plc_第七章_PID和变频器控制课件

1、Date: 2021-10-24 Page: 1CH7PLC的PID及变频器控制电气控制与PLC应用uPIDPID控制控制uPLCPLC实现实现PIDPID控制的方法控制的方法uFX2NFX2N的的PIDPID指令指令uPIDPID参数的整定参数的整定第七章第七章 PLCPLC的的PIDPID及变频器控制及变频器控制 第一节、第一节、PLCPLC的的PIDPID控制控制第二节、第二节、PLCPLC控制变频器的方法控制变频器的方法u变频器概述变频器概述u三菱三菱 VS-616G5VS-616G5变频器外部接线图变频器外部接线图uVS-616G5VS-616G5变频器多级调速的变频器多级调速的PL

2、CPLC控制控制uVS-616G5VS-616G5变频器无级调速的变频器无级调速的PLCPLC控制控制uVS-616G5VS-616G5变频器、变频器、PLCPLC在速度检测和位置控制时的接线在速度检测和位置控制时的接线Date: 2021-10-24 Page: 2CH7PLC的PID及变频器控制电气控制与PLC应用 在工业控制中，在工业控制中，PIDPID控制（比例控制（比例- -积分积分- -微分控制）得到微分控制）得到了广泛的应用，这是因为了广泛的应用，这是因为PIDPID控制具有以下优点：控制具有以下优点： 1 1）不需要知道被控对象的数学模型。实际上大多数工业）不需要知道被控对象的

3、数学模型。实际上大多数工业对象准确的数学模型是无法获得的，对于这一类系统，使用对象准确的数学模型是无法获得的，对于这一类系统，使用PIDPID控制可以得到比较满意的效果。控制可以得到比较满意的效果。 2 2）PIDPID控制器具有典型的结构，程序设计简单，参数调整控制器具有典型的结构，程序设计简单，参数调整方便。方便。 3 3）有较强的灵活性和适应性，根据被控对象的具体情况，）有较强的灵活性和适应性，根据被控对象的具体情况，可以采用各种可以采用各种PIDPID控制的变种和改进的控制方式，如控制的变种和改进的控制方式，如 PIPI、PDPD、带死区的带死区的PIDPID、积分分离式、积分分离式P

4、IDPID、变速积分、变速积分PIDPID等。等。 随着智能控制技术的发展，随着智能控制技术的发展，PIDPID控制与模糊控制、神经网控制与模糊控制、神经网络控制等现代控制方法相结合，可以实现络控制等现代控制方法相结合，可以实现PIDPID控制器的参数控制器的参数自整定，使自整定，使PIDPID控制器具有经久不衰的生命力。控制器具有经久不衰的生命力。 第一节、第一节、PLCPLC的的PIDPID控制控制Date: 2021-10-24 Page: 3CH7PLC的PID及变频器控制电气控制与PLC应用 Date: 2021-10-24 Page: 4CH7PLC的PID及变频器控制电气控制与P

5、LC应用1 1）使用）使用PIDPID过程控制模块。过程控制模块。这种模块的这种模块的PIDPID控制程序是控制程序是PLCPLC生生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需要产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需要设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。但是这种模块的价格昂贵，几路甚至几十路闭环回路。但是这种模块的价格昂贵，一般在大型控制系统中使用。如三菱的一般在大型控制系统中使用。如三菱的A A系列、系列、Q Q系列系列PLCPLC的的PIDPID控制模块。控制模块。2 2）使用）使用PIDPID

6、功能指令。功能指令。现在很多中小型现在很多中小型 PLCPLC都提供都提供PIDPID控制控制用的功能指令，如用的功能指令，如FX2NFX2N系列系列PLCPLC的的PIDPID指令。它们实际上指令。它们实际上是用于是用于PIDPID控制的子程序，与控制的子程序，与A/DA/D、D/AD/A模块一起使用，可模块一起使用，可以得到类似于使用以得到类似于使用PIDPID过程控制模块的效果，价格却便宜过程控制模块的效果，价格却便宜得多。得多。3 3）使用自编程序实现）使用自编程序实现PIDPID闭环控制。闭环控制。有的有的PLCPLC没有有没有有PIDPID过程过程控制模块和控制模块和 PIDPID

