基于PLC的变频调速控制系统

课 程 设 计 课程名称课程名称 基于基于 PLC 的变频调速控制系统的变频调速控制系统 课题名称课题名称 专专 业业 班班 级级 学学 号号 姓姓 名名 指导教师指导教师 2013 年年 9 月月 13 主要设计条件 1 设计依据主要参数 1 西门子变频器一台 设计内容与设计要求 一 设计内容 1 变频器的选择设计 2 PLC 的选择设计 3 基于 PLC 的变频器开环调速控制系统的设计 4 基于 PLC 的变频器模拟量闭环调速控制系统的设计 二 设计要求 1 设计思路清晰 给出整体设计框图 2 单元电路设计 给出具体设计思路和电路 3 分析所有单元电路与总电路的工作原理 4 绘制控制系统原理图 PLC 的控制程序设计 5 写出设计报告 2 S7 200PLC 一台 3 交流电动机一台 2 可提供实验 说明书格式 1 课程设计封面 2 任务书 3 说明书目录 4 PLC 变频器的选择及参数设置与操作 5 基于 PLC 的变频器开环调速控制系统 的设计 6 基于 PLC 的变频器模拟量闭环调速控 制系统的设计 7 实验调试 实验数据及分析 8 总结与体会 9 附录 完整的总电路图 10 参考文献 10 课程设计成绩评分表 进 度 安 排 第一周星期一 课题内容介绍和查找资料 星期二 总体电路方案确定 星期三 主电路设计 星期四 控制电路设计 星期五 控制电路设计 第二周星期一 控制电路设计 星期二 电路原理及波形分析 实验调 试及仿真等 星期四 五 写设计报告 打印相关图纸 星期五下午 答辩及资料整理 参 考 文 献 1 石玉 栗书贤 电力电子技术题例与电路设计指导 机械工业 出版社 1998 2 王兆安 黄俊 电力电子技术 第 4 版 机械工业出版社 2000 3 浣喜明 姚为正 电力电子技术 高等教育出版社 2000 4 莫正康 电力电子技术应用 第 3 版 机械工业出版社 2000 5 郑琼林 耿学文 电力电子电路精选 机械工业出版社 1996 6 刘定建朱丹霞 实用晶闸管电路大全 机械工业出版社 1996 7 刘祖润 胡俊达 毕业设计指导 机械工业出版社 1995 8 刘星平 运动控制系统实验指导书 校内 2009 9 刘星平 THPK 2 型工业综合自动化控制装置实训指导书 2009 目目 录录 第一章 系统的功能设计分析和总体思路 1 1 1 概述 1 1 2 系统功能设计分析 2 1 3 系统设计的总体思路 3 第二章 PLC 和变频器的型号选择 4 2 1 PLC 的型号选择 4 2 2 变频器的选择和参数设置 5 2 2 1 变频器的选择 5 2 2 2 变频调速原理 6 2 2 3 变频器的工作原理 7 2 2 4 变频器的快速设置 7 第三章 硬件设计以及 PLC 编程 9 3 1 开环系统硬件设计 9 3 2 开环系统 PLC 程序 9 第四章 基于 PLC 的变频器模拟量闭环调速控制系统的设计 14 4 1 闭环系统硬件设计 14 4 2 闭环系统 PLC 程序 15 第五章 实验调试和数据分析 21 5 1 PID 参数整定 21 5 2 运行结果 22 第六章 总结与体会 23 参考文献 24 电气与信息工程系课程设计评分表 25 1 第一章第一章 系统的功能设计分析和总体思路系统的功能设计分析和总体思路 1 1 概述 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 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 2 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 组态王是海内一 家较有影响力的组态软件开发公司开发的 组态王具有流程画面 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 1 2 系统功能设计分析 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 因此 该系统必须具备以下三个主体部分 控制运算部分 执行 和反馈部分 控制运算主要由 PLC 和变频器来完成 执行元件为变频器和电机 反馈部分主要为速度反馈 3 1 3 系统设计的总体思路 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 具体如下图所示 电机 速度闭环控制的机构控制图 速度给定 速度反 馈信号 PLC PID 变频调速系统 4 第二章第二章 PLCPLC 