基于PLC的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

課程設(shè)計課程名稱基于PLC的變頻調(diào)速限制系統(tǒng)課題名稱專業(yè)班級學(xué)號姓名指導(dǎo)老師2013年9月13設(shè)計內(nèi)容與設(shè)計要求設(shè)計內(nèi)容：1.變頻器的選擇設(shè)計2.PLC的選擇設(shè)計3.基于PLC的變頻器開環(huán)調(diào)速限制系統(tǒng)的設(shè)計4.基于PLC的變頻器模擬量閉環(huán)調(diào)速限制系統(tǒng)的設(shè)計設(shè)計要求：設(shè)計思路清楚，給出整體設(shè)計框圖；單元電路設(shè)計，給出具體設(shè)計思路和電路；分析全部單元電路與總電路的工作原理，繪制限制系統(tǒng)原理圖，PLC的限制程序設(shè)計，寫出設(shè)計報告；主要設(shè)計條件設(shè)計依據(jù)主要參數(shù)西門子變頻器一臺S7-200PLC一臺溝通電動機一臺2.可供應(yīng)試驗說明書格式課程設(shè)計封面；任務(wù)書；說明書書目；PLC、變頻器的選擇及參數(shù)設(shè)置與操作基于PLC的變頻器開環(huán)調(diào)速限制系統(tǒng)的設(shè)計基于PLC的變頻器模擬量閉環(huán)調(diào)速限制系統(tǒng)的設(shè)計試驗調(diào)試，試驗數(shù)據(jù)及分析?？偨Y(jié)與體會；附錄（完整的總電路圖）；參考文獻；10、課程設(shè)計成果評分表進度安排第一周星期一:課題內(nèi)容介紹和查找資料；星期二:總體電路方案確定星期三:主電路設(shè)計星期四:限制電路設(shè)計星期五:限制電路設(shè)計；其次周星期一:限制電路設(shè)計星期二：電路原理及波形分析、試驗調(diào)試及仿真等星期四~五:寫設(shè)計報告，打印相關(guān)圖紙；星期五下午:答辯及資料整理參考文獻1．石玉栗書賢．電力電子技術(shù)題例與電路設(shè)計指導(dǎo)．機械工業(yè)出版社，19982．王兆安黃?。娏﹄娮蛹夹g(shù)（第4版）．機械工業(yè)出版社，20003．浣喜明姚為正．電力電子技術(shù)．高等教化出版社，20004．莫正康．電力電子技術(shù)應(yīng)用（第3版）．機械工業(yè)出版社，20005．鄭瓊林．耿學(xué)文．電力電子電路精選．機械工業(yè)出版社，19966．劉定建朱丹霞．好用晶閘管電路大全．機械工業(yè)出版社，19967．劉祖潤胡俊達．畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)．機械工業(yè)出版社，19958．劉星平．運動限制系統(tǒng)試驗指導(dǎo)書．校內(nèi)，20099.劉星平.THPK-2型工業(yè)綜合自動化限制裝置實訓(xùn)指導(dǎo)書.2009目錄TOC\o"1-3"\h\z\u21228第一章系統(tǒng)的功能設(shè)計分析和總體思路 1221361.1概述 1142511.2系統(tǒng)功能設(shè)計分析 250531.3系統(tǒng)設(shè)計的總體思路 330454其次章PLC和變頻器的型號選擇 4173262.1PLC的型號選擇 492952.2變頻器的選擇和參數(shù)設(shè)置 5287332.2.1變頻器的選擇 5154762.2.2變頻調(diào)速原理 670342.2.3變頻器的工作原理 7308042.2.4變頻器的快速設(shè)置 725910第三章硬件設(shè)計以及PLC編程 91743.1開環(huán)系統(tǒng)硬件設(shè)計 96653.2開環(huán)系統(tǒng)PLC程序 920431第四章基于PLC的變頻器模擬量閉環(huán)調(diào)速限制系統(tǒng)的設(shè)計 14162514.1閉環(huán)系統(tǒng)硬件設(shè)計 14148494.2閉環(huán)系統(tǒng)PLC程序 1516261第五章試驗調(diào)試和數(shù)據(jù)分析 2168225.1PID參數(shù)整定 2195755.2運行結(jié)果 2221283第六章總結(jié)與體會 2314499參考文獻 2429174電氣與信息工程系課程設(shè)計評分表 25第一章系統(tǒng)的功能設(shè)計分析和總體思路1.1概述調(diào)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(xué)探討和生產(chǎn)實踐的諸多領(lǐng)域中調(diào)速系統(tǒng)占有著極為重要的地位特殊是在國防、汽車、冶金、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足輕重的作用。調(diào)速限制系統(tǒng)的工藝過程困難多變，具有不確定性，因此對系統(tǒng)要求更為先進的限制技術(shù)和限制理論。

可編程限制器（PLC）可編程限制器是一種工業(yè)限制計算機，是接著計算機、自動限制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動裝置。它具有抗干擾實力強，價格便宜，牢靠性強，編程簡樸，易學(xué)易用等特點，在工業(yè)領(lǐng)域中深受工程操作人員的喜愛，因此PLC已在工業(yè)限制的各個領(lǐng)域中被廣泛地運用。

