基于PLC交流异步电动机转速闭环系统设计.docx
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基于PLC交流异步电动机转速闭环系统设计
基于PLC的交流异步电机
转速闭环控制系统设计
成绩：
姓名：
班级：
学号：
日期：
PLC技能考核设计训练任务书
学生姓名专业年级学号
设计日期：
2016年5月27日至2016年6月6日
设计题目：
基于PLC的交流异步电机转速闭环控制系统设计（实现记录系统运行时间）
设计主要内容：
本次设计使用可编程控制器（PLC）、HMI、变频器、组态软件、交流异步电动机等器件组成的综合控制系统。
系统中通过PLC来控制变频器，变频器的输出控制异步电动机，再通过反馈系统将参数反馈给PLC，然后经过PID运算调整输出，最终实现异步电动机转速的闭环控制，实现异步电机的稳态运行。
并通过HMI面板直观的显示出系统单次及总运行的时间。
主要是调节转速调节器PI调节器的参数，实现电动机的控制、调节、显示。
指导教师评语：
指导教师签字：
1绪论
随着电力电子器件、微电子技术和现代控制理论的发展，异步电动机造价低、结构坚固的优点使其得到广泛的应用。
这使得电动机的控制技术要求进一步提高，难度进一步加大。
控制技术是异步电动机应用必须克服的难关，也是这项技术里的难点。
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。
通过PLC来控制变频器，然后通过变频器输出要求的电压、频率对异步电动机进行控制，同时根据电机的反馈数据进行调整改变变频器的输出，使得系统形成一个转速闭环的调速系统，从而达到抗干扰、稳态运行。
在运行的同时，记录系统单次运行的时间以及总的运行时间，并显示在显示屏上。
1.1变频器
变频器（Variable-frequencyDrive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。
变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。
变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，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，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。
随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。
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，简称PLC（ProgrammablelogicController）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
各种PLC的组成结构基本相同，主要有CPU,电源，储存器和输入输出接口电路等组成。
PLC的工作方式为循环扫描方式，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。
其工作过程大致分为3个阶段：
输入采样、程序执行和输入采样、程序执行和输出刷新。
PLC具有以下特点：
1.使用灵活、通用性强；2.可靠性高、抗干扰能力强；3.接口简单、维护方便；4.体积小、功耗小、性价比高；5.编程简单、容易掌握；6.设计、施工、调试周期短。
目前我国使用的PLC几乎都是国外品牌的产品。
在全世界上百个PLC制造厂中，有几家举足轻重的公司。
它们是美国Rockwell自动化公司所属的AB公司、GE-Fanuc公司，德国的西门子（Siemens）公司和法国的施耐德（Schneider）自动化公司，日本的三菱公司和欧姆龙（OMRON）公司。
1.3触摸屏
HMI是HumanMachineInterface的缩写，“人机接口”，也叫人机界面。
人机界面（又称用户界面或使用者界面）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、数据存贮单元等，其中处理器的性能决定了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。
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Smart700。
1.4组态软件
组态软件是运行于PC硬件平台、windows操作系统下的一个通用工具软件产品，和PC机或工控机一起也可以组成HMI产品；通用的组态软件支持的设备种类非常多，如各种PLC、PC板卡、仪表、变频器、模块等设备，而且由于PC的硬件平台性能强大（主要反应在速度和存储容量上），通用组态软件的功能也强很多，适用于大型的监控系统中。
本次设计用的是WINCCflexible。
WINCCflexible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。
WINCCflexible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。
1.5基于PLC的交流异步电机转速闭环控制系统
基于PLC的交流异步电机转速闭环控制系统，通过PLC、变频器、HMI、组态软件的组合共同作用，来实现电机的稳态无静差的转速闭环系统，达到抗干扰、稳速运行。
2系统硬件设计
2.1系统设计的目的
生产工作中，使用电机时，并不是简单地通电断电，开始停止，需要能够快速的改变速度，达到精准控制，开环并不能达到要求，要达到控制的要求，并能够很好地执行并保持给定，这就需要闭环系统来调节。
闭环系统结构复杂、设困难，但是闭环系统可以很好地抵抗干扰，实现稳态无静差的转速调节。
本次系统设计就是为了实现电机正常并稳定运行，能够根据给定快速的调节转速达到给定，在。
达到很好地控制电机运转要求。
2.2系统硬件结构框图
图2-2PID控制器结构图
PID控制原理：
PID控制方式的具体流程是计算误差和速度的变化速度进行PID计算，先以P参数和误差计算出基础输出量，在根据误差的累积值和I参数计算出修正量，最终找出控制点和速度设定点之间的平衡状态，最后在通过速度的变化速率与D参数控制速度的变化速度以防止速度的剧烈变化。
进行整定时先进行P调节，使I和D作用无效，观察速度变化曲线，若变化曲线多次出现波形则应该放大比例P参数，若变化曲线非常平缓，则应该缩小比例P参数。
比例P参数设定好后，设定积分I参数，积分）正好与P参数相反，曲线平缓则需要放大积分I，出现多次波形则需要缩小积分I。
比例P和积分I都设定好以后设定微分D参数，微分D参数与比例P参数的设定方法是一样的。
变频调速的原理：
异步电机的转速n可以表示为：
n=60f/p∙（1-S）=n2-Δn1
式中，n2为同步转速，Δn1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（VVVF），简称变频调速。
2.3硬件选型
闭环调速系统的硬件组成：
