基于PLC实现的变频调速系统的设计 - 图文

烟 台 南 山 学 院

毕 业 论 文

题目 PLC变频调速系统的设计

毕业论文（设计）任务书

论文题目 PLC变频调速系统设计 院部 自动化工程学院 专业 电气工程及其自动化 班级 电气工程（2+2） 毕业论文（设计）的要求1、系统总体设计，系统以可编程控制器为控制核心，采用模拟量扩展模块采集电机转速信号，经PID调节器运算后，输出给定值控制变频器运转，构成一个闭环负反馈控制系统。通过触摸屏对系统进行监控。 2、触摸屏监控软件设计；可编程控制器模拟量采集输出程序设计；PID控制器设计； 3、变频器操作技能训练； 4、系统组装、调试。 毕业论文（设计）的内容与技术参数 PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算的电子装置。它采用可编制程序的存器，用来在其内部存储执行逻辑运算，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。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计 I

毕业论文（设计） 2011.12 布置课题任务，文献阅读，构思系统结构 2012.1-2系统框架构建，确定硬件选型 2012.2-3 变频器操作训练，可编程控制器模拟量采集输出部分程序开发、软硬件调试 2012.3-4.1 PID控制器实现，触摸屏监控系统设计调试 2012.41-2012.4.20 撰写课题论文 答辩 任务日期 2011 年 12 月 10 要求完成日期 2012 年 4 月 1 日 学 生 范跃 （签名） 2012 年 4 月 1 日 指 导 教 师 王选成 （签名） 2012 年 4 月 1 日 院长(主任) （签名） 年 月 日 摘 要

本文主要介绍了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、A/D转换器 D/A转换器、变频器、触摸屏、传感器、电动机等几部分组成。经过本次设计，一起讨论研究，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。接着通过学习GX developer编程软件将所用设备用程序将其连在一起，然后在实验室调试和外部线路的连接最终完成项目的全部工作，并制作成功样机一台。

对于这次的设计，与以前的相比，相差甚大，本次设计更具有价值，每一点成果都是我们查阅资料，一起研究，和老师指导，完成的。

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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、触摸屏、传感器、A/D、D/A转换器

Abstract

In recent years, more attention has been focused on passive radar systems for their “silence”, i.e.-no transmitting electromagnetic waves. Passive radar systems based on civil FM radio and TV signal have made great progresses due to their advantages, such us wide range, better concealment, anti-stealth, anti-extra-low flight. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) has been widely used in many systems such as digital audio broadcasting system (DAB), digital video broadcasting system (DVB) and wireless local network (WLAN) for its abilities to anti multi-path interference and high spectrum utilization ratio, and has become one of the core techniques of the next generation wireless communication system. In this thesis the passive location systems based on digital audio and video broadcasting signal using OFDM modulation are studied.

First of all in this thesis, the research status of passive location techniques is introduced based on the study and analyses of a lot of related literatures. The taxonomy for passive location system and basic techniques are analyzed, and some representative research fields and content in this domain are also introduced.

Secondly, the principle and key techniques of OFDM and its applications in DAB and DVB are introduced, and then the sensitivity of OFDM system to

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synchronization is analyzed. It is shown that OFDM receiver system needs better precision of frequency and timing. So the time of arrival (TOA) of OFDM signal can be gotten by accurate estimation of timing, and can be used as the ranging technique of passive location.Because the principle of timing estimation and ranging is the same on the whole, so two kinds of timing estimation techniques, one is based on the circle

目 录

摘 要............................................................................................................................. II 目 录............................................................................................................................ IV 1 概 述.................................................................................................................... 1

1．1 PLC的应用领域.......................................................................................... 1 1．2变频器的分类................................................................................................ 2 1．3本课题的意义................................................................................................ 3 2 应用器件的介绍.................................................................................................. 4

2．1 PLC的工作原理和结构................................................................................ 4 2．2 A/D转换器、D/A转换器的作用与原理..................................................... 6 2.3 变频器的工作原理及其组成结构............................................................... 7 2．4触摸屏的作用与工作原理............................................................................ 8 2．5 PID的的作用................................................................................................ 8 3 总体组合电路的设计.......................................................................................... 10

