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文檔簡介

摘要隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速開展,可編程控制器〔PLC〕的功能更加的完善,應(yīng)用更為的廣泛,基于PLC的控制系統(tǒng)漸漸成為工業(yè)控制系統(tǒng)的主流。本文對基于PLC的直流電機調(diào)速控制器進行設(shè)計,介紹了直流電動機的PWM控制原理,介紹了PID控制結(jié)構(gòu),PLC的原理及編程。重點討論了應(yīng)用PLC的PID功能指令進行數(shù)據(jù)運算,實現(xiàn)直流電機的PWM調(diào)速控制,并用組態(tài)軟件〔組態(tài)王〕控制直流電機的啟動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速的微調(diào)等功能。關(guān)鍵詞:PLC,調(diào)速,組態(tài)軟件ABSTRACTWiththepowerelectronictechnology,therapiddevelopmentofcomputertechnology,automaticcontroltechnology,thefunctionoftheprogrammablecontroller(PLC)tobemoreperfect,morewidely,basedonPLCcontrolsystemgraduallybecomethemainstreamofindustrialcontrolsystem.Inthispaper,thespeedcontrollerofdcmotorbasedonprogrammablelogiccontroller(PLC)tocarryonthedesign,introducestheprincipleofPWMcontrolofdcmotor,PIDcontrolstructureispresentedinthispaper,theprincipleofPLCandprogramming.FocusesontheapplicationofPLCPIDinstructionindataoperation,realizePWMspeedregulationofdcmotorcontrol,andconfigurationsoftwarekingview)controlofdcmotorstart,stop,forward,reverse,speedoffine-tuningetc.Function.Keywords:PLC,speedcontrol,configurationsoftware目錄1.緒論-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------11.1文獻綜述----------------------------------------------------------------------------------------------------------11.2選題背景及其意義-------------------------------------------------------22系統(tǒng)方案設(shè)計-----------------------------------------------------------32.1直流PWM的選擇及設(shè)計思路-----------------------------------------------32.2PWM在直流調(diào)速系統(tǒng)中的表達---------------------------------------------42.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計----------------------------------------------------------52.4系統(tǒng)控制方案設(shè)計-------------------------------------------------------73.系統(tǒng)硬件設(shè)計----------------------------------------------------------93.1系統(tǒng)設(shè)備的選型--------------------------------------------------------94.參數(shù)的計算-----------------------------------------------------------114.1電動機額定參數(shù)-------------------------------------------------------114.3轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)------------------------------------------------------------114.3電流環(huán)參數(shù)-----------------------------------------------------------12系統(tǒng)軟件設(shè)計---------------------------------------------------------145.1程序流程圖設(shè)計-------------------------------------------------------145.2PLC硬件配置----------------------------------------------------------155.3PLC程序設(shè)計----------------------------------------------------------175.4主程序設(shè)計-----------------------------------------------------------176.