基于PLC的交流异步电机转速闭环控制系统设计 2

基于PLC的交流异步电机转速闭环控制系统设计成绩：姓名：班级：学号：日期：PLC技能考核设计训练任务书学生姓名专业年级学号设计日期：年月日至年月日设计题目：基于PLC的交流异步电机转速闭环控制系统设计设计主要内容：本次设计基于可编程控制器（PLC）硬件平台的异步电动机综合控制系统。该系统通过可编程逻辑控制器（PLC）来控制变频器，最终实现异步电动机转速的闭环控制。并通过HMI面板直观的显示出来。具体设计是P、I调节电机转速。经过多次参数设定比较后，系统能得到比较满意的控制效果，最大超调只有两度多，稳定后能保持在10r/ｓ以内。负载改变后转速可以很快的达到给定转速。指导教师评语：指导教师签字：日期：目录1绪论.....................................................11.1变频器...............................................11.2可编程控制器..........................................11.3HMI..................................................21.4组态软件.............................................32系统硬件设计.............................................42.1系统设计目的..........................................42.2系统硬件结构框图.......................................42.3硬件选型.............................................52.4硬件接线.............................................83系统软件设计.............................................93.1变频器参数............................................93.2触摸屏组态画面.......................................103.3PLC编程.............................................113.3.1PID向导...........................................113.3.2PID指令...........................................184系统调试................................................215总结....................................................22基于PLC的交流异步电机转速闭环控制系统设计11绪论随着变频调速技术的不断发展，交流传动系统的性能突飞猛进。交流异步电动机以其低廉的造价、坚固的结构得到了越来越广泛的应用。在交流传动的许多应用场合中，均对电机的调速性能和定位性能提出了较高的要求。异步电动机以其大功率、高性价比的独特优势而占有一席之地，但同时其调速性能和定位性能却不甚完美，尚需完善。本次实验基于可编程控制器（PLC）硬件平台的异步电动机综合控制系统。该系统通过可编程逻辑控制器（PLC）来控制变频器，最终实现异步电动机转速的闭环控制。并通过HMI面板直观的显示出来。1.1变频器变频器(Variable-frequencyDrive，VFD)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来控制交流电动机的电力控制设备。通常，把电压和频率固定不变的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”。变频器的用途：通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。采用变频器一是可以提高劳动生产率、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。在调速系统中变频器的优点是：一、调速平滑、调速范围大。通过控制器的控制，变频器的输出频率可以连续调节，实现无级调速，使电动机起动电流小、动负荷小、调速平滑而无冲击。二、调速精度高。电动机在自然特性上运转时的外特性硬，转速随负载变化小。三、动态品质好。可使提升机的起动、制动、反转和调速过程的时间降至最少，具有良好的动态品质。四、易实现电动机的换向，当频率降低至零后即可反向开车，采用控制器改变相序即可实现反转，因此可在四象限内平滑的过渡。五、节电效果显著。变频调速比转子回路串接电阻的调速方法节约电能20%~40%。本次设计采用的是西门子MM420变频器。1.2可编程控制器可编程控制器（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。其特点是：第一,灵活性、通用性强。继电器控制系统如果工艺要求稍有变化,控制电路必基于PLC的交流异步电机转速闭环控制系统设计2须随之作相应的变动,所有布线和控制柜极有可能重新设计,耗时且费力然而是利用存储在机内的程序实现各种控制功能的。因此当工艺过程改变时,只需修改程序即可,外部接线改动极小,甚至可以不必改动,其灵活性和通用性是继电器控制电路无法比拟的。第二,可靠性高,抗干扰能力强继电器控制系统中,由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象是不可避免的,大大降低了系统的可靠性。而在控制系统中,大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的,加之在硬件和软件方面都采取了强有力的措施,使产品具有极高的可靠性和抗干扰能力可以直接安装在工业现场稳定地工作。