基于PLC和变频器的多电机同步控制系统的设计

1、7 1.绪论1.1课题研究的背景随着工业的不断发展，对各种机械设备的性能以及产品质量的要求也是越来越拓。在整个生产过程当中，工厂内会有多条产线，一条产线就有多个设备，需要多台电动机。电动机之间可能是单独工作，也可能是相互协作，所以就存在多电机控制的问题。随着当今工业的不断发展，单台电机控制的系统已经满足不了当今的生产的需求。多电机控制系统应运而生。本文在LI前流行的变频调速控制技术基础上，提出了由工控机PLC控制的多电机联动控制方案，文中详细阐述了一台PLC同时控制多台电机的硬件及软件设计，并重点分析了实现原理和方案特点对各个关键器件的选择都做了详细的说明。文中通过PLC对变频器的控制从而达到

2、对电机的控制LI的，实现对电机运行状态的监控。近年来，plc可谓是发展迅速，应用在生产生活的多个方面，它功能较多、操作起来也比较简单、易上手，也有比较成熟的技术，在工业控制方面大显身手，它已经成为了工业自动化方面的重要手段，所以，本文选择使用PLC来实现对于多电机的控制工作。1.2变频技术及PLC发展趋势科技的不断发展，时代的不断进步，促使了电子技术行业和计算机技术突飞猛进的发展，PLC技术融合了当今时代先进的计算机技术，将这一概念运用到自动控制当中，将其功能不断完善。PLC已经在逻辑、运动、过程和数据处理等方面有了广泛的应用。PLC主要山儿个重要的部分组成：微处理器，也就是我们常说的CPU,

3、在CPU里面包含运算器和控制器；存储器，存放系统程疗;和用户程序；I/O接口，与外设连接的通道；以及电源模块，其基本结构框图如图1-1示。它存储了一些操作指令，这些指令包含逻辑运算、计时、计数、对操作的顺序控制等一系列的操作指令。PLC工作的时候是通过一个内部存储的程序来完成所述方法所需要的操作内容执行的。PLC的主要特点概括如下：PLC的内部集成了很多模块，其中I/O接占了很大一部分；而且PLC的可鼎性和安全性都很高；编程方法简单，容易上手，整个硬件也是比较容易安装的，各个零件比较大众，维修是比较方便的。图1-1PLC的基本结构EPROM1.3研究的目的和意义就U前来说，变频调速技术在多电机

4、控制方面是应用最为广泛的，而且具有很好的发展前途，它的运行效率高、使用范围广而且计算精度高。在整个实现的过程中，应用方法简单易懂、噪音比较小，不需要传感器。PLC,ProgrammableController,就是我们经常提到的可编程控制器，它的存储器，可以将一系列的指令或者代码放进去，通过一些模数转化器设备，将信号输出。和普通的微型计算机一样，也有CPU,还有一些类似于电源模块、I/O模块。PLC的体积很小，非常容易安装，而且消耗的能源也比较小，所以可以广泛的应用于控制系统当中。通过PLC控制变频器可以有效地控制多台电机的运行，可以达到很好的效果，能够有效地应用于实践,具有应用价值和意义。2

5、.系统的总体方案2.1变频器的工作原理异步交流电机转速如公式（2-1）所示，异步电机变频调速特性如图2-1,若额定电流在调速过程中始终能达到，则电机持续稳定运转。调速过程中电机转矩在随定子磁场不断变化，转速低于基频转速时定义为“恒转矩调速J转速高于基频转速时定义为“恒功率调速”。n=-5)=60八(1-s)/p(2-1)，恒转矩调速恒功率调速vflmf】/频率几为定子交流电压频率，为极对数，$为转差率。g为异步电机旋转磁场同步转速。Ui（定子相电）%变频器即按照不同应用场合需求将公共工频电源转换成不同频率的交流电源，来实现对不同设备的调压调速等功能。结构如图2-2,其主要山工频整流、直流电路及

