本科毕业设计--基于plc的交流电机的变频调速论文.doc

华东交通大学理工学院Institute of Technology. East China Jiaotong University毕 业 设 计Graduation Design （Thesis）（ 2010 2014 年）题 目 基于PLC的交流电机的变频调速系统设计 分 院： 电气与信息工程分院 专 业： 电子信息工程 班 级： 学 号： 学生姓名： 王斌 指导教师： 起讫日期： 2013.122014.5 华东交通大学理工学院毕业设计（论文）原创性申明本人郑重申明：所呈交的毕业设计（论文）是本人在导师指导下独立进行的研究工作所取得的研究成果。设计（论文）中引用他人的文献、数据、图件、资料，均已在设计（论文）中特别加以标注引用，除此之外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。毕业设计（论文）作者签名： 日期： 年 月 日毕业设计（论文）版权使用授权书本毕业设计（论文）作者完全了解学院有关保留、使用毕业设计（论文）的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交设计（论文）的复印件和电子版，允许设计（论文）被查阅和借阅。本人授权华东交通大学理工学院可以将本设计（论文）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编毕业设计（论文）。（保密的毕业设计（论文）在解密后适用本授权书） 毕业设计（论文）作者签名： 指导教师签名：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日摘要摘 要交流异步电动机是现代生产中最重要的拖动设备之一，因其价格低廉、经久耐用、维修容易等优点而得到了广泛应用。而在现代工业生产中，有一些设备需要根据不同的工作环境，要调节到一个特定的转速，如电梯，起重机等。从而对交流异步电动机的速度提出了更高的要求，希望一台电机在运行过程中，可以实现运行速度的大小，转动方向等调节，并能快速调整，波动小，稳定运行。传统交流电动机的调速系统是采用转子回路串电阻分级调速的方式，存在低速时带载能力差、效率低、操作复杂以及有一定的电气冲击的特点。随着电力电子技术及现在控制理论的不断发展，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广泛应用，实现了对交流电动机的变频调速，从而使交流电机有更大的调速范围和良好的低速性能，实现交流电动机的平滑调速，解决了传统电机调速的诸多问题。PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）控制单元能在恶劣的工作环境中对电动机进行远程控制，实现对变频调速系统的智能控制，使得该调速系统性能更加优越，满足了现代工业化生产的需要。本课题设计了基于PLC的可逆变三相异步电机调速系统，采用PLC编程语言，实现三相异步电动机的正反转控制。系统是把作为PLC控制器去控制变频器，完成电机的启动、制动、加速、减速等功能，这和以前的继电器控制比较，不仅响应速度快，可靠性高，而且适应性强，比较容易修改。关键词：异步电动机；PLC；变频器；变频调速；梯形图IABSTRACT Ac asynchronous motor is one of the most important drive equipment in modern production, due to its advantages of low cost, durable, easy maintenance and has been widely applied.In modern industrial production, there are some equipment need according to different work environment, to adjust to a specific speed, such as elevators, cranes, etc.Of ac asynchronous motor speed put forward higher request, hope in the process of running by an electric motor, can realize the running speed, the size of the rotation direction of adjustment, and can