用PLC控制变频器对电动机调速.docx

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用PLC控制变频器对电动机调速

用PLC控制变频器对电动机调速

第一章 系统的功能设计分析和总体思路 

1.1  概述 

调速系统快速性、稳定性、动态性能好是工业自动化生产中基本要求。

在科学研究和生产实践的诸多领域中 调速系统占有着极为重要的地位 特别是在国防、汽车、冶金、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。

调速控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。

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。

、目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统（DCS）。

但就其控制策略而言，占统治地位的仍旧是常规的PID控制。

PID结构简朴、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型。

PID的使用已经有60多年了，有人称赞它是控制领域的常青树。

变频调速已被公认为是最理想、最有发展前景的调速方式之一，采用变频器构成变频调速传动系统的主要目的，一是为了满足提高劳动生产率、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。

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。

在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序来实现的。

编写程序不但工作量大、周期长，而且轻易犯错 误，不能保证工期。

组态软件的出现，解决了这个问题。

对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成。

组态王是海内一家较有影响力的组态软件开发公司开发的，组态王具有流程画面，过程数据记录，趋势曲线，报警窗口，生产报表等功能，已经在多个领域被应用。

1.2  系统功能设计分析 

随着电力电子技术以及控制技术的发展，交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用；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 

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。

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 50.00 电动机的额定频率（ 50Hz ） 5  P0311 0 1430 电动机的额定转速（ 1430 r/min ） 6  P1000 2 1 用操作面板（BOP）控制频率的升降 7  P1080 0 0 电动机的最小频率（ 0Hz ） 8  P1082 50 50.00 电动机的最大频率（ 50Hz ） 9  P1120 10 10 斜坡上升时间（ 10S ） 10  P1121 10 10 斜坡下降时间（ 10S ） 

11  P0700 2 2 选择命令源（ 由端子排输入 ） 12  P0701 1 10 正向点动 13  P0702 12 11 反向点动 

14  P1058 5.00 30 正向点动频率（30Hz） 15  P1059 5.00 20 反向点动频率（20Hz） 16  P1060 10.00 10 点动斜坡上升时间（10S） 17  

P1061 

10.00 

5 

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 

9. 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