基于plc的直流电动机调速控制器设计-毕业设计论文

摘要随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，可编程控制器（PLC）的功能更加的完善，应用更为的广泛，基于PLC的控制系统渐渐成为工业控制系统的主流。本文对基于PLC的直流电机调速控制器进行设计，介绍了直流电动机的PWM控制原理，介绍了PID控制结构，PLC的原理及编程。重点讨论了应用PLC的PID功能指令进行数据运算，实现直流电机的PWM调速控制，并用组态软件（组态王）控制直流电机的启动、停止、正转、反转、转速的微调等功能。关键词：PLC，调速，组态软件II型系统参数的关系有其中，h为中频宽（这里取5）。校验:转速环截止频率为电流环传递函数简化条件转速环小时间常数近似处理条件综上，所有近似处理的条件均满足。转速环的开环传递函数为转速调节器的传递函数为5系统软件设计5.1程序流程图设计如图5-1，摁下启动按钮后，系统开始运行，转速给定后，经过与实际转速的比较，相同则显示在组态王的监控画面中，否则按照实际要求转速调节IGBT的占空比来达到理想的控制要求。图5-1程序流程图5.2PLC硬件配置5.2.1PLC硬件组态配置PLC硬件组态是完成PLC主机对外扩展模块的信息配置，如图5-2所示，首先通过硬件组态右侧树状窗口对首先添加“UR”机架(导轨)按如图顺序添加模块，本系统以经济廉价的S7314C-2DP主机为CPU。图5-2硬件配置信息5.2.2PLC控制电路PLC控制电路由数字量和模拟量构成，如图5-3所示。数字量包括启动按钮输入、停止按钮输入等，模拟量包括转速反馈输入、电流反馈输入和模拟量输入（0~10V)的电压。图5-3PLC控制电路接线图(数字输入及模拟量输入输出)5.2.3PLC地址分配表表5-1数字量、模拟量的输入输出输入注释输出注释I0.0电动机启动PQW752输出0~10V的电压I0.1电动机停止I0.2FC105与FC106中模拟量采集极性I0.3FB41中过程变量设置PIW752转速反馈续表5-1PIW754电流反馈PIW756转速给定5.3PLC程序设计本系统程序部分共分为6个单元分别为：主程序(OB1)、常用功能模块(FC105)、PID调节组织块(OB35)、初始化程序(OB100)、PID系统块(FB41)、背景数据（DB1）构成。SETP7程序块如图5-4所示。图5-4PLC程序块5.4主程序设计5.4.1启动停止程序Network1中为简单的启动停止按钮，SB1启动按钮摁下后，电动机开始运转，SB2停止按钮摁下后，电动机停止。图5-5启动停止5.4.2FC105功能介绍及程序中的应用SCALE接受一个整型值(IN)，并将它转换成为在上限和下限(HI_LIM和LO_LIM)之间的实型值，并且以工程单位表示的。在中OUT将结果写入。SCALE的功能可以参考以下等式：OUT=[((FLOAT(IN)-K1)/(K2-1))*(HI_LIM-O_LIM)]+LO_LIM常数K2和K1根据输入值，设置成UNIPOLAR或者BIPOLAR。UNIPOLAR：假定输入的整型值在0和27648两数之间，那么K2=+27648.0，K1=0.0BIPOLAR：假定输入的整型值在7648与27648两数之间，那么K2=+27648.0，K1=-7648.0如果输入的整型值大于K2，输出(OUT)将钳位于HI_LIM，并且返回错误（1个）。如果输入的整型值小于K1，那么输出将钳位于LO_LIM，并返回错误（1个）。通过设置LO_LIM>HI_LIM即可得到反向的标定。当反向转换被使用时，输入值增加的同时输出值将减小。