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(jì)分析和總體思路.21.1 概述 .21.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)分析 .31.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體思路 .3第二章 PLC 和變頻器的型號(hào)選擇 .42.1 PLC 的型號(hào)選擇 .42.2 變頻器的選擇和參數(shù)設(shè)置 .6第三章 硬件設(shè)計(jì)以及PLC 編程 . 113.1 開(kāi)環(huán)控制設(shè)計(jì)及PLC 編程 . 113.2 閉環(huán)控制設(shè)計(jì) .17第四章 實(shí)驗(yàn)調(diào)試和數(shù)據(jù)分析 .234.1 PID 參數(shù)整定 . .234.2 運(yùn)行結(jié)果 .24第五章 總結(jié)和體會(huì) .25第六章 附錄 .266.1 變頻器內(nèi)部原理框圖 .26第七章 參考文獻(xiàn) .27第一章 系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)分析和總體思路1.1

2、 概述調(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、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?？删幊炭刂破鳎≒LC ）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。目前在控制領(lǐng)域中，雖然逐步采用了電子計(jì)算機(jī)這

3、個(gè)先進(jìn)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(jiǎn)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(shù)。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)合選擇不同類型的變頻器。組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專用軟件，它們是在自動(dòng)

4、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)編寫程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。編寫程序不但工作量大、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)王是海內(nèi)一家較有影響力的組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)公司開(kāi)發(fā)的，組態(tài)王具有流程畫(huà)面，過(guò)程數(shù)據(jù)記錄，趨勢(shì)曲線，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。1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)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(jī)拖動(dòng)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用；可編程控制器PLC

5、 作為替代繼電器的新型控制裝置，簡(jiǎn)單可靠，操作方便、通用靈活、體積小、使用壽命長(zhǎng)且功能強(qiáng)大、容易使用、可靠性高，常常被用于現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)發(fā)平臺(tái)工具，可實(shí)現(xiàn)顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)速控制，在PC 機(jī)上可開(kāi)發(fā)友好人機(jī)界面，通過(guò)PLC 可以對(duì)自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行“智能”控制。在此，本次設(shè)計(jì)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(lái)主要功能實(shí)現(xiàn)了變壓變頻調(diào)速。電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，加減速以及快速制動(dòng)等。因此，該系統(tǒng)必須具備以下三個(gè)主體部分：控制運(yùn)算部分、執(zhí)行和反饋部分?？刂七\(yùn)算主要由PLC 和變頻器來(lái)完成；執(zhí)行元件為變頻器和電機(jī)；

6、反饋部分主要為速度反饋。1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體思路系統(tǒng)主要由三個(gè)部分構(gòu)成，即可編程邏輯控制器件PLC 、變頻器和電機(jī)。首先通過(guò)設(shè)置給定輸入給PLC ，再通過(guò)PLC 控制變頻器，再經(jīng)由變頻器來(lái)控制電機(jī)，隨后將電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋給PLC ，經(jīng)比較后輸出給變頻器從而實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速。具體如下圖所示： 第二章 PLC 和變頻器的型號(hào)選擇2.1 PLC 的型號(hào)選擇在PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是PLC 工程設(shè)計(jì)選型。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。PLC 及有關(guān)設(shè)備應(yīng)是集成的、標(biāo)準(zhǔn)的，按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則選型所選用PLC 應(yīng)是在相關(guān)工業(yè)

7、領(lǐng)域有投運(yùn)業(yè)績(jī)、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(yǔ)言有利于縮短編程時(shí)間，因此，工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過(guò)程的特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)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(jià)格比的PLC 和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。綜合了輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)、存儲(chǔ)器容量、各項(xiàng)控制功能和機(jī)型的考慮以及性價(jià)比等各方面的因素，在此我為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇了S7-200 PLC一臺(tái)。 S7-200 PLC CPU的外形模型圖S7-2

