毕业设计PLC及变频调速器的多电机控制系统.docx

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毕业设计PLC及变频调速器的多电机控制系统

摘要

随着自动化控制理论、工业控制网络和计算机、通信网络技术等的飞速发展，在工业场合中，单台电机的控制已经不能满足实际生产过程的需求，越来越多的场合需要对多台电动机同时进行控制，多电机控制问题已经成为控制行业发展研究的一个重要内容。

本文在系统阐述变频调速技术相关知识以及对PLC功能分析的基础上，在充分考虑了成本、维护可靠性等诸多因素的情况下，提出了一种由PC机、西门子PLC、变频器、异步电机等构成的多电机控制系统的方案。

文中对控制系统进行了总体设计，对多电机同步控制的原理及特点重点分析，确定了同步控制方案，提出来一种基于模糊PID补偿器的多电机同步控制策略，并给出了模糊PID补偿器的设计方法。

然后采用基于RS485接口的USS协议实现了PLC与变频器的串行通信，重点讨论了USS协议对变频器进行控制的方法和程序设计，通过USS协议，S7-200PLC可以实时读取和设置变频器的相关参数，通讯速率较高。

同时还详细讨论了上位机与西门子S7-200型PLC串口通信的条件以及运用高级语言编写PLC与PC机通信的接口程序原理等。

利用PLC自由端口通信方式实现与上位机的串行数据传输，将变频器的信息通过S7-200实时传送到上位机中，实现了计算机与PLC的实时通信，利用PLC自身所具备的逻辑运算和数据处理功能，实现了监控系统的设计，最终实现计算机对PLC所连接设备工作状态的实时监控。

文中通过PLC对变频器的控制从而达到对电机的控制目的，实现对电机运行状态的监控。

该系统能够对变频器的运行参数、电机的运行状况进行在线监测，并进行远程控制，能有效地减少系统布线、减少电缆的数量，提高系统的抗干扰能力、系统的自动化水平及运行的可靠性。

关键词：

PLC；变频器；变频调速；电机；USS协议

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentoftheautomaticcontroltheory,thenetworksoftheindustrialcontrolandthetechnologyofthecomputer,communicationnetworkandsoon,Ontheoccasionsintheindustrial,asinglemotorcontrolcannolongermeettheneedsoftheactualproductionprocess,moreandmoreoccasions,theneedforsimultaneouscontrolofmultiplemotorsisexisted,theproblemofthemulti-motorcontrolhasbecomeanimportantelementofthedevelopmentandresearchincontrolindustry.

Inthispaper,onthebasisofthedescribingVVVFtechnology-relatedknowledge,andfunctionalanalysisofthePLC,basedonfullconsiderationofthecost,maintenancereliabilityandmanyotherfactors,amulti-motorcontrolsystemprogramisproposed，itisconstituteofamachinefromthePC,SiemensPLC,frequencyconversiondevices,andasynchronousmotoretc.Wehavetheoveralldesignofthecontrolsystem,andhaveakeyanalysisfortheprincipleandcharacteristicsofmulti-motorsynchronouscontrol,identifysynchronouscontrolprogram,proposeacontrolstrategyformulti-motorsynchronousbasedonfuzzyPIDcompensator,andgivethedesignmethodoffuzzyPIDcompensator.UsingtheUSSprotocolbasedontheRS485interfacetocarryouttheserialcommunicationofthePLCandfrequencyconverter,anddiscussingtheUSSagreementhowtocontroltheinverterandproceduresforthedesign.ThroughtheUSSprotocol,S7-200PLCcouldreadandsettheinverterparametersinreal-time.ItalsodetailstheserialportcommunicationconditionsbetweenHostComputerandthetypeofSiemensS7-200PLCaswellastheuseofhigh-levellanguagetocompiletheprincipleofcommunicationinterfacebetweenPLCandthePCmachine.TheuseofPLC-free-portcommunicationcouldachievetheserialdatatransmissionbetweenPCandHostComputer,theinverter'sinformationwillsendtotheuppermachineinreal-timethroughS7-200,achievingthereal-timecommunicationsbetweenthecomputerandPLC.BytheuseofPLC'sownlogicofoperationanddataprocessingcapabilitytoenableadesignofmonitoringsystem,andultimatelycarryoutthedevices'real-timemonitoringoftheworkingconditionswhichisconnectedtothePLC.Thepaperbyinvertercontroltoachievethepurposeofmotorcontrol，andtoachievethesurveillanceofthemotorrunningstate.