和变频器的型号选择和变频器的型号选择 2 1 PLC 的型号选择 在 PLC 系统设计时 首先应确定控制方案 下一步工作就是 PLC 工程设 计选型 工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据 PLC 及有关设备 应是集成的 标准的 按照易于与工业控制系统形成一个整体 易于扩充其功 能的原则选型所选用 PLC 应是在相关工业领域有投运业绩 成熟可靠的系统 PLC 的系统硬件 软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应 熟悉可编 程序控制器 功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间 因此 工程设 计选型和估算时 应详细分析工艺过程的特点 控制要求 明确控制任务和范 围确定所需的操作和动作 然后根据控制要求 估算输入输出点数 所需存储 器容量 确定 PLC 的功能 外部设备特性等 最后选择有较高性能价格比的 PLC 和设计相应的控制系统 综合了输入输出 I O 点数 存储器容量 各项控制功能和机型的考虑以 及性价比等各方面的因素 在此我为该系统设计选择了 S7 200 PLC 一台 5 图 2 1 S7 200 PLC 外观图 S7 200 有 5 种 CPU 模块 6 个有 12 种工作方式的高速计数器和两点高速 计数器 和脉冲宽度调制器 直接读写的模拟量 I O 模块 先进的程序结构 灵 活方便的寻址方式以及程序化的 PID 编程控制 强大的通讯功能 它支持多种 通信协议 价格是它在所有品牌在同一功能区内很有竞争力的 最重要的是它 还提供了完善的的网上支持 这些都为实现本系统的设计提供很好的条件和方 便 例如 高速计数器可以用来测速从而实现速度反馈 2 2 变频器的选择和参数设置 2 2 1 变频器的选择 正确选择通用型变频器对于传动系统能够正常运行时至关重要的 首先要 明确使用通用变频器的目的 按照生产机械的类型 调速范围 速度响应和控 6 制精度 启动转矩等要求 充分了解变频器所驱动负载特性 决定采用什么功 能的通用变频器构成控制系统 然后决定选用哪种控制方式最合适 所选用的 通用变频器应是既满足生产工艺要求 又要在技术经济指标上合理 若对通用 变频器选型 系统设计及使用不当 往往会使通用变频器不能正常的运行 达 不到预期目标 甚至引发设备故障 造成不必要的损失 另外 为了确保通用 变频器长期可靠的运行 变频器的地线的连接也是非常重要的 在本系统中 选用了由西门子生产的通用变频器 MM420 变频器 MM420 为我们提供了很好的 BOP 控制面板 图 2 2 变频器 MM420 的 BOP 控制面板及按键功能 2 2 2 变频调速原理 变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的 n 60f 1 s p 对于成品电机 其磁极对数 p 已经确定 转差率 s 变化不大 故电机的转 速 n 与电源的频率 f 成正比 因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步 转速 进而达到异步电机的调试目的 7 2 2 3 变频器的工作原理 变频器的工作原理是把市电 220V 50Hz 通过整流器变成平滑直流 然后利用半导体器件 GTO GTR 或 IGBT 组成的三相逆变器 将直流电变 成可变电压和可变频率的交流电 2 2 4 变频器的快速设置 如果所用的变频器刚刚出厂的变频器 则需对它进行快速调试 试验中 用到的变频器都已经完成了快速调试 序号序号变频器参数变频器参数出厂值出厂值设定值设定值功能说明功能说明 1P0304230380电动机的额定电压 380V 2P03053 250 35电动机的额定电流 0 35A 3P03070 750 06电动机的额定功率 60W 4P031050 0050 00电动机的额定频率 50Hz 5P031101430电动机的额定转速 1430 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 8 P0010 0 准备 图 2 2 变频器的快速设置 9 第三章第三章 硬件设计以及 PLC 编程 3 1 开环系统硬件设计 没有反馈信息的比较 通过直接给定控制信息的控制调速系统称之为开环 调速系统 其控制思想的结构框图如下图所示 PLC变变变变变变 变变变变 变变 图 3 1 开环调速控制系统 依据开环调速控制系统框图 连接 PLC 和变频器 图 3 2 