1绪论
1.1研究背景及意义
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，十几项工作机械的旋转运动或反复运动。
因电机的种类的不同，我们可以分为直流电机转动和交流电机转动。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滞留电机垄断，到了19世纪末，出线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，交流电机才在不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，还必须具有次序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，使得采用半导体交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，促进了各种各类的交流电机调速系统，如攒机调速系统、变频调速系统、无换向器电动机调速系统以及大量控制调速系统等的飞速发展。
变频调速系统具有高效率、宽范围和高精度的办公特点，是运用最广、最有发展前途的调速方式。交流电机变频系统的种类很多，从50年代提出的电压源型变频器开始，后继发展了电流源型、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。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。随着第三代电力半导体器件如门极可关断晶体管GTO、绝缘栅双极晶体GBT的相继出现，交流变频调速技术射到了飞速发展。
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1.2 课题研究概述
针对生产需求的不断提高，职业院校相继开设了《可编程控制器原理与应用》、《变频器原理及应用》、《传感器技术》等相关课程，以适应现代生产发展的需要，但每门课程一般只有针对自己课程特点开设的相关小实验，涉及面窄，通用性差，无法满足现代生产环境对综合性人才的需求。本实验系统将PLC、变频器、传感器、触摸屏结合在一起，构建一个PLC控制电机变频调速试验系统，力争模拟现代生产环境。将尽可能多的生产技术、生产器件进行结合，力争能够为企业输送具备一定应用、设计能力的多方位人才。
由于PLC的功能强大、容易使用、可靠性高，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，可以在PC机上开发出友好人机界面，实现实时显示电机转速。通过PLC可以对自动化设备进行“智能”控制。所以拟采用组态软件技术、PLC技术、变频调速技术来实现系统设计要求。
1.3相关技术简介
1.3．1交流调速
交流变频调速的优越性早在20年代就已被人们说认识，但受到器件的限制，未能推广。到了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年代发展起来的交频调速，比以上两种调速方式效率更高，性能更好。该实验中运用现在正常使用的变频器来实现的。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。 1.3．2组态软件
计算机技术的发展，使设计更加完善的控制系统和获得更方便、可靠、快速的控制过程成为可能。工程技术人员对传统的仪表控制方式很熟悉，但往往缺乏专业的计算机知识，而专业的计算机技术人员有往往缺乏实际的控制实验。计算机与控制之间就存在着一个巨大的障碍，而组态软件则成为逾越者乙障碍的桥梁，使技术人员能够用最简单的方法功法随心所欲地组成自己的控制系统。
组态的概念追债来自英文Configuration，含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到计算机或软件按照预先设置自动完成特定任
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务，道出使用者要求的目的。组态软件是面向监控与数据采集（Super–vison Control And Date Aequisition,SCADA）的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方便灵活，功能强大。组态软件最早出现时，HM或MMI是其主要内涵，即解决人机图形界面问题。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通信及联网、开放数据接口、对I/O设备的支持已经成为其主要设备。组态软件具有实时多任务、使用灵活、功能多样、运行可靠等特点。
目前，国内外市场能提供的组态软件主要分为两类：一类是由国外厂商设计提供的组态软件，例如FIX、In touch、WinCC、Lab VIEW等；另一类是由国内厂商提供的组态软件，例如力控、组态王、MCGS等。虽然前者较后者功能强大，但人机交互不符合中国国情，且价格是后者价格的10被甚至于几十倍，因此通常仅用于较大规模的工程项目中。而对于市场份额较多的中小规模工程项目，使用国内开发的组态软件是比较经济的选择。 1.3．3 PLC技术
可编程控制器（以下简称PLC）是一种取代继电器盘的控制装置，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、威胁方面等诸多高品质与功能。PLC在各个工业部门如汽车制造、食品、金属盒制造得到广泛应用。由于大规模集成电路的出现，是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，夸大了输入输出规模。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，形成了多种系列产品。这是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程序，在功能上PLC可以代替某些模拟控制装置和小型的DDC系统。