Thesystemcanmonitortheinverter'soperatingparameterson-lineandremotecontrol,andcaneffectivelyreducethesystem'swiringandthenumberofcablesandimprovethesystem'santi-jammingcapability,theautomationlevelofthesystemandoperationreliability.

Keywords:

PLC;Frequencyinverter;frequencycontrol;Fuzzycontrol;

USSprotocol

1绪论

1.1课题研究的背景

近年来，随着工业的发展和对各种机械性能、产品质量要求的逐步提高，单单针对一台电机的控制在许多场合己经不能满足实际生产的要求，在生产过程中，一个生产线经常要用多台电动机，这些电动机可能是分工协作完成一个设备的生产，也可能是分别完成各自的工作，相互之间没有任何联系，这就需要人们去控制多台电机，使其协调运行，这样多电机控制问题就产生了。

迄今为止的设计经验大多主张每台变频器和电机都拥有专门属于自己的控制器，但是这样的设计就会提高系统的成本和复杂度，降低系统的性能和可靠性。

本设计正是基于以上背景，提出了一种变频调速器多电机控制系统的设计方案，通过对变频器的控制来实现对电机的控制。

变频调速是电机调速其中的一种。

它不仅操作方便，故障率低，且节能效果明显,优于调压调速、变级调速、滑差调速、串级调速、整流子调速和液力偶合器调速等。

变频调速的主要特点是：

①体积小、重量轻，可挂墙安装,不占地面；

②可手控、摇控，亦可与可编程控制器、计算机等联接，实现自控；

③启动电流低，约为电机额定电流的1.7倍（电机启动电流为5～6倍额定电流）,对电网设备冲击小；

④具有许多种保护功能（如过压、欠压、过流、短路、瞬时停电等）；

⑤可减振降噪，延长设备使用寿命。

选用正确的控制方式对系统的实现有很重要的作用，在以前的设计方案中，使用常规电器搭建控制部分非常困难，同时因大量使用继电器、时间继电器又造成控制部分的可靠性降低和故障率的升高，因此很少有这样的设计方案。

因此，就需要选择更好的控制方式来实现。

近年来，由于可编程控制器（PLC）发展极为迅速，应用面极广，它具有功能齐全、使用方便、可靠性高，抗干扰能力强，编程简单，操作方便，系统的设计，安装，调试工作量小，维护容易；体积小，能耗低；配套齐全，适用性强；易学易用，深受工程技术人员欢迎；性能价格比高等优点，已在工业控制的各个领域得到了极为广泛的应用，将会向着微型化，专业化，大型化，高速化，高性能方向发展，并将成为实现工业自动化的一种强有力工具。

因此，选择使用PLC来实现变频调速器的多电机控制。

1.2方案选择

要实现对多台电动机的控制，可以有两种方案来选择。

一是利用变频器来拖动多台电机实现。

现在变频器的技术已经比较成熟，基本型的变频器都有一拖二甚至更高的功能，这样就可以用变频器来带动多台电动机运行从而实现多电机的控制。

使用这种方式，由于只用一台变频器，所以投资少，减少了额外的硬件，又降低了整个系统的成本，同时最大限度的提高设备利用率，挖掘增效潜力。

但是此方案只对电机数目不多，电机分布比较集中的应用系统比较合适。

二是采用每台电动机各由一台变频器来控制的方式，那么这就要用到多台交流变频调速器，再利用PLC来控制多台变频调速器，从而达到多电机控制的目的。

采用这种方法，由于使用多台变频器，相较于第一种方案投资较大，但是适用于大规模生产线中电机数目较多，电机分布距离较远的情况，而且，用PLC和变频器搭建的程控系统，不但可以实现设备运行的自动化管理和监控，提高了系统的可靠性和安全性，而且提高了企业经济效益和工作效率。