調(diào)試------------------------------------------------------------------266.1組態(tài)系統(tǒng)設(shè)計---------------------------------------------------------266.2監(jiān)控實時曲線的建立及監(jiān)控---------------------------------------------307.結(jié)論------------------------------------------------------------------32參考文獻----------------------------------------------------------------33致謝--------------------------------------------------------------------34附錄A原理圖-----------------------------------------------------------35附錄B組態(tài)界面--------------------------------------------------------36附錄CPLC程序----------------------------------------------------------381緒論1.1文獻綜述因為直流電動機具有優(yōu)良的起制動的性能,宜于在廣泛的調(diào)速范圍內(nèi)平滑調(diào)速,在軋鋼機、礦井卷機、挖掘機、金屬切削機床、造紙機、和高層電梯等,這些需要用到高性能的可控硅電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[1],近些年來,交流的調(diào)速系統(tǒng)開展的很快,而直流拖動控制系統(tǒng),它在時間上和在理論上都已經(jīng)比擬成熟,而且我們從反響的閉環(huán)控制的角度上來看,它是交流拖動系統(tǒng)中應(yīng)用的根底,很長一段時間以來,因為直流調(diào)速拖動系統(tǒng)的性能指標(biāo)較優(yōu)于交流調(diào)速系統(tǒng),所以,直流調(diào)速系統(tǒng)始終在調(diào)速系統(tǒng)的領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)著重要位置[2]。1957年,晶閘管被創(chuàng)造出來,然而到了20世紀的60年代,人們已經(jīng)產(chǎn)生出了成套的晶閘管整流裝置,這使變流技術(shù)發(fā)生了徹底性的變革[3],從開始的晶閘管時代到今天,晶閘管---電動機的調(diào)速系統(tǒng)成為了直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式,V---M系統(tǒng)中的V是晶閘管可控硅整流器,它可以是三相,單相或更多相數(shù),全波,半波,全控,半控等類型[4],我們可以通過調(diào)節(jié)觸發(fā)器裝置GT的電壓來實現(xiàn)移動觸發(fā)脈沖的相位,它即可以改變整流電壓Ud,從而實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)變流機組拖動變流裝置和平滑調(diào)速相比,晶閘管整流裝置不僅僅在可靠性和經(jīng)濟性上都有了較大的提升,并且在技術(shù)性能上也有了自己較大的優(yōu)越性,晶閘管可控整流器有104以上的功率放大倍數(shù),而且它的門極電流也可以直接用晶體三極管來開展,不再像當(dāng)初的直流發(fā)電機,需要使用功率比擬大的放大裝置,對于開展作用的快速性,變流機組是秒級,而晶閘管的整流器是毫秒級,這將會很大的提高系統(tǒng)的動態(tài)性能[5],直流電動機由于它可以簡便的通過調(diào)節(jié)勵磁電流和電樞電壓來實現(xiàn)直流電機的調(diào)速從而得到了普遍的應(yīng)用,它可以調(diào)節(jié)電樞串聯(lián)電阻從而使電樞上的電壓改變,這就是最典型的直流電機的調(diào)速方法[6]。在20世紀80年代,把晶閘管當(dāng)作功率開關(guān)器件的斬波調(diào)速器,因為它的高效、節(jié)能、無級而得到了普遍的推廣,但是晶閘管的斬波調(diào)速器也有它的缺乏之處,那就是一旦觸發(fā)晶閘管,它的關(guān)斷必須依賴換流電感和電流電容振蕩產(chǎn)生出反壓來實現(xiàn),電感和換流電容增加了裝置的本錢,同時也相對增加了換流的損耗;電源電壓下降也會使換流失敗,降低了系統(tǒng)的可靠性[7];此外,由于晶閘管的關(guān)、開時間相對的長,而且加上存在換流環(huán)節(jié),使斬波器的工作頻率不能太高(一般在300Hz以下),使得直流電機上的電流脈動和力矩脈動比擬嚴重[8]。于是在20世紀90年代創(chuàng)造了以IGBT為典型,具有自關(guān)斷能力的同時也可以在高速下工作的功率器件作為開關(guān)元件的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)成為了更為高級的直流電機調(diào)速方案[9]。然而PLC可編程控制器的創(chuàng)造,因為它的易學(xué)易用、維護方便、可靠性高、通用性強、抗干擾能力強等優(yōu)點[10]。工業(yè)控制中也得到了普遍的應(yīng)用[11]。跟隨工業(yè)開展的腳步,控制系統(tǒng)規(guī)模將會越來越巨大,人們?yōu)榱藢崟r地、方便地檢測全部系統(tǒng)的運行情況,工業(yè)組態(tài)技術(shù)從中孕育而生。國內(nèi)的組態(tài)軟件有KingView、ameView、MCGSF等[12]。而且作為工業(yè)組態(tài)監(jiān)控軟件之一的組態(tài)王是本文中實行檢測監(jiān)控的重要工具。