基于PLC的电机控制系统设计.docx
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基于PLC的电机控制系统设计
第一章绪论
1.1研究背景及意义
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。
在科学研究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别是在国防、汽车、冶金、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。
调速控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。
可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继续计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。
它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，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欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。
目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统（DCS）。
但就其控制策略而言，占统治地位的仍旧是常规的PID控制。
PID结构简朴、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型。
PID的使用已经有60多年了，有人称赞它是控制领域的常青树。
变频调速已被公认为是最理想、最有发展前景的调速方式之一，采用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。
用户根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。
1.2相关技术简介
1.2.1变频器的应用与发展概况
变频技术是近年来国际家电领域全面开发和应用的一项高新技术，它采用新型变频器，将50Hz的固定供电频率转换为30-130Hz的变化频率，实现电动机运转频率的自动调节，达到节能和提高效率的目的。
上世纪70年代初，变频技术迅速发展，已经成为集电力、电子、计算机技术于一体的高科技产品。
全球一些著名的电气公司像西门子、ABB、东芝、三菱等，在这一领域的开发与研究都取得了巨大成就，使得变频调速技术迅速发展并日渐成熟，它较直流调速系统及其它类型的调速系统有以下3个最突出的特点：
1.省电节能，可使电耗降低。
这是因为，一方面，一个常识性的问题就是交流电机的效率比其它类型的电机都要高。
另一方面，一般的电机控制回路中都有过流过压失相等安全保护元件，而“变频器一电机”控制回路则没有这些耗能元件，更不需要像直流调速系统所必备的励磁电源变压器等。
2.系统造价低。
同直流传动系统相对比，异步电机的价格要比直流电机的价格低130%-350%；另外，技术的发展使得变频器成本逐年下降，现市场价格约为1000元/千瓦，而直流整流设备110kw容量以下平均每套的价格约为21000元。
因此对于纸机电气传动系统，单机容量不超过160kw，在同样装机容量下，交流传动系统的造价要比直流传动系统低5%-15%。
针对中低档纸机，装机容量不太大交流调速具有大的价格优势。
3.维护工作量小。
变频器普遍采用大规模、超大规模集成电路，设有附加的外围元器件，因此从某种意义上说，变频器是免费维护设备。
直流电机的维护周期为1个月，而交流电机的维护周期为3个月以上，且维护工作量要小的多。
随着时间的推移，产品不断更新换代，矢量控制（Vectorcontrol）、IGBT（双极绝缘可关断晶闸管）、操作面板（OPRATEPANEL）等新技术不断在变频领域采用，最明显的特征是变频器的体积在变小，同时功能逐渐增强，维护操作更为方便。
通用变频器经历了模拟控制、数字控制、数模混合控制，直到全数字控制的演变，逐步地实现了多功能化和高性能化，进而使之对各类生产机械、各类生产工艺的适应性不断增强。
最初通用变频器仅用于风机、泵类负载的节能调速和化纤工业中高速缠绕的多机协调运行等，到目前为止，其应用领域得到了相当的扩展。
如搬运机械，从反抗性负载的搬运车辆、带式运输机到位能负载的起重机、提升机、立体仓库、立体停车厂等都已采用了通用变频器。
各类切削机床直到高速磨床乃至数控机床、加工中心超高速伺服机的精确位置控制都已应用通用变频器。
1.2.2PLC技术
可编程程序控制器（ProgrammableController）是以微处理器为核心，综合计算
机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种专为在工业环境下应用而设计
的计算机控制系统。
它采用可编程序的存储器，能够执行逻辑控制、顺序控制、
定时、计数和算术运算等操作功能，并通过开关量、模拟量的输入和输出完成各
种机械或生产过程的控制。
它具有丰富的输入、输出接口，并且具有较强的驱动
能力，其硬件需根据实际需要选配，软件则需根据控制要求进行设计。
第一台可编程控制器（以下简称PLC）的设计规范是美国通用汽车公司提出
的。
当时的目的是要求设计一种新的控制装置以取代继电器盘，除保留继电器控