因此，该系统具有一定的工程应用和推广价值。

本系统中采用的就是利用PLC控制多台变频器的方式来实现多电机控制的研究。

1.3相关技术背景简介

1.3.1变频调速技术

变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是目前运用最广泛且最有发展前途的调速方式。

交流电动机变频调速系统的种类很多，从早期提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型，脉宽调制等各种变频器。

目前变频调速的主要方案有：

交-交变频调速，交-直-交变频调速，同步电动机自控式变频调速，正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速，矢量控制变频调速等。

变频调速系统由电力半导体变流器、电动机、控制、检测四部分组成。

这四部分相互依存，共同作用，实现交流驱动的高精度、使用方便、低转矩脉动、低噪音、无传感器、小型化等性能指标。

异步电动机变频调速具有调速范围广，平滑性较高，机械特性较硬的优点，可以方便地实现恒转矩或恒功率调速。

1.3.2PLC技术

PLC英文全名为ProgrammableController，即可编程控制器，包括逻辑运算、顺序控制、时序、计数以及算术运算等程序。

它用一串指令形式存放在存储器中，然后根据存储的控制内容，经过模拟、数字等输入输出部件，对生产设备与生产过程进行控制。

一套典型的PLC通常包括CPU模块、电源模块和一些I/O模块，这些模块被插在一块背板上。

如果配置增加，可能会包括一个操作员界面、监控计算机、通信模块、软件以及一些可选的特殊功能模块。

可编程控制器不仅容易安装，占用空间小，能源消耗小，带有诊断指示器可以帮助故障诊断，而且可以被重复使用到其他的项目中去。

现在，尽管PLC的功能，如运行速度、接口种类、数据处理能力已经获得了很大的提高，但PLC一直保持了最初设计的原则，那就是简单之上的原则。

1968年，通用汽车公司确立了第一个可编程逻辑控制器的标准，目的在于替代既复杂又昂贵的继电器控制系统。

该设计规格需要固态系统和电脑技术，并要求能够在工业环境中生存，也能够方便地编程，并且可以重复使用。

到1969年，第一个PLC诞生，当时称为可编程控制器，英文称为ProgrammableController，缩写为PC。

由于第一代PLC是为了取代继电器，因此，采用采用了梯形图语言作为编程方式，形成了工厂的编程标准。

这些早期的控制器满足了最初的要求，并且打开了新的控制技术发展的大门。

在很短时间内，PLC就迅速扩展到食品、饮料、金属加工、制造等多个行业。

PLC通常根据CPU所带的I/O点数的规模分为微型PLC、小型PLC、大型PLC、PC插卡式PLC以及PC兼容的PLC。

PLC的技术不断发展取得了很大的成就，PLC控制系统[13]应用的越来越广泛。

过去，PLC使用与离散过程控制，如开关、顺序运动执行等场所，但随着PLC的功能越来越强大，PLC也开始进入过程自动化领域。

1.4论文的研究内容

本论文主要讨论了一种变频调速器多电机控制系统的设计方案，能够实现设备运行的自动化管理和监控，提高系统的可靠性和安全性，全文共分为六章。

第一章为绪论。

简单介绍了课题研究的背景以及方案的选择和相关技术的介绍。

第二章介绍了变频调速技术的原理、分类、控制方式以及变频器的选择等内容。

第三章介绍了可编程控制器的有关知识，包括它的原理、功能特点、结构以及选型、发展状况等相关知识，最后还详细介绍了本系统所要采用的SIEMENSS7-200PLC等有关内容。

第四章是系统设计的内容。

根据多电机同步的发展现状提出了多电机同步控制方案，研究了此种策略的设计方法。

第五章是系统通信的设计与调试。

重点介绍了变频器与PLC，PLC与上位机通讯的设计内容与调试。

包括通信协议的选定、协议内容以及程序设计等相关内容。

第六章是监控界面设计的相关内容。

包括人机界面的选型、编程软件的选择和系统界面设计等。

最后总结本论文所做的主要工作，并提出一些今后需要进一步研究的问题和方向。

本章小结

本章阐述了论文研究的课题的背景意义，以及方案的选择，简单介绍了变频调速技术和PLC技术，西门工业控制网络技术的背景知识。

阐述说明了本文研究的内容、方法和要实现的目的。

2变频调速技术分析与应用

变频调速技术近年来发展很快，变频器在节约电能的同时可以减少排放、降低能耗，理解并掌握变频器的控制具有十分重要的现实意义，而且现在越来越多的工业控制场合选用PLC和变频器用于电机的调速控制。

