S7-1200PLC應(yīng)用技術(shù)項目教程課件：三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速的PLC控制

三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速的PLC控制一、任務(wù)導(dǎo)入在“電機(jī)與電氣控制”課程我們已學(xué)習(xí)了關(guān)于三相異步電動機(jī)的變極調(diào)速控制，隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，在調(diào)速控制中變頻調(diào)速的使用越來越廣泛。本任務(wù)以三相異步電動機(jī)的變頻調(diào)速PLC控制為例，來學(xué)習(xí)模擬量控制的應(yīng)用。二、知識鏈接（一）模擬量模塊

模擬量模塊概述模擬量模塊SM1231模擬量輸入模塊SM1234模擬量輸入/輸出模塊SM1232模擬量輸出模塊模擬量輸入模塊主要有M1231AI4×13/16bit、AI4×13bit、AI4/8×RTD、AI4/8×TC模擬量輸出模塊主要有SM1232AQ2×14bit、AQ4×14bit，其輸出電壓為±10V或輸出電流0～20mA模擬量輸入/輸出模塊目前只有4通道模擬量輸入/2通道模擬量輸出模塊。規(guī)格電壓輸出電流輸出輸出點數(shù)2通道模擬量輸出范圍DC±10V（輸入電阻：198.7kΩ）DC0～20mA或4～20mA分辨率14位13位滿量程范圍（數(shù)據(jù)字）-27648～276480～27648精度（25℃/-20～60℃）滿量程的±0.3%/±0.6%穩(wěn)定時間（新值的95%）300μs(R)750μs(1uF)600μS(1mH)，2ms(10mH)負(fù)載阻抗≥1000Ω≤600Ω功耗1.8W電流消耗（SM總線）80mA電流消耗(DC24V)45mA（無負(fù)載）隔離（現(xiàn)場側(cè)與邏輯側(cè)）無電纜長度100m屏蔽雙絞線表4-7SM1232AQ2×14bit模擬量輸出模塊性能規(guī)格圖4-29模擬量輸出模塊SM1232AQ2×14bit的接線圖

模擬量模塊的地址分配模擬量模塊以通道為單位，一個通道占一個字（2個字節(jié)）的地址，所以在模擬量地址中只有偶數(shù)。S7-1200PLC的模擬量模塊的系統(tǒng)默認(rèn)地址位I/QW96～I(xiàn)/QW222。一個模擬量最多有8個通道，從96號字節(jié)塊開始，S7-1200PLC給每一個模擬量模塊分配16B（8個字）的地址。N號槽的模擬量模塊的起始地址位（N-2）×16+96，其中N大于等于2。集成的模擬量輸入/輸出系統(tǒng)默認(rèn)地址是I/QW64、I/QW66；信號板上的模擬量輸入/輸出系統(tǒng)默認(rèn)地址是I/QW80。模擬量輸入地址的標(biāo)識符是IW，模擬量輸出地址的標(biāo)識符是QW。

模擬值的表示模擬值用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示，寬度16位，最高位是符號位。模擬量模塊的精度最高位為15位，如果少于15位，則模擬值左移調(diào)整，然后再保存到模塊中，未用的低位填入“0”。若模擬值的精度為12位加符號位，左移3位后未使用的低位（第0～2位）為0，相當(dāng)于實際的模擬值被乘以8。范圍測量范圍百分比十進(jìn)制十六進(jìn)制±10V±5V±2.5V范圍118.515%327677FFF11.851V5.926V2.963V上溢117.593%325127F00

117.589%325117EFF11.759V5.879V2.940V超出范圍

276496C01

表4-8電壓測量范圍為±10～±2.5V的模擬值的表示范圍測量范圍百分比十進(jìn)制十六進(jìn)制±10V±5V±2.5V范圍100.000%276486C0010V5V2.5V正常范圍75.000%2073651007.5V3.75V1.875V0.003617%11361.7μV180.8μV90.4μV0%000V0V0V-0.003617%-1FFFF-361.7μV-180.8μV-90.4μV-75.000%-20736AF00-7.5V-3.75V-1.875V-100.000%-276489400-10V-5V-2.5V

-2764993FF

低于范圍-117.589%-325118100-11.759V-5.879V-2.940V-117.593%-3251280FF

下溢-118.515%-327678000-11.851V-5.926V-2.963V表4-8電壓測量范圍為±10～±2.5V的模擬值的表示系統(tǒng)測量范圍百分比十進(jìn)制十六進(jìn)制0～20mA4～20mA范圍118.515%327677FFF23.70mA22.96mA上溢117.593%325127F00

