物料搅拌系统的plc控制变频调速系统设计

物料搅拌系统的PLC控制变频调速系统设计摘要随着电力电子技术以及控制技术的发展，使得交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用。搅拌作为工艺过程的基础操作单元,广泛应用于石油、化工、医药、食品、油漆、涂料等许多行业。所以，基于PLC可靠性高、抗干扰能力强、系统的设计和建造工作量小、维护方便、容易改造的特点,设计以PLC作为控制核心,结合变频器等完成物料搅拌的自动控制系统。在本系统中，为了实现能源的充分利用和生产的需要，需要对电机进行转速调节，考虑到电机的启动、运行、调速和制动的特性，采用髙功能性的通用变频器西门子MICROMASTER420，能很好的解决转速之间的切换和启动问题。系统中由PLC完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。本文首先介绍了课题的意义，综述了PLC技术、变频调速技术的发展概况。第二章详细的介绍了变频器的结构及其控制算法、变频调速的基本原理和变频调速的优点，然后介绍了西门子公司MM420变频器。第三章详细的介绍了PLC的基本构成和数据处理流程，然后详细的介绍了西门子公司S7300PLC及其编程特点。第四章详细的介绍了系统的结构，硬件配置和软件实现。关键词PLC；变频器；变频调速DESIGNOFACFREQUENCYCONVERSIONFORSPEEDADJUSTMENTCONTROLLEDBYPLCINMATERIALSMIXINGSYSTEMABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFELECTRICELECTRONTECHNOLOGYANDCONTROLLINGTECHNOLOGY,ACFREQUENCYCONVERSIONFORSPEEDADJUSTMENTTECHNOLOGYISUSEDWIDELYINMANYFIELDSMATERIALSMIXINGAREWIDELYUSEDINPETROLEUM,CHEMICAL,PHARMACEUTICAL,FOOD,PAINTS,COATINGSANDMANYOTHERINDUSTRIESASTHEBASISFORTHEOPERATINGUNITPLCISHIGHRELIABILITY,STRONGANTIJAMMINGCAPABILITYANDSMALLCONSTRUCTIONWORKLOAD,MAINTAINEDANDTRANSFORMEDCHARACTERISTICSEASILY,THEREFORE,ASTHECONTROLCOREDESIGN,COMBINEDWITHINVERTER,AUTOMATICCONTROLSYSTEMOFMATERIALSMIXINGISCOMPLETEDINTHISSYSTEM,INORDERTOACHIEVEFULLUTILIZATIONOFENERGYANDPRODUCTIONNEEDS,ADJUSTINGTHEMOTORSPEEDISNEEDED,WITHTAKINGINTOACCOUNTTHEMOTORSTART,RUN,SPEEDANDBRAKINGCHARACTERISTICSWEUSETHEMM420OFSIEMENSTRANSDUCERWHOSEFUNCTIONSOFADDINGORDECREASINGSPEEDINGINTHISSYSTEM,PLCISUSEDTOCOLLECTDATAFROMFIELDSANDCONTROLEQUIPMENTSSUCHASELECTROMOTORANDTRANSDUCERTHISPAPERFIRSTLYINTRODUCETHEMEANINGOFSUBJECTSSUMMARIZETHEDEVELOPMENTOFPLCTECHNOLOGYANDACFREQUENCYCONVERSIONFORSPEEDADJUSTMENTINTHESECONDCHAPTER，WEINTRODUCETHESTRUCTUREOFTRANSDUCERARITHMETICOFCONTROLLING,BASICPRINCIPLE,THEADVANTAGEOFACFREQUENCYCONVERSIONFORSPEEDADJUSTMENTANDMM420TRANSDUCERINTHETHIRDCHAPTER,WEINTRODUCETHESTRUCTURE,CHARACTERISTICFLOWCHARTOFDATADISPOSALOFCONFIGURATIONSOFTWAREINDETAILANDPARTICULARLYINTRODUCETHESIEMENSS7300PLCANDCHARACTERISTICSOFSOFTWAREDESIGNINTHEFOURTHCHAPTER,WEINTRODUCETHESTRUCTUREANDTHEIMPLEMENTOFSOFTWAREINTHISSYSTEMKEYWORDSPLC,TRANSDUCER,ACFREQUENCYCONVERSIONFORSPEEDADJUSTMENT目录摘要IABSTRACTII1绪论111概论112问题的提出及其解决方案113论文的主要内容214相关技术发展概况2141交流调速的发展概况2142PLC技术的发展概况42变频调速原理621变频器的基本结构6211变频器的主电路6212变频器的控制电路722变频调速的基本原理823变频调速的优点1124西门子MM420变频器简介11241MM420变频器的BOP操作面板11242MM420变频器的参数设置113PLC技术1631PLC概述1632PLC的基本组成与各部分的作用16321PLC的基本组成16322PLC各部分的作用1633A/D和D/A转换概念18331A/D和D/A原理18332模拟量输入输出系统18333输入输出数据的处理1934PLC的主要特点1935SIEMENSS7300系列PLC特性20351S7300系列PLC介绍20352SIEMENSS7300主要功能模块介绍21353SIEMENSS7300PLC的工作原理234系统的设计实现2541系统的整体设计25411系统结构25412控制算法2642物料搅拌控制系统的设计27421搅拌系统各物料的控制方式27422控制方案的确定29423系统硬件实现30424系统的软件设计36结论40致谢41参考文献42附录431绪论11概论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，实现工作机械的旋转运动或反复运动。因电机的种类的不同，我们可以将分为直流电动机传动和交流电动机传动。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直流电机垄断，到了19世纪末，出现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，还必须具有持续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，使得采用半导体变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，促进了各种类型的交流电机调速系统，如串级调速系统、变频调速系统、无换相器电动机调速系统以及大量控制调速系统等的飞速发展。12问题的提出及其解决方案对生产过程的监视和控制，在初级阶段是由人工进行的。工作人员凭自己的感官或借助于仪表等来监视生产过程，用头脑做出判断决策，并视情况进行必要的控制。在髙级阶段，这种监视、判断决策和控制由机器承担，按照人们的意志自动完成，这是闭环自动控制。随着计算机技术的飞速发展，针对物料搅拌系统的控制有了更高的要求。控制过程电气设备的启动顺序为首先启动搅拌电机M3然后打开电磁阀,接通物料A的输送电机M1、电子皮带秤、电动调节阀、电磁流量计及PLC的电源。通过电子皮带秤和电磁流量计的反馈信号适时地调节M1电机和电动调节阀,以控制物料A和物料B的输送量。过去都是通过操作人员现场通过继电器等电气设备实现电机的启停控制，通过在转子回路串接不同电阻来实现不同电机速度之间的速度匹配，操作条件恶劣、速度可调节性差、并且能源利用率低。由于生产的需要，要求在某些时候可以实现各种物料的不同比例搭配，在生产任务繁重的时候加快生产速度，所以用户要求对原有的设备进行技术改造。要求能够集中控制电机的启动、浏览生产工业流程图、做出事故报警响应、可调节电机运行速度等。用户要求包括了数据采集、自动控制、运行监视、报警、运行管理、变频调速等多方面的问题。由于PLC的功能强大、容易使用、高可靠性，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，在PC机上可开发出友好人机界面，通过PLC可以对自动化设备进行“智能”控制。所以我们拟采用PLC技术、变频调速技术来对原来的生产线进行改造，来实现用户的要求。13论文的主要内容在各种异步电动机调速系统中，效率最髙、性能最好的系统是变频变频调速系统。变压变频调速系统中，调速时，须调节定子电压和频率，在这种情况下，机械特性基本上平行移动，而转差率不变，它是当前交流调速的主要发展方向。本文研究了变频调速技术在生产中的应用，并且根据原有的控制结构，利用PLC技术，提出了一个改进的系统控制结构，并且采用此体系结构实现了一个物料搅拌装置的变频调速系统。论文首先对变频器的内部构成结构进行了详细的介绍，比较了电机调速的几种类型，深入探讨了变频调速的原理和优点，最后介绍了西门子公司的MM420变频器。论文接着介绍了PLC可编程程序控制器）的基本组成、主要特点以及西门子公司中小型PLCS7300。论文的最后是相关技术在物料搅拌装置系统的应用。讨论了系统的体系结构、控制策略以及硬件配置和软件实现。14相关技术发展概况141交流调速的发展概况交流变频调速的优越性早在20年代就已被人们所认识，但受到器件的限制，未能推广。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年代发展起来的变频调速，比上述两种调速方式效率更高，性能更好。交流调速系统大致经历过以下几个阶段1异步电动机调压调速系统调压调速过去常用的方法是在定子回路中串入饱和电抗器，或在定子侧加自耗铜材料，体积小，控制方便。用晶闸管功率变换器来完成馈送任务，这就构成了由绕线异步电动机与晶闸管变换器共同组成的调压器，通过控制触发脉冲的相位角，便可控制加在负载上的电压大小，很快成为交流调压器的主要形式，但由于相位控制时，晶闸管导通后负载上获得的电压波形不是电网提供的完整的工频电压波形，因此产生了成分复杂的谐波。2串级调速系统绕线转子异步电动机串级调速是将转差功率加以利用的一种经济、高效的调速方法，改变转差率的传统方法是在转子回路中串入不同的电阻以获得不同斜率的机械特性，从而实现速度的调节。这种方法简单方便，但是调速是有级的、不平滑，并且转差功率消耗在电阻发热上，效率低，自大功率器件问世后，人们釆用在转子回路中串联晶闸管功率变换器来完成馈送任务，这就构成了由绕线异步电动机与晶闸管变换器共同组成的晶闸管串级调速系统。