7、控制指令，有时虽然有控制指令，有时虽然有PIDPID控制指令，但控制指令，但用户希望采用变型用户希望采用变型PIDPID控制算法。在这些情况下，都需要控制算法。在这些情况下，都需要由用户自己编制由用户自己编制PIDPID控制程序控制程序 Date: 2021-10-24 Page: 5CH7PLC的PID及变频器控制电气控制与PLC应用S1S1指定目标值指定目标值(SV),S2(SV),S2指定测量值指定测量值(PV)(PV)，S3S3指定指定PIDPID运算参数的首运算参数的首址。参数表占用址。参数表占用2525个数据寄存器。个数据寄存器。PIDPID运算后的结果存入运算后的结果存入DD中。

8、中。 PIDPID指令是用来调用指令是用来调用PIDPID运算程序，在运算程序，在PIDPID运算开始之前，应使用运算开始之前，应使用MOVMOV指令指令将参数设定值预先写入对应的数据寄存器中。如果使用有断电保持功能的将参数设定值预先写入对应的数据寄存器中。如果使用有断电保持功能的数据寄存器，不需要重复写入。如果目标操作数数据寄存器，不需要重复写入。如果目标操作数DD有断电保持功能，应有断电保持功能，应使用初始化脉冲使用初始化脉冲M8002M8002的常开触点将其复位。的常开触点将其复位。 Date: 2021-10-24 Page: 6CH7PLC的PID及变频器控制电气控制与PLC应用Da

9、te: 2021-10-24 Page: 7CH7PLC的PID及变频器控制电气控制与PLC应用Date: 2021-10-24 Page: 8CH7PLC的PID及变频器控制电气控制与PLC应用 n 比例系数比例系数K K p p越大，越大，比例调节作用越强，系统的稳态精度越高；但比例调节作用越强，系统的稳态精度越高；但是对于大多数系统，是对于大多数系统，K K p p过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低降低n 积分部分可以消除稳态误差，提高控制精度，积分部分可以消除稳态误差，提高控制精度，但是积分作用的动作但是积分作用的动作缓慢，可能给系统的动态稳定

10、性带来不良影响。积分时间常数缓慢，可能给系统的动态稳定性带来不良影响。积分时间常数T T I I增大时，积分作用减弱，系统的动态性能（稳定性）可能有所改善，增大时，积分作用减弱，系统的动态性能（稳定性）可能有所改善，但是消除稳态误差的速度减慢。但是消除稳态误差的速度减慢。n 微分部分是根据误差变化的速度，提前给出较大的调节作用。微分部分是根据误差变化的速度，提前给出较大的调节作用。微分微分部分反映了系统变化的趋势，它较比例调节更为及时，所以微分部部分反映了系统变化的趋势，它较比例调节更为及时，所以微分部分具有超前和预测的特点。微分时间常数分具有超前和预测的特点。微分时间常数T T D D增大时

11、，超调量减小，增大时，超调量减小，动态性能得到改善，但是抑制高频干扰的能力下降。动态性能得到改善，但是抑制高频干扰的能力下降。n 选取采样周期选取采样周期T T S S时，应使它远远小于系统阶跃响应的纯滞后时间时，应使它远远小于系统阶跃响应的纯滞后时间或上升时间。或上升时间。为使采样值能及时反映模拟量的变化，为使采样值能及时反映模拟量的变化，T T S S越小越好。越小越好。但是但是T T S S太小会增加太小会增加CPUCPU的运算工作量，相邻两次采样的差值几乎没的运算工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，所以也不宜将有什么变化，所以也不宜将T T S S取得过小。取得过小。 Date

12、: 2021-10-24 Page: 9CH7PLC的PID及变频器控制电气控制与PLC应用第二节第二节 PLCPLC控制变频器的方法控制变频器的方法 由电机拖动中交流调速的相关知识可知，变频调速的性能由电机拖动中交流调速的相关知识可知，变频调速的性能最好。变频调速电气传动调速范围大，静态稳定性好，运最好。变频调速电气传动调速范围大，静态稳定性好，运行效率高，是一种理想的调速系统。目前，交流调速系统行效率高，是一种理想的调速系统。目前，交流调速系统的性能已经可以达到或超过直流调速系统。在不久的将来，的性能已经可以达到或超过直流调速系统。在不久的将来，交流变频调速电气传动将替代包括直流调速传动在

13、内的其交流变频调速电气传动将替代包括直流调速传动在内的其他调速电气传动。他调速电气传动。 异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变电机异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变电机的定子电压和频率，必须通过变频装置获得电压和频率都的定子电压和频率，必须通过变频装置获得电压和频率都可调的电源，实现所谓的可调的电源，实现所谓的VVVFVVVF（Variable Voltage Variable Voltage Variable FrequencyVariable Frequency）调速控制，这类能实现变频调速功调速控制，这类能实现变频调速功能的变频调速装置称之为变频器。能的变频调速装置

