1绪论
1.1研究背景及意义
电气传动技术以运动机械的驱动装置－电动机为控制对象，以微电子装置为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下完成电气传动自动控制系统，控制电动机的转矩和转速，将电能转换成机械能，十几项工作机械的旋转运动或反复运动。
因电机的种类的不同，我们可以分为直流电机转动和交流电机转动。自19世纪80年代起至19世纪末，工业上传动用的电动机一直被滞留电机垄断，到了19世纪末，出线了三相电源和结构简单且坚固耐用的交流鼠笼型电机以后，交流电机才在不调速的领域代替了直流电动机传动装置。随着生产的不断发展，速度可调节成了电动装置的一项基本要求。并且，除了满足一定的调速范围和连续可调的同时，还必须具有次序的稳定性和良好的瞬态性能。从50年代起，国外开始重视交流电机调速。随着电力电子学与电子技术的发展，使得采用半导体交流调速系统得以实现，尤其是70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，为交流电机拖动系统的发展创造了有利条件，促进了各种各类的交流电机调速系统，如攒机调速系统、变频调速系统、无换向器电动机调速系统以及大量控制调速系统等的飞速发展。
变频调速系统具有高效率、宽范围和高精度的办公特点，是运用最广、最有发展前途的调速方式。交流电机变频系统的种类很多，从50年代提出的电压源型变频器开始，后继发展了电流源型、脉宽调制型等各种变频器。目前变频调速的主要方案有：交–交变频调速、交–直变频调速、同步电动机自控式变频调速系统、正弦波脉宽调制（SPWM）、矢量控制、直接转矩控制变频调速等，而且无速度传感技术日益成熟，许多智能技术逐步渗透到其中，如模糊控制、专家系统、神经网络、自适应控制等，与这些控制方式相结合，大大提高了变频器调速系统的控制效果。变频器调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平以及电力电子技术的发展水平。随着第三代电力半导体器件如门极可关断晶体管GTO、绝缘栅双极晶体GBT的相继出现，交流变频调速技术射到了飞速发展。
1.2 课题研究概述
针对生产需求的不断提高，职业院校相继开设了《可编程控制器原理与应用》、《变频器原理及应用》、《传感器技术》等相关课程，以适应现代生产发展的需要，但每门课程一般只有针对自己课程特点开设的相关小实验，涉及面窄，通用性差，无法满足现代生产环境对综合性人才的需求。本实验系统将PLC、变频器、传感器、触摸屏结合在一起，构建一个PLC控制电机变频调速试验系统，力争模拟现代生产环境。将尽可能多的生产技术、生产器件进行结合，力争能够为企业输送具备一定应用、设计能力的多方位人才。
由于PLC的功能强大、容易使用、可靠性高，常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。组态软件技术作为用户可定制功能的软件平台工具，可以在PC机上开发出友好人机界面，实现实时显示电机转速。通过PLC可以对自动化设备进行“智能”控制。所以拟采用组态软件技术、PLC技术、变频调速技术来实现系统设计要求。
1.3相关技术简介
1.3．1交流调速
交流变频调速的优越性早在20年代就已被人们说认识，但受到器件的限制，未能推广。到了50年代初，中小型感应电动机多采用晶闸管调压调速，大中型绕线式感应电动机采用晶闸管静止型电气串级调速系统。70年代发展起来的交频调速，比以上两种调速方式效率更高，性能更好。该实验中运用现在正常使用的变频器来实现的。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
1.3．2组态软件
计算机技术的发展，使设计更加完善的控制系统和获得更方便、可靠、快速的控制过程成为可能。工程技术人员对传统的仪表控制方式很熟悉，但往往缺乏专业的计算机知识，而专业的计算机技术人员有往往缺乏实际的控制实验。计算机与控制之间就存在着一个巨大的障碍，而组态软件则成为逾越者乙障碍的桥梁，使技术人员能够用最简单的方法功法随心所欲地组成自己的控制系统。
组态的概念追债来自英文Configuration，含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到计算机或软件按照预先设置自动完成特定任
务，道出使用者要求的目的。组态软件是面向监控与数据采集（Super–vison Control And Date Aequisition,SCADA）的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方便灵活，功能强大。组态软件最早出现时，HM或MMI是其主要内涵，即解决人机图形界面问题。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通信及联网、开放数据接口、对I/O设备的支持已经成为其主要设备。组态软件具有实时多任务、使用灵活、功能多样、运行可靠等特点。
目前，国内外市场能提供的组态软件主要分为两类：一类是由国外厂商设计提供的组态软件，例如FIX、In touch、WinCC、Lab VIEW等；另一类是由国内厂商提供的组态软件，例如力控、组态王、MCGS等。虽然前者较后者功能强大，但人机交互不符合中国国情，且价格是后者价格的10被甚至于几十倍，因此通常仅用于较大规模的工程项目中。而对于市场份额较多的中小规模工程项目，使用国内开发的组态软件是比较经济的选择。
1.3．3 PLC技术
可编程控制器（以下简称PLC）是一种取代继电器盘的控制装置，在保留了继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代生产线所要求的时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口、威胁方面等诸多高品质与功能。PLC在各个工业部门如汽车制造、食品、金属盒制造得到广泛应用。由于大规模集成电路的出现，是8位微处理器和位片处理器相继问世，使可编程控制技术产生了飞跃。在逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算。闭环控制，提高了运算速度，夸大了输入输出规模。由于超大规模集成电路的出现，使PLC向大规模、高速性能方向发展，形成了多种系列产品。这是面向工程技术人员的编程语言发展成熟，出现了工艺人员使用的程序，在功能上PLC可以代替某些模拟控制装置和小型的DDC系统。
2 PLC控制电机变频调速实验系统
2.1 PLC控制电机变频调速系统构成
PLC控制电机变频调速系统由S7–200 PLC（CPU224）、变频器、电机及电机测速系统、触摸屏等组成，其原理框图如图2-1所示。需使用的实验设备有：S7–200PLC一台，EM235模拟量扩展模块（4输入1输出）一块，PC/PPL编程电缆一根，模拟输入开关一套，触摸屏一只以及电机一台。PLC控制电机变频调速试验系统总图如图2-2所示。图中表明了控制系统中变频器与各部分的组成和连接。
图2-1PLC控制变频调速系统原理框图
图2-2PLC控制电机变频调速试验系统总图
2.2变频器的工作原理、设计及工作方式
2.2．1变频器的工作原理
现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
我们知道，交流电动机的同步转速表达式位：
n＝60 f(1－s)/p (1)
式中 n———异步电动机的转速；
f———异步电动机的频率；
s———电动机转差率；
p———电动机极对数。
由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
2.2．2变频器的设计
变频器选型时要确定以下几点：
1）采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。
2）变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。
3）变频器与负载的匹配问题；
I．电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。
II．电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。
