完整版三相异步电动机的闭环恒速控制系统毕业设计.docx

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完整版三相异步电动机的闭环恒速控制系统毕业设计

毕业设计论文

三相异步电动机的闭环恒速

控制系统

专业名称：

电气自动化

论文提交日期：

论文答辩日期：

年月日

【摘要】通过对光电编码器的结构及其工作原理的认识，掌握S7-200系列PLC高速计数器的运用，并且能够将两者结合起来，对电机进行转速的测量。

了解闭环系统的构成，在学习PID算法的过程中，了解S7-200系列PLC的PID回路控制指令。

结合之前所学的PLC、触摸屏和变频器等相关知识，设计一套闭环控制系统。

要求一台三相异步电动机按需要设定的转速恒速运转。

实现方法可由光电编码器检测电机的运行脉冲（每转300个脉冲），由PLC转换成实际转速，与触摸屏上设置的转速一起经PID运算后，再由PLC输出0~10V模拟信号控制变频器的运行，从而控制电机的正反转恒速运行。

【关键字】高速计数器、PID回路控制、PLC、触摸屏、变频器

Abstract：

Throughtheopticalencoderstructureandworkingprincipleoftheunderstanding,grasptheS7-200seriesPLCusinghigh-speedcounter,andcancombinethetwo,themotorspeedmeasurement.

Closed-loopsystemtounderstandthecompositionofPIDalgorithmintheprocessoflearningtounderstandtheS7-200seriesPLC,PIDloopcontrolinstructions.LearnedbeforewithPLC,touchscreenandinverter,andotherrelatedknowledge,todesignaclosed-loopcontrolsystem.

Requiresathree-phaseasynchronousmotorspeedneedstobesetbyconstantoperation.Implementationofdetectionbytheopticalencodertorunthemotorpulse（300pulsesperrevolution）,thePLCintotheactualspeed,andtouchscreentogetherwiththespeedsetbythePIDoperation,thenthePLCoutput0~10Vanalogsignaltocontrolthedriveoperation,therebycontrollingthemotorreversingconstantspeedoperation.

Keywords:

High-speedcounter,PIDloopcontrol,PLC,touchscreen,theinverter

绪论1

第一章可编程控制器（PLC）简介2

1.1PLC的组成2

1.1.1CPU的构成2

1.1.2I/O模块2

1.1.3电源模块2

1.2PLC系统的其它设备3

1.2.1编程设备3

1.2.2人机界面3

1.2.3PLC的通信联网3

第二章触摸屏简介3

2.1触摸屏的类型3

2.2触摸屏的工作原理3

第三章变频器简介3

3.1变频器的组成3

3.2变频器的分类4

3.3变频器的工作原理4

第四章光电编码器与高速计数器的运用4

4.1光电编码器的结构及其工作原理4

4.2高速计数器5

4.2.1高速计数器的概念5

4.2.2高速计数指令5

4.2.3高速计数器的工作模式6

4.2.4高速计数器的控制字7

4.2.5高速计数器的状态字节8

4.2.6高速计数器指令8

第五章PID控制回路指令9

5.1PID回路控制指令9

5.2PID算法9

5.3PID标准指令9

第六章控制系统的变量地址分配及接线10

6.1变量与PLC的地址分配10

6.1.1PLC的I/O分配10

6.1.2组态软件变量与PLC的地址分配10

6.2各部件之间的接线10

6.2.1编码器与PLC的接线10

6.2.2触摸屏与PLC、电脑的接线11

6.2.3变频器与电动机、PLC的接线11

第七章人机界面的创建和PLC的编程12

7.1触摸屏组态12

7.1.1创建工程12

7.1.2制作启动窗口13

7.1.3制作PID参数窗口13

7.1.4制作速度曲线窗口13

7.2PLC编程14

7.2.1程序流程图14

7.2.2编辑符号表15

7.2.3梯形图程序16

第八章控制系统的调试22

8.1初调PLC、触摸屏程序22

8.1.1关掉变频器电源22

8.1.2运行PLC程序22

8.1.3触摸屏在线模拟调试22

8.1.4设置变频器参数22

8.2PLC、触摸屏和变频器的联机调试23

8.2.1程序下载23

8.2.2总体调试23

结论25

致谢26

参考文献27

绪论

PLC（ProgrammablelogicController）通常称为可编程逻辑控制器，是一种以微处理器为基础，综合了现代计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的自动控制装置，由于它拥有体积小、功能强、程序简单、维护方便等优点，特别是它适应恶劣工业环境的能力和它的高可靠性，使它的应用越来越广泛，已经被称为现代工业的三大支柱（即PLC、机器人和CAD/CAM）之一。