117.589%325117EFF23.52mA22.81mA超出范圍

276496C01

100.000%276486C0020mA20mA正常范圍75.000%20736510015mA15mA

11723.4nA4mA+578.7nA0%000mA4mA-118.519%-327688000

表4-9電流測量范圍為0～20mA和4～20mA的模擬值的表示縮放指令（SCALE_X）將浮點數(shù)輸入?yún)?shù)VALUE（0.0≤VALUE≤1.0）被線性轉(zhuǎn)換（映射）為參數(shù)MIN（下限）和MAX（上限）定義的范圍之間的數(shù)值。轉(zhuǎn)換結(jié)果用OUT指定的地址保存?？s放指令的梯形圖如圖4-30所示。（二）縮放指令（SCALE_X）和標(biāo)準(zhǔn)化指令（NORM_X）

縮放指令（SCALE_X）圖4-30縮放指令的梯形圖在圖4-30中，單擊指令方框內(nèi)指令名稱下面的問號，用下拉式列表設(shè)置變量的數(shù)據(jù)類型。參數(shù)MIN、MAX和OUT數(shù)據(jù)類型應(yīng)相同，可以是整數(shù)、浮點數(shù)，也可以是常數(shù)，參數(shù)VALUE的數(shù)據(jù)類型為浮點數(shù)。輸入、輸出之間的線性關(guān)系（見圖4-31）如下：OUT=VALUE×（MAX-MIN）+MIN圖4-31SCALE_X線性關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)化指令（NORM_X）將整數(shù)輸入?yún)?shù)VALUE（MIN≤VALUE≤MAX）線性轉(zhuǎn)換（標(biāo)準(zhǔn)化，或稱歸一化）為0.0～1.0之間的浮點數(shù)，轉(zhuǎn)換結(jié)果用OUT指定的地址保存。標(biāo)準(zhǔn)化指令的梯形圖如圖4-32所示。

標(biāo)準(zhǔn)化指令（NORM_X）圖4-32標(biāo)準(zhǔn)化指令的梯形圖在圖4-32中，單擊指令方框內(nèi)指令名稱下面的問號，用下拉式列表設(shè)置輸入VALUE和輸出OUT的數(shù)據(jù)類型，OUT的數(shù)據(jù)類型為浮點數(shù)。輸入?yún)?shù)MIN、MAX和VALUE的數(shù)據(jù)類型應(yīng)相同，可以整數(shù)、浮點數(shù)，也可以是常數(shù)。輸入、輸出之間的線性關(guān)系如下（見圖4-33）：OUT=（VALUE-MIN）/（MAX-MIN）圖4-33NORM_X指令線性關(guān)系圖4-34例4-1梯形圖【例4-1】某溫度變送器的量程為-200～850℃，輸出信號為4～20mA，符號地址為“模擬值”的IW96將0～20mA電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量0～27648，求以℃為單位的浮點數(shù)溫度值。分析：4mA對應(yīng)的模擬值為5530，IW96將-200～850℃的溫度轉(zhuǎn)換為模擬值5530～27648，用標(biāo)準(zhǔn)化指令將5530～27648的模擬值歸一化位0.0～1.0之間的浮點數(shù)，然后用縮放指令將歸一化后的數(shù)值轉(zhuǎn)換為-200～850℃的浮點數(shù)溫度值，保存至MD40中，梯形圖如圖4-34所示。圖4-35例4-2梯形圖【例4-2】將地址為QW96整數(shù)型變量“AQ輸入”轉(zhuǎn)換后的DC0～10V電壓作為變送器的模擬量輸入值，通過變頻器內(nèi)部參數(shù)的設(shè)置，0～10V的電壓對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為0～1800r/min。求以r/min為單位的整數(shù)型變量“轉(zhuǎn)速”對應(yīng)的AQ模塊的輸入值“AQ輸入”。梯形圖如圖4-35所示。注意在使用博途軟件編程時，應(yīng)去掉OB1屬性中的“IEC檢查”復(fù)選框中的勾選，否則不能將SCALE_X指令的輸出參數(shù)OUT的數(shù)據(jù)類型設(shè)置為Int。（一）任務(wù)目標(biāo)1）熟練掌握SM1232AQ2模擬量輸出模塊接線和應(yīng)用。2）會S7-1200系列PLCI/O接線。3）會西門子G120C變頻器的接線和參數(shù)設(shè)置。4）掌握縮放指令、標(biāo)準(zhǔn)化指令的編程及應(yīng)用。5）能根據(jù)控制要求編寫梯形圖程序。6）熟練使用博途編程軟件進(jìn)行設(shè)備組態(tài)、編制梯形圖程序，下載至CPU進(jìn)行調(diào)試運行并查看運行結(jié)果。三、任務(wù)實施表4-10所需設(shè)備與器材（二）設(shè)備與器材序號名稱符號型號規(guī)格數(shù)量備注1常用電工工具