6、逆变交流电路三部分构成。图2-1异步电动机变频调速控制特性77根据以往的工程经验，我们选择常用的西门子的变频器，型号是M420系列的，该变频器采用当今技术流行的磁通矢量控制方式，该方式可以实现自动调整频率的功能，调整的速率比为1:120，转换为频率为0.5-60HZ，变频器的风扇扇叶和接线端子都是可以拆卸的，维护起来更加方便,运行起来噪音也很小，里面配置了RS485通信口，在多种场合都 可以使用，图23就是西门子M420变频器。图2-3MicroMaster4202.2PLC控制变频调速系统原理PID控制器有三个参数控制，就是名字当中的P、I、D,简单来说就是这三个参数的一系列变化。其系统原理

7、框图如图2-4所示，将输入信号经过比例、积分、微分的处理，输入到被控对象当中，在与本身做相关运算，得到输出信号。比洌；J一q积分十被控对象微分图24PID控制系统原理图其控制规律为：Tdde(t)ut=+d(2-2)其中的参数有比例增益K-就是图中的比例模块；积分模块的时间常数7；和微分模块的时间常7；，在实际工程中，使用上述的这三个参数乂来描述对控制系统的影响。PLC内部的高速计数模块会返回一个具体的速度值，我们将这个速度值与给定的速度进行比较，汁算之间的误差，不断调整误差，得到控制量，将得到控制量经山PLC内部的宙传送到变频器当中。变频器就会根据得到的信号来驱动交流电机，不同的控制量，就会

8、得到电机不同的转速。PLC内部和变频器之间只是通过串来通信，具体的变频调速系统框图如图2-5所示。速度RS-485旋转編码器交流电机图2-5变频调速系统框图2.3系统的总体控制方案在实际生产中，通常有两种方案来实现对多台电动机的控制。一种是使用一台变频器来拖动多台电机，通常是拖动两台电机，有时也会连接更多的电机。通过控制一台变频器就可以操作多个相连的电机。山于这种方式只需要一台变频器，所以硬件预算就会减少好多，设备的整体利用率得到明显的提高，但是对电机的数量和分布有比较大的限制。第二种是一个电动机用一个变频器控制，然后再用PLC控制多个变频器，这样整个系统就需要多个变频器，这样的成本较高，但是

9、可以保证设备的正常运行，也提高了生产效率，这种方案适用于一些大厂的流水线，因为他们的生产线的电机较多，可以充分发挥优势，从而提高整个产线的工作效率。所以本文设计的系统就是采用PLC控制多个变频器的方式来控制多个电机。我们来看整个系统所需要的设备，对于PLC我选择上文提到的S7-200,在整个系统当中PLC作为核心单元，在与变频器连接时采用RS-485总线。一般来说，我们都研究两台电机的情况，该系统共有两台变频器，一个变频器控制一个电机，互不干扰。这两个电机的型号，功能我们都不关心，只考虑其中的旋转编码器，因为它的作用是反馈转速信号给变频器和PLCo这个时候，PLC就会根据得到的转速信号来做数据

10、处理，根据内部计算方法得出实际转速和所需要的补偿值。整个系统的运行状态是上位机的监控软件来监控的。同样是经过RS-485总线连接到网络中，监控整个系统变化，来及时作出响应。多电机同 步控制网络如图26所示。图26多电机同步控制网络3.硬件电路的设计3.1PLC的工作原理及功能特点扫描周期包含三个步骤，第一个步骤是输入信号进行采样，第二个步骤是用户编写的程序开始执行，笫三个步骤是刷新输出结果，这三步都是需要完成的，具体执行情况，如图3.1所示。输出刷新输入采样*用户程*序执行*输出*刷新*输入J米样第n-1个扫描周期第n+1个第n个扫描周期,J扫描周期图3JPLC的扫描周期在进行第一步骤的时候，

