基于PLC的变频调速控制系统

课 程 设 计课程名称 基于PLC的变频调速限制系统课题名称专 业班 级学 号姓 名指导老师2013年 9月 13设计内容与设计要求一．设计内容：变频器的选择设计PLC的选择设计基于PLC的变频器开环调速限制系统的设计基于PLC的变频器模拟量闭环调速限制系统的设计二．设计要求：1． 设计思路清楚，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． 分析全部单元电路与总电路的工作原理，4． 绘制限制系统原理图，PLC的限制程序设计，5． 写出设计报告；主要设计条件1．设计依据主要参数1）西门子变频器一台2）S7-200PLC一台3）沟通电动机一台可供应试验说明书格式1．课程设计封面；2．任务书；3．说明书书目；4．PLC、变频器的选择及参数设置与操作5．基于PLC的变频器开环调速限制系统的设计6．基于PLC的变频器模拟量闭环调速限制系统的设计7．试验调试，试验数据及分析。8．总结与体会；9．附录（完整的总电路图）；10．参考文献；10、课程设计成果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:限制电路设计星期五:限制电路设计；其次周星期一: 限制电路设计星期二：电路原理及波形分析、试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，19982．王兆安 黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，20003．浣喜明 姚为正．电力电子技术．高等教化出版社，20004．莫正康．电力电子技术应用（第3版）．机械工业出版社，20005．郑琼林．耿学文．电力电子电路精选．机械工业出版社，19966．刘定建朱丹霞．好用晶闸管电路大全．机械工业出版社，19967．刘祖润 胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，19958．刘星平．运动限制系统试验指导书．校内，2009刘星平.THPK-2型工业综合自动化限制装置实训指导书.2009目录第一章系统的功能设计分析和总体思路.....................................................................................11.1概述................................................................................................................................11.2系统功能设计分析........................................................................................................21.3系统设计的总体思路....................................................................................................3其次章PLC和变频器的型号选择................................................................................................42.1PLC的型号选择................................................................................................................42.2变频器的选择和参数设置..............................................................................................52.2.1变频器的选择......................................................................................................52.2.2变频调速原理......................................................................................................62.2.3变频器的工作原理..............................................................................................72.2.4变频器的快速设置..............................................................................................7第三章硬件设计以及PLC编程......................................................................................................93.1开环系统硬件设计..........................................................................................................93.2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限制系统的设计...................................................144.1闭环系统硬件设计........................................................................................................144.2闭环系统PLC程序..........................................................................................................15第五章试验调试和数据分析....................................................................................................215.1PID参数整定..................................................................................................................215.2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第一章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。在科学探讨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殊是在国防、汽车、冶金、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。调速限制系统的工艺过程困难多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的限制技术和限制理论。可编程限制器（PLC）可编程限制器是一种工业限制计算机，是接着计算机、自动限制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰实力强，价格便宜，牢靠性强，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爱，因此PLC已在工业限制的各个领域中被广泛地运用。目前在限制领域中，虽然逐步采纳了电子计算机这个先进技术工具，特殊是石油化工企业普遍采纳了分散限制系统（DCS）。但就其限制策略而言，占统治地位的照旧是常规的PID限制。PID结构简朴、稳定性好、工作牢靠、运用中不必弄清系统的数学模型。PID的运用已经有60多年了，有人赞扬它是限制领域的常青树。变频调速已被公认为是最志向、最有发展前景的调速方式之一，采纳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。用户依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限制的专用软件，它们是在自动限制系1统监控层一级的软件平台和开发环境，运用敏捷的组态方式，为用户供应快速构建工业自动限制系统监控功能的、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。