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1、-基于PLC的变频调速系统设计课程设计论文-第 8 页课程设计(论文)基于PLC的变频调速系统设计Design of variable frequency speed regulation system based on PLC学生姓名王超学院名称信电学院学号20110501121班级11电气1专业名称电气工程及其自动化指导教师曹言敬2014年12月15日摘要 本文主要介绍了本人与本组同学研究和设计基于可编程控制器的变频调速系统的若干成果，在本次的设计中，我们的设计系统主要由PLC、变频器、电动机等几部分组成。经过本次设计和研究，使我对所有器件有了新的认识，尤其对PLC有了更多的了解：PLC是
2、能进行行逻辑运算，顺序运算，计时，计数，和算术运算等操作指令，并能通过数字式或模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程的工业计算机。首先我们查阅各个器件的资料，先对其有个明确的认识，然后通过老师的指点明白了整个系统的大概工作原理框图后，通过学习资料与老师指点将硬件设备连接成功。本文综合应用电子学与机械学知识去解决基于可编程控制器的变频调速系统，本次设计选用三相异步交流电机，而PLC和交流电机无论在工业还是生活中都是应用最广，因此本次设计具有相当的实用价值。关键词：PLC；变频器；三相异步电动机目录第一章 绪论2第二章 系统的功能设计分析和总体思路2.1系统功能设计分析32.2系统设计的总
3、体思路3第三章PLC和变频器的型号选择3.1 PLC的型号选择43.2变频器的选择和参数设置4 3.2.1变频器的选择43.2.2变频调速原理53.2.3变频器的工作原理53.2.4变频器的快速设置5第四章 硬件设计以及PLC编程4.1开环控制设计以及PLC编程94.1.1硬件设计94.1.2PLC软件编程9 4.1.3开环控制的PLC程序11第五章 实验调试和数据分析5.1PID参数整定15第六章 总结和体会16致谢17参考文献18附录19第一章 绪论调速系统快速性、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
4、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
5、、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
6、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。第二章 系统的功能设计分析和总体思路2.1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
7、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。2.2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
8、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1-1所示：电机图1-1速度闭环控制的控制图-速度给定速度反馈信号+PLC（PID）变频调速系统第三章 PLC和变频器的型号选择3.1PLC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
9、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。图3-1S7-200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
10、/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。3.2变频器的选择和参数设置3.2.1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
11、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2-1
12、：图3-23.2.2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 式3.1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。3.2.3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。3.2.4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
13、完成了快速调试。表3-1 变频器参数序号变频器参数出厂值设定值功能说明1P0304230380电动机的额定电压( 380V )2P03053.250.35电动机的额定电流( 0.35A )3P03070.750.06电动机的额定功率( 60W )4 P031050.0050.00电动机的额定频率( 50Hz )5P031101430电动机的额定转速( 1430 r/min )6P100021用操作面板（BOP）控制频率的升降7P108000电动机的最小频率( 0Hz )8P10825050.00电动机的最大频率( 50Hz )9P11201010斜坡上升时间( 10S )10P11211010
14、斜坡下降时间( 10S )11P070022选择命令源（ 由端子排输入 ）12P0701110正向点动13P07021211反向点动14P10585.0030正向点动频率（30Hz）15P10595.0020反向点动频率（20Hz）16P106010.0010点动斜坡上升时间（10S）17P106110.005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)例如：修改下表参数P0719选择命令/设定这源改变参数数值的一个数