目前在限制領(lǐng)域中，雖然逐步采納了電子計算機這個先進技術(shù)工具，特殊是石油化工企業(yè)普遍采納了分散限制系統(tǒng)（DCS）。但就其限制策略而言，占統(tǒng)治地位的照舊是常規(guī)的PID限制。PID結(jié)構(gòu)簡樸、穩(wěn)定性好、工作牢靠、運用中不必弄清系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。PID的運用已經(jīng)有60多年了，有人贊揚它是限制領(lǐng)域的常青樹。變頻調(diào)速已被公認為是最志向、最有發(fā)展前景的調(diào)速方式之一，采納變頻器構(gòu)成變頻調(diào)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(zhì)量、提高設(shè)備自動化程度、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。用戶依據(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)采集與過程限制的專用軟件，它們是在自動限制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，運用敏捷的組態(tài)方式，為用戶供應(yīng)快速構(gòu)建工業(yè)自動限制系統(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(wù)，都是通過編寫程序來實現(xiàn)的。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。對于過去須要幾個月的工作，通過組態(tài)幾天就可以完成。組態(tài)王是海內(nèi)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(lǐng)域被應(yīng)用。1.2系統(tǒng)功能設(shè)計分析隨著電力電子技術(shù)以及限制技術(shù)的發(fā)展，溝通變頻調(diào)速在工業(yè)電機拖動領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用；可編程限制器PLC作為替代繼電器的新型限制裝置，簡潔牢靠，操作便利、通用敏捷、體積小、運用壽命長且功能強大、簡潔運用、牢靠性高，經(jīng)常被用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和設(shè)備的限制；組態(tài)軟件技術(shù)作為用戶可定制功能的軟件開發(fā)平臺工具，可實現(xiàn)顯示電機轉(zhuǎn)速，可實現(xiàn)遠程調(diào)速限制，在PC機上可開發(fā)友好人機界面，通過PLC可以對自動化設(shè)備進行“智能”限制。在此，本次設(shè)計就是基于PLC的變頻器調(diào)速系統(tǒng)。將現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的PLC和變頻器綜合起來主要功能實現(xiàn)了變壓變頻調(diào)速。電機的正反轉(zhuǎn)，加減速以及快速制動等。因此，該系統(tǒng)必需具備以下三個主體部分：限制運算部分、執(zhí)行和反饋部分。限制運算主要由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(shè)計的總體思路系統(tǒng)主要由三個部分構(gòu)成，即可編程邏輯限制器件PLC、變頻器和電機。首先通過設(shè)置給定輸入給PLC，再通過PLC限制變頻器，再經(jīng)由變頻器來限制電機，隨后將電機的轉(zhuǎn)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(diào)速。具體如下圖所示：電機速度閉環(huán)限制的機構(gòu)限制圖電機速度閉環(huán)限制的機構(gòu)限制圖-速度給定速度反饋信號+PLC（PID）變頻調(diào)速系統(tǒng)其次章PLC和變頻器的型號選擇2.1PLC的型號選擇在PLC系統(tǒng)設(shè)計時，首先應(yīng)確定限制方案，下一步工作就是PLC工程設(shè)計選型。工藝流程的特點和應(yīng)用要求是設(shè)計選型的主要依據(jù)。PLC及有關(guān)設(shè)備應(yīng)是集成的、標準的，依據(jù)易于與工業(yè)限制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則選型所選用PLC應(yīng)是在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域有投運業(yè)績、成熟牢靠的系統(tǒng)，PLC的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應(yīng)與裝置規(guī)模和限制要求相適應(yīng)。熟識可編程序限制器、功能表圖及有關(guān)的編程語言有利于縮短編程時間，因此，工程設(shè)計選型和估算時，應(yīng)具體分析工藝過程的特點、限制要求，明確限制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動作，然后依據(jù)限制要求，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(shè)備特性等，最終選擇有較高性能價格比的PLC和設(shè)計相應(yīng)的限制系統(tǒng)。