基于PLC和變頻器的多電機(jī)同步控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

緒論課題研究的背景隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，對各種機(jī)械設(shè)備的性能以及產(chǎn)品質(zhì)量的要求也是越來越拓。在整個(gè)LI前流行的變頻調(diào)速控制技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了由工控機(jī)PLC控制的多電機(jī)聯(lián)動控制方案，文中詳細(xì)闡述了一臺PLC對各個(gè)關(guān)鍵器件的選擇都做了詳細(xì)的說明。文中通過PLC對變頻器的控制從而達(dá)到對電機(jī)的控制LI的，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。近年來，PLC可謂是發(fā)展迅速，應(yīng)用在生產(chǎn)生活的多個(gè)方面，它功能較多、操作起來也比較簡單、易上手，也有比較成熟的技術(shù)，在工業(yè)控制方面大顯身手，它已經(jīng)成為了工業(yè)自動化方面的重要手段，所以，本文選擇使用PLC來實(shí)現(xiàn)對于多電機(jī)的控制工作。變頻技術(shù)及PLC發(fā)展趨勢科技的不斷發(fā)展，時(shí)代的不斷進(jìn)步，促使了電子技術(shù)行業(yè)和計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，PLC技術(shù)融合了當(dāng)今時(shí)代先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，將這一概念運(yùn)用到自動控制當(dāng)中，將其功能不斷完善。PLC已經(jīng)在邏輯、運(yùn)動、過程和數(shù)據(jù)處理等方面有了廣泛的應(yīng)用。PLC主要山兒個(gè)重要的部分組成：微處理器，也就是我們常說的CPU,在CPU里面包含運(yùn)算1-1示。它存儲了一些操作指令，這些指令包含邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、對操作的順序控制等一系列的操作指令。PLC工作的時(shí)候是通過一個(gè)內(nèi)部存儲的程序來完成所述方法所需要的操作內(nèi)容執(zhí)行的。PLC的主要特點(diǎn)概括如下：PLC的內(nèi)部集成了很多模塊，其中I/O接口占了很大一部分；而且PLC各個(gè)零件比較大眾，維修是比較方便的。1圖1-1PLC的基本結(jié)構(gòu)研究的目的和意義就U前來說，變頻調(diào)速技術(shù)在多電機(jī)控制方面是應(yīng)用最為廣泛的，而且具有很好的發(fā)展前噪音比較小，不需要傳感器。PLC,ProgrammableController,就是我們經(jīng)常提到的可編程控制器，它的存儲器，可以將一系列也有CPU,I/OPLC的體積很小，非常容易安裝，而且消耗的能源也比較小，所以可以廣泛的應(yīng)用于控制系統(tǒng)當(dāng)中。通過PLC控制變頻器可以有效地控制多臺電機(jī)的運(yùn)行，可以達(dá)到很好的效果，能夠有效地應(yīng)用于實(shí)踐,具有應(yīng)用價(jià)值和意義。系統(tǒng)的總體方案2.1變頻器的工作原理異步交流電機(jī)轉(zhuǎn)速如公式（2-1）所示，異步電機(jī)變頻調(diào)速特性如圖2-1,若額定電流在調(diào)速過程中始終能達(dá)到，則電機(jī)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。調(diào)速過程中電機(jī)轉(zhuǎn)矩在隨定子磁場不斷7變化，轉(zhuǎn)速低于基頻轉(zhuǎn)速時(shí)定義為“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速J轉(zhuǎn)速高于基頻轉(zhuǎn)速時(shí)定義為“恒功率調(diào)速”。n= -5)=60^(1-s)/p(2-1),恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速,恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒功率調(diào)速vflmf】/頻率幾為定子交流電壓頻率，〃為極對數(shù)，$為轉(zhuǎn)差率。g為異步電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速。Ui(定子相電)%變頻器即按照不同應(yīng)用場合需求將公共工頻電源轉(zhuǎn)換成不同頻率的交流電源，來實(shí)現(xiàn)對不同設(shè)備的調(diào)壓調(diào)速等功能。結(jié)構(gòu)如圖2-2,其主要山工頻整流、直流電路及逆變交流電路三部分構(gòu)成。圖2-1異步電動機(jī)變頻調(diào)速控制特性3圖2-2變頻器的基本結(jié)構(gòu)框圖M4200.5-60HZ,RS485通信口，在多種場合都7可以使用，圖2?3就是西門子M420變頻器。2.2PLC控制變頻調(diào)速系統(tǒng)原理