十字起、一字起、尖嘴鉗、剝線鉗等1套表中所列設(shè)備、器材的型號規(guī)格僅供參考2計算機(jī)（安裝博途編程軟件）

1臺3西門子S7-1200PLCGPUCPU1214CAC/DC/Rly，訂貨號：6ES7214-1AG40-0XB01臺4模擬量輸出模塊SM1232AQ2×14BIT，訂貨號：6ES7232-4HB32-0XB01塊5變頻器掛件（西門子變頻器）

G120C1個6三相異步電動機(jī)M

1臺7以太網(wǎng)通信線

1根8連接導(dǎo)線

若干三相異步電動機(jī)的變頻調(diào)速PLC控制要求，按下起動按鈕，電動機(jī)先以10Hz頻率正向運行，10s后以20Hz頻率運行，20s后以30Hz頻率運行，30s后以40Hz頻率運行，40s后以50Hz頻率運行，50s后又重新開始運行，循環(huán)兩次后自動停止，運行過程中按下停止按鈕電動機(jī)立即停止運行。（三）內(nèi)容與步驟

任務(wù)要求

I/O地址分配與接線圖表4-11I/O地址分配表輸入輸出設(shè)備名稱符號I元件地址設(shè)備名稱符號Q元件地址起動按鈕SB1I0.0變頻器正向運行數(shù)字量輸入端子DI0Q0.0停止按鈕SB2I0.1

圖4-36三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速PLC控制I/O接線圖圖4-37三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速的PLC控制變量表

創(chuàng)建工程項目打開博途編程軟件，在Portal視圖中選擇“創(chuàng)建新項目”，輸入項目名稱“4RW_1”選擇項目保存路徑，然后單擊“創(chuàng)建”按鈕創(chuàng)建項目完成，組態(tài)CPU模塊，并在CPU模塊右側(cè)2號槽組態(tài)一模擬量輸出模塊SM1232AQ2×14BIT（訂貨號：6ES7232-4HB32-0XB0）。

編輯變量表

設(shè)置變頻器參數(shù)序號參數(shù)默認(rèn)值設(shè)置值含義說明備注1P0010030參數(shù)復(fù)位

2P097001觸發(fā)驅(qū)動參數(shù)復(fù)位

3P001001快速調(diào)試

4P0015717兩線制控制2，模擬量調(diào)速

5P030011設(shè)定為異步電動機(jī)

6P0304400380電動機(jī)額定電壓，單位為V

7P03051.70.18電動機(jī)額定電流，單位為A

8P03070.550.03電動機(jī)額定功率，單位為kW

9P03105050電動機(jī)額定頻率，單位為Hz

表4-12變頻器參數(shù)的設(shè)置序號參數(shù)默認(rèn)值設(shè)置值含義說明備注10P031113951300電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速，單位為r/min

11P03410.0015710.00001電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量，單位kg.m2