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2 PLC控制电机变频调速实验系统
2.1 PLC控制电机变频调速系统构成
PLC控制电机变频调速系统由S7–200 PLC（CPU224）、变频器、电机及电机测速系统、触摸屏等组成，其原理框图如图2-1所示。需使用的实验设备有：S7–200PLC一台，EM235模拟量扩展模块（4输入1输出）一块，PC/PPL编程电缆一根，模拟输入开关一套，触摸屏一只以及电机一台。PLC控制电机变频调速试验系统总图如图2-2所示。图中表明了控制系统中变频器与各部分的组成和连接。
图2-1PLC控制变频调速系统原理框图
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图2-2PLC控制电机变频调速试验系统总图
2.2变频器的工作原理、设计及工作方式
2.2．1变频器的工作原理
现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
我们知道，交流电动机的同步转速表达式位：
n＝60 f(1－s)/p (1)
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式中 n———异步电动机的转速； f———异步电动机的频率； s———电动机转差率； p———电动机极对数。
由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
2.2．2变频器的设计
变频器选型时要确定以下几点：
1） 采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。
2） 变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线， 性能曲线决定了应用时的方式方法。 3） 变频器与负载的匹配问题；
I． 电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。
II． 电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。 对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电 流和过载能力。
III．转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。 4） 在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。
5） 变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。
6） 对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。
变频器的运行和相关参数的设置：
变频器的设定参数多，每个参数均有一定的选择范围，使用中常常遇到因个
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别参数设置不当，导致变频器不能正常工作的现象。
控制方式：即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。
最低运行频率：即电机运行的最小转速，电机在低转速下运行时，其散热性能很差，电机长时间运行在低转速下，会导致电机烧毁。而且低速时，其电缆中的电流也会增大，也会导致电缆发热。
最高运行频率：一般的变频器最大频率到60Hz，有的甚至到400 Hz，高频率将使电机高速运转，这对普通电机来说，其轴承不能长时间的超额定转速运行，电机的转子是否能承受这样的离心力。
载波频率：载波频率设置的越高其高次谐波分量越大，这和电缆的长度，电机发热，电缆发热变频器发热等因素是密切相关的。
电机参数：变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。
跳频：在某个频率点上，有可能会发生共振现象，特别在整个装置比较高时；在控制压缩机时，要避免压缩机的喘振点。
本实验使用的是施耐德ATV12系列的小型变频器，面板接线端子如下图所示，实验条件原因实验采用的是单相电源供电。
变频器接线图
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各接线端子说明
显示屏及按键的功能指示 设计程序如下：
CONF----------------BFR--------------50 最高频率 CONF-----------------ACC-------------60 加速时间 CONF----------------DEC--------------40 减速时间 CONF------FULL------IO------TCC-----3C 三线制控制 CONF------FULL------IO------RI------RUN 运行指示 CONF------FULL------FUN-----RRS-----L3H 反转