PLC技術(shù)和組態(tài)監(jiān)控技術(shù)在自動化、機電專業(yè)都是占有重要地位的專業(yè)技術(shù)[13]。本設(shè)計方案是在原系統(tǒng)根底上,采用PLC作為控制器,利用PLC的PID回路指令進行數(shù)據(jù)運算,并經(jīng)PLC的高速脈沖輸出口輸出占空比可變的脈沖信號,實現(xiàn)直流電機的PWM調(diào)速控制,并結(jié)合國產(chǎn)組態(tài)軟件組態(tài)王,完成直流電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、微調(diào)等功能。1.2選題背景及其意義在現(xiàn)代工業(yè)中,為了滿足各種生產(chǎn)中工藝的要求,我們需要使用多種多樣的生產(chǎn)加工機械,這些生產(chǎn)加工機械覺大多采用的是電動機拖動。大多數(shù)生產(chǎn)加工機械是將它的電能轉(zhuǎn)換成為機械能,以機械運動的方式來滿足各種工藝加工運行的要求[10]。隨著工業(yè)技術(shù)的不停革新和開展,各種各樣的生產(chǎn)機械可以根據(jù)它的工藝加工特點,對拖動的電動機和生產(chǎn)機械也同時不停的提出了各種各樣的要求,有些需要電動機能夠迅速的啟動、停止、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn);有些那么需要實現(xiàn)多臺電動機的轉(zhuǎn)速依照一定的比例協(xié)調(diào)的運動;有些需要電動機可以很慢的穩(wěn)速運動;有些更是需要電動機啟動、停止平穩(wěn),并且能夠準(zhǔn)確地停止在指定的位置上。上面這些不同的工業(yè)需求,都是依靠機械傳動裝置和電動機及其控制系統(tǒng)實現(xiàn)的。從而我們可以發(fā)現(xiàn)各種拖動系統(tǒng)都是依靠對轉(zhuǎn)速的改變來實現(xiàn)的,因為直流電動機具有良好的起動、停止性能,可以方便的在大范圍內(nèi)平穩(wěn)調(diào)速的優(yōu)點,所以被普遍的使用在快速正方向的電力拖動或需要調(diào)速的領(lǐng)域中。因此研究直流電動機的調(diào)速控制系統(tǒng)具有非常重大的意義[12]。目前,在直流電動機的調(diào)速控制系統(tǒng)中,微處理器的控制系統(tǒng)普遍采用以或單片機,由于DSP或單片機控制電動時機占用較多的端口資源、而且需要的周邊元器件也比擬多,對于整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性有比擬大的影響。PLC作為一種工業(yè)控制中使用的裝置,是因為它的可靠性高和抗干擾能力強而著稱,經(jīng)過可編程控制器的迅猛開展,它的性價比也隨著它的迅猛開展不斷的提高[13],本文利用PLC對直流電動機進行PWM調(diào)速控制,以提高直流調(diào)速系統(tǒng)的控制性能。為實現(xiàn)直流電動機的控制提出了一種新的有效的方法。2系統(tǒng)方案設(shè)計2.1直流PWM的選擇及設(shè)計思路PWM的直流調(diào)速是我們大三的時候?qū)W習(xí)的一門電力拖動自控控制系統(tǒng)-----運動控制系統(tǒng)的專業(yè)課,通過這門課讓我對PWM的直流調(diào)速系統(tǒng)有了一定的了解和認識,所以本次PWM的選擇和一些想法都是通過這本書及圖書館的一些資料設(shè)想而出的。2.1.1直流PWM的選擇PWM變換器電路有多種形式,主要分為不可逆與可逆兩大類,還有一種帶制動電流通路的不可逆PWM--直流電動機系統(tǒng),其電流能夠反向。由于本設(shè)計需要對直流電機經(jīng)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的控制,所以我決定選擇可逆的雙極性橋式〔H形〕的PWM。如圖2-1給出了橋式可逆PWM的變換器電路MMV1V3V2V4VD1VD2VD3VD4U+_圖2-1橋式可逆PWM的變換器電路從圖2-1可以看出,電樞電流沿對角回路流通〔比方:VD1-------->VD4〕,反之依然,在一個周期內(nèi)具有正負相間的脈沖波形,這便是雙極式的由來。2.1.2PWM在硬件設(shè)計中的應(yīng)用表達通過對資料的理解,下面我用公式說明一下:雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為〔2-1〕假設(shè)占空比和電壓系數(shù)的定義與不可逆變換其中相同,那么在雙極式控制的可逆變換器中的和的關(guān)系就不一樣了調(diào)速時,我們知道的可調(diào)范圍為0~1,相應(yīng)的,=-1~1,當(dāng)時,為正,電動機正轉(zhuǎn);反之,當(dāng)時,為負,電動機反轉(zhuǎn);當(dāng)時,=0,電動機停止。這里,我們可以看出通過調(diào)節(jié)PWM的占空比我們就可以實現(xiàn)對直流電機的調(diào)速了,具體的硬件設(shè)計下一節(jié)會具體講到。2.2PWM在直流調(diào)速系統(tǒng)中的表達由GTR構(gòu)成的脈寬調(diào)速系統(tǒng)的組成如下列圖2-2,其中GM為三角波振蕩器,F(xiàn)A為瞬時動作的限流保護環(huán)節(jié),PWM為脈寬調(diào)制變換器,GD為基極驅(qū)動器,UPW為脈寬調(diào)制器。測速發(fā)電機TG測量電動機M的轉(zhuǎn)速n,速度給定電壓Un*與速度反響信號Un同時附加在速度調(diào)節(jié)器ASR的輸入端,構(gòu)成雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的速度外環(huán)。電流傳感器TA檢測直流電動機的電樞電流Ia,其速度調(diào)節(jié)器輸出電壓Ui*與輸出電壓Ui同時附加到電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入端,構(gòu)成雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的電流環(huán),為內(nèi)環(huán)。