对于过去须要几个月的工作，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限制技术的发展，沟通变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用；可编程限制器PLC作为替代继电器的新型限制装置，简洁牢靠，操作便利、通用敏捷、体积小、运用寿命长且功能强大、简洁运用、牢靠性高，经常被用于现场数据采集和设备的限制；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，可实现远程调速限制，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”限制。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，该系统必需具备以下三个主体部分：限制运算部分、执行和反馈部分。限制运算主要由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。21.3系统设计的总体思路系统主要由三个部分构成，即可编程逻辑限制器件PLC、变频器和电机。首先通过设置给定输入给PLC，再通过PLC限制变频器，再经由变频器来限制电机，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：速度给定+PLC（PID）变频调速系统电机速度反馈信号

-速度闭环限制的机构限制图3其次章PLC和变频器的型号选择2.1PLC的型号选择PLC系统设计时，首先应确定限制方案，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，依据易于与工业限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、成熟牢靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和限制要求相适应。熟识可编程序限制器、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，应具体分析工艺过程的特点、限制要求，明确限制任务和范围确定所需的操作和动作，然后依据限制要求，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，最终选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的限制系统。综合了输入输出（I/O）点数、存储器容量、各项限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S7-200PLC一台。4图2-1S7-200PLC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、干脆读写的模拟量I/O模块、先进的程序结构、敏捷便利的寻址方式以及程序化的PID编程限制。强大的通讯功能，它支持多种通信协议。价格是它在全部品牌在同一功能区内很有竞争力的。最重要的是它还供应了完善的的网上支持。这些都为实现本系统的设计供应很好的条件和便利。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，首先要明确运用通用变频器的目的，依据生产机械的类型、调速范围、速度响应和限5制精度、启动转矩等要求，充分了解变频器所驱动负载特性，确定采纳什么功能的通用变频器构成限制系统，然后确定选用哪种限制方式最合适。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、系统设计及运用不当，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牢靠的运行，变频器的地线的连接也是特别重要的。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 为我们供应了很好的BOP限制面板。图2-2变频器MM420的BOP限制面板及按键功能2.2.2变频调速原理变频调速是通过变更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变更不大，故电机的转速与电源的频率f成正比，因此变更输入电源的频率就可以变更电机的同步转速，进而达到异步电机的调试目的。62.2.3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沟通电。2.2.4变频器的快速设置假如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。序号变频器参数出厂值设定值功能说明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(1430r/min)6P100021用操作面板（BOP）限制频率的升降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选择吩咐源（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7P0010=0(打算)图2-2变频器的快速设置8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，通过干脆给定限制信息的限制调速系统称之为开环调速系统。其限制思想的结构框图如下图所示：图3-1 开环调速限制系统依据开环调速限制系统框图，连接PLC和变频器。图3-2 开环调速限制系统硬件连接图3.2开环系统PLC程序系统采纳开环限制方式来限制电机的调速，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。9主程序：主要是用来启动中断程序以及限制量的输入和输出。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：设置PID限制的参数主程序10中断程序11子程序12图3-3 开环调速限制系统PLC程序13第四章基于PLC的变频器模拟量闭环调速限制系统的设计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限制部分，从而调整速度使其能达到设定要求。图4-1 闭环调速限制系统依据闭环调速限制系统框图，连接PLC和变频器。4-2闭环调速限制系统硬件连接图14闭环调速限制系统采纳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,因此对应的辨别率配置开关为010001。同时PLC的输出端Q0.0连接变频器的DN1端。完成闭环调速限制系统的硬件连接。4.2闭环系统PLC程序主程序1516中断程序1718子程序19图4-3 闭环调速限制系统PLC程序20第五章试验调试和数据分析5.1PID参数整定PID参数整定方法就是确定调整器的比例系数 P、积分时间Ti和和微分时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足的质量指标要求。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：如阅历法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。阅历法又叫现场凑试法，它不须要进行事先的计算和试验，而是依据运行阅历，利用一组阅历参数，依据反应曲线的效果不断地变更参数，对于温度限制系统，工程上已经有大量的阅历，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 20~60 3~10 0.5~3试验凑试法的整定步骤为"先比例，再积分，最终微分"。1）整定比例限制将比例限制作用由小变到大，视察各次响应，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足的响应，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，渐渐加大TD，同时相应地变更比例系数和积分时间，反复试凑至获得满足的限制效果和PID限制参数。215.2运行结果此次是速度的 PID 限制，速度反馈具有比较严峻的滞后性，所以一般为了增加系统动态响应，比例、积分、微分全投入运用，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，系统能得到比较满足的限制效果。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。22第六章总结与体会经过近两个星期的努力，我的运动限制课程设计最终完成了。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沟通和老师的指导，使自己学到了不少学问。进一步熟识和驾驭西门子S7-200的运用技术，学习运用变频器限制电机运行，并且深化了我对PID限制技术的理解。首先经过这次的运动限制课程设计我感觉以前学过的学问得到了实践的强化与应用，这样那些学问在我脑子中就更加影响深刻了。然后因为是设计类的活动，