由于晶闸管的逆变角的可以平滑连续的改变，使得电动机转速也能平滑连续的调节。另外转差功率又可以通过逆变器回馈到交流电网，提高了效率。串级调速的缺点是功率因数较低，采用强迫换流、改进型三相四线逆变器、逆变器的不对称控制以及转子直流回路加斩波器控制等，可以提高功率因数。其中采用强迫换流方式可使用门极可关断晶闸管GTO构成，这样可以省去关断晶闸管用的储能电路，使逆变电路简单、体积小。3变频调速系统变频调速具有效率高、范围宽和精度高等特点，是运用最广、最有发展前途的调速方式。交流电机变频调速系统的种类很多，从50年代提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型、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，交直交变频调速，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，这些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。80年代中期随着第三代电力半导体器件如门极可关断晶闸管GTO、绝缘栅双极晶体管IGBT的相继出现，交流变频调速技术得到了飞速发展。日、美、德、英等国家在结合现代微处理器控制技术、电力电子技术、电机传动技术的基础上，相继推出了一系列的变频器，且不断进行更新换代。这些高精度、多功能、智能化的变频器将调速效率和精度提高到了前所未有的水平。1142PLC技术的发展概况第一台可编程控制器（以下简称PLC）的设计规范是美国通用汽车公司提出的。当时的目的是要求设计一种新的控制装置以取代继电器盘，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，同时具有现代化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、维修方便等诸多高品质与功能。这一设想提出后，美国数字设备公司（DEC）于1969年研制成第一台PLC,型号为PDP14,投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了令人满意的效果，从此开创了PLC的新纪元。在短时间内，PLC在其他工业部门也得到应用。到70年代初，食品、金属和制造等工业部门相继使用PLC代替继电器控制设备，迈出了其实用化阶段的第一步。70年代中期，由于大规模集成电路的出现，使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，扩大了输入输出规模。在这个时期，日本、西德（原）和法国相继研制出自己的PLC，我国在1974年也开始研制。70年代末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，形成了多种系列化产品。这时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图形语言。在功能上PLC已可以代替某些模拟控制装置和小型机的DDC系统。进入八九十年代后，PLC的软硬件功能进一步得到加强，PLC已发展成为一种可提供诸多功能的成熟的控制系统，能与其他设备通信，生成报表，调度产出，可诊断自身故障及机器故障。这些改进使PLC符合今天对高质量髙产出的要求。尽管PLC功能越来越强，但它仍然保留了先前的简单与易于使用的特点。PLC未来的发展不仅依赖于对新产品的开发，还在于PLC与其他工业控制设备和工厂管理技术的综合。无疑，PLC将在今后的工业自动化中扮演重要角色。在未来的工业生产中，PLC技术和机器人、CAD/CAM将成为实现工业生产自动化的三大支柱。目前PLC朝以下几个方向发展1大型网络化主要朝DCS方向发展，网络化和强通信能力是PLC发展的一个主要的方面，向下与多个智能装置相连，向上与工业计算机、以太网等相连构成特殊的控制任务。2多功能为了适应特殊功能的需要，连续推出多种智能模块，如模拟量模输入输出、回路控制、通信控制、机械运动控制、髙速技术、中断输入等。这些智能模块以为处理器为基础，其CPU与PLC的CPU并行工作，占用主机CPU时间很少，有利于提高PLC扫描速度和完成特殊的控制任务。3高可靠性、好兼容性由于现代控制系统的可靠性和兼容性日渐受到人们的重视，一些公司强自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中。推出了高可靠的冗余系统。4编程语言向高级语言发展PLC的编程语言在原有梯形图语言、顺序功能块和指令表语言基础上，推出了可运行与计算机WINDOWS环境下，界面友好的强劲的梯形图和语句表两种形式的编程、调试、诊断等功能。SIMATIC则使用C/C等高级语言进行编程，体现了面向未来的种种特征。2国外主要的PLC厂家如表11表11PLC厂家公司名称国家公司名称国家AB公司美国MITSUBISHI公司日本OMRON公司日本GE公司美国德州仪器美国SIEMENS德国2变频调速原理21变频器的基本结构变频器的基本结构见图21整流器逆变器AC高频控制电路控制电路ACDC运行指令图21变频器结构图211变频器的主电路电力电子开关器件电力半导体器件已经历了以晶闸管为代表的分立器件，以可关断晶闸管（GTO）,巨型晶体管（GTR），功率MOSFET、绝缘栅双极晶体管（IGBT）为代表的功率集成器件（PID），以智能化功率集成电路（SPIC）,高压功率集成电路（HVIC）为代表的功率集成电路（PIC）等三个发展时期。