全文-基于PLC的多电机同步控制在自动化实践教学中的应用.doc

基于PLC的多电机同步控制在自动化实践教学中的应用刘星桥1，李慧1,2，李景21. 江苏大学 电气信息工程学院, 江苏 212013E-mail: 2. 淮阴工学院 电子与电气学院, 江苏 223003E-mail: lijing_1981_312163.com 摘 要: 随着科学技术的快速发展和机械化程度的日益提高，多电机同步控制在现代生产生活中应用越来越广泛，解决多电机同步控制的问题成为当前电机控制领域的研究热点，在多电机同步调速系统中，由于各同步电机之间存在严重的耦合作用，如何对系统进行解耦控制实现传动电机的高精度速度同步控制是一个亟待解决具有实际工程意义的重要课题。本文采用西门子SIMATIC S7-300为系统的控制核心，以STEP7作为编程环境对系统进行编程，实现同步控制中的速度和张力的采集以及控制策略算法。多电机同步系统本身是一个多输入多输出的复杂非线性时变系统，不定参数多，可以通过不同的控制策略来实现。通过本项目训练可以提高学生对复杂系统控制的感性认识，引导学生对系统进行合理建模，训练学生分析和解决问题的能力。对自动化专业同学，PLC是必修的专业基础课，通过对PLC的电路接线、在线编程以及仿真调试直至最终完成程序的下载，实现直接控制多电机同步协调运转，无形中可以帮助学生提高学习PLC的兴趣，让学生在实际体验中愉快地完成学习，引导学生多思考，将自动控制原理等专业理论知识理解并在实践操作中加以应用。关键词: PLC，多电机同步，自动化，实践教学，编程The application of multi motor synchronous control based on PLC in automation practical teachingLIU Xing-qiao1, LI Hui1,2, LI Jing2 1. School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University ,Zhenjiang 212013, ChinaE-mail: 2. Faculty of Electronic and Electrical Engineering, Huaiyin Institute Of Technology ,HuaiAn 223003, ChinaE-mail: lijing_1981_312163.com Abstract: With the rapid development of science and technology and the increasing degree of mechanization, the application of multi-motor synchronous control in modern production and life has been more and more extensive. Solving the problem of multi motor synchronous control has become a hot research topic in the field of motor control.How to decoupling the system and implementing high precision speed synchronous control to the drive motor is an important practical task in multi motor synchronous timing system, because of the coupling effect between the synchronous motor is serious. This paper adopts Siemens SIMATIC S7-300 as the control core, using STEP7 as the programming environment of programming system, realize the acquisition of speed and tension in the system and control strategy. Multi-motor synchronous system itself is a complicated nonlinear MIMO time-varying system, parameter uncertainty, can be finished by different control strategies. Through this training can improve students perceptions of the complex system control, led the student to carray on the reasonable modeling to the system, train