人机界面是在操作人员和机器设备之间作双向沟通的桥梁，用户可以自由的组合文字、按钮、图形、数字等来处理或监控管理及应付随时可能变化信息的多功能显示屏。

随着机械设备的飞速发展，以往的操作界面需由熟练地操作员才能操作，并且操作困难，无法提高工作效率。

但是使用人机界面能够明确指出并告知操作员设备的当前状况，使操作变的简单生动，并且可以减少操作上的失误，即使是新手也可以很轻松地操作整个机器设备。

使用人机界面还可以使机械的配线标准化、简单化，同时也能减少PLC控制器所需的I/O点数，降低生产的成本同时由于面板控制的小型化及高性能，相对的提高了整套设备的附加价值。

触摸屏作为一种新型的人机界面，从一出现就受到关注，它的简单易用，强大的功能及优异的稳定性使它非常适合用于工业环境，甚至可以用于日常生活之中，应用非常广泛，比如：

自动化停车设备、自动洗车机、天车升降控制、生产线监控等，甚至可用于智能大厦管理、会议室声光控制、温度调整……

随着科技的飞速发展，越来越多多机器与现场操作都趋向于使用人机界面，PLC控制器强大的功能及复杂的数据处理也呼唤一种功能与之匹配而操作又简单的人机出现，触摸屏的应运而生无疑是21世纪自动化的一个巨大革新。

第一章可编程控制器（PLC）简介

1.1PLC的组成

从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。

固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。

模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

1.1.1CPU的构成

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。

内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。

CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。

但工作节奏由震荡信号控制。

运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。

寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

1.1.2I/O模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入/输出（I/O）部分完成的。

I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。

I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

1.1.3电源模块

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。

电源输入类型有：

交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。

1.2PLC系统的其它设备

1.2.1编程设备

编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。

小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。

也就是我们系统的上位机。

1.2.2人机界面

最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。

1.2.3PLC的通信联网

依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。

因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。

PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。

多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。

PLC的通信现在主要采用通过多点接口（MPI）的数据通讯、PROFZBUS或工业以太网进行联网。

第二章触摸屏简介

2.1触摸屏的类型

按原理来区别，触摸屏可分为五个基本种类：

矢量压力传感技术触摸屏、电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏、红外线技术触摸屏、表面声波技术触摸屏。

其中矢量压力传感技术触摸屏已退出历史舞台。

触摸屏红外屏价格低廉，但其外框易碎，容易产生光干扰，曲面情况下失真；电容屏设计理论好，但其图象失真问题很难得到根本解决；电阻屏的定位准确，但其价格颇高，且怕刮易损。

表面声波触摸屏解决了以往触摸屏的各种缺陷，清晰抗暴，适于各种场合，缺憾是屏表面的水滴、尘土会使触摸屏变的迟钝，甚至不工作。

2.2触摸屏的工作原理

触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是接收触摸点检测装置上的触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给操作系统进行系统控制，它同时也能接收系统返回的命令并加以执行。

第三章变频器简介

3.1变频器的组成

变频器通常分为4部分：

整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。

整流单元是将工作频率固定的交流电转换为直流电。

高容量电容是用来存储转换后的电能。

逆变器是由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，它可以将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。

控制器按设定的程序工作，能够控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的交流电，从而驱动交流电动机。

3.2变频器的分类

按主电路工作方法分类：

可分为电压型变频器、电流型变频器。

按照工作原理分类：

可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等。

按照开关方式分类：

可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器。

按照用途分类：

可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。

按工作原理分：

可以分为U/f控制变频器（VVVF控制）、SF控制变频器（转差频率控制）、VC控制变频器（VectoryControl矢量控制）。

按国际区域分类：

可以分为欧国产变频器、美变频器、日本变频器、韩国变频器、台湾变频器、香港变频器。

按电压等级分类：

可以分为高压变频器、中压变频器、低压变频器。

3.3变频器的工作原理

我们知道，交流电动机的同步转速表达式为：

n=60f（1-s）/p，式中n—异步电动机的转速；f—异步电动机的频率；s—电动机的转差率；p—电动机极对数。

由上式可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率在0~50Hz的范围变化时，电动机转速调节范围非常宽。