2.1变频器的选择

变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。

变频器的基本构成如图2.1所示，其主电路主要由整流电路、直流中间电路和逆变电路三部分以及有关的辅助电路组成。

图2.1变频器的基本结构框图

2.1.1使用变频器的目的

变频器应用可分为用于传动调速和用于各种静止电源两大类。

变频器的目的使用见表2.1。

2.1.2变频器的原理

变频器可分为间接变频器和直接变频器两大类。

间接变频器先将工频交流电源整流成电压大小可控的直流，再经过逆变器变换成可变频率交流，由此也称交-直-交变频器；直接变频器则将工频交流一次性变换成可变频率交流，故可称交-交变频器。

目前以间接变频器应用较为广泛。

本文所述变频器也属于这一类。

（1）交-直-交变频器

按照电压、频率的控制方式，交-直-交变频器有三种结构形式：

①可控整流器调压、逆变器调频方式。

如图2.2（a）所示：

其调压与调频功能分别在两个环节上实现，由控制电路协调配合，故结构简单、控制方便。

由于装置输入环节采用可控整流，当低频低压运行时，移相触发角u很大，致使输入功率因数低下，此外逆变器多用晶闸管型2阶梯波，每周换流2次的逆变器，器件开关频率低输出谐波成分大，当然，可控器件如IGBT的出现使得PWM控制成为可能，可以大大的改善其工作性能，但成本较高。

②不控整流器整流、斩波器调压、逆变器调频方式。

如图2.2（b）所示：

由于采用二极管整流,使输入功率因数提高。

由于输出逆变环节功率器件采用晶闸管，仍有输出谐波成分大的弊病。

③不控整流器整流、脉宽调制型（PWM）逆变器同时实现调压调频方式。

如图2.2（c）所示：

此时除装置输入功率因数高，又因采用高开关频率的逆变器，输出谐波很小，性能优良。

图2.2交-直-交变频器结构图

（2）交-交变频器

交-直-交变频器控制简单，所用晶闸管元件少，但它要经过两次能量转换损耗比较大，而且大部分变频器都用不可控器件作逆变开关，采用电容强迫换流，电路结构复杂。

交-交变频器可直接将电网频率交流变成频率可调交流，无需中间直流环节，从而可提高整个变频装置的变换效率。

又由于交-交变频器中晶闸管可利用交流电网实现电源自然换流，无需专门设计换流电路，简化了变流器结构。

再由于这种变频器基本单元是由三相可逆整流装置所构成、每相装置均为两个反并联的三相整流器、变频器容量就由它们来分担，因此在不采用元件串、并联的条件下，可将交-交变频器容量做得很大，使这种变频器在大容量低速同步电机的无齿系传动、大型线绕异步电机的超同步双馈调速，以及新型交流励磁变速恒频发电系统中得到了相当广泛的应用。