III．转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。
4）在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。
5）变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。
6）对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。
变频器的运行和相关参数的设置：
变频器的设定参数多，每个参数均有一定的选择范围，使用中常常遇到因个
别参数设置不当，导致变频器不能正常工作的现象。
控制方式：即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。
最低运行频率：即电机运行的最小转速，电机在低转速下运行时，其散热性能很差，电机长时间运行在低转速下，会导致电机烧毁。而且低速时，其电缆中的电流也会增大，也会导致电缆发热。
最高运行频率：一般的变频器最大频率到60Hz，有的甚至到400 Hz，高频率将使电机高速运转，这对普通电机来说，其轴承不能长时间的超额定转速运行，电机的转子是否能承受这样的离心力。
载波频率：载波频率设置的越高其高次谐波分量越大，这和电缆的长度，电机发热，电缆发热变频器发热等因素是密切相关的。
电机参数：变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。
跳频：在某个频率点上，有可能会发生共振现象，特别在整个装置比较高时；在控制压缩机时，要避免压缩机的喘振点。
本实验使用的是施耐德ATV12系列的小型变频器，面板接线端子如下图所示，实验条件原因实验采用的是单相电源供电。
变频器接线图
各接线端子说明
显示屏及按键的功能指示
设计程序如下：
CONF----------------BFR--------------50 最高频率CONF-----------------ACC-------------60 加速时间CONF----------------DEC--------------40 减速时间CONF------FULL------IO------TCC-----3C 三线制控制CONF------FULL------IO------RI------RUN 运行指示CONF------FULL------FUN-----RRS-----L3H 反转
CONF-----FULL-----FUN----RPT---RPS---L3H 端子控制
CONF-----FULL-----FUN----RPT---AC2---60 加速时间
CONF-----FULL-----FUN----RPT---DE2---40 减速时间
2.2．3变频器控制方式
低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交—直—交电路。其控制方式经历了以下四代。1） U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式
其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，但是这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。
2）电压空间矢量（SVPWM）控制方式
它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。3）矢量控制（VC）方式
矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
4）直接转矩控制（DTC）方式
直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
5）矩阵式交—交控制方式
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是：
——控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；
——自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；
——算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；
——实现Band—Band控制按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。
矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应（<2ms），很高的速度精度（±2％，无PG反馈），高转矩精度（<＋3％）；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150％～200％转矩。
2.3电机变频调速控制实验系统要求
通过PLC控制变频器，使三相异步电机按图2-3所示的曲线运行，并可通过触摸屏远程控制电机的启动、停止，可对电机启动时间、减速时间设定调整，同时要求通过触摸屏实时显示数字电机转速、频率、实时显示转速波形。电机运行可分为三个部分（见图2-3）：第一部分要求电机启动后转速在60s内从0线性增加到1168r/min:第二部分是进入恒转速运行阶段，运行时间为180s，转速仍为1168r/min:地三部分是当恒速到了规定时间进入减速阶段，电机转速要求在40s内降到0。
图2-3 异步电动机运行曲线图
2.4电机变频调速实验系统控制方案
电机在加速和减速阶段采用开环控制，在恒速阶段采用闭环控制，且为防止试验中出现超调或失控现象，系统具有限幅措施。
在恒速阶段的闭环控制采用PLC内部PD调节指令。设е（ｔ）为PD控制器的输入,υ(t)为PD控制器的输出，则可表示成连续形式：
2-1
2-2
试中：Ti,Td—分别为积分和微积分时间常数
Kp,Ki,Kd—分别为比例系数、积分系数、微分系数
在PLC控制系统中使用的是PD数字调节器，需对试（2-1）进行离散化处理。设T为采样周期e(k),u(k)分别为第k次采样的输入与输出，则根据试（2-1），用矩形积分法并用差分代替微分计算u(k)得：
2-3
2-4
式（2-3）称为位置式PD控制算法。
用PLC对（2-3）编程可计算出u(k),经EM235模拟量模块转换为1~20mA的电流信号，经AQ0口输出给变频器。作为变频器的输入电流信号，该电流信号控制着变频器的频率输出。变频器输出频率的改变使电机转速得到改变。电机实际转速经电机转速测速系统转变为直流0~10V的电压信号反馈给PLC。作为PLC的模拟量输入信号，该电压值再转化为数字量与给定值（spn）比较后作为PD控制器的输入值e(t)。对于反馈的电压信号，由于转速的不稳定，会出现反馈信号的波动性，可采用采集若干个量取平均值的方法使信号稳定，亦可以根据数据值15位而EM235的分辨率为12位的特点去掉3位数据的办法求得稳定。
3 硬件设计及信号转换
3.1 I/O点数统计及I/O接线图
根据控制系统需求选用西门子S7-200PLC,统计共有开关量输入信号6点、输出信号5点，地址分配表如图3-1所示：模拟量输入信号输入信号地址为A WO,输出信号地址为A WO：根据输入、输出信号，可设计出PLC开关量输入、输出端子接线图如图3-2所示。
图3-1开关量输入输出点地址分配表
图3-2开关量输入输出接线图
3.2数据分析与信号转换
在电机变频调速控制系统中，变频器的输入信号饮食4—20mA的电流信号，而PLC的模拟量输出范围是0—20mA。0—20mA的模拟量对应的PLC内部数字量是0—32768所以需要进行数据分析与转换。具体转换示意图如图3-3所示。图5（b）中4mA对应的数字量是6554，变频器输出0Hz对应的电流信号为4mA。所以第一部分加速器阶段，要将频率设定电流信号从4mA增加到16.8mA。编程时可以再6554刻度值的基础上均匀的间隔一定时间逐步加刻度值到20972（如果间隔时间为0.1s，则35*600=21000）。这里要注意的是判断转速是否增加到1168r/min的比较值是专属测量电压信号刻度值。照此法，同理可得到第三阶段江苏部分输出的控制方法。
