基于S-PLC的厂用气管网压力控制系统设计(完整版).doc

基于S PLC的厂用气管网压力控制系统设计（完整版）
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摘 要
本设计介绍了以S7-200PLC为核心的管网压力控制系统的组成及工作原理，阐明了变速积分PID控制算法在管网压力控制系统中的应用，并给出了系统的硬件与软件设计的实现方法。在A/D转换中，使用了模拟量输入模块EM231。在D/A转换中用了模拟量输出模块EM232,可以实现输出0~5V的输出电压。硬件设计由主电路和控制电路两部分完成，软件设计中对A/D转换过来的数字信号进行变速积分PID控制。这种控制方法特点是，当偏差大时积分累积速度慢，积分作用减弱；偏差小时，积分累积速度快，积分作用增强。这样能满足系统准确性的要求。
关键词： 变速积分；压力控制系统；S7-200PLC；PID控制

Abstract
The paper introduces the composition and work principles of pipe network control system ,based on S7-200PLC. It illustrates the application of PID with variable integral action in air pipe network pressure control system.The design of hardware and software are introduced too. It uses analog input module EM231 in A/D transition and analog output EM232 in D/A transition. In D/A transition this module can be output 0~5 voltage. Hardware introduces the design of main circuit and control circuit. In design of software, it finishes PID control for digital signals produceing in A/D transition. The characteristic of this control method is, when the warp is big the integral rate will be slow, and the integral effect would be weaken; but when the warp is small the integral rate will fast, and the integral effect would be toned up. In this way it can satisfy the veracity of this system.
Key words: Variable Integral action; Pressure control system; S7-200PLC; PID control.

目录

摘 要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1 变频器技术的发展 1
1.2 空气压缩机系统控制 1
1.3 供气系统压力控制 2
1.3.1 加﹑卸载供气控制 2
1.3.2 转速控制 2
1.4 本设计的目的和意义 2
第二章 设计任务、要求及参数 4
2.1 毕业设计的技术背景和设计依据 4
2.2 毕业设计的任务 4
2.3 毕业设计的主要内容、功能及技术指标 5
第三章 系统方案设计 6
3.1 系统工作原理 6
3.2 方案的比较 6
3.3 方案的确定 7
3.3.1 设计思想 7
3.3.2 工作原理 8
第四章 硬件设计 9
4.1 可编程控制器介绍 9
4.1.1 可编程控制器的工作原理 9
4.1.2 可编程控制器的主要性能指标 11
4.1.3 可编程控制器的设计原则 11
4.1.4 S7-200PLC介绍 12
4.2 主电路设计 14
4.2.1 变频器部分 14
4.2.2 软起动部分 21
4.3 控制电路设计 27
4.3.1 模拟量控制系统设计 27
4.3.2 PLC控制部分 28
4.4 S7-200PLC与计算机的通信 31
4.5 变频器与PLC的通信 31
4.6 压力传感器的介绍 32
4.6.1 力/压力敏传感器 32
4.6.2 CYB—20S普通型压力传感器 33
4.7 压缩机的主要种类 35
4.7.1 Mattei 滑片机特点 35
4.7.2 所选压缩机的技术性能指标 35
4.8 元器件选择 36
4.8.1断路器 36
4.8.2接触器 36
4.8.3电磁式继电器 36
4.8.4 热继电器 37
4.8.5 熔断器 38
第五章 软件设计 39
5.1 程序设计思想 39
5.2 程序流程图 40
5.2.1 主程序流程图 40
5.2.2 变速积分PID程序流程图 41
5.3 地址分配 42
总 结 43
参考文献 44
外文原文与译文 45
致 谢 77
附录一 78
元器件清单 78
附录二 80
程序清单 80

