基于PLC的电机控制系统设计.doc

1 目 录 目 录.1 第一章 绪 论.3 1.1 研究背景及意义 .3 1.2 相关技术简介 .3 1.2.1 变频器的应用与发展概况 .3 1.2.2 plc 技术 .5 1.3 本文设计的主要内容 .6 第二章 变频调速原理.6 2.1 变频器基本结构 .6 2.2 变频调速的基本原理.7 2.3 变频调速的优点.10 第三章 plc 技术 .12 3.1 plc 概述 .12 3.2 plc 的组成及各部分作用 .12 3.3 plc 的工作原理 .15 第四章 实验系统的设计.17 4.1 系统设计功能分析 .17 4.2 plc 和变频器的选择 .17 4.2.1simatic s7-200 介绍 .17 4.2.2 simatic micromaster420 变频器性能介绍 .21 2 4.3 闭环系统设计.22 4.3.1 系统硬件设计.23 4.4 多段速控制设计.28 4.4.1 硬件设计.28 4.5 软件设计 .30 4.5.1 编程软件介绍.30 4.5.2 闭环程序设计 .31 4.5.3 多段速程序设计.34 第五章 实验调试和数据分析.36 5.1 闭环系统 pid 参数整定 .36 5.2 多段速控制分析.38 第六章 总结与体会.38 参考文献.39 致谢.39 3 第一章 绪 论 1.11.1 研究背景及意义研究背景及意义 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。 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。 目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别 是石油化工企业普遍采用了分散控制系统（dcs） 。但就其控制策略而言，占统 治地位的仍旧是常规的 pid 控制。pid 结构简朴、稳定性好、工作可靠、使用 中不必弄清系统的数学模型。pid 的使用已经有 60 多年了，有人称赞它是控制 领域的常青树。 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。 1.21.2 相关技术简介相关技术简介 1.2.11.2.1 变频器的应用与发展概况变频器的应用与发展概况 变频技术是近年来国际家电领域全面开发和应用的一项高新技术，它采用 新型变频器，将50hz的固定供电频率转换为30-130hz的变化频率，实现电动机 4 运转频率的自动调节，达到节能和提高效率的目的。 上世纪70年代初，变频技术迅速发展，已经成为集电力、电子、计算机技 术于一体的高科技产品。全球一些著名的电气公司像西门子、abb、东芝、三菱 等，在这一领域的开发与研究都取得了巨大成就，使得变频调速技术迅速发展 并日渐成熟，它较直流调速系统及其它类型的调速系统有以下3个最突出的特点： 1. 省电节能，可使电耗降低。这是因为，一方面，一个常识性的问题就是 交流电机的效率比其它类型的电机都要高。另一方面，一般的电机控制回路中 都有过流过压失相等安全保护元件，而“变频器一电机”控制回路则没有这些 耗能元件，更不需要像直流调速系统所必备的励磁电源变压器等。 2. 系统造价低。同直流传动系统相对比，异步电机的价格要比直流电机的 价格低130%-350%；另外，技术的发展使得变频器成本逐年下降，现市场价格约 为1000元/千瓦，而直流整流设备110kw容量以下平均每套的价格约为21000元。 因此对于纸机电气传动系统，单机容量不超过160kw，在同样装机容量下，交流 传动系统的造价要比直流传动系统低5%-15%。针对中低档纸机，装机容量不太 大交流调速具有大的价格优势。 3. 维护工作量小。变频器普遍采用大规模、超大规模集成电路，设有附加 的外围元器件，因此从某种意义上说，变频器是免费维护设备。直流电机的维 护周期为 1 个月，而交流电机的维护周期为 3 个月以上，且维护工作量要小的 多。 随着时间的推移，产品不断更新换代，矢量控制(vector control)、igbt(双 极绝缘可关断晶闸管)、操作面板(oprate panel)等新技术不断在变频领域采 用，最明显的特征是变频器的体积在变小，同时功能逐渐增强，维护操作更为 方便。 通用变频器经历了模拟控制、数字控制、数模混合控制，直到全数字控制 的演变，逐步地实现了多功能化和高性能化，进而使之对各类生产机械、各类 生产工艺的适应性不断增强。最初通用变频器仅用于风机、泵类负载的节能调 速和化纤工业中高速缠绕的多机协调运行等，到目前为止，其应用领域得到了 相当的扩展。如搬运机械，从反抗性负载的搬运车辆、带式运输机到位能负载 的起重机、提升机、立体仓库、立体停车厂等都已采用了通用变频器。各类切 5 削机床直到高速磨床乃至数控机床、加工中心超高速伺服机的精确位置控制都 已应用通用变频器。 1.2.21.2.2 plcplc 技术技术 可编程程序控制器(programmable controller)是以微处理器为核心，综合计 算 机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种专为在工业环境下应用而设 计 的计算机控制系统。