表5-2为FC105参数参数说明数据类型存储区描述EN输入BOOLQ、D、L、I、M使能的输入端，信号状态为1时就会激活该功能ENO输出BOOLQ、D、L、I、M如果没有错误的执行该功能时，这个使能的输出端信号状态为1IN输入INTQ、D、L、I、M、P、常数想要转换为实型值的输入值（以工程单位表示）续表5-2HI_LIM输入REALQ、D、L、I、M、P、常数上限值（以工程单位表示的）LO_LIM输入REALQ、D、L、I、M、P、常数下限值（以工程单位表示的）BIPOLAR输入BOOLQ、D、L、I、M输入值为双极性（当信号状态为1时）。反之输入值为单极性。OUT输出REALQ、D、L、I、M转换的结果RET_VAL输出WORDQ、D、L、I、M、P如果执行该指令时没有发生错误，将返回值W#16#0000。对于W#16#0000以外的其它值，参见"错误信息"。

错误信息如果输入整型值大于K2，输出(OUT)将钳位于HI_LIM，并返回一个错误。如果输入整型值小于K1，输出将钳位于LO_LIM，并返回一个错误。ENO的信号状态将设置为0，RET_VAL等于W#16#0008输入地址PIW752，转速上下限值0~1500r/min，输出MD20，将转速标定成浮点格式后送到过程变量中去。下面取OB1里的Network1作为例子，如图5-6。图5-6FC1055.4.3PID程序设计本次毕业设计通过PID控制反馈电压，通过调节PWM的占空比来实现对电机的正反转与转速调节，系统通过OB35组织块实现每100毫秒执行一次。PID功能的实现通过系统块FB41实现，FB41为连续控制的PID功能块，用于连续变化的模拟量的控制，FB42与FB41的区别在于前者是离散型的，用于控制开关量，其他二者的许多参数和使用方法都相似或相同。FB41的数据接口如下：表5-3FB41功能块输入接口输入类型功能COM_RSTBOOLPID的重新启动：PID执行重启动的功能（当该位为TURE时），PID内部的参数被复位到原先的默认值；通常在重启动系统时执行扫描周期一次，对于进入饱和状态时的PID如有需要，则退出时用这个位；MAN_ONBOOL手动值为ON时；将MAN的值通过PID功能块直接输出到LMN，PID框图中可以看到；可以说，这个位是PID的自动/手动的切换位；PEPER_ONBOOLON（过程变量外围值）：过程变量即反馈量，可以使用规格化后的PIW值（常用），因此，这个位设为FALSE；P_SELBOOL选择位（比例）：该位ON时，选择P（比例）控制有效；一般选择为有效；续表5-3I_SELBOOL选择位（积分）：该位ON时，选择I（积分）控制有效；一般选择为有效；INT_HOLDBOOL积分保持，不用对它经行设置；I_ITL_ONBOOL积分初值有效，积分初值（I-ITLVAL）变量和这个位对应，当此位ON时，则使用变量积分初值（I-ITLVAL）。一般发现系统反应不够或PID功能的积分值增长比较慢时可以考虑应用积分初值D_SELBOOL选择位(微分)，该位为ON时，选择D（微分）控制有效；一般的控制系统不用；CYCLETIMEPID的采样周期，一般设为200MS；SP_INTREALPID（给定值）；PV_INREALPID的反馈值（也称过程变量）；PV_PERBOOL未经规格化的反馈值，由PEPER-ON选择有效；（不推荐）MANBOOL手动值，当MAN-ON时选择有效；GAINREAL比例增益；TITIME积分时间；TDTIME微分时间；DEADB_WREAL死区宽度；用死区来降低灵敏度的话，输出在平衡点附近就不会产生微小幅度的振荡；LMN_HLMREALPID上极限，一般是100%；LMN_LLMREALPID下极限；一般为0%，如果需要双极性调节，则需设置为-100%；PV_FACREAL比例因子（过程变量）PV_OFFREAL偏置值（过程变量）（OFFSET）LMN_FACREAL比例因子（PID输出值）；LMN_OFFREAL偏置值（PID输出值）（OFFSET）；I_ITLVALREAL积分初值（PID）；当I-ITL-ON选择时有效；DISVREAL扰动量（允许），加入前馈的控制，通常不设置；表5-4FB41功能块输出接口输出类型功能LMNREAL输出（PID）；LMN_PREALPID输出中P的分量；（可用于在调试过程中观察效果）LMN_IREALPID输出中I的分量；（可用于在调试过程中观察效果）LMN_DREALPID输出中D的分量；（可用于在调试过程中观察效果）图5-7FB41内部结构如图5-7所示为FB41系统数据块的内部结果框架。