第一章 绪论
1.1 变频器技术的发展
近20年来，虽然以功率晶体管(GTR)作为逆变器功率器件﹑8位微处理器为控制核心，按压频比(U/F)控制原理实现异步电动机调速的变频器，在性能和品种上出现了巨大的技术进步，但下列技术的进步，使变频调速技术进一步得到提升：其一，所有的电力电子器件GTR已基本上为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)所替代，进而广泛采用性能更为完善的智能功率模块(IPM)，使得变频器的容量和电压等级不断的扩大和提高；其二，8位处理器基本上为16位微处理器所替代，进而有采用功能更强的32位微处理器或双CPU，使得变频器的功能从单一的变频调速功能发展为含有逻辑和智能控制的综合功能；其三，在改善压频比控制性能的同时，推出能实现矢量控制和转矩直接控制的变频器，使得变频器不仅能实现宽调速，还可实现伺服控制．
变频器技术的发展得益于微电子和电力电子技术的发展以及异步电动机控制理论的发展,也来自市场的巨大推动力．一般在占工业用电50%~60%的风机﹑泵和压缩机等通用机械上使用变频调速装置，将可节电30%左右，因此有着巨大的市场潜力．以变频器为核心的工业传动控制装置仍在持续发展．交流变频调速装置取代直流调速装置已成为必然趋势．由于变频器销量不断扩大，形成批量生产，价格下调，相同容量的交流变频器与直流调速装置的价格已经接近，能为拥护所接受．而且在一些生产机械上，使用的变频调速已成为这些机械更新换代的一种标志．
1.2 空气压缩机系统控制
空气压缩机主电机运行方式为星-角降压起动后全压运行，供气系统具体工作流程为：当按下启动按钮，控制系统接通启动器线圈并打开断油阀，空压机在卸载模式下启动，这时进气阀处于关闭位置，而放气阀打开以排放油气分离器内的压力。等降压n秒（由时间继电器控制）后空压机开始加载运行，系统压力开始上升。如果系统压力上升到压力开关上限值，即起跳压力，控制器使进气阀关闭，油气分离器放气，压缩机空载运行，直到系统压力降到压力开关下限值后，即回跳压力下，控制器使进气阀打开，油气分离器放气阀关闭，压缩机打开，油气分离器放气阀关闭，压缩机满载运行。
1.3 供气系统压力控制
在管道供气系统中，最基本的控制对象是流量，供气系统的基本任务就是要满足用户对流量的需求。目前，常见的气体流量控制方式有加、卸载供气控制方式和转速控制方式两种。
加﹑卸载供气控制
加、卸载供气控制方式即为进气阀开关控制方式，即压力达到上限时关阀，压缩机进人轻载运行；压力抵达下限时开阀，压缩机进入满载运行。
由于空压机不能排除在满负荷状态下长时间运行的可能性，所以只能按最大需要来决定电动机的容量，设计余量一般偏大。工频起动设备时的冲击大，电机轴承的磨损大，所以设备维护量大。虽然都是降压启动，但起动时的电流仍然很大，会影响电网的稳定及其它用电设备的运行安全，而且大多数是连续运行，由于一般空气压缩机的拖动电机本身不能调速，因此就不能直接使用压力或流量的变动来实现降速调节输出功率的匹配，电机不允许频繁启动，导致在用气量少的时候电机仍然要空载运行，电能浪费巨大。
　　经常卸载和加载导致整个气网压力经常变化，不能保持恒定的工作压力延长压缩机的使用寿命。空压机的有些调节方式（如调节阀门或调节卸载等方式）即使在需要流量较小的情况下，由于电机转速不变，电机功率下降幅度比较小。　
1.3.2 转速控制
即通过改变空压机的转速来调节流量，而阀门的开度保持不变（一般保持最大开度）。当空压机转速改变时，供气系统的扬程特性随之改变，而管阻特性不变。
在这种控制方式下，通过变频调速技术改变空压机电机的转速，空压机的供气流量可随着用气流量的改变而改变，达到真正的供需平衡，在节能的同时，也可使整个系统达到最佳工作效率。变频器基于交一直一交电源变换原理，可根据控制对象的需要输出频率连续可调的交流电压。电动机转速与电源频率成正比，因此，用变频器输出频率可调的交流电压作为空压机电动机的电源电压，可方便地改变空压机的转速。
1.4 本设计的目的和意义
将变频调速技术引入空气压缩机领域，是近几年来各空压机厂家研究的重要课题。各大牌专业空压机供应商都推出了自己变频空压机产品，并迅速在其高端市场具有很不错的表现。但目前，大量的工频空压机的应用非常普遍，因此，空压机的改造市场非常巨大。
本设计主要目的是通过变频器控制电机转速，以达到管网供气压力恒定．流量是供气系统的基本控制对象，供气流量需要随时满足用气流量。在供气系统中，储气管中的气压能够充分反映供气能力与用气需求之间的关系：
若 供气流量 > 用气流量 → 储气管气压上升
若 供气流量 < 用气流量 → 储气管气压下降
若 供气流量 = 用气流量 → 储气管气压不变
所以，保持管道中的气压恒定，就可保证该处供气能力恰好满足用气需求，这就是恒压供气系统所要达到的目的。
同时采用变频器控制空压机的转速也可以实现节能。
根据空压机运行特性知：

