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PLC控制变频调速系统设计与调试设计报告

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2020年4月19日
文档仅供参考
摘要
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，并经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在中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。
现代社会越来越多的要求机械的自动化，随着社会的发展机器的自动也是一项必须的要求，这里就要求有位置得精确和时间的精确。电机的运动速度就是现代社会电机的一大问题，这里就对利用变频器对电机调速进行简单的设计，来满足用户对电机多方面的速度的要求。
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重复实践，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。经过这次课程设计，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。
关键字：PLC、变频器

目录
1课程设计内容及PLC初步了解 1
1.1 设计要求 1
1.2 设计任务和目的 1
1.3 系统控制要求 1
1.4 PLC简介 2
1.4.1PLC的基本概念 2
1.4.2 PLC的基本结构 2
1.4.3 PLC的工作原理 3
2 总体设计方案 5
2.2选择机型 6
3 硬件部分设计 7
3.1 系统主电路图 7
3.2系统控制电路图 7
3.3 PLC的外围接线以及各部分细节 8
3.3.1 PLC的外围接线 8
3.3.2 单个单元的细节接线 9
3.4 电压输出规格 10
3.5 变频器参数设置表 10
4 软件部分设计 11
4.1 设计步骤 11
4.2程序的主体 11
4.3 控制程序 11
4.3.1初始化变量及判断按键和锁定相应的状态位 11
4.3.2 0-25秒上升子程序 13
4.3.3 25-35秒平衡子程序 14
4.3.4 35-40秒下降子程序 15
4.3.5 40-60 秒平衡子程序 15
4.3.6 60-65秒下降子程序 15
4.3.7 有循环位时启动下一次循环子程序 16
4.3.8 外部电压给定子程序 16
4.4 控制程序T形图 16
5 调试过程及结果 23
5.1 调试过程 23
5.2 调试结果 23
6元器件清单 24
7心得体会 25
参考文献 26

1课程设计内容及PLC初步了解
1.1 设计要求
1.确定控制方案，选择PLC和变频器。
2.画出电气控制线路原理图。
3.设计程序
4.完成PLC控制系统梯形图软件及其语句表的编制任务。
5.在实验室条件下，经过试验调试初步验证其程序的正确性。
1.2 设计任务和目的
1.了解PLC控制变频调速系统。
2.了解S7-200系列CPU加MM440变频器参数设置。
3.了解电气控制系统设计的基本原则、内容与一般步骤。
4.掌握PLC控制变频调速系统调试基本过程及方法。
1.3 系统控制要求
1.变频调速器受0~10V输入电压控制；
0V输出频率为0HZ，对应同步转速为0 r/min；
5V输出频率为50HZ，对应同步转速为1500 r/min；
10V输出频率为100HZ，对应同步转速为3000 r/min；
输入电压与输出频率按线性关系变化。
2.要求输出转速按函数变化，请编写梯形图控制程序，并完成调试。

图1.1 转速与时间的函数关系
3. 改变输出转速~时间的变化函数，重复上述过程. 

1.4 PLC简介
1.4.1PLC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，并经过数字式、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”。从上述定义能够看出，PLC是一种用于程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能完成各种各样的控制能力外，还有与其它计算机通行联网的功能。
1.4.2 PLC的基本结构
如图3.1.1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，能够将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，她的体积小、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。

图1.2 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）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，她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
输入模块和输出模块简称I/O模块，她们相当于人的眼、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能够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。
1.4.3 PLC的工作原理
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要重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。
1、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
2、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
（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
3、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。
图3.1.2所示为一小型PLC的典型工作过程

图1.3小型PLC的典型工作过程

2 总体设计方案
本次设计是实现控制变频调速系统，选用PLC和变频器的组合可完成数字量的输入，实现模拟量和数字量的输出控制。能够经过控制PLC模拟端的电压输出的大小来控制变频器的电压给定信号来改变变频器输出频率大小来实现对电机运转速度的控制，使得速度变化更加平滑和实现精确调速。而且能够经过改变PLC内部程序的参数来改变电压输出的波形和大小。实现自动和人工相互切换的控制过程。
2.1 控制系统的I/0点分析
输入
输出
外部开关
内部地址
实现功能
内部地址
驱动功能
SBF0
I0.0
启动plc单环输出电压
Q0.0
电压单环输出状态显示
SBF1
I0.1
启动plc循环输出电压
Q0.1
电机循环输出状态显示
SBF2
I0.2
停止输出
Q0.2
电机频率由外部给定状态显示
SBF3
I0.3
外部给定输出
Q0.3
非外部给定电压时电压上升状态显示
SBF4
I0.4
将电机接入变频器输出端
Q0.4
非外部给定电压时电压平衡状态显示
SBF5
I0.5
将电机切除变频器输出端
Q0.5
非外部给定电压时电压下降状态显示
SBF6
I0.6
控制变频器输出电机正转
Q0.6
控制电机接入变频器输出信号
SBF7
I0.7
控制变频器输出电机反转
Q0.7
控制电机切除变频器输出信号