圖2-2脈寬調(diào)速系統(tǒng)的組成2.2.1脈寬調(diào)制器這個是最關(guān)鍵的一個部件,它是把輸入的直流控制的信號轉(zhuǎn)換成與它成比例的方波電壓額信號,從而獲得期望的方波輸出電壓。實現(xiàn)上面擁有電壓---脈寬變換功能的環(huán)節(jié)稱為脈沖寬度調(diào)制器,簡稱為脈寬調(diào)制器。圖2-3脈寬調(diào)制器圖2-3為脈寬調(diào)制器的原理圖,它是一個電壓---脈寬的變換電路,它由電流環(huán)ACR輸出的控制電壓Uc進行控制,它輸出的電壓的脈沖寬度與控制電壓Uc成正比。運算放大器A3在開環(huán)狀態(tài)工作,它的主要功能是能輸出正和負的飽和電壓。運算放大器A3的輸入端有三個信號,除了Uc之外,還有偏移電壓Ub和調(diào)制信號Ua??刂齐妷篣c的幅值與極性隨時都可以改變,通過與Uo2的相減,在運算放大器A3的輸出端獲得脈沖寬度可變、周期不變的調(diào)制輸出電壓Upwm。在Uc=0時,電壓比擬器的輸出端可以獲得正、負半周期脈沖寬度相等的調(diào)制輸出電壓Upwm;另一個輸入信號端是加一個負的偏移電壓Ub,它的值為(2-2)當(dāng)Uc>0時,讓其輸入端合成的電壓為正的寬度增大,即鋸齒波過零的時間提前,經(jīng)過比擬器的倒相后,可以在輸出端獲得正半波相比擬負半波窄些的調(diào)制輸出電壓。當(dāng)Uc<0時,讓其輸入端合成的電壓為正的寬度減小,鋸齒波過零時間后移倒相,可以獲得正半波相比擬負半波寬的輸出信號。2.3系統(tǒng)控制方案設(shè)計2.3.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-4所示系統(tǒng)分為上位機和下位機兩大單元。上位機以組態(tài)王KINGVIEW工業(yè)組態(tài)軟件搭建上位機監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)對直流電機參數(shù)進行檢測以及參數(shù)設(shè)置等操作。下位機以西門子S7-300系列PLC作為現(xiàn)場控制器,并通過PLCS7-300里自帶的PID功能輸出模擬量給脈寬調(diào)制器,在通過IGBT驅(qū)動給四個IGBT管子提供寬度不等的脈沖,最終是實現(xiàn)對直流電機的調(diào)速控制。圖2-4控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計本設(shè)計以直流電機調(diào)速為研究對象其結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。本設(shè)計為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)反響控制的直流調(diào)速系統(tǒng),通過給可編程控制器PLCS7-300的模擬量輸入,再通過第一級的的6個二極管組成的整流器,常采用不可控整流,把提供的交流電整流成直流電;中間局部加上大電容濾波得到穩(wěn)定的直流電壓,在通過4個全控器件,采用PWM調(diào)速的方式給直流電機供電,占空比0~0.5時電機反轉(zhuǎn),0.5~1時電機正轉(zhuǎn)。圖2-5直流電機調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.3.4直流電機的轉(zhuǎn)速控制直流電機的轉(zhuǎn)速控制通過PID控制實現(xiàn),通過調(diào)節(jié)PLC中自帶的FB41模塊中的PID給定值和比例增益,再通過LMN輸出浮點格式的PID輸出值。如圖2-6為直流電機的轉(zhuǎn)速控制模塊的示意圖。OB35中電流的FB41模塊調(diào)用OB100中的SP_INT值、GAIN和Ti值,經(jīng)過自帶的PID算法,得出結(jié)果,然后把電流FB41模塊的輸出與轉(zhuǎn)速FB41的輸入連接,給轉(zhuǎn)速FB41的SP_INT,然后轉(zhuǎn)速FB41模塊繼續(xù)調(diào)用OB100中的GAIN和Ti值,最后得出0~10V的電壓值。圖2-6直流電機的轉(zhuǎn)速控制的模塊示意圖3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)設(shè)備的選型3.1.1PLC的選擇從結(jié)構(gòu)上分,PLC分為固定式和組合式(模塊式)兩種。固定式PLC包括CPU板、I/0板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等,這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、地板或機架,這些模塊也可以依照一定的規(guī)那么組合配置。下面說明一下PLC可編程控制器系統(tǒng)的四個主要的局部:〔1〕中央處理器(CPU)。這個是系統(tǒng)的大腦,對輸入信號的不斷采集,執(zhí)行用戶輸入的程序,對系統(tǒng)的輸出經(jīng)行刷新,包括3個子局部:(1)微處理器。它是進行邏輯操作和數(shù)學(xué)的計算中心。(2)存儲器。CPU中信息、數(shù)據(jù)獲取和存儲的地方,保存著用戶程序和系統(tǒng)軟件。(3)電源供給。將交流電(AC)轉(zhuǎn)換成為直流電(DC)。在電源供給的過程中,電源提供對直流電進行調(diào)節(jié)和濾波,用來保證計算機的正常操作運行?!?〕監(jiān)視器/編程器。監(jiān)視器/編程器是用來和PLC電路進行互聯(lián)通信的設(shè)備。工業(yè)終端、PC和手持終端都可以當(dāng)作監(jiān)視器/編程器。〔3〕I/0模塊。輸入模塊里有很多輸入端子,傳感器可以通過這些輸入端子來激活各種靜態(tài)開關(guān)設(shè)備、電機、執(zhí)行繼電器、電磁線圈和顯示屏。如果用戶有需要,還可以增加能夠?qū)/0模塊進行遠距離互聯(lián)的電子系統(tǒng)。