quickly adjust, fluctuation is small, stable operation. Traditional ac motor speed control system is with the method of rotor loop series resistance change speed, low speed with load capacity, low efficiency, complex operation and have the characteristics of electrical shock.With the continuous development of power electronics technology and control theory now, the second half of the 1980 s, the developed countries such as America, Japan, Germany, England VVVF inverter has been put into market and extensive application of implementation of ac motor frequency control of motor speed, so that the ac motor have greater speed range and good performance at low speed, smooth realization of ac motor speed control, solves the problems of traditional motor speed control.PLC (Programmable Logic Controller, Programmable Logic Controller) control unit can work in harsh environments to remote control of the motor, to realize intelligent control of variable frequency speed regulation system, makes the speed regulation system performance more superior, meet the needs of the modern industrial production. This topic design based on PLC can inverter three-phase asynchronous motor speed control system, PLC programming language, realizes the three-phase asynchronous motor and reversing control.System is to put as a PLC controller to control frequency converter, the complete motor starting, braking, acceleration, deceleration, and other functions, this compared to previous relay control, not only fast response, high reliability, and strong adaptability, easy to modify.Key words: asynchronous motor; PLC;Inverter; vary frequency speed control; ladder diagramIII目录目 录1 绪论11.1 PLC及变频器的简介11.2 国内外变频技术的发展现状11.2.1 国内变频调速技术发展概况11.2.2 国外变频调速技术发展概况21.3 课题研究的意义21.4 课题主要任务3本章小结32 基于PLC的交流电机变频调速的基本原理42.1 变频调速基本原理42.1.1 变频器基本结构42.1.2 变频器调速控制方式42.2 交流异步电机的正反转控制52.2.1 三相异步电动机的原理52.2.2 三相异步电动机的制动52.3 PLC的工作原理52.3.1 PLC基本结构52.3.2 PLC的分类62.3.2 PLC工作过程72.4 基于PLC的变频调速原理82.4.1 PID控制82.4.2 