AIW0
外部电压给定信号
Q1.0
输出控制变频器输出电机正转信号

Q1.1
输出控制变频器输出电机反转信号

AQW0
电压输出信号
表格2.1控制系统I/0分配图

2.2选择机型
本次设计采用西门子S7-200系列PLC进行控制，从以上分析能够知道，该系统只需开关量输入点8个，数字量输出点10个，还有一个模拟量输入和一个模拟量输出点，因此要接入一个模拟量模块。这次设计选用EM235CN作为模拟量模块。参照西门子S7-200产品目录及市场实际价格，选用主机为CPU224(2个模拟量输入，1个模拟量输出)，本系统变频器采用西门子MM440通用变频器。电机型号不选（电机性型号决定变频器内部的参数的初始化字，不同的电机对与不同的参数设置。这里不对电机选型不对变频器参数设置）。
CPU224模块I/O总点数为24点（14/10点），可带7个扩展模块；用户程序存储器容量为4K字；内置高速计数器，具有PID控制的功能；有2个高速脉冲输出端和1个RS-485通讯口；具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由口协议的通讯能力。

3 硬件部分设计
3.1 系统主电路图

图3.1系统主电路图
PLC控制Q0.6和Q0.7来接入和切除电机的接入变频器的状态（电气连接图右）
3.2系统控制电路图
由于plc内部对各个开关已经进行相互的互锁和自锁设计因此在外部电气连接图上就相应的简单，不应对其进行各种复杂的互锁和自锁设计，各个输出信号直接控制相应的开关就能够。
3.3 PLC的外围接线以及各部分细节
3.3.1 PLC的外围接线
24V

图3.2 PLC的外围接线原理图
这样将开关和状态灯接入电路中，上图的24V电源是有变压器输出的。L和M是PLC本身的24V输出。
输入和输出部分作为例子，其它的接线相同，不再一一接出。变压器驱动
数字量输出
开关量
用灯的亮灭来显示变频状态
万用表测量电压输出
模拟量输出
给plc接入电源
实际接线图如下：图3.3 外围接实际线图

3.3.2 单个单元的细节接线
开关量：用常开触点，每个状态都要人工给定，内部的触点结构如下：
F

A
B

图3.4按键接触点原理图
当F按下A和B接触将两边的导线接通就形成常开触点，中间的轴上有弹簧当力消失时A和B断开，外部导线断开。由于试验用开关是一个按钮接有常开和常闭两个开关，需要进行检测，方法是，用万用表的二极管档位，将两根导线连接当导线是联通的时候，万用表会发出声音，这样就知道现在这两根导线是联通的。这样就能够检测导线的联通行了。
24V

按照上面的实际连接图连接硬件电路。
这里没有一些电机正转很反转控制开关和状态开关，以及其接线电路。能够有如下的接线 将各个信号接入实际的工程。
Q
M

地 电源
图3.5外围驱动原理图
3.4 电压输出规格

图3.6输出规格图
如果设置值超过下面提供的规定，将发生输出设置错误，并将输出有输出保持功能规定的输出量。变频器按照线性输出频率设置。EM235模拟输出电压设定为0~10 V.对应的频率输出范围位0~3000Hz。EM235内部数据量对应外

部电压输出也位线性输出变化。3 对应10V，内部数字对应外部电压计算如下：
V=x/3 *10 3.4.1
3.5 变频器参数设置表
3000

图3.7变频器参数设置图
4 软件部分设计
4.1 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；
(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。
4.2程序的主体
1. 初始化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
4.3 控制程序
4.3.1初始化变量及判断按键和锁定相应的状态位
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 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
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
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
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
4.3.2 0-25秒上升子程序
网络11
LD M0.0
O M0.1
AN M1.0
TON T32, 1
网络12
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
4.3.3 25-35秒平衡子程序
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 M3.4
O M3.2
AN M3.6
= M3.2
4.3.4 35-40秒下降子程序
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
4.3.5 40-60 秒平衡子程序
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
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
4.3.6 60-65秒下降子程序
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
= 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
4.3.7 有循环位时启动下一次循环子程序
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
4.3.8 外部电压给定子程序
网络28
LD M0.3
A SM0.6 //数据传送频率
MOVW AIW0, AQW0
4.4 控制程序T形图

5 调试过程及结果
5.1 调试过程
1. 先将PLC程序传入S7-200PLC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。
5.2 调试结果
系统按照给定的时间函数连续循环运行，如图所示，由此说明系统设计合理可靠，此设计完全符合设计要求。

图 13 调试结果

6元器件清单

7心得体会
经过本次课程设计，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，可是经过她们的编程思路，我们能够借鉴到自己的S7-200程序中，编程序的过程中遇到了很多问题，经过不断的问同学，重复的思考，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更多。由于本人资历有限，可能还有一些没有注意到的问题，还请老师赐教，深表感谢！

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
[2]王永华 .现代电气控制及PLC应用技术 北京航空航天大学出版社
[3]谢克明等主编．可编程控制器原理与程序设计[M]．电子工业出版社. ．8．28
[4]肖清.王忠锋.西门子PLC课程设计指导书 江西理工大学应用科学学院