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CONF-----FULL-----FUN----RPT---RPS---L3H 端子控制 CONF-----FULL-----FUN----RPT---AC2---60 加速时间 CONF-----FULL-----FUN----RPT---DE2---40 减速时间 2.2．3变频器控制方式
低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交—直—交电路。其控制方式经历了以下四代。 1） U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式
其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，但是这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。 2） 电压空间矢量（SVPWM）控制方式
它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。 3） 矢量控制（VC）方式
矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。 4） 直接转矩控制（DTC）方式
直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
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5） 矩阵式交—交控制方式
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是：
——控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式； ——自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别； ——算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；
——实现Band—Band控制按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。
矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应（<2ms），很高的速度精度（±2％，无PG反馈），高转矩精度（<＋3％）；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150％～200％转矩。
2.3电机变频调速控制实验系统要求
通过PLC控制变频器，使三相异步电机按图2-3所示的曲线运行，并可通过触摸屏远程控制电机的启动、停止，可对电机启动时间、减速时间设定调整，同时要求通过触摸屏实时显示数字电机转速、频率、实时显示转速波形。电机运行可分为三个部分（见图2-3）：第一部分要求电机启动后转速在60s内从0线性增加到1168r/min:第二部分是进入恒转速运行阶段，运行时间为180s，转速仍为1168r/min:地三部分是当恒速到了规定时间进入减速阶段，电机转速要求在40s内降到0。
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图2-3 异步电动机运行曲线图
2.4电机变频调速实验系统控制方案
电机在加速和减速阶段采用开环控制，在恒速阶段采用闭环控制，且为防止试验中出现超调或失控现象，系统具有限幅措施。
在恒速阶段的闭环控制采用PLC内部PD调节指令。设е（ｔ）为PD控制器的输入,υ(t)为PD控制器的输出，则可表示成连续形式：
2-1
2-2
试中：Ti,Td—分别为积分和微积分时间常数
Kp,Ki,Kd—分别为比例系数、积分系数、微分系数
在PLC控制系统中使用的是PD数字调节器，需对试（2-1）进行离散化处理。设T为采样周期e(k),u(k)分别为第k次采样的输入与输出，则根据试（2-1），用矩形积分法并用差分代替微分计算u(k)得：
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2-3
2-4
式（2-3）称为位置式PD控制算法。
用PLC对（2-3）编程可计算出u(k),经EM235模拟量模块转换为1~20mA的电流信号，经AQ0口输出给变频器。作为变频器的输入电流信号，该电流信号控制着变频器的频率输出。变频器输出频率的改变使电机转速得到改变。电机实际转速经电机转速测速系统转变为直流0~10V的电压信号反馈给PLC。作为PLC的模拟量输入信号，该电压值再转化为数字量与给定值（spn）比较后作为PD控制器的输入值e(t)。对于反馈的电压信号，由于转速的不稳定，会出现反馈信号的波动性，可采用采集若干个量取平均值的方法使信号稳定，亦可以根据数据值15位而EM235的分辨率为12位的特点去掉3位数据的办法求得稳定。
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3 硬件设计及信号转换
3.1 I/O点数统计及I/O接线图
根据控制系统需求选用西门子S7-200PLC,统计共有开关量输入信号6点、输
出信号5点，地址分配表如图3-1所示：模拟量输入信号输入信号地址为A WO,输出信号地址为A WO：根据输入、输出信号，可设计出PLC开关量输入、输出端子接线图如图3-2所示。
图3-1开关量输入输出点地址分配表
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图3-2开关量输入输出接线图
3.2数据分析与信号转换