3.1.2脈寬調(diào)制器的選型它主要由基準(zhǔn)電壓調(diào)整器、震蕩器電路構(gòu)成。在本設(shè)計中,脈寬調(diào)制器SG3525主要是從PLC中接收FB41中的PID運算結(jié)果〔0~10V〕的電壓,經(jīng)過與鋸齒波比擬然后輸出寬度不等的脈沖,在通過IGBT的驅(qū)動電路,給硬件圖中的4個IGBT管子脈沖,來實現(xiàn)對直流電機的控制的。輸入信號從9號腳COMP輸入,然后從11號腳輸入PWM脈沖信號。3.1.3IGBT驅(qū)動器脈寬調(diào)制器的后面連接一個IGBT驅(qū)動器,他的功能就是給四個IGBT的管子驅(qū)動脈沖,提供適當(dāng)?shù)恼驏艍汉头聪驏艍?。市場上普遍的?qū)動器為日本富士的WXB841,日本英達HR065,日本三菱M57959~57962L,中國西安HL402,美國UC3724~3725。如圖3-1為本次設(shè)計中選用的美國UC3724驅(qū)動器,從驅(qū)動電路中我們可以看到7號腳輸入信號,4和6號腳那么輸出驅(qū)動信號。圖3-1美國UC3724驅(qū)動電路3.1.4其他設(shè)備的選型本次設(shè)計應(yīng)用到了很多硬件,通過從直流電機的參數(shù)向上推算,并考察電工手冊里的元器件參數(shù),我選用了一下一些硬件。如表3-1所示。表3-1設(shè)備選型及參數(shù)表設(shè)備型號、參數(shù)數(shù)量直流電機2.2KW220V1脈寬調(diào)制器SG35251二極管SR51012IGBT模塊PS21867-P/-AP30A/600V1西門子PLCS7-3001IGBT驅(qū)動器UC3724~3725輸出高電平15V輸出低電平0V14參數(shù)的計算4.1電機額定參數(shù)額定功率;額定電壓;額定電流;額定轉(zhuǎn)速;電樞電阻;電樞電感;轉(zhuǎn)動慣量4.2電流環(huán)參數(shù)計算從穩(wěn)態(tài)要求上看,希望電流無靜差,以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性,又前述動態(tài)分析過程可知,=1\*ROMANI型系統(tǒng)可以滿足要求。從動態(tài)角度看,不允許電流有太大超調(diào),以保證電流不超過最大允許值。綜上,可將電流環(huán)設(shè)計成典型=1\*ROMANI型系統(tǒng)。采用PI調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)可寫成:〔4-1〕其中,是電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)是電流調(diào)節(jié)器的時間常數(shù)電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為:〔4-2〕因為,故,可令,以消去較大的滯后時間常數(shù)。這樣便可將電流環(huán)校正成了典型=1\*ROMANI型系統(tǒng)。,因此〔4-3〕其中,要求電流超調(diào)量,查表可知,綜上:校驗:校驗晶閘管整流傳遞函數(shù)的近視條件校驗忽略反電動勢變化對電流影響的條件校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件綜上,近似處理的條件均滿足。電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為電流調(diào)節(jié)器ACR的傳遞函數(shù)為4.3轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)計算由于負載的波動,為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差在負載擾動前必須有一個積分環(huán)節(jié),加上后面的一個積分環(huán)節(jié),轉(zhuǎn)速環(huán)共有兩個積分環(huán)節(jié)。故這里將轉(zhuǎn)速換校正成典型=2\*ROMANII型系統(tǒng)。為了限制超調(diào),可以將ASR設(shè)計成限幅型PI調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為:〔4-4〕其中,是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的時間常數(shù)。這樣,調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:〔4-5〕其中,s令那么,同時按照典型=2\*ROMANII型系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系有其中,h為中頻寬〔這里取5〕。校驗:轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件綜上,所有近似處理的條件均滿足。轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為5系統(tǒng)軟件設(shè)計5.1程序流程圖設(shè)計如圖5-1,摁下啟動按鈕后,系統(tǒng)開始運行,轉(zhuǎn)速給定后,經(jīng)過與實際轉(zhuǎn)速的比擬,相同那么顯示在組態(tài)王的監(jiān)控畫面中,否那么按照實際要求轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)IGBT的占空比來到達理想的控制要求。圖5-1程序流程圖5.2PLC硬件配置5.2.1PLC硬件組態(tài)配置PLC硬件組態(tài)是完成PLC主機對外擴展模塊的信息配置,如圖5-2所示,首先通過硬件組態(tài)右側(cè)樹狀窗口對首先添加“UR〞機架(導(dǎo)軌)按如圖順序添加模塊,本系統(tǒng)以經(jīng)濟廉價的S7314C-2DP主機為CPU。圖5-2硬件配置信息5.2.2PLC控制電路PLC控制電路由數(shù)字量和模擬量構(gòu)成,如圖5-3所示。