基于PLC的交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文.doc

基于plc的交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成 績(jī)： 姓 名： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 日 期： 20140626 plc技能考核設(shè)計(jì)訓(xùn)練任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名 專(zhuān)業(yè)年級(jí) 學(xué)號(hào) 設(shè)計(jì)日期： 2014年05月26日 至2014年06月26日設(shè)計(jì)題目：利用高速計(jì)數(shù)器a/b相脈沖計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：利用高速計(jì)數(shù)器a/b相脈沖計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速，并且能判斷電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：指導(dǎo)教師簽字：日期：目錄1 緒論11.1 實(shí)驗(yàn)所選plc11.2 plc的特點(diǎn)11.3 plc的系統(tǒng)組成11.4 plc的運(yùn)行工作方式21.5 西門(mén)子觸摸屏21.6 wincc flexible軟件概述21.6.1 wincc flexible綜合了一下特點(diǎn)：31.6.2 wincc flexible的用戶(hù)界面簡(jiǎn)介:31.6.3 wincc flexible組態(tài) ：31.7 西門(mén)子mm420變頻器31.8基于plc的交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)42 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)52.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖52.2.1 pid控制器52.2.2 pid回路算法：62.2.3 pid使用方法：62.2.4 異步電機(jī)變頻調(diào)速原理:72.2.5 異步電機(jī)的機(jī)械特性:82.3 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的硬件選型82.3.1 plc的選用92.3.2 擴(kuò)展em235模塊92.3.3 西門(mén)子smart 700觸摸屏92.3.4西門(mén)子mm420變頻器102.3.5 電機(jī)機(jī)組122.4 硬件接線(xiàn)133 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)143.1 變頻器參數(shù)143.2 觸摸屏組態(tài)畫(huà)面153.3 plc編程163.3.1 主程序：163.3.2 子程序174 系統(tǒng)調(diào)試205 總結(jié)211 緒論1.1 實(shí)驗(yàn)所選plc選用西門(mén)子公司生產(chǎn)的cpu224xp系列，為采集電機(jī)轉(zhuǎn)速并對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，外擴(kuò)一個(gè)em235模塊（4ai/1ao）。在使用em235模塊時(shí)，需根據(jù)所采集模擬量的實(shí)際信號(hào)用右下角的6個(gè)dip開(kāi)關(guān)對(duì)em235模塊進(jìn)行配置。具體開(kāi)關(guān)配置表如表1所示。 表1 用于選擇模擬量量程和精度的em235配置開(kāi)關(guān)表1.2 plc的特點(diǎn)（1）抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高 （2）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)（3）編程方便，易于使用 （4）功能強(qiáng)大，成本低 （5）設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試的周期短 （6）維護(hù)方便1.3 plc的系統(tǒng)組成1cpu2.存儲(chǔ)器3.i/o單元4.電源5.通信接口6.擴(kuò)展接口7.編程設(shè)備8.其他部件1.4 plc的運(yùn)行工作方式plc的工作按集中輸入、集中輸出，周期性循環(huán)掃描的方式進(jìn)行工作的。1.5 西門(mén)子觸摸屏實(shí)驗(yàn)室采用的是smart 700，為觸屏中的中低端產(chǎn)品，但性?xún)r(jià)比較高。適用于單機(jī)場(chǎng)合，可以實(shí)現(xiàn)與s7-200的簡(jiǎn)單無(wú)縫連接。其屏幕大小為7寸，顯示類(lèi)型為lcd,分辨率為800*480，256色亮度可調(diào)，直流24v供電，帶一個(gè)rs485通信接口，最大通訊速率為187.5kbps?？梢灾С峙c第三方plc通信，如三菱fn系列，歐姆龍cp1系列等?？芍С肿疃?00個(gè)變量，50個(gè)畫(huà)面，200個(gè)報(bào)警，32個(gè)報(bào)警等級(jí)，5個(gè)配方，支持趨勢(shì)視圖、報(bào)警消息及斷電保持。其組態(tài)基于軟件wincc flexible 2008 sp2.1.6 wincc flexible軟件概述 wincc flexible是一種前瞻性的面向及其自動(dòng)化的hmi設(shè)備組態(tài)軟件，它能夠提供舒適而高效的設(shè)計(jì)。