它采用可编程序的存储器，能够执行逻辑控制、顺序控制、 定时、计数和算术运算等操作功能，并通过开关量、模拟量的输入和输出完成 各 种机械或生产过程的控制。它具有丰富的输入、输出接口，并且具有较强的驱 动 能力，其硬件需根据实际需要选配，软件则需根据控制要求进行设计。 第一台可编程控制器（以下简称 plc）的设计规范是美国通用汽车公司提 出 的。当时的目的是要求设计一种新的控制装置以取代继电器盘，除保留继电器 控 制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代化牛 产 线所要求的时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易 于 与计算机接口、维修方便等诸多高品质与功能。这一设想提出后，美国数字设 备 公司(dec)于 1969 年研制成第一台 plc，型号为 pdp-14，投入通用汽车公司 的生产线控制中，取得了令人满意的效果，从此开创了 plc 的新纪元。到 70 6 年代初，食品、金属和制造等工业部门相继使用 plc 代替继电器控制设备，迈 出了其实用化阶段的第一步。 70 年代中期，由于大规模集成电路的出现，使 8 位微处理器和位片处理器 相 继问世，使可编程控制技术产生了飞跃。在逻辑运算功能的基础上，增加了数 值 运算，提高了运算速度，扩大了输入输出规模。 70 年代末由于超大规模集成电路的出现，使 plc 向大规模、高速性能方向 发展，形成了多种系列化产品，面向工程技术人员的编程语言也发展成熟，出 现了工艺人员使用的图形语言。进入八九十年代后，plc 的软硬件功能进一步 得到加强，plc 已发展成为一种可提供诸多功能的成熟的控制系统，能与其他 设备通信，生成报表，调度产出，可诊断自身故障及机器故障。plc 未来的发 展不仅依赖于对新产品的开发，还在于 plc 与其他工业控制设备和工厂管理技 术的综合。无疑， plc 将在今后的工业自动化中扮演重要角色。在未来的工业 生产中，plc 技术和机器人、cad/cam 将成为实现工业生产自动化的三大支 柱。 1.31.3 本文设计的主要内容本文设计的主要内容 本系统是通过可编程控制器控制三相交流异步电动机的调速功能。具体内 容如下： 1. 阐述通用变频器和 plc 的工作原理； 2. 确定变频器和其他控制设备的型号，并设定变频器的功能参数； 3. 实现调速系统的闭环调速和多段速控制 4. 在实验室进行实验。 第二章 变频调速原理 7 2.12.1 变频器基本结构变频器基本结构 变频器可以分为四个部分，如图 2.1 所示。 步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。主电路包括整 流器、中间直流环节（又称平波回路） 、逆变器。通用变频器由主电路和控制回 路组成。给异 整流器平波电路逆变器m 控制电路 图 2.1 变频器简化结构图 1. 整流器。它的作用是把工频电源变换成直流电源。 2. 平波回路（中间直流环节） 。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感 性负载。无论电动机处于电动状态还是发电状态，起始功率因数总不会等于 1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量 要靠中间直流环节的储能元件电容器或电感器来缓冲，所以中间直流环节实 际上是中间储能环节。 3. 逆变器。与整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频 率的交流功率。逆变器的结构形式是利用 6 个半导体开关器件组成的三相桥式 逆变器电路。通过有规律的控制逆变器中主开关的导通和断开，可以得到任意 频率的三相交流输出波形。 4. 控制回路。控制回路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输 出电路，驱动电路和制动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制， 对整流器的电压控制，以及完成各种保护功能。控制方式有模拟控制或数字控 制。 8 2.22.2 变频调速的基本原理变频调速的基本原理 当在一台三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压时，该电压将产 生 一个旋转磁场，其速度由定子电压的频率所决定。当磁场旋转时，位于该磁场 中的转予绕组将切割磁力线，并在转子绕组中产生相应的感应电动势和感应电 流，而此感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力，即转矩，使转子跟 随旋转磁场旋转当将三相异步电动机绕组的任意两相进行交换时，所产生的 旋转磁场的方向将发生改变。因此，电动机的转向也将发生改变。