模糊控制9本章小结93 系统硬件设计103.1 PLC和变频器的型号选择103.1.1 PLC的型号选择103.1.2 变频器的型号选择103.2 硬件连接113.2.1 PLC控制电机正反转接线图113.2.2 开环控制PLC接线123.2.3 闭环控制PLC接线123.3 参数设计133.3.1 变频器参数设计133.3.2 变频器与PLC通信参数设计16本章小结164 系统软件设计174.1 开环PID控制PLC编程174.1.1 开环PID编程原理174.1.2 开环PID程序174.2 闭环PID控制PLC编程原理214.2.1 闭环控制PLC编程原理214.2.2 闭环控制PLC程序214.3基于模糊控制的PLC程序244.4 仿真结果27本章总结275 总结28参考文献29致谢30华东交通大学理工学院毕业设计（论文）1 绪论近年来，随着工业的快速发展，交流异步电机的应用也越来越广泛，这也就意味着对电机的调速越来越重要，而为了获得好的调速性能，一般采用变频调速方式。在工业的应用中，一般多考虑稳定性能，故采用PLC作为控制单元。1.1 PLC及变频器的简介 在工业生产上对变频调速要较多的要求，其中重要的因素主要有响应的快慢、系统是否稳定、动态特性是否好。在好多的研究和实践领域，比如国防、冶炼、制造、石油、汽车、起重等行业，对电机的调速有着很大的重要性。但是越好的调速系统控制越复杂，变化因素也很多，而且对理论知识要求也很高，所以在系统设计的时候就需要很好的实践经验和自动控制的理论基础。 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。对交流异步电机实现变频调速的装置为变频调速器，其作用是将电网提供的固定不变的电压与频率的交流电变换为可变的电压和频率VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）的交流电，以此实现对电机的无级调速。目前市场上主要有两类变频器：交-直-交和交-交变频器，图1-1说明了两种变频器的简要结构。交-交变频器是把电网电压直接进行转换成电压、频率可调的交流电，中间没有滤波环节，所以又把这种变频器叫做直接变频器。而交直交变频器是首先把电网输出的交流电能变换成为直流电，通过中间滤波环节后，再经过逆变器，最后转变为可变频和变压的交流电，故被称为间接型变频器。对比这两种变频器，间接变频器因为中间过程较多，所以控制复杂点，而且多级的效率叠加使得中的效率不高，但是这种方式的变频范围可以加大；对于直接变频器因为采用直接变换，所以可以得到高的工作效率，也不容易出问题，但是频率可调节的范围就减小了，这种方法大多在容量大频率低的场合。(a) 交-交变频器 （b）交-直-交变频器图1-1 变频器的两大类1.2 国内外变频技术的发展现状1.2.1 国内变频调速技术发展概况虽然我们国家已经是一个发展中国家，但是在科研实力上与发达国家有很大的距离，现在为止我们国家自主研发的变频调速设备只是发达国家的几十年前的水平。随着改革开放，国内有很多合资公司在生产当今先进的产品，但是国内很多公司在自行研发、产品生产等方面能力较弱，严重依赖国外的公司。总体而言，我国变频调速的技术水平相比国外先进的水平差距还有10-15年，虽然有一定的人力，物力，但力量分散。而在大功率的无换相异步电机等变频调速的技术方面，国内仅仅只有少部分科研单位有能力来制造，在系统可靠性及数字化方面与国外相比还有相当的差距，而且相关的配套产业及行业比较落后，产销量较低，工艺水平及可靠性不高。变频器产品所用的高功率半导体功率器件的制造业国内几乎没有。1.2.2 国外变频调速技术发展概况国外的变频调速技术在高速发展下存在以下特点：（1）市场空间较大。伴随工业自动化的逐步提高和全球化能源短缺，变频技术已大量地应用在机械、化工、纺织、冶金、造纸、食品等行业，在水泵、风机等设备中应用广发，并取得了明显的经济效益。（2）大功率器件的问世。近些年来大电流、高电压的IGBT、GTR、IGCT、GTO 等器件的面世，使得高压、大功率变频器产品的生产和应用成为现实。（3）自动控制理论和微电子的发展。自动控制领域的理论知识对于变频调速有着很大的影响力，因为变频调速中的转矩控制，矢量控制，迷糊控制，重复控制，磁通控制等等新的控制理论是变频调速性能好坏的一个决定因素；而微处理器的发展为控制提供了更大的方便，例如控制器的位数的提升，还有一些专用高速处理芯片DSP、FPGA等的发展，为变频调速的更好精度、更加多功能和全自动化实现提供了越来越多的可能。1.3 课题研究的意义随着工农业的不断发展，对电动机运行的要求也不断提高，很多的生产过程中都要求电动机能根据不同的工况，运行在不同的速度。