机的一些参数与电磁转矩的关系，则：a）sfT （4-3）b)(Tfn （4-4）由上式可知，转矩T还与定子每相电压U1
31、的平方成比例，所以当电源电压有所变动时，对转矩的影响很大。此外，转矩T还受转子电阻R2的影响，如图 4-5所示。图 4-5 三相异步电动机的机械特性曲线 在一定的电源电压U1和转子电阻R2下，电动机的转矩T与转差率n之间的关湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）20 系曲线T=f(s)或转速与转矩的关系曲线n=f(T)，称为电动机的机械特性曲线，如图 4-5 所示。在机械特性曲线上我们要讨论三个转矩：（一）额定转矩NT 额定转矩TN是异步电动机带额定负载时，转轴上的输出转矩。式中P2是电动机轴上输出的机械功率，其单位是瓦特，n的单位是转/分，TN的单位是牛米。当忽略电动机本身机械摩
32、擦转矩T0时，阻转矩近似为负载转矩TL，电动机作等速旋转时，电磁转矩T必与阻转矩TL相等，即T=TL。额定负载时，则有TN=TL。（二）最大转矩Tm Tm又称为临界转矩，是电动机可能产生的最大电磁转矩。它反映了电动机的过载能力。最大转矩的转差率为Sm，此时的Sm叫做临界转差率，最大转矩Tm与额定转矩TN之比称为电动机的过载系数，即=Tm/TN（一般三相异步的过载系数在1.82.2 之间。）在选用电动机时，必须考虑可能出现的最大负载转矩，而后根据所选电动机的过载系数算出电动机的最大转矩，它必须大于最大负载转矩。否则，就是重选电动机。4.3 异步电机原始数学模型 异步电机原始数学模型可由一下四组方
33、程表示：（一）电压方程 三相定子绕组的电压方程：dtdRiudtdRiudtdRiuCCCBBBAAA111 (4-5)三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程：湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）21 dtdRiudtdRiudtdRiucccbbbaaa222 (4-6)将以上电压方程写成矩阵式，并已微分算子 p 代替微分符号 d/dt：cbaCBAcbaCBAcbaCBApiiiiiiRRRRRRuuuuuu111111000000000000000000000000000000 (4-7)（二）磁链方程 由于每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和，六个绕
34、组的磁链可以表示为：cbaCBAcccbcacCcBcAbcbbbabCbBbAacabaaaCaBaACcCbCaCCCBCABcBbBaBCBBABAcAbAaACABAAcbaCBAiiiiiiLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL (4-8)（三）矩阵方程 根据电机能量转换原理，异步电机电磁转矩表达式为：120sin120sinsin1bCaBcAaCcBbAcCbBaAmneiiiiiiiiiiiiiiiiiiLpT(4-9)湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）22（四）运动方程 对于恒转矩负载，机电系统的运动方程为：式中：eTt，Tl
35、电磁转矩，负载转矩；J转动惯量；P电动机极对数。由以上方程可知，异步电机的非线性强耦合主要表现在磁链方程和转矩方程中，既存在定子和转子之间的耦合，也存在三相绕组间的交叉耦合。三相绕组在空间按 120 度分布，必然引起三相绕组间的耦合。由于定子和转子间的相对运动，导致其夹角不断变化，使互感矩阵为非线性。因此，异步电机三相原始数学模型相当复杂，不易求解。为了使三相异步电机具有可控性、客观性，必须对其进行简化，使其成为一个线性、解耦的系统。从对直流电机的分析中发现，如果将交流电机的物理模型等效的变换成类似的直流电机的模型，就可以大大简化分析和控制问题 dtdPJTTnLe(4-10)湖南铁路科技职业
36、技术学院电子电气系毕业设计（论文）23 第五章第五章 PLCPLC 硬件连接及软件编程硬件连接及软件编程 5.1 系统主电路图 PLC 控制图 Q0.6 和 Q0.7 来接入和切除电机的接入变频器的状态如图 5-1 所示 a)b)b)图 5-1 系统主电路图 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）24 5.2 硬件设计 在没有反馈信息的比较，通过直接给定控制信息的控制调速系统称之为开环调速系统。其控制思想的结构框图如图 5-2 和 5-3 所示：图 5-3 开环控制的外部硬件连接 5.3 PLC 软件编程 可编程控制器从其产生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，