式中 Q———空压机供给管网风量；
H———管网压力；
P———电机消耗功率；
n———空压机转速。
由上式可知，当电机转速降至额定转速的80%，则空压机供给管网风量降为80%，管网压力降为（80%）2，电机消耗功率则降为（80%）3，即51.2%，去除电机机械损耗和电机铜、铁损耗等影响，节能效率也接近40%，这就是调速节能的原理所在。
在供气系统中接入变频节能系统，利用变频技术改变空压机转速来调节管道中的流量，以取代阀门调节方式，能取得明显的节能效果，一般节电率都在30％以上。另外，变频器的软启动功能及平滑调速的特点可实现对流量的平稳调节，同时减少启动冲击并延长机组及管组的使用寿命。

第二章 设计任务、要求及参数
2.1 毕业设计的技术背景和设计依据
压缩空气作为动力源已经有一个多世纪的历史了。它的原料是自然界中取之不尽、用之不竭的空气，并有安全的优点。随着科学技术的发展，压缩空气越来越多地应用于控制技术、表面加工处理等方面，尤其是用于直接或间接接触生产资料的一些工作过程。这样，人们对压缩空气的品质就有了进一步的要求。同时，为了保护环境，还要求空气压缩机对环境的影响最小，并能最大程度地符合各种环境条件等。
该系统主要工作原理为：采用远传压力表进行压力检测，将采集到的压力信号转换为模拟信号（0—5V），经A/D转换，PLC将对转换成的数字信号进行运算处理，处理后的信号经过D/A转换后输出模拟信号，而此模拟信号将作为变频器的控制信号来控制变频器输出的频率，从而达到调节空气压缩机的转速，使空气压缩机的排气量随着车间用气量的变化而变化，从而保证管网压力的恒定。
在本设计系统硬件以S7—200PLC为核心，主要有以下几个模块组成：输入模块（传感器，模拟开关）、显示模块、输出控制电路以及通信模块等。设计中主要用到的器件是S7—200PLC，三菱变频器，压力变送器，以及空气压缩机。
2.2 毕业设计的任务
1、熟悉题目要求，通过查阅相关科技文献,初步拟定设计方案；
2、对所选方案论证与确定、并进行技术经济分析；
3、用1号图纸绘出详细的主回路电路图和控制电路图；
4、对主电路电气装置及电器元件的选型要有简单的计算书；
5、要有详细的硬件清单；
6、编写控制软件（软件清单和框图）；
7、详细的设计说明书；
8、翻译一篇与自己所学专业或设计有关的英文资料（英译汉）。
2.3 毕业设计的主要内容、功能及技术指标
1、设计出符合要求的控制系统；
2、利用S7—200PLC控制实现管网空气压力控制系统；
3、压力范围7±0.5Mpa；
4、压缩机电机参数：3AC 380V 22KW