图3-3数据转换示意图
4 PLC软件设计
4.1 PLC概述
可编程程序控制器（Programmable Controller）是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种专为在工业环境下应用而设计的计算机控制系统。它采用可编程序的存储器，能够执行逻辑控制、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作功能，并通开关量、模拟量的输入和输出完成各种机械或生产过程的控制。它具有丰富的输入、输出接口，并且具有较强的驱动能力，其硬件需根据实际需要选配，软件则需根据控制要求进行设计。
4.2 PLC组成及各部分的作用
PLC的硬件系统有基本单元、I/O扩展单元及外部设备组成。图4-1所示为PLC的硬件系统结构框图。
1. 微处理器（CPU）
与通用计算机一样，CPU是PLC的核心部件，在PLC系统中的作用类似于人体的神经中枢，整个PLC的工作过程都是在CPU的统一指挥下合协调下进行的。它的主要功能有以下几点：
1.接受从编程输入的用户程序和数据，送入存储器存储；
2.用扫描方式接受输入设备的状态信号，并存入相应的数据区（输入映像寄
存器）；
3.监测和诊断电源、PLC内部电路工作状态和用户程序编程过程的语法错
误；
4.执行用户程序，完成各种数据的运算、传递和存储等功能；
5.根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器表的内
容，以实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。
PLC常用的CPU有通用微处理器、单片机和位片式微处理器。通常微处理器常用的是8位机和16位机，如8080、8086、M68000、80286和80386等。单片机常用的有8031、8051和8096等。位片式微处理器常用的有AMD2901、AMD2903等。
2. 存储器
PLC配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。系统存储器存放系统程序，用户存储器用来存放用户编制的控制程序。
CMOS RAM是一种可以进行读写操作的随机存储器，存放在其中的用户程序可方便的进行修改，它的一种高密度、低功耗、间隔便宜的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源，一旦失电，即可用锂电池供电，以保持RAM中的内容。锂电池的使用寿命一般为5—10年，若经常带负载可维持2—5年。
EPROM、EEPROM都是制度存储器，常用来存放系统程序和需要保存的用户程序。EPROM称为可擦除的可编程制度存储器，在紫外线连续照射20min后，就可将EPROM中的内容消除，加高电平（12.5V或24V），可把程序写入到EPROM中。EEPROM称作电可擦除的课编程只读存储器，除可用子危险擦除外，还可用电擦除，是近年来广泛使用的一种只读存储器，它不需要专用写入器面只需用编程器就能方便地对所存储的内容实现“在线修改”，所以写入的数据内容在彻底断电的情况下白痴不变。
3. 输入/输出（I/O）部件
如图4-1所示的输入部件和输出部件也称为输入/输出电源或输入/输出模块。实际生产过程中产生的输入信号多种多样，信号电平各不相同，面PLC所
能处理的幸福智能是标准电平，因此必须通过输入模块将这些信号转换成CPU 能够接受和处理的标准电平。同样，外部执行元件如电磁网、接触器、继电器等所需的控制信号电平也千差万别，亦必须通过输出模块将CPU输出的标准电平信号转换成这些执行元件所能接受控制的信号，所以，输入/输出模块实际上时CPU与现场输入输出设备之间的连接部件，起着PLC与被控制对象间传递输入输出信息的作用。
PLC输入/输出模块的电路框图如图4-2所示。
为提高抗干扰能力，一般的输入/输出模块都有光电隔离装置。在数字量I/O 模块中广泛采用由发光二极管和光电三极管组成的光电耦合器，在模拟量I/O模块中通常采用隔离放大器。
来自工业生产现场的输入信号经输入模块进入PLC。这些信号有的是数字量，有的是模拟量；有的是直流信号，有的是交流信号。使用时要根据输入信号的类型选择合适的输入模块。
由于PLC生产的输出控制信号经过输出模块去驱动负载，如电动机的起停和正反转、阀门的开闭、设备的移动、升降等。和输入模块相同，与输出模块相接的负载所需的控制信号有的是数字量，有的是模拟量；有的是交流，有的是直
流。因此，同样需要根据负载性质选择合适的输出模块。
PLC具有多种I/O模块，常见的有数字量I/O模块和模拟量I/O模块，以及快速响应模块、高速计数模块、通信接口模块、中断控制模块、PID控制模块和位置控制模块等种类繁多、功能各异的专用I/O模块和智能I/O模块。I/O模块的类型、品种与规格越多，PLC系统的灵活性越好，I/O模块的I/O容量越大，PLC系统的适应性越强。
4. 电源部件
PLC配有开关式稳压电源的电源模块，用来将外部电压转换成供PLC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需的直流电源。PLC的电源部件由很好的稳压措施，因此对外部电源的稳定性要求不高，一般允许外部电源的额定值在+10%—-15%的范围内波动。小型PLC的电源往往和CPU单元合为一体，大中型PLC都有专用电源部件。
有些PLC的电源部件还能向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感器供电，避免由于外部电源污染或不合格电源引起的事故。为防止外部电源发生故障的情况下，PLC内部程序和数据等重要信息的丢失，PLC还带有锂电池作为后备电源。
5. 编程器
编程器是PLC的最重要的外围设备，也是PLC不可缺少的一部分。它不仅可以写入用户程序，还可以对用户程序进行检查、修改和调试，以及在线监视PLC 的工作状态。它通过接口与CPU联系，完成人机对话。
编程器一般分为简易编程和图形编程器两类。简易编程器功能较少，一般只能用语句表形式进行编程，通常需要联机工作。简易编程器使用时直接与plc 的专用插座连接，由PLC提供电源。它体积小，重量轻，便于携带，适应小型PLC啊覅用。图形编程器可以用指令语句进行编程，由可以用梯形图编程；即可联机编程又可脱机编程，操作方便，功能强，由液晶显示的便携式和阴极射线式两种。图形编程还可以与打印机、绘图仪等设备连接，但价格相对夹较高。通常大中型PLC多采用图形编程器。
目前。很多PLC都可以利用微型计算机作为编程工具，只要配上相应的硬件接口和软件包，就可以用包括梯形图在内的多种编程语言进行编程。
6．其他外部设备。
外部存储器
外部存储器是至磁带或磁盘，工作时可将用户程序或数据存储在盒式录音机的磁带上或磁盘驱动器的磁盘中，作为程序备份。但PLC内存中的程序被破坏或丢失时，可见外存中的程序重新装入。
EPROM写入器
EPROM写入器用于将用户程序写入EPROM中，同一PLC系统的各种不同应用场合的用户程序可分别写入不同的EPROM中去，当系统的应用场合发生改变时，只需更换相应的EPROM芯片即可。
7. I/O扩展单元
I/O扩展单元用来扩展输入、输出点数。当用户所需的输入、输出点数超过PLC基本单元的输入、输出点数时，就需要加上I/O扩展单元来扩展，以适应控制系统的要求。
根据实验要求，我们使用的PLC是S7-200 Micro PLC包括一个单独的S7-200 CPU和可选扩展模块。它可以应用与各种自动化系统，结构紧凑，设计小巧、指令执行快速。
S7-200 PLC模块包括一个中央处理单元（CPU）、电源以及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。
·CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动化控制任务或过程进行控制。·输入和输出是系统的控制点：输入部分从现场设备（例如传感器或开关）中采集信号，输出部分则控制电机以及工业过程中的其它设备。
·电源向CPU及其所连接的任何模块提供电力。
·通讯端口允许将S7-200 CPU同编码器或其它一些设备连接起来。
·状态信号灯显示了CPU的工作模式（运行或停止），本机I/O的当前状态，以及检查出的系统错误。