8、00有5種CPU 模塊、6個(gè)有12種工作方式的高速計(jì)數(shù)器和兩點(diǎn)高速計(jì)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(jìn)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(qiáng)大的通訊功能，它支持多種通信協(xié)議。價(jià)格是它在所有品牌在同一功能區(qū)內(nèi)很有競(jìng)爭(zhēng)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(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供很好的條件和方便。例如，高速計(jì)數(shù)器可以用來(lái)測(cè)速?gòu)亩鴮?shí)現(xiàn)速度反饋。正確選擇通用型變頻器對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行時(shí)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(jī)械的類型、調(diào)速范圍、速度響應(yīng)和控制精度、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩等要求，充分了解變頻器所驅(qū)動(dòng)負(fù)載特性，決定采用什么功能的

9、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(jì)指標(biāo)上合理。若對(duì)通用變頻器選型、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及使用不當(dāng)，往往會(huì)使通用變頻器不能正常的運(yùn)行、達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，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(zhǎng)期可靠的運(yùn)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(diǎn)： 1控制電機(jī)的啟動(dòng)電流； 2降低電力線路的電壓波動(dòng)； 3啟動(dòng)時(shí)需要的功率更低； 4可控的加速功能； 5可調(diào)的運(yùn)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(yùn)行控制； 10減少機(jī)械傳動(dòng)部件。在本系統(tǒng)中，選用了由西門子生產(chǎn)的通用變頻器

10、MM420。 變頻器MM420 為我們提供了很好的BOP 控制面板具體如下圖： 變頻調(diào)速是通過(guò)改變電機(jī)定子繞組供電的頻率來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的。n=60f(1-s/p對(duì)于成品電機(jī)，其磁極對(duì)數(shù)p 已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率s 變化不大，故電機(jī)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(jī)的同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到異步電機(jī)的調(diào)試目的。變頻器的工作原理是把市電（380V 、50Hz ）通過(guò)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。如果所用的變頻器剛剛出廠的變頻器，則需對(duì)它進(jìn)行快速調(diào)試，試驗(yàn)中用到的變頻器都已經(jīng)完

11、成了快速調(diào)試。 注:（1）設(shè)置參數(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(wèn)擴(kuò)展參數(shù)（3）設(shè)定電機(jī)參數(shù)時(shí)先設(shè)定P0010=1(快速調(diào)試, 電機(jī)參數(shù)設(shè)置完成設(shè)定P0010=0(準(zhǔn)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(gè)數(shù)字為了快速修改參數(shù)的數(shù)值，可以單獨(dú)修改顯示出的每個(gè)數(shù)字，操作步驟如下：1. 按 （功能鍵），最右邊的一個(gè)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(wèn)級(jí)。以下為變頻器的設(shè)置一般方法： 第三章 硬件

12、設(shè)計(jì)以及PLC 編程在沒(méi)有反饋信息的比較，通過(guò)直接給定控制信息的控制調(diào)速系統(tǒng)稱之為開(kāi)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： 開(kāi)環(huán)控制的外部硬件連接圖：系統(tǒng)采用開(kāi)環(huán)控制方式來(lái)控制電機(jī)的調(diào)速，根據(jù)PID 控制的整體思想： 故在編寫程序的時(shí)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(lái)啟動(dòng)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(jìn)行運(yùn)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(jì)是以連續(xù)系統(tǒng)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(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)。典型的PID

13、算法包括3項(xiàng)，比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)。即：輸出比例項(xiàng)積分項(xiàng)微分項(xiàng)。計(jì)算機(jī)在周期性地采樣并離散化后進(jìn)行PID 運(yùn)算，算法如下：Mn=Kc*（SPn-PVn ）+Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn ）+Mx+Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn ） 比例項(xiàng)Kc*（SPn-PVn ）：能及時(shí)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(qiáng)，系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定精度越高，但Kc 過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)的輸出量振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。積分項(xiàng)Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn ）+Mx：與偏差有關(guān)，只要偏差不為0，PID控制的輸出就會(huì)因積分作用而不斷變化，直到偏差消失，系