第三章 系统方案设计
3.1 系统工作原理
压力控制系统的结构框图如下图2.1所示：

压力传感器
S7-200PLC
变频器

管 网
空气压缩机
电动机

图2.1 压力控制系统结构框图

压力闭环控制系统的硬件由压力变送器、交流变频调速器、空气压缩机、PLC控制电路组成。压力变送器将管网压力P为电信号送给PID智能调节器，与压力设定值P0作比较，并根据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算，产生控制信号送变频调速器，通过变频器控制电机的工作频率与转速，从而使实际压力P始终接近设定压力P0，维持管网压力恒定。
3.2 方案的比较
在管网压力的闭环控制系统中，控制部分可通过很多方案来实现。比如可编程逻辑控制器（PLC），单片机，模拟电路等。以下是本设计的两种方案：
方案一　单片机的优点是体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较容易。本设计可以以单片机为核心，配以辅助控制、通信、检测等模块电路实现诸多控制功能。为满足所设计装置的高稳定性和强抗干扰性要求，其中单片机最好选用多功能集成芯片，以使设计硬件电路尽量简化，提高可靠性。
方案二　在目前的工业自动化控制、大功率场合中，PLC以极高的性能价格比受到越来越多的人们的重视和关注，所以应用很广，发展很快。系统所要求的控制功能可以由PLC来完成。PLC可根据电流保护要求适时输出，控制断路器的脱扣跳闸装置完成保护动作。
基于工业控制大功率场合方面的考虑，我们排除了方案一，因为单片机更适合于家用电器﹑智能仪表等的控制。综合比较两种方案，从可实现性，大功率方面考虑，方案二较方案一适合。
本设计的选用的可编程控制器为SIMATIC S7-200．SIMATIC S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能价格比。
　　S7-200系列出色表现在以下几个方面：极高的可靠性﹑极丰富的指令集﹑易于掌握﹑便捷的操作﹑丰富的内置集成功能﹑实时特性﹑强劲的通讯能力﹑丰富的扩展模块．
　　本系统控制的压力范围为7MPa，且误差不超过±0.5MPa，所以我们最好能选出一款压力测量范围包括0.0~10Mpa，且输出最好为0~5V，这样正好符合A/D转换器输入要求。这种类型的压力传感器很多，很容易选型。这里选用普通型压力变送器CYB—20S型压力传感器，其输出信号为0~5V/ 4~20 mA/1~5V。
（注：如果需要对压力值的大小显示，我们可以直接用数字显示的压力传感器。）
空气压缩机作为控制对象，其电能消耗约占总消耗的80%。因此，高效和节能成为我们首要考虑的方面，Mattei滑片机的优越性能正好符合我们的要求．其优越的性能将在第四章硬件设计中的滑片机部分详细介绍。
变频器我们选用三菱变频器FR-A540-22K-CH．
3.3 方案的确定
设计思想
通过上述方案比较和技术经济分析，最后选定PLC来设计管网压力控制系统。设计思想如下：
流量是供气系统的基本控制对象，供气流量需要随时满足用气流量。在供气系统中，储气管中的气压能够充分反映供气能力与用气需求之间的关系：
若 供气流量 > 用气流量 → 储气管气压上升
若 供气流量 < 用气流量 → 储气管气压下降
若 供气流量 = 用气流量 → 储气管气压不变
所以，保持管道中的气压恒定，就可保证该处供气能力恰好满足用气需求，这就是恒压供气系统所要达到的目的。
变频调速系统将管网压力作为控制对象，装在储气罐出气口的压力变送器将储气罐的压力转变为电信号送给变频器内部的PID调节器，与压力给定值进行比较，并根据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算，产生控制信号去控制变频器的输出电压和逆变频率，调整电动机的转速，从而使实际压力始终维持在给定压力。另外，采用该设计思想后，空气压缩机电动机从静止到稳定转速可由变频器实现软启动，避免了起动时的大电流和起动给空气压缩机带来的机械冲击。正常情况下，空气压缩机在变频器调速控制方式下工作。变频器一旦出现故障，生产工艺不允许空气压缩机停机，因此，系统设置了工频与变频切换功能，即当变频器出现故障时，起动另一台电动机进行工频运行，这样，可由工频电源通过接触器直接供电，使空气压缩机照常工作。
整个控制过程如下：
用气需求↑ —— 管路气压↓—— 压力设定值与返馈值的差值↑ —— PID输出↑ —— 变频器输出频率↑ —— 空压机电机转速↑ —— 供气流量↑—— 管路气压趋于稳定
特别注意，在压力容差范围内变频器的PID不调节，即保持输出频率不变。
工作原理
该系统有手动和自动两种运行方式：
⑴. 手动运行
　　按下按钮启动或停止电机，可根据需要分别控制变频和工频的运行。该方式主要供检修及变频器故障时用。
⑵. 自动运行
　　合上自动开关后，1#电机通电，变频器输出频率从0Hz上升，同时PID调节器接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，控制管网压力恒定。
　　变频自动功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对空气压缩机起动、停止、循环变频的全部操作过程。
当出现变频器故障、压缩机故障时，系统皆能发出报警信号；特别是当出现变频器故障时，系统还会自动停止变频运行发出报警信号，并转至2#电机工频运行。

