基于PLC的變頻調速系統(tǒng)設計.doc

課程設計(論文)基于PLC的變頻調速系統(tǒng)設計Design of variable frequency speed regulation system based on PLC學生姓名王超學院名稱信電學院學號20110501121班級11電氣1專業(yè)名稱電氣工程及其自動化指導教師曹言敬2014年12月15日 摘要 本文主要介紹了本人與本組同學研究和設計基于可編程控制器的變頻調速系統(tǒng)的若干成果，在本次的設計中，我們的設計系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、電動機等幾部分組成。經過本次設計和研究，使我對所有器件有了新的認識，尤其對PLC有了更多的了解：PLC是能進行行邏輯運算，順序運算，計時，計數(shù)，和算術運算等操作指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械或生產過程的工業(yè)計算機。首先我們查閱各個器件的資料，先對其有個明確的認識，然后通過老師的指點明白了整個系統(tǒng)的大概工作原理框圖后，通過學習資料與老師指點將硬件設備連接成功。本文綜合應用電子學與機械學知識去解決基于可編程控制器的變頻調速系統(tǒng)，本次設計選用三相異步交流電機，而PLC和交流電機無論在工業(yè)還是生活中都是應用最廣，因此本次設計具有相當?shù)膶嵱脙r值。關鍵詞：PLC；變頻器；三相異步電動機目錄第一章 緒論2第二章 系統(tǒng)的功能設計分析和總體思路2.1系統(tǒng)功能設計分析32.2系統(tǒng)設計的總體思路3第三章PLC和變頻器的型號選擇3.1 PLC的型號選擇43.2變頻器的選擇和參數(shù)設置4 3.2.1變頻器的選擇43.2.2變頻調速原理53.2.3變頻器的工作原理53.2.4變頻器的快速設置5第四章 硬件設計以及PLC編程4.1開環(huán)控制設計以及PLC編程94.1.1硬件設計94.1.2PLC軟件編程9 4.1.3開環(huán)控制的PLC程序11第五章 實驗調試和數(shù)據(jù)分析5.1PID參數(shù)整定15第六章 總結和體會16致謝17參考文獻18附錄19第一章 緒論調速系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性、動態(tài)性能好是工業(yè)自動化生產中基本要求。在科學研究和生產實踐的諸多領域中 調速系統(tǒng)占有著極為重要的地位 特別是在國防、汽車、冶金、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足輕重的作用。調速控制系統(tǒng)的工藝過程復雜多變，具有不確定性，因此對系統(tǒng)要求更為先進的控制技術和控制理論。 可編程控制器（PLC）可編程控制器是一種工業(yè)控制計算機，是繼續(xù)計算機、自動控制技術和通信技術為一體的新型自動裝置。它具有抗干擾能力強，價格便宜，可靠性強，編程簡樸，易學易用等特點，在工業(yè)領域中深受工程操作人員的喜歡，因此PLC已在工業(yè)控制的各個領域中被廣泛地使用。 目前在控制領域中，雖然逐步采用了電子計算機這個先進技術工具，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結構簡樸、穩(wěn)定性好、工作可靠、使用中不必弄清系統(tǒng)的數(shù)學模型。PID的使用已經有60多年了，有人稱贊它是控制領域的常青樹。變頻調速已被公認為是最理想、最有發(fā)展前景的調速方式之一，采用變頻器構成變頻調速傳動系統(tǒng)的主要目的，一是為了滿足提高勞動生產率、改善產品質量、提高設備自動化程度、提高生活質量及改善生活環(huán)境等要求；二是為了節(jié)約能源、降低生產成本。用戶根據(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)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構建工業(yè)自動控制系統(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，要實現(xiàn)某一任務，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。對于過去需要幾個月的工作，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，生產報表等功能，已經在多個領域被應用。第二章 系統(tǒng)的功能設計分析和總體思路2.1系統(tǒng)功能設計分析隨著電力電子技術以及控制技術的發(fā)展，交流變頻調速在工業(yè)電機拖動領域得到了廣泛應用；可編程控制器PLC作為替代繼電器的新型控制裝置，簡單可靠，操作方便、通用靈活、體積小、使用壽命長且功能強大、容易使用、可靠性高，常常被用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和設備的控制；組態(tài)軟件技術作為用戶可定制功能的軟件開發(fā)平臺工具，可實現(xiàn)顯示電機轉速，可實現(xiàn)遠程調速控制，在PC機上可開發(fā)友好人機界面，通過PLC可以對自動化設備進行“智能”控制。