用PLC控制变频器对电动机调速Word文档下载推荐.docx
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可编程控制器PLC作为替代继电器的新型控制装置，简单可靠，操作方便、通用灵活、体积小、使用寿命长且功能强大、容易使用、可靠性高，常常被用于现场数据采集和设备的控制；
组态软件技术作为用户可定制功能的软件开发平台工具，可实现显示电机转速，可实现远程调速控制，在PC机上可开发友好人机界面，通过PLC可以对自动化设备进行“智能”控制。
在此，本次设计就是基于PLC的变频器调速系统。
将现在应用最广泛的PLC和变频器综合起来主要功能实现了变压变频调速。
电机的正反转，加减速以及快速制动等。
因此，该系统必须具备以下三个主体部分：
控制运算部分、执行和反馈部分。
控制运算主要由PLC和变频器来完成；
执行元件为变频器和电机；
反馈部分主要为速度反馈。
1.3
系统设计的总体思路
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。
具体如下图所示：
第二章
PLC和变频器的型号选择
2.1
PLC的型号选择
在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。
工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。
PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。
熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
综合了输入输出（I/O）点数、存储器容量、各项控制功能和机型的考虑以及性价比等各方面的因素，在此我为该系统设计选择了S7-200
PLC一台。
S7-200有5种CPU模块、6个有12种工作方式的高速计数器和两点高速计数器/和脉冲宽度调制器、直接读写的模拟量I/O模块、先进的程序结构、灵活方便的寻址方式以及程序化的PID编程控制。
强大的通讯功能，它支持多种通信协议。
价格是它在所有品牌在同一功能区内很有竞争力的。
最重要的是它还提供了完善的的网上支持。
这些都为实现本系统的设计提供很好的条件和方便。
例如，高速计数器可以用来测速从而实现速度反馈。
2.2
变频器的选择和参数设置
2.2.1
变频器的选择
正确选择通用型变频器对于传动系统能够正常运行时至关重要的，首先要明确使用通用变频器的目的，按照生产机械的类型、调速范围、速度响应和控制精度、启动转矩等要求，充分了解变频器所驱动负载特性，决定采用什么功能的通用变频器构成控制系统，然后决定选用哪种控制方式最合适。
所选用的通用变频器应是既满足生产工艺要求，又要在技术经济指标上合理。
若对通用变频器选型、系统设计及使用不当，往往会使通用变频器不能正常的运行、达不到预期目标，甚至引发设备故障，造成不必要的损失。
另外，为了确保通用变频器长期可靠的运行，变频器的地线的连接也是非常重要的。
变频器在调速系统中的优点：
1．控制电机的启动电流；
2．降低电力线路的电压波动；
3．启动时需要的功率更低；
4．可控的加速功能；
5．可调的运行速度；
6．可调的转矩极限；
7．受控的停止方式；
8．节能；
9．可逆运行控制；
10．减少机械传动部件。
在本系统中，选用了由西门子生产的通用变频器MM420。
变频器MM420
为我们提供了很好的BOP控制面板具体如下图：
2.2.2
变频调速原理
变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。
n=60f（1-s）/p
对于成品电机，其磁极对数p已经确定，转差率s变化不大，故电机的转速n与电源的频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机的调试目的。
2.2.3
变频器的工作原理
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。
2.2.4
变频器的快速设置
如果所用的变频器刚刚出厂的变频器，则需对它进行快速调试，试验中用到的变频器都已经完成了快速调试。
8
如果所用的变频器刚刚出厂的变频器，则需对它进行快速调试，试验中
用到的变频器都已经完成了快速调试。
序号
变频器参数
出厂值
设定值
功能说明
1
P0304
230
380
电动机的额定电压（
380V
）
2
P0305
3.25
0.35
电动机的额定电流（
0.35A
3
P0307
0.75
0.06
电动机的额定功率（
60W
4
P0310
50.00
电动机的额定频率（
50Hz
5
P0311
0
1430
电动机的额定转速（
r/min
6
P1000
用操作面板（BOP）控制频率的升降
7
P1080
电动机的最小频率（
0Hz
P1082
50
电动机的最大频率（
9
P1120
10
斜坡上升时间（
10S
P1121
斜坡下降时间（
11
P0700
选择命令源（
由端子排输入
12
P0701
正向点动
13
P0702
反向点动
14
P1058
5.00
30
正向点动频率（30Hz）
15
P1059
20
反向点动频率（20Hz）
16
P1060
10.00
点动斜坡上升时间（10S）
17
P1061
点动斜坡下降时间（5S）
注:
（1）设置参数前先将变频器参数复位为工厂的缺省设定值
（2）设定P0003=2
允许访问扩展参数
（3）设定电机参数时先设定P0010=1（快速调试）,电机参数设置完成设定
P0010=0（准备）
第三章
硬件设计以及PLC编程
3.1
开环控制设计及PLC编程
3.1.1
硬件设计
在没有反馈信息的比较，通过直接给定控制信息的控制调速系统称之为开环调速系统。
其控制思想的结构框图如下图所示：
开环控制的外部硬件连接图：
3.1.2
PLC软件编程
系统采用开环控制方式来控制电机的调速，根据PID控制的整体思想：
故在编写程序的时候可以分为三部分：
主程序、中断程序和子程序。
主程序：
主要是用来启动中断程序以及控制量的输入和输出。
中断程序：
调用PID指令进行运算以及数据类型的转换。
子程序：
设置PID控制的参数
PID算法
PLC的PID控制器设计是以连续系统PID控制规律为基础，经采样将其数字化写成离散形式PID控制方程，再根据离散方程进行控制程序设计。
典型的PID算法包括3项，比例项、积分项和微分项。
即：
输出＝比例项＋积分项＋微分项。
计算机在周期性地采样并离散化后进行PID运算，算法如下：
Mn=Kc*（SPn-PVn）+Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx+Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）