第四章 硬件设计
在本章，我们将对硬件系统中用到的各元器件作详细的介绍。其中包括各元件的性能指标，技术指标和部分元件的典型接法。硬件设计主要分为主电路和控制电路设计两部分．与硬件有关的设计有：
（1）确定系统输入元件（如按钮、指令开关、传感器等）和输出元件（如继电器、接触器、指示灯等）的型号。
（2）确定可编程控制器的输入和输出点。列表统计可编程控制器的输入信号和输出信号，在表中表明各信号的意义和类型，如信号是数字量还是模拟量，模拟信号的范围等。
（3）确定可编程控制器的型号和硬件配置。
（4）给各输入和输出变量分配地址。
（5）画出可编程控制器的外部硬件接线图。
4.1 可编程控制器介绍
可编程控制器是一种专门为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑计算、顺序控制、定时、计数和算术运算等指令，并能通过数字式﹑模拟式的输入和输出，控制类型的机械和生产的过程。
可编程控制器的工作原理
CPU的扫描周期
PLC的CPU连续执行用户程序、完成控制功能是以扫描工作方式进行的。所谓扫描工作方式，即CPU从程序段的第一句顺序读取顺序执行，直至最后一句。CPU在扫描周期中，要完成的任务：
输入处理阶段
执行程序
处理通讯请求
执行CPU自诊断测试
输出处理阶段
（1）输入处理阶段
每次扫描周期开始时，先读数字输入点的当前值，然后把这些值写到输入映像寄存器中。
CPU以8位（1个字节）为增量的方法来保留输入映像寄存器。在每次扫描周期开始时，CPU会将映像寄存器中未使用的输入位清零。然而，CPU允许连接几个扩展模块，当未使用这种I/O扩展功能（即未安装扩展模块），可以用这些未使用的扩展输入位3作为附加的内部存储器标志位来使用。
（2）执行程序
在扫描周期的执行阶段里，CPU执行程序是从第一条指令开始，直到最后一条指令结束。不论在主程序或中断程序执行过程中，直接I/O指令允许你对输入点和输出点直接存取。
（3）处理通讯请求
在扫描周期的信息处理阶段，CPU处理从通讯接口接收到的任何信息。
（4）执行CPU的自诊断测试
在扫描周期中，CPU检查其硬件，以及用户存储器（仅在RUN模式下），它也检查所有I/O模块的状态。
（5）输出处理阶段
在每个扫描周期的结尾，CPU把存在输出映像寄存器中的数据输送给数字输出点。
CPU以一个字节（8位）为增量来保留输出映像寄存器。如果CPU或扩展模块不给物理输出点提供保留字节的每一位，则不能把这些位分配给I/O链中的后续模块。但是可以像使用内部存储器标志位那样来使用输出映像寄存器中没有使用的位。
（6）扫描周期中断
当中断事件发生时，CPU以异步扫描方式、根据中断优先级来处理中断。
（7）输入和输出映像寄存器
输入映像寄存器存储着对应位输入“继电器”的通/断状态，高电平“1”为通，低电平“0”为断。此处“继电器”是指由系统软件程序赋予其具有继电器功能的“软继电器”，而非真正的物理继电器。每位映像寄存器也对应着PLC每个实际输入端的通/断状态。输入映像寄存器的内容只能被PLC中的CPU读出，而不能被改写。
输出映像寄存器单元存储着对应位输出“寄存器”的状态。在执行用户程序时，输出映像寄存器既可被PLC的CPU读取，也可以被CPU改写。
（8）立即I/O
立即I/O指令允许对实际输入输出点直接存取。
可编程控制器的主要性能指标
（1）存储容量
系统程序存放在系统程序存储器中。这里所说的存储容量指的是用户程序存储器容量决定了PLC可以容纳的用户程序的长短，一般以字为单位来计算。
（2）输入/输出点数
I/O点数即PLC面板上连接输入、输出信号用的端子的个数，常称为“点数”，用输入点数与输出点数的和来表示。I/O点数越多，外部可接入的器件和输出的器件就越多，控制规模就越大。因此，I/O点数是衡量PLC性能的重要指标之一。
（3）扫描速度
扫描速度是指PLC执行程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标，一般以执行1KB所用的时间来衡量扫描速度。
（4）编程指令的种类和数量
这也是衡量PLC能力强弱的主要指标。编程指令种类及条数越多，其功能就越强，即处理能力和控制能力也就越强。
（5）扩展能力
PLC的扩展能力反映在以下两方面。大部分PLC用I/O扩展单元进行I/O点数的扩展，有的PLC可以使用各种功能模块进行功能的扩展。
（6）智能单元的数量
PLC不仅能够完成开关量的逻辑控制，而且利用智能单元可以完成模拟量控制、位置和速度控制以及通信联网等功能，智能单元种类的多少和功能的强弱是衡量PLC产品水平的一个重要指标。
可编程控制器的设计原则
任何一种电器控制系统都是为了实现被控对象的要求，以及提高生产效率和产品质量。在PLC的系统设计时也应该把这个问题放到首位。PLC系统设计应当遵循以下原则。
1．满足要求
最大限度的满足被控对象的控制要求，是设计控制系统的主要前提。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料。
2．安全可靠
要求设计者要考虑控制系统能够长期安全、可靠、稳定运。为了能做到这一点要求在系统设
在满足控制要求的计上、器件选择上、软件编程上要全面考虑。
3．经济实用前提下，一方面要注意不断地控制工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。