制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代化牛产
线所要求的时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于
与计算机接口、维修方便等诸多高品质与功能。
这一设想提出后，美国数字设备
公司（DEC）于1969年研制成第一台PLC，型号为PDP-14，投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了令人满意的效果，从此开创了PLC的新纪元。
到70年代初，食品、金属和制造等工业部门相继使用PLC代替继电器控制设备，迈出了其实用化阶段的第一步。
70年代中期，由于大规模集成电路的出现，使8位微处理器和位片处理器相
继问世，使可编程控制技术产生了飞跃。
在逻辑运算功能的基础上，增加了数值
运算，提高了运算速度，扩大了输入输出规模。
70年代末由于超大规模集成电路的出现，使PLC向大规模、高速性能方向发展，形成了多种系列化产品，面向工程技术人员的编程语言也发展成熟，出现了工艺人员使用的图形语言。
进入八九十年代后，PLC的软硬件功能进一步得到加强，PLC已发展成为一种可提供诸多功能的成熟的控制系统，能与其他设备通信，生成报表，调度产出，可诊断自身故障及机器故障。
PLC未来的发展不仅依赖于对新产品的开发，还在于PLC与其他工业控制设备和工厂管理技术的综合。
无疑，PLC将在今后的工业自动化中扮演重要角色。
在未来的工业生产中，PLC技术和机器人、CAD/CAM将成为实现工业生产自动化的三大支柱。
1.3本文设计的主要内容
本系统是通过可编程控制器控制三相交流异步电动机的调速功能。
具体内容如下：
1.阐述通用变频器和PLC的工作原理；
2.确定变频器和其他控制设备的型号，并设定变频器的功能参数；
3.实现调速系统的闭环调速和多段速控制
4.在实验室进行实验。
第二章变频调速原理
2.1变频器基本结构
变频器可以分为四个部分，如图2.1所示。
步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。
主电路包括整流器、中间直流环节（又称平波回路）、逆变器。
通用变频器由主电路和控制回路组成。
给异
图2.1变频器简化结构图
1.整流器。
它的作用是把工频电源变换成直流电源。
2.平波回路（中间直流环节）。
由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。
无论电动机处于电动状态还是发电状态，起始功率因数总不会等于1。
因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件—电容器或电感器来缓冲，所以中间直流环节实际上是中间储能环节。
3.逆变器。
与整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率。
逆变器的结构形式是利用6个半导体开关器件组成的三相桥式逆变器电路。
通过有规律的控制逆变器中主开关的导通和断开，可以得到任意频率的三相交流输出波形。
4.控制回路。
控制回路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路，驱动电路和制动电路等构成。
其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制，以及完成各种保护功能。
控制方式有模拟控制或数字控制。
2.2变频调速的基本原理
当在一台三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压时，该电压将产生
一个旋转磁场，其速度由定子电压的频率所决定。
当磁场旋转时，位于该磁场中的转予绕组将切割磁力线，并在转子绕组中产生相应的感应电动势和感应电流，而此感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力，即转矩，使转子跟随旋转磁场旋转．当将三相异步电动机绕组的任意两相进行交换时，所产生的旋转磁场的方向将发生改变。
因此，电动机的转向也将发生改变。
异步电动机定了磁场的转速被称为异步电动机的同步转速，其同步转速由电动机的磁极个数和电源频率所决定：
n=60f/p
异步电动机的转速总是小于其同步转速，异步电机的实际转速可由下式给出：
n=n1（1－S）=60f1（1－S）/p（2.1）
式（2.1）中：
n—电动机的实际转速；
f1—电动机定子绕组的供电频率；
p—旋转磁场的磁极对数；
S—转差率，表示定子旋转磁场的同步转速n.与n的关系。
由上述交流电动机的转速公式（2.1）可以知道要改变转速可以采取以下三种基本措施：
（1）改变转差率S；
（2）改变磁极对数p；（3）改变电动机的定子供电频率。
调节转差率调速的实质是将输入功率的一部分转化为转差功率以削减轴上输出功率的大小，迫使电动机运行速度下降。
改变电动机的定子供电频率f（即变频调速），可使电机始终运行在高效率区，并保证良好的动态性能，是目前最为广泛使用的调速方式。
在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通量Ф。
为额定值不变。
磁通太弱，没有充分利用电机的磁心，是一种浪费；若要增大磁通，又会使磁通饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。