PLC在硬件方面采取电磁屏蔽、光电隔离、多级滤波等措施在软件方面采取警戒时钟、故障诊断、自动恢复等措施,并利用后备电池对程序和数据进行保护,因此被称为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”。第三,编程简单,使用方便。PLC采用面向过程,面向问题的“自然语言”编程方式,直观易懂,主要采用梯形图和语句表编写程序,使得广大电气技术人员更容易接纳和理解。同时设计人员也可根据自己的喜好和实际应用的要求选择其他编程语言。标准是编程语言的标准,除了梯形图!语句表之外,还存在顺序流程图!结构化文本和功能块图三种编程语言的表达方式。一个程序的不同部分可用任何一种语言来描述,支持复杂的顺序操作功能处理以及数据结构。第四,功能强大,可扩展。的主要功能包括开关量的逻辑控制、模拟量控制部分还具备控制或模糊控制功能、数字量智能控制、数据采集和监控、通信、联网及集散控制等功能。PLC的功能扩展也极为方便,硬件配置相当灵活,根据控制要求的改变,可以随时变动特殊功能单元的种类和个数,再相应修改用户程序就可以达到变换和增加控制功能的目的。1.3HMIHMI是HumanMachineInterface的缩写，“人机接口”，也叫人机界面。人机界面是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存储单元等，其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低，是HMI的核心单元。根据HMI的产品等级不同，处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。HMI软件一般分为两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC基于PLC的交流异步电机转速闭环控制系统设计3机Windows操作系统下的画面组态软件（本次设计用的是WinCCflexible）。使用者都必须先使用HMI的画面组态软件制作“工程文件”，再通过PC机和HMI产品的串行通讯口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。本次设计采用的是西门子Smart700。1.4组态软件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。WinCCflexible是一种前瞻性的面向及其自动化的HMI设备组态软件，它能够提供舒适而高效的设计。WinCCflexible的优点：一是多功能，通用的应用程序，适合所有工业领域的解决方案；多语言支持，全球通用；可以集成到所有自动化解决方案内；内置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态；可基于Web持续延展，采用开放性标准，集成简便；集成的Historian系统作为IT和商务集成的平台；可用选件和附加件进行扩展；“全集成自动化”的组成部分，适用于所有工业和技术领域的解决方案。二是实例证明，WinCC集生产自动化和过程自动化于一体，实现了相互之间的整合，这在大量应用和各种工业领域的应用实例中业已证明，包括：汽车工业、化工和制药行业、印刷行业、能源供应和分配、贸易和服务行业、塑料和橡胶行业、机械和设备成套工程、金属加工业、食品、饮料和烟草行业、造纸和纸品加工、钢铁行业、运输行业、水处理和污水净化。WinCCflexible组态包括IO域组态、按钮组态、文本列表和图形列表组态、动画组态、报警组态。基于PLC的交流异步电机转速闭环控制系统设计42系统硬件设计2.1系统设计目的对于控制电机转速，开环系统结构简单，控制电压直接控制电机触发电路。但系统静特性差，在转矩变化的情况下转速变化很大。闭环系统结构复杂，但是调速性能好，系统特性曲线较硬，转矩变化对系统速度扰动几乎不记。在许多工业场合，需要电机转速能够很好地跟随给定转速，因此采用闭环控制系统。本次设计就是基于PLC的变频器实现转速闭环调速系统。2.2系统硬件结构框图系统主要由三个部分构成，即可编程逻辑控制器件PLC、变频器和电机。首先通过设置给定输入给PLC，再通过PLC控制变频器，再经由变频器来控制电机，随后将电机的转速反馈给PLC，经比较后输出给变频器从而实现无静差调速。闭环调速系统的硬件结构框图：PID控制器结构图：图2-1闭环控制的结构控制图-速度给定速度反馈信号+PLC（PID）变频调速系统图2-2PID控制结构图基于PLC的交流异步电机转速闭环控制系统设计5PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业过程控制中不可替代的主要技术之一。PID控制分为三个环节，分别是比例环节、积分环节、微分环节。比例调节作用是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减小偏差。比例作用大，可以加快调节时间；但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分调节作用是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至消除误差。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强；反之积分作用就越弱。加入积分调节可使系统的动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。PI调节器是最常用的调节器。微分调节作用反应系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没形成之前，已被积分作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调和调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微分调节，对系统抗干扰不利。变频调速原理：异步电机的转速n可以表示为式中，n2为同步转速，Δn1为转差损失的转速，p为磁极对数，s为转差率，f为电源的频率。可见，改变电源频率就可以改变同步转速和电机转速。频率的下降会导致磁通的增加，造