11、按照逐点逐面的扫描方式对PLC内部进行操作，将用户提供的数据，按照次序录入到系统里。在PLC内部，也可以找到相应的存储单元来将数据保存进去。到了笫二和第三阶段后，就算输入的数据和状态有所改变，映像区的数据也不会改变。它存储了一些操作指令，这些指令包含逻辑运算、计时、计数、对操作的顺序控制等一系列的操作指令。PLC工作的时候是通过一个内部存储的程序来完成所述方法所需要的操作内容执行的。PLC的主要特点概括如下：PLC的内部集成了很多模块，其中I/O接占了很大一部分；而且PLC的可靠性和安全性都很高；编程方法简单，容易上手，整个硬件也是比较容易安装的，各个零件比较大众，维修是比较方便的。3.2PL

12、C控制系统的结构随着PLC在生产系统中，应用越来越广泛，PLC在使用的过程中可以构成多种形式的控制系统，有以下儿种控制系统是比较常用的：（1）单机控制系统个PLC控制一台机器，一个机器也就是一个对象，称之为单机控制系统。它对存储容量要求比较小，不涉及到通信问题，系统简单。（2）集中控制系统台高配置PLC可具备同时控制多个设备的功能，此时PLC作为整个控制系统的控制中心，在控制各设备同时建立各个设备间的通信，具体结构如图3-2所示：图3-2集中控制系统（3）分散控制系统每台PLC单独对应一台设备，不同PLC之间建立通讯实现信息传递，最后由上位机来对整个系统进行调控，两个机器之间互不影响，具体构成

13、如图3-3所示。c中图3-3分散控制系统PLCB控制对象B控制对象A1PLCC3.3可编程控制器的选型在对PLC进行选型时，我们通常综合考虑以下儿个方面：（1）根据我们预先设计好的系统模型，对于I/O点数我们是选定好的，根据点数我们来确定存储器容量。（2）我们在编写程序的时候是需要编程器的，它在现在市场上分为两种，一种是手持方式的，另外一种是通过接连接到计算机上，计算机编写程序之后再传给PLC控制器的；（3）选择合适的通信协议；（4）对于一些不是常用的功能，来考虑是否增加一些新的传感器，完善整个系统；（5）整个工作环境是否对PLC的运行会有所影响，条件是否不适合系统运行；（6）是否有比较大的厂

14、家可以提供技术支持和售后保障。综合以上选型原则进行考虑，我们选择西门子公司的S7-200系列，PLC选用CPU型号为226型号，其具体参数如下表所示表3-1CPU-226参数规格120.5*80*62程序存储区4K数据存储区2560字掉电保持时间/h190本机I/O24入/16出扩张模块数量7高数计数器/单相/双相6路30KHZ/4路20KHZ脉冲输出DC2路20KHZ模拟电位器2实时时钟内置通讯口1RS-485浮点运算有I/O映像器256（128入/128出）布尔指令执行速度037us/指令在上述疋义的个扫描周期内，CPU作流程如图3-4。图34S7-200CPU的扫描过程示意图3.4PLC

15、与变频器的连接PLC与变频器MM420之间的的内部连线如图3-5所示，实际使用过程中就是电缆将两者连接起来，也就是我们在外边看到的情况就如图36所示。PLCMM420a图3-5RS-485接口连线图图3-6PLC与变频器外部接线图3.5PLC与变频器的通讯对于CPU我选择226型号，该型号的PLC在与变频器通信的时候，利用的是其内部的自山通信功能，在将两个设备连接起来，在变频器提供的小键盘上一定要先设置参数，参数设置如下:表3-2变频器设置参数表将驱动恢复为出厂设置P0010=30P0970=l使能对所有参数的读/写访问（专家模式）POOO3=3P0304=380先将参数P010设为1（快速调