FB41的数据结构不使用的默认功能关闭，本课题只使用FB41的基本功能。图5-8、5-9为本次设计OB35中调用FB41的程序。SP_INT为OB100中传输的MD32中的值，PV_IN为反馈量通过MD20寄存器将已经转换好的浮点数传送进FB41进行偏差计算，GAIN、TI、TD分别为P、I、D的值。LMN将经过PID整定的数值传送至MD26寄存器中。图5-8转速换FB41程序图5-9电流环FB41程序图5-10为输出功能程序块，将结果模拟量输出图5-10模拟量输出6调试6.1组态系统设计6.1.1组态软件的选择组态监控软件是拥有专业性的一款软件。组态软件（每种不同的的软件）只能使用于某种或者一种领域中的使用。组态的概念最开始萌芽于工业用中的计算机控制系统当中，如：PLC（可编程控制器）梯形图组态、人机界面生成的软件；DCS(集散控制系统）组态就叫工控的组态软件。当然，在别的行业当中也存在组态的概念，如PhotoShop，AutoCAD等。他们的区别在于，组态结果（被用于工业控制中所形成的）是用在实时的监控当中的，表面上，组态监控软件工具的执行程序就是执行自己被设定的特定任务。工控的组态软件同时也向我们提供了一些编程手段，一般都是内置编译系统，也支持VB，有的也提供类BASIC的语言，而且现在有些组态监控软件甚至还支持C语言的编译，本次设计因为其分布式存储报警，设备集成能力强，可视化操作界面，历史数据和能够自动建立I/O点，可以与大多数系统和设备互联等特点，所以我们选择组态王软件。下面是我们使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法：(1)构造图形的数据库(2)图形界面硬件的设计(3)与变量的互联和动画的连接的简历(4)运行然后调试当我们使用组态王软件开发监控时，组态王软件具有以下几个特点:(1)可以用组态王软件来实现我们所做的全部实验，我们只要通过已经有的计算机就可以完成自动控制系统的所有实验，从而让我们很大程度上减少了购买仪器的钱。(2)组态王软件监控系统是亚控公司的产品，里面提供中文界面，具有结果可视化、人机界面的环境十分友好等特点。对于我们这种学生用户而言，它的容易学而且操作简单，并且编程也十分简单，修改的时候很灵活与还可以输入参数，可以重复或多次仿真运行，同时实时的插入实时曲线的控件来显示当前参数下的曲线图，这些很强大的功能使组态王6.55监控软件在自动控制的系统实验中能够发挥出理想的成果。在采用组态王开发监控系统编写应用程序的过程中我们还要考虑下面的三个方面：(1)图形，我们是用组态王里面自带的图形画面，从而来模拟仿真真实工业现场中和相对应的工业控制设备。(2)数据，在组态王数据库里新建数据变量，并且用来对应所画画面的各种硬件设备(3)连接，就是变量与画面中硬件的互联，以及怎样让我们可以在控制设备的同时时输入指令和改变参数。6.1.2设备管理本设计组态王通过上位机和PLC建立通讯连接，经过对设备的配置，工程浏览器画面的新建等操作，完成组态王软件对本次设计的监控与运行。如图6-1所示为对设备驱动的配置，我们在PLC中选择西门子PLC，S7-300(MPI)。图6-1对设备驱动的配置图6-2我为设备所选择的连接的串口为COM10，图6-2中设置了设备指定地址为2.0.2，第一个数字为MPI地址号2，第二个数字为CPU所处的机架号为0，第三个数字为CPU所处的槽号为2。