异步电动机 定了磁场的转速被称为异步电动机的同步转速，其同步转速由电动机的磁极个 数和电源频率所决定： n=60f/p 异步电动机的转速总是小于其同步转速，异步电机的实际转速可由下式给 出： n=n1(1s)=60 f1 (1s)/p (2.1) 式(2.1)中： n电动机的实际转速； f1电动机定子绕组的供电频率； p旋转磁场的磁极对数； s转差率，表示定子旋转磁场的同步转速 n.与 n 的关系。 由上述交流电动机的转速公式(2.1)可以知道要改变转速可以采取以下三种 基本措施：(1)改变转差率 s； (2)改变磁极对数 p； (3)改变电动机的定子供电 频率。调节转差率调速的实质是将输入功率的一部分转化为转差功率以削减轴 上输出功率的大小，迫使电动机运行速度下降。改变电动机的定子供电频率 f(即变频调速)，可使电机始终运行在高效率区，并保证良好的动态性能，是目 前最为广泛使用的调速方式。 在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通量 。为额定值不 变。 9 磁通太弱，没有充分利用电机的磁心，是一种浪费；若要增大磁通，又会 使磁通饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。 对于直流电机来说，励磁系统是独立的，所以只要对电枢反应的补偿合适，保 持西。不变是很容易做到的。在交流异步电机种，磁通是定子和转子合成产生 的。 三相异步电机定子每相电动势的有效值是： (2.2) 1 11 4.44 gnm f n k 式中： 气隙磁通在定了每相中感应电动势有效值； g 定子频率； 1 f 定子每相绕组串联匝数； 1 n 基波绕组系数； 1 n k 每极气隙磁通量； m 由上式可以知道：为了保持电动势的平衡关系，当电源频率改变时，如 1 f 果电源保持不变，那么必然引起气隙磁通的变化，但是的变化都会 g m m 给异步电动机的运行性能带来不良影响。所以要必须保持主磁通不发生改变。 由(2.2)式可以看出，是由和来共同决定的，对和进行适当控制， m g 1 f g 1 f 就可以保持保持额定值不发生改变。但是这种控制受到基频（电机额定 m 1 f 频率)的影响，在（即基频以上 1 f n f 1 f n f 调速控制方式）时，的变化规律不一样。 g 1基频以下调速： 即采用恒定的电动势。由上式可知，要保持不变，但频率从额定值 m 1 f 向下调节时，必须同时降低。 n f g 然而绕组中的感应电动势是难以控制的，但电动势较高时，可以忽略定子 10 绕 组的漏磁阻抗压降，而认为定了相电压e，则得常数。 1 u 1/ uf 低频时，和都较小，定子阻抗压降所占的份量都比较显著，不能再 1 u g 忽 略。这时，可以人为的把电压抬高一些，以便近似的补偿定子压降。带定子 1 u 压降补偿的恒压频比控制特性为 b 线，无补偿的为口线。如图 2.2 所示。 b a u1n f1nf1（频率） u1 定子相电压 图 2.2 恒压频比控制特性 2基频以上调速 在基频以上调速时，频率可以从 f 往上增高，但电压磁通与频率成反比 1 u 的降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。 把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得到异步电动机的变频调速控 制 特性，如图 2.3。如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，则电动机都能在 温升容许的条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。在基频以下，属于 “恒转矩调速”的调速，而在基频以上，基本上属于“恒功率调速” 11 u1n f1（频率） u1 定子相电压 f1n u1 恒转矩调速恒功率调速 图 2.3 异步电动机变频调速特性 2.32.3 变频调速的优点变频调速的优点 使用变频器的优点： 1. 变频调速的节能由于采用变频调速后，风机、泵类负载的节能效果最明 显，节电率可达到 2060，这是因为风机水泵的耗用功率与转速的三次方 成比例，当用户需要的平均流量较小时，风机、水泵的转速较低，其节能效果 也是十分可观的。而传统的挡板和法门进行流量调节时，耗用功率变化不大。 由于这类负载很多，约占交流电动机总容量的 200，它们的节能就具有非 常重要的意义。 对于一些在低速运行的恒转矩负载，如传送带等，变频调速也可节能。除 此之外，原有调速方式耗能较大者(如绕线转子电动机等)，原有调速方式比较 庞杂，效率较低者(如龙门刨床等)，采用了变频调速后，节能效果也很明显。 2. 变频调速在电动机运行方面的优势 12 变频调速很容易实现电动机的正、反转。只需要改变变频器内部逆变管的 开关顺序，即可实现输出换相，也不存在因换相不当而烧毁电动机的问题。 变频调速系统起动大都是从低速开始，频率较低。加、减速时间可以任意 设定，故加、减速时间比较平缓，起动电流较小，可以进行较高频率的起停。 变频调速系统制动时，变频器可以利用自己的制动回路，将机械负载的能 量消耗在制动电阻上，也可回馈给供电电网，但回馈给电网需增加专用附件， 投资较大。