課程設(shè)計(jì)基于plc的交流異步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、電氣工程方向綜合設(shè)計(jì)基于plc的交流異步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名學(xué)院名稱專業(yè)名稱指導(dǎo)教師2012年1月5日 摘要隨著社會(huì)的不斷發(fā)展,我們面臨著能源短缺,電機(jī)調(diào)速技術(shù)的不斷更新等許多問(wèn)題,尤其是閉環(huán)調(diào)速在交流電機(jī)上的應(yīng)用以來(lái),使得變頻調(diào)速逐漸顯示出很大的潛力。本文設(shè)計(jì)了一種基于plc的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速與定位綜合控制系統(tǒng),應(yīng)用閉環(huán)pid控制算法實(shí)現(xiàn)了異步電動(dòng)機(jī)的速度控制,應(yīng)用旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)速同時(shí)反饋給plc，plc將數(shù)值交由pid模塊計(jì)算，與設(shè)定值比較后，經(jīng)變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。關(guān)鍵詞 三相異步電動(dòng)機(jī)；plc；變頻調(diào)速；閉環(huán)控制 目 錄1 緒論11.1 概述11.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)分析21.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2、的總體思路22 plc和變頻器的型號(hào)選擇32.1plc的型號(hào)選擇32.2變頻器的選擇42.2.1 變頻器的選擇42.2.2 變頻調(diào)速原理42.2.3 變頻器的工作原理43系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計(jì)63.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)63.1.1 閉環(huán)調(diào)速的實(shí)現(xiàn)63.1.2閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)連接圖63.2程序設(shè)計(jì)7 3.2.1 程序設(shè)計(jì)流程圖7 3.2.2 plc程序84程序調(diào)試134.1 pid參數(shù)整定13 心得 14參考文獻(xiàn)151 緒論1.1 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

3、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。 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。 目前在控制領(lǐng)域中，雖然逐步采用了電子計(jì)算機(jī)這個(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)

4、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。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)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(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。

5、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)軟件開發(fā)公司開發(fā)的，組態(tài)王具有流程畫面，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發(fā)平

6、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)；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

7、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。具體如圖1-1所示：圖1-12 plc和變頻器的型號(hào)選擇2.1plc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)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

8、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)。 圖2-1 s7-200 plc cpu的外形模型圖s7-200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

9、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。2.2變頻器的選擇2.2.1 變頻調(diào)速原理變頻調(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。2.2.2 變頻器的工作原理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

10、、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。2.2.3 變頻器的選擇 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

11、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。 3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1.1閉環(huán)調(diào)速的實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制就是反饋控制，它是自動(dòng)控制系統(tǒng)最基本的控制方式，也是應(yīng)用最廣泛的一種控制方式，它是按偏差進(jìn)行控制的，其特點(diǎn)是不論什么原因使被控量離期望值出現(xiàn)偏差時(shí)，必定會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的控制作用去減小或消除這個(gè)偏差，使被控量與期望值趨于一致，在本文中這個(gè)反饋量就是速度，閉環(huán)控制中的差值就是e(k

12、)=e(用戶)-e(實(shí)際)，即進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)的就是這個(gè)偏差，使它盡量減小到0，即用戶輸入速度與實(shí)際速度相一致， 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 為采樣周期內(nèi)接受到的脈沖數(shù)。轉(zhuǎn)速的單位為 。閉環(huán)控制就是將速度信號(hào)反饋給plc，再通過(guò)與給定量

13、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。3.1.2閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)連接圖接線圖3-1中涉及到的接線引腳說(shuō)明如下：1. plc輸入端口1m，2m接24v直流電源；2. plc輸入端口i0.0，i0.1接光電旋轉(zhuǎn)編碼器；3. plc輸出端口1l接變頻器+24v輸入端；4. plc輸出端口q0.0，q0.1接變頻器數(shù)字輸入端din1，din2；5. plc輸出端口m0，i0接變頻器模擬輸入端ain1，ain2；圖3-1閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬件連接圖3.2程序設(shè)計(jì)3.2.1程序流程圖圖3-23.2.2 plc程序電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)主程序電機(jī)速度pid調(diào)節(jié)子程序電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)程序4實(shí)驗(yàn)調(diào)試4.1 p

14、id 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)，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：表51速度控制pid經(jīng)驗(yàn)參數(shù)被控變量規(guī)律的選擇比例度積分時(shí)間（分鐘）微分時(shí)間（分鐘）速度滯后較大20603100.53實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟

15、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)。 心得 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

16、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)的過(guò)程中我學(xué)到了書本上所沒有學(xué)到的東西。只有理論，沒有結(jié)合實(shí)際是很難做出東西的。比如在調(diào)試的過(guò)程中，遇到問(wèn)題往往是書本上的知識(shí)不能直接的解決的，只要在扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)的前提下，我們才能把東西做好。經(jīng)過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，讓我深深的感受到理論聯(lián)系實(shí)踐的重要性，平時(shí)在學(xué)習(xí)中不能夠透徹理解的知識(shí)，通過(guò)動(dòng)手，會(huì)有更好的認(rèn)知。本次課程設(shè)計(jì)雖然不長(zhǎng)，但是它給我們