基于PLC的电机控制系统设计

1目录目录...................................................................1第一章绪论...........................................................31.1研究背景及意义................................................31.2相关技术简介..................................................31.2.1变频器的应用与发展概况.....................................31.2.2PLC技术...................................................51.3本文设计的主要内容.............................................6第二章变频调速原理....................................................62.1变频器基本结构.................................................62.2变频调速的基本原理.............................................72.3变频调速的优点................................................10第三章PLC技术.......................................................123.1PLC概述......................................................123.2PLC的组成及各部分作用........................................123.3PLC的工作原理................................................15第四章实验系统的设计..................................................174.1系统设计功能分析..............................................174.2PLC和变频器的选择............................................174.2.1SIMATICS7-200介绍.......................................174.2.2SIMATICMICROMASTER420变频器性能介绍....................2124.3闭环系统设计..................................................224.3.1系统硬件设计.............................................234.4多段速控制设计................................................284.4.1硬件设计.................................................284.5软件设计......................................................304.5.1编程软件介绍.............................................304.5.2闭环程序设计.............................................314.5.3多段速程序设计...........................................34第五章实验调试和数据分析..............................................365.1闭环系统PID参数整定.........................................365.2多段速控制分析................................................38第六章总结与体会......................................................38参考文献...............................................................39致谢...................................................................393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4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。51.2.2PLC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，PLC6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。给异整流器平波电路逆变器M控制电路图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。7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