3．1总体结构设计图.......................................................................................... 10 3．2设计器件的选用.......................................................................................... 11 3．3软件编程设计.............................................................................................. 14

3．3．1 2DA转换器的程序....................................................................... 14 3．3．2 2AD转换器的程序与PID调节程序........................................... 15 3．4触摸屏设计.................................................................................................. 18 总 结.......................................................................................................................... 20 致 谢.......................................................................................................................... 21

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参考文献...................................................................................................................... 22

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1 概 述

1．1 PLC的应用领域

作为通用工业控制计算机，30多年来，可编程控制器从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃，其功能从弱到强，实现了逻辑控制的到数字控制的进步，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、过程控制及离散控制等各种任务的跨越。今天的可编程控制器正在成为工业领域的主流控制设备，在世界工业控制中发挥着越来越大的作用。

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算的电子装置。它采用可编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，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。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 〔一〕

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，环保文化娱乐等各个行业。使用情况可分为下列几类：开关量的逻辑控制

它PLC最基本的功能、最广泛的应用领域，取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，即可用于单台设备的控制，又可以用于多机群控及自动化流水线。所控制的逻辑可以是各种各样的，如时序的、组合的、计数的、不计数的等，控制的输入输出的点数可以不受限制，少则10点、几十点、多则成千上万点，并可以通过联网来实现控制。 〔二〕

模拟量的闭环控制

PLC具有A/D、D/A转换算术运算功能，因此可实现模拟量控制，有的PLC还具有PID调节控制或模糊控制的功能。可用于闭环的位置控制速度控制和过程控制。 〔三〕

数字量的智能控制

利用PLC能接收和输出高速脉冲的功能，在配置相应的传感装置（如旋转编码器）或脉冲伺服装置（如环行分配器、公放、步进电机）就能实现数字量的

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智能控制。较高级的PLC还专门开发了位控单元模块、运动单元模块等。可实现曲线插补。新开发的运动单元还能识别数控技术的编程语言，为PLC进行数字量的智能控制提供了方便。 〔四〕

数据采集与监控

PLC实现控制时，可把现场的数据实时的显示出来或采集保存下来，供进一步的分析研究。较普遍使用的是PLC加上触摸屏，可随时观察采集来的数据。 〔五〕

通讯、联网及离散控制：

PLC通讯联网能力很强 ，除了PLC和PLC之间的通信联网外，PLC还可以与计算机进行通讯联网，计算机来实现对其编程和管理。PLC还可以与计算机进行联网通讯，计算机来实现对其编程和管理。PLC也能与智能仪表，智能执行装置（如变频器的）进行通信和联网，互相交换数据并对其实施控制。

1．2变频器的分类

变频器在国民经济的各部门得到了广泛的应用。从使用对象的角度，变频器可分为通用变频器和专用变频器。专用变频器用于特定的控制对象，例如机床的主轴、进给部分的控制器等。通用变频器是相对专用变频器而言的，我们通常把系列化、批量化、占市场量最大的中小功率变频器称为通用变频器。通用一词有两方面含义：一是这种变频器可用以驱动通用性交流电机，而不一定使用专用变频电机；二是通用变频器具有各种可供选择的功能，能适应许多不同性质的负载机械。由于通用变频器强调通用性，其性能可以满足大多数生产机械调速控制的需要，而且比专用变频器价格便宜，所以它适用于不同的场合。通用变频器和异步电机结合起来，实现了对生产机械的调速传动控制，在很多文献中都简单的称其为变频器传动。变频器传动具有它固有的优势，应用到不同的生产机械或设备上，可以体现出的功能，达到不同的目的，收到相应的效益。在一切需要进行速度控制的场合，变频器传动以其操作方便、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，它的优越性已带来了巨大的社会效益和经济效益。

静止式变频器从主电路的结构形式上又可分为两种：交-直-交型和交-交型。 （1）交-直-交型变频器：它根据直流部分电流，电压的不同形式，又可分为电压型和电流型两种。由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流

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电功率，所以其主要优点是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响，它主要适用于中、小容量的交流传动系统。与其相比，电流型变频器施加于负载上的电流值稳定不变，其特性类似于电流源，它主要应用在大容量的电机传动系统以及大容量风机、泵类节能调速中。