开环调速控制系统硬件连接图 3 2 开环系统 PLC 程序 系统采用开环控制方式来控制电机的调速 在编写程序的时候可以分为三 部分 主程序 中断程序和子程序 10 主程序 主程序 主要是用来启动中断程序以及控制量的输入和输出 中断程序 中断程序 调用 PID 指令进行运算以及数据类型的转换 子程序 子程序 设置 PID 控制的参数 主程序 11 中断程序 12 子程序 13 图 3 3 开环调速控制系统 PLC 程序 14 第四章 基于 PLC 的变频器模拟量闭环调速控制 系统的设计 4 1 闭环系统硬件设计 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 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 PLC变变变变变变 变变变变 变变 变变变变 图 4 1 闭环调速控制系统 依据闭环调速控制系统框图 连接 PLC 和变频器 图 4 2 闭环调速控制系统硬件连接图 15 闭环调速控制系统采用 EM235 模拟量扩展模块 模拟量模块中的电压输 入端 A A 端连接到导轨的转速输出端 再将模拟量模块中的电压输入端 B B 端连接到直流可调电源的输出端 作为设定值 另外二个输入端的 端连 到 R 端上并且接电源的 M 端 模拟量输出端接到变频器挂箱的 AIN AIN 脚 此时模拟量输入满量程为 10V 因此对应的分辨率配置开关为 同时 PLC 的输 出端 Q0 0 连接变频器的 DN1 端 完成闭环调速控制系统的硬件连接 4 2 闭环系统 PLC 程序 主程序 16 17 中断程序 18 19 子程序 20 图 4 3 闭环调速控制系统 PLC 程序 21 第五章第五章 实验调试和数据分析实验调试和数据分析 5 1 PID 参数整定 PID 参数整定方法就是确定调节器的比例系数 P 积分时间 Ti 和和微分时 间 Td 改善系统的静态和动态特性 使系统的过渡过程达到最为满意的质量指 标要求 一般可以通过理论计算来确定 但误差太大 目前 应用最多的还是 工程整定法 如经验法 衰减曲线法 临界比例带法和反应曲线法 经验法又叫现场凑试法 它不需要进行事先的计算和实验 而是根据运行 经验 利用一组经验参数 根据反应曲线的效果不断地改变参数 对于温度控 制系统 工程上已经有大量的经验 其规律如下表所示 被控变量规律的选择比例度积分时间 分钟 微分时间 分钟 速度滞后较大 20 603 100 5 3 实验凑试法的整定步骤为 先比例 再积分 最后微分 1 整定比例控制 将比例控制作用由小变到大 观察各次响应 直至得到反应快 超调小 的响应曲线 2 整定积分环节 先将步骤 1 中选择的比例系数减小为原来的 50 80 再将积分时间置 一个较大值 观测响应曲线 然后减小积分时间 加大积分作用 并相应调整 比例系数 反复试凑至得到较满意的响应 确定比例和积分的参数 3 整定微分环节环节 先置微分时间 TD 0 逐渐加大 TD 同时相应地改变比例系数和积分时间 反复试凑至获得满意的控制效果和 PID 控制参数 22 5 2 运行结果 此次是速度的 PID 控制 速度反馈具有比较严重的滞后性 所以一般为了 增强系统动态响应 比例 积分 微分全投入使用 经过多次参数设定比较后 当设定比例系数 P 为 10 积分时间 I 为 0 15 微分时间 D 为 0 01 时 系统能 得到比较满意的控制效果 给定电压和速度反馈电压之间相差在 0 02V 以内 达到预期要求 23 第六章第六章 总结与体会总结与体会 经过近两个星期的努力 我的运动控制课程设计终于完成了 在这两周的 课程设计中 我有过不知所措的茫然 有过废寝忘食的专注 有过无从下手的 苦恼 也有过豁然开朗的喜悦 在课程设计期间通过与同学们之间的交流和老 师的指导 使自己学到了不少知识 进一步熟悉和掌握西门子 S7 200 的使用 技术 学习使用变频器控制电机运行 并且深化了我对 PID 控制技术的理解 首先经过这次的运动控制课程设计我感觉以前学过的知识得到了实践的强 化与应用 这样那些知识在我脑子中就更加影响深刻了 然后因为是设计类的 活动 使得我意识到必须要有非常清晰的思维与谨慎的态度才能做好 还有就 是对知识的掌握要扎实到位 如果不了解 根本就无法成功 还有要跟同学很 好的合作才能更快的完成任务 回头去看 通过这次运动控制课程设计 我掌 握了设计这门课程的基本步骤和方法 应该会为将来更高阶的设计打基础 通过这次课程设计 我深刻的体会到了实践和理论的区别与联系 让我明 白怎么样才能把理论应用于实践 在这次课程设计中