14、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(dòng)作較慢，給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定帶來(lái)不良影響，很少單獨(dú)使用。積分時(shí)間常數(shù)Ti 增大，積分作用越強(qiáng)，消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減慢。微分項(xiàng)Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn ）：根據(jù)誤差變化的速度（即誤差的微分）進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有超前和預(yù)測(cè)的特點(diǎn)。微分時(shí)間常數(shù)Td 增大時(shí)，超調(diào)量減少，動(dòng)態(tài)性能得到改善，但Td 過(guò)大，系統(tǒng)輸出量在接近穩(wěn)態(tài)時(shí)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(guò)設(shè)置參數(shù)可對(duì)回路進(jìn)行控制類型進(jìn)行選擇。內(nèi)存變量分配表 1、程序地址分配 2、 PI

15、D 指令回路表 以下為開(kāi)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(jì)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)就要把速度信息反饋給輸入。速度的測(cè)量可以通過(guò)光電編碼器和PLC 來(lái)實(shí)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(dá)到30KHz ，共有6個(gè)高速計(jì)數(shù)器（HSC0HSC5）工作模式有12種。在固定時(shí)間間隔內(nèi)采集脈沖差值，通過(guò)計(jì)算既可以獲得電動(dòng)機(jī)的當(dāng)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(kāi)關(guān)每轉(zhuǎn)發(fā)出8個(gè)脈沖，那么就可以得到速度為其中 n =m /(0. 1608 m 為采樣周期內(nèi)接受到的脈沖數(shù)。轉(zhuǎn)速的單位為 r /min 。閉環(huán)控制就是將速度信號(hào)反饋

16、給PLC ，再通過(guò)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(dá)到設(shè)定要求。其結(jié)構(gòu)框圖 硬件連接圖 閉環(huán)的程序設(shè)計(jì)以及源程序 子程序 中斷程序 第四章 實(shí)驗(yàn)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(shí)間Ti 和和微分時(shí)間Td ，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，使系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求。一般可以通過(guò)理論計(jì)算來(lái)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(yàn)法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法。經(jīng)驗(yàn)法又叫現(xiàn)場(chǎng)湊試法，它不需要進(jìn)行事先的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，而是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，利用一組經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，根據(jù)反應(yīng)曲線的效果不斷地改變參數(shù)

17、，對(duì)于溫度控制系統(tǒng)，工程上已經(jīng)有大量的經(jīng)驗(yàn)，其規(guī)律如下表所示： 實(shí)驗(yàn)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(lái)的5080，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)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(shí)間TD=0，逐漸加大TD ，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)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(yùn)行結(jié)果此次

18、是速度的PID 控制，速度具有比較嚴(yán)重的滯后性，所以一般為了增強(qiáng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，比例、積分、微分全投入使用，經(jīng)過(guò)多次參數(shù)設(shè)定比較后，當(dāng)設(shè)定比例系數(shù)P 為10，積分時(shí)間I 為0.15，微分時(shí)間D 為0.01時(shí)，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(huì)通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，讓我受益匪淺。在課程設(shè)計(jì)期間通過(guò)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(shí)。除了學(xué)會(huì)了西門子S7200 的基本知識(shí)，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(duì)PID 控制技術(shù)的理解。在這次課程設(shè)計(jì)中我覺(jué)得最重要的就是要有自學(xué)能力，因?yàn)檫@次實(shí)訓(xùn)中有部分知識(shí)我們之前還沒(méi)有接觸過(guò)，所以自己必須學(xué)會(huì)查找相關(guān)的資料。另外就是在遇到實(shí)際問(wèn)題的時(shí)候，要認(rèn)真思考，運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，一步一步的去探索，是完全可以解決遇到的一般問(wèn)題的。而在這次設(shè)計(jì)程序的過(guò)程中，我一開(kāi)始時(shí)走了很多彎路，這也是自己的知識(shí)不夠扎實(shí)的原因。不過(guò)經(jīng)過(guò)自己幾天的努力，最后還是做了出來(lái)，而且還做得挺不錯(cuò)的。雖然我們?cè)O(shè)計(jì)的東西并不難，但是在設(shè)計(jì)的