选择MPI作为PLC的网络结构，MPI是多点接口（MultiPointInterface)的英文简称，MPI符合RS-485标准，每个S7-300PLCCPU都集成了MPI通信协议，因此，S7-300PLC可以通过MPI简单而方便地组成MPI网络。图6-2选择的连接的串口的配置图6-3设备指定地址的设置6.1.3监控界面设计上位机监控界面，包括直流电机，PLC300，四个IGBT，整流二极管等，建立的画面和实时曲线见下图。图6-4为毕业设计监控画面新建和实时曲线的新建做监控界面的时候，还要对监控界面里的设备经行配置和动画关联，下图6-5为我在数据库，数据词典中对变量的定义，变量类型的选择等。图6-5为变量配置及定义我所做的监控界面，正传启动，反转启动和停止时的情况，详见附录B。6.1.4热键的设计在命令语言中我在监控设计中添加的启动，停止，EXIT的热键设计，通过对帮助和视频资料的了解我知道，组态网软件命令语言是用类似于C的语言，并且支持离散量BOOL型，浮点型float，长整型long，字符串类型string，支持if【条件成立】｛｝else，也支持while【条件满足】的条件循环，所以在我通过对C语言的简单学习，在命令语言中做了一些设计。图6-6为我做的热键设计。图6-6为启动按钮的一个热键设计6.2监控实时曲线的建立及监控我通过对组态王资料的研究及了解，在监控实时曲线画面中，插入了实时曲线和通用空间(KingviewPID)控件，如图6-7所示，并对PID的参数经行了设定，如图6-8，通过监控运行得到了正确的监控实时曲线。图6-7为KingviewPID控件图6-8为KingviewPID及对其参数的关联设定然后点击运行切换到View的模式下经行监控，设定转速为1000r/min，转速从0r/min到1000r/min的实时曲线图如图6-9所示。图6-9为监控中转速达到1000时的画面

7结论本次毕业设计我的题目是基于PLC的直流电动机调速控制系统的设计，并在调试成功，设计中用到了西门子PLCS7-300，脉宽调制器SG3525，IGBT驱动器，12个二极管及监控软件组态王等。设计的主要控制流程为：转速反馈和电流反馈模拟量输入给PLC，然后通过PLCS7-300中的FB41模块，经过里面自带的PID控制输出一个0~10V的电压，然后给脉宽调制器，脉宽调制器通过输入的电压值与锯齿波比较，然后输出PWM脉冲，在通过IGBT驱动电路给四个IGBT晶体管脉冲，通过对占空比的调节实现直流电机的正转、反转与调节。本次设计的主要思路为转速、电流双闭环反馈控制的直流调速系统，通过给可编程控制器PLC300的模拟量输入，再通过第一级的的6个二极管组成的整流器，常采用不可控整流，把提供的交流电整流成直流电；中间部分加上大电容滤波得到稳定的直流电压，在通过4个全控器件，采用PWM调速的方式给直流电机供电，占空比0~0.5时电机反转，0.5~1时电机正转。并通过与PLC里自带的PID功能实现直流电机的调速功能。再通过组态王软件KngView画出了基本的监控画面，并进行了动画的连接和变量的关联，最后通过组态王软件里自带的PID控件完成最后对实时曲线的制作。最后达到了毕业设计的要求。在做毕业设计的过程中，我完成了直流电机系统的结果图、控制的主流程框图、I/O分配表、参数的计算、PLC硬件组态、PLC程序的编写、列出了设备的基本清单。综上所述，本次设计确实实现了基于PLC的控制对直流电机经行了调速，有一定的应用价值。通过这次的毕业设计学习，我对PLC相关知识有了更家深入的了解，本设计涉及到了PLC、电力电子、组态王软件的应用、运动控制等相关的专业知识，还使用到了word、C语言、西门子PLC编程软件等软件知识。通过设计不但对已学的专业知识有了更加深入的了解，同时也学到了以前没学过的知识，大大扩展了自己的知识面。

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