數(shù)字量包括啟動按鈕輸入、停止按鈕輸入等,模擬量包括轉(zhuǎn)速反響輸入、電流反響輸入和模擬量輸入〔0~10V)的電壓。圖5-3PLC控制電路接線圖(數(shù)字輸入及模擬量輸入輸出)5.2.3PLC地址分配表表5-1數(shù)字量、模擬量的輸入輸出輸入注釋輸出注釋I0.0電動機啟動PQW752輸出0~10V的電壓I0.1電動機停止I0.2FC105與FC106中模擬量采集極性I0.3FB41中過程變量設(shè)置PIW752轉(zhuǎn)速反響續(xù)表5-1PIW754電流反響PIW756轉(zhuǎn)速給定5.3PLC程序設(shè)計本系統(tǒng)程序局部共分為6個單元分別為:主程序(OB1)、常用功能模塊(FC105)、PID調(diào)節(jié)組織塊(OB35)、初始化程序(OB100)、PID系統(tǒng)塊(FB41)、背景數(shù)據(jù)〔DB1〕構(gòu)成。SETP7程序塊如圖5-4所示。圖5-4PLC程序塊5.4主程序設(shè)計5.4.1啟動停止程序Network1中為簡單的啟動停止按鈕,SB1啟動按鈕摁下后,電動機開始運轉(zhuǎn),SB2停止按鈕摁下后,電動機停止。圖5-5啟動停止5.4.2FC105功能介紹及程序中的應(yīng)用SCALE接受一個整型值(IN),并將它轉(zhuǎn)換成為在上限和下限(HI_LIM和LO_LIM)之間的實型值,并且以工程單位表示的。在中OUT將結(jié)果寫入。SCALE的功能可以參考以下等式:OUT=[((FLOAT(IN)-K1)/(K2-1))*(HI_LIM-O_LIM)]+LO_LIM常數(shù)K2和K1根據(jù)輸入值,設(shè)置成UNIPOLAR或者BIPOLAR。UNIPOLAR:假定輸入的整型值在0和27648兩數(shù)之間,那么K2=+27648.0,K1=0.0BIPOLAR:假定輸入的整型值在7648與27648兩數(shù)之間,那么K2=+27648.0,K1=-7648.0如果輸入的整型值大于K2,輸出(OUT)將鉗位于HI_LIM,并且返回錯誤〔1個〕。如果輸入的整型值小于K1,那么輸出將鉗位于LO_LIM,并返回錯誤〔1個〕。通過設(shè)置LO_LIM>HI_LIM即可得到反向的標(biāo)定。當(dāng)反向轉(zhuǎn)換被使用時,輸入值增加的同時輸出值將減小。表5-2為FC105參數(shù)參數(shù)說明數(shù)據(jù)類型存儲區(qū)描述EN輸入BOOLQ、D、L、I、M使能的輸入端,信號狀態(tài)為1時就會激活該功能ENO輸出BOOLQ、D、L、I、M如果沒有錯誤的執(zhí)行該功能時,這個使能的輸出端信號狀態(tài)為1IN輸入INTQ、D、L、I、M、P、常數(shù)想要轉(zhuǎn)換為實型值的輸入值〔以工程單位表示〕續(xù)表5-2HI_LIM輸入REALQ、D、L、I、M、P、常數(shù)上限值〔以工程單位表示的〕LO_LIM輸入REALQ、D、L、I、M、P、常數(shù)下限值〔以工程單位表示的〕BIPOLAR輸入BOOLQ、D、L、I、M輸入值為雙極性〔當(dāng)信號狀態(tài)為1時〕。反之輸入值為單極性。OUT輸出REALQ、D、L、I、M轉(zhuǎn)換的結(jié)果RET_VAL輸出WORDQ、D、L、I、M、P如果執(zhí)行該指令時沒有發(fā)生錯誤,將返回值W#16#0000。對于W#16#0000以外的其它值,參見"錯誤信息"。

錯誤信息如果輸入整型值大于K2,輸出(OUT)將鉗位于HI_LIM,并返回一個錯誤。如果輸入整型值小于K1,輸出將鉗位于LO_LIM,并返回一個錯誤。ENO的信號狀態(tài)將設(shè)置為0,RET_VAL等于W#16#0008輸入地址PIW752,轉(zhuǎn)速上下限值0~1500r/min,輸出MD20,將轉(zhuǎn)速標(biāo)定成浮點格式后送到過程變量中去。下面取OB1里的Network1作為例子,如圖5-6。圖5-6FC1055.4.3PID程序設(shè)計本次畢業(yè)設(shè)計通過PID控制反響電壓,通過調(diào)節(jié)PWM的占空比來實現(xiàn)對電機的正反轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),系統(tǒng)通過OB35組織塊實現(xiàn)每100毫秒執(zhí)行一次。PID功能的實現(xiàn)通過系統(tǒng)塊FB41實現(xiàn),F(xiàn)B41為連續(xù)控制的PID功能塊,用于連續(xù)變化的模擬量的控制,F(xiàn)B42與FB41的區(qū)別在于前者是離散型的,用于控制開關(guān)量,其他二者的許多參數(shù)和使用方法都相似或相同。FB41的數(shù)據(jù)接口如下:表5-3FB41功能塊輸入接口輸入類型功能COM_RSTBOOLPID的重新啟動:PID執(zhí)行重啟動的功能〔當(dāng)該位為TURE時〕,PID內(nèi)部的參數(shù)被復(fù)位到原先的默認值;通常在重啟動系統(tǒng)時執(zhí)行掃描周期一次,對于進入飽和狀態(tài)時的PID如有需要,那么退出時用這個位;MAN_ONBOOL手動值為ON時;將MAN的值通過PID功能塊直接輸出到LMN,PID框圖中可以看到;可以說,這個位是PID的自動/手動的切換位;PEPER_ONBOOLON〔過程變量外圍值〕:過程變量即反響量,可以使用規(guī)格化后的PIW值〔常用〕,因此,這個位設(shè)為FALSE;P_SELBOOL選擇位〔比例〕:該位ON時,選擇P〔比例〕控制有效;一般選擇為有效;續(xù)表5-3I_SELBOOL選擇位〔積分〕:該位ON時,選擇I〔積分〕控制有效;一般選擇為有效;INT_HOLDBOOL積分保持,不用對它經(jīng)行設(shè)置;I_ITL_ONBOOL積分初值有效,積分初值〔I-ITLVAL〕變量和這個位對應(yīng),當(dāng)此位ON時,那么使用變量積分初值〔I-ITLVAL〕。