基于PLC的交流异步电机转速闭环控制系统设计.doc

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1、目 录1 绪论11.1 变频器11.2 可编程控制器11.3 HMI21.4 组态软件32 系统硬件设计42.1 系统设计目的42.2 系统硬件结构框图42.3 硬件选型52.4 硬件接线83 系统软件设计93.1 变频器参数93.2 触摸屏组态画面103.3 PLC编程113.3.1 PID向导113.3.2 PID指令184 系统调试215 总结23基于PLC的交流异步电机转速闭环控制系统设计1 绪论随着变频调速技术的不断发展，交流传动系统的性能突飞猛进。交流异步电动机以其低廉的造价、坚固的结构得到了越来越广泛的应用。在交流传动的许多应用场合中，均对电机的调速性能和定位性能提出了较高的要求

2、。异步电动机以其大功率、高性价比的独特优势而占有一席之地，但同时其调速性能和定位性能却不甚完美，尚需完善。本次实验基于可编程控制器（PLC）硬件平台的异步电动机综合控制系统。该系统通过可编程逻辑控制器（PLC）来控制变频器，最终实现异步电动机转速的闭环控制。并通过HMI面板直观的显示出来。1.1 变频器变频器(Variable-frequency Drive，VFD)是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率来控制交流电动机的电力控制设备。通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。变频器的用途：通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根

3、据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。采用变频器一是可以提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求；二是为了节约能源、降低生产成本。用户根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。在调速系统中变频器的优点是：一、调速平滑、调速范围大。通过控制器的控制，变频器的输出频率可以连续调节，实现无级调速，使电动机起动电流小、动负荷小、调速平滑而无冲击。二、调速精度高。电动机在自然特性上运转时的外特性硬，转速随负载变化小。三、动态品质好。可使提升机的起动、制动、反转和调速过程的时间降至最少，具有良好的动态品质。四、易实现电动机

4、的换向，当频率降低至零后即可反向开车，采用控制器改变相序即可实现反转，因此可在四象限内平滑的过渡。五、节电效果显著。变频调速比转子回路串接电阻的调速方法节约电能20%40%。本次设计采用的是西门子MM420变频器。1.2 可编程控制器可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继续计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简朴，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。其特点是：第一,灵活性、通用性强。继电器控制系统如果工艺要求稍有变化,控制电路必1须随之作相应的变动,

5、所有布线和控制柜极有可能重新设计,耗时且费力然而是利用存储在机内的程序实现各种控制功能的。因此当工艺过程改变时,只需修改程序即可,外部接线改动极小,甚至可以不必改动,其灵活性和通用性是继电器控制电路无法比拟的。第二,可靠性高,抗干扰能力强继电器控制系统中,由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象是不可避免的,大大降低了系统的可靠性。而在控制系统中,大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的,加之在硬件和软件方面都采取了强有力的措施,使产品具有极高的可靠性和抗干扰能力可以直接安装在工业现场稳定地工作。PLC在硬件方面采取电磁屏蔽、光电隔离、多级滤波等措施在软件方面采取警戒时钟、故障诊

6、断、自动恢复等措施,并利用后备电池对程序和数据进行保护,因此被称为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”。第三,编程简单,使用方便。PLC采用面向过程,面向问题的“自然语言”编程方式,直观易懂,主要采用梯形图和语句表编写程序,使得广大电气技术人员更容易接纳和理解。同时设计人员也可根据自己的喜好和实际应用的要求选择其他编程语言。标准是编程语言的标准,除了梯形图!语句表之外,还存在顺序流程图!结构化文本和功能块图三种编程语言的表达方式。一个程序的不同部分可用任何一种语言来描述,支持复杂的顺序操作功能处理以及数据结构。第四,功能强大,可扩展。的主要功能包括开关量的逻辑控制、模拟量控制部分还具备控制

7、或模糊控制功能、数字量智能控制、数据采集和监控、通信、联网及集散控制等功能。PLC的功能扩展也极为方便,硬件配置相当灵活,根据控制要求的改变,可以随时变动特殊功能单元的种类和个数,再相应修改用户程序就可以达到变换和增加控制功能的目的。1.3 HMIHMI是Human Machine Interface 的缩写，“人机接口”，也叫人机界面。人机界面是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存储单元等，其中处理器的性能

8、决定了HMI 产品的性能高低，是HMI的核心单元。根据HMI的产品等级不同，处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。HMI软件一般分为两部分，即运行于 HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件（本次设计用的是WinCC flexible）。使用者都必须先使用HMI的画面组态软件制作“工程文件”，再通过PC机和HMI 产品的串行通讯口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。本次设计采用的是西门子Smart 700。 1.4 组态软件组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方

