基于PLC的交流异步电机转速闭环控制系统设计论文.doc

基于plc的交流异步电机转速闭环控制系统设计成 绩： 姓 名： 班 级： 学 号： 日 期： 20140626 plc技能考核设计训练任务书学生姓名 专业年级 学号 设计日期： 2014年05月26日 至2014年06月26日设计题目：利用高速计数器a/b相脉冲计电机转速的闭环控制系统设计主要内容：利用高速计数器a/b相脉冲计电机转速，并且能判断电机旋转方向指导教师评语：指导教师签字：日期：目录1 绪论11.1 实验所选plc11.2 plc的特点11.3 plc的系统组成11.4 plc的运行工作方式21.5 西门子触摸屏21.6 wincc flexible软件概述21.6.1 wincc flexible综合了一下特点：31.6.2 wincc flexible的用户界面简介:31.6.3 wincc flexible组态 ：31.7 西门子mm420变频器31.8基于plc的交流异步电机转速闭环控制系统设计42 系统硬件设计52.2 系统硬件结构框图52.2.1 pid控制器52.2.2 pid回路算法：62.2.3 pid使用方法：62.2.4 异步电机变频调速原理:72.2.5 异步电机的机械特性:82.3 闭环调速系统的硬件选型82.3.1 plc的选用92.3.2 扩展em235模块92.3.3 西门子smart 700触摸屏92.3.4西门子mm420变频器102.3.5 电机机组122.4 硬件接线133 系统软件设计143.1 变频器参数143.2 触摸屏组态画面153.3 plc编程163.3.1 主程序：163.3.2 子程序174 系统调试205 总结211 绪论1.1 实验所选plc选用西门子公司生产的cpu224xp系列，为采集电机转速并对电机转速进行控制，外扩一个em235模块（4ai/1ao）。在使用em235模块时，需根据所采集模拟量的实际信号用右下角的6个dip开关对em235模块进行配置。具体开关配置表如表1所示。 表1 用于选择模拟量量程和精度的em235配置开关表1.2 plc的特点（1）抗干扰能力强，可靠性高 （2）控制系统结构简单，通用性强（3）编程方便，易于使用 （4）功能强大，成本低 （5）设计、施工、调试的周期短 （6）维护方便1.3 plc的系统组成1cpu2.存储器3.i/o单元4.电源5.通信接口6.扩展接口7.编程设备8.其他部件1.4 plc的运行工作方式plc的工作按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。1.5 西门子触摸屏实验室采用的是smart 700，为触屏中的中低端产品，但性价比较高。适用于单机场合，可以实现与s7-200的简单无缝连接。其屏幕大小为7寸，显示类型为lcd,分辨率为800*480，256色亮度可调，直流24v供电，带一个rs485通信接口，最大通讯速率为187.5kbps。可以支持与第三方plc通信，如三菱fn系列，欧姆龙cp1系列等。可支持最多500个变量，50个画面，200个报警，32个报警等级，5个配方，支持趋势视图、报警消息及断电保持。其组态基于软件wincc flexible 2008 sp2.1.6 wincc flexible软件概述 wincc flexible是一种前瞻性的面向及其自动化的hmi设备组态软件，它能够提供舒适而高效的设计。1.6.1 wincc flexible综合了一下特点：(1) 直接的处理方式(2) 透明性(3) 灵活性1.6.2 wincc flexible的用户界面简介:1、标题栏：用来显示当前文件的路径及名称2、菜单栏：包括了工作使用的所有命令3、工具栏：提供常用命令的快捷按钮。4、项目视图：包含了所有可以组态的元件。用以创建和打开要编辑的对象。5、工作区域：用于编辑项目数据，可以使图形数据，也可以是表格数据。6、属性视图：用于编辑工作区域中选中对象的属性。7、工具箱：包含过程画面中经常使用的各种对象。8、库：用于储存常用对象。9、对象视图：用来显示项目视图中指定的文件夹或编辑器中的内容10、输出视图：用来显示项目运行之前自动形成的报警信息。1.6.3 wincc flexible组态 ：1、io域组态 2、按钮组态3、文本列表和图形列表组态4、动画组态5、报警组态1.7 西门子mm420变频器选用西门子公司生产的mm420型变频器。如果变频器参数为出厂初始参数，则需对它进行快速调试，相关参数表如表2所示。