14、称之为变频器。 随着现代功率电子技术的发展，变频器的性能日新月异，随着现代功率电子技术的发展，变频器的性能日新月异，有调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、有调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、功率因数高、操作方便并且便于同其他设备接口等一系列功率因数高、操作方便并且便于同其他设备接口等一系列优点。优点。一、变频器概述一、变频器概述Date: 2021-10-24 Page: 10CH7PLC的PID及变频器控制电气控制与PLC应用二、三菱二、三菱 VS-616G5变频器外部接线图变频器外部接线图 VS-616G5VS-616G5变频器属于电压变频器属于电压型变频器型变频

15、器, ,它包括了它包括了4 4种控种控制方式：标准制方式：标准V/FV/F控制、带控制、带PGPG反馈的反馈的V/FV/F控制、无传感控制、无传感器的磁通矢量控制和带器的磁通矢量控制和带PGPG反馈的磁通矢量控制反馈的磁通矢量控制. .Date: 2021-10-24 Page: 11CH7PLC的PID及变频器控制电气控制与PLC应用 主电路电源端子主电路电源端子R R、S S、T T经交流接触器和自动空气断经交流接触器和自动空气断路器与电源连接，无需考虑相序。变频器输出电源接路器与电源连接，无需考虑相序。变频器输出电源接到端子到端子U U、V V、W W上。上。 变频器的保护功能动作时，相

16、应的继电器吸合，其常变频器的保护功能动作时，相应的继电器吸合，其常闭触点断开变频器电源侧主电路接触器的线圈电路，闭触点断开变频器电源侧主电路接触器的线圈电路，从而切断变频器主电路的电源。从而切断变频器主电路的电源。 请勿以主电路的通断来进行变频器的运行、停止操作，请勿以主电路的通断来进行变频器的运行、停止操作，必须通过控制电路必须通过控制电路端子端子1 1或端子或端子2 2来操作。来操作。 DCDC电抗器连接端子电抗器连接端子+1+1和和 +2+2是连接改善功率因数是连接改善功率因数用用电抗器电抗器的端子。这两端子在出厂时接有短路片，对的端子。这两端子在出厂时接有短路片，对于于30KW30KW

17、以上变频器需配置以上变频器需配置DCDC电抗器时，卸掉短路片后电抗器时，卸掉短路片后再连接。再连接。 对小容量变频器，内设制动电阻接在对小容量变频器，内设制动电阻接在B1B1和和B2B2端子上。端子上。对较大容量变频器，需连接外部制动电阻时，接在端对较大容量变频器，需连接外部制动电阻时，接在端子子B1B1、B2B2上。上。 变频器必须可靠接地。变频器必须可靠接地。1 1、主电路的连接、主电路的连接Date: 2021-10-24 Page: 12CH7PLC的PID及变频器控制电气控制与PLC应用2 2、控制电路端子的功能说明、控制电路端子的功能说明（1 1）输入信号：）输入信号：包括对运行包

18、括对运行/ /停止、正转停止、正转/ /反转、点动等运行状态进行操反转、点动等运行状态进行操作的数字操作信号。作的数字操作信号。 变频器通常利用继电器接点或者晶体管集电极开路形式得到这些运行信号，变频器通常利用继电器接点或者晶体管集电极开路形式得到这些运行信号，如如PLCPLC的继电器输出电路或的继电器输出电路或PLCPLC的晶体管输出电路。的晶体管输出电路。 PLCPLC的输出端口可以和变频器的上述信号端子直接相连接。的输出端口可以和变频器的上述信号端子直接相连接。（2 2）监测输出信号：）监测输出信号：包括故障检测信号、速度检测信号、频率信号和电包括故障检测信号、速度检测信号、频率信号和电

19、流信号等。分为流信号等。分为开关量检测信号和模拟量检测信号开关量检测信号和模拟量检测信号两种，用来和其他设备配两种，用来和其他设备配合以组成控制系统。合以组成控制系统。 模拟量检测输出信号既可根据需要送给电流表或频率表，也可以送给模拟量检测输出信号既可根据需要送给电流表或频率表，也可以送给PLCPLC的模拟量输入模块。的模拟量输入模块。 开关量检测信号，它们是通过继电器接点或晶体管集电极开路的形式输出，开关量检测信号，它们是通过继电器接点或晶体管集电极开路的形式输出，额定值均在额定值均在24V/50mA24V/50mA之上，完全符合之上，完全符合FXFX系列系列PLCPLC对输入信号的要求，所