除此之外，变频器还具有直流制动功能，需要制动时，变频器给电 动机加上一个直流电压，进行制动，则无需另加制动控制电路。 3. 以提高工艺水平和产品质量为目的的应用 变频调速除了在风机、泵类负载上的应用以外，还可以广泛应用于传送、 卷绕、起重、挤压、机床等各种机械设备控制领域。它可以提高奇特的产成品 率，延长设备的正常工作周期和使用寿命，使操作和控制系统得以简化，有的 甚至可以改变原有的工艺规范，从而提高了整个设备控制水平。 变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微 电子技术和计算机技术的基础上。容易实现对现有电动机的调速控制、可以实 现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制；容易实现电动机的正 反转切换，可以进行高额度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进 行高速驱动。可以实现软起动，减小冲击电流，解决大负载的启动问题。电源 功率因数大，所需容量小，可以组成高性能的控制系统等。变频器保护功能很 强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别(如电网瞬时电压降 低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等)，并立即封锁输出电 压这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。 13 第三章 plc 技术 3.13.1 plcplc 概述概述 可编程程序控制器(programmable controller)是以微处理器为核心，综合 计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种专为在工业环境下应用 而设计的计算机控制系统。它采用可编程序的存储器，能够执行逻辑控制、顺 序控制、定时、计数和算术运算等操作功能，并通过开关量、模拟量的输入和 输出完成各种机械或生产过程的控制。它具有丰富的输入、输出接口，并且具 有较强的驱动能力，其硬件需根据实际需要选配，软件则需根据控制要求进行 设计。 因为早期的可编程序控制器在功能上只能进行逻辑控制，因此也称为 plc (programmable logic controller)，即是可编程逻辑控制器。随着计算机计数 的发展，开始采用微处理器(microprocessor)作为可编程序控制器的中央处理 单元，从而扩大了可编程序控制器的功能，现在的可编程序控制器不仅可以进 行逻辑控制，也可以对模拟量进行控制。 plc 自问世以来，经过几十年的发展，己经成为最受欢迎的工业控制类产 品。它之所以高速发展，除了工业自动化的客观需求外，还有许多独特的优点。 它较 好的解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。 3.23.2 plcplc 的组成及各部分作用的组成及各部分作用 plc 是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按 结构形式的不同，plc 可分为整体式和组合式两类。 整体式 plc 是将中央处理单元(cpu)、存储器、输入单元、输出单元、电源、 通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的 i/0 扩展单元与主机配合 使用。主机中，cpu 是 plc 的核心，i/0 单元是连接 cpu 与现场设备之间的接口 14 电路，通信接口用于 plc 与编程器和上位机等外部设备的连接。 组合式 plc 将 cpu 单元、输入单元、输出单元、智能 i/0 单元、通信单元 等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的 总线相互联系。装有 cpu 单元的底板称为 cpu 底板，其它称为扩展底板。cpu 底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过 10cm。无论哪种结构类型 的 plc，都可以根据需要进行配置与组合。 1. 中央处理单元(cpu) cpu 在 plc 中的作用类似于人体的神经中枢，它是 plc 的运算、控制中心。 它按照系统程序所赋予的功能，整个 plc 的工作过程都是在 cpu 的统一指挥和 协调下进行的。它的主要功能有以下几点： 1）接收从编程器输入的用户程序和数据，送入存储器存储； 2）监测和诊断电源、plc 内部电路的工作状态和编程的语法错误； 3）用扫描的方式接收输入信号，并送入 plc 的数据区(输入映像寄存器) 保存起来； 4）plc 进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解 释和执行，完成用户程序中规定的各种操作； 5）根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器表的内 容，以实现输出控制、制表打印或数据通信等功能； plc 常用的 cpu 有通用微处理器、单片机和位片式微处理器。 