表2 mm420基本调试参数表序号变频器参数出厂值设定值功能说明1p000312用户访问级别2p0304230220电动机的额定电压( 220v )3p03053.250.5电动机的额定电流( 0.5a )4p03070.750.1电动机的额定功率( 100w )5p031050.0050.00电动机的额定频率( 50hz )6p031101420电动机的额定转速( 1420 r/min )7p070021或2选择命令源（由bop/端子排输入）8p100021或2用bop/端子排输入控制频率的升降9p108000电动机的最小频率( 0hz )10p10825050.00电动机的最大频率( 50hz )11p11201010斜坡上升时间( 10s )12p11211010斜坡下降时间( 10s )1.8基于plc的交流异步电机转速闭环控制系统设计可编程控制器（plc）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继续计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简朴，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此plc已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且轻易犯错误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成。组态软件具有流程画面，过程数据记录，趋势曲线，报警窗口，生产报表等功能，已经在多个领域被应用。调速系统快速性、稳定性、动态性能好是工业自动化生产中基本要求。在科学研究和生产实践的诸多领域中 调速系统占有着极为重要的地位 特别是在国防、汽车、冶金、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。调速控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。变频调速已被公认为是最理想、最有发展前景的调速方式之一，采用变频器构成变频调速传动系统的主要目的，一是为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求；二是为了节约能源、降低生产成本。用户根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。2 系统硬件设计2.1 系统设计目的在交流异步电机转速闭环控制系统的基础之上使用a/b相正交计数器对转速进行测量以及对电机的转向进行判断。2.2 系统硬件结构框图 pid控制规律 （1）比例作用（p） (2)比例积分作用（pi） （3）比例积分微分作用（pid） 注：微分一般不使用，会造成不稳定2.2.1 pid控制器pid控制器结构图比例环节： (1) kp增大，快速性提高，系统振荡增强，稳定性下降； (2) kp减小，快速性降低，系统静差减小，但不能消除静差； (3) kp无延时环节，快速性好，响应快。积分环节： (1) ti增大，积分作用减小，系统振荡增强，稳定性下降； (2) ti减小，积分作用增大，可消除静差； (3) 有延时环节，快速性下降微分环节： (1) td增大，系统振荡减弱，稳定性增强； (2) td减小，调节时间减小，快速性增强；（3) 不能消除系统静差2.2.2 pid回路算法： s7-200 cpu提供pid回路指令(比例、积分、微分回路)，执行pid计算。pid回路操作取决于存储在36个字节回路表中的9个参数。即pid回路表：2.2.3 pid使用方法：1、建立pid回路表2、回路输入量的转换及归一化(1) 将工程实际值由16位整数(aiw)转化为实数，程序如下：xord ac0，ac0 /清累加器ac0itd aiw0，ac0 /把整数转化为双整数（设采集数据通道地址为aiw0）dtr ac0，ac0 /把双整数转化为实数(2) 将实数格式的工程实际值转化为0.0，1.0之间的无量纲相对值，用下式来完成这一过程：rnorm=（rrawspan）+offset式中：rnorm为工程实际值的归一化值；rraw为工程实际值的实数形式值，未归一化处理。标准化实数又分为双极性(围绕0.5上下变化)和单极性(以0.0为起点在0.0和1.0之间的范围内变化)两种。对于双极性，offset为0.5；对于单极性，offset为0，span表示值域的大小，通常单极性时取32000，双极性时取64000。3、回路控制输出转换为按工程量标定的整数值(1) 用下式将回路输出转换为按工程量标定的实数格式：rscal = (mnoffset ) span式中：rscal为已按工程量标定的实数格式的回路输出；mn为归一化实数格式的回路输出。