課程設計基于plc的交流異步電動機閉環(huán)調速系統(tǒng)設計

1、電氣工程方向綜合設計基于plc的交流異步電動機閉環(huán)調速系統(tǒng)設計學生姓名學院名稱專業(yè)名稱指導教師2012年1月5日 摘要隨著社會的不斷發(fā)展,我們面臨著能源短缺,電機調速技術的不斷更新等許多問題,尤其是閉環(huán)調速在交流電機上的應用以來,使得變頻調速逐漸顯示出很大的潛力。本文設計了一種基于plc的異步電動機調速與定位綜合控制系統(tǒng),應用閉環(huán)pid控制算法實現(xiàn)了異步電動機的速度控制,應用旋轉編碼器測速同時反饋給plc，plc將數(shù)值交由pid模塊計算，與設定值比較后，經(jīng)變頻器調節(jié)轉速。關鍵詞 三相異步電動機；plc；變頻調速；閉環(huán)控制 目 錄1 緒論11.1 概述11.2 系統(tǒng)功能設計分析21.3 系統(tǒng)設計

2、的總體思路22 plc和變頻器的型號選擇32.1plc的型號選擇32.2變頻器的選擇42.2.1 變頻器的選擇42.2.2 變頻調速原理42.2.3 變頻器的工作原理43系統(tǒng)結構與程序設計63.1系統(tǒng)結構設計63.1.1 閉環(huán)調速的實現(xiàn)63.1.2閉環(huán)調速系統(tǒng)連接圖63.2程序設計7 3.2.1 程序設計流程圖7 3.2.2 plc程序84程序調試134.1 pid參數(shù)整定13 心得 14參考文獻151 緒論1.1 概述調速系統(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。在科學研究和生產(chǎn)實踐的諸多領域中 調速系統(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

3、舉足輕重的作用。調速控制系統(tǒng)的工藝過程復雜多變，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、自動控制技術和通信技術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，易學易用等特點，在工業(yè)領域中深受工程操作人員的喜歡，因此plc已在工業(yè)控制的各個領域中被廣泛地使用。 目前在控制領域中，雖然逐步采用了電子計算機這個先進技術工具，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結構簡樸、穩(wěn)定性好、工作可靠、使用中不必弄清系統(tǒng)的數(shù)

4、學模型。pid的使用已經(jīng)有60多年了，有人稱贊它是控制領域的常青樹。變頻調速已被公認為是最理想、最有發(fā)展前景的調速方式之一，采用變頻器構成變頻調速傳動系統(tǒng)的主要目的，一是為了滿足提高勞動生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質量、提高設備自動化程度、提高生活質量及改善生活環(huán)境等要求；二是為了節(jié)約能源、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，都是通過編寫程序來實現(xiàn)的。

5、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)在多個領域被應用。1.2 系統(tǒng)功能設計分析隨著電力電子技術以及控制技術的發(fā)展，交流變頻調速在工業(yè)電機拖動領域得到了廣泛應用；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)采集和設備的控制；組態(tài)軟件技術作為用戶可定制功能的軟件開發(fā)平

6、臺工具，可實現(xiàn)顯示電機轉速，可實現(xiàn)遠程調速控制，在pc機上可開發(fā)友好人機界面，通過plc可以對自動化設備進行“智能”控制。在此，本次設計就是基于plc的變頻器調速系統(tǒng)。將現(xiàn)在應用最廣泛的plc和變頻器綜合起來主要功能實現(xiàn)了變壓變頻調速。電機的正反轉，加減速以及快速制動等。因此，該系統(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)設計的總體思路 系統(tǒng)主要由三個部分構成，即可編程邏輯控制器件plc、變頻器和電機。首先通過設置給定輸入給plc，再通過plc控制變頻器，再經(jīng)由變頻器來控制電機，隨后

7、將電機的轉速反饋給plc，經(jīng)比較后輸出給變頻器從而實現(xiàn)無靜差調速。具體如圖1-1所示：圖1-12 plc和變頻器的型號選擇2.1plc的型號選擇在plc系統(tǒng)設計時，首先應確定控制方案，下一步工作就是plc工程設計選型。工藝流程的特點和應用要求是設計選型的主要依據(jù)。plc及有關設備應是集成的、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應是在相關工業(yè)領域有投運業(yè)績、成熟可靠的系統(tǒng)，plc的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應與裝置規(guī)模和控制要求相適應。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關的編程語言有利于縮短編程時間，因此，工程設計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控

8、制要求，明確控制任務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、外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的plc和設計相應的控制系統(tǒng)。綜合了輸入輸出（i/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)設計選擇了s7-200 plc一臺。 圖2-1 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/和脈沖寬度調制器、直接讀寫的模擬量i/o模塊、先進的程序結構、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

