基于PLC调速系统研究总体设计.docx
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基于PLC调速系统研究总体设计
课程设计任务书
学院
信息科学与工程学院
专业
自动化
学生姓名
班级学号
课程设计题目
基于PLC调速系统研究---总体设计
实践教学要求与任务:
1)构成PLC调速系统
2)总体设计
3)实验调试
4)THFCS-1现场总线控制系统实验
5)撰写实验报告
工作计划与进度安排:
1)第1~2天,查阅文献,构成PLC调速系统
2)第3~4天,总体设计
3)第5~6,实验调试
4)第7~9天,THFCS-1现场总线控制系统实验
5)第10天,撰写实验报告
指导教师:
201年月日
专业负责人:
201年月日
学院教学副院长:
201年月日
摘要
PLC(可编程控制器)应用广泛,其CPU功能较强,可靠性高,但在输入输出I/O方面,PLC存在价格过高,扩展模块不隔离,输入信号还要进行编程运算来完成采集,品牌繁多,互不兼容,用户使用起来不方便等缺点。
其在工业现场因其编程方便,抗干扰能力强,获得了广泛的应用。
但受到内部硬件电路的限制,在运算速度、数据处理能力等方面和PC机相比,要逊色很多。
因此在工业现场对复杂模型进行控制时,可以借助上位机PC来建立生产模型,通过构建SCC监督式控制系统,让下位机PC为一DCC直接数字控制系统,实现复杂系统的控制。
另外,还可通过上位机PC和下位机PC组建监控系统,达到对工业现场实时监控的目的。
调速方式分很多种,本文主要介绍基于PLC的变频调速系统的设计与分析。
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。
随着电力电子技术以及控制技术的发展,交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用。
可编程控制器PLC作为替代继电器的新型控制装置,简单可靠,操作方便、通用灵活、体积小、使用寿命长且功能强大、容易使用、可靠性高,常常被用于现场数据采集和设备的控制。
在此,本次设计就是基于PLC的变频器调速系统。
关键字:
PLC(可编程逻辑控制器),电机调速,变频器
第一章.系统的功能设计分析和总体思路
1.1系统功能设计分析
将现在应用最广泛的PLC和变频器综合起来主要功能实现了变压变频调速。
电机的正反转,加减速以及快速制动等。
因此,该系统必须具备以下三个主体部分:
控制运算部分、执行和反馈部分。
控制运算主要由PLC和变频器来完成;执行元件为变频器和电机;反馈部分主要为速度反馈。
1.2系统设计的总体思路
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。
具体如图1.1所示:
第二章.PLC和变频器的选择及工作原理
2.1PLC的型号选择
在PLC系统设计时,首先应确定控制方案,下一步工作就是PLC工程设计选型。
工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。
PLC及有关设备应是集成的、标准的,按照易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统,PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。
熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间,因此,工程设计选型和估算时,应详细分析工艺过程的特点、控制要求,明确控制任务和范围确定所需的操作和动作,然后根据控制要求,估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等,最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
综合了输入输出(I/O)点数、存储器容量、各项控制功能和机型的考虑以及性价比等各方面的因素,在此我为该系统设计选择了S7-200PLC一台。
S7-200PLCCPU的外形模型图
S7-200有5种CPU模块、6个有12种工作方式的高速计数器和两点高速计数器/和脉冲宽度调制器、直接读写的模拟量I/O模块、先进的程序结构、灵活方便的寻址方式以及程序化的PID编程控制。
强大的通讯功能,它支持多种通信协议。
价格是它在所有品牌在同一功能区内很有竞争力的。
最重要的是它还提供了完善的的网上支持。
这些都为实现本系统的设计提供很好的条件和方便。
例如,高速计数器可以用来测速从而实现速度反馈。
2.2变频器的选择
正确选择通用型变频器对于传动系统能够正常运行时至关重要的,首先要明确使用通用变频器的目的,按照生产机械的类型、调速范围、速度响应和控制精度、启动转矩等要求,充分了解变频器所驱动负载特性,决定采用什么功能的通用变频器构成控制系统,然后决定选用哪种控制方式最合适。
所选用的通用变频器应是既满足生产工艺要求,又要在技术经济指标上合理。
若对通用变频器选型、系统设计及使用不当,往往会使通用变频器不能正常的运行、达不到预期目标,甚至引发设备故障,造成不必要的损失。
另外,为了确保通用变频器长期可靠的运行,变频器的地线的连接也是非常重要的。
2.3变频调速原理
变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。
n=60f(1-s)/p
对于成品电机,其磁极对数p已经确定,转差率s变化不大,故电机的转速n与电源的频率f成正比,因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速,进而达到异步电机的调试目的。
第三章.硬件设计以及PLC编程
3.1硬件和速度反馈设计
构成闭环系统就要把速度信息反馈给输入。
速度的测量可以通过光电编码器和PLC来实现。
速度采集:
S7-200具有高速脉冲采集功能,采集频率可以达到30KHz,共有6个高速计数器(HSC0~HSC5)工作模式有12种。
在固定时间间隔内采集脉冲差值,通过计算既可以获得电动机的当前转速。