在此，本次設計就是基于PLC的變頻器調速系統(tǒng)。將現(xiàn)在應用最廣泛的PLC和變頻器綜合起來主要功能實現(xiàn)了變壓變頻調速。電機的正反轉，加減速以及快速制動等。因此，該系統(tǒng)必須具備以下三個主體部分：控制運算部分、執(zhí)行和反饋部分?？刂七\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。2.2系統(tǒng)設計的總體思路系統(tǒng)主要由三個部分構成，即可編程邏輯控制器件PLC、變頻器和電機。首先通過設置給定輸入給PLC，再通過PLC控制變頻器，再經由變頻器來控制電機，隨后將電機的轉速反饋給PLC，經比較后輸出給變頻器從而實現(xiàn)無靜差調速。具體如下圖1-1所示：電機圖1-1速度閉環(huán)控制的控制圖-速度給定速度反饋信號+PLC（PID）變頻調速系統(tǒng)第三章 PLC和變頻器的型號選擇3.1PLC的型號選擇在PLC系統(tǒng)設計時，首先應確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設計選型。工藝流程的特點和應用要求是設計選型的主要依據(jù)。PLC及有關設備應是集成的、標準的，按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則選型所選用PLC應是在相關工業(yè)領域有投運業(yè)績、成熟可靠的系統(tǒng)，PLC的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應與裝置規(guī)模和控制要求相適應。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關的編程語言有利于縮短編程時間，因此，工程設計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定PLC的功能、外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設計相應的控制系統(tǒng)。綜合了輸入輸出（I/O）點數(shù)、存儲器容量、各項控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)設計選擇了S7-200 PLC一臺。圖3-1S7-200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/和脈沖寬度調制器、直接讀寫的模擬量I/O模塊、先進的程序結構、靈活方便的尋址方式以及程序化的PID編程控制。強大的通訊功能，它支持多種通信協(xié)議。價格是它在所有品牌在同一功能區(qū)內很有競爭力的。最重要的是它還提供了完善的的網上支持。這些都為實現(xiàn)本系統(tǒng)的設計提供很好的條件和方便。例如，高速計數(shù)器可以用來測速從而實現(xiàn)速度反饋。3.2變頻器的選擇和參數(shù)設置3.2.1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重要的，首先要明確使用通用變頻器的目的，按照生產機械的類型、調速范圍、速度響應和控制精度、啟動轉矩等要求，充分了解變頻器所驅動負載特性，決定采用什么功能的通用變頻器構成控制系統(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是既滿足生產工藝要求，又要在技術經濟指標上合理。若對通用變頻器選型、系統(tǒng)設計及使用不當，往往會使通用變頻器不能正常的運行、達不到預期目標，甚至引發(fā)設備故障，造成不必要的損失。另外，為了確保通用變頻器長期可靠的運行，變頻器的地線的連接也是非常重要的。 變頻器在調速系統(tǒng)中的優(yōu)點：1控制電機的啟動電流；2降低電力線路的電壓波動；3啟動時需要的功率更低；4可控的加速功能；5可調的運行速度；6可調的轉矩極限；7受控的停止方式；8節(jié)能；9可逆運行控制；10減少機械傳動部件。在本系統(tǒng)中，選用了由西門子生產的通用變頻器MM420。變頻器MM420 為我們提供了很好的BOP控制面板具體如下圖2-1：圖3-23.2.2變頻調速原理變頻調速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調速的目的。 n=60f(1-s)/p 式3.1對于成品電機，其磁極對數(shù)p已經確定，轉差率s變化不大，故電機的轉速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的同步轉速，進而達到異步電機的調試目的。3.2.3變頻器的工作原理變頻器的工作原理是把市電（380V 、50Hz）通過整流器變成平滑直流，然后利用半導體器件（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。3.2.4變頻器的快速設置如果所用的變頻器剛剛出廠的變頻器，則需對它進行快速調試，試驗中用到的變頻器都已經完成了快速調試。