学士学位论文plc与变频器结合实现电动机恒转矩控制Word格式.docx
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2.3异步电动机的机械特性5
3变频器的恒转矩控制6
3.1变频器的工作原理6
3.2转矩控制时的运行特点6
3.3转矩给定信号与电动机转矩6
4STEP7-300简介8
4.1PLC的定义8
4.2STEP7-300软件8
5分布式外围设备现场总线（PROFIBUS-DP）9
5.1PROFIBUS-DP简介9
5.2PROFIBUS-DP的物理连接9
5.3PROFIBUS-DP的报文结构9
6系统的实现11
6.1系统的硬件连接11
6.2MICROMASTER440标准型变频器设置11
6.3MICROMASTER440控制字和状态字的设置13
6.4PROFIBUS-DP主站与MICROMASTER440的连接13
6.5PLC与变频器的通讯程序设计14
6.6系统的实际应用18
结论31
致谢32
参考文献33
附录A（英文文献）34
附录B（中文译文）41
1绪论
1.1选题的背景
随着我国工业生产自动化程度的不断提高，PLC和变频器相结合的系统广泛地应用在冶金、建材、电力、化工、食品等行业中。
我国现在广泛使用的调速系统还比较落后，直接影响了产品的质量。
过去传统的电动机调速系统多采用变频器直接控制电动机的方法进行速度控制，由于操作人员有限，不能安排太多人员在现场，现场外部工作环境又很恶劣，工厂车间闷热，同时效率也很低，维修、维护麻烦，造成工作故障多，影响正常生产；
另外由于变频器技术仍未成熟，控制不稳定，精度低，调试烦琐，使用极不方便。
根据所掌握的资料，结合现代先进控制技术，采用可编程序控制器控制MICROMASTER440型变频器拖动电动机方案，以弱电控制强电远程控制技术取代传统的直接控制方式。
实践证明，该系统效率高，节约劳动力，为工作人员创造了舒适的工作环。
由于以上的优点，PLC和变频器相结合的系统会有更广阔的发展空间。
1.2PLC和变频器的发展
1、PLC的发展
PLC将朝着体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的方向发展。
二是向大型化、网络化、多功能方向发展。
近年来，小型PLC的应用十分普遍，超小型PLC的需求日益增多。
据统计，美国机床行业应用小型PLC几乎占据了市场的1/4，国外许多PLC厂家正在积极地研制开发各种超小型微型PLC。
例如德国西门子公司S7-200既可以单机运行也可以联网实现复杂的控制。
S7-200的最小配置是8个数字量输入和6个数字量输出，还可以根据实际情况进行扩展2~7个模块，最多可达128个输入和120个输出，此外S7-200还可以进行模拟量控制，是一种性能价格比较好的微型PLC.
大型的多层次分布式控制系统与集中型相比，具有更高的安全性和可靠性。
系统设计、组态也更为灵活方便，地域分布也广，是当前控制系统发展的主要潮流。
为了适应这种发展，实现工厂自动化，世界上各PLC生产厂家不断地研制开发功能更强的PLC网络系统。
这种PLC网络一般是多级的，网络的最底层是现场执行级，中间是协调级，网络上的最上层为组织管理级。
现场执行级可以由多个PLC或远程I/O工作站所组成,中间一级由PLC或计算机构成。
最高一级一般由高性能的计算机组成。
它们之间采用工业以太网和工业现场总线相
连构成一个多级分布式PLC。
随着自动控制技术的发展，这种多级分布式PLC控制系统功能不再是单一的，除控制功能外，还可以实现在线优化、生产过程的实时调度、产品计划、统计管理等功能，成为一种测、控、管一体化的多功能综合系统。
目前许多PLC开发商己经注意到了PLC的兼容性，不仅是PLC与PLC兼容，而且还注意到PLC与计算机的兼容，使之可以充分利用计算机现有的软件资源。
例如西门子的S7-300采用SIMATICS7的模块，它的软件编程、监控都可以在Window操作平台上操作和运行。
今后PLC将采用速度更快、功能更强的CPU、容量更大的存储器，并将更充分地利用计算机资源.PLC控制系统将与智能控制系统工业控制计算机、集散控制系统、嵌入式计算机等更进一步地相互渗透和结合，这必将更进一步拓宽PLC的应用领域和空间。
2、变频器的发展
随着技术的不断发展，变频器技术的发展也越来越迅速，变频器将朝着以下几个方面发展：
（1）实现高水平的控制。
基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制、直接传矩控制和机械扭振补偿等；
基于现代理论的控制策略，有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器，在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；