4．适应发展
在控制系统的设计时要考虑到今后的发展、完善。这就要求在选择PLC机型和输入/输出模块是，要适应发展的需要，要适当留有裕量。
﹡本设计采用S7-200作为控制器。
S7-200PLC介绍
SIMATIC S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
---- S7-200系列出色表现在以下几个方面：
--------* 极高的可靠性
--------* 极丰富的指令集
--------* 易于掌握
--------* 便捷的操作
--------* 丰富的内置集成功能
--------* 实时特性
--------* 强劲的通讯能力
--------* 丰富的扩展模块
----S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。
---- S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU供使用。
*CPU单元设计
集成的24V负载电源：可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU 221，222具有180mA输出， CPU 224，CPU 226分别输出280，400mA。可用作负载电源。
*不同的设备类型
CPU 221~226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。
*本机数字量输入/输出点
CPU 221具有6个输入点和4个输出点，CPU 222具有8个输入点和6个输出点，CPU 224具有14个输入点和10个输出点。CPU 226具有24个输入点和16个输出点。
*中断输入
允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。
*高速计数器
CPU 221/222
4个高速计数器（30KHz），可编程并具有复位输入，2个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接两个相位差为90°的A/B相增量编码器。
CPU224/226
6个高速计数器（30KHz），具有CPU221/222相同的功能。
CPU 222/224/226
可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。可使用仿真器（选件）对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序。
*模拟电位器
CPU221/222 1个
CPU224/226 2个
*脉冲输出
2路高频率脉冲输出（最大20KHz），用于控制步进电机或伺服电机实现定位任务。
*实时时钟
例如为信息加注时间标记，记录机器运行时间或对过程进行时间控制。
EEPROM存储器模块（选件）
可作为修改与拷贝程序的快速工具（无需编程器），并可进行辅助软件归档工作。
*电池模块
用于长时间数据后备。用户数据（如标志位状态，数据块，定时器，计数器）可通过内部的超级电容存贮大约5天。选用电池模块能延长存贮时间到200天（10年寿命）。电池模块插在存储器模块的卡槽中。
4.2 主电路设计
本设计的主电路由两部分组成，分别为变频器控制电机和软起动器控制电机两部分组成。
变频器部分
【1】变频器工作原理
变频器控制交流异步电机转速原理可用下式表示：
异步电动机的实际转速： (1)
式中 —电动机转速r/min； —同步转速r/min，(=)；
—电源频率； —电动机的磁极个数；
s---转差率，(s=) ;
从上式可以看出,如果能够有一个可以任意改变频率的电源,即可以通过改变该电源的频率来实现对异步电动机的调速控制。
【2】变频器的类别
1．按变换环节分
（1）交—交变频器 把频率固定的交流电源直接变成频率连续可调的交流电源。其主要优点就是没有中间直流环节，故变频效率高，但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的1/2以下，故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。
（2）交—直—交变频器 先把频率固定的交流电整成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电。由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此，在频率的调节范围，以及改善变频后电动机的特性等方面都有明显的优势。目前迅速普及应用的主要是这一种。
2．按电压的调制方式分
（1）PAM(脉幅调制) 变频器输出电压的大小通过改变直流电压的大小来进行调制。在中小容量变频器中，这种方式几近绝迹。
（2）PWM（脉宽调制） 变频器输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行调制。目前普遍应用的是占空比按正选弦规律安排的正弦波脉宽调制（SPWM）方式。
3. 按直流环节的储能方式分
电流型 直流环节的储能元件是电感线圈L
电压型 直流环节的储能元件是电容器C
U
V
W