·通过扩展模块可增加CPU的I/O（CPU221不可扩展）。
·通过扩展模块可提供其通讯性能。
·一些CPU具有内置的实时时钟，其它CPU则需要实时时钟卡。
1、主程序先正转，等到正转完了就中断，中断中接通个辅助触点（），当闭合，住程序中的反转开始运做。这样子就OK了。 2、用PTO指令让OR 高速脉冲，另一个点如做方向信号，就可以控制正反转了，速度快慢就要控制输出脉冲周期了，周期越短速度越快，如果你速度很快的话请考虑缓慢加速，不然它是启动不了的，如果方向也变的快的话就要还做一个缓慢减速，不然它振动会蛮厉害，而且也会失步。 3、程NETWORK 1 // 用于单段脉冲串操作的主程序（PTO） // 首次扫描时，将映像寄存器位设为低 // 并调用子程序0 LD R 1 CALL SBR_0 NETWORK 1 // 子程序0开始 LD MOVB 16#8D SMB67 // 设置控制字节： // - 选择PTO操作 // - 选择单段操作 // - 选择毫秒增加 // - 设置脉冲计数和周期数值 // - 启用PTO功能 MOVW +500 SMW68 // 将周期设为500毫秒。 MOVD +4 SMD72 // 将脉冲计数设为4次脉冲。 ATCH INT_0 19 // 将中断例行程序0定义为 // 处理PTO完成中断的中断。 ENI // 全局中断启用
PLS 0 // 激活PTO操作，PLS0 =》 MOVB 16#89 SMB67 // 预载控制字节，用于随后的 // 周期改动。 NETWORK 1 // 中断0开始 // 如果当前周期为500毫秒： // 将周期设为1000毫秒，并生成4次脉冲 LDW= SMW68 +500 MOVW +1000 SMW68 PLS 0 CRETI NETWORK 2 // 如果当前周期为1000毫秒： // 将周期设为500毫秒，并生成4次脉冲 LDW= SMW68 +1000 MOVW +500 SMW68 PLS 0序注释 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解相关PLC产品的选型，报价，采购，参数，图片，批发等信息，请关注艾驰商城。
PLC控制步进电机的实例(图与程序) ·采用绝对位置控制指令(DRVA)，大致阐述FX1S控制步进电机的方法。由于水平有限，本实例采用非专业述语论述，请勿引用。 ·FX系列PLC单元能同时输出两组100KHZ脉冲，是低成本控制伺服与步进电机的较好选择！ ·PLS+，PLS-为步进驱动器的脉冲信号端子，DIR+，DIR-为步进驱动器的方向信号端子。 ·所谓绝对位置控制(DRVA),就是指定要走到距离原点的位置，原点位置数据存放于32位寄存器D8140里。当机械位于我们设定的原点位置时用程序把D8140的值清零，也就确定了原点的位置。 ·实例动作方式：X0闭合动作到A点停止，X1闭合动作到B点停止，接线图与动作位置示例如左图(距离用脉冲数表示)。 ·程序如下图：(此程序只为说明用，实用需改善。) ·说明： ·在原点时将D8140的值清零(本程序中没有做此功能) ·32位寄存器D8140是存放Y0的输出脉冲数，正转时增加，反转时减少。当正转动作到A点时，D8140的值是3000。此时闭合X1，机械反转动作到B点，也就是-3000的位置。D8140的值就是-3000。 ·当机械从A点向B点动作过程中，X1断开(如在C点断开)则D8140的值就是200，此时再闭合X0，机械正转动作到A点停止。 ·当机械停在A点时，再闭合X0，因为机械已经在距离原点3000的位置上，故而机械没有动作！
·把程序中的绝对位置指令(DRVA)换成相对位置指令(DRVI)： ·当机械在B点时(假设此时D8140的值是-3000)闭合X0，则机械正转3000个脉冲停止，也就是停在了原点。D8140的值为0 ·当机械在B点时(假设此时D8140的值是-3000)闭合X1，则机械反转3000个脉冲停止，也就是停在了左边距离B点3000的位置(图中未画出)，D8140的值为-6000。 ·一般两相步进电机驱动器端子示意图： ·FREE+，FREE-：脱机信号，步进电机的没有脉冲信号输入时具有自锁功能，也就是锁住转子不动。而当有脱机信号时解除自锁功能，转子处于自由状态并且不响应步进脉冲。 ·V+，GND：为驱动器直流电源端子，也有交流供电类型。 ·A+，A-，B+，B-分别接步进电机的两相线圈。
目录 目录 (1) 第一章系统的功能设计分析和总体思路 (2) 1.1 概述 (2) 1.2 系统功能设计分析 (3) 1.3 系统设计的总体思路 (3) 第二章PLC和变频器的型号选择 (4) 2.1 PLC的型号选择 (4) 2.2 变频器的选择和参数设置 (5) 2.2.1 变频器的选择 (5) 2.2.2 变频调速原理 (6) 2.2.3 变频器的工作原理 (6) 2.2.4 变频器的快速设置 (7) 第三章硬件设计以及PLC编程 (9) 3.1 开环控制设计及PLC编程 (9) 3.1.1 硬件设计 (9) 3.1.2 PLC软件编程 (10) 3.2 闭环控制设计 (14) 3.2.1 硬件和速度反馈设计 (14) 3.2.3 闭环的程序设计以及源程序 (16) 第四章实验调试和数据分析 (21) 4.1 PID 参数整定 (21) 4.2 运行结果 (22) 第五章总结和体会 (22) 第六章附录 (24) 6.1 变频器内部原理框图 (24) 第七章参考文献 (25)
第一章系统的功能设计分析和总体思路 1.1 概述 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用场合选择不同类型的变频器。 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，
plc控制变频器调速 苏州市职业大学 课程设计任务书 课程名称: PLC应用技术起讫时间: 2011年6月20日至24日院系: 电子信息工程系班级: 09电气(4) 姓名: 王田兵 指导教师: 丁金林系主任: 张红兵 第一章绪论 1.1 PLC的发展与应用 可编程控制器(PLC)是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发出来的，现已广泛应用于工业控制的各个领域。它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。 如今，PLC在我国各个工业领域中的应用越来越广泛。在就业竞争日益激烈的今天，掌握PLC设计和应用是从事工业控制研发技术人员必须掌握的一门专业技术。 任何生产机械电气控制系统的设计，都包括两个基本方面:一个是满足生产机械和工艺的各种控制要求，另一个是满足电气控制系统本身的制造、使用以及维修的需要。因此，电气控制系统设计包括原理设计和工艺设计两个方面。前者决定一台设备使用效能和自动化程度，即决定着生产机械设备的先进性、合理性，而后者决定着电气控制设备生产可行性、经济性、外观和维修等方面的性能。 在现代控制设备中，机-电、液-电、气-电配合得越来越密切，虽然生产机械的种类繁多，其电气控制设备也各不相同，但电气控制系统的设计原则和设计方法基本相同。
在最大限度满足生产设备和生产工艺对电气控制系统要求的前提下，力求运行安全、可靠，动作准确，结果简单、经济，电动机及电气元件选用合理，操作、安装、调试和维修方便。 要完成好电气控制系统的设计系统，除要求我们掌握必要的电气设计基础知识外，还要求我们必须经过反复实践，深入生产现场，将我们所学的理论知识和积累的经验技术应用到设计中来。本次课程设计正是本着这一目的而着手实施的实践性环节，它是一项初步的模拟工程训练。通过这次课程设计，我感到更深地了解一般电气控制系统的设计要求、设计内容和设计方法。 1.2 PLC的特点 PLC是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。 1. 可靠性高，抗干扰能力强 为了限制故障的发生或者在发生故障时，能很快查出故障发生点，并将故障限制在局部，采取了多种措施，使PC除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运行等待修复外，还使PC具有了很强的抗干扰能力。 2. 通用性强，控制程序可变，使用方便 PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。 3. 功能强，适应面广 现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。 4. 编程简单，容易掌握