例如:
设采样周期为100ms即是每隔100ms采集脉冲一次,光电开关每转发出8个脉冲,那么就可以得到速度为
其中
为采样周期内接受到的脉冲数。
转速的单位为
。
闭环控制就是将速度信号反馈给PLC,再通过与给定量比较,输出给PID控制部分,从而调节速度使其能达到设定要求。
其结构框图如图3.1
3.2硬件接线图
图3.2硬件接线图
3.3闭环的程序设计以及源程序
主程序
子程序
中断程序
第四章.实验调试和数据分析
4.1PID算法
PLC的PID控制器设计是以连续系统PID控制规律为基础,经采样将其数字化写成离散形式PID控制方程,再根据离散方程进行控制程序设计。
典型的PID算法包括3项,比例项、积分项和微分项。
即:
输出=比例项+积分项+微分项。
计算机在周期性地采样并离散化后进行PID运算,算法如下:
Mn=Kc*(SPn-PVn)+Kc*(Ts/Ti)*(SPn-PVn)+Mx+Kc*(Td/Ts)*(PVn-1-PVn)
比例项Kc*(SPn-PVn):
能及时地产生与偏差(SPn-PVn)成正比的调节作用,比例系数Kc越大,比例调节作用越强,系统的静态稳定精度越高,但Kc过大会使系统的输出量振荡加剧,稳定性降低。
积分项Kc*(Ts/Ti)*(SPn-PVn)+Mx:
与偏差有关,只要偏差不为0,PID控制的输出就会因积分作用而不断变化,直到偏差消失,系统处于稳定状态,所以积分的作用是消除稳态误差,提高控制精度,但积分的动作较慢,给系统的动态稳定带来不良影响,很少单独使用。
积分时间常数Ti增大,积分作用越强,消除稳态误差的速度减慢。
微分项Kc*(Td/Ts)*(PVn-1-PVn):
根据误差变化的速度(即误差的微分)进行调节,具有超前和预测的特点。
微分时间常数Td增大时,超调量减少,动态性能得到改善,但Td过大,系统输出量在接近稳态时可能上升缓慢。
许多控制系统内,可能只需要P、I、D中的一种或两种控制类型。
如可能只要求比例控制或比例与积分控制,通过设置参数可对回路进行控制类型进行选择。
内存变量分配表
1、程序地址分配
地址
说明
VD12
目标速度设定存放地址
VD300
当前实际速度存放地址
2、PID指令回路表
地址
名称
说明
VD100
过程变量(PVn)
必须在0.0~1.0之间
VD104
给定值(SPn)
必须在0.0~1.0之间
VD108
输出值(Mn)
必须在0.0~1.0之间
VD112
增益(Kc)
比例常数,可正可负
VD116
采样时间(Ts)
单位为s,必须是正数
VD120
采样时间(Ti)
单位为min,必须是正数
VD124
微分时间(Td)
单位为min,必须是正数
4.2PID参数整定
PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数P、积分时间Ti和和微分时间Td,改善系统的静态和动态特性,使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。
一般可以通过理论计算来确定,但误差太大。
目前,应用最多的还是工程整定法:
如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。
1)整定比例控制
将比例控制作用由小变到大,观察各次响应,直至得到反应快、超调小的响应曲线。
2)整定积分环节
先将步骤1)中选择的比例系数减小为原来的50~80%,再将积分时间置一个较大值,观测响应曲线。
然后减小积分时间,加大积分作用,并相应调整比例系数,反复试凑至得到较满意的响应,确定比例和积分的参数。
3)整定微分环节环节
先置微分时间TD=0,逐渐加大TD,同时相应地改变比例系数和积分时间,反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。
4.3运行结果
此次是速度的PID控制,速度具有比较严重的滞后性,所以一般为了增强系统动态响应,比例、积分、微分全投入使用,经过多次参数设定比较后,当设定比例系数P为10,积分时间I为0.15,微分时间D为0.01时,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+1r/min以内.
第五章.单容水箱特性测试
5.1Profibus:
现场总线控制系统
5.1.1Profibus:
总线概述
Profibus总线技术是一种适用于工业过程控制的局域网。
其原理是利用1根电缆将所有具有统一的通讯协议和通讯接口的现场设备连接。
这样,在设备层传播的不再是I/O信号(4~40mA或24VDC),而是基于现场总线的数字化信号,由数字化通讯网络构成现场级设备与中央通信系统的信息交换,其工作实质有些类似于微型计算机的USB接口。
对于传统的工业自动化控制任务,1个现场元件对应1个PLC的I/O通道,同时对应l根单独的电缆。
对于大型的自动化生产线,成千上万个敏感元件、执行元件,成捆的电缆,既不便于安装施工,又不便于日后的故障检修。
对于编程人员也比较麻烦:
不能方便地修改程序的逻辑地址,导致程序灵活性差,设备的可操作性差。
随着大规模集成电路的发展,许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备的智能化,即内置CPU控制器,完成诸如线性化、量程转换、数字滤波甚至回路调节等功能。
因此,对于这样的智能现场设备增加1个串行数据接口(如RS232/RS485)非常方便。
有了这样的接口,控制器就可以按其规定协议,通过串行通信方式(而不是I/O方式)完成对现场设备的监控。
如果大部分现场设备都有串行通信接口并具有统一的通信协议,控制器只需1根电缆就能将分散的现场设备连接,完成对所有设备的监控。
现场总线就是基于这种思想发展起来的。
在我国这一技术也随着国外大量成
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- 基于 PLC 调速 系统 研究 总体 设计
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