圖2-3MicroMaster420PID控制器有三個(gè)參數(shù)控制，就是名字當(dāng)中的、I、D,簡單來說就是這三個(gè)參數(shù)的一系列2-4對象當(dāng)中，在與本身做相關(guān)運(yùn)算，得到輸出信號。其控制規(guī)律為:u{t}=

24PIDTdde(t)dt

(2-2)其中的參數(shù)有比例增益K-就是圖中的比例模塊；積分模塊的時(shí)間常數(shù)7；和微分模塊的時(shí)間常7；,在實(shí)際工程中，使用上述的這三個(gè)參數(shù)乂來描述對控制系統(tǒng)的影響。PLC內(nèi)部的高速計(jì)數(shù)模塊會返回一個(gè)具體的速度值，我們將這個(gè)速度值與給定的速度進(jìn)行比較，汁算之間的誤差，不斷調(diào)整誤差，得到控制量，將得到控制量經(jīng)山PLC內(nèi)部的宙口傳送到變頻器當(dāng)中。變頻器就會根據(jù)得到的信號來驅(qū)動交流電機(jī)，不同的控制量，就會得到電機(jī)不PLC2-5所5示。速度 RS-4853系統(tǒng)的總體控制方案

圖2-5變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖在實(shí)際生產(chǎn)中，通常有兩種方案來實(shí)現(xiàn)對多臺電動機(jī)的控制。一種是使用一臺變頻器來拖PLCPLC我們來看整個(gè)系統(tǒng)所需要的設(shè)備，對于PLC我選擇上文提到的S7-200,在整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中PLC作為核心單元，在與變頻器連接時(shí)采用RS-485PLCo就會根據(jù)得到的轉(zhuǎn)速信號來做數(shù)據(jù)處理，根據(jù)內(nèi)部計(jì)算方法得出實(shí)際轉(zhuǎn)速和所需要的補(bǔ)償值。整RS-485總線連接到網(wǎng)絡(luò)中，監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)變化，來及時(shí)作出響應(yīng)。多電機(jī)同6步控制網(wǎng)絡(luò)如圖2?6所示。圖2?6多電機(jī)同步控制網(wǎng)絡(luò)硬件電路的設(shè)計(jì)PLC的工作原理及功能特點(diǎn)掃描周期包含三個(gè)步驟，第一個(gè)步驟是輸入信號進(jìn)行采樣，第二個(gè)步驟是用戶編寫的程序開始執(zhí)行，笫三個(gè)步驟是刷新輸出結(jié)果，這三步都是需要完成的，具體執(zhí)行情況，如圖3.1所示。輸入輸出刷新.輸入輸出刷新.采樣*用戶程*序執(zhí)行*輸岀*刷新*輸入J采樣n-1個(gè)掃描周期n+1個(gè)n個(gè)掃描周期J3JPLC的掃描周期在進(jìn)行第一步驟的時(shí)候，按照逐點(diǎn)逐面的掃描方式對PLC內(nèi)部進(jìn)行操作，將用戶提供的數(shù)據(jù)，按照次序錄入到系統(tǒng)里。在PLC內(nèi)部，也可以找到相應(yīng)的存儲單元來將數(shù)據(jù)保存進(jìn)去。到了笫二和第三階段后，就算輸入的數(shù)據(jù)和狀態(tài)有所改變，映像區(qū)的數(shù)據(jù)也不會改變。它存儲了一些操作指令，這些指令包含邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、對操作的順序控制等一系列的操作指令。PLC工作的時(shí)候是通過一個(gè)內(nèi)部存儲的程序來完成所述方法所需要的操作內(nèi)容7執(zhí)行的。PLC的主要特點(diǎn)概括如下：PLC的內(nèi)部集成了很多模塊，其中I/O接口占了很大一部分；而且PLCPLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)隨著PLC統(tǒng)，有以下兒種控制系統(tǒng)是比較常用的：單機(jī)控制系統(tǒng)一個(gè)PLC要求比較小，不涉及到通信問題，系統(tǒng)簡單。集中控制系統(tǒng)一臺高配置PLC可具備同時(shí)控制多個(gè)設(shè)備的功能，此時(shí)PLC作為整個(gè)控制系統(tǒng)的控制中心，在控制各設(shè)備同時(shí)建立各個(gè)設(shè)備間的通信，具體結(jié)構(gòu)如圖3-2所示：