在电机变频调速控制系统中，变频器的输入信号饮食4—20mA的电流信号，而PLC的模拟量输出范围是0—20mA。0—20mA的模拟量对应的PLC内部数字量是0—32768所以需要进行数据分析与转换。具体转换示意图如图3-3所示。图5（b）中4mA对应的数字量是6554，变频器输出0Hz对应的电流信号为4mA。所以第一部分加速器阶段，要将频率设定电流信号从4mA增加到16.8mA。编程时可以再6554刻度值的基础上均匀的间隔一定时间逐步加刻度值到20972（如果间隔时间为0.1s，则35*600=21000）。这里要注意的是判断转速是否增加到1168r/min的比较值是专属测量电压信号刻度值。照此法，同理可得到第三阶段江苏部分输出的控制方法。
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图3-3数据转换示意图
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4 PLC软件设计
4.1 PLC概述
可编程程序控制器（Programmable Controller）是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种专为在工业环境下应用而设计的计算机控制系统。它采用可编程序的存储器，能够执行逻辑控制、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作功能，并通开关量、模拟量的输入和输出完成各种机械或生产过程的控制。它具有丰富的输入、输出接口，并且具有较强的驱动能力，其硬件需根据实际需要选配，软件则需根据控制要求进行设计。
4.2 PLC组成及各部分的作用
PLC的硬件系统有基本单元、I/O扩展单元及外部设备组成。图4-1所示为PLC的硬件系统结构框图。 1. 微处理器（CPU）
与通用计算机一样，CPU是PLC的核心部件，在PLC系统中的作用类似于人体的神经中枢，整个PLC的工作过程都是在CPU的统一指挥下合协调下进行的。
它的主要功能有以下几点： 1. 接受从编程输入的用户程序和数据，送入存储器存储；
2. 用扫描方式接受输入设备的状态信号，并存入相应的数据区（输入映像寄
存器）；
3. 监测和诊断电源、PLC内部电路工作状态和用户程序编程过程的语法错
误；
4. 执行用户程序，完成各种数据的运算、传递 和存储等功能；
5. 根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器表的内
容，以实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。 PLC常用的CPU有通用微处理器、单片机和位片式微处理器。通常微处理器常用的是8位机和16位机，如8080、8086、M68000、80286和80386等。单片机常用的有8031、8051和8096等。位片式微处理器常用的有AMD2901、AMD2903等。
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2. 存储器
PLC配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。系统存储器存放系统程序，用户存储器用来存放用户编制的控制程序。
CMOS RAM是一种可以进行读写操作的随机存储器，存放在其中的用户程序可方便的进行修改，它的一种高密度、低功耗、间隔便宜的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源，一旦失电，即可用锂电池供电，以保持RAM中的内容。锂电池的使用寿命一般为5—10年，若经常带负载可维持2—5年。
EPROM、EEPROM都是制度存储器，常用来存放系统程序和需要保存的用户程序。EPROM称为可擦除的可编程制度存储器，在紫外线连续照射20min后，就可将EPROM中的内容消除，加高电平（12.5V或24V），可把程序写入到EPROM中。EEPROM称作电可擦除的课编程只读存储器，除可用子危险擦除外，还可用电擦除 ，是近年来广泛使用的一种只读存储器，它不需要专用写入器面只需用编程器就能方便地对所存储的内容实现“在线修改”，所以写入的数据内容在彻底断电的情况下白痴不变。 3. 输入/输出（I/O）部件
如图4-1所示的输入部件和输出部件也称为输入/输出电源或输入/输出模块。实际生产过程中产生的输入信号多种多样，信号电平各不相同，面PLC所
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能处理的幸福智能是标准电平，因此必须通过输入模块将这些信号转换成CPU能够接受和处理的标准电平。同样，外部执行元件如电磁网、接触器、继电器等所需的控制信号电平也千差万别，亦必须通过输出模块将CPU输出的标准电平信号转换成这些执行元件所能接受控制的信号，所以，输入/输出模块实际上时CPU与现场输入输出设备之间的连接部件，起着PLC与被控制对象间传递输入输出信息的作用。
PLC输入/输出模块的电路框图如图4-2所示。
为提高抗干扰能力，一般的输入/输出模块都有光电隔离装置。在数字量I/O模块中广泛采用由发光二极管和光电三极管组成的光电耦合器，在模拟量I/O模块中通常采用隔离放大器。
来自工业生产现场的输入信号经输入模块进入PLC。这些信号有的是数字量，有的是模拟量；有的是直流信号，有的是交流信号。使用时要根据输入信号的类型选择合适的输入模块。
由于PLC生产的输出控制信号经过输出模块去驱动负载，如电动机的起停和正反转、阀门的开闭、设备的移动、升降等。和输入模块相同，与输出模块相接的负载所需的控制信号有的是数字量，有的是模拟量；有的是交流，有的是直
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流。因此，同样需要根据负载性质选择合适的输出模块。
