基于PLC模拟量方式变频闭环调速控制系统设计.doc
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基于PLC模拟量方式的变频闭环
调速控制系统设计
学生学号：
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学生姓名：
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专业班级：
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指导教师：
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职称：
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起止日期：
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课程设计任务书
一、设计题目：
基于PLC模拟量方式的变频闭环调速控制系统设计
二、设计目的：
1.掌握S7-200SMARTPLC数据转换指令的使用及编程；
2.掌握S7-200SMARTPLC模拟量控制MM440变频器进行闭环调速的接线、调试、操作；
三、设计任务及要求：
1.设计任务：
用S7-200SMARTPLC控制西门子MM440变频器，PLC根据模拟量输入端的给定值和过程变量值，经过程序运算后由模拟量输出端输出值控制变频器运行。
2.设计要求：
2.1电机运行速度超出设定值时开始减速；
2.2电机运行速度低于设定值时开始加速；
四、设计时间及进度安排：
设计时间共三周,具体安排如下表：
周安排
设计内容
第一周
学习S7-200SMARTPLC数据转换指令的使用及编程及西门子MM440变频器工作原理，学习交流电机调速系统设计原理。
第二周
对S7-200SMARTPLC及西门子MM440变频器等设备进行设计及接线。
第三周
完成基于PLC模拟量方式的变频闭环调速控制系统硬件设计调试和软件程序调试，编写设计说明书。
提交设计作品及设计说明书，评定专业综合设计成绩。
-I-
目录
第1章绪论 1
第2章系统设计 2
2.1设计思路 2
2.2系统硬件配置及组成原理 3
2.3变频器 4
第3章MM440变频器简介 5
3.1MM440变频器 5
3.2MM440变频器的组成 5
3.3主电路工作原理 6
第4章西门子S7-200 7
4.1S7-200的介绍 7
4.2S7-200SMART系列PLC结构 8
4.3S7-200SMART的特点 8
4.4CPU单元设计 9
第5章PLCPID变频调速系统结构 10
5.1系统结构控制模型 10
5.2PID调节 11
总结 17
参考文献 18
-17-
第1章绪论
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。
组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。
在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序来实现的。
编写程序不但工作量大、周期长，而且轻易犯错 误，不能保证工期。
组态软件的出现，解决了这个问题。
对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成。
组态王是海内一家较有影响力的组态软件开发公司开发的，组态王具有流程画面，过程数据记录，趋势曲线，报警窗口，生产报表等功能，已经在多个领域被应用。
第2章系统设计
2.1设计思路
变频器控制电机，电机上同轴连旋转编码器。
编码器根据电机的转速变化而输出电压信号Vil反馈到PLC模拟量模块（Fx2n-3A）的电压输入端，在PLC内部给定量经过运算处理后，通过PLC模拟量模块的电压输出端输出一路DC0~+10V电压信号Vout来控制变频器的输出，达到闭环控制的目的。
运算方案一：
采用数学运算，当反馈值小于给定值时，让控制信号Vout加适当值。
同理，当反馈量大于给定值时，用软件给控制信号减适当值。
运算方案二：
采用PID控制，对其设定整定的参数，只要给它控制信号，它将会输出理想的结果。
方案比较：
如果采用纯粹的数学运算，因为控制模块的滞后等原因，其输出结果并不如人意，系统
响应慢、不稳定，如果操作失误，将会给硬件造成损伤。
而如果采用PID控制，因其不需要被控对象的数学模型，有较强的灵活性和适应性且使用方便，所以运用它可以得到比较满意的结果。
结论：
采用PID控制
测速方案一：
采用测速电动机
测速方案二：
采用同轴编码器测速
方案比较：
测速发电机的输出特性存在死区和非线性区,且体积大、误差大,一般适用于测速精度要求不高的系统。
