组态王与PLC的交流闭环变频调速系统

1组态王与PLC控制的交流闭环变频调速系统（完整版）李振东（东南大学成贤学院电工电子实验中心，江苏南京210032）摘要：由PC、PLC、变频器与轴编码器构建交流闭环变频调速系统：PLC运用PID闭环控制变频调速，PC基于组态软件实现远程监控。PLC可靠性高担负现场控制，但人机交互能力偏弱；而PC的人机交互能力优秀。采用PC与PLC构成上下位机联合控制，可实现工业级的控制可靠且监控便利的综合自动化系统。关键词：组态软件，PLC，变频调速，PID，高速计数，定时中断，M法测速。中图分类号：TP273文献标识码：文章编号：ACClosedloopvariablefrequencySpeedRegulationSystemBasedonKingviewandPLCLi-Zhendong(ElectricalandelectronicexperimentcenterofSoutheastUniversityChengxianCollege，JiangsuNanjing210032，China)Abstract：UsesPC，PLC，inverterandshaftPGtorealizeACclosedloopvariablefrequencyspeedregulationsystem：PLCusesPIDclosed-looptocontrolvariablefrequencyspeedregulation，PCrealizesremotemonitoringandcontrolbasedonconfigurationsoftware．PLCtakesonlocalcontrolwithhighreliabilityandpoorhumanmachineinteractionability；whilePChasexcellenthumanmachineinteractionability．HostPCandslavePLCjointcontrolcanrealizetheindustrialreliablecontrolandconvenientmonitoringintegratedautomationsystem．Keywords：Configurationsoftware，PLC，Variablefrequencyspeedregulation，PID，HSC，Timeinterrupt，Mtachometry．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3.控制指令7.PLC信号监控等6.实时/历史曲线4.远程/现场切换5.PID参数整定2.转速给定1.开/闭环切换远程控制机械加载信号隔离.可编程控制器电机机组PGTGGRS485PPI通讯RS232C-RS4853.控制指令等2.转速给定1.开/闭环切换RS485AIPPI变频器MDODIAO西门子CPU224XP西门子现场控制上位机(PC)下位机(PLC)G110PG:轴编码器TG:测速发电机G:直流发电机M:三相异步电动机电平变换组态王图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2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。2.2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：)/()60(PTmn。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)/()60(PTmn中令mn，得pT/60。本系统轴编码器1200p，直接可得程序初始化设定定时中断间隔05.01200/60T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。3.1.3PID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。3PID参数：Kc,Ti,Td采样周期：Ts过程反馈PID输出PID给定+SPnPID运算-PID调节器eMnPVn图2PLC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程序设计结果送输出MnHSC0计数器值保存HSC0计数值清0并重启动计数器保存值数据类型转换读取HSC0计数器值输出Mn=给定SPn转速输出中断返回中断进入PID输出现场/远程给定SPn输入现场/远程给定选择SPn定标中断事件连接定时中断0初始化启动HSC0高速计数HSC0初始化开中断开始主程序PID输出Mn解标结果等数据处理PID参数远程设置闭环？PVn定标Y反馈PVn输入启动/停止控制PID运算经D/A送变频器供组态王使用定时中断服务程序SPn,PVn,Mn和中间N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)，AM0.0//M0.0=1起动；=0停止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LDSM0.1MOVD0,VD0//清M法测速的转速单元MOVB2#11101000,SMB37//HSC0控制字：使能，更新当前值预置值，增计数HDEF0,0//定义HSC0MOVD0,SMD38//HSC0初值为0HSC0//启动HSC0MOVB50,SMB34//M法测速定时中断时间50mSATCHINT0,10//中断事件连接中断程序并开中断4ENI//开全局总中断3.2.3转速给定SPn的处理LDSM0.0LPSAM1.0//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ITDAIW0,AC0DTRAC0,AC0MOVRAC0,VD804/R32000.0,VD804//将AIW0的0-32000变为0-1.0送SPnLPPANM1.0//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/R1500.0,VD804//将VD700的0-1500变为0-1.0送SPn3.2.4转速反馈PVn的处理LDSM0.0DTRVD0,AC0//获取M法测取的转速VD0MOVRAC0,VD800/R1500.0,VD800//将转速VD0的0-1500变为0-1.0送PVn3.2.5PID控制运算LDM1.0AI1.0//M1.0=1(现场控制)且I1.0=1(闭环)LDNM1.0AM2.0//M1.0=0(远程控制)且M2.0=1(闭环)OLDPIDVB800,0//闭环时：运行PID；回路表从VB800开始NOTMOVRVD804,VD808//开环时：给定SPn直接赋给输出Mn3.2.6PID输出Mn的处理LDSM0.0MOVRVD808,AC0//取PID的输出Mn*R32000.0,AC0ROUNDAC0,AC0DTIAC0,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MOVWAIW0,VW105//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LDSM0.0//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HSC0DTIVD0,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