12P0756[00]40單極電壓輸入（0～10V）

13P0776[00]01電壓輸出

14P108215001500最大轉(zhuǎn)速，單位為r/min

15P1120100.1加速時間，單位為s

16P1121100.1減速時間，單位為s

17P119020電動機(jī)數(shù)據(jù)檢查

18P001000電動機(jī)就緒

19P097101保存驅(qū)動對象

表4-12變頻器參數(shù)的設(shè)置（續(xù)）

編寫程序圖4-38三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速控制梯形圖（四）分析與思考

調(diào)試運行將硬件組態(tài)及圖4-38程序編譯后下載至CPU中，按照圖4-36進(jìn)行PLC輸入、輸出端接線，啟動CPU，將CPU切換至RUN模式，然后調(diào)試運行，觀察運行結(jié)果。1）在圖4-38梯形圖程序中，MW10、MD20分別是什么數(shù)據(jù)類型，多少位，QW96表示什么意思？2）本任務(wù)中若要求三相異步電動機(jī)反向運行，I/O接線圖和程序應(yīng)如何修改，若要實現(xiàn)固定轉(zhuǎn)速運行，I/O接線圖和程序又應(yīng)如何修改？四、任務(wù)考核表4-13任務(wù)實施考核表序號考核內(nèi)容考核要求評分標(biāo)準(zhǔn)配分得分1電路及程序設(shè)計（1）能正確分配I/O地址，并繪制I/O接線圖（2）設(shè)備組態(tài)（3）根據(jù)控制要求，正確編制梯形圖（1）I/O地址分配錯或少，每個扣5分（2）I/O接線圖設(shè)計不全或有錯，每處扣5分（3）CPU、SM1232模塊組態(tài)與現(xiàn)場設(shè)備型號不匹配，每項扣10分（4）梯形圖表達(dá)不正確或畫法不規(guī)范，每處扣5分40分2安裝與連線根據(jù)I/O接線圖，正確連接電路（1）連線錯一處，扣5分（2）損壞元器件，每只扣5～10分（3）損壞連接線，每根扣5～10分20分3調(diào)試與運行能熟練使用編程軟件編制程序下載至CPU，并按要求調(diào)試運行（1）不能熟練使用編程軟件進(jìn)行梯形圖的編輯、修改、編譯、下載及監(jiān)視，每項扣2分（2）不能按照控制要求完成相應(yīng)的功能，每少一項扣5分20分4安全操作確保人身和設(shè)備安全違反安全文明操作規(guī)程，扣10～20分20分5合計五、知識拓展（一）高速計數(shù)器PLC的普通計數(shù)器是按照順序掃描的方式進(jìn)行工作，在每個掃描周期中，對計數(shù)脈沖只能進(jìn)行一次累加，計數(shù)頻率一般僅有幾十赫茲。而高速計數(shù)器能對數(shù)千赫磁的頻率脈沖進(jìn)行計數(shù)。當(dāng)輸入脈沖信號頻率大于PLC的掃描頻率時，普通計數(shù)器會失去很多輸入脈沖信號。S7-1200PLC擁有6個高速計數(shù)器HSC1～HSC6，用以響應(yīng)快速的脈沖輸入信號，可以設(shè)置多達(dá)12種不同的操作模式。高速計數(shù)器的運行速度比CPU的掃描周期快得多，可測量的單相脈沖頻率最高為100KHZ，雙相或A/B相最高為30KHZ。

高速計數(shù)器工作模式高速計數(shù)器工作模式單相計數(shù)，內(nèi)部方向控制雙相加/減計數(shù)器，雙脈沖輸入A/B相正交計數(shù)器單相計數(shù)，外部方向控制表4-14S7-1200PLC高速計數(shù)器的硬件輸入定義和工作模式項目描述輸入點功能HSCHSC1使用CPU上集成I/O或信號板I0.0（CPU）I4.0（信號板）I0.1（CPU）I4.1（信號板）I0.3（CPU）I4.3（信號板）

HSC2使用CPU上集成I/O或信號板I0.2（CPU）I4.2（信號板）I0.3（CPU）I4.3（信號板）I0.1（CPU）I4.1（信號板）

HSC3使用CPU上集成I/OI0.4（CPU）I0.5（CPU）I0.7（CPU）

HSC4使用CPU上集成I/OI0.6（CPU）I0.7（CPU）I0.5（CPU）

HSC5使用CPU上集成I/O或信號板I1.0（CPU）I4.0（信號板）I1.1（CPU）I4.1（信號板）I1.2（CPU）

HSC6使用CPU上集成I/OI0.3（CPU）I0.4（CPU）I0.5（CPU）

表4-14S7-1200PLC高速計數(shù)器的硬件輸入定義和工作模式（續(xù)）項目描述輸入點功能模式單相計數(shù)，內(nèi)部方向控制時鐘脈沖發(fā)生器