15、字为了快速修改参数的数值，可以单独修改显示出的每个数字，操作步骤如下： 1.按 （功能键），最右边的一个数字闪烁。 2.按 / ，修改这位数字的数值。 3.再按 （功能键），相邻的下一位数字闪烁。 4.执行2至4步，直到显示出所要求的数值。 5.按 ，退出参数数值的访问级。操作步骤显示的结果1按 访问参数2按 直到显示出P07193按 进入参数数值访问级4按 显示当前的设定值5按 或 选择运行所需要的最大频率6按 确认并存储P0719的设定值7按 直到显示出r0008按 返回标准的变频器显示（有用户定义）图3-3说明 ：忙碌信息修改参数的数值时，BOP有时会显示： 表明变频器正忙于处理优先级更
16、高的任务。以下为变频器的设置一般方法：P0700 选择命令源 2）接通/断开/反转（on/off/reverse）0 工厂设置值1 基本操作面板（BOP）2 输入端子/数字输入P0010 开始快速调试0 准备运行1 快速调试30 工厂的缺省设置值说明在电动机投入运行之前，P0010必须回到0。但是，如果调试结束后选定P3900=1，那么，P0010回零的操作是自动进行的。P1000 选择频率设定值 2）0 无频率设定值1 用BOP控制频率的升降2 模拟设定值 P0100 选择工作地区是欧洲/北美0 功率单位为 kw：f的缺省值为 50Hz1 功率单位为 hp：f的缺省值为 60Hz2 功率单位
17、为 kw：f的缺省值为 60Hz说明P0100 的设定值0和1应该用DIP开关来更改，使其设定的值固定不变P1080 电动机最小频率本参数设置电动机的最小频率（0650Hz）；达到这一频率时电动机的运行速度将与频率的设定值无关。这里设置的值对电动机的正转和反转都是使用的P1080 电动机最大频率本参数设置电动机的最大频率（0650Hz）；达到这一频率时电动机的运行速度将与频率的设定值无关。这里设置的值对电动机的正转和反转都是使用的P0304 电动机的额定电压 1）10V2000V根据铭牌键入的电动机额定电压（V）P1120 斜坡上升时间0S650S电动机从静止停车加速到最大电动机频率所需的时间
18、P0305 电动机的额定电流 1）02倍变频器额定电流（A）根据铭牌键入的电动机额定电流（A）P307 电动机的额定功率 1）0KW2000KA根据铭牌键入的电动机额定功率（KW）如果P0100=1，功率单位应是 hpP1121 斜坡上升时间0S650S电动机从其最大频率减速到静止停车所需的时间P3900 结速快速调试0 结速快速调试，不进行电动机计算或复位为工厂缺省设置值1 结束快速调试，进行电动机计算和复位为工厂缺省设置值（推荐的方式）2 结束快速调试，进行电机计算和I/O复位。3 结束快速调试，进行电动机计算，但不进行I/O复位P0310 电动机的额定频率 1）12Hz650Hz根据铭牌
19、键入的电动机额定频率（Hz）P0311 电动机的额定速度 1）040000 1/min根据铭牌键入的电动机额定速度（rpm）第四章 硬件设计以及PLC编程4.1开环控制设计以及PLC编程4.1.1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3-1所示：速度给定图4-1 速度开环控制的控制图PLC（PID）变频调速系统 开环控制的外部硬件连接图3-2：图4-24.1.2PLC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：控制量输入控制值输出PID控制运算过程采样图4-3故在编写程序的时候可以分为三部分：
20、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）式3.1 比例项Kc*（SPn-PV
21、n）：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
22、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、程序地址分配地址说明VD12目标速度设定存放地址VD300当前实际速度存放地址表4-12、 PID指令回路表地址名称说明VD100过程变量（PVn）必须在0.01.0之间VD104给定值（SPn）必须在0.01.0之间VD108输出值（Mn）必须在0.01.0之间VD112增益（Kc）比例常数，可正可负VD116采样时间（Ts）
23、单位为s，必须是正数VD120采样时间（Ti）单位为min，必须是正数VD124微分时间（Td）单位为min，必须是正数表4-24.1.3开环控制的程序：主程序中断程序子程序第五章 实验调试和数据分析5.1PID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
24、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20603100.53表5-1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5080，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
25、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。第六章 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S7200 的基本知识，并掌握了S7200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
26、，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。致谢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
27、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，20003浣喜明 姚为正电力电子技术高等教育出版社，20004莫正康电力电子技术应用（第3版）机械工业出版社，20005郑琼林耿学文电力电子电路精选机械工业出版社，19966刘定建朱丹霞实用晶闸管电路大全机械工业出版社，19967刘祖润 胡俊达毕业设计指导机械工业出版社，1995附录变频器内部原理框图