綜合了輸入輸出（I/O）點數(shù)、存儲器容量、各項限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(shè)計選擇了S7-200PLC一臺。圖2-1S7-200PLC外觀圖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(diào)制器、干脆讀寫的模擬量I/O模塊、先進的程序結(jié)構(gòu)、敏捷便利的尋址方式以及程序化的PID編程限制。強大的通訊功能，它支持多種通信協(xié)議。價格是它在全部品牌在同一功能區(qū)內(nèi)很有競爭力的。最重要的是它還供應(yīng)了完善的的網(wǎng)上支持。這些都為實現(xiàn)本系統(tǒng)的設(shè)計供應(yīng)很好的條件和便利。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變頻器的選擇和參數(shù)設(shè)置2.2.1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(guān)重要的，首先要明確運用通用變頻器的目的，依據(jù)生產(chǎn)機械的類型、調(diào)速范圍、速度響應(yīng)和限制精度、啟動轉(zhuǎn)矩等要求，充分了解變頻器所驅(qū)動負載特性，確定采納什么功能的通用變頻器構(gòu)成限制系統(tǒng)，然后確定選用哪種限制方式最合適。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)濟指標上合理。若對通用變頻器選型、系統(tǒng)設(shè)計及運用不當，往往會使通用變頻器不能正常的運行、達不到預(yù)期目標，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期牢靠的運行，變頻器的地線的連接也是特別重要的。在本系統(tǒng)中，選用了由西門子生產(chǎn)的通用變頻器MM420。變頻器MM420為我們供應(yīng)了很好的BOP限制面板。圖2-2變頻器MM420的BOP限制面板及按鍵功能2.2.2變頻調(diào)速原理變頻調(diào)速是通過變更電機定子繞組供電的頻率來達到調(diào)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(zhuǎn)差率s變更不大，故電機的轉(zhuǎn)速n與電源的頻率f成正比，因此變更輸入電源的頻率就可以變更電機的同步轉(zhuǎn)速，進而達到異步電機的調(diào)試目的。2.2.3變頻器的工作原理變頻器的工作原理是把市電（220V、50Hz）通過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溝通電。2.2.4變頻器的快速設(shè)置假如所用的變頻器剛剛出廠的變頻器，則需對它進行快速調(diào)試，試驗中用到的變頻器都已經(jīng)完成了快速調(diào)試。序號變頻器參數(shù)出廠值設(shè)定值功能說明P0304230380電動機的額定電壓(380V)P03053.250.35電動機的額定電流(0.35A)P03070.750.06電動機的額定功率(60W)P031050.0050.00電動機的額定頻率(50Hz)P031101430電動機的額定轉(zhuǎn)速(1430r/min)P100021用操作面板（BOP）限制頻率的升降P108000電動機的最小頻率(0Hz)P10825050.00電動機的最大頻率(50Hz)P11201010斜坡上升時間(10S)P11211010斜坡下降時間(10S)P070022選擇吩咐源（由端子排輸入）P0701110正向點動P07021211反向點動P10585.0030正向點動頻率（30Hz）P10595.0020反向點動頻率（20Hz）P106010.0010點動斜坡上升時間（10S）P106110.005點動斜坡下降時間（5S）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允許訪問擴展參數(shù)（3）設(shè)定電機參數(shù)時先設(shè)定P0010=1(快速調(diào)試),電機參數(shù)設(shè)置完成設(shè)定P0010=0(打算)圖2-2變頻器的快速設(shè)置第三章硬件設(shè)計以及PLC編程3.1開環(huán)系統(tǒng)硬件設(shè)計沒有反饋信息的比較，通過干脆給定限制信息的限制調(diào)速系統(tǒng)稱之為開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。其限制思想的結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：圖3-1開環(huán)調(diào)速限制系統(tǒng)依據(jù)開環(huán)調(diào)速限制系統(tǒng)框圖，連接PLC和變頻器。圖3-2開環(huán)調(diào)速限制系統(tǒng)硬件連接圖3.2開環(huán)系統(tǒng)PLC程序系統(tǒng)采納開環(huán)限制方式來限制電機的調(diào)速，在編寫程序的時候可以分為三部分：主程序、中斷程序和子程序。主程序：主要是用來啟動中斷程序以及限制量的輸入和輸出。中斷程序：調(diào)用PID指令進行運算以及數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換。