从晶闸管靠换相电流过零关断的半控器件发展到PID、PIC通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件。在器件的控制模式上，从电流型控制模式及发展到电压型控制模式，不仅大大降低了门极（栅极）的控制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换速度，从而使器件的工作频率不断提高。在器件结构上，从分立器件发展到由分立器件组合成功率变换电路的初级模块，继而将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在一起的复杂模块。整流电路一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流电路按其控制方式，可以是直流电压源，也可以是直流电流源。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较髙的直流电源。此外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中有时还包括制动电阻以及其它辅助电路。逆变电路逆变电路是变频器主要的部分之一。它是利用六个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中的主开关元器件的通与断，得到任意频率的三相交流电输出。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电动机处于电动还是发电制动状态，变频器功率因数总不会为1。因此，在直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量就靠直流环节的储能元件来缓冲。它的主要作用是在控制电路的控制下，将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。212变频器的控制电路构成包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分，是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣。控制电路的主要作用是完成对逆变器开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能。控制算法随着电力半导体器件和微型计算机控制技术的迅速发展，促进了电力变频技术新的突破性发展，70年代后期发展起来的脉宽调制（PULSEWIDTHMODULATION,PWM）技术成了现在最常用的变频器功率开关器件的控制策略。PWM控制利用了采样控制理论中的一个重要结论冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果相同，指环节的输出响应波形基本相同。根据这个原理，可以用一系列等幅而不等宽的脉冲来近似正弦波，且脉冲的宽度按正弦规律变化，这种方法称为SPWMSINUSOIDALPWM。SPWM各脉冲的宽度和间隔可以准确计算出来，按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的SPWM波形。但这种计算很繁琐。较为常用的方法是采用调制的方法，即把正弦波作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制即可得到SPWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度线性关系，且左右对称，当它与正弦波调制信号相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于正弦波幅值的脉冲，这正好符合SPWM控制的要求。三角载波的频率和正弦调制波的频率人之比即称CFRF/CRCFN为载波比。用生成的SPWM波控制逆变器开关器件的通断，可得到等幅且脉冲宽度按正弦规律变化的矩形脉冲列输出电压。正弦调制波的频率即是逆变器的输出频率，RF1F改变便可改变。三角载波的幅值为恒定，因而改变正弦调制波的幅值就改变了矩RF1F形脉冲的面积，由此实现输出电压幅值的改变。根据以上介绍的SPWM逆变电路的基本原理和控制方法，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对功率开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波形。但这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制。微机控制技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易。22变频调速的基本原理当在一台三相异步电动机的定于绕组上加上三相交流电压时，该电压将产生一个旋转磁场，其速度由定子电压的频率所决定。当磁场旋转时，位于该磁场中的转子绕组将切割磁力线，并在转子绕组中产生相应的感应电动势和感应电流，而此感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力，即转矩，使转子跟随旋转磁场旋转。当将三相异步电动机绕组的任意两相进行交换时，所产生的旋转磁场的方向将发生改变。因此，电动机的转向也将发生改变。异步电动机定子磁场的转速被称为异步电动机的同步转速，其同步转速由电动机的磁极个数和电源频率所决定（21）106PFN式中同步频率0N电源频率1F磁极对数P异步电动机的转速总是小于其同步转速，异步电机的实际转速可由下式给出（22）106PFSNSN式中电动机实际转速S异步电动机的转差率由式2可知，改变参数，S中的任意一个就可以改变电动机的转速，即对异步1F电动机进行调速控制。