PLC具有多种I/O模块，常见的有数字量I/O模块和模拟量I/O模块，以及快速响应模块、高速计数模块、通信接口模块、中断控制模块、PID控制模块和位置控制模块等种类繁多、功能各异的专用I/O模块和智能I/O模块。I/O模块的类型、品种与规格越多，PLC系统的灵活性越好，I/O模块的I/O容量越大，PLC系统的适应性越强。 4. 电源部件
PLC配有开关式稳压电源的电源模块，用来将外部电压转换成供PLC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需的直流电源。PLC的电源部件由很好的稳压措施，因此对外部电源的稳定性要求不高，一般允许外部电源的额定值在+10%—-15%的范围内波动。小型PLC的电源往往和CPU单元合为一体，大中型PLC都有专用电源部件。
有些PLC的电源部件还能向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感器供电，避免由于外部电源污染或不合格电源引起的事故。为防止外部电源发生故障的情况下，PLC内部程序和数据等重要信息的丢失，PLC还带有锂电池作为后备电源。 5. 编程器
编程器是PLC的最重要的外围设备，也是PLC不可缺少的一部分。它不仅可以写入用户程序，还可以对用户程序进行检查、修改和调试，以及在线监视PLC的工作状态。它通过接口与CPU联系，完成人机对话。
编程器一般分为简易编程和图形编程器两类。简易编程器功能较少，一般只能用语句表形式进行编程，通常需要联机工作。简易编程器使用时直接与plc的专用插座连接，由PLC提供电源。它体积小，重量轻，便于携带，适应小型PLC啊覅用。图形编程器可以用指令语句进行编程，由可以用梯形图编程；即可联机编程又可脱机编程，操作方便，功能强，由液晶显示的便携式和阴极射线式两种。图形编程还可以与打印机、绘图仪等设备连接，但价格相对夹较高。通常大中型PLC多采用图形编程器。
目前。很多PLC都可以利用微型计算机作为编程工具，只要配上相应的硬件接口和软件包，就可以用包括梯形图在内的多种编程语言进行编程。
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6．其他外部设备。 外部存储器
外部存储器是至磁带或磁盘，工作时可将用户程序或数据存储在盒式录音机的磁带上或磁盘驱动器的磁盘中，作为程序备份。但PLC内存中的程序被破坏或丢失时，可见外存中的程序重新装入。 EPROM写入器
EPROM写入器用于将用户程序写入EPROM中，同一PLC系统的各种不同应用场合的用户程序可分别写入不同的EPROM中去，当系统的应用场合发生改变时，只需更换相应的EPROM芯片即可。 7. I/O扩展单元
I/O扩展单元用来扩展输入、输出点数。当用户所需的输入、输出点数超过PLC基本单元的输入、输出点数时，就需要加上I/O扩展单元来扩展，以适应控制系统的要求。
根据实验要求，我们使用的PLC是S7-200 Micro PLC包括一个单独的S7-200 CPU和可选扩展模块。它可以应用与各种自动化系统，结构紧凑，设计小巧、指令执行快速。
S7-200 PLC模块包括一个中央处理单元（CPU）、电源以及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。
·CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动化控制任务或过程进行控制。 ·输入和输出是系统的控制点：输入部分从现场设备（例如传感器或开关）中采集信号，输出部分则控制电机以及工业过程中的其它设备。 ·电源向CPU及其所连接的任何模块提供电力。
·通讯端口允许将S7-200 CPU同编码器或其它一些设备连接起来。
·状态信号灯显示了CPU的工作模式（运行或停止），本机I/O的当前状态，以及检查出的系统错误。
·通过扩展模块可增加CPU的I/O（CPU221不可扩展）。 ·通过扩展模块可提供其通讯性能。
·一些CPU具有内置的实时时钟，其它CPU则需要实时时钟卡。
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·EEPROM卡可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序送到另一个CPU中。 ·通过可选的插入式电池盒可延长RAM中的数据存储时间。
S7-200 PLC
扩展模块：S7-200 CPU模块提供了一定数量的本机I/O,扩展模块提供了附加的输入输出点（见下图）
带有扩展模块的PLC
4.3 PLC工作原理及使用
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 1） 输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相
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应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 二） 用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 三） 输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出 四） PLC程序导入
下图给出了一个利用PC/PPI电缆连接计算机和CPU的典型组态。请按照下面的步骤在几个部分之间建立通讯：
1.设置PC/PPI电缆的DIP开关，选择计算机所支持的波特率。如果PC/PPI电缆支持这些选项，也要选择11位和DCE.