3-2集中控制系統(tǒng)每臺PLC單獨(dú)對應(yīng)一臺設(shè)備，不同PLC3-3所示。8可編程控制器的選型在對PLC進(jìn)行選型時(shí)，我們通常綜合考慮以下兒個(gè)方面：根據(jù)我們預(yù)先設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)模型，對于I/O點(diǎn)數(shù)我們是選定好的，根據(jù)點(diǎn)數(shù)我們來確定存儲器容量。我們在編寫程序的時(shí)候是需要編程器的，它在現(xiàn)在市場上分為兩種，一種是手持方式的，另外一種是通過接口連接到計(jì)算機(jī)上，計(jì)算機(jī)編寫程序之后再傳給PLC控制器的；選擇合適的通信協(xié)議；對于一些不是常用的功能，來考慮是否增加一些新的傳感器，完善整個(gè)系統(tǒng)；整個(gè)工作環(huán)境是否對PLC的運(yùn)行會有所影響，條件是否不適合系統(tǒng)運(yùn)行；是否有比較大的廠家可以提供技術(shù)支持和售后保障。綜合以上選型原則進(jìn)行考慮，我們選擇西門子公司的S7-200系列，PLC選用CPU226型號，其具體參數(shù)如下表所示：規(guī)格120.5*80*62程序存儲區(qū)4K規(guī)格120.5*80*62程序存儲區(qū)4K數(shù)據(jù)存儲區(qū)2560字掉電保持時(shí)間/h190I/O24入/16出9擴(kuò)張模塊數(shù)量高數(shù)計(jì)數(shù)器/單相/DC模擬電位器實(shí)時(shí)時(shí)鐘通訊口浮點(diǎn)運(yùn)算I/O

76路30KHZ/4路20KHZ2路20KHZ2內(nèi)置1RS-485有256（128入/128出）布爾指令執(zhí)行速度在上述定義的一個(gè)掃描周期內(nèi)，CPU工作流程如圖3-4。34S7-200CPUPLC與變頻器的連接

0?37us/指令PLC與變頻器MM420之間的的內(nèi)部連線如圖3-5所示，實(shí)際使用過程中就是電纜將兩者連接起來，也就是我們在外邊看到的情況就如圖3?6所示。10PLC MM420PLC

圖3-6PLC與變頻器外部接線圖對于CPU226型號，該型號的PLC通信功能，在將兩個(gè)設(shè)備連接起來，在變頻器提供的小鍵盤上一定要先設(shè)置參數(shù)，參數(shù)設(shè)置如下：3-2變頻器設(shè)置參數(shù)表

P0010=30P0970=l使能對所有參數(shù)的讀/寫訪問（專家模式） POOO3=3P0304=380P0101（快速調(diào)試模式），P3O4,P305,P307,P310和P311P00100。