早期工业生产中，对于一些要求调速精度高的系统，采用了直流电动机，但直流电动机存在启动转矩小，换向电刷容易老化产生火花等问题。人们又根据交流电动机的运行特点，得出了传统的交流电动机调速方法，是利用串电阻于转子回路分段控制的交流绕线式电机的继电器接触器系统，设备较陈旧、技术落后。而且这种控制存在较多问题:（1）回路串电阻，会消耗电能，造成能源的浪费。（2）电阻分级投切，是有级调速，设备运行不稳定，容易导致电气和机械冲击。（3）继电器和接触器的频繁动作，电弧会烧蚀触点，影响接触器的寿命，维修成本也较高。（4）交流绕线式异步电机的滑环会有接触不好的问题，容易导致设备出问题。（5）电机依靠转子侧串入电阻获得低速，其运行特性曲线较软。上述问题使得异步电机运行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此，需更加安全可靠的控制系统，使可调速系统的运行有更好的可靠性和安全性。就计算机技术在工业现场应用情况而言，可编程控制器(PLC)是目前作为工业控制最理想的机型，它是采用计算机技术、按照事先编好并储存在计算机内部一段程序来完成设备的操作控制。采用PLC控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小，PLC技术己经广泛应用于各种控制系统。 本设计将在PLC电控系统的基础上配合变频调速装置，运用现在先进的矢量控制技术，适合现在工业应用领域的绝大部分控制要求。1.4 课题主要任务本论文设计基于PLC的交流电动机调速系统，实现交流电动机的变频调速控制。设计的主要任务有：1、了解交流电动机的结构和变频调速工作原理。2、编写梯形图控制程序，并完成调试。3、运用PLC软件进行仿真，对仿真结果进行分析。本章小结本章先介绍了PLC和变频器的概念，国内外变频调速技术的现状，而后介绍了设计基于PLC的交流电动机变频调速的意义，并提出了本课题的设计任务。2 基于PLC的交流电机变频调速的基本原理2.1 变频调速基本原理2.1.1 变频器基本结构变频器可以分为四部分，如图2-1所示。常用的变频器主要包括主回路完成主要功能和控制回路完成系统的控制。主电路主要是为感应电机提供变频电源的控制信号，有三个部分：平波、逆变和整流电路。图2-1 变频器结构简图2.1.2 变频器调速控制方式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。 （2.1）实际中的电机，因为已经制作好了，所以磁极对数p肯定已经固定，而且转差率我们一般知道变化很小，所以由该式可以得到电机的转速和电源的供电频率直接成正比关系，也就是说我们只需要通过改变供电电源的频率就可以得到控制电机的转速的效果，从而完成电机的调试的目的，目前市场上变频器的控制方法有下面两种：1.普通控制型V/F变频器（1）市场上常用的V/F变频器采用的是开环的控制方式。这种控制方式很简单，都没有速度的反馈，所以响应速度也慢，电机可以使用标准的异步电机，通用性比较好，性价比也高，所以在常用的变频器上多半采用这种方法。（2）具有固定磁通功能的V/F变频器使用反馈磁通的方式使得感应电机的三相正弦电流产生一个空间的圆形旋转磁场，这样就会有一个固定的电磁转矩，这是为了解决经典V/F变频器在V/F值上调整苦难这一个问题，这样控制方式我们叫做磁链跟踪控制。有时我们也把这种控制方式称为空间电压矢量控制，因为磁链的踪迹是由电压矢量相加获得。2.矢量控制方式矢量控制方式的基本思想是：参考直流电机的调速，让控制感应电机也可以像直流电机一样控制两个独立的调速，将矢量分为无速度控制和有速度控制或者所闭环转矩矢量控制。2.2 交流异步电机的正反转控制2.2.1 三相异步电动机的原理图2-1 三相异步电动机正反转电路对于断路器的选择，首先需要了解该断路器的延迟曲线，工作等级等主要技术也行，而且还需要关注断路器的好多其它特性，好多经常被忽略的性质如果认真考虑，不仅可以完成电路的美化，而且在设计中还可以减少很多不必要的问题，是设计师们经常需要考虑的问题，也可以利用这些性质去设计保护电路。图中还有一些辅助接点，我们也称作辅助开关，它是用于报警的程序开关，和主接点有一个电气隔离。这些接点在系统有问题的时候可以自动向工作人员报警，然后进行检修，在一些很重要的场合中还可以通过这些开关完成辅助电源的接入。2.2.2 三相异步电动机的制动三相异步电动机脱离电源之后，由于惯性，电动机要经过一定的时间后才会慢慢停下来, 但有些生产机械要求能迅速而准确地停车，那么就要求对电动机进行制动控制。