基于PLC的电机控制器设计

摘要随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速开展，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ABSTRACTWiththepowerelectronictechnology,therapiddevelopmentofcomputertechnology,automaticcontroltechnology,thefunctionoftheprogrammablecontroller(PLC)tobemoreperfect,morewidely,basedonPLCcontrolsystemgraduallybecomethemainstreamofindustrialcontrolsystem.Inthispaper,thespeedcontrollerofdcmotorbasedonprogrammablelogiccontroller(PLC)tocarryonthedesign,introducestheprincipleofPWMcontrolofdcmotor,PIDcontrolstructureispresentedinthispaper,theprincipleofPLCandprogramming.FocusesontheapplicationofPLCPIDinstructionindataoperation,realizePWMspeedregulationofdcmotorcontrol,andconfigurationsoftwarekingview)controlofdcmotorstart,stop,forward,reverse,speedoffine-tuningetc.Function.Keywords:PLC,speedcontrol,configurationsoftware目录1.绪论-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------11.1文献综述----------------------------------------------------------------------------------------------------------11.2选题背景及其意义-------------------------------------------------------22系统方案设计-----------------------------------------------------------32.1直流PWM的选择及设计思路-----------------------------------------------32.2PWM在直流调速系统中的表达---------------------------------------------42.3系统结构设计----------------------------------------------------------52.4系统控制方案设计-------------------------------------------------------73.系统硬件设计----------------------------------------------------------93.1系统设备的选型--------------------------------------------------------94.参数的计算-----------------------------------------------------------114.1电动机额定参数-------------------------------------------------------114.3转速环参数------------------------------------------------------------114.3电流环参数-----------------------------------------------------------12系统软件设计---------------------------------------------------------145.1程序流程图设计-------------------------------------------------------145.2PLC硬件配置----------------------------------------------------------155.3PLC程序设计----------------------------------------------------------175.4主程序设计-----------------------------------------------------------176.调试------------------------------------------------------------------266.1组态系统设计---------------------------------------------------------266.2监控实时曲线的建立及监控---------------------------------------------307.