触摸屏：
西门子Smart700，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WINCCflexible。
PLC：
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、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块。
图2-5变频器MM420
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。
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7.5V。
2.4硬件接线图
3系统软件设计
3.1变频器参数
表格31变频器参数
序号
变频器参数
出厂值
设定值
功能说明
1
P0003
1
2
用户访问级别
2
P0304
230
220
电动机的额定电压（220V）
3
P0305
3.25
0.5
电动机的额定电流（0.5A）
4
P0307
0.75
0.1
电动机的额定功率（100W）
5
P0310
50.00
50.00
电动机的额定频率（50Hz）
6
P0311
0
1420
电动机的额定转速（1420r/min）
7
P0700
2
1或2
选择命令源（由BOP/端子排输入）
8
P1000
2
1或2
用BOP/端子排输入控制频率的升降
9
P1080
0
0
电动机的最小频率（0Hz）
10
P1082
50
50.00
电动机的最大频率（50Hz）
11
P1120
10
10
斜坡上升时间（10S）
12
P1121
10
10
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触摸屏设计界面
图3-2组态地址
3.3PLC编程
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STEP7Micro/WIN3.2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。
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SM0.0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。
图3-3PID参数
图3-4PID输入和输出选项
PID参数确定步骤：
进一步确定PID参数：
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，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60％～70％，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60％～70％。
（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，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150％～180％。
（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。
PLC梯形图：
方法一：
PID向导实现转速闭环
方法二：
主程序
初始化
子程序
中断程序
实现计时功能
程序分析
方法一：
首先通过M1.0控制Q0.0得电，启动程序，将给定转速VW100进行数字类型的转化，存放在VD404中；将实际输出值的数量AIW0与VD404进行PID运算，输出值放入AQW0中。
最后，将AIW0进行数字类型变化和参数的计算后存入VW200里。
方法二：
首先通过M1.0控制Q0.0得电，启动程序，开始运行时调用一次初始化子程序，对PID参数进行初始化设置；然后对实际转速的数字量进行标幺化，存入VD500中；再对给定转速VW100进行标幺化，结果存入VD504中。
接着对VB500进行PID运算，运算结果输出值存放在VD508中；最后对PID运算结果进行反标幺化，分别存入AQW0与VW200中。
计时程序的分析：
当M1.0闭合电机启动时，SM0.5产生周期1秒，占空比为50%的方波，与此同时Q0.0的常闭断开产生下降沿，C6计数器复位端得电，C6计数器进行复位，C5计数器不复位，且将C5计数器值放入VW400，C6计数器的值放入VW300；然后计数器C5计数器、C6计数器记录上升沿，每次为一秒；当M1.0断开时电机停转，C5计数器、C6计数器停止计数。
当再次运行时，重复以上步骤，C6计数器复位，C5计数器继续累加计数，实现C6计数器记录单次运行时间，C5计数器记录总运行时间。
4系统调试
系统完成后，将程序分别下载到PLC、触摸屏中，连接二者使其能够通信，然后从触摸屏中输入给定转速，点击启动，电机开始转动，实际转速开始显示示数，能够很好地跟踪给定，最终稳定在给定转速左右，在给定转速的5rpm左右。
在电机运行时，当负载变化，电机的转速几乎不变，系统能够实现很好地抗干扰，能够在干扰的情况下很快的跟踪给定。
5总结
5.1遇到的问题及解决方法
实现使用显示屏改变KP、Ti参数时，下载程序后，电动机不转动。
通过检测功能发现这两个参数对应的地址没有值，根据这方面的原因，检查了组态软件的地址，最终确定地址的类型选择错误。
误将real型设置成Dint型。
无法控制变频器。
与其他同学对比发现控制变频器的端口连接错误，修改连接后可以正常工作。
设计触摸屏时，点击启动按钮没有反应。
对启动按钮的属性进行检查，发现启动按钮没有对其赋相对应的函数。
联想到停止按钮与启动按钮一样，同时修改了停止按钮的函数。
修改后可以正常控制系统启停。
完成本组任务时，计数器编译出错。
查看提示错误部分，复位端出错，给C5计数器复位端添加一个常闭开关，编译通过。
实现单次计时时，当按下停止按钮时单次显示时间直接归零，不能停留在触摸屏上。
分析发现属于C6计数器复位的触发条件问题，应该使用启动时的状态作为复位开关，这样就可以在停止时保留示数不清零，而在下一次启动时复位清零重新计时，所以在原本C6计数器复位端的Q0.0常闭后面添加一个下降沿有效，修改后能够在下一次启动前保留计时时间。
5.2实验收获
通过本次试验，我对PLC的认识更加深刻，对它的各个输入、输出端口了解的更加透彻。
从以前只知道理论知识，到现在会现场的连接使用，从中学会了很多。
对于PLC的兴趣更加浓厚，或许会对以后的工作生活产生很大的影响。
对于组态软件的使用也是从无到有，在实验过程中学会了wincc的使用。
认识了触摸屏、变频器、测速码盘。
主要的收获是对与梯形图的认识和应用。
数据类型的转化，地址的分配开关的类型，都有了全新的认识。
5.3建议
希望能够增加实验器材，这样就能让每个人都能更多的参加操作，影响更加深刻。
希望能够使用PLC更多功能的应用，在完成电机控制后还能体验更多的其他设备控制。
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