1.6.1 wincc flexible綜合了一下特點(diǎn)：(1) 直接的處理方式(2) 透明性(3) 靈活性1.6.2 wincc flexible的用戶(hù)界面簡(jiǎn)介:1、標(biāo)題欄：用來(lái)顯示當(dāng)前文件的路徑及名稱(chēng)2、菜單欄：包括了工作使用的所有命令3、工具欄：提供常用命令的快捷按鈕。4、項(xiàng)目視圖：包含了所有可以組態(tài)的元件。用以創(chuàng)建和打開(kāi)要編輯的對(duì)象。5、工作區(qū)域：用于編輯項(xiàng)目數(shù)據(jù)，可以使圖形數(shù)據(jù)，也可以是表格數(shù)據(jù)。6、屬性視圖：用于編輯工作區(qū)域中選中對(duì)象的屬性。7、工具箱：包含過(guò)程畫(huà)面中經(jīng)常使用的各種對(duì)象。8、庫(kù)：用于儲(chǔ)存常用對(duì)象。9、對(duì)象視圖：用來(lái)顯示項(xiàng)目視圖中指定的文件夾或編輯器中的內(nèi)容10、輸出視圖：用來(lái)顯示項(xiàng)目運(yùn)行之前自動(dòng)形成的報(bào)警信息。1.6.3 wincc flexible組態(tài) ：1、io域組態(tài) 2、按鈕組態(tài)3、文本列表和圖形列表組態(tài)4、動(dòng)畫(huà)組態(tài)5、報(bào)警組態(tài)1.7 西門(mén)子mm420變頻器選用西門(mén)子公司生產(chǎn)的mm420型變頻器。如果變頻器參數(shù)為出廠(chǎng)初始參數(shù)，則需對(duì)它進(jìn)行快速調(diào)試，相關(guān)參數(shù)表如表2所示。表2 mm420基本調(diào)試參數(shù)表序號(hào)變頻器參數(shù)出廠(chǎng)值設(shè)定值功能說(shuō)明1p000312用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)級(jí)別2p0304230220電動(dòng)機(jī)的額定電壓( 220v )3p03053.250.5電動(dòng)機(jī)的額定電流( 0.5a )4p03070.750.1電動(dòng)機(jī)的額定功率( 100w )5p031050.0050.00電動(dòng)機(jī)的額定頻率( 50hz )6p031101420電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速( 1420 r/min )7p070021或2選擇命令源（由bop/端子排輸入）8p100021或2用bop/端子排輸入控制頻率的升降9p108000電動(dòng)機(jī)的最小頻率( 0hz )10p10825050.00電動(dòng)機(jī)的最大頻率( 50hz )11p11201010斜坡上升時(shí)間( 10s )12p11211010斜坡下降時(shí)間( 10s )1.8基于plc的交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可編程控制器（plc）可編程控制器是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是繼續(xù)計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動(dòng)裝置。它具有抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格便宜，可靠性強(qiáng)，編程簡(jiǎn)樸，易學(xué)易用等特點(diǎn)，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(gè)領(lǐng)域中被廣泛地使用。組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專(zhuān)用軟件，它們是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶(hù)提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)某一任務(wù)，都是通過(guò)編寫(xiě)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。編寫(xiě)程序不但工作量大、周期長(zhǎng)，而且輕易犯錯(cuò)誤，不能保證工期。組態(tài)軟件的出現(xiàn)，解決了這個(gè)問(wèn)題。對(duì)于過(guò)去需要幾個(gè)月的工作，通過(guò)組態(tài)幾天就可以完成。組態(tài)軟件具有流程畫(huà)面，過(guò)程數(shù)據(jù)記錄，趨勢(shì)曲線(xiàn)，報(bào)警窗口，生產(chǎn)報(bào)表等功能，已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域被應(yīng)用。調(diào)速系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性能好是工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中基本要求。在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)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(guó)防、汽車(chē)、冶金、機(jī)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(guò)程復(fù)雜多變，具有不確定性，因此對(duì)系統(tǒng)要求更為先進(jìn)的控制技術(shù)和控制理論。