因此，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。从某种意义上说，变频器就是一个可以任意改变频率的交流电源。在电动机调速时，一个重要的因素时希望保持每极磁通量为额定值不变。磁通M太弱，没有充分利用电机的磁心，是一种浪费；若要增大磁通，又会使磁通饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。对于直流电机来说，励磁系统是独立的，所以只要对电枢反应的补偿合适，保持不变是很容易做到的。在M交流异步电机种，磁通是定子和转子合成产生的。三相异步电机定子每相电动势的有效值是（23）14GNMEFK式中气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为VG定子频率，单位HZ1F定子每相绕组串联匝数；N基波绕组系数；1K每极气隙磁通量，单位WBM由公式可知，只要控制好和，便可以控制磁通不变。需要考虑基频（额GE1FM定频率）以下和基频以上两种情况1基频以下调速即采用恒定的电动势。由上式可知，要保持不变，但频率从额定值向下M1F1NF调节时，必须同时降低。然而绕组中的感应电动势是难以控制的，但电动势较高时，GE可以忽略电子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压，则得。1UE1F常值低频时，和都较小，定子阻抗压降所占的份量都比较显著，不能在忽略。这1UG时，可以人为的把电抬高一些，以便近似的补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性为B线，无补偿的为A线。如图22所示ABU1（定子相电压）U1N0F1NF1频率图22恒压频比控制特性2基频以上调速在基频以上调速时，频率可以从往上增高，但电压磁通与频率成反比的降低，1NF1U相当于直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得到异步电动机的变频调速控制特性，如图23。如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，则电动机都能在温升容许的条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。在基频以下，属于“恒转矩调速”的调速，而在基频以上，基本上属于“恒功率调速”。U1定子相电压U1N恒转矩调速恒功率调速F1N0F1频率图23异步电动机变频调速控制特性23变频调速的优点变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。它与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。电机在带动较大负载在启动时，会有较大的冲击电流，采用变频器时，可以实现软启动，减小冲击电流，解决大负载的启动问题。电源功率因素大，所需容量小，可以组成离性能的控制系统等。完善的保护功能变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等，并立即封锁输出电压。这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。24西门子MM420变频器简介西门子MM420是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。该系列有多种型号，从单相电源电压，额定功率120W到三相电源电压，额定功率11KW可供用户选用。进行主电路接线时，变频器模块面板上的L1、L2插孔接单相电源，接地插孔接保护地线；三个电动机插孔U、V、W连接到三相电动机（千万不能接错电源，否则会损坏变频器）。241MM420变频器的BOP操作面板1、基本操作面板（BOP）的功能概述利用BOP可以改变变频器的各个参数。BOP具有7段显示的五位数字，可以显示参数的序号和数值，报警和故障信息，以及设定值和实际值。参数的信息不能用BOP存储。基本操作面板（BOP）上的按钮及其功能如表21所示242MM420变频器的参数设置1、参数号和参数名称表21BOP上的按钮及其功能显示/按钮功能功能的说明状态显示LCD显示变频器当前的设定值启动变频器按此键起动变频器。缺省值运行时此键是被封锁的。为了使此键的操作有效，应设定P07001停止变频器OFF1按此键，变频器将按选定的斜坡下降速率减速停车，缺省值运行时此键被封锁；为了允许此键操作，应设定P07001。OFF2按此键两次（或一次，但时间较长）电动机将在惯性作用下自由停车。此功能总是“使能”的。改变电动机的转动方向按此键可以改变电动机的转动方向，电动机的反向时，用负号表示或用闪烁的小数点表示。缺省值运行时此键是被封锁的，为了使此键的操作有效应设定P07001电动机点动在变频器无输出的情况下按此键，将使电动机起动，并按预设定的点动频率运行。释放此键时，变频器停车。如果变频器/电动机正在运行，按此键将不起作用。功能此键用于浏览辅助信息。变频器运行过程中，在显示任何一个参数时按下此键并保持不动2秒钟，将显示以下参数值（在变频器运行中从任何一个参数开始）1直流回路电压（用D表示单位V）2输出电流A3输出频率（HZ）4输出电压（用O表示单位V）5由P0005选定的数值（如果P0005选择显示上述参数中的任何一个（3，4或5），这里将不再显示）。