基于PLC和變頻器的多電機同步控制系統(tǒng)的設計

1、7 1.緒論1.1課題研究的背景隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，對各種機械設備的性能以及產(chǎn)品質量的要求也是越來越拓。在整個生產(chǎn)過程當中，工廠內(nèi)會有多條產(chǎn)線，一條產(chǎn)線就有多個設備，需要多臺電動機。電動機之間可能是單獨工作，也可能是相互協(xié)作，所以就存在多電機控制的問題。隨著當今工業(yè)的不斷發(fā)展，單臺電機控制的系統(tǒng)已經(jīng)滿足不了當今的生產(chǎn)的需求。多電機控制系統(tǒng)應運而生。本文在LI前流行的變頻調(diào)速控制技術基礎上，提出了由工控機PLC控制的多電機聯(lián)動控制方案，文中詳細闡述了一臺PLC同時控制多臺電機的硬件及軟件設計，并重點分析了實現(xiàn)原理和方案特點對各個關鍵器件的選擇都做了詳細的說明。文中通過PLC對變頻器的控制從而達到

2、對電機的控制LI的，實現(xiàn)對電機運行狀態(tài)的監(jiān)控。近年來，plc可謂是發(fā)展迅速，應用在生產(chǎn)生活的多個方面，它功能較多、操作起來也比較簡單、易上手，也有比較成熟的技術，在工業(yè)控制方面大顯身手，它已經(jīng)成為了工業(yè)自動化方面的重要手段，所以，本文選擇使用PLC來實現(xiàn)對于多電機的控制工作。1.2變頻技術及PLC發(fā)展趨勢科技的不斷發(fā)展，時代的不斷進步，促使了電子技術行業(yè)和計算機技術突飛猛進的發(fā)展，PLC技術融合了當今時代先進的計算機技術，將這一概念運用到自動控制當中，將其功能不斷完善。PLC已經(jīng)在邏輯、運動、過程和數(shù)據(jù)處理等方面有了廣泛的應用。PLC主要山兒個重要的部分組成：微處理器，也就是我們常說的CPU,

3、在CPU里面包含運算器和控制器；存儲器，存放系統(tǒng)程療;和用戶程序；I/O接口，與外設連接的通道；以及電源模塊，其基本結構框圖如圖1-1示。它存儲了一些操作指令，這些指令包含邏輯運算、計時、計數(shù)、對操作的順序控制等一系列的操作指令。PLC工作的時候是通過一個內(nèi)部存儲的程序來完成所述方法所需要的操作內(nèi)容執(zhí)行的。PLC的主要特點概括如下：PLC的內(nèi)部集成了很多模塊，其中I/O接占了很大一部分；而且PLC的可鼎性和安全性都很高；編程方法簡單，容易上手，整個硬件也是比較容易安裝的，各個零件比較大眾，維修是比較方便的。圖1-1PLC的基本結構EPROM1.3研究的目的和意義就U前來說，變頻調(diào)速技術在多電機

4、控制方面是應用最為廣泛的，而且具有很好的發(fā)展前途，它的運行效率高、使用范圍廣而且計算精度高。在整個實現(xiàn)的過程中，應用方法簡單易懂、噪音比較小，不需要傳感器。PLC,ProgrammableController,就是我們經(jīng)常提到的可編程控制器，它的存儲器，可以將一系列的指令或者代碼放進去，通過一些模數(shù)轉化器設備，將信號輸出。和普通的微型計算機一樣，也有CPU,還有一些類似于電源模塊、I/O模塊。PLC的體積很小，非常容易安裝，而且消耗的能源也比較小，所以可以廣泛的應用于控制系統(tǒng)當中。通過PLC控制變頻器可以有效地控制多臺電機的運行，可以達到很好的效果，能夠有效地應用于實踐,具有應用價值和意義。2