对于直流电机来说，励磁系统是独立的，所以只要对电枢反应的补偿合适，保持西。
不变是很容易做到的。
在交流异步电机种，磁通是定子和转子合成产生的。
三相异步电机定子每相电动势的有效值是：
（2.2）
式中：
—气隙磁通在定了每相中感应电动势有效值；
—定子频率；
—定子每相绕组串联匝数；
—基波绕组系数；
—每极气隙磁通量；
由上式可以知道：
为了保持电动势的平衡关系，当电源频率
改变时，如果电源
保持不变，那么必然引起气隙磁通
的变化，但是
的变化都会给异步电动机的运行性能带来不良影响。
所以要必须保持主磁通不发生改变。
由（2.2）式可以看出，
是由
和
来共同决定的，对
和
进行适当控制，就可以保持
保持额定值不发生改变。
但是这种控制受到基频
（电机额定频率）的影响，在
<
（即基频以下调速控制方式）和
>
（即基频以上调速控制方式）时，
的变化规律不一样。
1．基频以下调速：
即采用恒定的电动势。
由上式可知，要保持
不变，但频率
从额定值
向下调节时，必须同时降低
。
然而绕组中的感应电动势是难以控制的，但电动势较高时，可以忽略定子绕
组的漏磁阻抗压降，而认为定了相电压
≈E，则得
常数。
低频时，
和
都较小，定子阻抗压降所占的份量都比较显著，不能再忽
略。
这时，可以人为的把电压
抬高一些，以便近似的补偿定子压降。
带定子
压降补偿的恒压频比控制特性为b线，无补偿的为口线。
如图2.2所示。
图2.2恒压频比控制特性
2．基频以上调速
在基频以上调速时，频率可以从F往上增高，但电压
磁通与频率成反比
的降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。
把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得到异步电动机的变频调速控制
特性，如图2.3。
如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，则电动机都能在温升容许的条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。
在基频以下，属于“恒转矩调速”的调速，而在基频以上，基本上属于“恒功率调速”
图2.3异步电动机变频调速特性
2.3变频调速的优点
使用变频器的优点：
1.变频调速的节能由于采用变频调速后，风机、泵类负载的节能效果最明显，节电率可达到20％~60％，这是因为风机水泵的耗用功率与转速的三次方成比例，当用户需要的平均流量较小时，风机、水泵的转速较低，其节能效果也是十分可观的。
而传统的挡板和法门进行流量调节时，耗用功率变化不大。
由于这类负载很多，约占交流电动机总容量的20％~0％，它们的节能就具有非常重要的意义。
对于一些在低速运行的恒转矩负载，如传送带等，变频调速也可节能。
除此之外，原有调速方式耗能较大者（如绕线转子电动机等），原有调速方式比较庞杂，效率较低者（如龙门刨床等），采用了变频调速后，节能效果也很明显。
2.变频调速在电动机运行方面的优势
变频调速很容易实现电动机的正、反转。
只需要改变变频器内部逆变管的开关顺序，即可实现输出换相，也不存在因换相不当而烧毁电动机的问题。
变频调速系统起动大都是从低速开始，频率较低。
加、减速时间可以任意设定，故加、减速时间比较平缓，起动电流较小，可以进行较高频率的起停。
变频调速系统制动时，变频器可以利用自己的制动回路，将机械负载的能量消耗在制动电阻上，也可回馈给供电电网，但回馈给电网需增加专用附件，投资较大。
除此之外，变频器还具有直流制动功能，需要制动时，变频器给电动机加上一个直流电压，进行制动，则无需另加制动控制电路。
3.以提高工艺水平和产品质量为目的的应用
变频调速除了在风机、泵类负载上的应用以外，还可以广泛应用于传送、卷绕、起重、挤压、机床等各种机械设备控制领域。
它可以提高奇特的产成品率，延长设备的正常工作周期和使用寿命，使操作和控制系统得以简化，有的甚至可以改变原有的工艺规范，从而提高了整个设备控制水平。
变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。
容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制；容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。
可以实现软起动，减小冲击电流，解决大负载的启动问题。
电源功率因数大，所需容量小，可以组成高性能的控制系统等。
变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别（如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等），并立即封锁输出电压．这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。
第三章PLC技术
3.1PLC概述
可编程程序控制器（ProgrammableController）是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种专为在工业环境下应用而设计的计算机控制系统。
它采用可编程序的存储器，能够执行逻辑控制、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作功能，并通过开关量、模拟量的输入和输出完成各种机械或生产过程的控制。