通用微处理器常用的是 8 位机和 16 位机，如 8080、8086、m68000、80286 和 80386 等。 单片机常用的有 8031、8051、和 8096 等。 位片式微处理器常用的有 amd2901、amd2903 等。 小型 plc 大多采用 8 位微处理器或单片机，中型 plc 大多采用 16 位微处理 器或单片机，大型 plc 大多采用高速位片式处理器。plc 的档次越高，所用的 cpu 的位数也越多，运算速度也越快，功能越强。 15 图3.1 plc的硬件系统结构框图 2. 存储器 plc 配有 2 种存储器： 1）系统程序存储器； 2）用户程序存储器； 数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储 用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它 还用来存放 a/d 转换得到的数字和数学运算的结果等。 3输入输出(i/o)单元 i/0单元也称为i/0模块。实际生产过程中产生的输入信号多种多样，信号 电平各不相同，而plc所能处理的信号只能是标准电平，因此必须通过输入模块 将这些信号转换成cpu能够接收和处理的标准电平信号。同样，外部执行元件如 电磁阀、接触器、继电器等所需的控制信号电平也千差万别，亦必须通过输出 模块将cpu输出的标准电平信号转换成这些执行元件所能接收的控制信号。所以， i/o模块实际上是cpu与现场输入输出设备之间的连接部件，起着plc与被控对象 间传递输入输出信息的作用。 plc通过i/0单元与工业生产过程现场相联系，输入单元接收操作指令和现 场的状态信息，加控制按钮、操作开关和限位开关、光电管、继电器触点、行 程开关、接近开关等信号，并通过输入电路的滤波、光电隔离和电平转换等将 这些信号转换成cpu能够接收和处理的信号。输出单元将cpu送出的弱电控制信 16 号通过输出电路的光电隔离和功率放大等转换成为现场需要的强电信号输出， 以驱动接触器、电磁阀、电磁铁等执行元件。 4编程器 编程器是plc的最重要的外围设备，也是plc不可缺少的一部分。编程器的 作用是将用户编写的程序下载至plc的用户程序存储器,还可以对用户程序进行 检查、修改和调试，以及在线监视plc的工作状态，内部部件及系统参数。它通 过接口与cpu联系，完成人机对话。 编程器一般分为简易编程器和图形编程器两类。简易编程器功能较少，一 般只能用语句表形式进行编程，通常需要连机工作。简易编程器使用时直接与 plc的专用插座相连接，由plc提供电源。它体积小，重量轻，便于携带，适合 小型plc使用。图形编程器既可以用指令语句进行编程，又可以用梯形图编程； 既可连机编程又可脱机编程，操作方便，功能强，有液晶显示的便携式和阴极 射线式两种。图形编程器还可与打印机、绘图仪等设备连接，但价格相对较高。 通常大中型plc多采用图形编程器。 目前很多plc制造厂家大都开发了计算机辅助plc编程软件，当个人计算机 安装了plc编程支持软件后，可用图形编程器进行用户程序编辑、修改并通过个 人计算机和plc之间的通信接口实现用户程序双向传送、监控plc运行状态等。 5电源部件 plc配有开关式稳压电源的电源模块，用来将外部供电电源转换成供plc内 部的cpu、存储器和io接口等电路工作所需的直流电源。plc的电源部件有很 好的稳压措施，因此对外部电源的稳定性要求不高，一般允许外部电源电压的 额定值在+l0-15的范围内波动。小型plc的电源往往和cpu单元合为一体， 大中型plc都有专用电源部件。 有些plc的电源部件还能向外提供直流24v稳压电源，用于对外部传感器供 电，避免由于外部电源污染或不合格电源引起的故障。为防止在外部电源发生 故障的情况下，plc内部程序和数据等重要信息的丢失，plc还带有锂电池作为 后备电源。 3.33.3 plcplc 的工作原理的工作原理 plc的工作方式：采用循环扫描方式。扫描从第0号存储地址所存放的第一 条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增的方向顺 17 序逐条扫描用户程序，也就是顺序执行程序，直到程序结束，即完成一个扫描 周期，然后再从头开始执行用户程序，并周而复始地重复。 plc开始运行时，首先清除io映像区的内容，然后进行自诊断，自检cpu 及io组件，确认正常后开始循环扫描。每个扫描过程分为三个阶段进行，即 输入采样、程序执行、输出刷新。plc重复执行上述三个阶段，每重复一次的时 间就是一个工作周期(或扫描周期)，如图3.2所示。 图3.2 plc工作周期的三个阶段 1.输入采样阶段 在输入采样阶段，plc以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它 们存i/o映像区中的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷 新阶段。