结论------------------------------------------------------------------32参考文献----------------------------------------------------------------33致谢--------------------------------------------------------------------34附录A原理图-----------------------------------------------------------35附录B组态界面--------------------------------------------------------36附录CPLC程序----------------------------------------------------------381绪论1.1文献综述因为直流电动机具有优良的起制动的性能，宜于在广泛的调速范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷机、挖掘机、金属切削机床、造纸机、和高层电梯等，这些需要用到高性能的可控硅电力拖动领域中得到了广泛的应用[1]，近些年来，交流的调速系统开展的很快，而直流拖动控制系统，它在时间上和在理论上都已经比拟成熟，而且我们从反响的闭环控制的角度上来看，它是交流拖动系统中应用的根底，很长一段时间以来，因为直流调速拖动系统的性能指标较优于交流调速系统，所以，直流调速系统始终在调速系统的领域内占据着重要位置[2]。1957年，晶闸管被创造出来，然而到了20世纪的60年代，人们已经产生出了成套的晶闸管整流装置，这使变流技术发生了彻底性的变革[3]，从开始的晶闸管时代到今天，晶闸管---电动机的调速系统成为了直流调速系统的主要形式，V---M系统中的V是晶闸管可控硅整流器，它可以是三相，单相或更多相数，全波，半波，全控，半控等类型[4]，我们可以通过调节触发器装置GT的电压来实现移动触发脉冲的相位，它即可以改变整流电压Ud，从而实现了旋转变流机组拖动变流装置和平滑调速相比，晶闸管整流装置不仅仅在可靠性和经济性上都有了较大的提升，并且在技术性能上也有了自己较大的优越性，晶闸管可控整流器有104以上的功率放大倍数，而且它的门极电流也可以直接用晶体三极管来开展，不再像当初的直流发电机，需要使用功率比拟大的放大装置，对于开展作用的快速性，变流机组是秒级，而晶闸管的整流器是毫秒级，这将会很大的提高系统的动态性能[5]，直流电动机由于它可以简便的通过调节励磁电流和电枢电压来实现直流电机的调速从而得到了普遍的应用，它可以调节电枢串联电阻从而使电枢上的电压改变，这就是最典型的直流电机的调速方法[6]。在20世纪80年代，把晶闸管当作功率开关器件的斩波调速器，因为它的高效、节能、无级而得到了普遍的推广，但是晶闸管的斩波调速器也有它的缺乏之处，那就是一旦触发晶闸管，它的关断必须依赖换流电感和电流电容振荡产生出反压来实现，电感和换流电容增加了装置的本钱，同时也相对增加了换流的损耗；电源电压下降也会使换流失败，降低了系统的可靠性[7]；此外，由于晶闸管的关、开时间相对的长，而且加上存在换流环节，使斩波器的工作频率不能太高(一般在300Hz以下)，使得直流电机上的电流脉动和力矩脉动比拟严重[8]。于是在20世纪90年代创造了以IGBT为典型，具有自关断能力的同时也可以在高速下工作的功率器件作为开关元件的PWM直流调速系统成为了更为高级的直流电机调速方案[9]。然而PLC可编程控制器的创造，因为它的易学易用、维护方便、可靠性高、通用性强、抗干扰能力强等优点[10]。工业控制中也得到了普遍的应用[11]。跟随工业开展的脚步，控制系统规模将会越来越巨大，人们为了实时地、方便地检测全部系统的运行情况，工业组态技术从中孕育而生。国内的组态软件有KingView、ameView、MCGSF等[12]。而且作为工业组态监控软件之一的组态王是本文中实行检测监控的重要工具。PLC技术和组态监控技术在自动化、机电专业都是占有重要地位的专业技术[13]。本设计方案是在原系统根底上，采用PLC作为控制器，利用PLC的PID回路指令进行数据运算，并经PLC的高速脉冲输出口输出占空比可变的脉冲信号，实现直流电机的PWM调速控制，并结合国产组态软件组态王，完成直流电机的正转、反转、微调等功能。1.2选题背景及其意义在现代工业中，为了满足各种生产中工艺的要求，我们需要使用多种多样的生产加工机械，这些生产加工机械觉大多采用的是电动机拖动。大多数生产加工机械是将它的电能转换成为机械能，以机械运动的方式来满足各种工艺加工运行的要求[10]。随着工业技术的不停革新和开展，各种各样的生产机械可以根据它的工艺加工特点，对拖动的电动机和生产机械也同时不停的提出了各种各样的要求，有些需要电动机能够迅速的启动、停止、正转和反转；有些那么需要实现多台电动机的转速依照一定的比例协调的运动；有些需要电动机可以很慢的稳速运动；有些更是需要电动机启动、停止平稳，并且能够准确地停止在指定的位置上。上面这些不同的工业需求，都是依靠机械传动装置和电动机及其控制系统实现的。从而我们可以发现各种拖动系统都是依靠对转速的改变来实现的，因为直流电动机具有良好的起动、停止性能，可以方便的在大范围内平稳调速的优点，所以被普遍的使用在快速正方向的电力拖动或需要调速的领域中。因此研究直流电动机的调速控制系统具有非常重大的意义[12]。目前，在直流电动机的调速控制系统中，微处理器的控制系统普遍采用以或单片机，由于DSP或单片机控制电动时机占用较多的端口资源、而且需要的周边元器件也比拟多，对于整个系统的可靠性和稳定性有比拟大的影响。PLC作为一种工业控制中使用的装置，是因为它的可靠性高和抗干扰能力强而著称，经过可编程控制器的迅猛开展，它的性价比也随着它的迅猛开展不断的提高[13]，本文利用PLC对直流电动机进行PWM调速控制，以提高直流调速系统的控制性能。为实现直流电动机的控制提出了一种新的有效的方法。2系统方案设计2.1直流PWM的选择及设计思路PWM的直流调速是我们大三的时候学习的一门电力拖动自控控制系统-----运动控制系统的专业课，通过这门课让我对PWM的直流调速系统有了一定的了解和认识，所以本次PWM的选择和一些想法都是通过这本书及图书馆的一些资料设想而出的。2.1.1直流PWM的选择PWM变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类，还有一种带制动电流通路的不可逆PWM--直流电动机系统，其电流能够反向。由于本设计需要对直流电机经行正转、反转的控制，所以我决定选择可逆的双极性桥式〔H形〕的PWM。如图2-1给出了桥式可逆PWM的变换器电路MMV1V3V2V4VD1VD2VD3VD4U+_图2-1桥式可逆PWM的变换器电路从图2-1可以看出，电枢电流沿对角回路流通〔比方：VD1-------->VD4〕，反之依然，在一个周期内具有正负相间的脉冲波形，这便是双极式的由来。