采用编码器测速,其输出高频脉冲经FX2NPLC高速计数器计数,经过量化可得到精度很高的转速。
结论：
采用编码器测速
2.2系统硬件配置及组成原理
本实验装置选用三菱主机FX2N-48MR-001AC/DC/继电器内置数字量I/O（24路开关量输入，24路继电器输出）如图2-1程序框图。
2-1程序框图
PLC使用用扫描工作方式执行用户程序时，扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户程序，直到程序结束。
然后再从头开始扫描执行，周而复始重复运行。
在内部处理阶段，进行PLC自检，检查内部硬件是否正常，对监视定时器（WDT）复位以及完成其它一些内部处理工作。
在通信服务阶段，PLC与其它智能装置实现通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等。
当PLC处于停止（STOP）状态时，只完成内部处理和通信服务工作。
当PLC处于运行（RUN）状态时，除完成内部处理和通信服务工作外，还要完成输入采样、程序执行、输出刷新工作。
另配有FX0N-3A模拟量模块（2路模拟量输入，1路模拟量输出）。
输入通道接收模拟信号并将模拟信号转换成数字值；输出通道采用数字值并输出等量模拟信号。
FX0N-3A的最大分辨率为8位。
FX0N-3A在PLC扩展母线上占用8个I/O点，8个I/O点可以分配给输入或输出。
所有数据传输和参数设置都是通过应用到PLC中的TO/FROM指令，通过FX0N-3A的软件控制调节的。
BFM0：
把外部模拟信号通过转换成数字值后存储在这里。
BFM16：
把主机传送过来的数据存储在这里，准备通过转换后输出控制负载。
BFM17：
b0=0时选择模拟输入通道1；
b0=1时选择模拟输入通道2；
b1=0--1时，起运A/D转换处理；
b1=1--0时，起运D/A转换处理
缓冲存储器
编号
b8~b15
b7
b6
b5
b4
b3
b2
b1
b0
0
保留
通过17#的b0选择的A/D通道的当前值输入数据（以8位存储）
16
保留
在D/A通道上的当前值输出数据（以8位存储）
17
保留
D/A起运
A/D起运
A/D通道选择
0~15、18~31
保留
图2-2缓冲存储器
变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。
变频器在英文译名是VFD（Variable-frequencyDrive）。
2.3变频器
变频器的主要任务是将工频电源转换为频率和幅度可调节的交流到交流的变频器，是当前应用最广的交流调速设备，变频器的功能不是以调速为目的，而是控制某一过程为目的。
它有完善的保护功能:
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3章MM440变频器简介
3.1MM440变频器
可编程控制器（以下简称PLC）是一种取代继电器盘的新的控制装置，在保留了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，同时具有现代化生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。
PLC系统构成灵活，以开关量控制尤为突出；同时能进行连续过程PID的多回路控制；实现生产过程综合自动化。
而且使用方便，编程简单，采用简单明了的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，通俗易懂，系统开发周期短，现场调试容易。
能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力很强，可靠性很高，远远胜于其他各种控制机型。
伴随着可编程序控制器的突飞猛进，HMI（人机界面）也在不停发展。
它不仅可以用于参数的设置、数据的显示和存储，还可以以曲线、图形等形式直观反映工业控制系统的流程，其稳定性与可靠性可以与PLC相当，能够在恶劣的工业环境中长时间运行，是现代工业控制系统中不可或缺的辅助设备。
在价格方面，随着科学技术的突飞猛进，各种可编程序控制器与触摸屏的价格日趋低廉，但是功能日益强大。
本文中所提到的触摸屏就是属于HMI，现在触摸屏几乎成为人机界面的代名词。
3.2MM440变频器的组成
MM440变频器由主电路、控制电路、检测电路、保护电路、键盘显示电路等组成，构成数字化变频调速系统。
1．MM440变频器主电路
MM440变频器电气控制电路由主电路和控制电路组成，主电路采用交-直-交PWM电压型变压变频电路，由整流器、滤波器、逆变器和保护器组成。
2．整流器
MM440变频器的整流器采用不可控二极管VD1~VD6构成三相不可控整流桥式电路，将恒定的电源电压和频率（CVCF）的交流电压整流成脉动的直流电压，作为逆变器的直流电源。
3．滤波器
滤波器也叫直流中间环节，作为是提高直流电源的质量。