PLC控制变频器转速 2008-09-09 3:19 本文以三菱PLC为例介绍了模拟量控制，并结合变频调速基本原理及特点，重点阐述了如何通过PLC模拟量控制来实现对变频器的速度调节。 1、引言 近年来可编程序控制器(PLC)以及变频调速技术日益发展，性能价格比日益提高，并在机械、冶金、制造、化工、纺织等领域得以普及和应用。为满足温度、速度、流量等工艺变量的控制要求，常常要对这些模拟量进行控制，PLC模拟量控制模块的使用也日益广泛。 通常情况下，变频器的速度调节可采用键盘调节或电位器调节方式，但是，在速度要求根据工艺而变化时，仅利用上述两种方式则不能满足生产控制要求，因此，我们须利用PLC灵活编程及控制的功能，实现速度因工艺而变化，从而保证产品的合格率。 2、变频器简介 交流电动机的转速n公式为： 式中: f—频率; p—极对数; s—转差率(0～3%或0～6%)。 由转速公式可见，改变三相异步电动机电源频率，可以改变旋转磁通势的同步转速，达到调速的目的。额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调(恒功率调速)，也可以从基频向下调(恒转距调速)。因此变频调速方式，比改变极对数p和转差率s两个参数简单得多。同时还具有很好的性价比、操作方便、机械特性较硬、静差率小、转速稳定性好、调速范围广等优点，因此变频调速方式拥有广阔的发展前景。 3、PLC模拟量控制在变频调速的应用 PLC包括许多的特殊功能模块，而模拟量模块则是其中的一种。它包括数模转换模块和模数转换模块。例如数模转换模块可将一定的数字量转换成对应的模拟量(电压或电流)输出，这种转换具有较高的精度。
在设计一个控制系统或对一个已有的设备进行改造时，常常会需要对电机的速度进行控制，利用PLC的模拟量控制模块的输出来对变频器实现速度控制则是一个经济而又简便的方法。 下面以三菱FX2N系列PLC为例进行说明。同时选择FX2N-2DA模拟量模块作为对变频器进行速度控制的控制信号输出。如图1所示，控制系统采用具有两路模拟量输出的模块对两个变频器进行速度控制。、 图1 对变频器进行速度控制的信号输出 图2为变频器的控制及动力部分，这里的变频器采用三菱S540型，PLC的模拟量速度控制信号由变频器的端子2、5输入。
变频调速系统PLC控制 1 变频调速系统PLC控制设计 1.1 设计目的 通过变频调速系统PLC控制的设计，对专业知识进行巩固，并熟悉掌握组态软件的使用。在完成课程学习的同时实际动手设计，通过理论和实践相结合，把专业的理论知识应用到实际设计中，既能对所学知识加深理解，又能对专业知识的应用有更深刻的熟悉和掌握，从而将变频调速系统PLC的相关知识理解的更扎实透彻，完整掌握PLC的相关内容。 1.2 设计概要 1.2.1 设计任务 完成一个由组态软件为上位机控制，PLC为下位机控制，变频器、异步电动机组成的变频调速控制系统的设计，并完成组态控制界面的设计，控制梯形图以及PLC接线图。利用实验装置实现上下位机的联通，完成PLC端子、变频器以及异步电动机的接线，然后利用PC 机输入梯形图控制程序，并在实验室内进行调试。 1.2.2 控制系统的要求 PLC、变频器以及异步电动机共同组成了控制系统。其中可编程控制器（PLC）的作用是处理各种信息的逻辑问题，并向变频器发出起、停等指令，同时变频器也会将工作状态信号反馈回PLC，形成双向联通的关系，这是此系统的核心部分。变频器能对电机进行调速控制。按下启动键，可选择工频或变频控制，能完成自动控制和手动控制之间的转换，即自动转换和手动输入，同时实现高、低速的转换。 1.2.3 设计过程 调速系统由PLC控制变频器，同时由变频器实现电机的调速。变频调速系统主要分为两部
分：手动控制和自动控制。手动控制可以选择电机正转或是反转，在一到七速之间也能自由转换。自动控制则是先将电机设置为正转或反转，然后逐渐从低速升为高速，通过复位能自动从高速降回低速。最后手动控制停止可以直接切换成自动控制。 1.2.4 电气设备详细表 电源控制屏：提供三相四线制380V、220V电压；变频调速装置；三菱PLC主机；异步电动机；力控监控组态软件实战指南；力控监控组态软件。 2 PLC设计系统思考 2.1 设计系统过程中出现问题及解决方法 第一，根据控制要求直接编写控制程序，始终不知道如何动手。对于该问题的解决方法为从头开始了解硬件，学习变频器资料，掌握变频器和电机的使用，在熟练掌握的基础上才会知道怎么去控制。 第二，在编写梯形图完成后，plc始终没有输出。该问题的出现主要是因为没有熟练使用plc 编程步骤，编写程序中没有end。仔细检查，一步一步从新学习plc编程，从最简单的控制开始。 第三，电机在接线时不知道是星型接线还是三角形接线。笔者为了更好的解决该问题，在回去后仔细研究电机发现，我们使用的是小型异步电动机不带负载，可以直接启动，星型和三角形接线影响不大。 第四，手动程序在plc上可以直接实现控制，而把变频器和电动机连起来，电动机直接受变频器控制，我们的手动程序没有用。该问题的出现主要是变频器资料没有学习深入，我们始终让变频器运行在内部(PU)模式，这款FR-S500没有通讯功能。在PU模式下可以直接在变频器上调节电动机不同速度，而用plc程序控制必须使变频器工作在外部（exit）模式下。第五，手动程序和自动程序不能结合起来。导致这种情况的出现与自己没有太深入的了解三
基 于 PLC 控 制 变 频 器 调 速 实 验 报 告 电控学院 电气
实训目的：本次实验针对电气工程及其自动化专业。通过综合实验，使学生对所学过的可编程控制器在电动机变频调速控制中的应用有一个系统的认识，并运用自己学过的知识，自己设计变频调速控制系统。要求用PLC控制变频器，通过光电编码器反馈速度信号达到电动机调速的精确控制，自己设计，自己编程，最后进行硬件、软件联机的综合调试，实现自己的设计思想。在整个试验过程中，摆脱以往由教师设计，检查处理故障的传统做法，由学生完全自己动手，互相查找处理故障，培养学生动手能力。学生实验应做到以下几点： 1. 通过电动机变频调速控制系统实验，进一步了解可编程控制器在电动机变频调速控制中的应用。 2. 通过系统设计，进一步了解PLC、变频器及编码器之间的配合关系。 3. 通过实验线路的设计，实际操作，使理论与实际相结合，增加感性认识，使书本知识更加巩固。 4. 培养动手能力，增强对可编程控制器运用的能力。 5. 培养分析，查找故障的能力。 6. 增加对可编程控制器外围电路的认识。 实训主要器件：欧姆龙CPM2AH-40CDR可编程控制器（PLC），欧瑞F1000-G系列变频器，三相异步电机 第一部分采样 转速的采样采用的是欧姆龙的光电编码器，结合PLC的高速计数器端子，实现高精度的采样。。 编码器是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者成为码盘，后者称码尺．按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种．接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是1还是0；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是1还是0，通过1和0的二进制编码来将采集来的物理信号转换为机器码可读取的电信号用以通讯、传输和储存。 欧姆龙（OMRON）编码器是用来测量转速的装置，光电式旋转编码器通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出（REP）。它分为单路输出和双路输出两种。技术参数主要有每转脉冲数（几十个到
《电气控制与PLC》课程 设计说明书 基于PLC的变频调速系统设计 The variable frequency speed regulation system based on PLC design 学生姓名 学生学号 学院名称 专业名称电气工程及其自动化 指导教师 2013年12月1日