变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。

第四章光电编码器与高速计数器的运用

4.1光电编码器的结构及其工作原理

光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。

一般的光电编码器主要由光栅盘和光电检测装置组成，光栅盘式在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。

在伺服系统中，由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理如图4-1所示。

通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

此外，为判断旋转方向，码盘还可以提供相位相差90°的2个通道的光码输出，如果A相脉冲比B相脉冲超前则光电编码器为正转，否则为反转。

图4-1光电编码器原理及其输出

4.2高速计数器

4.2.1高速计数器的概念

PLC的普通计数器的计数过程与扫描工作方式有关，CPU通过每一扫描周期读取一次被测信号的方法来捕捉被测信号的上升沿，被测信号频率较高时，会丢失计数脉冲。

因此普通计数器的工作频率很低，一般仅有几十赫兹。

高速计数器可以对普通计数器无能为力的事件进行计数，最高计数频率可以达10kHz~100kHz。

高速计数器一般与编码器配合使用。

编码器每圈发出一定数量的计数时钟脉冲和一个复位脉冲，作为高速计数器的输入。

高速计数器有一组预置值，开始运行时装入第一个预置值。

（1）若当前计数值小于当前预置值时，设置的输出有效。

（2）若当前值等于预置值或有外部复位信号时，产生中断。

（3）若当前值等于预置值的中断程序中，装载入新的预置值，并设置下一阶段的输出。

有复位中断事件发生时，设置第一个预置值和第一个输出状态，循环又重新开始。

4.2.2高速计数指令

通计数器指令的计数速度受扫描周期的影响，若输入脉冲的频率比CPU扫描频率高时，就不能满足控制要求了。

为此，S7-200系列PLC设计了高速计数功能HSC（HighSpeedCounter），其计数自动进行，不受扫描周期的影响，最高计数频率取决于CPU的类型，CPU22x系列最高计数频率为30Hz，用于捕捉比CPU扫描更快的事件，并产生中断，执行中断程序，完成预定的操作。

