毕业论文-基于可编程控制器的双电机变频控制系统设计

1、基于可编程控制器的双电机变频控制系统设计学 院： 机电工程学院 （系）专 业： 自动化 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 2016-06-17 基于可编程控制器的双电机变频控制系统设计摘 要随着科学技术的飞速发展，我国工业水平有了很大的提高，许多较长的装配线出现在生产过程当中，因此通常要求两台驱动电机速度保持同步。本文介绍了利用西门子MM440变频器、三相交流电动机、频率变送器、常开开关、直流电源和电位器等若干器件，以西门子S7-300 PLC作为控制器的双电机调速控制系统。对主从电动机速度跟随系统进行了创新性设计，可以实现：主电动机速度的直接给

2、定；从电动机速度的及时跟随；主从电动机的正反转切换等。使交流电动机转速同步控制系统的操作性能、控制效果和利用功能等诸多方面得到提高。改善了电动机转速同步控制系统中从电机转速跟随的快速性和准确性以及交流电动机调速系统的稳定性。关键词：PLC；双电机；同步控制- I -The Frequency Conversion Control System of double AC Motor based on PLCAbstractWith the rapid development of science and technology, the industrial level of our countr

3、y has been greatly improved. Many longer assembly lines appear in the production process, So it is usually required to keep the speed of the two driving motor to keep in sync. This paper introduces the use of MicroMaster440 frequency converter, AC motors and frequency transmitter, SIEMENS S7-300PLC

4、as the main control of the dual motor cascade speed control system. The function is: The speed of the main motor is given directly, the speed of auxiliary motor follow the main motor in time, positive and negative switching of master motor and slave motor, and so on. The operation performance, contr

5、ol effect and utilization function of AC motor speed synchronization control system are improved. Improved the speed and accuracy of the motor speed to follow in the synchronous motor speed control system and enhance the stability of speed regulating system of AC motor.Key Words：PLC；Double motors；Sy

6、nchronization controlII- -目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 研究背景和意义11.2 研究内容12 系统结构设计32.1 系统的整体结构32.2 系统设计电路图33 硬件设计53.1 电源模块设计53.2 控制器选择53.2 执行器选择73.3 被控对象84 软件设计104.1 控制系统104.2 PID控制的基本原理114.3 PLC程序设计125 调试及性能分析135.1 软件调试135.2 硬件调试135.3 性能测试13结 论14参 考 文 献15附录A 程序16附录B 实物图21致 谢25- III -1 绪论1.1 研究背景和意义随着国家对

7、科技创新事业的大力支持，我国的科学技术得到了飞速发展，工业化水平稳步快速提升，生产自动化水平显著提高，即将进入工业4.0时代。在现代化的工厂中，越来越多的冗长的流水线逐渐出现，这样就必须由两台甚至更多的电机来驱动生产线的运转，并且由于不同的生产过程在同一条装配输送线上，因此就要求两台电机的速度尽量保持一致，而且在工艺需要改变时，输送线的运转速度应该尽快达到目标速度，并且尽量减少波动的产生。在这样的背景下，双电机变频调速系统逐步展现其独特的优势。首先，主电机的速度可以由人机交互界面直接更改，其次，从电机能够快速、少波动的跟随上主电机，最后，系统具有很好的稳定性1。良好的调速系统能够在能源节约的情

8、况下极大发挥电机的效率，使得所驱动的装配输送线平稳、快速的运行，并且在智能化逐步提高的现代工厂，仅仅需要很少的工人便可通过人工智能设备直接控制整个工厂的运行，大大节约了劳动力的开支，还可以创造很高的经济效益。因此，交流电机调速系统的稳定性与快速性，决定着生产加工过程的安全性与经济效益。1.2 研究内容本设计经过资料的查询和相关文献的阅读，提出如下技术方案。利用西门子MM440变频器、三相交流电动机、频率变送器、常开开关、直流电源和电位器等若干器件，以西门子S7-300 PLC作为控制器的双电机调速控制系统。本设计研究的内容有： 研究交流电机调速系统的硬件结构、工作原理和设计方法，基于西门子S7

9、-300PLC、变频器和交流电机进行外围电路的设计。 利用电机自带的旋转编码器和外接的频率变送器来实现电机转速的采集、转换和传送。 采用电位器来实现输入电压信号的变换，进而转换成电机转速设定值的改变。 使用常开按钮、西门子S7-300PLC以及相关程序的编写来实现电机的正传、反转和停止的控制。2 系统结构设计2.1 系统的整体结构电位器电源频率变送器电源电动机电源变频器电源开关电源电源电源西门子S7-300PLC图2.1 系统整体结构图本文所研究的交流电机调速系统主要是基于西门子S7-300PLC为控制核心实现交流电机正传、反转、加速、减速、停止和跟随等功能。系统总结构图如图2.1所示。西门子