9、式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。WinCC flexible是一种前瞻性的面向及其自动化的HMI设备组态软件，它能够提供舒适而高效的设计。WinCC flexible的优点：一是多功能，通用的应用程序，适合所有工业领域的解决方案；多语言支持，全球通用 ；可以集成到所有自动化解决方案内；内置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态；可基于Web持续延展，采用开放性标准，集成简便；集成的Historian 系统作为IT 和商务集成的平台；可用选件和附加件进行扩展 ；“全集成自动化” 的组成部分，适用于所有工业和技术领域的解决方案。二是实例证明，WinCC集生

10、产自动化和过程自动化于一体，实现了相互之间的整合，这在大量应用和各种工业领域的应用实例中业已证明，包括：汽车工业、化工和制药行业、印刷行业、能源供应和分配、贸易和服务行业、塑料和橡胶行业、机械和设备成套工程、金属加工业、食品、饮料和烟草行业、造纸和纸品加工、钢铁行业、运输行业、水处理和污水净化。WinCC flexible组态包括IO域组态 、按钮组态、文本列表和图形列表组态、动画组态、报警组态。2 系统硬件设计2.1 系统设计目的对于控制电机转速，开环系统结构简单，控制电压直接控制电机触发电路。但系统静特性差，在转矩变化的情况下转速变化很大。闭环系统结构复杂，但是调速性能好，系统特性曲线较硬

11、，转矩变化对系统速度扰动几乎不记。在许多工业场合，需要电机转速能够很好地跟随给定转速，因此采用闭环控制系统。本次设计就是基于PLC的变频器实现转速闭环调速系统。2.2 系统硬件结构框图系统主要由三个部分构成，即可编程逻辑控制器件PLC、变频器和电机。首先通过设置给定输入给PLC，再通过PLC控制变频器，再经由变频器来控制电机，随后将电机的转速反馈给PLC，经比较后输出给变频器从而实现无静差调速。闭环调速系统的硬件结构框图：图2-1闭环控制的结构控制图-速度给定速度反馈信号+PLC（PID）变频调速系统PID控制器结构图：图2-2 PID控制结构图PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调

12、整方便而成为工业过程控制中不可替代的主要技术之一。PID控制分为三个环节，分别是比例环节、积分环节、微分环节。比例调节作用是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减小偏差。比例作用大，可以加快调节时间；但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分调节作用是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至消除误差。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强；反之积分作用就越弱。加入积分调节可使系统的动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。PI调节器是最常用的调节器。微分调节作用

13、反应系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没形成之前，已被积分作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调和调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微分调节，对系统抗干扰不利。变频调速原理：异步电机的转速n可以表示为 式中，n2为同步转速，n1为转差损失的转速，p为磁极对数，s为转差率，f为电源的频率。可见，改变电源频率就可以改变同步转速和电机转速。频率的下降会导致磁通的增加，造成磁路饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热。显然这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压。这就要求频率与电压

14、协调控制。此外，在许多场合，为了保持在调速时，电动机产生最大转矩不变，亦需要维持磁通不变，这亦由频率和电压协调控制来实现，故称为可变频率可变电压调速，简称变频调速。实现变频调速的装置称为变频器。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器（MCUDSP）等部分组成。2.3 硬件选型闭环调速系统的硬件组成：触摸屏：西门子Smart 700，为触屏中的中低端产品，但性价比较高。适用于单机场合，可以实现与S7-200的简单无缝连接。其屏幕大小为7寸，显示类型为LCD,分辨率为800*480，256色亮度可调，直流24V供电，带一个RS485通信接口，最大通讯速率为187.5kbps。可以

15、支持与第三方PLC通信，如三菱FN系列，欧姆龙CP1系列等。可支持最多500个变量，50个画面，200个报警，32个报警等级，5个配方，支持趋势视图、报警消息及断电保持。其组态基于软件WinCC flexible。图2-3 西门子Smart 700PLC：S7-200 是一种小型的可编程序控制器，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、

16、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块。变频器MM420：变频器的工作原理是把市电（380V 、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO、GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电。根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。如果变频器参数为出厂初始参数，则需要对它进行快速调试。图2-4 变频器 MM420电机机组：鼠笼式异步电动机：结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改变电动机的机械特性。直流电机：直流电机分为直流电动机和直流发电机两大类。本设计用直流发电机，外接电阻，相当于电动机负载，另端接码盘测速。码盘：码盘分为绝对