2.1.2PWM在硬件设计中的应用表达通过对资料的理解，下面我用公式说明一下：双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为〔2-1〕假设占空比和电压系数的定义与不可逆变换其中相同，那么在双极式控制的可逆变换器中的和的关系就不一样了调速时，我们知道的可调范围为0~1，相应的，=-1~1，当时，为正，电动机正转；反之，当时，为负，电动机反转；当时，=0，电动机停止。这里，我们可以看出通过调节PWM的占空比我们就可以实现对直流电机的调速了，具体的硬件设计下一节会具体讲到。2.2PWM在直流调速系统中的表达由GTR构成的脉宽调速系统的组成如下列图2-2，其中GM为三角波振荡器，FA为瞬时动作的限流保护环节，PWM为脉宽调制变换器，GD为基极驱动器，UPW为脉宽调制器。测速发电机TG测量电动机M的转速n，速度给定电压Un*与速度反响信号Un同时附加在速度调节器ASR的输入端，构成双闭环调速系统中的速度外环。电流传感器TA检测直流电动机的电枢电流Ia，其速度调节器输出电压Ui*与输出电压Ui同时附加到电流调节器ACR的输入端，构成双闭环调速系统中的电流环，为内环。图2-2脉宽调速系统的组成2.2.1脉宽调制器这个是最关键的一个部件，它是把输入的直流控制的信号转换成与它成比例的方波电压额信号，从而获得期望的方波输出电压。实现上面拥有电压---脉宽变换功能的环节称为脉冲宽度调制器，简称为脉宽调制器。图2-3脉宽调制器图2-3为脉宽调制器的原理图，它是一个电压---脉宽的变换电路，它由电流环ACR输出的控制电压Uc进行控制，它输出的电压的脉冲宽度与控制电压Uc成正比。运算放大器A3在开环状态工作，它的主要功能是能输出正和负的饱和电压。运算放大器A3的输入端有三个信号，除了Uc之外，还有偏移电压Ub和调制信号Ua。控制电压Uc的幅值与极性随时都可以改变，通过与Uo2的相减，在运算放大器A3的输出端获得脉冲宽度可变、周期不变的调制输出电压Upwm。在Uc=0时，电压比拟器的输出端可以获得正、负半周期脉冲宽度相等的调制输出电压Upwm；另一个输入信号端是加一个负的偏移电压Ub，它的值为(2-2)当Uc>0时，让其输入端合成的电压为正的宽度增大，即锯齿波过零的时间提前，经过比拟器的倒相后，可以在输出端获得正半波相比拟负半波窄些的调制输出电压。当Uc<0时，让其输入端合成的电压为正的宽度减小，锯齿波过零时间后移倒相，可以获得正半波相比拟负半波宽的输出信号。2.3系统控制方案设计2.3.1控制系统结构框图控制系统结构如图2-4所示系统分为上位机和下位机两大单元。上位机以组态王KINGVIEW工业组态软件搭建上位机监控系统，实现对直流电机参数进行检测以及参数设置等操作。下位机以西门子S7-300系列PLC作为现场控制器，并通过PLCS7-300里自带的PID功能输出模拟量给脉宽调制器，在通过IGBT驱动给四个IGBT管子提供宽度不等的脉冲，最终是实现对直流电机的调速控制。图2-4控制系统结构框图2.3.2系统结构设计本设计以直流电机调速为研究对象其结构如图2-5所示。本设计为转速、电流双闭环反响控制的直流调速系统，通过给可编程控制器PLCS7-300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；中间局部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。图2-5直流电机调速系统结构图2.3.4直流电机的转速控制直流电机的转速控制通过PID控制实现，通过调节PLC中自带的FB41模块中的PID给定值和比例增益，再通过LMN输出浮点格式的PID输出值。如图2-6为直流电机的转速控制模块的示意图。OB35中电流的FB41模块调用OB100中的SP_INT值、GAIN和Ti值，经过自带的PID算法，得出结果，然后把电流FB41模块的输出与转速FB41的输入连接，给转速FB41的SP_INT，然后转速FB41模块继续调用OB100中的GAIN和Ti值，最后得出0~10V的电压值。图2-6直流电机的转速控制的模块示意图3系统硬件设计3.1系统设备的选型3.1.1PLC的选择从结构上分，PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式PLC包括CPU板、I/0板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、地板或机架，这些模块也可以依照一定的规那么组合配置。下面说明一下PLC可编程控制器系统的四个主要的局部:〔1〕中央处理器(CPU)。这个是系统的大脑，对输入信号的不断采集，执行用户输入的程序，对系统的输出经行刷新，包括3个子局部:(1)微处理器。它是进行逻辑操作和数学的计算中心。(2)存储器。CPU中信息、数据获取和存储的地方，保存着用户程序和系统软件。(3)电源供给。将交流电(AC)转换成为直流电(DC)。在电源供给的过程中，电源提供对直流电进行调节和滤波，用来保证计算机的正常操作运行。〔2〕监视器/编程器。监视器/编程器是用来和PLC电路进行互联通信的设备。工业终端、PC和手持终端都可以当作监视器/编程器。〔3〕I/0模块。输入模块里有很多输入端子，传感器可以通过这些输入端子来激活各种静态开关设备、电机、执行继电器、电磁线圈和显示屏。如果用户有需要，还可以增加能够将I/0模块进行远距离互联的电子系统。3.1.2脉宽调制器的选型它主要由基准电压调整器、震荡器电路构成。在本设计中，脉宽调制器SG3525主要是从PLC中接收FB41中的PID运算结果〔0~10V〕的电压，经过与锯齿波比拟然后输出宽度不等的脉冲，在通过IGBT的驱动电路，给硬件图中的4个IGBT管子脉冲，来实现对直流电机的控制的。输入信号从9号脚COMP输入，然后从11号脚输入PWM脉冲信号。3.1.3IGBT驱动器脉宽调制器的后面连接一个IGBT驱动器，他的功能就是给四个IGBT的管子驱动脉冲，提供适当的正向栅压和反向栅压。市场上普遍的驱动器为日本富士的WXB841，日本英达HR065，日本三菱M57959~57962L，中国西安HL402，美国UC3724~3725。如图3-1为本次设计中选用的美国UC3724驱动器，从驱动电路中我们可以看到7号脚输入信号，4和6号脚那么输出驱动信号。