20、以可对输入信号的要求，所以可以将变频器的开关量检测信号和以将变频器的开关量检测信号和FXFX系列系列PLCPLC的输入端直接相连接，从而实现的输入端直接相连接，从而实现信号的反馈控制。信号的反馈控制。Date: 2021-10-24 Page: 13CH7PLC的PID及变频器控制电气控制与PLC应用控制电路端子的功能说明控制电路端子的功能说明Date: 2021-10-24 Page: 14CH7PLC的PID及变频器控制电气控制与PLC应用三、三、VS-616G5变频器多级调速的变频器多级调速的PLC控制控制 可以利用可以利用PLCPLC的开关量输入输出模块对变频器的多功能输入端进行控制，

21、的开关量输入输出模块对变频器的多功能输入端进行控制，实现三相异步电动机的正反转、多速控制。实现三相异步电动机的正反转、多速控制。 可以利用变频器的数字操作器对多功能输入、输出端子的功能重新进行可以利用变频器的数字操作器对多功能输入、输出端子的功能重新进行设定设定（表（表7-17-1中为出厂时所设定）中为出厂时所设定）。用数字操作器对参数。用数字操作器对参数H1-01H1-01H1-06H1-06进进行设定，可实现多达行设定，可实现多达9 9段速运行。设定情况如下表所示。段速运行。设定情况如下表所示。 多段速参数的设定多段速参数的设定u设定方法：设定方法：Date: 2021-10-24 Pag

22、e: 15CH7PLC的PID及变频器控制电气控制与PLC应用p点动运转是一种与所设置的加减速时间无关的、单步的、以点动频率运转点动运转是一种与所设置的加减速时间无关的、单步的、以点动频率运转的驱动功能。的驱动功能。p变频器的变频器的5 5、6 6、7 7端子经过功能设定后再通过通断组合，可控制端子经过功能设定后再通过通断组合，可控制8 8挡频率，挡频率，连同端子连同端子8 8对应的点动频率，共可实现对应的点动频率，共可实现9 9段速的控制。段速的控制。p每挡相应的频率可以通过数字操作器对参数每挡相应的频率可以通过数字操作器对参数d1-01d1-01d1-09d1-09的设置而定的设置而定（范

23、（范围围0 0400Hz400Hz）。 多段频率的选择多段频率的选择Date: 2021-10-24 Page: 16CH7PLC的PID及变频器控制电气控制与PLC应用图是利用图是利用FX1N-24MRFX1N-24MR型型PLCPLC和和VS-VS-616G5616G5变频器实现变频器实现9 9段速的硬件接线段速的硬件接线图。图。Y6Y6、Y7Y7、Y10Y10和和Y11Y11全为全为OFFOFF时，电时，电机以频率指令机以频率指令1 1对应的频率运行对应的频率运行（d1-01d1-01设定的值设定的值）；）；Y6Y6为为ONON，而，而Y7Y7、Y10Y10和和Y11Y11全为全为OFF

24、OFF时，电机以频率指时，电机以频率指令令2 2对应的频率运行对应的频率运行（d1-02d1-02设定的设定的值），值），依次类推。依次类推。变频器的数字量检测信号直接和变频器的数字量检测信号直接和PLCPLC的输入端相连。的输入端相连。实际控制中实际控制中9 9段速和所有检测信号段速和所有检测信号未必一定全部采用，需根据具体情未必一定全部采用，需根据具体情况而定。况而定。u应用举例：应用举例：Date: 2021-10-24 Page: 17CH7PLC的PID及变频器控制电气控制与PLC应用四、四、VS-616G5变频器无级调速的变频器无级调速的PLC控制控制n 无级调速是指频率指令信号从

25、变频器的模拟输入端子输入。无级调速是指频率指令信号从变频器的模拟输入端子输入。变频器可以利用自身的频率设定电源来进行频率指令的设变频器可以利用自身的频率设定电源来进行频率指令的设定，如定，如VS-616G5VS-616G5变频器外部接线图所示。在生产实际中，变频器外部接线图所示。在生产实际中，频率指令信号一般来自于调节器或者频率指令信号一般来自于调节器或者PLCPLC。n PLCPLC必须配置模拟量输出模块，将输出的必须配置模拟量输出模块，将输出的0 -10V0 -10V或或4-20mA4-20mA模拟量信号送给变频器相应的电压或电流输入端。模拟量信号送给变频器相应的电压或电流输入端。n 这种

