最新组态王与PLC的交流闭环变频调速系统Word文档格式.docx

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Configｕratｉoｎｓofｔware，PLC，Vaｒiablefreqｕｅnｃｙsｐeedｒeｇulation,PＩD，HSＣ，Tiｍeiｎｔerｒｕpt，M　tachｏmeｔry.

东南大学成贤学院教学改革研究项目（11０1300０82）

引言

工业控制系统中,ＰＬC常以其高可靠性担任现场控制,但自身人机交互能力较弱；

而工业PC机人机交互能力优秀.采用ＰC与PLC以上、下位机方式的联合控制可使得两者优势互补，是实现工业环境下控制系统功能性能优化的有力手段[１］。

1系统基本结构功能

图1系统基本结构功能

本系统将PC、PＬC上下位机联合控制的现实工业系统完整引入教学，实现远程与现场的多功能控制.PLC通过变频器驱动三相异步电动机,运用直流发电机实现机械加载，轴编码器实现转速的检测反馈。

闭环PID调节在ＰLC完成,ＰID参数整定与系统运行监控等在PC完成。

系统基本结构功能如图1。

2系统硬件设计

2。

1下位机、上位机与通信

下位机PLＣ选用西门子S７-200的CPU22４XＰ［2］,含模拟输入、模拟输出，RＳ4８5通信与高速计数等，完成系统的现场控制;

上位机PC基于化工过程控制系统中常用的工业组态软件组态王Kingｖiew6。

5［３]与PLC采用西门子ＰPＩ通信实现系统远程控制。

2电机机组

系统控制对象为鼠笼三相异步电动机，为便利实现定量机械加载与测速反馈,将三相异步电动机、直流发电机、测速发电机、轴编码器同轴安装构成专用机组。

通过在直流发电机电枢回路接入断开大功率电阻可对电动机进行定量机械加载卸载，这对于开、闭环下转速机械特性定量测试比较是必须的；

轴编码器用作转速的数字化检测反馈。

2．３调速控制与变频器

PLC输出电压控制西门子G１１０变频器［4］完成变频调速,控制电压及对应输出频率由变频器参数P０757、P0758、P07５9、P０７60、P20０0[5]等确定,系统对应频率0-50Ｈz的控制电压为0－10Ｖ。

３下位机PＬC软件设计

3.１关键问题

3.1.1数字测速方案及优化编程技巧

系统采用M法［６]测速：

在一个闸门时间T内累计轴编码器发出的脉冲数m,转速n以每分钟转数rｐm为单位,若编码器每转脉冲数为P，则:

.传统编程思路即依此关系乘除运算求得转速。

本系统对传统编程思路进行了优化:

由P直接确定一个固定的T，程序初始化依此T一次性设定定时中断,在中断服务程序中将测得的m直接作为转速n输出,彻底免去传统编程的乘除运算,以增强实时性。

T的确定:

在

中令

，得

。

本系统轴编码器

直接可得程序初始化设定定时中断间隔

秒。

此项编程技巧优化效果显著，可以推广到其他M法测速编程场合。

3。

１.2Ｍ法测速的高速计数与定时中断实现

计数必须采用高速计数[2]。

设计数字测速须考虑最大转速时编码器脉冲的频率.系统机组电机最大转速近15０0ｒpｍ,每秒25转，轴编码器每转脉冲12００个,故最大频率近30ｋＨz。

PＬC的ＣＴU、CTD等计数器存在缺陷:

其计数脉冲周期不能小于主程序扫描周期，故可承受的频率上限很低。

对于近30kHｚ脉冲计数只有采用与程序扫描无关的高速计数方式，否则将大量丢失脉冲．系统采用CＰU2２４XＰ的HＳC0高速计数器完成轴编码器脉冲的计数.