16、试模式），再设置参数P3O4,PO3O5=5P305,P307,P310和P311检杳驱动的电机设置，完成参数设置后，P0307=2200需将参数P0010重新设为0。P0310=50P0311=1400设置本地远程控制模式P0700Index0=5在COM链接中设置到USS的频率设定值P1000IndexO=5设垃串行链接参考频率P2OOO=5OHz设置USS标准化P2009IndexO=O设RS-485串波特率P2010Index0=6输入从站地址P2011IndcxO=O设置串行链接超时P2014IndexO=5O从RAM向EEPROM传送数据P0971=l在以前的技术当中，PLC和变频

17、器之间是需要PLC内部的输出信号的，通过这个信号可以操控变频器的启动和停止，整个过程是需要凭借PLC的输出速度来决定的。现在，使用一种规定好的通讯方法，来实现两者之间的交流，I/O分配如表3-3所示。表3-3PLC输入输出分配表输入输出地址功能连接项地址功能连接端口10.0正转SB1Q0.0正转M010反转SB2Q0.1反转Ml10.2自动运转SB3Q0.2自动运转M2103停止SB4Q0.3故障M310.4故障RA西门子S7-200PLC控制变频器的主要电路图3-7所示。反怖吕曲S7-200QO.O00/00.410,0图3-7PLC和变频器接线电路3.6PLC与监控计算机通讯的实现在PLC

18、与变频器实现通信之后，PLC与我们的本地计算机也是要进行通讯连接的。SIEMENS对其开发的PLC是提供组态软件的，但是对于我们用户来说，却不是很合适的。我们在开发的时候，通常选择自定义的通信协议，这就要用到PLC的自由端模式，这给我们提供了方便，而且开发成本也就相应的降低了。一般情况下，采用梯形图来实现自山端模式下的自定义通信协议的。上位机和PLC通信的接线如图3-8所示，PLC的接收数据的引脚与上位机的发送数据引脚相连，同样PLC的发送数据引脚与上位机的接收数据引脚连接起来，两者的地线相连，也就是PLC的GND与上位机的GND连接。这样就完成PLC与监控计算机的硕件连接。图3-8上位机和P

19、LC通信的接线示意图我们选用的PLC对使用用户提供了自由通信模式，用户可以自己定义通信协议，用户可以根据实际需求来实现各种类型的设备之间的通信。该模式支持ASCII码。物理计算机是整个系统的主站，通过计算机来对整个系统的设备进行操控，利用PLC的寄存器进行读写操作。计算机通过本机的串像plc发送指令，CPU对得到的指令进行编码处理，得到的译码对PLC会对下边的设备作出反应。指令格式的说明如表3-4所示。表3-4上位机指令格式ByteO起始字符Bytel指令类型（读/写）Byte2-Byte3目标PLC站地址（ASCII码）Byte4-Bytel1目标寄存器地址（ASCII码），其中Bytc4-

20、Bytc7表示寄存器类型，Byte8-Bytel1表示寄存器号Bytel2-Bytel9要写入的数据（ASCII码）Byte2O-Byte21校验码（ASCII码）Byte22结朿字符PLC在接到上位机发出的指令后，会作出反应，来告诉PLC已经得到了信号，反馈指令格式说明如表3-5所示。表3-5下位机指令格式ByteO起始字符Bytel状态信息Byte2-Byte9数据区BytelO-Bytell校验码Byte12结朿字符4.软件电路的设计本文设计的系统中，包含两个电机，两个电机运转的时候，会出现两个电机的转速不一样，两个电机的编码器返回的数字信号也不相同，在plc内部的计算模块内，计算出两个