表3-1 變頻器參數(shù)序號變頻器參數(shù)出廠值設定值功能說明1P0304230380電動機的額定電壓( 380V )2P03053.250.35電動機的額定電流( 0.35A )3P03070.750.06電動機的額定功率( 60W )4 P031050.0050.00電動機的額定頻率( 50Hz )5P031101430電動機的額定轉速( 1430 r/min )6P100021用操作面板（BOP）控制頻率的升降7P108000電動機的最小頻率( 0Hz )8P10825050.00電動機的最大頻率( 50Hz )9P11201010斜坡上升時間( 10S )10P11211010斜坡下降時間( 10S )11P070022選擇命令源（ 由端子排輸入 ）12P0701110正向點動13P07021211反向點動14P10585.0030正向點動頻率（30Hz）15P10595.0020反向點動頻率（20Hz）16P106010.0010點動斜坡上升時間（10S）17P106110.005點動斜坡下降時間（5S）注:（1）設置參數(shù)前先將變頻器參數(shù)復位為工廠的缺省設定值 （2）設定P0003=2 允許訪問擴展參數(shù) （3）設定電機參數(shù)時先設定P0010=1(快速調試),電機參數(shù)設置完成設定P0010=0(準備)例如：修改下表參數(shù)P0719選擇命令/設定這源改變參數(shù)數(shù)值的一個數(shù)字為了快速修改參數(shù)的數(shù)值，可以單獨修改顯示出的每個數(shù)字，操作步驟如下： 1.按 （功能鍵），最右邊的一個數(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)值的訪問級。操作步驟顯示的結果1按 訪問參數(shù)2按 直到顯示出P07193按 進入?yún)?shù)數(shù)值訪問級4按 顯示當前的設定值5按 或 選擇運行所需要的最大頻率6按 確認并存儲P0719的設定值7按 直到顯示出r0008按 返回標準的變頻器顯示（有用戶定義）圖3-3說明 ：忙碌信息修改參數(shù)的數(shù)值時，BOP有時會顯示： 表明變頻器正忙于處理優(yōu)先級更高的任務。以下為變頻器的設置一般方法：P0700 選擇命令源 2）接通/斷開/反轉（on/off/reverse）0 工廠設置值1 基本操作面板（BOP）2 輸入端子/數(shù)字輸入P0010 開始快速調試0 準備運行1 快速調試30 工廠的缺省設置值說明在電動機投入運行之前，P0010必須回到0。但是，如果調試結束后選定P3900=1，那么，P0010回零的操作是自動進行的。P1000 選擇頻率設定值 2）0 無頻率設定值1 用BOP控制頻率的升降2 模擬設定值 P0100 選擇工作地區(qū)是歐洲/北美0 功率單位為 kw：f的缺省值為 50Hz1 功率單位為 hp：f的缺省值為 60Hz2 功率單位為 kw：f的缺省值為 60Hz說明P0100 的設定值0和1應該用DIP開關來更改，使其設定的值固定不變P1080 電動機最小頻率本參數(shù)設置電動機的最小頻率（0650Hz）；達到這一頻率時電動機的運行速度將與頻率的設定值無關。這里設置的值對電動機的正轉和反轉都是使用的P1080 電動機最大頻率本參數(shù)設置電動機的最大頻率（0650Hz）；達到這一頻率時電動機的運行速度將與頻率的設定值無關。這里設置的值對電動機的正轉和反轉都是使用的P0304 電動機的額定電壓 1）10V2000V根據(jù)銘牌鍵入的電動機額定電壓（V）P1120 斜坡上升時間0S650S電動機從靜止停車加速到最大電動機頻率所需的時間P0305 電動機的額定電流 1）02倍變頻器額定電流（A）根據(jù)銘牌鍵入的電動機額定電流（A）P307 電動機的額定功率 1）0KW2000KA根據(jù)銘牌鍵入的電動機額定功率（KW）如果P0100=1，功率單位應是 hpP1121 斜坡上升時間0S650S電動機從其最大頻率減速到靜止停車所需的時間P3900 結速快速調試0 結速快速調試，不進行電動機計算或復位為工廠缺省設置值1 結束快速調試，進行電動機計算和復位為工廠缺省設置值（推薦的方式）2 結束快速調試，進行電機計算和I/O復位。3 結束快速調試，進行電動機計算，但不進行I/O復位P0310 電動機的額定頻率 1）12Hz650Hz根據(jù)銘牌鍵入的電動機額定頻率（Hz）P0311 電動機的額定速度 1）040000 1/min根據(jù)銘牌鍵入的電動機額定速度（rpm）第四章 硬件設計以及PLC編程4.1開環(huán)控制設計以及PLC編程4.1.1硬件設計在沒有反饋信息的比較，通過直接給定控制信息的控制調速系統(tǒng)稱之為開環(huán)調速系統(tǒng)。其控制思想的結構框圖如下圖3-1所示：速度給定圖4-1 速度開環(huán)控制的控制圖PLC（PID）變頻調速系統(tǒng) 開環(huán)控制的外部硬件連接圖3-2：圖4-24.1.2PLC軟件編程 系統(tǒng)采用開環(huán)控制方式來控制電機的調速，根據(jù)PID控制的整體思想：控制量輸入控制值輸出PID控制運算過程采樣 圖4-3故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控制量的輸入和輸出。