PO3O5=5P0307=2200P0310=50P0311=1400設(shè)置本地遠(yuǎn)程控制模式 P0700Index0=5COMUSS的頻率設(shè)定值P1000IndexO=5設(shè)垃串行鏈接參考頻率P2OOO=5OHzUSS標(biāo)準(zhǔn)化P2009IndexO=ORS-485串口波特率P2010Index0=6輸入從站地址P2011IndcxO=O設(shè)置串行鏈接超時(shí)P2014IndexO=5ORAMEEPROM傳送數(shù)據(jù)P0971=l在以前的技術(shù)當(dāng)中，PLC和變頻器之間是需要PLC內(nèi)部的輸出信號的，通過這個(gè)信號可以操控變頻器的啟動和停止，整個(gè)過程是需要憑借PLC的輸出速度來決定的?，F(xiàn)在，使用一種規(guī)定好的通訊方法，來實(shí)現(xiàn)兩者之間的交流，I/O分配如表3-3所示。3-3PLC輸入輸岀分配表輸入輸岀地址 功能連接項(xiàng)地址功能連接端口10.0 正轉(zhuǎn)SB1Q0.0正轉(zhuǎn)M010」 反轉(zhuǎn)SB2Q0.1反轉(zhuǎn)Ml10.2 自動運(yùn)轉(zhuǎn)SB3Q0.2自動運(yùn)轉(zhuǎn)M2103 停止SB4Q0.3故障M310.4 故障RA西門子S7-200PLC控制變頻器的主要電路圖3-7所示。圖3-7PLC和變頻器接線電路PLC與監(jiān)控計(jì)算機(jī)通訊的實(shí)現(xiàn)在PLC與我們的本地計(jì)算機(jī)也是要進(jìn)行通訊連接的。SIEMENS對其開發(fā)的PLC是提供組態(tài)軟件的，但是對于我們用戶來說，卻不是很合適的。我們在開發(fā)的時(shí)候，通常選擇自定義的通信協(xié)議，這就要用到PLC的自由端口模式，這給我們提供了方便，上位機(jī)和PLC3-8所示，PLC的接收數(shù)據(jù)的引腳與上位機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)引腳相連，同樣PLC的發(fā)送數(shù)據(jù)引腳與上位機(jī)的接收數(shù)據(jù)引腳連接起來，兩者的地線相連,也就是PLC的GND與上位機(jī)的GND連接。這樣就完成PLC與監(jiān)控計(jì)算機(jī)的碩件連接。圖3-8上位機(jī)和PLC通信的接線示意圖我們選用的PLC對使用用戶提供了自由口通信模式，用戶可以自己定義通信協(xié)議，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求來實(shí)現(xiàn)各種類型的設(shè)備之間的通信。該模式支持ASCII碼。物理計(jì)算機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的主站，通過計(jì)算機(jī)來對整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行操控，利用PLC的寄存器進(jìn)行讀寫操作。計(jì)算機(jī)通過本機(jī)的串口像PLC發(fā)送指令，CPU對得到的指令進(jìn)行編碼處理，得到的譯碼對PLC3-4所示。3-4上位機(jī)指令格式ByteOByteO起始字符Bytel指令類型（讀/寫）Byte2-Byte3PLC站地址（ASCII碼）Byte4-Bytel1目標(biāo)寄存器地址（ASCII碼），其中Bytc4-Bytc7表示寄存器類型，Byte8-Bytel1表示寄存器號Bytel2-Bytel9要寫入的數(shù)據(jù)（ASCII碼）Byte2O-Byte21校驗(yàn)碼（ASCII碼）Byte22結(jié)朿字符PLC在接到上位機(jī)發(fā)出的指令后，會作出反應(yīng)，來告訴PLC已經(jīng)得到了信號，反饋指令格式說如表 3 - 5 所示。表3-5下位機(jī)指令格式ByteO起始字符ByteO起始字符Bytel狀態(tài)信息Byte2-Byte9數(shù)據(jù)區(qū)BytelO-Bytell校驗(yàn)碼Byte12結(jié)朿字符本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，包含兩個(gè)電機(jī)，兩個(gè)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，會出現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不一樣，兩個(gè)電機(jī)的編碼器返回的數(shù)字信號也不相同，在PLC內(nèi)部的計(jì)算模塊內(nèi)，計(jì)算出兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而計(jì)算兩者的差值。笫一部分的誤差計(jì)算方面，我們可以得到實(shí)際轉(zhuǎn)速之間與預(yù)期轉(zhuǎn)速之間的差值，根據(jù)差值可以利用生產(chǎn)PLC廠家的內(nèi)部的指令模塊，實(shí)際模塊運(yùn)行時(shí)，需要兩個(gè)重要的變量，一個(gè)我們預(yù)先的設(shè)定值，二是系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的過程量，也就是我們說的反饋值，輸岀結(jié)果我們不需要考慮，就是系統(tǒng)自己通過計(jì)算得到的。在此過程中，需要設(shè)定好P、I、D這三個(gè)比較重要的參數(shù)。PLC控制變頻器的程序設(shè)訃我們將PLC與變頻器連接起來之后、還要將PLC與上位機(jī)相連，確保連接成功之后,通電檢查是否正常。正常之后，就要啟動預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序。在PLC內(nèi)部一般是山子程序來啟動整個(gè)系統(tǒng)的，從而來實(shí)現(xiàn)對變頻器的控制。程序流程圖如圖4-1。MOVW16#OC7ETO-ST-PZDO"MOVW16#OC7ETO-ST-PZDO"CALLSend-BPRETLDSMO.OMOVB16#49,SMB30MOVB14,?PO?ST?LEN"MOVB16#02.TO-ST-STX^MOVB12,TO-ST-LGE5MOVB0.?PO?ST?ADR“MOVB255,TCTENIATCHINT4,25ATCHINT6,11RETMOVBBPADR.^PO-ST-ADR"圖牛1主控程序流程〃設(shè)定電機(jī)速度電機(jī)運(yùn)行子程序MOVBMOVWMOVW