连续多次按下此键将轮流显示以上参数。跳转功能在显示任何一个参数（RXXXX或PXXXX）时短时间按下此键，将立即跳转到R0000,如果需要的话，您可以接着修改其它的参数。跳转到R0000后，按此键将返回原来的显示点。访问参数按此键即可访问参数。增加数值按此键即可增加面板上显示的参数数值。减少数值按此键即可减少面板上显示的参数数值。参数号是指该参数的编号。参数号用0000到9999的4位数字表示。在参数号的前面冠以一个小写字母“R”时，表示该参数是“只读”的参数。其它所有参数号的前面都冠以一个大写字母“P”。这些参数的设定值可以直接在标题栏的“最小值”和“最大值”范围内进行修改。下标表示该参数是一个带下标的参数，并且指定了下标的有效序号。2、更改参数的数值的例子用BOP可以修改和设定系统参数，使变频器具有期望的特性，例如，斜坡时间，最小和最大频率等。选择的参数号和设定的参数值在五位数字的LCD上显示。更改参数的数值的步骤可大致归纳为查找所选定的参数号；进入参数值访问级，修改参数值；确认并存储修改好的参数值。图27说明如何改变参数P0004的数值。按照图中说明的类似方法，可以用BOP设定常用的参数。参数P0004（参数过滤器）的作用是根据所选定的一组功能，对参数进行过滤（或筛选），并集中对过滤出的一组参数进行访问，从而可以更方便地进行调试。P0004可能的设定值如表22所示，缺省的设定值0。表22参数P0004的设定值设定值所指定参数组意义设定值所指定参数组意义0全部参数12驱动装置的特征2变频器参数13电动机的控制3电动机参数20通讯7命令，二进制I/O21报警/警告/监控8模数转换和数模转换22工艺参量控制器（例如PID）10设定值通道/RFG（斜坡函数发生器）1常用参数的设置请参考MM420用户手册。2部分常用参数设置说明（更详细的参数设置说明请参考MM420用户手册）1参数P0003用于定义用户访问参数组的等级，设置范围为04，其中1标准级可以访问最经常使用的参数。2扩展级允许扩展访问参数的范围，例如变频器的I/O功能。3专家级只供专家使用。4维修级只供授权的维修人员使用具有密码保护。该参数缺省设置为等级1（标准级），SRSME05装备中预设置为等级3（专家级），目的是允许用户可访问1、2级的参数及参数范围和定义用户参数，并对复杂的功能进行编程。用户可以修改设置值，但建议不要设置为等级4（维修级）。2参数P0010是调试参数过滤器，对与调试相关的参数进行过滤，只筛选出那些与特定功能组有关的参数。P0010的可能设定值为0（准备），1（快速调试），2（变频器），29（下载），30（工厂的缺省设定值）；缺省设定值为0。当选择P00101时，进行快速调试；若选择P001030，则进行把所有参数复位为工厂的缺省设定值的操作。应注意的是，在变频器投入运行之前应将本参数复位为0。3将变频器复位为工厂的缺省设定值的步骤为了把变频器的全部参数复位为工厂的缺省设定值，应按照下面的数值设定参数设定P001030，设定P09701。这时便开始参数的复位。变频器将自动地把它的所有参数都复位为它们各自的缺省设置值。如果用户在参数调试过程中遇到问题，并且希望重新开始调试，实践证明这种复位操作方法是非常有用的。复位为工厂缺省设置值的时间大约要60秒钟。3、现有的“运动控制卡”I/O扩展板的输出端子接线中，分配D37给变频器的5号控制端子。若要求电动机转速可分级调整，则应调整变频器的P701参数，而参数P1001则按转速要求设定固有频率值。与此同时，应编制相应的运动控制卡的输出点。例要求电动机能实现高、中、低三种转速的调整，高速时运行频率为40HZ,中速时运行频率为25HZ,低速时运行频率为15HZ。则步骤如下1调整变频器参数在BOP操作板上修改P0004，使P00047,选择命令组。修改P0701（数字输入1的功能），使P070116，设定为固定频率设定值（直接选择ON）。再修改P0004，使P000410,选择设定值通道。修改P1001（固定频率1），使P100115/25/40。2控制相应的运动控制卡的输出点。33PLC技术31PLC概述可编程程序控制器PROGRAMMABLECONTROLLER,因为早期主要应用于开关量的控制，因此也称为PLCPROGRAMMABLELOGICCONTROLLER，即是可编程逻辑控制器。现代的可编程控制器是以微处理器为基础，高度集成的新型工业控制装置，是计算机技术与工业控制技术相结合的产品。PLC自问世以来，经过20年的发展，已经成为最受欢迎的工业控制类产品。它之所以高速发展，除了工业自动化的客观需求外，还有许多独特的优点。它较好的解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。32PLC的基本组成与各部分的作用321PLC的基本组成PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。整体式PLC是将中央处理单元（CPU、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的I/O扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，I/O单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/O单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10M。