中斷程序：調用PID指令進行運算以及數(shù)據(jù)類型的轉換。子程序：設置PID控制的參數(shù)PID算法PLC的PID控制器設計是以連續(xù)系統(tǒng)PID控制規(guī)律為基礎，經采樣將其數(shù)字化寫成離散形式PID控制方程，再根據(jù)離散方程進行控制程序設計。典型的PID算法包括3項，比例項、積分項和微分項。即：輸出比例項積分項微分項。計算機在周期性地采樣并離散化后進行PID運算，算法如下：Mn=Kc*（SPn-PVn）+Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx+Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）式3.1 比例項Kc*（SPn-PVn）：能及時地產生與偏差（SPn-PVn）成正比的調節(jié)作用，比例系數(shù)Kc越大，比例調節(jié)作用越強，系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定精度越高，但Kc過大會使系統(tǒng)的輸出量振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。積分項Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx：與偏差有關，只要偏差不為0，PID控制的輸出就會因積分作用而不斷變化，直到偏差消失，系統(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，但積分的動作較慢，給系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定帶來不良影響，很少單獨使用。積分時間常數(shù)Ti增大，積分作用越強，消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減慢。微分項Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）：根據(jù)誤差變化的速度（即誤差的微分）進行調節(jié)，具有超前和預測的特點。微分時間常數(shù)Td增大時，超調量減少，動態(tài)性能得到改善，但Td過大，系統(tǒng)輸出量在接近穩(wěn)態(tài)時可能上升緩慢。許多控制系統(tǒng)內，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，通過設置參數(shù)可對回路進行控制類型進行選擇。 內存變量分配表1、程序地址分配地址說明VD12目標速度設定存放地址VD300當前實際速度存放地址表4-12、 PID指令回路表地址名稱說明VD100過程變量（PVn）必須在0.01.0之間VD104給定值（SPn）必須在0.01.0之間VD108輸出值（Mn）必須在0.01.0之間VD112增益（Kc）比例常數(shù)，可正可負VD116采樣時間（Ts）單位為s，必須是正數(shù)VD120采樣時間（Ti）單位為min，必須是正數(shù)VD124微分時間（Td）單位為min，必須是正數(shù)表4-24.1.3開環(huán)控制的程序：主程序中斷程序子程序第五章 實驗調試和數(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節(jié)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意的質量指標要求。一般可以通過理論計算來確定，但誤差太大。目前，應用最多的還是工程整定法：如經驗法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應曲線法。經驗法又叫現(xiàn)場湊試法，它不需要進行事先的計算和實驗，而是根據(jù)運行經驗，利用一組經驗參數(shù)，根據(jù)反應曲線的效果不斷地改變參數(shù)，對于溫度控制系統(tǒng)，工程上已經有大量的經驗，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）溫度滯后較大20603100.53表5-1實驗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，直至得到反應快、超調小的響應曲線。 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5080，再將積分時間置一個較大值，觀測響應曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應調整比例系數(shù)，反復試湊至得到較滿意的響應，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，逐漸加大TD，同時相應地改變比例系數(shù)和積分時間，反復試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。第六章 總結和體會通過這次的課程設計，讓我受益匪淺。在課程設計期間通過與同學們之間的交流和老師的指導，使自己學到了不少知識。除了學會了西門子S720