"BPADR：16#OC7F,“BITISP：

TO-ST-ADRS^TO-ST-PZDO^TO-ST-PZDr,LDW>= TO-ST-PZDF\16#4000MOVWCALLRET

16#4000.Send-BP

-PO?ST-PZD1"http://發(fā)送程序SEND-BPMOVD &VB35OO. ACOIfMOVBMOVB14,AC1XMT^PO?ST?LEN：0ATCHINT_0,9MOVB100、廿ATCHINTI,10RETPLC與監(jiān)控訃算機(jī)通訊的實(shí)現(xiàn)在PLC與我們的本地計(jì)算機(jī)也是要進(jìn)行通訊連接的。SIEMENS對其開發(fā)的PLC是提供組態(tài)軟件的，但是對于我們用戶來說，卻不是很合適的。我們在開發(fā)的時(shí)候，通常選擇自定義的通信協(xié)議，這就要用到PLC的自山端口模式，這給我們提供了方便，而且開發(fā)成本也就相應(yīng)的降低了。一般情況下，采用梯形圖來實(shí)現(xiàn)自由端口模式下的自定義通信協(xié)議的。上位機(jī)在給PLC發(fā)送指令的時(shí)候，會先給PLC發(fā)送一個(gè)握手信號；PLC接收到上位機(jī)發(fā)送的信號后，就會返回一個(gè)信號給上位機(jī)，這個(gè)時(shí)候，上位機(jī)接收到PLC反饋的信號時(shí)，就會開始發(fā)送第一條指令了，以后的指令也是這樣發(fā)送的。VB100VB104發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)VB200-VB206VB100VB104發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)VB200-VB206接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)VB300握手信號VB302回握信號VB401接收數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器M1.0開始數(shù)據(jù)傳送M2.0開始握手M2.1握手與數(shù)據(jù)傳輸切換根據(jù)我們自定義的通訊形式與計(jì)算機(jī)之間的通訊會出現(xiàn)問題，為此引入了軟件握手這一法，來保障整個(gè)過程的安全與可靠性。圖4-2和圖4-3所示分別是上位PC機(jī)和下位機(jī)PLC的通程 序 流 程 延時(shí)按牧數(shù)據(jù)4-2PC主要的實(shí)現(xiàn)代碼如下：

4 3PLC通信流程MAINMOVW+8,SMW90LDSM0.1MOVB150,SMB94MOVB16#09,SMB30MOVD&VB200,AC3MOVB16#B0,SMB87ATCHINT_0,8MOVB16#111,,SMB88ENIMOVB中斷程序16#79,SMB89RCVVB200,0INTOSM1.0JLDSMO.OLDSMO.OAM2.1ANM2.1SCRETILDMOVBM2.0,lM2.0SMB2,VB300RLDB=TONLDMl.0,1VB401,7T32,lT32RM2.0,lMOV15,SMB34LDB=VB3OOJ5ATCHINT_1,15TONT96,lCRETILDT96LDSM0.1XMTVB301,0MOVD&VB200,AC3MOVB0,VB300MOVW0,VW400SM2.1,lRM2.1,lLDM1.0INTIAM2.1LDSMO.OMOVBSMB2,*AC3DTCH15INCDAC3XMTVB100,0INCWVW400系統(tǒng)調(diào)試按照我們設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，將系統(tǒng)的上位機(jī)、PLC和變頻器按照一定的順序連接好,同時(shí)也要在變頻器與三相交流異步電動機(jī)接好，連接編碼器