无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配置与组合。322PLC各部分的作用1中央处理单元（CPU）CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务1接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；2诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误；3用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来；4PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作；5将用户程序的执行结果送至输出端。2存储器根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种1系统程序存储器和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM。2用户程序存储器用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。由于RAM掉电会丢失数据，因此使用RAM作用户程序存储器的PLC,都有后备电池（理电池）保护RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入EPROM。目前较先进的PLC如欧姆龙公司的CPMIA型PLC釆用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需用后备电池保护。3工作数据存储器工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映像寄存器和数据表。元件映像寄存器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器。计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来存放A113转换得到的数字和数学运算的结果等。根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可以保持数据的存储器区域称为数据保持区。3I/O单元I/O单元也称为I/O模块。PLC通过I/O单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收操作指令和现场的状态信息，加控制按钮、操作开关和限位开关、光电管、继电器触点、行程开关、接近开关等信号，并通过输入电路的滤波、光电隔离和电平转换等将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出单元将CPU送出的弱电控制信号通过输出电路的光电隔离和功率放大等转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀、电磁铁等执行元件。23433A/D和D/A转换概念331A/D和D/A原理模拟量转换成数字量的基本原理输入信号是现场物理参数（如温度、压力和流量等）经传感器检测变成电信号（弱信号），再经过放大、滤波之后成为连续变化的波形。根据事先确定的频率对波形采样，假定采样四次（TL、T2、T3和T4，如图31。将每次的采样值（如模拟电压值）送给A/D变换器,则对应每次采样的电压值转换成的数字信号（H进制数字）。将数字信号转换成为模拟量的原理首先将数字信号并行输入给D/A转换器，经转换后输出一个矩形波，经过放大滤波之后即变成一个连续变化的模拟量输出信号。T1T2T3T4TS/时间0100200300U（MV）/电压图31采样图332模拟量输入输出系统模拟量的输入在过程控制中的应用很广泛，如常用的温度、压力、速度、流量、碱度、位移等的工业检测都是对应电压、电流的大小模拟星，再通过一定的运算（如PID）后控制生产过程达到一定的目的（如恒温等）。模拟量输入的电平大多是从传感器通过变换后得到的，模拟量输入信号按IEC标准为420A电流信号，或15V、1010V、010V的直流电压信号。输入模块接收这种模拟信号之后，把它转换成8位或10位或12位的二进制数字信号（最大值分别为255、1023或4095，送给中央处理器进行处理。因此，模拟量输入模块又叫D/A转换输入模块。模拟量输出模块是将中央处理器的二进制数字信号（如4095等）转换成420MA的电流输出信号或010V、15V的直流电压输出信号，以提供给执行机构。因此，模拟量输出模块又叫A/D转换输出模块。333输入输出数据的处理在扫描读入模拟量值时，处理器从模拟量输入模块读入模拟量并转换成数字信号值，再将其送入用户指明的位置。一般地，模拟量输入模块提供不止一个通道的输入，因而只要信号兼容或类型相同（电压、电流），就能连接几个或十几个输入信号。对于这些信号，不同的PLC有不同的处理方式。一般有两种方式，一是使用指令充分利用多通道一次性将几个或十几个值放入寄存器数据区中，称为块转移输入。这种指令可以使用户将值放置于任意数据区。模块的地址反映于块转移指令的配置中，而输入的数据本身在存贮时不受地址的约束。另一种处理方法则跟离散量数据输人存贮方式相似，PLC将数据存贮于与输入模块地址相对应的输入/输出映像区中。同样，模拟量输出方式的数据处理也存在块传输与输出映像区两种方式。块传输输入方式的好处是可以由模块给出每一模块及各通道的诊断信息，信息刷新速度较快。