它具有丰富的输入、输出接口，并且具有较强的驱动能力，其硬件需根据实际需要选配，软件则需根据控制要求进行设计。
因为早期的可编程序控制器在功能上只能进行逻辑控制，因此也称为PLC
（programmableLogiccontroller），即是可编程逻辑控制器。
随着计算机计数的发展，开始采用微处理器（Microprocessor）作为可编程序控制器的中央处理单元，从而扩大了可编程序控制器的功能，现在的可编程序控制器不仅可以进行逻辑控制，也可以对模拟量进行控制。
PLC自问世以来，经过几十年的发展，己经成为最受欢迎的工业控制类产品。
它之所以高速发展，除了工业自动化的客观需求外，还有许多独特的优点。
它较
好的解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。
3.2PLC的组成及各部分作用
PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。
按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。
整体式PLC是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。
另外还有独立的I/0扩展单元与主机配合使用。
主机中，CPU是PLC的核心，I/0单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。
组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/0单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。
装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。
CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10cm。
无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配置与组合。
1.中央处理单元（CPU）
CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。
它按照系统程序所赋予的功能，整个PLC的工作过程都是在CPU的统一指挥和协调下进行的。
它的主要功能有以下几点：
1）接收从编程器输入的用户程序和数据，送入存储器存储；
2）监测和诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误；
3）用扫描的方式接收输入信号，并送入PLC的数据区（输入映像寄存器）保存起来；
4）PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作；
5）根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器表的内容，以实现输出控制、制表打印或数据通信等功能；
PLC常用的CPU有通用微处理器、单片机和位片式微处理器。
通用微处理器常用的是8位机和16位机，如8080、8086、M68000、80286和80386等。
单片机常用的有8031、8051、和8096等。
位片式微处理器常用的有AMD2901、AMD2903等。
小型PLC大多采用8位微处理器或单片机，中型PLC大多采用16位微处理器或单片机，大型PLC大多采用高速位片式处理器。
PLC的档次越高，所用的CPU的位数也越多，运算速度也越快，功能越强。
图3.1PLC的硬件系统结构框图
2.存储器
PLC配有2种存储器：
1）系统程序存储器；
2）用户程序存储器；
数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。
它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。
它还用来存放A/D转换得到的数字和数学运算的结果等。
3．输入输出（I/O）单元
I/0单元也称为I/0模块。
实际生产过程中产生的输入信号多种多样，信号电平各不相同，而PLC所能处理的信号只能是标准电平，因此必须通过输入模块将这些信号转换成CPU能够接收和处理的标准电平信号。
同样，外部执行元件如电磁阀、接触器、继电器等所需的控制信号电平也千差万别，亦必须通过输出模块将CPU输出的标准电平信号转换成这些执行元件所能接收的控制信号。
所以，I/O模块实际上是CPU与现场输入输出设备之间的连接部件，起着PLC与被控对象间传递输入输出信息的作用。
PLC通过I/0单元与工业生产过程现场相联系，输入单元接收操作指令和现场的状态信息，加控制按钮、操作开关和限位开关、光电管、继电器触点、行程开关、接近开关等信号，并通过输入电路的滤波、光电隔离和电平转换等将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。
输出单元将CPU送出的弱电控制信号通过输出电路的光电隔离和功率放大等转换成为现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀、电磁铁等执行元件。
4．编程器
编程器是PLC的最重要的外围设备，也是PLC不可缺少的一部分。