5、.系統(tǒng)的總體方案2.1變頻器的工作原理異步交流電機轉速如公式（2-1）所示，異步電機變頻調(diào)速特性如圖2-1,若額定電流在調(diào)速過程中始終能達到，則電機持續(xù)穩(wěn)定運轉。調(diào)速過程中電機轉矩在隨定子磁場不斷變化，轉速低于基頻轉速時定義為“恒轉矩調(diào)速J轉速高于基頻轉速時定義為“恒功率調(diào)速”。n=-5)=60八(1-s)/p(2-1)，恒轉矩調(diào)速恒功率調(diào)速vflmf】/頻率幾為定子交流電壓頻率，為極對數(shù)，$為轉差率。g為異步電機旋轉磁場同步轉速。Ui（定子相電）%變頻器即按照不同應用場合需求將公共工頻電源轉換成不同頻率的交流電源，來實現(xiàn)對不同設備的調(diào)壓調(diào)速等功能。結構如圖2-2,其主要山工頻整流、直流電路及

6、逆變交流電路三部分構成。圖2-1異步電動機變頻調(diào)速控制特性77根據(jù)以往的工程經(jīng)驗，我們選擇常用的西門子的變頻器，型號是M420系列的，該變頻器采用當今技術流行的磁通矢量控制方式，該方式可以實現(xiàn)自動調(diào)整頻率的功能，調(diào)整的速率比為1:120，轉換為頻率為0.5-60HZ，變頻器的風扇扇葉和接線端子都是可以拆卸的，維護起來更加方便,運行起來噪音也很小，里面配置了RS485通信口，在多種場合都 可以使用，圖23就是西門子M420變頻器。圖2-3MicroMaster4202.2PLC控制變頻調(diào)速系統(tǒng)原理PID控制器有三個參數(shù)控制，就是名字當中的P、I、D,簡單來說就是這三個參數(shù)的一系列變化。其系統(tǒng)原理

7、框圖如圖2-4所示，將輸入信號經(jīng)過比例、積分、微分的處理，輸入到被控對象當中，在與本身做相關運算，得到輸出信號。比洌；J一q積分十被控對象微分圖24PID控制系統(tǒng)原理圖其控制規(guī)律為：Tdde(t)ut=+d(2-2)其中的參數(shù)有比例增益K-就是圖中的比例模塊；積分模塊的時間常數(shù)7；和微分模塊的時間常7；，在實際工程中，使用上述的這三個參數(shù)乂來描述對控制系統(tǒng)的影響。PLC內(nèi)部的高速計數(shù)模塊會返回一個具體的速度值，我們將這個速度值與給定的速度進行比較，汁算之間的誤差，不斷調(diào)整誤差，得到控制量，將得到控制量經(jīng)山PLC內(nèi)部的宙?zhèn)魉偷阶冾l器當中。變頻器就會根據(jù)得到的信號來驅動交流電機，不同的控制量，就會

8、得到電機不同的轉速。PLC內(nèi)部和變頻器之間只是通過串來通信，具體的變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖2-5所示。速度RS-485旋轉編碼器交流電機圖2-5變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖2.3系統(tǒng)的總體控制方案在實際生產(chǎn)中，通常有兩種方案來實現(xiàn)對多臺電動機的控制。一種是使用一臺變頻器來拖動多臺電機，通常是拖動兩臺電機，有時也會連接更多的電機。通過控制一臺變頻器就可以操作多個相連的電機。山于這種方式只需要一臺變頻器，所以硬件預算就會減少好多，設備的整體利用率得到明顯的提高，但是對電機的數(shù)量和分布有比較大的限制。第二種是一個電動機用一個變頻器控制，然后再用PLC控制多個變頻器，這樣整個系統(tǒng)就需要多個變頻器，這樣的成本較高，但是