因为整流器流出的直流电压含有频率为电源频率6倍的电压（或电流）波纹，必须增加电容器（电压型）或电感器（电流型）作为直流中间环节，来吸收并抑制电源电压（或电流）的波纹。
MM440变频器采用交-直-交电压型电路，直流中间环节采用大容量电容，旁边并联限流电阻可削弱合上电源瞬间电容器上的充电电流，起到保护整流桥的作用，当充电到一定程度再把限流电阻短路掉。
滤波器对整流出的直流电压进行滤波，为逆变器提供平稳的直流电压源U。
4．逆变器
MM440变频器的逆变器采用绝缘栅双极晶体管（IGBT），具有输入阻抗高、开关速度快、稳定性好、通态电压低、承受电流大等特点，IGBT1~IGBT6构成了三相桥式可控逆变电路，在控制电路的控制下将直流电“逆变”成电压和频率可调（VVVF）的交流电，供给异步电动机进行变频调速控制。
续流二极管VD7~VD12构成续流电路，其作用是为电动机绕组的无功电流返到直流电路提供回路；在逆变过程中为电路寄生电感提供释放能量回路，保护逆变器件IGBT。
3.3主电路工作原理
主电路工作原理是将电源输入的恒定交流电经不控整流器整流成直流电压；通过滤波器滤波掉电压纹波供给逆变器高质量的直流电压源；逆变器在控制电路的控制下实时调整占空比，将直流电压源逆变成电压和频率可变的三相交流输出电压供给电动机。
第4章西门子S7-200
S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
4.1S7-200的介绍
由于其各种与众不同的特点，S7-200已经在全球范围内涵盖各种行业的应用程序中得到了证实：
CPU221
简单自动化任务用的小型CPU－如果您想变更为一个非常经济地执行简单自动化任务的有效解决方案，这是最好的小型设备。
还可以在扩展的温度范围内使用。
更复杂任务用的CPU222可扩展的小型CPU－更复杂的机器和小型系统解决方案用的能够胜任的紧凑型封装。
更高通讯和计算要求用CPU－为要求速度和特殊通讯能力的复杂任务用的高性能CPU。
简单驱动任务用的CPU－方便地实施简单驱动任务用的CPU224版本－有两个接口，两个模拟输入和一个模拟输出，以及两个100kHz脉冲输出和2个高速200kHz计数器。
较大技术性工作用的高性能CPU－用于具有已扩展输入和输出以及两个RS485接口的复杂的自动化任务的多功能高性能CPU。
优点：
1．SIMATICS7-200发挥统一而经济的解决方案。
整个系统的系列特点：
（1）强大的性能；
（2）最优模块化和；
（3）开放式通讯。
2．S7-200性能优越，久经考验，适合于工业领域的各种应用：
（1）结构紧凑小巧－狭小空间处任何应用的理想选择；
（2）在所有CPU型号中的基本和高级功能；
（3）大容量程序和数据存储器；
（4）杰出的实时响应－在任何时候均可对整个过程进行完全控制，从而提高了质量、效率和安全性；
（5）易于使用STEP7-Micro/WIN工程软件－初学者和专家的理想选择；
（6）集成的R-S485接口或者作为系统总线使用；
（7）极其快速和精确的操作顺序和过程控制；
（8）通过时间中断完整控制对时间要求严格的流程。
4.2S7-200SMART系列PLC结构
1.CPU模块
CPU模块主要由CPU和存储器组成。
2.I/O模块
I/O模块是输入模块和输出模块的简称。
输入模块用来采集输入信号，输出模块用来控制外部的负载和执行器。
I/O模块还有电平转换与隔离的作用。
3编程软件
STEP7-Micro/WINSMART用来生成和编辑用户程序，和监控PLC的运行。
4电源
PLC实用AC220V电源或DC24V电源。
小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器提供DCV电源。
图4-1CPU控制系统示意图
4.3S7-200SMART的特点
品种丰富，配置灵活，10中CPU的模块，CPU模块最多60个I/O电，标准型CPU最多可以配置6个扩展模块，经济型CPU价格便宜。
有4中可安装在CPU内的信号板，是配置更为灵活。
CPU模块集成了以太网接口和RS-485接口，可扩展一块通信信号板。
场效应管输出的CPU集成了100Kz的2路和3路高速脉冲输出，集成了S7-200的位置控制模块的功能。
实用MicroSD可以实现程序的更新和PLC固件升级。
编程软件界面友好，变成高效，融入了更多的人性化设计。
强大的通信功能。
支持文本显示器和三种系列的触摸屏。
4.4CPU单元设计
集成的24V负载电源：
可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU221，222具有180mA输出，CPU224，CPU224XP，CPU226分别输出280，400mA。
可用作负载电源。
不同的设备类型。
CPU221~226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。
