基于PLC控制的變頻器調(diào)速系統(tǒng)

1、 目 錄目 錄1第一章 系統(tǒng)的功能設(shè)計分析和總體思路21.1 概述21.2 系統(tǒng)功能設(shè)計分析31.3 系統(tǒng)設(shè)計的總體思路4第二章PLC和變頻器的型號選擇52.1PLC的型號選擇52.2變頻器的選擇和參數(shù)設(shè)置62.2.1 變頻器的選擇62.2.2 變頻調(diào)速原理82.2.3 變頻器的工作原理82.2.4 變頻器的快速設(shè)置8第三章硬件設(shè)計以及PLC編程123.1開環(huán)控制設(shè)計及PLC編程123.1.1 硬件設(shè)計123.1.2 PLC軟件編程133.2 閉環(huán)控制設(shè)計183.2.1 硬件和速度反饋設(shè)計183.2.3閉環(huán)的程序設(shè)計以及源程序20第四章 實驗調(diào)試和數(shù)據(jù)分析244.1 PID 參數(shù)整定244.2

2、 運行結(jié)果25第五章總結(jié)和體會26第六章附錄276.1 變頻器內(nèi)部原理框圖27第七章參考文獻28第一章 系統(tǒng)的功能設(shè)計分析和總體思路1.1 概述調(diào)速系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性、動態(tài)性能好是工業(yè)自動化生產(chǎn)中基本要求。在科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐的諸多領(lǐng)域中 調(diào)速系統(tǒng)占有著極為重要的地位 特別是在國防、汽車、冶金、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足輕重的作用。調(diào)速控制系統(tǒng)的工藝過程復(fù)雜多變，具有不確定性，因此對系統(tǒng)要求更為先進的控制技術(shù)和控制理論。 可編程控制器（PLC）可編程控制器是一種工業(yè)控制計算機，是繼續(xù)計算機、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動裝置。它具有抗干擾能力強，價格便宜，可靠性強，編程簡樸，易學(xué)易用

3、等特點，在工業(yè)領(lǐng)域中深受工程操作人員的喜歡，因此PLC已在工業(yè)控制的各個領(lǐng)域中被廣泛地使用。 目前在控制領(lǐng)域中，雖然逐步采用了電子計算機這個先進技術(shù)工具，特別是石油化工企業(yè)普遍采用了分散控制系統(tǒng)（DCS）。但就其控制策略而言，占統(tǒng)治地位的仍舊是常規(guī)的PID控制。PID結(jié)構(gòu)簡樸、穩(wěn)定性好、工作可靠、使用中不必弄清系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。PID的使用已經(jīng)有60多年了，有人稱贊它是控制領(lǐng)域的常青樹。變頻調(diào)速已被公認為是最理想、最有發(fā)展前景的調(diào)速方式之一，采用變頻器構(gòu)成變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)的主要目的，一是為了滿足提高勞動生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高設(shè)備自動化程度、提高生活質(zhì)量及改善生活環(huán)境等要求；二是為了節(jié)約能源、

4、降低生產(chǎn)成本。用戶根據(jù)自己的實際工藝要求和運用場合選擇不同類型的變頻器。 組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。在組態(tài)概念出現(xiàn)之前，要實現(xiàn)某一任務(wù)，都是通過編寫程序來實現(xiàn)的。編寫程序不但工作量大、周期長，而且輕易犯錯 誤，不能保證工期。組態(tài)軟件的出現(xiàn)，解決了這個問題。對于過去需要幾個月的工作，通過組態(tài)幾天就可以完成。組態(tài)王是海內(nèi)一家較有影響力的組態(tài)軟件開發(fā)公司開發(fā)的，組態(tài)王具有流程畫面，過程數(shù)據(jù)記錄，趨勢曲線，報警窗口，生產(chǎn)報表等功能，已經(jīng)在多個領(lǐng)域

5、被應(yīng)用。1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計分析隨著電力電子技術(shù)以及控制技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速在工業(yè)電機拖動領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用；可編程控制器PLC作為替代繼電器的新型控制裝置，簡單可靠，操作方便、通用靈活、體積小、使用壽命長且功能強大、容易使用、可靠性高，常常被用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和設(shè)備的控制；組態(tài)軟件技術(shù)作為用戶可定制功能的軟件開發(fā)平臺工具，可實現(xiàn)顯示電機轉(zhuǎn)速，可實現(xiàn)遠程調(diào)速控制，在PC機上可開發(fā)友好人機界面，通過PLC可以對自動化設(shè)備進行“智能”控制。在此，本次設(shè)計就是基于PLC的變頻器調(diào)速系統(tǒng)。將現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的PLC和變頻器綜合起來主要功能實現(xiàn)了變壓變頻調(diào)速。電機的正反轉(zhuǎn)，加減速以及快速制動等。因此，該