块传输输出方式则可灵活地配置输出模块的工作方式。模块地址通常由机架安插的物理位置所定义，处理器可以根据软件I/O配置识别插槽中模块是否为模拟量模块。34PLC的主要特点1可靠性髙、抗干扰能力强，平均故障时间为几十万小时。而且PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施。硬件方面1隔离，在微处理与I/O电路之间釆用光电隔离减少外部干扰源对PLC的影响。2滤波，对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，减少高频干扰。且有些模块还设置了连锁保护、自诊断电路等。软件方面1设置故障检测与诊断程序。2当软故障条件出现时，立即把状态重要信息存入指定存储器，禁止对存储器进行任何不稳定的读写操作，以防止存储器信息被冲掉。这样，一旦外界调节正常后，便可以恢复故障发生前的状态，恢复原来的工作。2编程简单、使用方便目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。一些PLC还根据具体问题设计了如步进梯形指令等，进一步简化了编程。3设计安装容易，维护工作量少。功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。35SIEMENSS7300系列PLC特性351S7300系列PLC介绍S7300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7200PLC比较，S7300PLC采用模块化结构，具备高速（0601S）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面（HMI）从S7300中取得数据，S7300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7300PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7300PLC可通过编程软件STEP7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7300PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接ASI总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATICS7/M7/C7等自动化控制系统。352SIEMENSS7300主要功能模块介绍SIMATICS7300系列PLC是模块化结构设计，各种单独模块之间可进行广泛组合和扩展。它的主要组成部分有导轨（RACK）、电源模块（PS）、中央处理单元模块（CPU）、接口模块（IM）、信号模块（SM）、功能模块（FM）等。它通过MPI网的接口直接与编程器PG、操作员面板OP和其它S7PLC相连。1导轨（RAIL）S7300的模块机架（起物理支撑作用，无背板总线），西门子提供五种规格的导轨。2电源模块（PS）PS307是西门子公司为S7300专配的24VDC电源。PS307系列模块除输出额定电流不同外（有2A、5A、10A三种），其工作原理和各种参数都相同。PS307可安装在S7300的专用导轨上，除了给S7300CPU供电外，也可给I/O模块提供负载电源。3CPU模块各种CPU有不同的性能，例如有的CPU集成有数字量和模拟量输入/输出点，有的CPU集成有PROFIBUSDP等通信接口。CPU前面板上有状态故障指示灯、模式开关、24V电源端子、电池盒与存储器模块盒（有的CPU没有）。S7300有CPU312IFM、CPU313、CPU314、CPU314IFM、CPU315/3152DP、CPU3162DP、CPU3182DP等8种不同的中央处理单元可供选择。CPU3152DP、CPU3162DP、CPU3182DP都具有现场总线扩展功能。CPU以梯形图LAD、功能块FBD或语句表STL进行编程。实验室机型为CPU3152DP。4信号模块（SM）数字量模块包括数字量输入模块SM321，数字量输出模块SM322，数字量I/O模块SM323。数字量输入模块SM321将现场过程送来的数字信号电平转换成S7300内部信号电平。数字量输入模块SM321有四种型号模块可供选择，即直流16点输入、直流32点输入、交流16点输入、交流8点输入模块。数字量输出模块SM322将S7300内部信号电平转换成过程所要求的外部信号电平，可直接用于驱动电磁阀、接触器、小型电动机、灯和电动机启动器等。数字量输入/输模块SM323有两种类型，一种是带有8个共地输入端和8个共地输出端，另一种是带有16个共地输入端和16个共地输出端，两种特性相同。I/O额定负载电压24VDC，输入电压“1”信号电平为1130V，“0”信号电平为35V，I/O通过光耦与背板总线隔离。在额定输入电压下，输入延迟为1248MS。输出具有电子短路保护功能。模拟量模块包括模拟量输入模块SM331，模拟量输出模块SM332，模拟量输入/输出模块SM334。模拟量输入（简称模入（AI）模块SM331目前有三种规格型号，即8AIL2位模块、2AIL2位模块和8AIL6位模块。SM331主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成。A/D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法，被测模拟量的精度是所