这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，io映像区中的相应 单元的状态和数据也不会改变。 2.程序执行阶段 程序执行阶段，又称程序处理阶段。在程序执行阶段，根据plc梯形图程序 扫描原则，按先左后右，先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。在程序执行 阶段，只有输入映像寄存器区存放的输入采样值不会发生改变，其他各种元素 在输出映像寄存器区或系统ram存储区内的状态和数据都有可能随着程序的执行 随时发生改变。 plc从输入映像寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映 像寄存器读出对应映像寄存器的当前状态。根据用户程序进行逻辑运算，运算 结果再存入有关器件寄存器中。 3.输出刷新阶段 程序执行完毕后，进入输出刷新阶段。然后，将输出映像寄存器区中所有 输出继电器的状态转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使 输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。 18 第四章 实验系统的设计 4.14.1 系统设计功能分析系统设计功能分析 随着电力电子技术以及控制技术的发展，交流变频调速在工业电机拖动领 域得到了广泛应用；可编程控制器 plc 作为替代继电器的新型控制装置，简单 可靠，操作方便、通用灵活、体积小、使用寿命长且功能强大、容易使用、可 靠性高，常常被用于现场数据采集和设备的控制；组态软件技术作为用户可定 制功能的软件开发平台工具，可实现显示电机转速，可实现远程调速控制，在 pc 机上可开发友好人机界面，通过 plc 可以对自动化设备进行“智能”控制。 在此，本次设计就是基于 plc 的变频器调速系统。将现在应用最广泛的 plc 和 变频器综合起来主要功能实现了变压变频调速。电机的正反转，加减速以及快 速制动等。 本系统主要完成异步电机两种调速，由于变频器参数设置的不同，调速方 式也有所不同，分别为变频闭环调速和多段速控制。 4.24.2 plcplc 和变频器的选择和变频器的选择 本设计选用的是西门子公司生产的 simatic s7-200 系列小型 plc 和面向 世界推出的 21 世纪通用型变频器 mm420。 4.2.1simatic4.2.1simatic s7-200s7-200 介绍介绍 s7-200 型 plc 可用于代替继电器的简单控制场合，也可用于复杂的自动 化控制系统。由于它极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其 功能。 本系统中主要选用了simatic s7-200型plc，simatic s7-200可编程序控制 器采用模块化设计，性能范围宽广的不同模板可灵活组合，扩展十分方便。s7- 200 cpu将微处理器、集成电源、输入电路和输出电路集成在一个紧凑的外壳中， 从而形成了一个功能强大的micro plc。在下载了程序之后，s7-200将保留所需 的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备。 19 s7-200plc系统是紧凑型可编程序控制器。系统的硬件构架是由成系统的 cpu模块和丰富的功能扩展模块组成。它能够满足各种设备的自动化控制需求。 应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制相关的工业及民用领域， 包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备、汽车、机器人等 等。如冲压机床、印刷机械、中央空调、电梯控制、运动系统等等。s7-200系 列除了具有plc的基本控制功能以外，还有以下三个方面特点： (1)功能强大的指令集； (2)丰富强大的通信功能； (3)编程软件的易用性； 4.2.1.14.2.1.1 simaticsimatic s7-200s7-200 plcplc 的工作模式的工作模式 s7-200plc具有两种工作模式，分别是：运行(run)模式和停止(stop)模式。 在运行模式下，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能；在停止模 式下，s7-200 cpu不执行用户程序，此时可设置cpu系统的硬件功能，并将用户 程序、数据以及硬件设置信息下载到s7-200cpu。其中用户程序用编程软件创建、 编辑、编译、调试。 cpu模块上的模式开关用于改变和转换s7-200plc的工作模式。开关拨到run 位置时，cpu运行，启动用户程序的运行：当开关拨到stop位置时，cpu停止， 用户程序的运行也相继停止；开关拨到term位置时，不改变当前工作模式。 此外还可以通过step7-micro/win32编程软件控制s7-200cpu的运行和停止。 s7-200cpu前面板上的led显示着当前的工作模式。 s7-200plc通电后，需要对硬件和软件做一些初始化的工作。为了使plc的 输出及时地响应各种输入信号。