比例项Kc*（SPn-PVn）：
能及时地产生与偏差（SPn-PVn）成正比的调节作用，比例系数Kc越大，比例调节作用越强，系统的静态稳定精度越高，但Kc过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。
积分项Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx：
与偏差有关，只要偏差不为0，PID控制的输出就会因积分作用而不断变化，直到偏差消失，系统处于稳定状态，所以积分的作用是消除稳态误差，提高控制精度，但积分的动作较慢，给系统的动态稳定带来不良影响，很少单独使用。
积分时间常数Ti增大，积分作用越强，消除稳态误差的速度减慢。
微分项Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）：
根据误差变化的速度（即误差的微分）进行调节，具有超前和预测的特点。
微分时间常数Td增大时，超调量减少，动态性能得到改善，但Td过大，系统输出量在接近稳态时可能上升缓慢。
许多控制系统内，可能只需要P、I、D中的一种或两种控制类型。
如可能只要求比例控制或比例与积分控制，通过设置参数可对回路进行控制类型进行选择。
内存变量分配表
1、程序地址分配
2、
PID指令回路表
以下为开环控制的ＰＬＣ程序：
中断程序
3.2
闭环控制设计
3.2.1
硬件和速度反馈设计
构成闭环系统就要把速度信息反馈给输入。
速度的测量可以通过光电编码器
和PLC来实现。
速度采集：
S7-200具有高速脉冲采集功能，采集频率可以达到30KHz，共有
6个高速计数器（HSC0~HSC5）工作模式有12种。
在固定时间间隔内采集脉冲差值，通过计算既可以获得电动机的当前转速。
例如：
设采样周期为100ms
即是每隔100ms采集脉冲一次，光电开关每转发出8个脉冲，那么就可以得到速度为
其中
m
为采样周期内接受到的脉冲数。
转速的单位为
min/r。
闭环控制就是将速度信号反馈给PLC，再通过与给定量比较，输出给PID控制部分，从而调节速度使其能达到设定要求。
其结构框图
硬件连接图
3.2.3
闭环的程序设计以及源程序
第四章
实验调试和数据分析
4.1
PID
参数整定
PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数P、积分时间Ti和和微分时间Td，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。
一般可以通过理论计算来确定，但误差太大。
目前，应用最多的还是工程整定法：
如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。
经验法又叫现场凑试法，它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，利用一组经验参数，根据反应曲线的效果不断地改变参数，对于温度控制系统，工程上已经有大量的经验，其规律如下表所示：
实验凑试法的整定步骤为"
先比例，再积分，最后微分"
。
1）整定比例控制
将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。
2）整定积分环节
先将步骤1）中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。
然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。
3）整定微分环节环节
先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。
4.2
运行结果
此次是速度的PID控制，速度具有比较严重的滞后性，所以一般为了增强系统动态响应，比例、积分、微分全投入使用，经过多次参数设定比较后，当设定比例系数P为10，积分时间I为0.15，微分时间D为0.01时，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+1r/min以内.
系统控制效果如下：
第五章
总结和体会
通过这次的课程设计，让我受益匪浅。
在课程设计期间通过与同学们之间的交流和老师的指导，使自己学到了不少知识。
除了学会了西门子S7—200
的基本知识，并掌握了S7—200的工作原理和一些指令的功能以外，还掌握了传感器和变频器的使用方法，并且深化了我对PID控制技术的理解。
在这次课程设计中我觉得最重要的就是要有自学能力，因为这次实训中有部分知识我们之前还没有接触过，所以自己必须学会查找相关的资料。
另外就是在遇到实际问题的时候，要认真思考，运用所学的知识，一步一步的去探索，是完全可以解决遇到的一般问题的。
而在这次设计程序的过程中，我一开始时走了很多弯路，这也是自己的知识不够扎实的原因。
不过经过自己几天的努力，最后还是做了出来，而且还做得挺不错的。
虽然我们设计的东西并不难，但是在设计的过程中我学到了书本上所没有学到的东西。
只有理论，没有结合实际是很难做出东西的。
比如在调试的过程中，遇到问题往往是书本上的知识不能直接的解决的，只要在扎实的专业知识的前提下，我们才能把东西做好。
经过这次的课程设计，让我深深的感受到理论联系实践的重要性，平时在学习中不能够透彻理解的知识，通过动手，会有更好的认知。
本次课程设计虽然不长，但是它给我们带来了很多收获。
它使我意识到自己的操作能力的不足，在理论上还存在很多缺陷。
所以在以后的学习生活中，我会更加努力地加强理论联系实践的学习，在努力学好专业知识的同时努力加强自己的专业技能方面的能力，使自己的知识在实践中不断增长，在实践中锻炼自己，培养自己各方面的能力，不断提高自己的能力。
参考文献
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刘星平.THPK-2型工业综合自动化控制装置实训指导书.2009
1．石玉
栗书贤．电力电子技术题例与电路设计指导．机械工业出版社，1998
2．王兆安
黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，2000
3．浣喜明
姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2000
4．莫正康．电力电子技术应用（第3版）．机械工业出版社，2000
5．郑琼林．耿学文．电力电子电路精选．机械工业出版社，1996
6．刘定建朱丹霞．实用晶闸管电路大全．机械工业出版社，1996
7．刘祖润
胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995
8．刘星平．运动控制系统实验指导书．校内，2009
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