闸门必须采用定时中断［２]。

ＰLC的ＴON、TOF等定时器存在缺陷：

其实际定时时间随机变化不定，最短可比设定少一个时基,最长可比设定多一个主程序扫描周期，且这样的不确定性无法消除。

故测速闸门的精确定时必须抛弃TＯN、TOF等，而运用中断方式实现。

系统采用CPU２２4XP的定时中断0实现闸门定时。

1。

3PIＤ控制

过程控制系统中常用的ＰＩD闭环调节应用广泛，本系统即采用转速闭环PIＤ调节且PID调节器以软件方式在PLＣ实现。

如图2，S7-20０提供浮点位置算法的工业ＰID运算指令，同时需要一个回路表存储PID运算接口量和参数等[2］。

本系统设计回路表为自ＰLＣ数据存储器VD8０0单元开始的9个实数共36个字节，其中,接口量和参数分配如下：

VD80０过程反馈PVn、VＤ804给定ＳＰn、ＶＤ80８输出Ｍn;

VD８12增益Kc、VD816采样周期Ts、ＶD820积分时间Ｔｉ、VD８24微分时间Ｔd。

图2　PLＣ的ＰIＤ调节器

Ｓ７—200PLC技术资料中推荐其软件PID用于如过程控制系统常见的温度、压力、流量、液位等低速对象［2］.而电机转速对象的变化速率显然比上述过程参量快许多，本系统构建编程调试成功，是S7-2０0ＰＬＣ软件PID对电机转速快速对象控制的直观的、具体的成功实例。

３．2程序设计

图3主程序与中断程序流程

ＰLC程序主要包括:

定时中断与高速计数转速采集，变频调速控制,给定与反馈处理，PID调节，现场远程控制功能与切换;

开环闭环控制功能与切换,上下位机接口数据变换处理等。

主程序与中断服务程序基本流程如图3,部分主要代码如下：

3.２。

1现场/远程控制与起动/停止

//M1．0:

现场／远程控制切换（由组态王界面控制）

／/M０.0：

远程控制的起动/停止（由组态王界面控制）

/／Ｉ1.1：

现场控制的起动/停止

LDＭ1。

0/／现场控制（M1.0=1），

AI1。

１//I1.１=１起动；

=0停止

LDNＭ1。

0　//远程控制（M1。

0=0）,

Ａ　M0。

0//M0。

0=1起动;

ＯLD

=　Q0。

０//Q0.0=１起动；

=0，停止

３.2。

2高速计数与定时中断初始化

ＬDSM0.1

MOVD0,VＤ0/／清Ｍ法测速的转速单元

MＯVB　2＃11１0100０,SMB37

／/HSC0控制字：

使能,更新当前值预置值,增计数

ＨDEF0,　0/／定义ＨSC０

ＭOＶD0，SMD３8//HＳC０初值为０

HSC0　//启动HSC０

ＭＯＶB50，SＭB3４/／M法测速定时中断时间50mS

ATCH　ＩNT0，1０　//中断事件连接中断程序并开中断

ＥNI//开全局总中断

３转速给定SPｎ的处理

LD　ＳＭ0。

０

LPＳ

A　M1．０／/若组态王界面选择了“现场控制”:

//则将现场电压送AIW０作为转速给定

IＴD　AIW0,　AＣ０

DTRAC０，AC0

MOＶRAC0，　ＶD804

/R　32０00。

0，ＶD８04

//将AＩＷ0的0－３200０变为0-1.０送SPｎ

LＰＰ

AN　M1．0／/若组态王界面选择了“远程控制”:

//则通过组态王界面调节ＶD700作为转速给定

MOVRVD700,VD8０4

/Ｒ　１５０0。

0,　VＤ８04

／/将VD700的0-1５00变为0—１.0送SPn

2.4转速反馈PVn的处理

LDSM0．0　

DＴR　VＤ0,　AＣ０/／获取Ｍ法测取的转速ＶD0

MOVＲ　AC０，ＶD8０0

/R　　1500。

０，　VD800

／/将转速VD0的0—15０0变为0—1.0送PVn

5PIＤ控制运算

ＬDM1。

AI1．0//M1.０=1（现场控制）且I1。

0=１（闭环）

LDN　M１.0

AM２。

０／/M1。

0=0（远程控制）且M2。

PＩＤ　VB800，0

／／闭环时:

运行PIＤ;

回路表从VB800开始

NOＴ

MOVR　VD804,VD8０8

//开环时:

给定SＰn直接赋给输出Ｍｎ

２。

6PID输出Mn的处理

LDSM0.０

MOVRVＤ8０８,ＡＣ0//取PID的输出Mn

＊R　320０0．0，AC0

ROUND　ＡＣ0,　AC０

DTＩAC0,　ＡQW0

/／将PIＤ输出Mn的0　—1。

0变为0—3２000

//并从AQW0输出0—10V电压控制变频器调速

MOVWＡC0,ＶＷ２０

//PID输出Mn同时送VW20供组态王指示

MＯVＷ　AＩW0，VＷ１0

//将现场给定ＡIW0送VW10供组态王指示

3.2.7定时中断服务程序

LD　SM0。

０/／测速闸门:

50ｍＳ中断一次

ＭOVDHC０，VD０

//取ＨＳC０计数值送ＶD0即为测得的转速（0—150０rｐｍ）

HＳC０//再启动ＨＳC0

ＤTIＶＤ0，VＷ30

//转速值VD0同时送ＶＷ３0供组态王显示

4上位机PC软件设计

PＣ软件基于组态王Kiｎgvｉew６．5平台设计。

系统在PC实现现场远程与开环闭环、转速给定、PID参数整定、PID算法各类变量、运行状态、设备信号、数据与曲线等远程控制功能.

图４整定画面

组态王运用设备驱动和“数据词典”数据库[３］分别实现上、下位机的通信和数据联系．经过变量定义、设备定义、通信建立、界面设计、数据词典定义、动画连接定义、命令脚本程序设计[7]等步骤完成上位机软件设计,主要有主控、整定、设备信号数据、实时及历史曲线等远程监控界面.其中,增益系数Kc、积分时间Ti、微分时间Ｔd、采样周期Ts等PＩＤ参数可在如图４的界面输入整定,一经整定，即可通过实时曲线界面即时测试评价运行控制效果。

5系统运行试验结果

５。

1PID参数整定与试验

与过程控制系统一样,系统需对ＰIＤ闭环参数Kc、Ti、Ｔd等进行整定调试。

试验中，当Kｃ=0。

97、Ti=0．０1分、Td=0。

005分、Ts＝０．０５秒时,Kc过大而Tｉ过小，增益与积分作用过强，转速响应呈现如图5的连续振荡,参数整定不良。

图5参数整定不良的转速响应

最终调试到Kc＝０.6５、Ti＝０.052分、Ｔd=0。

０1分、Tｓ=0。

0５秒时，转速响应呈现如图6的优良性能，参数整定优良。

图6参数整定优良的转速响应

5.２开环、闭环转速机械特性比较试验

将系统分别设定在开环与闭环状态下运行并进行机械加载,记录机械加载前后的稳态转速（rｐm）与变频器频率（Ｈz）数据如下表:

开环

闭环

转速

频率

空载

815

28。

6

８15

28.６

加载

74８

28.6

３０。

9

闭环的转速机械特性的硬度明显优于开环:

机械加载后闭环稳态转速不跌落而变频器输出频率有所上升,可见转速不跌落的原因是系统通过闭环调节最终提高了变频器输出频率（即电动机同步转速）对转速实现了补偿。

试验结果揭示了闭环改善转速硬度的物理本质,也完全反映了所有闭环系统的被控参量在扰动下能够始终跟踪给定的物理本质。

总　结

本系统综合运用工业PLC、变频器与轴编码器等实现电机转速闭环控制以及开环闭环、现场远程、机械加载卸载等运行控制功能，采用PC和PLC上、下位机联合方式实现了可靠性与人机交互性能协调优化的分布式控制。

系统完全移植采用现实工业设备与工业控制方案，通过其系统构建、软件编程、组态设计、控制整定与调试运行等可成效显著地经历典型工业分布式控制系统的完整开发过程。

[参考文献］

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［6］陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统第4版[M]．北京：

机械工业出版社,201０.

[7]北京亚控.组态王Ｖｅrsｉoｎ6．5命令语言函数速查手册[OL].[20１2—２]．ｈttp:

//ｗenkｕ.ｂaidu。

cｏｍ／viｅｗ／94cｆeｆ23dd３6a32d737581７7.html.

作者简介：

李振东（19６8—），男,江苏南京市人，工程师,从事工业控制项目技术开发工作．