9、協(xié)議。價格是它在所有品牌在同一功能區(qū)內很有競爭力的。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2.2.1 變頻調速原理變頻調速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調速的目的。 n=60f(1-s)/p對于成品電機，其磁極對數(shù)p已經(jīng)確定，轉差率s變化不大，故電機的轉速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速，進而達到異步電機的調試目的。2.2.2 變頻器的工作原理變頻器的工作原理是把市電（380v 、50hz）通過整流器變成平滑直流，然后利用半導體器件（gto

10、、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。2.2.3 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、調速范圍、速度響應和控制精度、啟動轉矩等要求，充分了解變頻器所驅動負載特性，決定采用什么功能的通用變頻器構成控制系統(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是既滿足生產(chǎn)工藝要求，又要在技術經(jīng)濟指標上合理。若對通用變頻器選型、系統(tǒng)設計及使用不當，往往會使通用變頻器不能正常的運行、達不到預期目標，甚至引發(fā)設備故障，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

11、頻器的地線的連接也是非常重要的。變頻器在調速系統(tǒng)中的優(yōu)點：1控制電機的啟動電流；2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可調的運行速度；6可調的轉矩極限；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。 3系統(tǒng)結構與程序設計3.1 系統(tǒng)結構設計3.1.1閉環(huán)調速的實現(xiàn)閉環(huán)控制就是反饋控制，它是自動控制系統(tǒng)最基本的控制方式，也是應用最廣泛的一種控制方式，它是按偏差進行控制的，其特點是不論什么原因使被控量離期望值出現(xiàn)偏差時，必定會產(chǎn)生一個相應的控制作用去減小或消除這個偏差，使被控量與期望值趨于一致，在本文中這個反饋量就是速度，閉環(huán)控制中的差值就是e(k

12、)=e(用戶)-e(實際)，即進行反饋調節(jié)的就是這個偏差，使它盡量減小到0，即用戶輸入速度與實際速度相一致， 構成閉環(huán)系統(tǒng)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。在固定時間間隔內采集脈沖差值，通過計算既可以獲得電動機的當前轉速。例如： 設采樣周期為100ms 即是每隔100ms采集脈沖一次，光電開關每轉發(fā)出8個脈沖，那么就可以得到速度為 其中 為采樣周期內接受到的脈沖數(shù)。轉速的單位為 。閉環(huán)控制就是將速度信號反饋給plc，再通過與給定量

13、比較，輸出給pid控制部分，從而調節(jié)速度使其能達到設定要求。3.1.2閉環(huán)調速系統(tǒng)連接圖接線圖3-1中涉及到的接線引腳說明如下：1. plc輸入端口1m，2m接24v直流電源；2. plc輸入端口i0.0，i0.1接光電旋轉編碼器；3. plc輸出端口1l接變頻器+24v輸入端；4. plc輸出端口q0.0，q0.1接變頻器數(shù)字輸入端din1，din2；5. plc輸出端口m0，i0接變頻器模擬輸入端ain1，ain2；圖3-1閉環(huán)調速系統(tǒng)硬件連接圖3.2程序設計3.2.1程序流程圖圖3-23.2.2 plc程序電機轉動主程序電機速度pid調節(jié)子程序電機轉速調節(jié)中斷服務程序4實驗調試4.1 p

14、id 參數(shù)整定pid參數(shù)整定方法就是確定調節(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：表51速度控制pid經(jīng)驗參數(shù)被控變量規(guī)律的選擇比例度積分時間（分鐘）微分時間（分鐘）速度滯后較大20603100.53實驗湊試法的整定步驟

15、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，直至得到反應快、超調小的響應曲線。 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，觀測響應曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應調整比例系數(shù)，反復試湊至得到較滿意的響應，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，同時相應地改變比例系數(shù)和積分時間，反復試湊至獲得滿意的控制效果和pid控制參數(shù)。 心得 通過這次的課程設計，讓我受益匪淺。在課程設計期間通過與同學們之間的交流和老師的指導，使自己學到了不少知識。除了學會了西門子

16、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控制技術的理解。在這次課程設計中我覺得最重要的就是要有自學能力，因為這次實訓中有部分知識我們之前還沒有接觸過，所以自己必須學會查找相關的資料。另外就是在遇到實際問題的時候，要認真思考，運用所學的知識，一步一步的去探索，是完全可以解決遇到的一般問題的。而在這次設計程序的過程中，我一開始時走了很多彎路，這也是自己的知識不夠扎實的原因。不過經(jīng)過自己幾天的努力，最后還是做了出來，而且還做得挺不錯的。雖然我們設計的東西并不難，但是在設計的過程中我學到了書本上所沒有學到的東西。只有理論，沒有結合實際是很難做出東西的。比如在調試的過程中，遇到問題往往是書本上的知識不能直接的解決的，只要在扎實的專業(yè)知識的前提下，我們才能把東西做好。經(jīng)過這次的課程設計，讓我深深的感受到理論聯(lián)系實踐的重要性，平時在學習中不能夠透徹理解的知識，通過動手，會有更好的認知。本次課程設計雖然不長，但是它給我們