10、S7-300PLC由直流电源供电；频率变送器采集电动机自带的旋转编码器输出的方波信号，转换成电流信号作为电机转速的实时反馈输送给PLC；电位器调节所在回路电压信号，此信号作为电机转速的设定输入PLC；人手按动相关开关即可实现交流电机的正转、反转和停止，旋转电位器即可实现电机的加速和减速；PLC输出控制信号作为变频器的给定驱动交流电动机运转。2.2 系统设计电路图在电气CAD绘图软件中的电路图如图2.2所示。28图2.2 双电机交流调速系统设计3 硬件设计3.1 电源模块设计本设计的电源采用直流电源。利用实验室提供的220V交流电转24V直流电模块进行电源转换。24V直流电源为西门子PLC供电，

11、也可以直接接开关作为西门子PLC中DI接口的输入。3.2 控制器选择核心控制器采用西门子S7-300PLC，这种PLC是一种通用型PLC，具有很多的优点。首先，这种PLC具有很强的适应能力，能广泛的应用于生产制造工程之中。S7-300基于模块化设计，使得扩展起来非常灵活。并且采用标准导轨安装，使得安装、拆卸和维修都很方便。其实物图如图3.1所示2。图3.1 S7-300PLC实物图基于模块化设计的S7-300 PLC系统由导轨和各种模块组成。如图3.2所示，构成系统的主要模块有：中央处理单元、信号模块、通信处理模块、功能模块；辅助模块有：电源模块、接口模块；特殊模块有：占位模块、仿真模块3。图

12、3.2 S7-300模块由于本设计变频器选择命令指令给定源（正转/反转/停止）为I/O段子控制，变频器A的频率给定源为模拟量2通道，所以具体I/O地址分配表如表3.1所示。表3.1 PLC I/O地址分配表编程元件元件地址传感器/执行器说明数字量输入I124.0常开瞬动开关正转启动数字量输入I124.1常开瞬动开关反转启动数字量输入I124.2常开瞬动开关停止数字量输出Q124.0变频器A DIN1接通正转/断开停车数字量输出Q124.1变频器A DIN2接通反转/断开停车数字量输出Q124.2变频器B DIN1接通正转/断开停车数字量输出Q124.3变频器B DIN2接通反转/断开停车模拟量

13、输入PIW754电位器主电机速度给定模拟量输入PIW756频率变送器A主电机速度反馈模拟量输入PIW752频率变送器B副电机速度反馈模拟量输出PQW754变频器A AIN2主电机转速控制模拟量输出PQW752变频器B AIN2副电机转速控制3.2 执行器选择本设计采用的是通用变频器MicroMaster440，MicroMaster440是全新一代模块化设计的多功能标准变频器，它有强大的通讯能力、精确的控制性能、模块化结构设计，具有更多的灵活性，操作方便4。灵活的斜坡函数发生器带有起始段和结束段的平滑特性，防止运行中不应有的跳闸，直流制动和复合制动方式提高制动性能5。用BICO技术，实现I/O

14、端口自由连接。MicroMaster440在作为三相交流电机的驱动设备时，有两种工作方式：一种是单相电源电压额定功率120W，另一种是三相电源电压额定功率11KW。变频器内部由微处理器控制，随着现代科技水平的大幅提高，这种变频器内部采用的是绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件6。因此，在各种驱动系统中运行起来，具有很高的可靠性，并且这种变频器具有多种功能，通过内部参数设置便可以实现功能切换。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，在进行驱动时，可以保证电机平稳的运行，这种变频器还具有很高的安全性，在变频器或电动机出现故障时，可以及时停止工作，大大减少了工程危险的出现7。本设计主要完成三相交流电机的闭环

15、调速，由于变频器相关参数设置的不同，调速方式也有所不同，对变频器的参数设置如表3.2所示。表3.2 变频器参数设置参数号设定值功能描述P00033设置参数访问等级为专家级P01000选择电机的功率单位KW和电网频率单位50HZP02050变频器应用对象恒转矩（压缩机，传送带等）P030001选择电机类型为异步电机P070002选择命令给定源（启动/停止）I/O端子控制P07011接通正转/断开停车P07022接通反转/断开停车P07560单极性电压输入P100007频率给定源：模拟输入2通道P112005电机从静止状态加速到最大频率所需时间P112105电机从最大频率降速到静止状态所需时间3.