R
S
T

R
S
T

U
V
W

LF CF

电流型与电压型的储能方式
a. 电流型 b. 电压型
﹡本设计使用三菱变频器。
【3】三菱变频器介绍
1．三菱变频器特点
三菱变频器是采用磁通矢量控制技术、PWM原理和智能功率模块（IPM）的高性能变频器，其功率范围为0.4~315KW。
三菱FR-A540变频器具有以下特点：
1) 用磁通矢量控制技术。在无速度传感器的开环控制下，调速范围为1：120；采用速度传感器的闭环控制下，调速范围为1：1000。低速旋转时转矩均匀。
2) 用Soft-PWM原理和智能功率模块(IPM)，使变频器输出波形更好，噪声更低，抗干扰性能更强。
3) 停电控制时减速停止功能，内置功能，变频/工频切换功能和顺序控制功能。
4) 符合国际标准的现场总线通讯功能。
5) 具有过电流、过载、过电压、欠电压、接地过电流、输出短路、失速防止等保护。
6) 风扇端子和控制端子的安装和维修简便。
7) 附设累计功率监视及累计运行时间监视功能，用户可分析节能效果。
本设计选择FR-A540-22K-CH 额定容量32.8KVA
额定电流 43A 适配电动机22KW
2．变频器的工作模式
三菱变频器的操作模式有“PU操作模式”、“外部操作模式”、“组合操作模式”和“内部通讯模式”。模式的选用应根据生产过程的控制要求和生产作业的现场条件等因素来确定，达到既满足控制要求，又能够以人为本的目的。本设计采用外部操作模式。
外部操作模式通常为出厂设定．这种模式通过外接的起动开关等产生外部信号，控制变频器的运行。
采用外部操作模式时，可通过设定“操作模式选择”参数Pr.79=3或0来实现。
起动信号：端子信号 STF
3.变频器的常见控制功能
起动控制 变频器控制的电动机起动除了应遵循电动机输出转矩大于负载转矩这一原则外，还应使电动机输出转矩与负载转矩交点的频率小于变频器设定的最大起动频率。电动机起动时，通常要考虑解决起动电流过大和机械冲击问题，因而要根据拖动系统及负载情况、控制要求和变频器控制模式，选择并设定恰当的起动频率和加速方式与时间。
（1）起动频率
选择并设定起动频率的原则是；在起动电流不超过允许值和拖动系统满足其他控制要求的前提下，系统能够顺利的尽快起动。
起动频率是指电动机开始起动时的频率，常用来表示。可以从0开始，而对于惯性较大或摩擦转矩较大的负载，需要加大起动转矩，也即应使起动频率加大至某一值，此时起动电流也较大。通常变频器都可以预先设定起动频率，需要值得注意的是，起动频率预置好后，小于该起动频率的运行频率将不能工作。