17、式编码器和增量编码器两种，前者能直接给出与角位置相对应的数字码；后者利用计算系统将旋转码盘产生的脉冲增量针对某个基准数进行加减以求得角位移。常用的码盘是接触编码器和光学编码器。接触编码器是绝对式编码器中的一种，它由编码盘、电刷和电路组成。编码盘按二进制码制成，与旋转轴固定在一起。码盘上有6条码道，每条码道上有许多扇形导电区和不导电区，全部导电区连在一起接到一个公共电源上。 6个电刷沿一个固定的径向安装，分别与6条码道接触。每个电刷与一单根导线相连，输出6个电信号,其电平由码盘的位置控制。当电刷与导电区接触时，输出为“1”电平；与不导电区接触时，输出为“0”电平。随着转角的不同，输出相应的码。编

18、码器的精度取决于码盘本身的精度，分辨率则取决于码道的数目。10条码道的码盘，其分辨率为1/1024，采用多个码盘和装上内部传动机构时可达1/105。 另一种绝对式编码器是光学编码器，是依照光学和光电原理制成的器件。它由光源、码盘、光学系统及电路4部分组成。码盘是在不透明的基底上按二进制码制成透明区图案，相当于接触编码器的导电区和不导电区。光线通过码盘由光电元件转换成相应的电信号。光学编码器的精度高于1/108，径向分度线的精度为 0.067弧秒。已制出的标准码盘有伪随机码、素数码、循环码、正弦余弦码、对数码和二进十进码等。本次设计采用的是接触编码器，把输入模拟量转速转换成数字量，并用0-10的

19、电压输出。由于有误差存在，实验测得码盘最大输出电压为7.2V。2.4 硬件接线系统接线图：图2-5 系统接线图电机机组为异步电动机和直流发电机同轴相连，对于鼠笼式异步电动机，定子绕组为型接法，需将A-Z、B-X、C-Y分别短接，他励直流发电机由实验台DC220V电源进行励磁，电枢绕组串接实验台0-1000欧可变电阻。3 系统软件设计3.1 变频器参数序号变频器参数出厂值设定值功能说明1P000312用户访问级别2P0304230220电动机的额定电压( 220V )3P03053.250.5电动机的额定电流( 0.5A )4P03070.750.1电动机的额定功率( 100W )5P0310

20、50.0050.00电动机的额定频率( 50Hz )6P031101420电动机的额定转速( 1420 r/min )7P070021或2选择命令源（由BOP/端子排输入）8P100021或2用BOP/端子排输入控制频率的升降 9P108000电动机的最小频率( 0Hz )10P10825050.00电动机的最大频率( 50Hz )11P11201010斜坡上升时间( 10S )12P11211010斜坡下降时间( 10S )在通过PLC控制变频器时需将P0700和P1000设定值改为2。3.2 触摸屏组态画面图3-1 触摸屏设计画面图3-2 变量定义图3-3 连接设置当前转速对应的IO域和棒

21、图组态的地址为VD404；给定转速对应的IO域和棒图组态的地址为VD400；启动、停止按钮对应的变量为bool型，组态的地址为M0.0。3.3 PLC编程3.3.1 PID向导1、指定回路号码：指定配置哪一个 PID 回路。如果项目包含使用 STEP 7 Micro/WIN 3.2 版建立的现有 PID 配置，必须在继续执行步骤 1 之前选择编辑其中一个现有配置或建立一个新配置。2、设置回路参数：回路给定是为向导生成的子程序提供的一个参数。指定回路给定(SP)应当如何标定。为“范围低限”和“范围高限”选择任何实数；指定下列回路参数：比例增益、采样时间、积分时间、微分时间。3、 回路输入和输出选

22、项：回路过程变量（PV）是您为向导生成的子程序指定的一个参数。指定回路过程变量（PV）应当如何标定。可以选择：单极性(0至32000)、双极性(-32000至32000)、20%偏移量(6400至32000，不可变更)。在环路设定值(SP)的下限必须对应于过程变量(PV)的下限，环路设定值的上限必须对应于过程变量的上限，以便PID算法能正确按比例缩放。本次设计计算的上限值为23040。图3-4 回路参数设置图3-5 回路输入和输出选项4、为计算指定存储区：PID 指令使用 V 存储区中的一个 36 个字节的参数表，存储用于控制回路操作的参数。PID计算还要求一个“暂存区”，用于存储临时结果。需