本机数字量输入/输出点。
CPU221具有6个输入点和4个输出点，CPU222具有8个输入点和6个输出点，CPU224具有14个输入点和10个输出点，CPU224XP具有14个输入点和10个输出点，CPU226具有24个输入点和16个输出点。
本机模拟量输入/输出点。
CPU224XP具有2个输入点，1个输出点。
中断输入。
允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。
高速计数器。
CPU221/222
4个高速计数器（30KHz），可编程并具有复位输入，2个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接两个相位差为90°的A/B相增量编码器。
CPU224/224XP/226。
6个高速计数器（30KHz），具有CPU221/222相同的功能。
CPU222/224/224XP/226。
可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。
可使用仿真器（选件）对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序。
第5章PLCPID变频调速系统结构
5.1系统结构控制模型
PLC控制电机变频调速系统由S7-200型PLC、变频器、电机及电机测速系统、上位机触摸屏等构成。
使用到的实验设备具体有：
S7-200 PLC一台，上位机触摸屏一个，扩展模块一块，程序编程电缆线，模拟量输入开关一套，PLC控制变频调速实验模块一个，可测速三相异步电机系统一套。
PLC控制电机变频调速实验系统总图，如图5-1所示。
接线图如图5-2所示。
图5-1控制模型
图5-2接线图
5.2PID调节
P是比例度，I是积分，D是微分。
比例度越大调节就越迟钝，反之就灵敏。
积分越小就灵敏，如果这时测量值与设定值偏差大，他就动作越厉害。
微分主要是补偿滞后的问题，越大越灵敏。
一般是针对温度的。
流量整定用比例度就行。
液位用比例度加积分。
温度要用以上三者来综合整定。
比例度越大调节就越迟钝，反之就灵敏。
偏差越大调节作用越强。
积分越小就灵敏，偏差存在时间越长积分调节越强。
微分数值越大调节作用越强，偏差变化速率越大微分调节作用越强。
PID参数整定，特别是在现场，需要冷静与经验，是个小难题。
以下口诀也许有帮助：
参数整定找最佳,从小到大顺序查先是比例后积分,最后再把微分加曲线振荡很频繁,比例度盘要放大曲线漂浮绕大湾,比例度盘往小扳曲线偏离回复慢,积分时间往下降曲线波动周期长,积分时间再加长曲线振荡频率快,先把微分降下来动差大来波动慢,微分时间应加长理想曲线两个波,前高后低4比1一看二调多分析,调节质量不会低。
PID如下图所示。
图6-1PID梯形图
图6-2PID梯形图
图6-2PID梯形图
图6-2PID梯形图
图6-2PID梯形图
图6-2PID梯形图
图6-2PID梯形图
图6-2PID梯形图
总结
通过这次的课程设计，让我受益匪浅。
在课程设计期间通过与同学们之间的交流和老师的指导，使自己学到了不少知识。
除了学会了西门子S7—200 的基本知识，并掌握了S7—200的工作原理和一些指令的功能以外，还掌握了传感器和变频器的使用方法，并且深化了我对PID控制技术的理解。
在这次课程设计中我觉得最重要的就是要有自学能力，因为这次实训中有部分知识我们之前还没有接触过，所以自己必须学会查找相关的资料。
另外就是在遇到实际问题的时候，要认真思考，运用所学的知识，一步一步的去探索，是完全可以解决遇到的一般问题的。
而在这次设计程序的过程中，我一开始时走了很多弯路，这也是自己的知识不够扎实的原因。
不过经过自己几天的努力，最后还是做了出来，而且还做得挺不错的。
虽然我们设计的东西并不难，但是在设计的过程中我学到了书本上所没有学到的东西。
只有理论，没有结合实际是很难做出东西的。
比如在调试的过程中，遇到问题往往是书本上的知识不能直接的解决的，只要在扎实的专业知识的前提下，我们才能把东西做好。
经过这次的课程设计，让我深深的感受到理论联系实践的重要性，平时在学习中不能够透彻理解的知识，通过动手，会有更好的认知。
本次课程设计虽然不长，但是它给我们带来了很多收获。
它使我意识到自己的操作能力的不足，在理论上还存在很多缺陷。
所以在以后的学习生活中，我会更加努力地加强理论联系实践的学习，在努力学好专业知识的同时努力加强自己的专业技能方面的能力，使自己的知识在实践中不断增长，在实践中锻炼自己，培养自己各方面的能力，不断提高自己的能力。
参考文献
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电子工业出版社,2005
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