（2）交-交型变频器：它的功能是把一种频率的电直接变成另一种频率的交流电。由于中间不经过直流环节，不需换流，因而多用于低速大功率系统中，如回转窑，轧钢机等。但这种控制方式决定了最高输出频率只能达到电源频率的1/3~1/2，所以不能高速运行。

1．3本课题的意义

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。

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2 应用器件的介绍

2．1 PLC的工作原理和结构

可编程控制器的工作原理与计算机的工作原理基本上是一致的。但PLC装入了专用程序后成为一种专用机，它采用循环扫描的方式，系统工作任务管理，及应用程序执行都是循环扫描方式来完成的。

PLC系统正常工作所要完成的任务如下： 1． 计算机内部各个工作单元的调度，监控； 2． 计算机与外部设备间的通讯； 3． 用户程序所要完成的工作；

PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”作为编程语言。梯形图、语句表和控制系统流程图等是PLC常用的编程语言。有些PLC还尝试使用高级语言编程。在使用PLC进行顺序控制时，首先应根据控制动作的顺序，画出梯形图，然后将其翻译成相应的PLC指令，用编程器将程序写入PLC的内存RAM中，对程序进行调试，发现错误可用变成器进行修改，直到程序调试正确无误为止。最后将程序写到PLC的只读存储器EEPROM中。PLC投入运行后，便进入程序执行过程。在一个扫描周期内，程序执行过程分3个阶段：输入采样、程序执行和输出刷新。在输入采样阶段，PLC以扫描方式将所有输入端的输入信号读到输入映像寄存器中存起来，接着转人程序执行阶段。在程序执行阶段，PLC 按照顺序进行扫描，如果程序是用梯形图来表示，则扫描顺序总是先上后下，先做后右。每扫描到一条指令，所需的状态分别从输入映像寄存器中读出，而将执行结果写入元素影响寄存器中当程序执行完后，进入最后一个阶段----输出刷新。将元素映像寄存器中的所有输出继电器的状态转存到输出琐存电路，驱动用户设备（或负载）工作。PLC寄存器EEPROM的程序随时可以擦除和修改。如果改变程序外部端口接线，有可以重新组成一个新的系统。

PLC是在 继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的，并逐步发展成以微处理器为核心的，把自动化技术、计算机技术、通讯技术容为一体的新型工业自动控制装置。早期的PLC只能进行逻辑控制、还能完成模拟量的控制、数值控制、

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过程监控和通信联网等功能。PLC因具有程序可变、可靠性高、功能强、环境适应性好、抗干扰能力强、体积小和重量轻等特点而在机电一体化系统中得到广泛的应用。

编程器 显示器 编程接口 CPU中央处理器 存储器 RAM ROM 图2-1PLC的系统框图

开关量I/O模拟量I/O通讯等接口 控制对象 工业控制计算机（PLC）其硬件结构主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）输入输出器件（I/O）接口、电源及编程设备几大部分组成。

中央处理器是可编程控制器的核心，他在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统工作等任务。可编程控制器中采用的CPU一般有3大类，一类通用微处理器、一类为单片机芯片、还有位处理器。一般来说CPU的位数越高，档次越高，运算速度越快，指令功能越强。现在常用的可编程控制器多为8位或16位机，一般中型的PLC有2个CPU，字处理器和位处理器。

存储器是可编程控制器存放系统程序，用户程序及运算数据的单元。和一般计算机一样，可编程控制器的存储器只有只读存储器（ROM）和随机读写存储器（RAM）只读存储器是用来保持那些需永久保存，即使机器掉电也后也保存程序即数据的存储器。一般分为掩膜只读存储器和可编程电改写只读存储器。只读存储器用来存放系统程序。随即读写存储器的特点是写入与擦除都很容易，但在掉电情况下存储器的数据就会丢失，一般用来存放用户与系统运行中产生的临时数据，为了能使用户程序及某些运算数据在可编程控制器脱离外界电源后也能保持，在实际使用中都为一些重要的随机读写存储器配备电池或电容等掉电保持装置。

输入输出接口是可编程控制器和工业控制现场个类信号连接的部分。

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