电动机的制动方法可以分为两大类：机械制动和电气制动。机械制动一般利用电磁抱闸的方法来实现；电气制动一般有能耗制动、反接制动和回馈发电制动三种方法。2.3 PLC的工作原理2.3.1 PLC基本结构PLC可以说是一种专门用于工业控制的计算机，基本上它的硬件结构和微型计算机相同，如图2-2所示： a. 中央处理单元(CPU) 中央处理单元也即CPU是PLC的核心。首先CPU是更加用户所写的程序去完成相应的功能，这个程序一般是存放在程序存储器中，也有一些数据是放在数据存储器中；然后判断一些外部电源、存储器、输入输出I/O口、定时/计数器等的工作状态，并且CPU可以对用户编写程序中的语法问题进行报错。而在正常工作的时候，PLC会采用扫描的方式一次获得各个端口的数据和状态，把相应的数据放入到I/O映象区，然后再从程序寄存器中读取用户所编写的程序，经过内部解析后执行相应的逻辑或者算数运算，把得到的结果再送入到I/O映像区进行存储。等到所有的程序按这样的步骤完成后，把映像区中的寄存器或者数据变量送到对应的端口，这样周期循环，一直到程序截止。 为了更好的完成PLC的可靠性能，现在对一些比较重要的PLC还是用了双核系统，构成一个冗余备份，有些时候还采用的是多个CPU的PLC，这样做的主要目的是为了防止PLC中的一个CPU出现故障后整个系统出现故障，多个CPU可以在单个故障时完成备用的工作，一般应用在一些特殊要求的场合，成本也高。b、存储器 PLC含有两种类型的存储器，一个是放在系统程序的存储器，叫做系统程序存储器；还有一个是放在应用程序的存储器，叫做用户程序存储器。c、电源 任何一个控制器都需要一个稳定的电源，如果电源不稳定，那么系统肯定不能进行正常工作，所以一个稳定的供电电源很重要。PLC的研发者对供电电源也很看重，一般需要交流电源电压的波动只可以在±10%上，我们需要一个专门的供电电源，而不是直接把电网的交流电提供给PLC设备。图2-2 PLC的基本结构图2.3.2 PLC的分类PLC按结构形式分，有整体式、模块式和叠装式三类。 （1）整体式PLC 整体式PLC是将电源、CPU和I/O部件集中于一个机箱内。其构造紧凑、价格低、体积小。多半小型的PLC会采用该结构。这种形式的PLC包括基本单元和扩展单元。而基本单元内又同样有CPU、I/O和电源。扩展单元内却只有I/O和电源。整体式的PLC常配有特殊功能单元，如位置控制单元、模拟单元等，使PLC的功能得到扩展。例如，美国GE公司的GE-I/J系列PLC为整体式结构。 （2）模块式PLC 这种方式是把PLC的多个部分进行分类成好多个独立的模块，包括、CPU模块、定时模块、电源模块和I/O模块等等。物理上模块PLC式包括机架和功能模块，这些模块放在机架上。这种方式的好处是安装很是方便，装配也是很便利的，如果出现问题，很方便检修，而且对于一些需要扩展的场合，这样扩展也很方便。一般在中等和大型的场合会采用模块式的PLC，这是为了多了进行扩展，比如西门子公司的300和400系列就是采用这样结构。 （3）叠装式PLC 所谓叠装式，就是把整装和模块式进行组合。这样的PLC除了有基本单元，还包括一些特殊功能模块和扩展模块，同样也具有模块式的一些功能，很方便安装、检修方便，而且还有整体式的一些优点，结构上很紧俏，体积小。西门子公司的200系列是采用这种方式。2.3.2 PLC工作过程PLC的程序执行是循环扫描式。上电后,执行系统程序所指定的工作,重复扫描并执行用户的程序。每扫描完一次所用的时间我们称为扫描周期。每一次循环过程可以分为五个步骤,循环扫描过程为执行用户程序，扫描周期计算输入湖人输出刷新外设端口。1.公共处理在这个环节，PLC完成了一些初始化的操作，包括程序复位、硬件检测、定时/中断查询、内存查询等等工作，如果发现这种环节有异常，那么故障灯会报警，而且还会自己诊断出问题所在，并且显示，如果是一小小问题，那么只是报警，但是如果是大问题就会直接自动停止等待处理。2.扫描周期计算在这个阶段，如果提前假设需要使用的扫描周期值，那么CPU会直接进行等待，一直到计算到这个值的时候再继续往下扫描，如果没有进行设定，那么需要先计算扫描周期值。3.执行用户程序在用户程序执行的环节，CPU会依次读取并且解析执行相应的程序，这些所有的信息都是从映像区的寄存器中获得。而映像寄存器我们又可以分为输入和元件映像寄存器，输入映像寄存器是放置了继电器的断和通的工作情况，也就是对应继电器的0或1状态。元件映像寄存器储存了输出继电器以及辅助继电器等的通断状态,表示方法和输入映像寄存器类似。PLC在执行用户的程序时有时候需要获取外部输入信息,它不能直接从输入端去读取状态,而是从存储的输入映像寄存器中读取数据。