2把PC/PPI电缆的RS-232端（标着PC）连接到计算机的通讯口，是COM1或者是COM2,并拧紧连接螺丝。
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3把PC/PPI电缆的RS-485端（标着PPI）连接到CPU的通讯口，并拧紧连接螺丝。
PC/PPI连接PLC和计算机
4.4控制程序流程图
根据功能要求，PLC控制系统的软件设计方案采用顺序控制继电器指令，软件设计主要包括加速、恒速、减速三段梯形图。其中主程序流程图如图4-3所示；加速部分流程图如图4-4所示；恒速部分采用PD算法，减速部分与加速部分类似。
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图4-3主程序流程图 图4-4加速部分流程图
4.5部分子程序
根据I/O输入、输出地址分配表以及各部分流程图及各种型号转换关系，利用STEP 7-Micro/W N 32软件编出相关梯形图。其中初始化子程序及加速阶段子程序如图4所示。
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图4-5初始化子程序及加速段子程序
在程序初始化时，由于PLC内部产生的是0—20mA。因此必须将4mA对应的数
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字量6554作为ƒ=0Hz时的初始值赋给A C O，加速阶段则从+6554进行线性增加。在程序第一段利用了T37、T32两个定时器，当T32为1是A C O增加一次，当T37为1是程序一段结束。在程序二段，经多次调试得出合理的PD参数。参数设置如下：比例常数Kp取0.16采样为0.1s，积分时间参数Ti=0.24微分时间Td=32。程序三段与一段类似。经实验室多次调试，该程序能稳定的控制电机按设定的要求运行，且电机运行情况在触摸屏上实时显示。
4.6 外部按钮电路设计
由于触摸屏程序设计的原因，我们将这个实验的电路控制改为外部按钮控制，通过开关量转换成模拟量，在外部控制中，我们使用了一个启动旋钮（调节正反转）、停止按钮和一个三位旋钮（调节三档速度），通过电位器来实现手动速度调节. 正转SB1 I0.1 反转SB2 I0.2 高速SB3 I0.3 中速SB4 I0.4 低速SB5 I0.5 停止SB6 I0.6 开关与PLC的连接
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结论
在大学的两年学习中我们系统的学习了关于供配电方面的理论知识，并在学校的已有设备上了解了相关操作。而后又在校外实习基地进行了为期一年的实践学习。
由于我们的相关方面知识还有待提高，故在刚开始的设计过程中遇到了许多难题。例如不知道如何选题，如何入手设计等，在指导老师以及实习基地师傅的帮助下才得以进行，经过繁琐的估算，以及设备的搜寻方面下了好多功夫，好在我们心理素质还算好，才进行下来。
此次设计，是由杨露露进行相关资料的搜集和整理，徐永康进行修改和编订的，我们经过了多次修改，有可能某些方面还存在不足，但我们也从中学到了好多PLC电机变频调速系统中的相关知识。
PLC控制电机变频调速系统，具有功能齐全、简单可靠、调试方便等优点。通过该综合设计型试验的锻炼，可使学生加深对PLC知识及变频调速知识的理解，使得学生的时间技能及创新能力得到很大的提高，也为学生今后从事相关工作提供丰富的经验。
通过本次设计，我们还学到了做科学设计的基本思想。首先，要学会搜索相关的文件资料，学会利用身边可以利用的资源。其次，做学问要认真严谨，不能半点马虎，必须确保自己的设计万无一失，否则很可能害人害己。最后，一个好的设计不仅仅是一个人可以完美的完成的，它需要一个团队的精诚合作。
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致谢
在完成本篇毕业论文的过程中，得到了许多老师和同学们的帮助，在此请允许我们实习小组向他们表示最衷心的感谢！
首先，这得感谢我们的班主任顾兴华老师，是他教给了我们做人做事的道理。感谢我们的母校常州机电学院以及所有教授过我们知识的老师，是你们让我们拥有了现在的知识和就业能力。
其次，在即将毕业之际我们又得益于我们的毕业设计指导马仕麟老师的指导我们收益很深。感谢江苏沙钢集团和江苏海利达纺织有限公司以及我们工作时帮助过我们的同事和领导，没有你们的帮助我们进行不了此次PLC电机变频调速系统的设计和设备调试。
再者，感谢所有我们设计中所用文献的作者和出版社，没有你们的文献，我们就没有一个好的设计坐标，也完成不了此次关于PLC电机变频调速系统的设计。
第四，感谢我们两个人自己，没有大家的努力和坚持，我们也不能完整的完成此次设计。
最后，祝我们所有人工作顺利，身体健康，万事如意。
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参考文献
1.《可编程控制器原理及应用》 主编：吴中俊 黄永红 北京机械工业出版社 2.《PLC应用开发使用子程序》 主编：贾德胜 北京邮电出版社 3.《触摸屏可编程控制器》 主编： 田明 北京机械工业出版社 4.《可编程控制原理及应用试验指导书讲义》 主编： 杨东
5.《基于PLC和变频器控制的恒压供水系统设计 》 主编： 赵华军 钟波
6.《SWATC S7-200可编程序控制器系统手册》 7. 《施耐德ATV-12变频器使用手册》 8. 《开关型磁阻电动机调速控制技术》 9. 《开关磁阻电机控制理论和方法的研究》 10. 《通用变频器及应用》 11. 《可编程控制器基础及编程技巧》 29
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