16、3 被控对象本系统中被控对象为三相交流异步电动机，型号为LINIX Y90-90，具体参数如下：额定电压380V；频率50/60HZ；额定转速1300转/分；额定功率90W，额定电流0.45A。三相交流异步电动机与单相异步电动机相比，三相电动机运行性能好，调速范围广。按转子结构的不同，三相异步电动机可分为两种：笼式和绕线式。笼式转子的异步电动机具有很多优点：结构简单、运行可靠、价格便宜。主要缺点是调速困难8。绕线式三相异步电动机由于增加了转子绕组和滑环，结构复杂，维护困难，但是启动力矩较大，并可以适当调速9。三相交流电机的调速方式主要有: 变极速调速：改变定子绕组的接线方式之后，笼型电动机定子

17、极对数发生改变，电机的转速就会相应改变。 变频调速：改变电动机输入电源的频率，便可以调节电动机的转速。 串级调速：在绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势，调节附加电势的大小，就可以改变电动机的转差，进而进行调速。 电阻调速：绕线式异步电动机转子串入附加电阻，增大电机的转差率，串入的电阻越大，电动机的转速越低，串入的电阻越小，电动机的转速越高，此种方式资源浪费严重，并且会造成电机发热10。本设计采用变频调速方式，通过控制输入电机的电源频率，改变电机的转速，从而达到调速的目的。4 软件设计本系统采用的STEP7编程软件，此编程软件可以在Windows环境下对西门子PLC进行编程、调试、监控。

18、由于系统设计到数字量和模拟量，所以本系统编程时既使用到数字量编程，又涉及到模拟量编程，模拟量编程时还需要使用PID算法，程序相对较为复杂11。4.1 控制系统控制系统由两个控制器组成，主电机的转速反馈做副控制器的设定。其系统的框图如图4.1所示。-Gm2（S）+Y2Gp2（S）Gv2（S）Gc2（S）-Gm1（S）Y1+Gv1（S）Gp1（S）RGc1（S）图4.1 交流电机调速控制系统程序框图本控制系统中的名词和术语见表4.1。表4.1 控制系统有关名词和术语名词和术语描述示例主被控变量主电机的转速Y1(S)副被控变量副电机的转速Y2(S)主被控对象主电机Gp1（S）副被控对象副电机Gp2（

19、S）主控制器西门子S7-300 PLC中主PID算法Gc1（S）副控制器西门子S7-300 PLC中副PID算法Gc2（S）主执行器西门子MicroMaster440变频器AGv1（S）副执行器西门子MicroMaster440变频器BGv2（S）主测量变送器频率变送器AGm1（S）副测量变送器频率变送器BGm2（S）设定量电位器控制输入到PLC的电压信号R(S)本设计的调节过程如下：电位器给定电压信号，输入到PLC中，经过工程值转换后，作为主PID控制器的SP，主电机的转速经过光电编码器和频率变送器后以电流信号输入到PLC中，经过工程值转换后，作为主PID控制器的PV，这样当主电机转速低于设

20、定值时，PID输出增大，变频器输出电源频率增大，主电机转速升高，达到目标转速后稳定下来。转度过高时，同理。对于副电机，主电机转速经过光电编码器和频率变送器后的电流信号，经过工程值转换，作为副PID控制器的SP，副电机转速经过光电编码器和频率变送器后以电流信号输入到PLC，经过工程值转换，作为副PID控制器的PV，这样当主电机转速改变时，副PID的设定值就会随之改变，同时副PID会及时作出相应的控制信号，对副电机的转速进行调节，达到随时跟随主电机的效果。4.2 PID控制的基本原理PID控制是由反馈系统偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）的线性组合而成，这3中基本的控制规律各有特点，在使用时

21、要注意选择性应用。比例控制：比例控制器在系统控制输入信号E（t）发生变化时，只改变信号的幅值而信号的相位不发生改变，比例控制可以提高系统的开环增益，使系统的快速性变好。该控制方式为主要控制部分。积分控制：积分是一种累加作用，记录系统变化的过往，因此，积分作用反应系统历史对当前的作用，积分作用可以消除系统的静差，提高系统的精确度，但是积分作用过大会使系统反应变慢。微分控制：微分控制器对输入信号取微分，微分反映的是系统偏差变化率，它是一种超前预测性调节，但是微分作用对偏差太过敏感，很小的偏差可能就会因此系统大幅度震荡，因此，程序设计中，通常不使用此控制器14-15。4.3 PLC程序设计根据本系统