程序如下：movr vd208，ac0 /将回路输出结果（设table表首地址为vb200）放入ac0-r 0.5，ac0 /对双极性场合减去0.5*r 64 000，ac0 /将ac0中的值按工程量标定(2) 将已标定的实数格式的回路输出转化为16位的整数格式，并输出。trunc ac0，ac0 /取整数dti ac0，ac0 /双整数转换为整数movw ac0，aqw0 /把整数值送到到模拟量输出通道（设为aqw0）2.2.4 异步电机变频调速原理:异步电机调速时，通常希望fm保持不变。因为如果磁通减弱，则没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果磁通增强，又会使铁心饱和，导致励磁电流过大。1、基频以下调速：n nn保持fm不变，可得： 恒压频比控制方式 可知：定子电压/频率f越大，转速n越高。 定子电压/频率f越小，转速n越低。 2、基频以上调速：n nn 此时，转速n再升高，定子电压us不可能超过额定电压。因此，这时只有迫使磁通与转速成反比例降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。 在基频以下，转速改变时转矩恒定，属于“恒转矩调速”； 在基频以上，转速改变时转矩变化，属于“恒功率调速”。2.2.5 异步电机的机械特性: 稳定工作时，负载变化对转速影响不大，当负载转矩增大到最大转矩后，转速会迅速减小，出现拐点。2.3 闭环调速系统的硬件选型基于plc的交流异步电机转速闭环控制系统主要由四个部分构成，即可编程逻辑控制器件plc、触摸屏、变频器和电机机组。通过触摸屏给plc发出相关指令，plc控制变频器，变频器控制电机机组进行变频调速；通过电机机组上的编码器将电机实际转速反馈给plc，经pid调节后输出给变频器，从而实现异步电机的无静差调速。系统硬件组成如下：序号设备厂家型号功能说明plc西门子cpu224xp+em235采集、处理数据触摸屏西门子smart700数据监控变频器西门子mm420拖动异步电机变频调速电机机组天 煌异步电机+直流电机被控对象2.3.1 plc的选用本次实验选用s7-200系列plc，西门子200cpu 224xp cn（6es7 214-2ad23-oxb8）14点数字量输入：模块地址与面板插孔点对点连接（i0.0i0.0）；10点数字量输出：q0.0q0.0、q0.1q0.1；（q0.3q1.1）继电器面板；2路模拟量输入：mm、a+a、b+b（a+/b+对m的电位均为0-10vdc）；1路模拟量输出：mm、ii、vv（i对m输出0-20ma，v对m输出0-10vdc，但v、i只能使用其一，不能同时使用）。2.3.2 扩展em235模块4路模拟量输入：模块地址与面板插孔点对点连接（aiw4-aiw10：rara、a+a+、a-a-、rbrb、b+b+、b-b-、rcrc、c+c+、c-c-、rdrd、d+d+、d-d-）对于电压输入信号，按正、负极直接接入x+和x-；对于电流输入信号，将rx和x+短接后接入电流输入信号的“+”端；未接入传感器的通道要将x+和x-短接。1路模拟量输出：模块地址与面板插孔点对点连接（aqw2：mom、vov、ioi）（io对mo输出0-20ma，vo对mo输出0-10vdc，但vo、io只能使用其一，不能同时使用）2.3.3 西门子smart 700触摸屏西门子公司开发的一种hmi设备(人机接口)。触摸屏与西门子plc200通过rs485进行通讯。触摸屏与电脑通过pc/ppi电缆进行通讯。示意图如下。2.3.4西门子mm420变频器接线端子与面板插线点对点连接：模拟量输入电源：10v+(1)、0v(2)；1个模拟量输入(0v至10v)：ain+(3)、ain-(4)；(该模拟量输入端也可以作为第4个数字输入来使用)；3个数字量输入：din1(5)、din2(6)、din3(7)；数字量输入电源：24v+(8)、0v(9)；1个继电器输出：rl1b(10)、rl1c(11)；1个模拟量输出(0ma至20ma)：aout+(12)、aout-(13);1个rs485串口通讯端子：p+(14)、n-(15)。2.3.5 电机机组该实验台配备一组电机机组，由同轴相连的异步电机和直流发电机组成，实物图如图6所示。2.4 硬件接线3 系统软件设计3.1 变频器参数3.2 触摸屏组态画面 棒图地址：变量1 调速 i/o域：变量1 显示 i/o域：变量3 +1/-1：变量1