23、要指定该计算区开始的V存储区字节地址。一般选择建议地址就行。5、指定初始化子程序和中断程序：如果项目中包含一个激活PID配置，已经建立的中断程序名被设为只读。因为项目中的所有配置共享一个公用中断程序，项目中增加的任何新配置不得改变公用中断程序的名称。向导为初始化子程序和中断程序指定了默认名称。可以编辑默认名称。6、生成代码该屏幕显示PID向导生成的POU列表，并对如何把它们集成进用户程序作出简要说明。7、经过以上PID向导配置，点击“完成”，S7-200指令向导将为指定的配置生成程序代码和数据块代码。由向导建立的子程序和中断程序成为项目的一部分。要在程序中使能该配置，每次扫描周期时，使用SM0

24、.0从主程序块调用该子程序。该代码配置PID0。该子程序初始化PID控制逻辑使用的变量，并启动PID中断“PID_EXE”程序。根据PID采样时间循环调用PID中断程序。通过PID向导方法的代码如下：图3-6 PID程序1图3-7 PID程序2 图3-8 PID程序3图3-9 PID程序4在PC与S7 200通讯时需要把波特率改为和HMI相同的波特率。图3-10 波特率设置刷新出与PC的连接。图3-11 通信设置 可以通过PID调节控制面板改变P、I参数调节系统无差度。PID参数确定的步骤：PID控制器参数选择的方法很多，例如试凑法、临界比例度法、扩充临界比例度法等。但是，对于PID控制而言，

25、参数的选择始终是一件非常烦杂的工作，需要经过不断的调整才能得到较为满意的控制效果。(1) 确定比例系数Kp：确定比例系数Kp时，首先去掉PID的积分项和微分项，可以令Ti=0、Td=0，使之成为纯比例调节。输入设定为系统允许输出最大值的6070，比例系数Kp由0开始逐渐增大，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例系数Kp逐渐减小，直至系统振荡消失。记录此时的比例系数Kp，设定PID的比例系数Kp为当前值的6070。(2) 确定积分时间常数Ti：比例系数Kp确定之后，设定一个较大的积分时间常数Ti，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，然后再反过来，逐渐增大Ti，直至系统振荡消失。记录此时的Ti

26、，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150180。(3) 确定微分时间常数Td：微分时间常数Td一般不用设定，为0即可，此时PID调节转换为PI调节。如果需要设定，则与确定Kp的方法相同，取不振荡时其值的30。(4)系统空载、带载联调。(5)对PID参数进行微调，直到满足性能要求。图3-12 PID调节控制面板图3-13 PID调节控制面板23.3.2 PID指令主程序：图3-14 主程序子程序：图3-15 子程序图3-16 子程序中断程序：图3-17 中断程序1图3-18 中断程序2图3-19 中断程序34 系统调试此次设计是P、I调节电机转速。经过多次参数设定比较后，当设定比例系数P为

27、8，积分时间I为0.02，系统能得到比较满意的控制效果，最大超调只有两度多，稳定后能保持在10r/以内。负载改变后转速可以很快的达到给定转速。系统控制效果如下：图4-1 控制效果图图4-2 控制效果图5 总结通过此次的技能考核设计，使我更加深刻的掌握了有关PLC、变频器和组态软件的知识，在设计过程中也遇到了各种各样的小问题，但经过我们大家的共同思考和耐心的检查终于找出了原因所在，同时也暴露出了以前我在这方面的知识欠缺和经验不足。俗话说，时间是检验真理的唯一标准。这次通过亲自动手编写调试，把平时课本上的理论知识与实践相结合，从而使得我们对所掌握的知识有了更深一步的理解和记忆。在PC机与HMI面板

28、通讯时，需要让Smart700推出程序界面并进入transfer界面。在编写代PID程序时需要数据转换，我和同学讨论以及查阅资料后还是没有解决问题，最终在老师的帮助下完成了数据类型间的转换。在系统运行过程中实际的转速和经过计算的当前转速有比较大的差值，需要把回路输入选项中的范围高限改成自己计算的准确值，以及在计算比例时码盘的输出最大电压测出来带入程序中去就可以保证输出和显示同步了。在通过PID调节控制面板调节P、I参数时，可以先通过自动调节，待系统稳定后用手动调节微调。我在调节P、I参数时，系统误差度较大，通过我翻阅资料，与同学交流以及老师的帮助下减少了系统的无差度。经过此次的技能考核设计，也让我又一次体会到了大家的力量。在我有问题自己不能解决的时候，很多同学都愿意帮忙一起检查和讲解我的问题根源。身边每一个同学都有他们所擅长的地方，自己有不懂的地方去向他们讨教来填补自己的不足，同样的我也会把自己所了解的知识与大家分享。真的很感谢那些在实验室一起努力思考和学习的同学，感谢你们对我的帮助和讲解，同时我还要感谢我们的刘老师在课上对我们每一个同学耐心的指导和答疑，感谢您每天这么无私的教导。22