6、系統(tǒng)必須具備以下三個主體部分：控制運算部分、執(zhí)行和反饋部分?？刂七\算主要由PLC和變頻器來完成；執(zhí)行元件為變頻器和電機；反饋部分主要為速度反饋。1.3 系統(tǒng)設(shè)計的總體思路 系統(tǒng)主要由三個部分構(gòu)成，即可編程邏輯控制器件PLC、變頻器和電機。首先通過設(shè)置給定輸入給PLC，再通過PLC控制變頻器，再經(jīng)由變頻器來控制電機，隨后將電機的轉(zhuǎn)速反饋給PLC，經(jīng)比較后輸出給變頻器從而實現(xiàn)無靜差調(diào)速。具體如下圖所示：電機速度閉環(huán)控制的機構(gòu)控制圖-速度給定速度反饋信號+PLC（PID）變頻調(diào)速系統(tǒng)第二章 PLC和變頻器的型號選擇2.1 PLC的型號選擇在PLC系統(tǒng)設(shè)計時，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是PLC工

7、程設(shè)計選型。工藝流程的特點和應(yīng)用要求是設(shè)計選型的主要依據(jù)。PLC及有關(guān)設(shè)備應(yīng)是集成的、標準的，按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則選型所選用PLC應(yīng)是在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域有投運業(yè)績、成熟可靠的系統(tǒng)，PLC的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應(yīng)與裝置規(guī)模和控制要求相適應(yīng)。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關(guān)的編程語言有利于縮短編程時間，因此，工程設(shè)計選型和估算時，應(yīng)詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定PLC的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)。綜合了輸入輸出（I

8、/O）點數(shù)、存儲器容量、各項控制功能和機型的考慮以及性價比等各方面的因素，在此我為該系統(tǒng)設(shè)計選擇了S7-200 PLC一臺。 S7-200 PLC CPU的外形模型圖S7-200有5種CPU模塊、6個有12種工作方式的高速計數(shù)器和兩點高速計數(shù)器/和脈沖寬度調(diào)制器、直接讀寫的模擬量I/O模塊、先進的程序結(jié)構(gòu)、靈活方便的尋址方式以及程序化的PID編程控制。強大的通訊功能，它支持多種通信協(xié)議。價格是它在所有品牌在同一功能區(qū)內(nèi)很有競爭力的。最重要的是它還提供了完善的的網(wǎng)上支持。這些都為實現(xiàn)本系統(tǒng)的設(shè)計提供很好的條件和方便。例如，高速計數(shù)器可以用來測速從而實現(xiàn)速度反饋。2.2 變頻器的選擇和參數(shù)設(shè)置2.

9、2.1 變頻器的選擇 正確選擇通用型變頻器對于傳動系統(tǒng)能夠正常運行時至關(guān)重要的，首先要明確使用通用變頻器的目的，按照生產(chǎn)機械的類型、調(diào)速范圍、速度響應(yīng)和控制精度、啟動轉(zhuǎn)矩等要求，充分了解變頻器所驅(qū)動負載特性，決定采用什么功能的通用變頻器構(gòu)成控制系統(tǒng)，然后決定選用哪種控制方式最合適。所選用的通用變頻器應(yīng)是既滿足生產(chǎn)工藝要求，又要在技術(shù)經(jīng)濟指標上合理。若對通用變頻器選型、系統(tǒng)設(shè)計及使用不當，往往會使通用變頻器不能正常的運行、達不到預(yù)期目標，甚至引發(fā)設(shè)備故障，造成不必要的損失。另外，為了確保通用變頻器長期可靠的運行，變頻器的地線的連接也是非常重要的。變頻器在調(diào)速系統(tǒng)中的優(yōu)點：1控制電機的啟動電流；2

10、降低電力線路的電壓波動；3啟動時需要的功率更低；4可控的加速功能；5可調(diào)的運行速度；6可調(diào)的轉(zhuǎn)矩極限；7受控的停止方式；8節(jié)能；9可逆運行控制；10減少機械傳動部件。在本系統(tǒng)中，選用了由西門子生產(chǎn)的通用變頻器MM420。變頻器MM420 為我們提供了很好的BOP控制面板具體如下圖：2.2.2 變頻調(diào)速原理變頻調(diào)速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調(diào)速的目的。 n=60f(1-s)/p對于成品電機，其磁極對數(shù)p已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率s變化不大，故電機的轉(zhuǎn)速n與電源的頻率f成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機的同步轉(zhuǎn)速，進而達到異步電機的調(diào)試目的。2.2.3 變頻器的工作原理變頻器的工作原理