交-交变频器输出的每一相都是由两组晶闸管可控整流器反并联的可逆线路构成。

如图2.3所示。

其中图（a）电路可控整流器进线侧接入了足够大滤波电感使输出电流近似方波，称电流源型；图（b）两组整流器直接反并联,构成电压源型电路。

当正组工作在整流状态时，反组封锁。

负载上电压为上（＋）下（－）。

当反组处于整流状态而正组封锁时，0u为上（－）下（＋）；两组交替工作就使负载上得到交流电压，如图（c）所示,其输出频率即为两组整流器的交替工作切换频率。

由于交-交变频器输出的交流电压是经晶闸管整流后获得，晶闸管利用了电网电压换流，其输出频率不能高于电网频率。

通常最高输出频率被限制为电网频率的1/3-1/2。

图2.3交-交变频器原理图

2.1.3变频器的控制电路

给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，称为控制电路。

如图2.4所示，控制电路由以下电路组成：

频率、电压的运算电路、丰电路的电压、电流检测电路，电动机的速度检测电路，将运算电路的控制信号进行放大的驱动电路，以及逆变器和电动机的保护电路。

图2.4变频器控制电路

在图2.4点划线内，无速度检测电路，为开环控制。

在控制电路增加了速度检

测电路，即增加速度指令，可以对异步电动机的速度进行控制更精确的闭环控制。

（1）运算电路

将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。

（2）电压、电流检测电路

与主回路电位隔离检测电压、电流等。

（3）驱动电路

为驱动主电路器件的电路。

它与控制电路隔离使丰电路器件导通、关断。

（4）I/0输入输出电路

为了变频器更好人机交互，变频器具有多种输入信号的输入（比如运行、多段速度运行等）信号，还有各种内部参数的输出（比如电流、频率、保护动作驱动等）信号。

（5）速度检测电路山东大学硕士学位论文

以装在异步电动轴机上的速度检测器（TG、PLG等）的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。

（6）保护电路

检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。

逆变器控制电路中的保护电路，可分为逆变器保护和异步电动机保护两种，表2.l为保护功能一览。

表2.l保护功能一览：

保护对象

保护功能

逆变器保护

·瞬时过电流保护

·过载保护

·再生过电压保护

·瞬时停电保护

·接地过电流保护

·冷却风机保护

异步电动机保护

·过载保护

·超频（超速）保护

其它保护

·防止失速过电流

·防止失速再生过电压

2.1.4负载的分类

变频器的选择对于控制系统的正常运行是非常关键的。

选择变频器时必须要充分了解变频器所驱动的负载特性。

电动机的功率与负载转矩和转速的积成比例为：

（2.1）

式中P—功率（kW）；

T—转矩（N·m）；

ω—角速度（rad/s）；

N—转速（r/min）。

根据转矩T与转速n的关系，通常将生产机械负载分为三种类型见图2.5。

图2.5负载转矩特性

a）恒转矩负载b）恒功率负载c）平方转矩负载

（1）恒转矩负载

恒转矩负载（T为定值）如图，负载转矩T与转速无关，任何转速下T总保持恒定或基本恒定，即使转速变化，转矩也不大变化。

（2）恒功率负载

恒功率调速包含两种含义：

①负载具有恒功率的转矩-转速特性，恒功率的转矩-转速特性指的是负载在转速变化时需要电动机提供的功率为恒定。

②电动机具有输出恒功率能力，当电动机的电压随着频率的增加而升高时，若电动机的电压己经达到电动机的额定电压，继续增加电压有可能破坏电动机的绝缘。

为此，在电动机达到额定电压以后，即使频率增加仍维持电动机电压不变。

这样电动机所能输出的功率由电动机的额定电压和额定电流的乘积所决定，不随频率的变化而变化，即具有恒功率特性。

（3）平方转矩负载

平方转矩负载（T/n2为定值）如图，即随着转速的降低，转矩也变小。

随着转速减小，转矩按转速的二次方减小。

这种负载所需的功率与速度的三次方成正比。

2.1.5变频器的选型

在交流调速系统设计中，在保证系统指标的前提下，应以系统结构简单、成本低、技术成熟、维护工作量小为目标来选择最佳的系统配置，应克服追求高新技术的系统配置，减少造成投资高、维护工作量大、复杂的技术储备型设计。

在工程扩建和技术改造中选用变频装置的原则是，根据负载及工艺条件确定变频装置的控制算法，在保证系统的技术指标前提下尽可能减少工程投资。

根据实际运行经验可按照以下原则设计以保证高的性能价格比：

（1）按负载类型选择调速装置。

负载变化时通常希望速度变化越小，系统工作越稳定越好，所以大多数负载希望静态速度误差越小，机械特性越硬越好。

但也存在某些负载要求较软的机械特性如电车、电梯等负载，当负载超重时为安全起见要求其速度自动地慢下来。

（2）考虑调速经济性，优先考虑设备投资，从两方面考虑。

一方面在符合系统调速要求条件下选择合适类型的调速装置，如风机、水泵等的一般性节能调速尚可考虑选用一般的v/f型SPMW（正弦脉宽调制）通用型变频器，毋需选择矢量控制或直接转矩控制变频器。

在要求启动转矩大或调速特性要求高的场合，应选用矢