在每一个扫描周期I/O刷新过程,CPU会从PLC的输入口读取一次信息并且存入相应的输入映像寄存器中。随后的一个周期中,即使PLC的输入端口状态发生了变化,但输入的映像寄存器中存储的数据会保持不变。所需要的输出继电器等可编程元件的状态数据,都是从元件映像寄存器中读取得到。在运行用户程序的阶段,依据用户程序所给定的逻辑关系去进行运算,得到的结果可再放入元件映像寄存器中。所以,在一个周期中的元件映像寄存器中的数据是可以改变的。4.外设口服务在外设服务的阶段,完成与外设口外界设备的通信处理，比如编程器或通信适配器。完成以上的工作环节后，又开始进行公共处理的过程，如此周期循环。5.I/O刷新在I/O刷新的阶段,主要做两件事情：(1)读各输入点状态读状态顾名思义就是从输入的I/O口中获取其电平信号，把这些信号放到输入映像寄存器中，这就完成了映像寄存器的数据更新，再断开输入映像寄存器的外部通信，也就是说不管外部输入信号是什么，这个输入的映像寄存器内所保持的数据是保持不变的，一直要等到下一个I/O刷新周期才会重新执行刷新数据的过程。(2)读输出元件映像寄存器中数据将对应的输出继电器设备映像寄存器的数据送到输出锁存器中,再经过输出电路的隔离和功率放大作用送到输出端,去控制外部执行相应的元件动作。2.4 基于PLC的变频调速原理本设计中我们用P L C实现各种故障保护和对继电器I/O口触点的控制，大大节约了人力物力财力，使系统变得安全可靠。根据系统的设计要求完成一个保护电路，通过硬件的检测，然后把数据送到PLC进行处理，作出相应的决定。还将由测速发电机信号经软件计算后处理成电动机运行速度，进行后备速度保护。基于PLC控制的交流电动机变频调速控制系统由动力装置、变频器、操作台和控制监视系统组成，本次设计的逻辑框图如下，图2-3所示。各部分功能如下。动力装置：包括两台主电机、一台辅助电动机、电源模块、制动器和底座，完成电机调速的要求。 P L C变频调速模块 操作台 监控系统380V电源速度传感器M测速发电机位置传感器TG 图 2-3 PLC控制的变频调速控制系统逻辑框图变频调速器：变频调速器是完成各模块的动力供应，它可以电网上的交流电变换成频率可变的交流电作为电机的控制能量，从而完成电机转速控制的功能。从而实现不同设备的加工工艺要求，满足了现代工业生产的需求。操作台：设有完成生产功能的所有控制开关器件，能对生产设备进行远程控制，且能够和监控系统配合控制，使得系统的运行更加稳定可靠。2.4.1 PID控制现在好多的PID控制都是从连续系统的控制理论进行得到的，因为连续系统的PID设计比较简单，本系统也是如此，但是本系统也是一个采样系统，所以是一个离散的系统，整个系统的建模时，需要考虑采样的影响，所以系统这个时候的系统函数是连续系统中的系统函数加上采样环节，这样再根据连续系统理论完成PID控制。传统的PID算法主要是包括比例、积分、微分这部分，可以完成放大和相位的控制。在实际的系统设计中，如果采用PID控制会增加系统的阶数，使得系统变得很复杂，所以我们一般只需要PID控制器中的两个部分就可以，而且也可以完成较好的调节，一般是采用比例积分或者比例微分，当然有些为了更加简单也只采用比例控制，这个具体参数的值在不同的系统中需要进行不同的设计。2.4.2 模糊控制模糊控制的基本结构如图2-4所示：图2-4 模糊控制基本结构模糊控制首先是完成系统的模糊化，然后进行模糊推理，最后再还原成清晰模型，整个过程都是在知识库的指导下。对于模糊控制也有很多的类型，选择的方式由被控制的对象的形式、完成控制的的方式和要求所决定。模糊控制一般理论上很难分析，一般是依据很多的实践经验，通过手动控制完成，所以我们在设计的时候也需要考虑两个输入变量，一个是误差的变化，还有一个是误差的变化速度。一般模糊控制器的设计过程是：选择合适的控制器类型、把输入的变量进行模糊化、对模糊控制的规则集进行分析、输出变量的一个解模糊化。一般常用的选取模糊推理的方法包括最大最小法和乘积最大法等。本章小结本章主要介绍了变频器的基本概念，基本结构和工作原理，包括其控制方式，然后简单叙述了交流异步电机的正反转接线方式以及控制方法，本章也详细分析了PLC，先是叙述其基本结构，然后介绍其分类，对其运行过程也进行了详细分析，最后对基于PLC的变频调速系统的结构进行剖析，说明各个模块的功能，并且介绍了两种控制方式PID控制和模糊控制。3 系统硬件设计3.1 PLC和变频器的型号选择3.1.1 PLC的型号选择基于PLC的交流电机的变频调速系统的设计过程中，首先需要完成的就是方案的选择，然后就是PLC的选型，选型中一般是按照具体的系统要求和设计工艺去完成。