本科毕业设计电机控制.docx
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本科毕业设计电机控制
本科毕业设计（论文）
题目
基于PLC控制的交流
电机变频调速系统
学生姓名
学 号
教学院系
电气信息学院
专业年级
指导教师
职 称
单 位
电气信息学院
辅导教师
职称
单 位
完成日期
2012
年
6
月
9
日
SouthwestPetroleumUniversity
GraduationThesis
ACmotorspeedcontrolsystembasedonPLCcontrol
Grade:
Name:
Major:
Automation
Instructor:
SchoolofElectronicsandInformationEngineering
2012-6
摘要
交流电机作为运动控制的关键部分，在油田注水中起着十分重要的作用。
本设计是基于罗克韦尔PLC的交流电机变频调速系统，完成数据实时采集、控制量实时输出和控制过程的实时监控，达到系统响应快速、控制精确的目的。
论文以罗克韦尔PLC作为控制器，变频器作为执行机构，异步电机作为控制对象，测速发电机作为检测机构，在罗克韦尔以太网和控制网平台上搭建控制回路。
在控制器中加入PID控制，模糊PID控制，单神经元自适应PID控制，得到它们的动态响应曲线，并对动态性能和稳态性能进行对比。
结果表明，PID控制使系统具有很高的稳态精度，动态性能较差；模糊PID使系统具有良好的动态响应和很高的稳态精度；单神经元自适应PID控制有良好的动态响应和较强的鲁榜性。
实验证明通过控制算法的改进，系统性能得到了大大提高。
所以，PLC交流调速系统可以广泛应用于油田注水系统中。
关键词：
异步电机；变频控制；PID；模糊PID；单神经元自适应PID；罗克韦尔网络
Abstract
ACmotorasakeypartofthemotioncontrol,playsanimportantroleintheoilfieldwaterinjection.ThisexperimentaldesignanAcspeedadjustmentsystembasedonRockwellautomationPLC,completesdatareal-timegathering,thecontrolquantityreal-timeoutputandthecontrolledprocessreal-timemonitoring,achievesthesystemresponsetobefast,controlprecisegoal.
ThesystemuseRockwellPLCascontroller,frequencyconverterasactuator,asynchronousmachineascontrolledobject,tachometergeneratorasfeelermechanism.BuildthecontrolloopintheRockwellEthernetandthecontrolnetplatform.JoinsthePIDcontrol,fuzzyPID,SingleneuronadaptivePIDinthecontrollerthecontrol,obtainstheirdynamicresponsecurve,andcarriesonthecontrasttothedynamicpropertyandthestablestateperformance.
TheresultindicatedthatthePIDcontrolenablesthesystemtohavetheveryhighstablestateprecision,butthedynamicpropertyisbad;FuzzyPIDenablesthesystemtohavethegooddynamicresponseandtheveryhighstablestateprecision.SingleneuronadaptivePIDcontrolhasagooddynamicresponseandstrongadaptability.Experimentalresultsshowthatthecontrolalgorithm,thesystemperformancehasbeengreatlyimproved.Therefore,thePLCACvariablespeedsystemcanbewidelyusedintheoilfieldwaterinjectionsystems.
Keywords:
Asynchronousmotor;Variablefrequencycontrol;PID;FuzzyPID;SingleneuronadaptivePID；Rockwellnetwork
1绪论
1.1应用背景
在油田开发过程中，通过注水保持地层压力，是实现原油高产、稳定的重要手段。
对于断裂区块的油田，每个区块注水范围小，注水量随开采状况的变化，需要经常调整，大部分注水站都存在额定流量与实际流量不相匹配的问题。
油田注水由于压力高、水量大，注水电机大多是大功率电动机。
传统的手动调节阀门控制方式启动和停止需要人操作，还需要人工手动调节流量、控制压力，基本很难实现。
从前面技术来看，要稳定注水水泵的流量、压力等运行参数，而且使注水泵保持在高效区运行，实现系统的优化运行，单靠管网的优化和控制阀门的节流、打回流和停泵等方法是不适用的。
因此，采用变频调速控制器对油田注水泵用电动机实行变转速的调节，实现注水泵变水量控制是一项非常有效的节能措施。