37、实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。今天的 PLC 在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅提高，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行各业发挥着越来越大的作用。5.3.1 设计步骤(1)使用 PLC 的各个输入点作为系统的各个控制信号；速度给定 图 5-2 速度开环控制的结构控制 PLC 变频调速系统 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）25(2)使用 PLC 的一个模拟量输出点 AQWO 作为使电机转动的频率给定信号，接到 MM440 变频器的 AIN1+，AIN1-端
38、子上；(3)调节变频器使其输出频率受模拟量输入电压控制；(4)然后编制输出按时间函数循环的梯形图程序；(5)最后调试并运行。5.3.2 程序的主体（1）初始化变量及判断按键和锁定相应的状态位（2）0-25 秒上升子程序（3）25-35 秒平衡子程序（4）35-40 秒下降子程序（5）40-60 秒平衡子程序（6）60-65 秒下降子程序（7）有循环位时启动下一次循环子程序（8）外部电压给定子程序 5.4 控制程序 网络 1 每次按键都复位 LD I0.0 O I0.1 O I0.2 O I0.3 MOVW 0,VW0 AENO MOVW VW0,AQW0 网络 2 每次按键都清除中间状态 LD
39、 I0.0 O I0.1 O I0.2 O I0.3 R M0.0,8 R Q0.0,6 R M1.0,8 R M2.0,8 网络 3 单环电压输出状态锁定 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）26 LD I0.0 O M0.0 AN I0.1 AN I0.2 AN I0.3=M0.0=Q0.0 网络 4 循环电压输出状态锁定 LD I0.1 O M0.1 AN I0.0 AN I0.2 AN I0.3=M0.1=Q0.1 网络 5 切断所有状态 LD I0.2 O M0.2 O M1.6 AN I0.1 AN I0.0 AN I0.3=M0.2 网络 6 外部电压输出状态锁定
40、LD I0.3 O M0.3 AN I0.1 AN I0.2 AN I0.0=M0.3=Q0.2 网络 7 单环或循环电压上升锁定 LD I0.0 O I0.1 O M1.6 AN M2.0 AN M2.1 AN M2.2=M0.5 网络 8 单环或循环电压平衡锁定 LD M0.5 O M2.0 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）27 LD M0.0 O M0.1 ALD AN M1.7 AN M0.6 AN M0.7=M2.0=Q0.3 网络 9 单环或循环电压下降锁定 LD M0.6 O M2.1 /M0.6 和 M2.1 同时触发电路 LDN M2.6 /M2.6 用于空
41、闲保持电路 A M2.7 OLD LD M0.0 O M0.1 /程序工作条件 ALD AN M2.6 AN M1.7 AN M0.5 AN M0.7 /程序动作的互锁以及用于切除程序工作=M2.1=Q0.4 /驱动状态显示 网络 10 LD M0.7 O M2.2 O M2.6 /M0.7，M02.2 M2.6 用于触发和锁定程序工作。LD M0.0 O M0.1 /程序工作的条件（在 M0.0 或 M0.1 有效的情况下工作）ALD AN M0.6 AN M1.7 AN M2.7 AN M0.5 /程序动作的互锁以及用于切除程序工作=M2.2=Q0.5 /驱动状态显示 网络 11 LD M
42、0.0 O M0.1 AN M1.0 TON T32,1 网络 12 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）28 LD M0.0 O M0.1 A T32=M1.0 /网络 11 和网络 12 程序内部的电压上升频率的设定 网络 13 LD M0.0 O M0.1 /程序工作条件（电压单环或电压循环输出）A M2.0 /程序工作条件（在电压上升时刻）A M1.0 /引入电压动作频率+I 20,VW0 /电压上升每次改变 20 数字量 AENO /上一步执行正确做下一步 MOVW VW0,AQW0/将电压送给模拟输出口 网络 14 LD M0.0 O M0.1 /程序工作条件（电压单
43、环或电压循环输出）A M2.0 /程序工作条件（在电压上升时刻）AW=VW0,23000 /将现在的电压值和设定值比较当电压值大于设定是动作=M0.6=M3.7=M2.4 /输出各个控制量 网络 15/第一次电压平衡工作副状态锁定 LD M2.4 O M3.1 AN M3.4=M3.1 /第一次电压平衡工作副状态锁定 网络 16/电压平衡时间定时 LD M0.0 O M0.1 A M2.1 A M3.1 TON T38,70 网络 17 定时时间到后输出各个控制状态 LD M0.0 O M0.1 A T38=M0.7=M3.4 网络 18 切除电压平衡副状态锁定第一次电压下降副装态 LD M3