變頻調(diào)速已被公認(rèn)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(dòng)系統(tǒng)的主要目的，一是為了滿(mǎn)足提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高設(shè)備自動(dòng)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、降低生產(chǎn)成本。用戶(hù)根據(jù)自己的實(shí)際工藝要求和運(yùn)用場(chǎng)合選擇不同類(lèi)型的變頻器。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的在交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上使用a/b相正交計(jì)數(shù)器對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量以及對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)向進(jìn)行判斷。2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 pid控制規(guī)律 （1）比例作用（p） (2)比例積分作用（pi） （3）比例積分微分作用（pid） 注：微分一般不使用，會(huì)造成不穩(wěn)定2.2.1 pid控制器pid控制器結(jié)構(gòu)圖比例環(huán)節(jié)： (1) kp增大，快速性提高，系統(tǒng)振蕩增強(qiáng)，穩(wěn)定性下降； (2) kp減小，快速性降低，系統(tǒng)靜差減小，但不能消除靜差； (3) kp無(wú)延時(shí)環(huán)節(jié)，快速性好，響應(yīng)快。積分環(huán)節(jié)： (1) ti增大，積分作用減小，系統(tǒng)振蕩增強(qiáng)，穩(wěn)定性下降； (2) ti減小，積分作用增大，可消除靜差； (3) 有延時(shí)環(huán)節(jié)，快速性下降微分環(huán)節(jié)： (1) td增大，系統(tǒng)振蕩減弱，穩(wěn)定性增強(qiáng)； (2) td減小，調(diào)節(jié)時(shí)間減小，快速性增強(qiáng)；（3) 不能消除系統(tǒng)靜差2.2.2 pid回路算法： s7-200 cpu提供pid回路指令(比例、積分、微分回路)，執(zhí)行pid計(jì)算。pid回路操作取決于存儲(chǔ)在36個(gè)字節(jié)回路表中的9個(gè)參數(shù)。即pid回路表：2.2.3 pid使用方法：1、建立pid回路表2、回路輸入量的轉(zhuǎn)換及歸一化(1) 將工程實(shí)際值由16位整數(shù)(aiw)轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù)，程序如下：xord ac0，ac0 /清累加器ac0itd aiw0，ac0 /把整數(shù)轉(zhuǎn)化為雙整數(shù)（設(shè)采集數(shù)據(jù)通道地址為aiw0）dtr ac0，ac0 /把雙整數(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù)(2) 將實(shí)數(shù)格式的工程實(shí)際值轉(zhuǎn)化為0.0，1.0之間的無(wú)量綱相對(duì)值，用下式來(lái)完成這一過(guò)程：rnorm=（rrawspan）+offset式中：rnorm為工程實(shí)際值的歸一化值；rraw為工程實(shí)際值的實(shí)數(shù)形式值，未歸一化處理。標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)又分為雙極性(圍繞0.5上下變化)和單極性(以0.0為起點(diǎn)在0.0和1.0之間的范圍內(nèi)變化)兩種。對(duì)于雙極性，offset為0.5；對(duì)于單極性，offset為0，span表示值域的大小，通常單極性時(shí)取32000，雙極性時(shí)取64000。3、回路控制輸出轉(zhuǎn)換為按工程量標(biāo)定的整數(shù)值(1) 用下式將回路輸出轉(zhuǎn)換為按工程量標(biāo)定的實(shí)數(shù)格式：rscal = (mnoffset ) span式中：rscal為已按工程量標(biāo)定的實(shí)數(shù)格式的回路輸出；mn為歸一化實(shí)數(shù)格式的回路輸出。程序如下：movr vd208，ac0 /將回路輸出結(jié)果（設(shè)table表首地址為vb200）放入ac0-r 0.5，ac0 /對(duì)雙極性場(chǎng)合減去0.5*r 64 000，ac0 /將ac0中的值按工程量標(biāo)定(2) 將已標(biāo)定的實(shí)數(shù)格式的回路輸出轉(zhuǎn)化為16位的整數(shù)格式，并輸出。trunc ac0，ac0 /取整數(shù)dti ac0，ac0 /雙整數(shù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)movw ac0，aqw0 /把整數(shù)值送到到模擬量輸出通道（設(shè)為aqw0）2.2.4 異步電機(jī)變頻調(diào)速原理:異步電機(jī)調(diào)速時(shí)，通常希望fm保持不變。因?yàn)槿绻磐p弱，則沒(méi)有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；如果磁通增強(qiáng)，又會(huì)使鐵心飽和，導(dǎo)致勵(lì)磁電流過(guò)大。1、基頻以下調(diào)速：n nn保持fm不變，可得： 恒壓頻比控制方式 可知：定子電壓/頻率f越大，轉(zhuǎn)速n越高。 定子電壓/頻率f越小，轉(zhuǎn)速n越低。 2、基頻以上調(diào)速：n nn 此時(shí)，轉(zhuǎn)速n再升高，定子電壓us不可能超過(guò)額定電壓。