26、这种PLCPLC控制变频器的调速方法，优点是硬件上接线简单，控制变频器的调速方法，优点是硬件上接线简单，可实现无级调速，缺点是可实现无级调速，缺点是PLCPLC的模拟量输出模块价格较高。的模拟量输出模块价格较高。n 系统设计时，须根据变频器的输入阻抗来选择系统设计时，须根据变频器的输入阻抗来选择PLCPLC的模拟的模拟输出模块，输出模块，选用的选用的PLCPLC模拟量输出模块的信号范围和变频模拟量输出模块的信号范围和变频器的输入信号范围一致器的输入信号范围一致。Date: 2021-10-24 Page: 18CH7PLC的PID及变频器控制电气控制与PLC应用五、五、VS-616G5变频器、

27、变频器、PLC在速度检测和位置控制时的接线在速度检测和位置控制时的接线配置专用的高速计数模块和运动控制模块。配置专用的高速计数模块和运动控制模块。选用特殊功能扩展模块，增加系统的硬件选用特殊功能扩展模块，增加系统的硬件投资。投资。将将PLCPLC基本单元内部的内置高速计数器和变基本单元内部的内置高速计数器和变频器的速度卡配合使用，节省硬件费用。频器的速度卡配合使用，节省硬件费用。工业控制中，实现速度和位置的闭环控制方法：工业控制中，实现速度和位置的闭环控制方法：Date: 2021-10-24 Page: 19CH7PLC的PID及变频器控制电气控制与PLC应用u与电机同轴相连的脉冲输出式旋转

28、编码器与电机同轴相连的脉冲输出式旋转编码器PGPG会随着电机的转动而发出相位会随着电机的转动而发出相位互差互差9090的的A A、B B两相脉冲，变频器速度卡两相脉冲，变频器速度卡PG-B2PG-B2能够接收这两相脉冲，并将其能够接收这两相脉冲，并将其转换为与实际转速相应的数字信号送给变频器，变频器将实际速度与内部的转换为与实际转速相应的数字信号送给变频器，变频器将实际速度与内部的给定速度相比较，从而调节变频器的输出频率和电压。给定速度相比较，从而调节变频器的输出频率和电压。u编码器起着检测运行速度、运行位置和运行方向的作用，它和VS-616G5变频器速度卡PG-B2之间用屏蔽电缆相连接，该电

29、缆连接于PG-B2卡上的TA1端子上，TA2端子为两相脉冲的监视输出端子，屏蔽端接在卡上的TA3端子上。TA1端子的1、2分别为给编码器供电的正负电源+12V、0V。 Date: 2021-10-24 Page: 20CH7PLC的PID及变频器控制电气控制与PLC应用u 如果程序中使用的是如果程序中使用的是1 1相相1 1计数计数器计数计数器C235-C245C235-C245中的一个计数器，则中的一个计数器，则TA2TA2端子中只使用一相输出即可，例如使用端子中只使用一相输出即可，例如使用A A相，则把相，则把TA2TA2的的2 2号端子和号端子和PLCPLC的输入端的输入端COMCOM连

30、接，而连接，而TA2TA2的的1 1号端子则需要根据所使用的计数器查号端子则需要根据所使用的计数器查相关相关PLCPLC手册来定，计数器的计数的方向由手册来定，计数器的计数的方向由M8M8的状态来决定。的状态来决定。 如使用如使用C237C237，1 1号端子号端子就需和就需和X2X2连接；连接； 如使用如使用C243C243，1 1号端子号端子就需和就需和X4X4连接。连接。p图为图为FX2N-64MRFX2N-64MR、VS-VS-616G5616G5、PG-B2PG-B2卡和旋转卡和旋转编码器编码器PGPG在某系统中的在某系统中的硬件接线图。硬件接线图。pPG-B2PG-B2卡的卡的TA

31、2TA2输出端输出端子子的使用情况与的使用情况与PLCPLC程序程序中所使用的高速计数器中所使用的高速计数器有关。有关。Date: 2021-10-24 Page: 21CH7PLC的PID及变频器控制电气控制与PLC应用u如果程序中使用的是如果程序中使用的是1 1相相2 2计数计数器计数计数器C246-C250C246-C250中的一个计数器，则中的一个计数器，则TA2TA2端子中也只使用一相输出，以使用端子中也只使用一相输出，以使用A A相为例，同样把相为例，同样把TA2TA2的的2 2号端子和号端子和PLCPLC的输入端的输入端COMCOM连接，而连接，而TA2TA2的的1 1号端子则需要根据所使用的计数器的计号端子则需要根据所使