PLC及其外围电路一般需要集成和规范，更具易于工业化生产和很容易扩展和修改的原则去选择，而且为了确保可靠，选择的型号一般是在市场上使用了一段时间，放映比较好的，同时很关键的一个方面就是PLC的硬件和软件需要和我们的系统相适合，在体积，外形等方面需要满足一定要求，同时应该尽量选择设计者所熟悉的型号，包括在程序的编写，端口的使用，还有梯形图的设计，如果设计者对这个比较熟悉就可以节省好多的时间，所以，在工程设计的一些选型和估算的过程中，需要认真分析整个设计流程的特点和要求，确定每一个的操作和开关通断，然后依据这些要求，大致估计需要的端口数量和容量的大小，这样就可以大致去选择最合适的PLC设备了。综合了输入输出（I/O）点数、存储器容量、各项控制功能和机型的考虑以及性价比等各方面的因素，在此我为该系统设计选择了三菱 PLC，FX2N一台。 图3-1 三菱PLC CPU的外形模型图三菱FX2N有5种CPU模块、6个有12种工作方式的高速计数器和两点高速计数器/和脉冲宽度调制器、直接读写的模拟量I/O模块、灵活方便的寻址方式、先进的程序结构以及程序化的PID编程控制。同时强大的通讯功能，支持多种通信协议。而且价格使它在所有品牌内很有竞争力。最重要的是，它还提供完善的的上网支持。这些都为实现本系统功能的设计提供很好的条件和便利。例如，高速计数器可用来测速从而实现速度反馈。3.1.2 变频器的型号选择变频器的选择对于一个电机调速系统至关重要，在变频器的选型之前需要明白选用变频器的作用，依照响应速度、控制精度、调速范围、转矩大小等要求，充分理解变频器的负载情况，再选择好选用变频器的型号，这种变频器不仅在材料上可以达到要求，而且在性能和价格上要满足一定的要求，选择了变频器型号后再选择控制的方式也是很重要的。如果变频器的选型不合适，可能会使系统不能正常工作，不能得到预期的效果，有可能还会使得整个系统出现故障，出现很大损失，而且为了可以长期工作，变频器的地线的接法也需要注意。变频器在调速系统中的优点：1控制电机的启动电流；2降低电力线路的电压波动；3启动时需要的功率更低；4可控的加速功能；5可调的运行速度；6可调的转矩极限；7受控的停止方式；8节能；9可逆运行控制；10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控制面板具体如下图：图3-2 MM420控制面板3.2 硬件连接3.2.1 PLC控制电机正反转接线图为了在控制的过程中体现科技化和智能化，同时为了在控制过程中克服接触器互锁的三相异步电动机正反转电路的缺点，本文也可采用定时器控制三相异步电动机正反转。利用定时器控制三相异步电动机正反转在工业控制中得到广泛利用，这种方法使得控制更加简单、方便，而且可以根据不同的需要设定正反转的时间且易于实现。用PLC定时器控制的三相异步电动机正反转互锁的主接线图如图3-3所示。其工作原理如下所示。采用定时器对异步电机的调速控制和接触器的控制相似，都是控制电机的正反转，但是也有区别，电机正转的时候，定时器T1就开始计数，20S后定时完成，会触发另一个控制信号，电机停止正转，这个时候定时器T2也在计数，当计数到6S后，定时器T2计数结束，这个时候再触发一个脉冲，使得电机开始反转，同时定时器T3也开始计数，计数到20S后电机又停止反转，然后停止6S后电机又开始正转，如此不断的周期循环，完成电机的正转和反转，还有定时器的技术功能。 图3-3 PLC接线图3.2.2 开环控制PLC接线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下图所示：速度给定图3-4 速度开环控制的结构图PLC（PID） 变频调速系统 开环控制的外部硬件连接图：图3-5 开环控制的硬件连接图3.2.3 闭环控制PLC接线构成闭环系统就是把速度信息反馈给输入侧。速度的测量可以通过光电编码器来实现。速度的采集：FX2N能够采用高速脉冲采集，频率可达到30KHz，共包含6个高速计数器（HSC0HSC5），有12种工作模式。在固定的时间段内会采集脉冲差值，经过计算即可获得当前电动机的转速。例：设采样周期是100ms ，即每间隔100ms采集一次脉冲，光电开关每发出8个脉冲，这样就可知道速度为 （3.1）其中， 为采样周期内所获得的脉冲数。转速单位为 。其结构框图如下电机图3-6 速度反馈硬件连接图-速度给定速度反馈信号+PLC（PID） 变频调速系统图3-7 闭环控制的硬件连接图3.3 参数设计3.3.1 变频器参数设计对于一些新的变频器，在投入使用时需要进行测试，在本次试验中采用的变频器都是经过调试的。表3-1 变频器参数设计序号变频