因此，這時(shí)只有迫使磁通與轉(zhuǎn)速成反比例降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。 在基頻以下，轉(zhuǎn)速改變時(shí)轉(zhuǎn)矩恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”； 在基頻以上，轉(zhuǎn)速改變時(shí)轉(zhuǎn)矩變化，屬于“恒功率調(diào)速”。2.2.5 異步電機(jī)的機(jī)械特性: 穩(wěn)定工作時(shí)，負(fù)載變化對(duì)轉(zhuǎn)速影響不大，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大到最大轉(zhuǎn)矩后，轉(zhuǎn)速會(huì)迅速減小，出現(xiàn)拐點(diǎn)。2.3 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的硬件選型基于plc的交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)主要由四個(gè)部分構(gòu)成，即可編程邏輯控制器件plc、觸摸屏、變頻器和電機(jī)機(jī)組。通過(guò)觸摸屏給plc發(fā)出相關(guān)指令，plc控制變頻器，變頻器控制電機(jī)機(jī)組進(jìn)行變頻調(diào)速；通過(guò)電機(jī)機(jī)組上的編碼器將電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速反饋給plc，經(jīng)pid調(diào)節(jié)后輸出給變頻器，從而實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的無(wú)靜差調(diào)速。系統(tǒng)硬件組成如下：序號(hào)設(shè)備廠(chǎng)家型號(hào)功能說(shuō)明plc西門(mén)子cpu224xp+em235采集、處理數(shù)據(jù)觸摸屏西門(mén)子smart700數(shù)據(jù)監(jiān)控變頻器西門(mén)子mm420拖動(dòng)異步電機(jī)變頻調(diào)速電機(jī)機(jī)組天 煌異步電機(jī)+直流電機(jī)被控對(duì)象2.3.1 plc的選用本次實(shí)驗(yàn)選用s7-200系列plc，西門(mén)子200cpu 224xp cn（6es7 214-2ad23-oxb8）14點(diǎn)數(shù)字量輸入：模塊地址與面板插孔點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接（i0.0i0.0）；10點(diǎn)數(shù)字量輸出：q0.0q0.0、q0.1q0.1；（q0.3q1.1）繼電器面板；2路模擬量輸入：mm、a+a、b+b（a+/b+對(duì)m的電位均為0-10vdc）；1路模擬量輸出：mm、ii、vv（i對(duì)m輸出0-20ma，v對(duì)m輸出0-10vdc，但v、i只能使用其一，不能同時(shí)使用）。2.3.2 擴(kuò)展em235模塊4路模擬量輸入：模塊地址與面板插孔點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接（aiw4-aiw10：rara、a+a+、a-a-、rbrb、b+b+、b-b-、rcrc、c+c+、c-c-、rdrd、d+d+、d-d-）對(duì)于電壓輸入信號(hào)，按正、負(fù)極直接接入x+和x-；對(duì)于電流輸入信號(hào)，將rx和x+短接后接入電流輸入信號(hào)的“+”端；未接入傳感器的通道要將x+和x-短接。1路模擬量輸出：模塊地址與面板插孔點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接（aqw2：mom、vov、ioi）（io對(duì)mo輸出0-20ma，vo對(duì)mo輸出0-10vdc，但vo、io只能使用其一，不能同時(shí)使用）2.3.3 西門(mén)子smart 700觸摸屏西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的一種hmi設(shè)備(人機(jī)接口)。觸摸屏與西門(mén)子plc200通過(guò)rs485進(jìn)行通訊。觸摸屏與電腦通過(guò)pc/ppi電纜進(jìn)行通訊。示意圖如下。2.3.4西門(mén)子mm420變頻器接線(xiàn)端子與面板插線(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接：模擬量輸入電源：10v+(1)、0v(2)；1個(gè)模擬量輸入(0v至10v)：ain+(3)、ain-(4)；(該模擬量輸入端也可以作為第4個(gè)數(shù)字輸入來(lái)使用)；3個(gè)數(shù)字量輸入：din1(5)、din2(6)、din3(7)；數(shù)字量輸入電源：24v+(8)、0v(9)；1個(gè)繼電器輸出：rl1b(10)、rl1c(11)；1個(gè)模擬量輸出(0ma至20ma)：aout+(12)、aout-(13);1個(gè)rs485串口通訊端子：p+(14)、n-(15)。2.3.5 電機(jī)機(jī)組該實(shí)驗(yàn)臺(tái)配備一組電機(jī)機(jī)組，由同軸相連的異步電機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成，實(shí)物圖如圖6所示。2.4 硬件接線(xiàn)3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1 變頻器參數(shù)3.2 觸摸屏組態(tài)畫(huà)面 棒圖地址：變量1 調(diào)速 i/o域：變量1 顯示 i/o域：變量3 +1/-1：變量1