图3-1美国UC3724驱动电路3.1.4其他设备的选型本次设计应用到了很多硬件，通过从直流电机的参数向上推算，并考察电工手册里的元器件参数，我选用了一下一些硬件。如表3-1所示。表3-1设备选型及参数表设备型号、参数数量直流电机2.2KW220V1脉宽调制器SG35251二极管SR51012IGBT模块PS21867-P/-AP30A/600V1西门子PLCS7-3001IGBT驱动器UC3724~3725输出高电平15V输出低电平0V14参数的计算4.1电机额定参数额定功率；额定电压；额定电流；额定转速；电枢电阻；电枢电感；转动惯量4.2电流环参数计算从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，又前述动态分析过程可知，=1\*ROMANI型系统可以满足要求。从动态角度看，不允许电流有太大超调，以保证电流不超过最大允许值。综上，可将电流环设计成典型=1\*ROMANI型系统。采用PI调节器，其传递函数可写成：〔4-1〕其中，是电流调节器比例系数是电流调节器的时间常数电流环开环传递函数为：〔4-2〕因为，故，可令，以消去较大的滞后时间常数。这样便可将电流环校正成了典型=1\*ROMANI型系统。，因此〔4-3〕其中，要求电流超调量，查表可知，综上：校验：校验晶闸管整流传递函数的近视条件校验忽略反电动势变化对电流影响的条件校验电流环小时间常数近似处理条件综上，近似处理的条件均满足。电流环的开环传递函数为电流调节器ACR的传递函数为4.3转速环参数计算由于负载的波动，为了实现转速无静差在负载扰动前必须有一个积分环节，加上后面的一个积分环节，转速环共有两个积分环节。故这里将转速换校正成典型=2\*ROMANII型系统。为了限制超调，可以将ASR设计成限幅型PI调节器。其传递函数为：〔4-4〕其中，是转速调节器的比例系数；是转速调节器的时间常数。这样，调速系统的开环传递函数为:〔4-5〕其中，s令那么，同时按照典型=2\*ROMANII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拟，相同那么显示在组态王的监控画面中，否那么按照实际要求转速调节IGBT的占空比来到达理想的控制要求。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，模拟量包括转速反响输入、电流反响输入和模拟量输入〔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转速反响续表5-1PIW754电流反响PIW756转速给定5.3PLC程序设计本系统程序局部共分为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控制反响电压，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，那么退出时用这个位；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〕：过程变量即反响量，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，那么使用变量积分初值〔I-ITLVAL〕。一般发现系统反响不够或PID功能的积分值增长比拟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的反响值〔也称过程变量〕；PV_PERBOOL未经规格化的反响值，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，那么需设置为-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〕，参加前馈的控制，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的根本功能。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为反响量通过MD20存放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存放器中。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，外表上，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根本方法：(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置仪器的钱。(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，可以重复或屡次仿真运行，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列图。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，下列图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为监控中转速到达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：转速反响和电流反响模拟量输入给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拟，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、电流双闭环反响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；中间局部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画出了根本的监控画面，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。最后到达了毕业设计的要求。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、列出了设备的根本清单。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