9、可以保證設備的正常運行，也提高了生產(chǎn)效率，這種方案適用于一些大廠的流水線，因為他們的生產(chǎn)線的電機較多，可以充分發(fā)揮優(yōu)勢，從而提高整個產(chǎn)線的工作效率。所以本文設計的系統(tǒng)就是采用PLC控制多個變頻器的方式來控制多個電機。我們來看整個系統(tǒng)所需要的設備，對于PLC我選擇上文提到的S7-200,在整個系統(tǒng)當中PLC作為核心單元，在與變頻器連接時采用RS-485總線。一般來說，我們都研究兩臺電機的情況，該系統(tǒng)共有兩臺變頻器，一個變頻器控制一個電機，互不干擾。這兩個電機的型號，功能我們都不關心，只考慮其中的旋轉編碼器，因為它的作用是反饋轉速信號給變頻器和PLCo這個時候，PLC就會根據(jù)得到的轉速信號來做數(shù)據(jù)

10、處理，根據(jù)內(nèi)部計算方法得出實際轉速和所需要的補償值。整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)是上位機的監(jiān)控軟件來監(jiān)控的。同樣是經(jīng)過RS-485總線連接到網(wǎng)絡中，監(jiān)控整個系統(tǒng)變化，來及時作出響應。多電機同 步控制網(wǎng)絡如圖26所示。圖26多電機同步控制網(wǎng)絡3.硬件電路的設計3.1PLC的工作原理及功能特點掃描周期包含三個步驟，第一個步驟是輸入信號進行采樣，第二個步驟是用戶編寫的程序開始執(zhí)行，笫三個步驟是刷新輸出結果，這三步都是需要完成的，具體執(zhí)行情況，如圖3.1所示。輸出刷新輸入采樣*用戶程*序執(zhí)行*輸出*刷新*輸入J米樣第n-1個掃描周期第n+1個第n個掃描周期,J掃描周期圖3JPLC的掃描周期在進行第一步驟的時候，

11、按照逐點逐面的掃描方式對PLC內(nèi)部進行操作，將用戶提供的數(shù)據(jù)，按照次序錄入到系統(tǒng)里。在PLC內(nèi)部，也可以找到相應的存儲單元來將數(shù)據(jù)保存進去。到了笫二和第三階段后，就算輸入的數(shù)據(jù)和狀態(tài)有所改變，映像區(qū)的數(shù)據(jù)也不會改變。它存儲了一些操作指令，這些指令包含邏輯運算、計時、計數(shù)、對操作的順序控制等一系列的操作指令。PLC工作的時候是通過一個內(nèi)部存儲的程序來完成所述方法所需要的操作內(nèi)容執(zhí)行的。PLC的主要特點概括如下：PLC的內(nèi)部集成了很多模塊，其中I/O接占了很大一部分；而且PLC的可靠性和安全性都很高；編程方法簡單，容易上手，整個硬件也是比較容易安裝的，各個零件比較大眾，維修是比較方便的。3.2PL

12、C控制系統(tǒng)的結構隨著PLC在生產(chǎn)系統(tǒng)中，應用越來越廣泛，PLC在使用的過程中可以構成多種形式的控制系統(tǒng)，有以下兒種控制系統(tǒng)是比較常用的：（1）單機控制系統(tǒng)個PLC控制一臺機器，一個機器也就是一個對象，稱之為單機控制系統(tǒng)。它對存儲容量要求比較小，不涉及到通信問題，系統(tǒng)簡單。（2）集中控制系統(tǒng)臺高配置PLC可具備同時控制多個設備的功能，此時PLC作為整個控制系統(tǒng)的控制中心，在控制各設備同時建立各個設備間的通信，具體結構如圖3-2所示：圖3-2集中控制系統(tǒng)（3）分散控制系統(tǒng)每臺PLC單獨對應一臺設備，不同PLC之間建立通訊實現(xiàn)信息傳遞，最后由上位機來對整個系統(tǒng)進行調(diào)控，兩個機器之間互不影響，具體構成