摘要 本文主要介绍了研究和设计的基于可编程控制器的变频调速系统的成果，在本次的设计中，我的设计系统主要由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 PLC；变频器；电动机；调速
目录 1 引言 (1) 1.1 概述 (1) 1.2设计内容 (1) 2 系统的功能设计分析和总体思路 (2) 2.1 系统功能设计分析 (2) 2.2 系统设计的总体思路 (2) 3 PLC和变频器的选择 (3) 3.1PLC的概述 (3) 3.1.1 PLC的基本结构 (3) 3.1.2 PLC的工作原理 (4) 3.1.3PLC的型号选择 (5) 3.2变频器的选择和参数设置 (6) 3.2.1 变频器的选择 (6) 3.2.2 变频调速原理 (7) 3.2.3 变频器的工作原理 (7) 3.2.4 变频器的快速设置 (8) 4 开环控制设计及PLC编程 (9) 4.1 硬件设计 (9) 4.2 PLC软件编程 (9) 4.2.1设计步骤 (9) 4.2.2系统流程框图 (10) 4.2.3 程序的主体 (11) 4.2.4 控制程序T形图 (11) 5 PLC系统的抗干扰设计 (17) 5.1 变频器的干扰源 (17) 5.2 干扰信号的传播方式 (17) 5.3 主要抗干扰措施 (17) 5.3.1 电源抗干扰措施 (17) 5.3.2 硬件滤波及软件抗干扰措施 (18) 5.3.3 接地抗干扰措施 (18) 结论与心得 (19) 参考文献 (20) 附录 (21)
题目1: 19.PLC控制电机变频调速系统的设计 一、任务详情 1.1背景 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 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、改进产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改进生活环境等要求; 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。 1.2任务要求 经过PLC控制变频器, 使三相异步电动机按图1-1所示的曲
线运行, 并可经过触摸屏远程控制电机的启动、停止, 可对电机启动时间、减速时间设定调整, 同时要求经过触摸屏实时显示数字电机转速、频率, 显示转速图。电机运行可分为三个部分: 第一部分要求电机起动后在60s内从0( r/min) 线性增加到 1022( r/min) ; 第二部分是进入恒转速运行阶段, 运行时间为120s, 转速恒定为1022( r/min) ; 第三部分是当恒速到了规定时间, 进入减速阶段, 电机转速要求在40s内降到0( r/min) 。 1460 1285 1022 电 机 转 速 r/min 图2 异步电动机运行曲线图 图1-1异步电动机运行曲线图 二、方案设计 2.1电路构造思路 选用EM AM06作为smart 200plc的扩展模块给予模拟量信 号。经过计算, 将1022转速转换为对应数字量18837.5输入, 并 对应分配到各个时间所需加的信号。接入触摸屏控制启动停止, 复位。详细主电路图见图2.2.1 2.2电气控制主电路图 PLC 控制电机变频调速控制系统主电路图见图1-2
摘要: 设计一种基于PLC的步进电机控制系统, 通过微型变速箱将步进电机角位移转化为直线位移, 进而带动直线 伸缩机构运行。该系统结构简单、性能稳定、经济价值和使用效果突出, 能够满足毫米级精确位移的使用需求。 关键词: PLC; 步进电机; 驱动器; 脉冲；方向。 目录 第1章绪论 (1) 1.1 设计背景 (1) 1.2 系统设计的任务 (3) 1.3 本章小结 (3) 第2章步进电机及PLC简介 (4) 2.1 步进电机简介 (4) 2.2 PLC的发展概述 (8) 2.3 PLC技术在步进电机控制中的应用 (8) 2.4 本章小结 (10) 第3章PLC控制步进电机工作方式的选择 (11) 3.1 常见的步进电机的工作方式 (11) 3.2 步进电机控制原理 (12) 3.3 PLC控制步进电机的方法 (12) 3.4 PLC控制步进电机的设计思路 (13)
3.5 本章小结 (15) 第4章FX2N控制步进电机硬件设计 (16) 4.1 三菱FX2nPLC的介绍 (16) 4.2 步进电机的选择 (18) 4.3 步进电机驱动电路设计 (20) 4.4 PLC驱动步进电机 (21) 4.5步进电机驱动器的使用说明 (22) 4.6 I/O接线图 (24) 4.7 本章小结 (25) 第5章控制系统的程序设计 (26) 5.0 本设计相关指令介绍 (26) 结论 (31) 参考文献 (32) 致谢 (33) 附录 (34)
第1章绪论 1.1 设计背景 步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机，传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机。 步进电动机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电动机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。任何一种产品成熟的过程，基本上都是规格品种逐步统一和简化的过程。现在，步进电动机的发展已归结为单段式结构的磁阻式、混合式和爪极结构的永磁式三类。爪极电机价格便宜，性能指标不高，混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机，由于混合式步进电动机具有控制功率小，运行平稳性较好而逐步处于主导地位。最典型的产品是二相8极50齿的电动机，步距角1.8°／0.9°（全步／半步）；还有五相10极50齿和一些转子100齿的二相和五相步进电动机，五相电动机主要用于运行性能较高的场合。到目前，工业发达国家的磁阻式步进电动机已极少见[1]。 步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYO DENKI 和MINEBEA及NPM公司等，特别是日本东方公司，无论是电动机性能和外观质量，还是生产手段，都堪称是世界上最好的。现在日本步进电动机年产量（含国外独资公司）近2亿台，德国也是世界上步进电动机生产大国。德国B.L.公司1994年五相混合式步进电动机专利期满后，推出了新的三相混合式步进电动机系列，为定子6极转子50齿结构，配套电流型驱动器，每转步数为200、400、1000、2000、4000、10000和20000，它具有通常的二相和五相步进电动机的分辨率，还可以在此基础上再10细分，分辨率提高10倍，这是一种很好的方案，充分运用了电流型驱动技术的功能，让三相电动机同时具有二相和五相电动机的性能。与此同时，日本伺服公司也推出了他们的三相混合式步进电动机。该公司阪正文博士研制了三种不同的永磁式三相步进电动机，即HB型（混合式）、RM性（定子和混合式
题目1：控制电机变频调速系统的设计 一、任务详情 1.1背景 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。 任务要求 通过PLC控制变频器，使三相异步电动机按图1-1所示的曲线运行，并可通过触摸屏远程控制电机的启动、停止，可对电机启动时间、减速时间设定调整，同时要求通过触摸屏实时显示数字电机转速、频率，显示转速图。电机运行可分为三个部分：第一部分要求电机起动后在60s内从0（r/min）线性增加到1022（r/min）；第二部分是进入恒转速运行阶段，运行时间为120s，转速恒定为1022（r/min）；第三部分是当恒速到了规定时间，进入减速阶段，电机转速要求在40s内降到0（r/min）。 图1-1异步电动机运行曲线图 二、方案设计 电路构造思路 选用EM AM06作为smart 200plc的扩展模块给予模拟量信号。通过计算，将1022转速转换为对应数字量输入，并对应分配到各个时间所需加的信号。接入触摸屏控制启动停止，复位。详细主电路图见图电气控制主电路图