如下图2.1所示是注水站控制系统的组成框图。
该系统通过智能传感器组对现场各注水泵机组的压力、温度、流量、电流、电压、用电量、振动量、水位、油位、噪声等物理量进行自动监测，并将监测结果由一根数据总线传输给可编程控制器PLC，经可编程控制器数据计算以及注水站生产系统运行优化处理后，送至变频器去控制各泵出口电动阀门，通过电机的无级调速来控制各泵的排量。
从而达到高效节能的注水作业。
图1.1注水站控制系统组成框图
1.2研究目的和意义
交流电机在工农业生产中得到了十分广泛的应用，其调速方法具有十分重要的作用。
好的调速系统不仅能提高工作效率，还能达到节能的效果。
本设计是针对油田注水系统中电机控制方案的研究。
其中交流电机采用PLC变频调速技术，使交流电机具有了与直流调速相当的调速性能。
并在控制中加入各种控制算法，可以改善系统的动态性能和提高稳态精度。
1.3电机控制的现状及其发展趋势
电机作为运动控制系统中的关键部分，正朝着以下三个方向发展:
（1）交流化。
交流电机与直流电机相比，由于没有换向器，结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机，并且安装环境要求低，适用于易燃、易爆、多尘等场合。
特别是随着变频调速技术的发展，交流电机具有了优异的调速性能，交流调速取代直流调速己成为一种不可逆转的趋势。
（2）网络化。
微处理器的发展，使数字控制器简单而又灵活，同时为联网提供了可能。
系统规模的扩大和系统复杂性的提高，需要远程控制多种设备协同工作，高速安全的网络为此提供了方便。
（3）智能化。
借助于数字和网络技术，智能控制己经深入到运动控制系统的各个方面。
例如:
模糊控制、神经网络控制等大大改善了控制系统的性能[1]。
1.4罗克韦尔系统简介
罗克韦尔三层网络Netlinx，包括以太网、控制网、设备网，如图1.1所示。
在此网络架构上，可以实现远程数据实时采集和实时输出，完成精确而又复杂的控制。
NetLinx定义了三种最基本的功能：
（1）实时控制。
基于控制器或智能设备内所储存的组态信息，通过网络通信中的状态变化来实现实时控制，可提供操作或过程中的实时工厂级数据交换。
（2）网络组态。
通过总线既可实现对同层网络的组态，也可实现上层网络对下层网络的组态。
网络组态可以在网络启动时进行，而设备参数修改或控制器逻辑修改也可在线通过网络实现。
（3）数据采集。
基于既定节拍或应用需要来方便地实现数据采集。
所需要的数据通过人机接口显示，包括趋势分析、配方管理、系统维护和故障诊断等。
ControlLogix系统不仅具有先进的通讯能力和最新的I/O技术，而且同时提供顺序、过程、运动和传动控制。
一个简单的ControlLogix系统是由一个独立的控制器和处于同一框架上的I/O模块组成。
ControlLogix系统背板在模块之间提供高速的通讯通道。
可以使用单独的通讯接口模块来实现背板与EtherNet/IP、ControlNet、DeviceNet和普通的RemoteI/O链路之间的接口。
因背板上有多个通讯接口模块，可以通过链路将一条报文发送到某模块的端口，并通过背板从另一个模块的端口传递出来，然后沿着另一个链路发送到最终的目的地[5]。
图1.2Netlinx三层网络架构
1.5设计内容
本设计是基于罗克韦尔自动化Netlinx开放式网络架构和ControlLogix系统，采用交流变频技术，运用三种控制算法实现对三相异步电动机的控制。
内容安排如下：
第一章绪论。
简单介绍了应用背景，课题研究的目的及意义，电机控制发展的现状及趋势以及罗克韦尔网络。
第二章基于罗克韦尔系统的交流调速系统设计。
主要介绍了变频调速原理，系统的总体及方案设计，硬件选型等。
第三章系统仿真。
包括了交流电机模型的建立，PID控制系统仿真，模糊控制系统仿真，单神经元自适应PID系统的仿真。
第四章软件设计。
PLC软件设计和上位机监控软件设计。
其中PLC软件设计包括建立通讯网络，规划网络，编写控制程序，在控制器中加入不同的控制算法，如PID和模糊算法。
上位机监控软件设计采用力控组建监控画面，完成对系统的监测和控制。
第五章控制过程调试。
对不同控制方案进行现场调试，得到满意的曲线，然后对三种方案进行对比。
第六章总结和展望。
2基于罗克韦尔系统的交流调速系统设计
2.1研究对象说明
在油田注水增压系统中，选用的注水泵几乎都是大功率型号的，比如3DWH200型号。
具体参数如下表2.1：
表2.13DWH200油田注水高压泵性能参数
油田注水系统中变频器也是大功率的，例如艾默生TD2000-4T2200G变频器。
额定容量为280kVA，额定输入电流430A，额定输出电流426A，适配电机220kW。
在罗克韦尔实验室中，无法做到用大功率电机和变频器来进行调试，所以采用小功率设备进行模拟仿真和实验。
实验室采用的是三相绕线式异步电动机DJ17，额定功率120W，额定电压220V（Y）,额定电流0.6A，额定转速1380r/min。
变频器采用PowerFlex40，额定输入电压240V,额定输出电流2.3A,额定功率0.4KW。
通过以上说明可知，实际油田注水采用的设备和实验室设备有很大差异。
但因其原理构成基本相同，因此具有一定通用性。
2.2系统总体设计
2.2.1变频调速原理
异步电动机通入对称的三相交流电，此时电机气隙内会产生一个旋转磁场，这个旋转磁场的转速，称为同步转速，它与输入频率及电机的极
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