44、.4 O M3.2 AN M3.6 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）29=M3.2 网络 19 第一次电压下降 LD M0.0 O M0.1 A M2.2 A M1.0 A M3.2 /程序工作条件-I 20,VW0 AENO /电压下降幅度 MOVW VW0,AQW0 /电压及时的送给模拟输出端口 网络 20 电压比较 LD M0.0 O M0.1 AN M2.6 A M2.2 A M3.2 程序工作条件 AW VW0,7750 /电压最低值比较=M2.7=M3.6=M2.5 /状态输出 网络 21 切除电压下降副状态锁定第二次电压平衡副装态 LD M2.5 O M3.0
45、AN M3.5=M3.0 网络 22 电压平衡定时 LD M0.0 O M0.1 A M2.1 A M3.0 TON T39,70 网络 23 定时时间到后输出各个控制状态 LD M0.0 O M0.1 A M2.1 A T39=M2.6=M3.5./用于启动负状态锁定 网络 24 切除电压平衡副状态锁定第二次电压下降副装态 LD M3.5 O M3.3 AN M2.4 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）30=M3.3 网络 25 ，电压下降幅度控制 LD M0.0 O M0.1 A M2.2 A M3.3 A M1.0 /程序工作条件-I 10,VW0 AENO /电压下降幅
46、度 MOVW VW0,AQW0 /电压及时送给模拟输出端口 网络 26 /电压比较 LD M0.0 O M0.1 A M2.2 A M3.3 AW VW0,0 /电压与 0 比较输出状态=M1.7 /用于切断电压单环工作的各个状态，用于启动电压循环工作的下一次循环 网络 27 LD M1.7 O M1.6 A M0.1 AN M0.5=M1.6 /启动二次循环的条件 网络 28 LD M0.3 A SM0.6 /数据传送频率 MOVW AIW0,AQW0 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）31 第六第六章章 调试过程及结果调试过程及结果 6.1 调试过程 1)先将 PLC 程序
47、传入 S7PLC 中，连接外部连线和按键以及各个状态指示灯。2)按下启动按钮，然后用万用表测模拟量 I/0 模块的两点间的电压，看是否按照规定曲线运行，如果运行正确则证明 PLC 部分调试成功。3)在各个时刻切换各种状态观察状态指示灯以及电压输出情况。6.2 调试结果 系统按照给定的时间函数连续循环运行，如图 6-1 所示，由此说明系统设计合理可靠，此设计完全符合设计要求。图 6-1 调试结果 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）32 结论结论 通过本次课程设计，对 S7-200 系列 PLC 的特点有了更深的理解。利用了S7-200 系列 PLC 的特点，对按钮、开关等输入/输
48、出，模拟量输入/输出进行控制，实现了变频器在控制作用下的变频调速。在本次课程设计的实践环节中，我更深刻地理解和掌握了电器控制及可编程控制器(PLC)的理论知识和动手技能。参阅了大量的电器控制及可编程控制器(PLC)系统设计的书籍资料，查询了大量的图表、程序和数据，使得课程设计的方案和数据更为翔实和准确，力求科学严谨，使本次以变频器为主题的课程设计精益求精。经历自己设计实验和查阅资料，让我了解了更多关于西门子 S7-200 和变频器方面的资料，让我了解了大概的选型和注意事项，并自己动手实验，参照一些编程试着去编一个程序，资料上查到的是欧姆龙或者是三菱的编程语句，但是通过他们的编程思路，我们可以借
49、鉴到自己的 S7-200 程序中，编程序的过程中遇到了很多问题，通过不断的问同学，反复的思考，调试，终于编出了调用子程序来达到控制的目的，此次课程设计让我收获颇多，在这个课程设计的过程中，既让我与同学加深了沟通，又让我学到关于西门子的一些知识，我知道这知识很少的一点，但我会在以后的学习中了解。湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）33 致致 谢谢 在论文的写作中在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要感谢我的论文指导老师蒋蓬灵老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进，另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给
50、我提供了很多方面的支持和帮助。在此向帮助和指导过我的老师表示感谢！感谢这篇论文中所涉及到的各位学者，本文引用了各位学者的研究的文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本片文章的写作。感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我很多问题素材，还在论文的撰写和排版的过程中提供热情帮助。由于我的学术水平有限，所以写论文难免有不足之处，恳请各位老师和同学批评和指正！湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）34 参考文献参考文献 1 徐德,孙同景 可编程控制器PLC应用技术M 济南:山东科学技术出版,2010,87101 2王永华.现代电气控制及 PLC 应用技术M.北京：空