21、电机的转速，从而计算两者的差值。笫一部分的误差计算方面，我们可以得到实际转速之间与预期转速之间的差值，根据差值可以利用生产PLC厂家的内部的指令模块，实际模块运行时，需要两个重要的变量，一个我们预先的设定值，二是系统运行过程中产生的过程量，也就是我们说的反馈值，输岀结果我们不需要考虑，就是系统自己通过计算得到的。在此过程中，需要设定好P、I、D这三个比较重要的参数。4.1PLC控制变频器的程序设讣我们将PLC与变频器连接起来之后、还要将PLC与上位机相连，确保连接成功之后，通电检查是否正常。正常之后，就要启动预先设计好的程序。在PLC内部一般是山子程序来启动整个系统的，从而来实现对变频器的控制

22、。程序流程图如图4-1。具体的通讯程序如下：LDSMO.OMOVB16#49,SMB30MOVB14,POSTLENMOVB16#02.TO-ST-STXAMOVB12,TO-ST-LGE5MOVB0.POSTADR“MOVB255,TCTENIATCHINT4,25ATCHINT6,11RETMOVBBPADR.APO-ST-AIMOVW16#OC7ETO-ST-PZDOCALLSend-BP!RET谓用初始穆用切除电机，设肾标鼻:忑帛动切换定时器畀投入7切除例行处理NM图牛1主控程序流程设定电机速度电机运行子程序MOVBBPADR:TO-ST-ADRSAMOVW16#OC7F,TO-ST-

23、PZDOAMOVW“aBITISP:TO-ST-PZDr,LDW=TO-ST-PZDF16#4000MOVW16#4000.-POST-PZD1CALLSend-BPRET/发送程序SEND-BPMOVD&VB35OO.ACOIfMOVB14,AC1XMTAPO-STLEN:0ATCHINT_0,9MOVB100、廿ATCHINTI,10RET4.2PLC与监控讣算机通讯的实现在PLC与变频器实现通信之后，PLC与我们的本地计算机也是要进行通讯连接的。SIEMENS对其开发的PLC是提供组态软件的，但是对于我们用户来说，却不是很合适的。我们在开发的时候，通常选择自定义的通信协议，这就要用到PL

24、C的自山端模式，这给我们提供了方便，而且开发成本也就相应的降低了。一般情况下，采用梯形图来实现自由端口模式下的自定义通信协议的。上位机在给PLC发送指令的时候，会先给PLC发送一个握手信号；PLC接收到上位机发送的信号后，就会返回一个信号给上位机，这个时候，上位机接收到PLC反馈的信号时，就会开始发送第一条指令了，以后的指令也是这样发送的。表4-1PLC存储区功能VB100VB104发送数据缓冲区VB200-VB206接收数据缓冲区VB300握手信号VB302回握信号VB401接收数据计数器M1.0开始数据传送M2.0开始握手M2.1握手与数据传输切换根据我们自定义的通讯形式，PLC与计算机之

25、间的通讯会出现问题，为此引入了软件握手这一方法，来保障整个过程的安全与可靠性。图4-2和图4-3所示分别是上位PC机和下位机PLC的通信程序流程。?初始化BOriL按牧数据图4-2PC机通信流程图主要的实现代码如下：MAINLDSM0.1MOVB16#09,SMB30MOVB16#B0,SMB87MOVB16#111,SMB88MOVB中断程序16#79,SMB89INTOLDSMO.OAM2.1延时输出1用亠1?：143PLC通信流程MOVW+&SMW90MOVB150,SMB94MOVD&VB200,AC3ATCHINT_0,8ENIRCVVB200,0SM1.0JLDSMO.OANM2.1SM2.0,lRMl.0,1CRETILDB=VB401,7LDM2.0TONT32,lMOVBSMB2,VB300LDT32RM2.0,lMOV15,SMB34LDB=VB3OOJ5ATCHINT_1,15TONT96,lCRETILDT96LDSM0.1XMTVB301,0MOVD&VB200,AC3MOVB0,VB300MOVW0,VW400SM2.1,lRM2.1,lLDM1.0INTIAM2.1LDSMO.OMOVBSMB2,*AC3DTCH15INCDAC3XMTVB100,0INCWVW4004.3系统调试按照我