三菱FR-A540变频器的起动频率为参数Pr.13，设置范围为0~60HZ，最小设置单位为0.01HZ，出厂设定为0.5HZ。
（2）加速方式和加速时间
变频起动是通过控制定子电压和定子频率来获得所需的起动性能。根据工程的需要，起动时常有以下几种情况需要考虑：起动电流最小，或起动损耗最小，或起动时间最短。另外还要考虑避免过大的机械冲击，使起动过程缓和平滑等。根据通用变频器的功能，有以下几种起动方式可选择：限流加速、限时加速、S形加速。
（3）PID控制
大部分的通用变频器都自带有PID调节功能，有的变频器是需要附加选件才能具有该项功能的。变频器如进行PID控制，需要对相关参数进行设定。
P参数为比例增益，对执行量的瞬间变化有很大的影响。有些变频器是以比例范围给出该参数的：比例值增益=1/比例范围。
I参数为积分时间常数，该时间越小，到达给定值就越快，但也越容易引起振荡，积分作用一般使输出响应滞后。
D参数为微分时间常数，该时间越大，反馈的微小变化就越会引起较大的响应，微分作用一般使输出响应超前。
PID动作选择参数为Pr.128，设定范围为10、11、20、21.设定选择，当偏差量信号输入（端子1）时为10（负作用）、11（正作用）；当检测值输入（端子4）时为20（负作用）、21（正作用）]，出厂设定为10；PID比例常数参数为Pr.129设定范围为0.1%~1000%，最小设定范围为0.1%，出厂设定为100%；PID积分时间参数为Pr.130，设定范围为0.1~3600S，最小设定范围为0.1S，出厂设定为1S；上限参数为Pr.131，下限参数为Pr.132，设定范围为0~100%，最小设定范围为0.1%，出厂设定为9999；PU操作时的PID目标设定值参数为Pr.133，设定范围为0~100%，最小设定范围为0.01%，出厂设定为0%；PID微分时间参数为Pr.134，设定范围为0.01~10S，出厂设定为9999。参数Pr.129、Pr.30、Pr.131、Pr.132、Pr.134当设定为9999时，表示无效。
（4）自动再起动控制和瞬间停电再起动控制
当由工频切换到变频器运行或者瞬时掉电再恢复供电时，电动机可以保持自由运行状态（滑动）一小段时间，然后变频器再起动。当设定自动再起动时，报警信号中的UVT和IPT 在瞬时 掉电发生时将不动作。需要进行瞬时停电再起动或者工频电源与变频器逆变输出交流电切换时，应将端子CS-SD短接，并将再起动自由运行时间2参数Pr.57设定为除“9999”以外的瞬时掉电再起动自由运行时间。
再起动自由运行时间常数Pr.57，设定范围为0.15S，最小设定单位为0.1S，出厂