子程序：設(shè)置PID限制的參數(shù)主程序中斷程序子程序圖3-3開環(huán)調(diào)速限制系統(tǒng)PLC程序第四章基于PLC的變頻器模擬量閉環(huán)調(diào)速限制系統(tǒng)的設(shè)計4.1閉環(huán)系統(tǒng)硬件設(shè)計構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)就要把速度信息反饋給輸入。速度的測量可以通過光電編碼器和PLC來實現(xiàn)。將速度信號反饋給PLC，再通過與給定量比較，輸出給PID限制部分，從而調(diào)整速度使其能達到設(shè)定要求。圖4-1閉環(huán)調(diào)速限制系統(tǒng)依據(jù)閉環(huán)調(diào)速限制系統(tǒng)框圖，連接PLC和變頻器。圖4-2閉環(huán)調(diào)速限制系統(tǒng)硬件連接圖閉環(huán)調(diào)速限制系統(tǒng)采納EM235模擬量擴展模塊，模擬量模塊中的電壓輸入端A+,A-端連接到導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)速輸出端，再將模擬量模塊中的電壓輸入端B+,B-端連接到直流可調(diào)電源的輸出端,作為設(shè)定值。另外二個輸入端的－端連到R端上并且接電源的M端，模擬量輸出端接到變頻器掛箱的AIN+,AIN-腳，此時模擬量輸入滿量程為10V,因此對應(yīng)的辨別率配置開關(guān)為010001。同時PLC的輸出端Q0.0連接變頻器的DN1端。完成閉環(huán)調(diào)速限制系統(tǒng)的硬件連接。4.2閉環(huán)系統(tǒng)PLC程序主程序中斷程序子程序圖4-3閉環(huán)調(diào)速限制系統(tǒng)PLC程序第五章試驗調(diào)試和數(shù)據(jù)分析5.1PID參數(shù)整定PID參數(shù)整定方法就是確定調(diào)整器的比例系數(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足的質(zhì)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(yīng)用最多的還是工程整定法：如閱歷法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法。閱歷法又叫現(xiàn)場湊試法，它不須要進行事先的計算和試驗，而是依據(jù)運行閱歷，利用一組閱歷參數(shù)，依據(jù)反應(yīng)曲線的效果不斷地變更參數(shù)，對于溫度限制系統(tǒng)，工程上已經(jīng)有大量的閱歷，其規(guī)律如下表所示：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20~603~100.5~3試驗湊試法的整定步驟為"先比例，再積分，最終微分"。

1）整定比例限制

將比例限制作用由小變到大，視察各次響應(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)減小為原來的50～80％，再將積分時間置一個較大值，觀測響應(yīng)曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿足的響應(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)先置微分時間TD=0，漸漸加大TD，同時相應(yīng)地變更比例系數(shù)和積分時間，反復(fù)試湊至獲得滿足的限制效果和PID限制參數(shù)。5.2運行結(jié)果此次是速度的PID限制，速度反饋具有比較嚴峻的滯后性，所以一般為了增加系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)，比例、積分、微分全投入運用，經(jīng)過多次參數(shù)設(shè)定比較后，當設(shè)定比例系數(shù)P為10，積分時間I為0.15，微分時間D為0.01時，系統(tǒng)能得到比較滿足的限制效果。給定電壓和速度反饋電壓之間相差在+0.02V以內(nèi)，達到預(yù)期要求。第六章總結(jié)與體會經(jīng)過近兩個星期的努力，我的運動限制課程設(shè)計最終完成了。在這兩周的課程設(shè)計中，我有過不知所措的茫然，有過廢寢忘食的專注，有過無從下手的苦惱，也有過豁然開朗的喜悅。在課程設(shè)計期間通過與同學(xué)們之間的溝通和老師的指導(dǎo)，使自己學(xué)到了不少學(xué)問。進一步熟識和駕馭西門子S7-200的運用技術(shù)，學(xué)習(xí)運用變頻器限制電機運行，并且深化了我對PID限制技術(shù)的理解。首先經(jīng)過這次的運動限制課程設(shè)計我感覺以前學(xué)過的學(xué)問得到了實踐的強化與應(yīng)用，這樣那些學(xué)問在我腦子中就更加影響深刻了。然后因為是設(shè)計類的活動，使得我意識到必須要有特別清楚的思維與謹慎的看法才能做好，還有就是對學(xué)問的駕馭要扎實到位，假如不了解，根本就無法勝利。還有要跟同學(xué)很好的合作才能更快的完成任務(wù)，回頭去看，通過這次運動限制課程設(shè)計，我駕馭了設(shè)計這門課程的基本步驟和方法，應(yīng)當會為將來更高階的設(shè)計打基礎(chǔ)。通過這次課程設(shè)計，我深刻的體會到了實踐和理論的區(qū)分與聯(lián)系，讓我明白怎么樣才能把理論應(yīng)用于實踐，在這次課程設(shè)計中，我得到了熬煉，但是也感覺到了自己的不足。因此，我必