PLC 控制步进电机的接法与实例程序 ·采用绝对位置控制指令(DRVA)，大致阐述FX1S 控制步进电机的方法。由于水平有限，本实例采用非专业述语论述，请勿引用。 ·FX 系列PLC 单元能同时输出两组100KHZ 脉冲，是低成本控制伺服与步进电机的较好选择！ ·PLS+，PLS-为步进驱动器的脉冲信号端子，DIR+，DIR-为步进驱动器的方向信号端子。 ·所谓绝对位置控制(DRVA),就是指定要走到距离原点的位置，原点位置数据存放于32位寄存器D8140里。当机械位于我们设定的原点位置时用程序把D8140的值清零，也就确定了原点的位置。 ·实例动作方式：X0闭合动作到A 点停止，X1闭合动作到B 点停止，接线图与动作位置示
例如左图(距离用脉冲数表示)。 ·程序如下图：(此程序只为说明用，实用需改善。) ·说明： ·在原点时将D8140的值清零(本程序中没有做此功能) ·32位寄存器D8140是存放Y0的输出脉冲数，正转时增加，反转时减少。当正转动作到A 点时，D8140的值是3000。此时闭合X1，机械反转动作到B点，也就是-3000的位置。D 8140的值就是-3000。 ·当机械从A点向B点动作过程中，X1断开(如在C点断开)则D8140的值就是200，此时再闭合X0，机械正转动作到A点停止。 ·当机械停在A点时，再闭合X0，因为机械已经在距离原点3000的位置上，故而机械没有动作！ ·把程序中的绝对位置指令(DRVA)换成相对位置指令(DRVI)： ·当机械在B点时(假设此时D8140的值是-3000)闭合X0，则机械正转3000个脉冲停止，也就是停在了原点。D8140的值为0 ·当机械在B点时(假设此时D8140的值是-3000)闭合X1，则机械反转3000个脉冲停止，也就是停在了左边距离B点3000的位置(图中未画出)，D8140的值为-6000。 ·一般两相步进电机驱动器端子示意图： ·FREE+，FREE-：脱机信号，步进电机的没有脉冲信号输入时具有自锁功能，也就是锁住转子不动。而当有脱机信号时解除自锁功能，转子处于自由状态并且不响应步进脉冲。
P L C控制步进电机的实例(图与程序)
PLC控制步进电机的实例(图与程序) ·采用绝对位置控制指令(DRVA)，大致阐述FX1S控制步进电机的方法。由于水平有限，本实例采用非专业述语论述，请勿引用。 ·FX系列PLC单元能同时输出两组100KHZ脉冲，是低成本控制伺服与步进电机的较好选择！ ·PLS+，PLS-为步进驱动器的脉冲信号端子，DIR+，DIR-为步进驱动器的方向信号端子。 ·所谓绝对位置控制(DRVA),就是指定要走到距离原点的位置，原点位置数据存放于32位寄存器D8140里。当机械位于我们设定的原点位置时用程序把D8140的值清零，也就确定了原点的位置。 ·实例动作方式：X0闭合动作到A点停止，X1闭合动作到B点停止，接线图与动作位置示例如左图(距离用脉冲数表示)。
·程序如下图：(此程序只为说明用，实用需改善。) ·说明： ·在原点时将D8140的值清零(本程序中没有做此功能) ·32位寄存器D8140是存放Y0的输出脉冲数，正转时增加，反转时减少。当正转动作到A点时，D8140的值是3000。此时闭合X1，机械反转动作到B点，也就是-3000的位置。D8140的值就是-3000。 ·当机械从A点向B点动作过程中，X1断开(如在C点断开)则D8140的值就是200，此时再闭合X0，机械正转动作到A点停止。 ·当机械停在A点时，再闭合X0，因为机械已经在距离原点3000的位置上，故而机械没有动作！ ·把程序中的绝对位置指令(DRVA)换成相对位置指令(DRVI)： ·当机械在B点时(假设此时D8140的值是-3000)闭合X0，则机械正转3000个脉冲停止，也就是停在了原点。D8140的值为0 ·当机械在B点时(假设此时D8140的值是-3000)闭合X1，则机械反转3000个脉冲停止，也就是停在了左边距离B点3000的位置(图中未画出)，D8140的值为-6000。 ·一般两相步进电机驱动器端子示意图： ·FREE+，FREE-：脱机信号，步进电机的没有脉冲信号输入时具有自锁功能，也就是锁住转子不动。而当有脱机信号时解除自锁功能，转子处于自由状态并且不响应步进脉冲。
Plc200控制电机 这是网上擂台的题目：一台电动机要求在按下起动按钮后，电动机运行10秒，停5秒，重复3次后，电动机自动停止。同时设置有手动停机按钮和过载保护。编写梯形图控制程序。PLC可以随便选用，要有相关说明。注意：要有PLC控 制电路和I/O分配表。 1、硬件选择：一台PLC(S7-200)、一个交流接触器Z0（控制电机运行）、2个 按钮开关(SB1、SB2)及1个过流继电器(FR)，电路图如下：（不包括粉色虚线 框部分） 2、编程：用不同思路，可编出几种不同的控制方案，都可实现该项目要求。（1）、最简单的编程方案，就是选用5个通电延时定时器：其3个定时10秒，用于电机启动运行，另2个定时5秒，使电机停。具体编程也有二种方式，见下图：
上图中的方案一与方案二，同用5个定时器，完成同样的功能。 方案一是这样编程：按下启动按钮（I0.0），使断开。在此过程中，M0.0、MO. 2、M0.4都是10秒的导通时间，用它们去控制Q0.7，其彼此间隔时间为5秒（即M0.1、M0.3的通导时间）。?8?1延时?8?1M0.0=1，T101得电开始延时， 延时10秒，T101吸合使M0.1=1、M0.0=0，使T101断电，而T102得电开始延时，5秒后T102得电吸合，使M0.2=1，M0.1=0。。。直到T105得电 方案二是这样编程：按下启动按钮（I0.0），使 M0.0=1，T101得电开始延时，延时10秒，T101吸合，使T102得电开始延时，延时5秒，T102吸合，使T10 3得电开始延时。。。直至T105得电延时，延时10秒后动作，使M0.0=0，M0. 0=0使T101—T105皆断开，程序结束。用M0.0的常开触点与T101的常闭触点 串联，用T102的常开触点与T103的常闭触点串联，用T104的常开触点与T10 5的常闭触点串联，三者再并联后去驱动Q0.7，可达到同样的控制作用， 由上图可见，由于编程方法不同，其方案二用的指令比方案一少，显然：方案 二优于方案一。 （2）、用二个定时器(T101、T102)和一个字节存储器(MB1)编程也可实现同样 功能： 按下启动按钮，使MB1=0、M0.0=1，M0.0=1使T101得电开始延时，10秒T101 吸合使T102得电吸和，延时5秒，T102吸合，其常闭点断开，使T101、T102 失电断开，T101又得电延时。。。形成振荡器，T102每吸合一次，使MB1加1，
P L C控制步进电机的实例(图与程序) ·采用绝对位置控制指令(DRVA)，大致阐述FX1S控制步进电机的方法。由于水平有限，本实例采用非专业述语论述，请勿引用。 ·FX系列PLC单元能同时输出两组100KHZ脉冲，是低成本控制伺服与步进电机的较好选择！ ·PLS+，PLS-为步进驱动器的脉冲信号端子，DIR+，DIR-为步进驱动器的方向信号端子。 ·所谓绝对位置控制(DRVA),就是指定要走到距离原点的位置，原点位置数据存放于32位寄存器D8140里。当机械位于我们设定的原点位置时用程序把D8140的值清零，也就确定了原点的位置。 ·实例动作方式：X0闭合动作到A点停止，X1闭合动作到B点停止，接线图与动作位置示例如左图(距离用脉冲数表示)。 ·程序如下图：(此程序只为说明用，实用需改善。) ·说明： ·在原点时将D8140的值清零(本程序中没有做此功能) ·32位寄存器D8140是存放Y0的输出脉冲数，正转时增加，反转时减少。当正转动作到A点时，D8140的值是3000。此时闭合X1，机械反转动作到B点，也就是-3000的位置。D8140的值就是-3000。 ·当机械从A点向B点动作过程中，X1断开(如在C点断开)则D8140的值就是200，此时再闭合X0，机械正转动作到A点停止。 ·当机械停在A点时，再闭合X0，因为机械已经在距离原点3000的位置上，故而机械没有动作！
·把程序中的绝对位置指令(DRVA)换成相对位置指令(DRVI)： ·当机械在B点时(假设此时D8140的值是-3000)闭合X0，则机械正转3000个脉冲停止，也就是停在了原点。D8140的值为0 ·当机械在B点时(假设此时D8140的值是-3000)闭合X1，则机械反转3000个脉冲停止，也就是停在了左边距离B点3000的位置(图中未画出)，D8140的值为-6000。 ·一般两相步进电机驱动器端子示意图： ·FREE+，FREE-：脱机信号，步进电机的没有脉冲信号输入时具有自锁功能，也就是锁住转子不动。而当有脱机信号时解除自锁功能，转子处于自由状态并且不响应步进脉冲。 ·V+，GND：为驱动器直流电源端子，也有交流供电类型。 ·A+，A-，B+，B-分别接步进电机的两相线圈。