初始化后，s7-200cpu按照循环扫描的方式，完 成包括执行用户程序在内的各项不同的任务。 s7-200cpu周而复始地分阶段执行一系列任务。任务执行一次称为一个扫描 周期。cpu工作流程如图4.1所示。 20 读输入 执行用户程序 有通信请求？ 处理通信任务 系统自诊断 写输出 yes no 读输入 有通信请求？ 处理通信任务 系统自诊断 写输出 no yes run状态 stop状态 图 4.1 s7-200 cpu 的扫描过程示意图 4.2.1.24.2.1.2 s7-200s7-200 plcplc 网络的通信协议网络的通信协议 s7200cpu支持多种的通信协议。包括通用协议和公司专用协议。专用协 议包括点到点(point-to-point)接口协议(即ppi)、多点(multi-point)接口协 议(mpi)，profibus协议、自由通信接口协议和uss协议。 ppi，mpi，profibus协议在osi七层模式通信结构的基础上，通过令牌环网 实现，令牌环网遵守欧洲标准en50170中的过程现场总线(profibus)标准。这些 协议都是异步、基于字符传输的协议，带有起始位、8位数据、偶校验和一个停 止位。通信帧由特殊的起始和结束字符、源和目的站地址、帧长度和数据校验 组成。如果使用相同的波特率，这些协议可以在一个网络中同时运行，而不相 互影响。 1ppi协议 ppi通信协议是西门子专为s7-200系列plc开发的通信协议，主要用与s7- 200的编程、s7-200系列plc之间的通信以及与hmi产品的通信，可通过普通的两 21 芯屏蔽双绞电缆进行联网。波特率可以设为961kb/s、19.2kb/s和 1875lkb/s。 ppi是一个主从协议。在这个协议中，s7-200一般作为从站，一般不主动发 送信息，只有当主站有请求时才作出响应。如果将s7-200设置为ppi主站模式 (可以由smb30设置)，则这个s7-200 cpu在run模式下可以作为主站，可以利用 网络读写指令(netr、netw)来读写另一个s7-200的数据。当然，当s7-200作为 ppi主站时，仍可以作为其他主站的从站，响应其他主站的请求。 ppi通信协议是一个令牌传递协议，对于一个从站可以响应多个主站的请求， 协议没有限制，但是在没有加中继器的情形下，网络中最多只能有32个主站(包 括编程器、hmi等)。 2mpi协议 s7200可以通过通信接口连接到mpi网上，主要应用于s7-300/400 cpu与 s7-200通信的网络中。应用mpi协议组成的网络，通信支持的波特率为 192kb/s或1875kb/s。通过此协议，实现作为主站的s7-300/400 cpu与s7- 200的通信。在mpi网中，s7-200作为从站，从站之间相互不能通信，s7- 300/400作为主站，当然主站也可以是编程器或hmi产品。 mpi协议可以是主/主协议或主/从协议，协议如何操作有赖于通信设备的类 型，如果是s7-300/400 cpu之间通信，那就建立主/主连接，因为所有s7- 300/400 cpu在网站中都是主站。如果设备是一个主站与s7-200 cpu通信，那么， 就建立主/从连接，因为s7-200 cpu是从站。 3profibus协议 profibus协议通常用于实现分布式i/o设备(远程式i/o)的高速通信，许多 厂家生产类型众多的profibus设备，这些设备包括从简单的输入或输出模块到 电机控制器和可编程控制器，s7-200 cpu可以通过em277 profibus-dp扩展模块 的方法连接至profibus-dp协议支持的网络中。协议支持的波特率为9600kb/s到 12mb/s。 profibus网络通常有一个主站和几个i/o从站。主站通过配置可以知道所连 接的i/o从站的型号和地址。主站初始化网络时核对网络上的从站设备与配置的 从站是否匹配。运行时主站可以像操作自己的i/o一样对从站进行操作，即不断 地把数据写到从站或者读取从站的数据。当dp主站成功地配置一个从站时，它 就拥有了该从站，如果在网络中有另外一个主站，它只能很有限制的访问属于 22 主站的从站数据。 4.2.24.2.2 simaticsimatic micromaster420micromaster420 变频器性能介绍变频器性能介绍 本设计采用的变频器是西门子公司面向世界推出的 21 世纪通用型变频器 mm420。它可实现平稳操作和精确控制，使电动机达到理想输出，这种变频器 不仅考虑了 v/f 控制，而且还实现了矢量控制，通过其本身的自动调谐功能与 无速度传感器电流矢量控制，很容易得到高起动转矩与较高的调速范围。并采 用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（igbt）作为功率输出器件。 因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频 率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器 和电动机提供了良好的保护。 