一般發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)反響不夠或PID功能的積分值增長比擬慢時可以考慮應(yīng)用積分初值D_SELBOOL選擇位(微分),該位為ON時,選擇D〔微分〕控制有效;一般的控制系統(tǒng)不用;CYCLETIMEPID的采樣周期,一般設(shè)為200MS;SP_INTREALPID〔給定值〕;PV_INREALPID的反響值〔也稱過程變量〕;PV_PERBOOL未經(jīng)規(guī)格化的反響值,由PEPER-ON選擇有效;〔不推薦〕MANBOOL手動值,當(dāng)MAN-ON時選擇有效;GAINREAL比例增益;TITIME積分時間;TDTIME微分時間;DEADB_WREAL死區(qū)寬度;用死區(qū)來降低靈敏度的話,輸出在平衡點附近就不會產(chǎn)生微小幅度的振蕩;LMN_HLMREALPID上極限,一般是100%;LMN_LLMREALPID下極限;一般為0%,如果需要雙極性調(diào)節(jié),那么需設(shè)置為-100%;PV_FACREAL比例因子〔過程變量〕PV_OFFREAL偏置值〔過程變量〕〔OFFSET〕LMN_FACREAL比例因子〔PID輸出值〕;LMN_OFFREAL偏置值〔PID輸出值〕〔OFFSET〕;I_ITLVALREAL積分初值〔PID〕;當(dāng)I-ITL-ON選擇時有效;DISVREAL擾動量〔允許〕,參加前饋的控制,通常不設(shè)置;表5-4FB41功能塊輸出接口輸出類型功能LMNREAL輸出〔PID〕;LMN_PREALPID輸出中P的分量;〔可用于在調(diào)試過程中觀察效果〕LMN_IREALPID輸出中I的分量;〔可用于在調(diào)試過程中觀察效果〕LMN_DREALPID輸出中D的分量;〔可用于在調(diào)試過程中觀察效果〕圖5-7FB41內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5-7所示為FB41系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊的內(nèi)部結(jié)果框架。FB41的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不使用的默認功能關(guān)閉,本課題只使用FB41的根本功能。圖5-8、5-9為本次設(shè)計OB35中調(diào)用FB41的程序。SP_INT為OB100中傳輸?shù)腗D32中的值,PV_IN為反響量通過MD20存放器將已經(jīng)轉(zhuǎn)換好的浮點數(shù)傳送進FB41進行偏差計算,GAIN、TI、TD分別為P、I、D的值。LMN將經(jīng)過PID整定的數(shù)值傳送至MD26存放器中。圖5-8轉(zhuǎn)速換FB41程序圖5-9電流環(huán)FB41程序圖5-10為輸出功能程序塊,將結(jié)果模擬量輸出圖5-10模擬量輸出6調(diào)試6.1組態(tài)系統(tǒng)設(shè)計6.1.1組態(tài)軟件的選擇組態(tài)監(jiān)控軟件是擁有專業(yè)性的一款軟件。組態(tài)軟件〔每種不同的的軟件〕只能使用于某種或者一種領(lǐng)域中的使用。組態(tài)的概念最開始萌芽于工業(yè)用中的計算機控制系統(tǒng)當(dāng)中,如:PLC〔可編程控制器〕梯形圖組態(tài)、人機界面生成的軟件;DCS(集散控制系統(tǒng)〕組態(tài)就叫工控的組態(tài)軟件。當(dāng)然,在別的行業(yè)當(dāng)中也存在組態(tài)的概念,如PhotoShop,AutoCAD等。他們的區(qū)別在于,組態(tài)結(jié)果〔被用于工業(yè)控制中所形成的〕是用在實時的監(jiān)控當(dāng)中的,外表上,組態(tài)監(jiān)控軟件工具的執(zhí)行程序就是執(zhí)行自己被設(shè)定的特定任務(wù)。工控的組態(tài)軟件同時也向我們提供了一些編程手段,一般都是內(nèi)置編譯系統(tǒng),也支持VB,有的也提供類BASIC的語言,而且現(xiàn)在有些組態(tài)監(jiān)控軟件甚至還支持C語言的編譯,本次設(shè)計因為其分布式存儲報警,設(shè)備集成能力強,可視化操作界面,歷史數(shù)據(jù)和能夠自動建立I/O點,可以與大多數(shù)系統(tǒng)和設(shè)備互聯(lián)等特點,所以我們選擇組態(tài)王軟件。下面是我們使用組態(tài)王實現(xiàn)控制系統(tǒng)實驗仿真的根本方法:(1)構(gòu)造圖形的數(shù)據(jù)庫(2)圖形界面硬件的設(shè)計(3)與變量的互聯(lián)和動畫的連接的簡歷(4)運行然后調(diào)試當(dāng)我們使用組態(tài)王軟件開發(fā)監(jiān)控時,組態(tài)王軟件具有以下幾個特點:(1)可以用組態(tài)王軟件來實現(xiàn)我們所做的全部實驗,我們只要通過已經(jīng)有的計算機就可以完成自動控制系統(tǒng)的所有實驗,從而讓我們很大程度上減少了購置儀器的錢。(2)組態(tài)王軟件監(jiān)控系統(tǒng)是亞控公司的產(chǎn)品,里面提供中文界面,具有結(jié)果可視化、人機界面的環(huán)境十分友好等特點。對于我們這種學(xué)生用戶而言,它的容易學(xué)而且操作簡單,并且編程也十分簡單,修改的時候很靈活與還可以輸入?yún)?shù),可以重復(fù)或?qū)掖畏抡孢\行,同時實時的插入實時曲線的控件來顯示當(dāng)前參數(shù)下的曲線圖,這些很強大的功能使組態(tài)王6.55監(jiān)控軟件在自動控制的系統(tǒng)實驗中能夠發(fā)揮出理想的成果。在采用組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)編寫應(yīng)用程序的過程中我們還要考慮下面的三個方面:(1)圖形,我們是用組態(tài)王里面自帶的圖形畫面,從而來模擬仿真真實工業(yè)現(xiàn)場中和相對應(yīng)的工業(yè)控制設(shè)備。