復(fù)位

單相計數(shù)，外部方向控制時鐘脈沖發(fā)生器方向

計數(shù)或頻率復(fù)位計數(shù)雙相計數(shù)，兩路脈沖輸入增時鐘脈沖發(fā)生器減時鐘脈沖發(fā)生器

計數(shù)或頻率復(fù)位計數(shù)A/B相正交計數(shù)時鐘脈沖發(fā)生器A時鐘脈沖發(fā)生器B

計數(shù)或頻率Z相

并非所有的高計數(shù)器都可以使用6個高計數(shù)器，例如CPU1211C由于本體上只有6個集成輸入點，所有最多只能支持4個（使用信號板的情況下）高計數(shù)器。S7-1200PLC除了提供計數(shù)功能外，還提供了頻率測量功能，有3種不同的頻率測量周期：1.0s、0.1s和0.01s。頻率測量周期是這樣定義的：計算并返回頻率值的時間間隔。返回的頻率值為上一個測量周期中所有測量值的平均值，無論測量周期如何選擇，測量出的頻率值總是以Hz（每秒脈沖數(shù)）為單位。

高速計數(shù)器尋址CPU將每個高速計數(shù)器的測量值以32位雙整數(shù)型有符號數(shù)的形式存儲在過程映像輸入?yún)^(qū)內(nèi)，用戶在程序中可以直接訪問這些地址，也可以在設(shè)備組態(tài)中修改這些存儲地址。由于過程映像區(qū)受掃描周期的影響，在一個掃描周期內(nèi)高速計數(shù)器的測量數(shù)值不會發(fā)生變化，但高速計數(shù)器中的實際值有可能會在一個掃描周期內(nèi)發(fā)生變化，因此可通過直接讀取外設(shè)地址的方式讀取到當(dāng)前時刻的實際值。以ID1004為例，其外設(shè)地址為“ID1004：P”。高速計數(shù)器默認(rèn)尋址見表4-15。高速計數(shù)器號數(shù)據(jù)類型默認(rèn)地址HSC1DIntID1000HSC2DIntID1004HSC3DIntID1008HSC4DIntID1012HSC5DIntID1016HSC6DIntID1020表4-15高速計數(shù)器默認(rèn)尋址列表

中斷功能S7-1200PLC在高速計數(shù)器中提供了中斷功能，用以在某些特定條件下觸發(fā)程序，有以下3種中斷條件。

1）當(dāng)前值等于預(yù)置值

3）帶有外部方向控制時，計數(shù)方向發(fā)生改變

2）使用外部信號復(fù)位

高速計數(shù)器指令高速計數(shù)器指令（CTRL_HSC）用于組態(tài)和控制高速計數(shù)器，該指令通常放置在觸發(fā)計數(shù)器硬件中斷時間時執(zhí)行的硬件中斷組織塊中。高速計數(shù)器指令需要使用背景數(shù)據(jù)塊存儲參數(shù)，在編輯器中放置CTRL_HSC指令后系統(tǒng)自動分配DB。高速計數(shù)器指令塊的梯形圖及端子參數(shù)說明見表4-16。LAD/FBD參數(shù)數(shù)據(jù)類型說明ENBool使能輸入ENOBool使能輸出HSCHW_HSC高速計數(shù)器的硬件標(biāo)識符DIRBool1-使能新方向表4-16高速計數(shù)器指令CTRL_HSC的LAD/FBD及端子參數(shù)說明LAD/FBD參數(shù)數(shù)據(jù)類型說明CVBool1-使能新初始值RVBool1-使能新參考值PERIODBool1-使能新頻率測量周期（僅限頻率測量模式）NEW_DIRInt方向選擇：1-加計數(shù)；-1-減計數(shù)NEW_CVDInt新初始值NEW_RVDInt新參考值NEW_PERIODInt新頻率測量周期（僅限頻率測量模式），1000:1s；100:0.1s；10:0.01sBUSYBool處理狀態(tài)STATUSWord運行狀態(tài)表4-16高速計數(shù)器指令CTRL_HSC的LAD/FBD及端子參數(shù)說明（續(xù)）（二）高計數(shù)器應(yīng)用將型號為E6H-CWZ5B歐姆龍增量型旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上，通過高速計數(shù)器對其脈沖進(jìn)行計數(shù)，用于控制指示燈HL點亮熄滅。要求按下起動按鈕時電動機(jī)起動運行，當(dāng)計數(shù)20000個脈沖時，指示燈HL點亮，并設(shè)定新參考值為40000個脈沖。當(dāng)計滿40000個脈沖后，指示燈HL熄滅，計數(shù)器復(fù)位，并將新參考值再設(shè)置為20000，如此循環(huán)運行。運行過程中按下停止按鈕或電動機(jī)發(fā)生過載，電動機(jī)停止運行、指