11、是把市電（380V 、50Hz）通過整流器變成平滑直流，然后利用半導(dǎo)體器件（GTO、GTR或IGBT）組成的三相逆變器，將直流電變成可變電壓和可變頻率的交流電。2.2.4 變頻器的快速設(shè)置 如果所用的變頻器剛剛出廠的變頻器，則需對它進行快速調(diào)試，試驗中用到的變頻器都已經(jīng)完成了快速調(diào)試。序號變頻器參數(shù)出廠值設(shè)定值功能說明1P0304230380電動機的額定電壓( 380V )2P03053.250.35電動機的額定電流( 0.35A )3P03070.750.06電動機的額定功率( 60W )4P031050.0050.00電動機的額定頻率( 50Hz )5P031101430電動機的額定轉(zhuǎn)速(

12、 1430 r/min )6P100021用操作面板（BOP）控制頻率的升降7P108000電動機的最小頻率( 0Hz )8P10825050.00電動機的最大頻率( 50Hz )9P11201010斜坡上升時間( 10S )10P11211010斜坡下降時間( 10S )11P070022選擇命令源（ 由端子排輸入 ）12P0701110正向點動13P07021211反向點動14P10585.0030正向點動頻率（30Hz）15P10595.0020反向點動頻率（20Hz）16P106010.0010點動斜坡上升時間（10S）17P106110.005點動斜坡下降時間（5S）注:（1）設(shè)置參

13、數(shù)前先將變頻器參數(shù)復(fù)位為工廠的缺省設(shè)定值 （2）設(shè)定P0003=2 允許訪問擴展參數(shù) （3）設(shè)定電機參數(shù)時先設(shè)定P0010=1(快速調(diào)試),電機參數(shù)設(shè)置完成設(shè)定P0010=0(準備)例如：修改下表參數(shù)P0719選擇命令/設(shè)定這源改變參數(shù)數(shù)值的一個數(shù)字為了快速修改參數(shù)的數(shù)值，可以單獨修改顯示出的每個數(shù)字，操作步驟如下：1.按 （功能鍵），最右邊的一個數(shù)字閃爍。2.按 / ，修改這位數(shù)字的數(shù)值。3.再按 （功能鍵），相鄰的下一位數(shù)字閃爍。4.執(zhí)行2至4步，直到顯示出所要求的數(shù)值。5.按 ，退出參數(shù)數(shù)值的訪問級。以下為變頻器的設(shè)置一般方法：第三章 硬件設(shè)計以及PLC編程3.1 開環(huán)控制設(shè)計及PLC編

14、程3.1.1 硬件設(shè)計在沒有反饋信息的比較，通過直接給定控制信息的控制調(diào)速系統(tǒng)稱之為開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。其控制思想的結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：速度給定速度開環(huán)控制的結(jié)構(gòu)控制圖PLC（PID）變頻調(diào)速系統(tǒng) 開環(huán)控制的外部硬件連接圖：3.1.2 PLC軟件編程 系統(tǒng)采用開環(huán)控制方式來控制電機的調(diào)速，根據(jù)PID控制的整體思想：控制量輸入控制值輸出PID控制運算過程采樣 故在編寫程序的時候可以分為三部分：主程序、中斷程序和子程序。 主程序： 主要是用來啟動中斷程序以及控制量的輸入和輸出。 中斷程序：調(diào)用PID指令進行運算以及數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換。子程序：設(shè)置PID控制的參數(shù)PID算法PLC的PID控制器設(shè)計是以連續(xù)系統(tǒng)

15、PID控制規(guī)律為基礎(chǔ)，經(jīng)采樣將其數(shù)字化寫成離散形式PID控制方程，再根據(jù)離散方程進行控制程序設(shè)計。典型的PID算法包括3項，比例項、積分項和微分項。即：輸出比例項積分項微分項。計算機在周期性地采樣并離散化后進行PID運算，算法如下：Mn=Kc*（SPn-PVn）+Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx+Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）比例項Kc*（SPn-PVn）：能及時地產(chǎn)生與偏差（SPn-PVn）成正比的調(diào)節(jié)作用，比例系數(shù)Kc越大，比例調(diào)節(jié)作用越強，系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定精度越高，但Kc過大會使系統(tǒng)的輸出量振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。積分項Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+M

16、x：與偏差有關(guān)，只要偏差不為0，PID控制的輸出就會因積分作用而不斷變化，直到偏差消失，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，所以積分的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但積分的動作較慢，給系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定帶來不良影響，很少單獨使用。積分時間常數(shù)Ti增大，積分作用越強，消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減慢。微分項Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）：根據(jù)誤差變化的速度（即誤差的微分）進行調(diào)節(jié)，具有超前和預(yù)測的特點。微分時間常數(shù)Td增大時，超調(diào)量減少，動態(tài)性能得到改善，但Td過大，系統(tǒng)輸出量在接近穩(wěn)態(tài)時可能上升緩慢。許多控制系統(tǒng)內(nèi)，可能只需要P、I、D中的一種或兩種控制類型。如可能只要求比例控制或比例與積分控制，通過設(shè)置參