编程器的作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器,还可以对用户程序进行检查、修改和调试，以及在线监视PLC的工作状态，内部部件及系统参数。
它通过接口与CPU联系，完成人机对话。
编程器一般分为简易编程器和图形编程器两类。
简易编程器功能较少，一般只能用语句表形式进行编程，通常需要连机工作。
简易编程器使用时直接与PLC的专用插座相连接，由PLC提供电源。
它体积小，重量轻，便于携带，适合小型PLC使用。
图形编程器既可以用指令语句进行编程，又可以用梯形图编程；既可连机编程又可脱机编程，操作方便，功能强，有液晶显示的便携式和阴极射线式两种。
图形编程器还可与打印机、绘图仪等设备连接，但价格相对较高。
通常大中型PLC多采用图形编程器。
目前很多PLC制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程软件，当个人计算机安装了PLC编程支持软件后，可用图形编程器进行用户程序编辑、修改并通过个人计算机和PLC之间的通信接口实现用户程序双向传送、监控PLC运行状态等。
5．电源部件
PLC配有开关式稳压电源的电源模块，用来将外部供电电源转换成供PLC内部的CPU、存储器和I／O接口等电路工作所需的直流电源。
PLC的电源部件有很好的稳压措施，因此对外部电源的稳定性要求不高，一般允许外部电源电压的额定值在+l0％～-15％的范围内波动。
小型PLC的电源往往和CPU单元合为一体，大中型PLC都有专用电源部件。
有些PLC的电源部件还能向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感器供电，避免由于外部电源污染或不合格电源引起的故障。
为防止在外部电源发生故障的情况下，PLC内部程序和数据等重要信息的丢失，PLC还带有锂电池作为后备电源。
3.3PLC的工作原理
PLC的工作方式：
采用循环扫描方式。
扫描从第0号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增的方向顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序执行程序，直到程序结束，即完成一个扫描周期，然后再从头开始执行用户程序，并周而复始地重复。
PLC开始运行时，首先清除I／O映像区的内容，然后进行自诊断，自检CPU及I／O组件，确认正常后开始循环扫描。
每个扫描过程分为三个阶段进行，即输入采样、程序执行、输出刷新。
PLC重复执行上述三个阶段，每重复一次的时间就是一个工作周期（或扫描周期），如图3.2所示。
图3.2PLC工作周期的三个阶段
1.输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存I/O映像区中的相应单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I／O映像区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
2.程序执行阶段
程序执行阶段，又称程序处理阶段。
在程序执行阶段，根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右，先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。
在程序执行阶段，只有输入映像寄存器区存放的输入采样值不会发生改变，其他各种元素在输出映像寄存器区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能随着程序的执行随时发生改变。
PLC从输入映像寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读出对应映像寄存器的当前状态。
根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中。
3.输出刷新阶段
程序执行完毕后，进入输出刷新阶段。
然后，将输出映像寄存器区中所有输出继电器的状态转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。
第四章实验系统的设计
4.1系统设计功能分析
随着电力电子技术以及控制技术的发展，交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用；可编程控制器PLC作为替代继电器的新型控制装置，简单可靠，操作方便、通用灵活、体积小、使用寿命长且功能强大、容易使用、可靠性高，常常被用于现场数据采集和设备的控制；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，可实现远程调速控制，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”控制。
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。
本系统主要完成异步电机两种调速，由于变频器参数设置的不同，调速方式也有所不同，分别为变频闭环调速和多段速控制。
4.2PLC和变频器的选择
本设计选用的是西门子公司生产的SIMATICS7-20
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