micromaster420 具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的简单的 电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。由于 micromaster420 具有全面 而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系 统。 micromaster 420 既可用于单机驱动系统，也可集成到自动化系统 中。 mm420 变频器的特点如下变频器的特点如下： 主要特性主要特性 1. 易于安装 2. 易于调试 3. 牢固的emc 设计 4. 可由it（中性点不接地）电源供电 5. 对控制信号的响应是快速和可重复的 6. 参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置 7. 电缆连接简便 8. 采用模块化设计，配置非常灵活 9. 脉宽调制的频率高，因而电动机运行的噪音低 23 10.详细的变频器状态信息和信息集成功能 11.有多种可选件供用户选用：用于与pc 通讯的通讯模块，基本操作 （bop） ，高级操作面板（aop） ，用于进行现场总线通讯的profibus讯模块 性能特征性能特征 1.磁通电流控制（fcc） ，改善了动态响应和电动机的控制特性 2.快速电流限制（fcl）功能，实现正常状态下的无跳闸运行 3.内置的直流注入制动 4.复合制动功能改善了制动特性 5.加速/减速斜坡特性具有可编程的平滑功能 6.具有比例，积分（pi）控制功能的闭环控制 7.多点v/f 特性 保护特性保护特性 1.过电压/欠电压保护 2.变频器过热保护 3.接地故障保护 4.短路保护 5.i2t 电动机过热保护 6.ptc 电动机保护 图 4.2 基本操作面板（bop）上的按钮 24 4.34.3 闭环系统设计闭环系统设计 系统主要由三个部分构成，即可编程逻辑控制器件 plc、变频器和电机。 首先通过设置给定输入给 plc，再通过 plc 控制变频器，再经由变频器来控制 电机，随后将电机的转速反馈给 plc，经比较后输出给变频器从而实现无静差 调速。 4.3.14.3.1 系统硬件设计系统硬件设计 4.3.1.14.3.1.1 外部电路设计外部电路设计 构成闭环系统就要把速度信息反馈给输入。速度的测量可以通过光电编码 器和 plc 来实现。 速度采集：s7-200 具有高速脉冲采集功能，采集频率可以达到 30khz，共有 6 个高速计数器（hsc0hsc5）工作模式有 12 种。在固定时间间隔内采集脉冲 差值，通过计算既可以获得电动机的当前转速。 例如： 设采样周期为 100ms 即是每隔 100ms 采集脉冲一次，光电开关每 转发出 8 个脉冲，那么就可以得到速度为 )8601 . 0/(mn 其中 m 为采样周期内接受到的脉冲数。转速的单位为 min/r 。 闭环控制就是将速度信号反馈给 plc，再通过与给定量比较，输出给 pid 控制部分，从而调节速度使其能达到设定要求。 其结构框图如图 4.1 所示： 电机 速度反馈信号 - 速度给定+plc（pid ） 变频调速 25 图 4.3 闭环控制结构框图 硬件接线图如图 4.2 所示： 图 4.4 系统硬件接线图 输入输出分配如表 4.1 所示。 表 4.1 系统的 i/o 分配 plc 信号信号元件及作用 i0.0编码器 pls a+设定值 a-com q0.0din1 模拟量输出 v0ain+ comain- 26 4.3.1.24.3.1.2 变频器参数设置变频器参数设置 变频器参数设置，如表 4.2 所示 表 4.2 变频器参数设置 序号序号 变频器参变频器参 数数 出厂值出厂值 设定值设定值功能说明功能说明 11p0304230380电动机的额定电压( 380v ) 2p03053.250.4电动机的额定电流( 0.4a ) 3p03070.750.18电动机的额定功率( 180w ) 4p031050.0050.00电动机的额定频率( 50hz ) 5p031101400 电动机的额定转速( 1400 r/min ) 6p100021 用操作面板（bop）控制频 率的升降 7p108000电动机的最小频率( 0hz ) 8p10825050.00电动机的最大频率( 50hz ) 9p11201010斜坡上升时间( 10s ) 10p11211010斜坡下降时间( 10s ) 11p070022 选择命令源（ 由端子排输 入 ） 12p0701110正向点动 13p07021211反向点动 14p10585.0030正向点动频率（30hz） 15p10595.0020反向点动频率（20hz） 16p106010.0010点动斜坡上升时间（10s） 17p106110.005点动斜坡下降时间（5s） 注:（1）设置参数前先将变频器参数复位为工厂的缺省设定值； （2）设定p0003=2 允许访问扩展参数； （3）设定电机参数时先设定p0010=1(快速调试),电机参数设置完成设 定p0010=0(准备)； 27 mm420变频器的基本操作（bop）按钮： 图 4.5 变频器的基本操作按钮 2