17、數(shù)可對回路進行控制類型進行選擇。 內(nèi)存變量分配表1、程序地址分配地址說明VD12目標速度設(shè)定存放地址VD300當前實際速度存放地址2、 PID指令回路表地址名稱說明VD100過程變量（PVn）必須在0.01.0之間VD104給定值（SPn）必須在0.01.0之間VD108輸出值（Mn）必須在0.01.0之間VD112增益（Kc）比例常數(shù)，可正可負VD116采樣時間（Ts）單位為s，必須是正數(shù)VD120采樣時間（Ti）單位為min，必須是正數(shù)VD124微分時間（Td）單位為min，必須是正數(shù)以下為開環(huán)控制的程序：主程序中斷程序子程序3.2 閉環(huán)控制設(shè)計3.2.1 硬件和速度反饋設(shè)計 構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)

18、就要把速度信息反饋給輸入。速度的測量可以通過光電編碼器和PLC來實現(xiàn)。 速度采集：S7-200具有高速脈沖采集功能，采集頻率可以達到30KHz，共有6個高速計數(shù)器（HSC0HSC5）工作模式有12種。在固定時間間隔內(nèi)采集脈沖差值，通過計算既可以獲得電動機的當前轉(zhuǎn)速。例如： 設(shè)采樣周期為100ms 即是每隔100ms采集脈沖一次，光電開關(guān)每轉(zhuǎn)發(fā)出8個脈沖，那么就可以得到速度為 其中 為采樣周期內(nèi)接受到的脈沖數(shù)。轉(zhuǎn)速的單位為 。閉環(huán)控制就是將速度信號反饋給PLC，再通過與給定量比較，輸出給PID控制部分，從而調(diào)節(jié)速度使其能達到設(shè)定要求。其結(jié)構(gòu)框圖電機-速度給定速度反饋信號+PLC（PID）變頻調(diào)速

19、系統(tǒng)硬件連接圖3.2.3 閉環(huán)的程序設(shè)計以及源程序主程序子程序中斷程序第四章 實驗調(diào)試和數(shù)據(jù)分析4.1 PID 參數(shù)整定PID參數(shù)整定方法就是確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)P、積分時間Ti和和微分時間Td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性，使系統(tǒng)的過渡過程達到最為滿意的質(zhì)量指標要求。一般可以通過理論計算來確定，但誤差太大。目前，應(yīng)用最多的還是工程整定法：如經(jīng)驗法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法。經(jīng)驗法又叫現(xiàn)場湊試法，它不需要進行事先的計算和實驗，而是根據(jù)運行經(jīng)驗，利用一組經(jīng)驗參數(shù)，根據(jù)反應(yīng)曲線的效果不斷地改變參數(shù)，對于溫度控制系統(tǒng)，工程上已經(jīng)有大量的經(jīng)驗，其規(guī)律如下表所示：被控變量規(guī)律的選擇比例度積分時間

20、（分鐘）微分時間（分鐘）溫度滯后較大20603100.53實驗湊試法的整定步驟為先比例，再積分，最后微分。 1）整定比例控制 將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。 2）整定積分環(huán)節(jié)先將步驟1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來的5080，再將積分時間置一個較大值，觀測響應(yīng)曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。 3）整定微分環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。4.2 運行結(jié)果此次是速度的PID控制，速度具有比較

21、嚴重的滯后性，所以一般為了增強系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)，比例、積分、微分全投入使用，經(jīng)過多次參數(shù)設(shè)定比較后，當設(shè)定比例系數(shù)P為10，積分時間I為0.15，微分時間D為0.01時，系統(tǒng)能得到比較滿意的控制效果，最大超調(diào)只有兩度多，穩(wěn)定后能保持在+1r/min以內(nèi).系統(tǒng)控制效果如下：第五章 總結(jié)和體會通過這次的課程設(shè)計，讓我受益匪淺。在課程設(shè)計期間通過與同學(xué)們之間的交流和老師的指導(dǎo)，使自己學(xué)到了不少知識。除了學(xué)會了西門子S7200 的基本知識，并掌握了S7200的工作原理和一些指令的功能以外，還掌握了傳感器和變頻器的使用方法，并且深化了我對PID控制技術(shù)的理解。在這次課程設(shè)計中我覺得最重要的就是要有自學(xué)能力，因為這次實訓(xùn)中有部分知識我們之前還沒有接觸過，所以自己必須學(xué)會查找相關(guān)的資料。另外就是在遇到實際問題的時候，要認真思考，運用所學(xué)的知識，一步一步的去探