基于PLC的交流异步电动机速度闭环控制设计.docx
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基于PLC的交流异步电动机速度闭环控制设计
1绪论
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：
2PLC和变频器的型号选择
2.1PLC的特点和型号选择
2.1.1PLC的基本特点
PLC的诞生给工业控制带来革命性的飞跃,与传统的继电器控制相比有着突出的特点.
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,控制电路必须随之作相应的变动,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。
2.1.2PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图3.1所示：
a.中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
b、存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
C、电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去
图2.1PLC的基本结构图
2.1.3PLC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S7-200PLC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：
（l）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。
（2）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。
（3）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。
（4）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。
（5）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%。
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。
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（1430r/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）
3硬件设计以及PLC编程
3.1闭环控制设计
3.1.1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
为采样周期内接受到的脉冲数。
转速的单位为
。
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
3.1.2硬件连接图
4实验调试和数据分析
4.1PID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：
被控变量
规律的选择
比例度
积分时间（分钟）
微分时间（分钟）
温度
滞后较大
20~60
3~10
0.5~3
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：
心得
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。
致谢
在课程设计制作过程中，论文能在顺利完成首先就要感谢韩成春老师，他严谨细致、一丝不苟的作风一直激励着我；他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；在做论文过程中老师也给我们很多无微不至的关怀，让我很感动。
感谢韩成春老师，这片论文的每个细节、每个数据和每个图片，都离不开您的细心指导。
而韩老师开朗的个性和宽容的态度，更是帮助我很快的融入我的课程设计中。
最后感谢和我一起做课程设计的同学们，是他们和我一直相互激励相互学习，在这过程中建立了深厚的友谊。
参考文献
1.易泓可.电气控制系统设计基础与范例.机械工业出版社，2008.
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5.陈金化.可编程控制器（PC）应用技术[M].北京:
电子工业出版社,2005.
6.陈建明.电气控制与PLC应用.北京：
电子工业出版社，2010.
附录
附录1
变频器内部原理框图
附录2
闭环的程序设计以及源程序
主程序
子程序
中断程序
升级会员 