13、如圖3-3所示。c中圖3-3分散控制系統(tǒng)PLCB控制對象B控制對象A1PLCC3.3可編程控制器的選型在對PLC進行選型時，我們通常綜合考慮以下兒個方面：（1）根據(jù)我們預先設計好的系統(tǒng)模型，對于I/O點數(shù)我們是選定好的，根據(jù)點數(shù)我們來確定存儲器容量。（2）我們在編寫程序的時候是需要編程器的，它在現(xiàn)在市場上分為兩種，一種是手持方式的，另外一種是通過接連接到計算機上，計算機編寫程序之后再傳給PLC控制器的；（3）選擇合適的通信協(xié)議；（4）對于一些不是常用的功能，來考慮是否增加一些新的傳感器，完善整個系統(tǒng)；（5）整個工作環(huán)境是否對PLC的運行會有所影響，條件是否不適合系統(tǒng)運行；（6）是否有比較大的廠

14、家可以提供技術支持和售后保障。綜合以上選型原則進行考慮，我們選擇西門子公司的S7-200系列，PLC選用CPU型號為226型號，其具體參數(shù)如下表所示表3-1CPU-226參數(shù)規(guī)格120.5*80*62程序存儲區(qū)4K數(shù)據(jù)存儲區(qū)2560字掉電保持時間/h190本機I/O24入/16出擴張模塊數(shù)量7高數(shù)計數(shù)器/單相/雙相6路30KHZ/4路20KHZ脈沖輸出DC2路20KHZ模擬電位器2實時時鐘內(nèi)置通訊口1RS-485浮點運算有I/O映像器256（128入/128出）布爾指令執(zhí)行速度037us/指令在上述疋義的個掃描周期內(nèi)，CPU作流程如圖3-4。圖34S7-200CPU的掃描過程示意圖3.4PLC

15、與變頻器的連接PLC與變頻器MM420之間的的內(nèi)部連線如圖3-5所示，實際使用過程中就是電纜將兩者連接起來，也就是我們在外邊看到的情況就如圖36所示。PLCMM420a圖3-5RS-485接口連線圖圖3-6PLC與變頻器外部接線圖3.5PLC與變頻器的通訊對于CPU我選擇226型號，該型號的PLC在與變頻器通信的時候，利用的是其內(nèi)部的自山通信功能，在將兩個設備連接起來，在變頻器提供的小鍵盤上一定要先設置參數(shù)，參數(shù)設置如下:表3-2變頻器設置參數(shù)表將驅動恢復為出廠設置P0010=30P0970=l使能對所有參數(shù)的讀/寫訪問（專家模式）POOO3=3P0304=380先將參數(shù)P010設為1（快速調(diào)

16、試模式），再設置參數(shù)P3O4,PO3O5=5P305,P307,P310和P311檢杳驅動的電機設置，完成參數(shù)設置后，P0307=2200需將參數(shù)P0010重新設為0。P0310=50P0311=1400設置本地遠程控制模式P0700Index0=5在COM鏈接中設置到USS的頻率設定值P1000IndexO=5設垃串行鏈接參考頻率P2OOO=5OHz設置USS標準化P2009IndexO=O設RS-485串波特率P2010Index0=6輸入從站地址P2011IndcxO=O設置串行鏈接超時P2014IndexO=5O從RAM向EEPROM傳送數(shù)據(jù)P0971=l在以前的技術當中，PLC和變頻

17、器之間是需要PLC內(nèi)部的輸出信號的，通過這個信號可以操控變頻器的啟動和停止，整個過程是需要憑借PLC的輸出速度來決定的?，F(xiàn)在，使用一種規(guī)定好的通訊方法，來實現(xiàn)兩者之間的交流，I/O分配如表3-3所示。表3-3PLC輸入輸出分配表輸入輸出地址功能連接項地址功能連接端口10.0正轉SB1Q0.0正轉M010反轉SB2Q0.1反轉Ml10.2自動運轉SB3Q0.2自動運轉M2103停止SB4Q0.3故障M310.4故障RA西門子S7-200PLC控制變頻器的主要電路圖3-7所示。反怖呂曲S7-200QO.O00/00.410,0圖3-7PLC和變頻器接線電路3.6PLC與監(jiān)控計算機通訊的實現(xiàn)在PLC