基于智能控制思想的控制策略。
（2）开发清洁电能的变流器。
所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为1，网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。
（3）缩小装置的尺寸。
紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度。
（4）高速度的数字控制。
以32位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各种控制算法，Windows操作系统的引入使得可自由设计，图形编程的控制技术也有很大的发展。
（5）模拟与计算机辅助设计（CAD）技术。
电机模拟器、负载模拟器以及各种CAD软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。
1.3系统综述
本文介绍了利用PLC与变频器结合控制刷辊电动机恒转矩系统在钢板厂的应用，介绍了刷辊对钢板刷洗的力度控制，通过对电机的力矩控制，实现了力度控制，从而对钢板刷洗均匀.干净。
本系统是对电机的恒力矩控制，介绍了三相异步电动机、MICROMASTER440变频器、和S7-300的相关知识，为系统的设计做一些铺垫。
本套系统采用西门子公司S7-300可编程控制器（PLC）作为中央控制核心，刷辊控制采用西门子公司的MICROMASTER440系列标准变频器，PLC同变频器之间采用PROFIBUS现场总线通讯协议进行控制，恒转矩控制采用了集成在变频器内部的PID模块，通过转矩的给定值和反馈值进行比较，达到输出稳定的功能。
PLC同上位机之间通过工业以太网，PLC采用STEP7CPU315-2DP，通过TCP/IP协议进行通讯。
整体来说，该电气自动化系统设计紧凑、控制方式先进、自动化程度高、控制方法灵活、适应性强。
本文着重讲述了利用PROFIBUS-DP协议进行PLC与变频器之间的组态，实现PLC对变频器的控制，首先必须把变频器和PLC之间用电缆连接起来，本套系统所采用的连接电缆是双绞线（如常用的以太网缆）。
然后就是对他们进行网络组态，设置STEP7CPU315-2DP为DP主站，MICROMASTER440变频器为DP从站。
分别设置他们的通讯地址，利用STEP7-300内部的通讯功能块SFC14和SFC15来读写MICROMASTER440变频器的数据。
利用输入转矩和反馈的实际转矩，通过变频器本身的PID进行转矩恒定运行，利用PLC编写控制程序来实现通讯，再利用PLC程序对系统恒转矩进行控制。
PLC和变频器相结合的调速系统逐渐的被广泛的应用。
变频器调速技术是集自动控制、微电子、电力电子、通信技术于一体的高科技技术。
它具有很好的调速、节能性能,在各行业中获得了广泛应用。
可编程序控制器（PLC）是近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控制装置。
PLC具有较高的可靠性,可以通过PLC串口实现与不同控制设备间的数据传输,从而可使PLC的应用范围扩大。
所以结合PLC与变频器各自的优点，PLC和变频器相结合的调速系统会应用的更广阔的领域。
2三相异步电动机
2.1异步电动机的旋转原理
三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。
我们知道，但三相电源相与相之间的电压在相位上是相差120度的，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120度，这样，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场。
电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周，即旋转磁场的旋转速度与电流的变化是同步的。
在磁场中的转子在磁场中切割磁力线产生感应电流，带电的转子在磁场的作用下受到力的作用，即电动机转子开始旋转。
旋转磁场的转速为：
n=60f/P
式中：
f为电源频率、
P是磁场的磁极对数、
n的单位是：
每分钟转数。
一般情况下，电动机的实际转速n1低于旋转磁场的转速n。
因为假设n=n1，则转子绕组与旋转磁场就没有相对运动，就不会切割磁力线，也就不会产生电磁转矩，所以转子的转速n1必然小于n。
为此我们称三相电动机为异步电动机。
2.2异步电动机的电磁转矩
电磁转矩是异步电动机的驱动转矩，本节着重介绍电磁转矩的计算公式。
电磁转矩基本公式：
与直流电机类似的公式：
式中:
转子电流：
2.3异步电动机的机械特性
电动机的机械特性是指电磁转矩与转速之间的关系曲线,如图2.1所示。
异步电动机的机械特性就是t-s曲线。
几个关键点：
起动点C、最大转矩点B、额定工作点A。
图2.1异步电动机机械特性
3变频器的恒转矩控制
3.1变频器的工作原理
变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。
通常，把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。
为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC），这个过程叫整流。
把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为“inverter”（逆变器）。
一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。
对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。
变频器输出的波形是模拟正弦波，主要是用在三相异步电动机调速用，又叫变频调速器。
对于主要用在仪器仪表的检测设备中的波形要求较高的可变频率逆变器，要对波形进行整理，可以输出标准的正弦波，叫变频电源。
一般变频电源是变频器价格的15－－20倍。
由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“inverter”，故该产品本身就被命名为“inverter”，即
。
3.2转矩控制时的运行特点
1拖动系统的状态拖动系统的状态取决于系统的动态转矩
式中
--动态转矩，单位为Nm；
--电动机的转矩，单位为Nm；
--负载转矩，单位为Nm；
＞0--系统加速；
＜0--系统减速；
＝0--系统等速运行。
3.3转矩给定信号与电动机转矩
一方面，电动机的输出转矩取决于转矩给定信号：
当负载转矩小于电动机转矩时，拖动系统必加速；
另一方面，变频器在转矩控制模式下运行时，必须设置上限频率：
当拖动系统的转速上升到接近于上限频率所对应的同步转速时，根据异步电动机的原理，由于转子切割磁力线的速度下降，所产生的转矩也必下降，直至输出转矩等于负载转矩时，拖动系统将在上限转速下稳定运行。
因此，当拖动系统的转速上升到上限转速时，电动机的转矩并不取决于转矩给定信号，但转矩给定信号保证了拖动系统将在上限转速下运行。
转矩控制与转速控制的区别两种控制方式的区别如表3.1所示。
表3.1转矩控制和转速控制的区别
控制方式
转速控制
转矩控制
转速大小
由频率给定信号决定
不能控制，只能上、下限值
转矩大小
与负载转矩相平衡，有上限值
由转矩给定信号决定
系统的加速度
有给定信号的增加或减小决定
由动态转矩的正、负来决定
4STEP7-300简介
4.1PLC的定义
PLC可编程序控制器：
PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
4.2STEP7-300软件
STEP7是专门为S7-300设计的在个人计算机Windows操作系统下操作的编程软件。
该标准软件功能强大，支持自动任务创建程序的各个阶段--建立和管理项目，对硬件和通讯作组态和参数赋值，管理符号，创建程序，下载程序到可编程控制器，测试自动化系统，诊断设备故障。
STEP7软件的用户接口，基于当前最新水平的人机控制工程设计，简单易学，用户能轻松使用。
STEP7为用户提供了三种编程语言STL（语句表），FBD（功能块图）和LADDER（梯形图语言）。
用户可以在这三种语言中随意切换，便于不同类型的用户使用。
STEP7还给用户提供了丰富的指令集，可以对非常复杂的功能的进行编程。
其中为梯形图语言就提供了一百多条指令，包括浮点数运算指令、程序控制指令、跳转指令等。
STEP7除提供逻辑块OB（组织块，决定用户程序的结构，一般主程序放置在该块内）.FB（功能块，带有自己存储区域的块）.FC（功能，包含经常使用的功能的例行程序，可放置子程序）以及系统功能块外，还提供数据块DB用于存放用户数据。
与PLC通信简单，只需将CPU通过PC/PPI电缆或插在计算机中的CP5611通讯卡与计算机进行通信，就可上、下传程序。
通过STEP7的硬件诊断功能，可以在线或离线取得模板信息和工作方式。
STEP7还具有程序测试功能，当CPU检测到程序处理过程中错误（同步错误）和PLC中的错误（异步错误）时，CPU会调用适当的中断类型组织块，这些组织块可对这些错误相应处理
5分布式外围设备现场总线（PROFIBUS-DP）
5.1PROFIBUS-DP简介