the students ability of analyzing and solving problems. To the students of automation, PLC is a required course. by connecting the wires about PLC, programming online , simulating, debugging and till downloading the design, to control multi-motor synchronous driving directly, which can help students improve their interest in learning PLC, and let the students to finish learning pleasantly in the actual experience, and lead the students to think, and let the students to understand the knowledge about the principle of automatic control and other professional theoretical knowledge and to operate in practice.Key Words: PLC, Multi-motor synchronous, automation, practical teaching, programming*此项工作得到江苏高校优势学科建设工程资助项目基金资助，项目批准号：PAPD，NO.6-2011.1 引言可编程程序控制器（PLC）是集计算机技术、电子技术、通信技术和精良工艺制造技术为一体的先进工业控制装置1。随着科学技术的高速发展，PLC技术的应用已经进入日常生活和生产的各个领域2，在高校日常教学中已经得到普及。多电机同步协调控制应用领域广泛，控制理论涉及到的知识面广，设计具有一定的深度，是PLC实践教学很好的工程范例。通过该范例的学习，学生可以熟练操纵PLC软件编程环境STEP7，实现硬件电路的组态，了解项目开发的基本流程，对控制理论在硬件平台上进行验证，深化学生对自动控制理论以及信号等方面理论知识的理解，在一定程度上提升了理论教学的效果。本文主要以多电机同步控制的PLC程序实现为例介绍它在自动化实践教学中的应用。2 系统建模以及PLC编程环境（STEP7）介绍以三电机同步为例，系统硬件模型如图1所示，由三台西门子通用变频器（MMV）分别驱动三台交流感应电机，组成三电机同步系统3。图1 三电机同步控制系统硬件模型图中#1电机为主动电机，#2、#3电机为从动电机，各电机经15:1减速机减速后驱动滚筒运转，三只滚筒由一条胶带相连，通过浮动滚筒的张紧作用产生胶带张力。2.1 多电机同步系统建模 根据三相电机电磁理论以及胡克定律， 可以得到多电机同步控制系统的数学模型：三电机变频同步系统中，采用矢量控制运行模式的变频器时，在d、q两相同步旋转坐标系下,忽略变频器的时滞，采用转子磁场定向控制的d、q同步旋转坐标系下交流多电机同步系统的模型可以简化为4：式中、为电机同步旋转角速度；、为转子电气角速度；、为转子磁链；、为转动惯量；、为负载转矩；、为电机时间常数；、为转子电感；、为转子和定子互感；、为极对数。从以上函数关系可以看出，#1电机速度、张力、这三者之间存在着耦合关系,要实现对三台电机的同步协调控制,就需要对系统中的速度和张力进行解耦5-6。2.2 PLC编程环境介绍SIMATIC S7系列PLC是德国西门子公司于1995年陆续推出的性能价格比较高的PLC系统。S7-300 PLC的主要组成部分有机架（导轨）、电源模块（PS）、CPU、接口模块（IM）、信号模块（SM）、和通信模块（CP）等。STEP7是用于SIMATIC S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表。它是SIEMENS SIMATIC工业软件的组成部分。STEP7以其强大的功能和灵活的编程方式广泛应用于工业控制系统。3 控制策略的PLC实现在PLC编程环境下实现多电机同步控制策略，首先对系统进行硬件电路的组态，然后对系统分模块进行软件程序设计并完成程序调试，最后对实验结果进行分析 3.1 PLC硬件组态与PLC参数配置 根据本课题要求，对系统硬件进行合理组态，选用各种PLC模块：选用CPU型号为315-2DP, 该CPU具有支持MPI通讯的MPI通讯口和支持PROFIBUS-DP通讯的DP通讯口，实现系统中上位机对三台变频器的PROFIBUS现场总线远程控制；同时该CPU模块具有中、大规模的程序存储容量和数据结构。另外配置一个电源模块PS307 10A；一个模拟量输入/输出模块SM335（AI4/AO414/12bit）实现系统输出张力0-5V模拟电压信号的采集；一个数字量输入模块SM331（DI16DC24V，Alarm）实现开关量的输入，对电机进行启停控制；一个高速计数模块FM350-1实现对光电编码器发出脉冲的计数，实现对主电机转速的测量。