PLC控制步进电机应用实例 基于PLC的步进电机运动控制 一、步进电机工作原理 1. 步进电机简介 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单 2. 步进电机的运转原理及结构 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て,即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A…与齿5相对齐，（A…就是A，齿5就是齿1） 3. 旋转 如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力，以下均同）。如B相通电，A，C相不通电时，
齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。如A相通电，B，C相不通电，齿4与A 对齐，转子又向右移过1/3て 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 步进电机的静态指标术语 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。 4. 步进电动机的特征 1) 运转需要的三要素：控制器、驱动器、步进电动机
目录 目录 .............................................................................................................................................. 第一章系统的功能设计分析和总体思路....................................................................................... 1.1 概述 ................................................................................................. 错误!未定义书签。 1.2 系统功能设计分析 ........................................................................................................... 1.3 系统设计的总体思路 ....................................................................................................... 第二章PLC和变频器的型号选择 (5) 2.1PLC的型号选择............................................................................................................ 2.2变频器的选择和参数设置 ............................................................................................ 2.2.1 变频器的选择 .......................................................................................................... 2.2.2 变频调速原理 ........................................................................................................ 2.2.3 变频器的工作原理 ................................................................................................ 2.2.4 变频器的快速设置 ................................................................................................ 第三章硬件设计以及PLC编程 ............................................................................................... 3.1开环控制设计及PLC编程 ........................................................................................... 3.1.1 硬件设计 .................................................................................................................. 3.1.2 PLC软件编程 ........................................................................................................ 3.2 闭环控制设计 ................................................................................................................... 3.2.1 硬件和速度反馈设计 ............................................................................................ 3.2.3闭环的程序设计以及源程序............................................................................. 第四章实验调试和数据分析 ...................................................................................................... 4.1 PID 参数整定................................................................................................................... 4.2 运行结果 (25) 第五章总结和体会 .................................................................................................................... 第六章附录 ................................................................................................................................ 6.1 变频器内部原理框图 ....................................................................................................... 第七章参考文献 ........................................................................................................................