PROFIBUS-DP是PROFIBUS组成之一，PROFIBUS有三部分组成，即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA（ProcessAutomation,过程自动化）和PROFIBUS-FMS（FieldbusMessageSpecification,现场总线报文规范）。
在PROFIBUS现场总线中，PROFIBUS-DP的应用最广。
DP协议主要用于PLC与分布式I/O和现场设备的高速数据通信。
典型的DP配置是单主站结构，也可以是多主站结构。
5.2PROFIBUS-DP的物理连接
PROFIBUS-DP可以使用多种通信介质（电、光、红外、导轨以及混合方式）。
传输速率9.6K-12Mbit/s。
每个DP从站的输入数据和输出数据最大为224B。
使用屏蔽双绞线电缆是最长通信距离为9.6km，使用光缆是最长90km,最多可以接127个从站。
PROFIBUS-DP可以使用灵活的拓扑结构，支持线形、树形、环形结构。
PROFIBUS-DP符合EIARS-485标准（也称为H2），采用价格便宜的屏蔽双绞线电缆。
一个总线段的两端各有一套有源的终端电阻。
一个总线最多32个站，带中继器最多127个站。
每段的电缆最大长度与传输速率有关。
5.3PROFIBUS-DP的报文结构
PROFIBUS-DP的报文结构如图5.1所示：
图5.1PROFIBUS-DP的报文结构
过程数据区（PZD），即控制字和设定值或状态信息和实际值。
参数区（PKW）用读写参数，例如读出故障，并且读出一个参数的特征信息，诸如最小/最大限制等。
当总线启动时，这种用于PROFIBUS-DP主站到变频器通讯类型的PPO能够从主站来配置。
选择哪种类型的PPO，取决于在自动化网络中传动装置的任务。
过程数据一直被传送。
在传动装置中，它们具有最高的优先级和最短的时间等。
PPO有五种类型：
可用数据无参数区，有两个字或六个字的过程数据。
或可用数据有参数区，且有两个，六个或十个字的过程数据，具体见图5.2。
在本设计系统中采用了PPO2类型
图5.2参数过程数据对象（PPO型）
6系统的实现
6.1系统的硬件连接
1、如果干扰比较大，可采用屏蔽双绞线。
2、一般情况下，PROFIBUS通讯电缆采用双绞线即可（如常用的以太网缆）。
3、在采用屏蔽双绞线作为通讯电缆时，把具有不同电位参考点的设备互连会在互连电缆中产生不应有的电流，从而造成通讯口的损坏。
要确保通讯电缆连接的所有设备，或是共用一个公共电路参考点，或是相互隔离的，以防止不应有的电流产生。
屏蔽线必须连接到机箱接地点或9针连接的插针1。
建议将传动装置上的0V端子连接到机箱接地点。
4、尽量采用较高的波特率，通讯速率只与通讯距离有关，与干扰没有直接关系。
5、终端电阻的作用是用来防止信号反射的，并不用来抗干扰。
如果在通讯距离很近，波特率较低或点对点的通讯的情况下，可不用终端电阻
6.2MICROMASTER440标准型变频器设置
将变频器连接到PLC之前必须确认变频器已有以下的系统参数,使用变频器小键盘设定参数。
1、将变频器复位到工厂设定值可选的按P键显示P000按向上或向下箭头键直到显示器显示P944按P键输入参数P944=1。
2、允许读/写所有参数按P键按向上或向下箭头键直到显示器显示P009按P键输入参数P009=3。
3、检查变频器的电动机设定值设定值随所用的电动机而变按P键按向上或向下箭头键直到显示器显示电动机的设定值为止按P键输入参数：
P081=电动机的额定频率Hz，
P082=电动机的额定速度RPM，
P083=电动机的额定电流A，
P084=电动机的额定电压V，
P085=电动机的额定功率KW/HP。
4、设定就地/远程控制方式按P键按向上或向下箭头键直到显示器显示P910按P键输入参数P910=1远程控制方式。
5、设定PROFIBUS-DP接口的波特率按P键按向上或向下箭头键直到显示出P092按P键输入参数按向上或向下箭头键直到显示器显示出与你的PROFIBUS-DP接口相对应的波特率数字为止按P键输入参数P09231200波特，
42400波特，
54800波特，
69600波特缺省值，
719200波特。
6、输入从站地址每个变频器最大31可经过总线运行按P键按向上或向下箭头键直到出现P091为止按P键输入参数按向上或向下箭头键直到显示器显示出所需要的从站地址按P键输入P091=0至31。
7、增速时间可选的这是以秒表示的电动机加速到最大频率所需的时间按P键按向上或向下箭头键直到出现P002为止按P键输入参数按向上或向下箭头键直到显示器出现所需要的增速时间为止按P键输入参数P002=0-650.00。
8、斜坡减速时间任选这是以秒表示
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