22、的要求，程序要实现电机的正传、反转和停止，0V-10V的电压信号作为速度给定信号，4MA-20MA的电流信号最为速度反馈信号输入到PLC。输出0V-10V电压信号控制变频器。为便于参数的整定和程序的顺利运行，程序设计中需要STEP7的系统功能块FC105将模拟量输入信号转换为工程值，然后也需要利用系统功能块FC106将工程值转换成计算机输出信号，经D/A转换后输出模拟量控制信号。系统中提供了连续控制的PID功能模块FB41用于控制连续变化的模拟量，所以在程序编写中可以直接调用。为保证PID的采样周期保持一致，程序编写时在循环中断组织块OB35调用FB41，循环中断时间即为PID的采样周期。其中

23、FB41的调用生成了背景数据块DB120和DB121。5 调试及性能分析5.1 软件调试在将程序编写好时，打开PLC电源发现出现错误警告，程序不能下载，在Step7中进行硬件检测，发现不是软件问题，检查PLC上的MMC卡之后，确认MMC卡损坏，找到实验室老师更换MMC卡，错误警告消除，转为在线模式正常，删除以前的PLC程序，继续下载新程序时发现还是不能成功下载，将PLC于电脑的通信模式进行更改之后，连接成功，将所有的程序块下载之PLC，系统可以工作。系统正常工作之后，观察电机工作状态，发现电机不能转动，转速永远为0，开启Step7在线监视功能，FC105正常，FB41输出永远为0，查阅FB41

24、相关资料，发现FB41生成的背景数据块中，手动端口设置为TRUE，自动端口设置为FALSE，系统不能读取FC105给定的信号，将手动设置为FALSE，自动设置为TRUE，发现电机可以跟随给定。利用电位器改变主电机转速给定时，主电机转速大幅震荡，副电机跟随调节时间很长，超调很大，结合学习过的自动控制原理，计算机控制技术和过程控制相关知识，对PID控制器的参数进行改变，多次试验过后，确定合适参数，最后得到了良好的控制效果。5.2 硬件调试硬件调试的主要任务就是对两个变频器的参数进行设置，阅读变频器的使用说明书后，根据说明书上提供的方法，首先将变频器恢复出厂设置。再复位完成之后，启动快速调试过程。根

25、据电机名牌上所标记的各项参数和设计要求来设置变频器的相关参数，要注意变频器的频率给定源和控制方式都要设置成由PLC给定。完成快速调试并且保存退出后，变频器便可以成功驱动电机了。5.3 性能测试完成了系统的软件调试和硬件调试之后，按下正传开关，变频器工作，主电机稳定正转，副电机跟随。旋转电位器改变主电机速度给定，主电机能及时调整，副电机也可以及时跟随。反转的效果相同。按下停止按钮系统停止工作。结 论本设计以西门子S7-300 PLC为控制核心，通过对输入电压模拟量的转换和电机转速的测速反馈，输出电压控制信号作用于变频器，驱动电机运转。期间遇到了重重困难，但是在老师的帮助下，通过不懈的努力，最终还

26、是完成了设计需求，并且在实验室组装了机柜，做出了实物。交流双电机调速系统已经广泛的应用于现代生产过程当中，但是不得不承认，本次设计的调速系统安全性和抗干扰能力还是不够高，虽然系统功能良好，适用范围非常广泛，但是想要投入生产实践中，还要扩展许多功能。设计一个人机交互界面，使用组态王建立一个系统，能将两台电机的转速提取显示在程序界面上，并且将主电机和副电机的响应曲线显示在程序界面上，这样，调速系统的精确度和响应速度都可以清晰明了的看出，有助于PID相关参数的修改。当然，我们还可以扩展其他功能，完善整个调速系统。提高的过程就是你不断尝试、不断遇到问题和不断解决问题的循环过程。经过此次毕业设计，我对自

27、己和自动化有了全新的认识，对整个控制系统的设计、实现与调试有了更深入的体会。参 考 文 献1 苏琪.PLC控制电机同步技术的应用.山西：中北大学，2014.2 胡建.西门子S7-300 PLC应用教程.北京：机械工业出版社，2014：15-16.3 于海生，丁军航等.微型计算机控制技术.第二版.北京：清华大学出版社，2014:24-28.4 孙浩.西门子MicroMaster440变频器常用参数的设置.辽宁：北方重工集团有限公司重大部件加工分公司，2012.5 MicroMaster440变频器使用说明书.西门子（中国）有限公司，2010.6 工程应用之西门子变频器应用.中国工业自动化培训网，2012.7 王金娥.罗生梅.MicroMaster440变频器实训指导书.北京：北京大学出版社,2012.8 The PWM speed regulation of DC motor based on intelligent control.The 2nd international Conf