18、與變頻器實現(xiàn)通信之后，PLC與我們的本地計算機也是要進行通訊連接的。SIEMENS對其開發(fā)的PLC是提供組態(tài)軟件的，但是對于我們用戶來說，卻不是很合適的。我們在開發(fā)的時候，通常選擇自定義的通信協(xié)議，這就要用到PLC的自由端模式，這給我們提供了方便，而且開發(fā)成本也就相應的降低了。一般情況下，采用梯形圖來實現(xiàn)自山端模式下的自定義通信協(xié)議的。上位機和PLC通信的接線如圖3-8所示，PLC的接收數(shù)據(jù)的引腳與上位機的發(fā)送數(shù)據(jù)引腳相連，同樣PLC的發(fā)送數(shù)據(jù)引腳與上位機的接收數(shù)據(jù)引腳連接起來，兩者的地線相連，也就是PLC的GND與上位機的GND連接。這樣就完成PLC與監(jiān)控計算機的碩件連接。圖3-8上位機和P

19、LC通信的接線示意圖我們選用的PLC對使用用戶提供了自由通信模式，用戶可以自己定義通信協(xié)議，用戶可以根據(jù)實際需求來實現(xiàn)各種類型的設備之間的通信。該模式支持ASCII碼。物理計算機是整個系統(tǒng)的主站，通過計算機來對整個系統(tǒng)的設備進行操控，利用PLC的寄存器進行讀寫操作。計算機通過本機的串像plc發(fā)送指令，CPU對得到的指令進行編碼處理，得到的譯碼對PLC會對下邊的設備作出反應。指令格式的說明如表3-4所示。表3-4上位機指令格式ByteO起始字符Bytel指令類型（讀/寫）Byte2-Byte3目標PLC站地址（ASCII碼）Byte4-Bytel1目標寄存器地址（ASCII碼），其中Bytc4-

20、Bytc7表示寄存器類型，Byte8-Bytel1表示寄存器號Bytel2-Bytel9要寫入的數(shù)據(jù)（ASCII碼）Byte2O-Byte21校驗碼（ASCII碼）Byte22結朿字符PLC在接到上位機發(fā)出的指令后，會作出反應，來告訴PLC已經(jīng)得到了信號，反饋指令格式說明如表3-5所示。表3-5下位機指令格式ByteO起始字符Bytel狀態(tài)信息Byte2-Byte9數(shù)據(jù)區(qū)BytelO-Bytell校驗碼Byte12結朿字符4.軟件電路的設計本文設計的系統(tǒng)中，包含兩個電機，兩個電機運轉的時候，會出現(xiàn)兩個電機的轉速不一樣，兩個電機的編碼器返回的數(shù)字信號也不相同，在plc內(nèi)部的計算模塊內(nèi)，計算出兩個

21、電機的轉速，從而計算兩者的差值。笫一部分的誤差計算方面，我們可以得到實際轉速之間與預期轉速之間的差值，根據(jù)差值可以利用生產(chǎn)PLC廠家的內(nèi)部的指令模塊，實際模塊運行時，需要兩個重要的變量，一個我們預先的設定值，二是系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的過程量，也就是我們說的反饋值，輸岀結果我們不需要考慮，就是系統(tǒng)自己通過計算得到的。在此過程中，需要設定好P、I、D這三個比較重要的參數(shù)。4.1PLC控制變頻器的程序設訃我們將PLC與變頻器連接起來之后、還要將PLC與上位機相連，確保連接成功之后，通電檢查是否正常。正常之后，就要啟動預先設計好的程序。在PLC內(nèi)部一般是山子程序來啟動整個系統(tǒng)的，從而來實現(xiàn)對變頻器的控制