具体的S7-300主机架硬件组态如图2所示:图2 硬件组态程序界面组态过程如下：1）、1号槽放置PS 307 10A电源模块，当然在STEP7中S7-300电源模块也可以不组态；2）、2号槽放置CPU 315-2 DP模块，该槽只能放置CPU模块，且不能为空；3）、3号槽放置接口模块，该控制系统中的S7-300 PLC站只有主机架，而没有扩展机架，故主机架不需要接口模块，但是3号槽必须留空；4）、411号槽可放置最多8个信号模块、功能模块或通讯处理器，这些模块必须连续排列；在实验硬件系统中在4、5、6号槽分别配置数字量输入输出模块DI16DC24V，Alarm、模拟量输入输出模块AI4/A0414/12Bit、计数器模块FM350-1；在CPU的Object Properties（属性）对话框中，将Cyclic Interrupt（循环中断）选项卡内OB35组织块的循环中断时间设置为100ms，即确定了实验系统的采样周期，其它参数采用默认值。组态CPU时，新建网络PROFIBUS（1），设置PROFIBUS站地址为2。在网络属性中，设置PROFIBUS的传输速率为1.5 Mbps，行规为DP，并将CPU 315-2DP设置为主站。将三台变频器MMV连接到DP网络上作为从站，地址分别设置为7、8和6，变频器用户数据结构选用PPO3型。 3.2 模块化程序设计模块化编程方式将自动化任务分解为能够反映过程工艺、功能或者可以反复使用的小任务块（FC或者FB），再由OB1来调用这些任务块。根据设计思想完成了整个系统的软件编程，得到整个项目的完整程序结构如图3所示。图3 系统程序总体结构图（1）组织块OB100为启动组织块，采用暖启动（Warm restart）模式，用于对系统设备进行初始化操作。其中包括对三台变频器的初始化，设定初始时变频器为停止运行状态，给定频率为0Hz；对计数器模块FM350-1的初始化，指定了计数器模块的地址、计数通道的地址和数据长度。OB1为主循环组织块，运行启动程序后，就开始循环执行OB1。程序流程图如图4所示，OB1的主要功能有：调用功能F10实现PLC和变频器之间的通讯；执行计数模块自带的功能FC0 ，对光电编码器发出的脉冲进行计数；处理定时循环中断组织块OB35。图4 主循环OB1程序流程图OB35为循环中断组织块，是课题软件设计中的核心部分。主要完成速度、张力给定值附值和实际值计算，并调用PID控制器算法功能块FB2、FB3、FB4，及系统运行过程数据的归档功能块FB5，其程序流程图如图5所示：图5 OB35程序流程图（2）功能块介绍功能块FB2、FB3和FB4分别用来实现速度和两个张力的PID控制算法，DB2、DB3和DB4分别为各个对应功能块的背景数据块，用于存储过程数据。记各控制量的给定值为，系统的实际输出为，则式（3.8）PID控制器的完整算法可以改写为7： （4.4）根据编程需要，对上式进行进行离散化。FB5为过程数据归档的功能块，运用STEP7的指针功能将程序执行过程中速度和两个张力的实际采样值分别归档进共享数据块DB20、DB21和DB22，具体归档程序如下： A T 1 /定时器1计时； JCN NEW1 /RLO=0 跳转! JU NEW2 /RLO=1跳转；NEW1: L 0 T #x /使x=0； JU NEW2 NEW2: L P#4.0 L #x *I /归档数据的存储地址在累加器1中； LAR1 /将累加器1的内容装入地址寄存器1； OPN DB 20 /打开速度采样值的存储数据块； L MD 40 T DBD AR1,P#0.0 /存储速度采样值； OPN DB 21 L MD 48 T DBD AR1,P#0.0 /存储张力1采样值； OPN DB 22 L MD 56 T DBD AR1,P#0.0 /存储张力2采样值； L #x L 1 +I T #x /循环变量更新；FC0 为计数模块自带的功能，用于对光电编码器发出的脉冲进行计数；FC4用于将控制器输出的转速值转化成送入变频器的频率值；FC10为三台变频器与PLC的通讯功能，而系统功能SFC14用于读PROFIBUS 从站的数据；SFC15用于将数据写入PROFIBUS从站。 3.3 实验结果分析程序下载到PLC中后对系统进行解耦性能测试，实验结果如下：（1）张力恒定速度突加实验：在张力恒定速度发生突变时，保持张力F12给定15kg，张力F23给定10kg恒定不变，初始速度给定200r/min，在80秒时速度给定由200r/min突加到300r/min，采用传统PID控制时的速度和张力的响应曲线如图6所示： 图6 PID控制张力恒定速度突加响应曲线（2）张力恒定速度突减实验：保持张力F12给定15kg，张力F23给定10kg恒定不变，初始速度给定300r/min，在80秒时速度给定从300r/min突减到200r/min，采用PID控制时的速度和张力的响应曲线如图7所示：图7 PID控制张力恒定速度突减响应曲线从实验结果可知，系统输出平稳，在张力恒定时，速度