(2)數(shù)據(jù),在組態(tài)王數(shù)據(jù)庫里新建數(shù)據(jù)變量,并且用來對應(yīng)所畫畫面的各種硬件設(shè)備(3)連接,就是變量與畫面中硬件的互聯(lián),以及怎樣讓我們可以在控制設(shè)備的同時時輸入指令和改變參數(shù)。6.1.2設(shè)備管理本設(shè)計組態(tài)王通過上位機和PLC建立通訊連接,經(jīng)過對設(shè)備的配置,工程瀏覽器畫面的新建等操作,完成組態(tài)王軟件對本次設(shè)計的監(jiān)控與運行。如圖6-1所示為對設(shè)備驅(qū)動的配置,我們在PLC中選擇西門子PLC,S7-300(MPI)。圖6-1對設(shè)備驅(qū)動的配置圖6-2我為設(shè)備所選擇的連接的串口為COM10,圖6-2中設(shè)置了設(shè)備指定地址為2.0.2,第一個數(shù)字為MPI地址號2,第二個數(shù)字為CPU所處的機架號為0,第三個數(shù)字為CPU所處的槽號為2。選擇MPI作為PLC的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),MPI是多點接口〔MultiPointInterface)的英文簡稱,MPI符合RS-485標(biāo)準(zhǔn),每個S7-300PLCCPU都集成了MPI通信協(xié)議,因此,S7-300PLC可以通過MPI簡單而方便地組成MPI網(wǎng)絡(luò)。圖6-2選擇的連接的串口的配置圖6-3設(shè)備指定地址的設(shè)置6.1.3監(jiān)控界面設(shè)計上位機監(jiān)控界面,包括直流電機,PLC300,四個IGBT,整流二極管等,建立的畫面和實時曲線見下列圖。圖6-4為畢業(yè)設(shè)計監(jiān)控畫面新建和實時曲線的新建做監(jiān)控界面的時候,還要對監(jiān)控界面里的設(shè)備經(jīng)行配置和動畫關(guān)聯(lián),下列圖6-5為我在數(shù)據(jù)庫,數(shù)據(jù)詞典中對變量的定義,變量類型的選擇等。圖6-5為變量配置及定義我所做的監(jiān)控界面,正傳啟動,反轉(zhuǎn)啟動和停止時的情況,詳見附錄B。6.1.4熱鍵的設(shè)計在命令語言中我在監(jiān)控設(shè)計中添加的啟動,停止,EXIT的熱鍵設(shè)計,通過對幫助和視頻資料的了解我知道,組態(tài)網(wǎng)軟件命令語言是用類似于C的語言,并且支持離散量BOOL型,浮點型float,長整型long,字符串類型string,支持if【條件成立】{}else,也支持while【條件滿足】的條件循環(huán),所以在我通過對C語言的簡單學(xué)習(xí),在命令語言中做了一些設(shè)計。圖6-6為我做的熱鍵設(shè)計。圖6-6為啟動按鈕的一個熱鍵設(shè)計6.2監(jiān)控實時曲線的建立及監(jiān)控我通過對組態(tài)王資料的研究及了解,在監(jiān)控實時曲線畫面中,插入了實時曲線和通用空間(KingviewPID)控件,如圖6-7所示,并對PID的參數(shù)經(jīng)行了設(shè)定,如圖6-8,通過監(jiān)控運行得到了正確的監(jiān)控實時曲線。圖6-7為KingviewPID控件圖6-8為KingviewPID及對其參數(shù)的關(guān)聯(lián)設(shè)定然后點擊運行切換到View的模式下經(jīng)行監(jiān)控,設(shè)定轉(zhuǎn)速為1000r/min,轉(zhuǎn)速從0r/min到1000r/min的實時曲線圖如圖6-9所示。圖6-9為監(jiān)控中轉(zhuǎn)速到達1000時的畫面7結(jié)論本次畢業(yè)設(shè)計我的題目是基于PLC的直流電動機調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計,并在調(diào)試成功,設(shè)計中用到了西門子PLCS7-300,脈寬調(diào)制器SG3525,IGBT驅(qū)動器,12個二極管及監(jiān)控軟件組態(tài)王等。設(shè)計的主要控制流程為:轉(zhuǎn)速反響和電流反響模擬量輸入給PLC,然后通過PLCS7-300中的FB41模塊,經(jīng)過里面自帶的PID控制輸出一個0~10V的電壓,然后給脈寬調(diào)制器,脈寬調(diào)制器通過輸入的電壓值與鋸齒波比擬,然后輸出PWM脈沖,在通過IGBT驅(qū)動電路給四個IGBT晶體管脈沖,通過對占空比的調(diào)節(jié)實現(xiàn)直流電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與調(diào)節(jié)。本次設(shè)計的主要思路為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)反響控制的直流調(diào)速系統(tǒng),通過給可編程控制器PLC300的模擬量輸入,再通過第一級的的6個二極管組成的整流器,常采用不可控整流,把提供的交流電整流成直流電;中間局部加上大電容濾波得到穩(wěn)定的直流電壓,在通過4個全控器件,采用PWM調(diào)速的方式給直流電機供電,占空比0~0.5時電機反轉(zhuǎn),0.5~1時電機正轉(zhuǎn)。并通過與PLC里自帶的PID功能實現(xiàn)直流電機的調(diào)速功能。再通過組態(tài)王軟件KngView畫出了根本的監(jiān)控畫面,并進行了動畫的連接和變量的關(guān)聯(lián),最后通過組態(tài)王軟件里自帶的PID控件完成最后對實時曲線的制作。最后到達了畢業(yè)設(shè)計的要求。在做畢業(yè)設(shè)計的過程中,我完成了直流電機系統(tǒng)的結(jié)果圖、控制的主流程框圖、I/O分配表、參數(shù)的計算、PLC硬件組態(tài)、PLC程序的編寫、列出了設(shè)備的根本清單。綜上所述,本次設(shè)計確實實現(xiàn)了基于PLC的控制對直流電機經(jīng)行了調(diào)速,有一定的應(yīng)

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