22、。程序流程圖如圖4-1。具體的通訊程序如下：LDSMO.OMOVB16#49,SMB30MOVB14,POSTLENMOVB16#02.TO-ST-STXAMOVB12,TO-ST-LGE5MOVB0.POSTADR“MOVB255,TCTENIATCHINT4,25ATCHINT6,11RETMOVBBPADR.APO-ST-AIMOVW16#OC7ETO-ST-PZDOCALLSend-BP!RET謂用初始穆用切除電機，設腎標鼻:忑帛動切換定時器畀投入7切除例行處理NM圖牛1主控程序流程設定電機速度電機運行子程序MOVBBPADR:TO-ST-ADRSAMOVW16#OC7F,TO-ST-

23、PZDOAMOVW“aBITISP:TO-ST-PZDr,LDW=TO-ST-PZDF16#4000MOVW16#4000.-POST-PZD1CALLSend-BPRET/發(fā)送程序SEND-BPMOVD&VB35OO.ACOIfMOVB14,AC1XMTAPO-STLEN:0ATCHINT_0,9MOVB100、廿ATCHINTI,10RET4.2PLC與監(jiān)控訃算機通訊的實現(xiàn)在PLC與變頻器實現(xiàn)通信之后，PLC與我們的本地計算機也是要進行通訊連接的。SIEMENS對其開發(fā)的PLC是提供組態(tài)軟件的，但是對于我們用戶來說，卻不是很合適的。我們在開發(fā)的時候，通常選擇自定義的通信協(xié)議，這就要用到PL

24、C的自山端模式，這給我們提供了方便，而且開發(fā)成本也就相應的降低了。一般情況下，采用梯形圖來實現(xiàn)自由端口模式下的自定義通信協(xié)議的。上位機在給PLC發(fā)送指令的時候，會先給PLC發(fā)送一個握手信號；PLC接收到上位機發(fā)送的信號后，就會返回一個信號給上位機，這個時候，上位機接收到PLC反饋的信號時，就會開始發(fā)送第一條指令了，以后的指令也是這樣發(fā)送的。表4-1PLC存儲區(qū)功能VB100VB104發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)VB200-VB206接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)VB300握手信號VB302回握信號VB401接收數(shù)據(jù)計數(shù)器M1.0開始數(shù)據(jù)傳送M2.0開始握手M2.1握手與數(shù)據(jù)傳輸切換根據(jù)我們自定義的通訊形式，PLC與計算機之

25、間的通訊會出現(xiàn)問題，為此引入了軟件握手這一方法，來保障整個過程的安全與可靠性。圖4-2和圖4-3所示分別是上位PC機和下位機PLC的通信程序流程。?初始化BOriL按牧數(shù)據(jù)圖4-2PC機通信流程圖主要的實現(xiàn)代碼如下：MAINLDSM0.1MOVB16#09,SMB30MOVB16#B0,SMB87MOVB16#111,SMB88MOVB中斷程序16#79,SMB89INTOLDSMO.OAM2.1延時輸出1用亠1?：143PLC通信流程MOVW+&SMW90MOVB150,SMB94MOVD&VB200,AC3ATCHINT_0,8ENIRCVVB200,0SM1.0JLDSMO.OANM2.1SM2.0,lRMl.0,1CRETILDB=VB401,7LDM2.0TONT32,lMOVBSMB2,VB300LDT32RM2.0,lMOV15,SMB34LDB=VB3OOJ5ATCHINT_1,15TONT96,lCRETILDT96LDSM0.1XMTVB301,0MOVD&VB200,AC3MOVB0,VB300MOVW0,VW400SM2.1,lRM2.1,lLDM1.0INTIAM2.1LDSMO.OMOVBSMB2,*AC3DTCH15INCDAC3XMTVB100,0INCWVW4004.3系統(tǒng)調(diào)試按照我