基于PLC控制的变频器调速系统Word文档格式.docx
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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。
1.3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。
具体如下图所示:
第二章PLC和变频器的型号选择
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变频器的选择和参数设置
2.2.1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。
变频器在调速系统中的优点:
1.控制电机的启动电流;
2.降低电力线路的电压波动;
3.启动时需要的功率更低;
4.可控的加速功能;
5.可调的运行速度;
6.可调的转矩极限;
7.受控的停止方式;
8.节能;
9.可逆运行控制;
10.减少机械传动部件。
在本系统中,选用了由西门子生产的通用变频器MM420。
变频器MM420为我们提供了很好的BOP控制面板具体如下图:
2.2.2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。
2.2.3变频器的工作原理
变频器的工作原理是把市电(380V、50Hz)通过整流器变成平滑直流,然后利用半导体器件(GTO、GTR或IGBT)组成的三相逆变器,将直流电变成可变电压和可变频率的交流电。
2.2.4变频器的快速设置
如果所用的变频器刚刚出厂的变频器,则需对它进行快速调试,试验中用到的变频器都已经完成了快速调试。
序号
变频器参数
出厂值
设定值
功能说明
1
P0304
230
380
电动机的额定电压(380V)
2
P0305
3.25
0.35
电动机的额定电流(0.35A)
3
P0307
0.75
0.06
电动机的额定功率(60W)
4
P0310
50.00
电动机的额定频率(50Hz)
5
P0311
1430
电动机的额定转速(1430r/min)
6
P1000
用操作面板(BOP)控制频率的升降
7
P1080
电动机的最小频率(0Hz)
8
P1082
50
电动机的最大频率(50Hz)
9
P1120
10
斜坡上升时间(10S)
P1121
斜坡下降时间(10S)
11
P0700
选择命令源(由端子排输入)
12
P0701
正向点动
13
P0702
反向点动
14
P1058
5.00
30
正向点动频率(30Hz)
15
P1059
20
反向点动频率(20Hz)
16
P1060
10.00
点动斜坡上升时间(10S)
17
P1061
点动斜坡下降时间(5S)
注:
(1)设置参数前先将变频器参数复位为工厂的缺省设定值
(2)设定P0003=2允许访问扩展参数
(3)设定电机参数时先设定P0010=1(快速调试),电机参数设置完成设定P0010=0(准备)
例如:
修改下表参数P0719
选择命令/设定这源
改变参数数值的一个数字
为了快速修改参数的数值,可以单独修改显示出的每个数字,操作步骤如下:
1.按(功能键),最右边的一个数字闪烁。
2.按/,修改这位数字的数值。
3.再按(功能键),相邻的下一位数字闪烁。
4.执行2至4步,直到显示出所要求的数值。
5.按,退出参数数值的访问级。
以下为变频器的设置一般方法:
第三章硬件设计以及PLC编程
3.1开环控制设计及PLC编程
3.1.1硬件设计
在没有反馈信息的比较,通过直接给定控制信息的控制调速系统称之为开环调速系统。
其控制思想的结构框图如下图所示:
开环控制的外部硬件连接图:
3.1.2PLC软件编程
系统采用开环控制方式来控制电机的调速,根据PID控制的整体思想:
故在编写程序的时候可以分为三部分:
主程序、中断程序和子程序。
主程序:
主要是用来启动中断程序以及控制量的输入和输出。
中断程序:
调用PID指令进行运算以及数据类型的转换。
子程序:
设置PID控制的参数
PID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
名称
VD100
过程变量(PVn)
必须在0.0~1.0之间
VD104
给定值(SPn)
VD108
输出值(Mn)
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)
以下为开环控制的PLC程序:
主程序
中断程序
子程序
3.2闭环控制设计
3.2.1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。
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
硬件连接图
3.2.3闭环的程序设计以及源程序
中断程序
第四章实验调试和数据分析
4.1PID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。
经验法又叫现场凑试法,它不需要进行事先的计算和实验,而是根据运行经验,利用一组经验参数,根据反应曲线的效果不断地改变参数,对于温度控制系统,工程上已经有大量的经验,其规律如下表所示:
被控变量
规律的选择
比例度
积分时间(分钟)
微分时间(分钟)
温度
滞后较大
20~60
3~10
0.5~3
实验凑试法的整定步骤为"
先比例,再积分,最后微分"
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。
4.2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.
系统控制效果如下:
第五章总结和体会
通过这次的课程设计,让我受益匪浅。
在课程设计期间通过与同学们之间的交流和老师的指导,使自己学到了不少知识。
除了学会了西门子S7—200的基本知识,并掌握了S7—200的工作原理和一些指令的功能以外,还掌握了传感器和变频器的使用方法,并且深化了我对PID控制技术的理解。
在这次课程设计中我觉得最重要的就是要有自学能力,因为这次实训中有部分知识我们之前还没有接触过,所以自己必须学会查找相关的资料。
另外就是在遇到实际问题的时候,要认真思考,运用所学的知识,一步一步的去探索,是完全可以解决遇到的一般问题的。
而在这次设计程序的过程中,我一开始时走了很多弯路,这也是自己的知识不够扎实的原因。
不过经过自己几天的努力,最后还是做了出来,而且还做得挺不错的。
虽然我们设计的东西并不难,但是在设计的过程中我学到了书本上所没有学到的东西。
只有理论,没有结合实际是很难做出东西的。
比如在调试的过程中,遇到问题往往是书本上的知识不能直接的解决的,只要在扎实的专业知识的前提下,我们才能把东西做好。
经过这次的课程设计,让我深深的感受到理论联系实践的重要性,平时在学习中不能够透彻理解的知识,通过动手,会有更好的认知。
本次课程设计虽然不长,但是它给我们带来了很多收获。
它使我意识到自己的操作能力的不足,在理论上还存在很多缺陷。
所以在以后的学习生活中,我会更加努力地加强理论联系实践的学习,在努力学好专业知识的同时努力加强自己的专业技能方面的能力,使自己的知识在实践中不断增长,在实践中锻炼自己,培养自己各方面的能力,不断提高自己的能力。
第六章附录
6.1变频器内部原理框图
第七章参考文献
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2.王兆安黄俊.电力电子技术(第4版).机械工业出版社,2000
3.浣喜明姚为正.电力电子技术.高等教育出版社,2000
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5.郑琼林.耿学文.电力电子电路精选.机械工业出版社,1996
6.刘定建朱丹霞.实用晶闸管电路大全.机械工业出版社,1996
7.刘祖润胡俊达.毕业设计指导.机械工业出版社,1995
8.刘星平.运动控制系统实验指导书.校内,2009
9.刘星平.THPK-2型工业综合自动化控制装置实训指导书.2009
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