高速计数器最多可设置

12种不同的操作模式。

用高速计数器可以实现高速运动的精确控制，这种控制与PLC的扫描周期关系不大。

4.2.3高速计数器的工作模式

S7-200CPU224有HSC0~HSC5六个高速计数器，每个高速计数器有多种不同的工作模式。

高速计数器的工作模式和输入端子的关系及说明如表4-2所示。

表4-2高速计数器0工作模式及其输入端子的关系说明

功能及说明

占用的输入端子及其功能

HSC0

I0.0

I0.1

I0.2

×

HSC1

I0.3

I0.4

I0.5

×

HSC2

I0.6

I0.7

I1.0

I1.1

HSC3

I1.2

I1.3

I1.4

I1.5

HSC4

I0.1

×

×

×

HSC5

I0.4

×

×

×

0

单路脉冲输入的内部方向控制加/减计数。

计数方向控制位=0，减计数；

计数方向控制位=1，加计数。

脉冲

输入端

×

×

×

1

×

复位端

×

2

×

复位端

启动

3

单路脉冲输入的外部方向控制加/减计数。

计数方向控制位=0，减计数；

计数方向控制位=1，加计数。

脉冲

输入端

方向

控制端

×

×

4

复位端

×

5

复位端

启动

6

两路脉冲输入的单相加/减计数。

加计数有脉冲输入，加计数；

减计数端脉冲输入，减计数。

加计数

脉冲输入端

减计数

脉冲输入端

×

×

7

复位端

×

8

复位端

启动

9

两路脉冲输入的双相正交计数。

A相脉冲超前B相脉冲，加计数；

A相脉冲滞后B相脉冲，减计数。

A相脉

冲输入端

B相脉

冲输入端

×

×

10

复位端

启动

11

复位端

启动

注意：

同一个输入端不能用于两种不同的功能。

但是高速计数器当前模式未使用的输入端均可以用于其他用途，如作为中断输入端或作为数字量输入端。

图4-3为0模式计数器功能的时序图。

图4-3模式0操作实例

4.2.4高速计数器的控制字

定义了计数器和工作模式之后，还要设置高速计数器的有关控制字节。

每个高速计数器均有一个控制字节，它决定了计数器的计数允许或禁止，方向控制（仅限模式0/1和2）或对所有其他模式的初始化计数方向，装入当前值和预置值。

控制字节每个控制位的说明如表4-4所示。

表4-4高速计数器的控制字节

HSC0

HSC1

HSC2

HSC3

HSC4

HSC5

说明

SM37.0

SM47.0

SM57.0

SM147.0

复位有效电平控制：

0=复位信号高电平有效；

1=低电平有效。

SM37.1

SM47.1

SM57.1

启动有效电平控制：

0=启动信号高电平有效；

1=低电平有效。

SM37.2

SM47.2

SM57.2

SM147.2

正交计数器计数速率选择：

0=4x计数速率；1=1x计数速率。

SM37.3

SM47.3

SM57.3

SM137.3

SM147.3

SM157.3

计数方向控制位：

0=减计数；1=加计数。

SM37.4

SM47.4

SM57.4

SM137.4

SM147.4

SM157.4

向HSC写入计数方向：

0=无更新；1=更新计数方向。

SM37.5

SM47.5

SM57.5

SM137.5

SM147.5

SM157.5

向HSC写入新预置值：

0=五更新；1=更新预置值。

SM37.6

SM47.6

SM57.6

SM137.6

SM147.6

SM157.6

向HSC写入新的当前值：

0=无更新；1=更新当前值。

SM37.7

SM47.7

SM57.7

SM137.7

SM147.7

SM157.7

HSC允许：

0=禁用HSC；1=启用HSC。

4.2.5高速计数器的状态字节

每个高速计数器都有一个状态字节，状态位表示当前计数方向以及当前值是否大于或等于预置值。

，每个高速计数器状态字节的状态位如表4-5所示。

只有执行中断服务程序时，状态位才有效，目的是使其它事件能够产生中断以完成更重要的操作。

表4-5高速计数器状态字节的状态位

HSC0

HSC1

HSC2

HSC3

HSC4

HSC5

说明

SM36.5

SM46.5

SM56.5

SM136.5

SM146.5

SM156.5

当前计数方向状态位：

0=减计数；1=加计数。

SM36.6

SM46.6

SM56.6

SM136.6

SM146.6

SM156.6

当前值等于预设值状态位：

0=不相等；1=等于。

SM36.7

SM46.7

SM56.7

SM136.7

SM146.7

SM156.7

当前值大于预设值状态位：

0=小于或等于；1=大于。

4.2.6高速计数器指令

高速计数器指令有两条：

（1）高速计数器定义指令HDEF：

指定高速计数器（HSCx）的工作模式，即选择了高速计数器的输入脉冲、计数方向、复位和起动功能。

每个高速计数器只能用一条“高速计数器定义”指令。

（2）高速计数器指令HSC：

根据高速计数器控制位的状态和按照HDEF指令的工作模式，控制高速计数器。

参数N指定高速计数器的号码。

每个高速计数器都有一个32位当前值和一个32位预置值，当前值和预置值均为带符号的整数值。

要设置高速计数器的新当前值和预置值，必须设置控制字节（表4-4），令其第五位和第六位为1，允许更新预置值和当前值，新当前值和新预置值写入特殊内部标志位存储区。

然后执行HSC指令，将新数值传输到高速计数器。

当前值和预置值占用的特殊内部标志位存储区如表4-6所示。

表4-6HSC0—HSC5当前值和预置值占用的特殊内部标志存储区

要装入的数值

HSC0

HSC1

HSC2

HSC3

HSC4

HSC5

新的当前值

SMD38

SMD48

SMD58

SMD138

SMD148

SMD158

新的预置值

SMD42

SMD52

SMD62

SMD142

SMD152

SMD162

如果要访问高速计数器的计数值，可以使用存储器类型HC和计数器。

（例如HC0）。

高速计数器的当前值是只读值，只能是双字（32位）。

执行HDEF指令之前，必须将高速计数器控制字节的位设置成需要的状态，否则将采用默认设置。

默认设置为：

复位和起动输入高电平有效，正交计数速率选择4×模式。

执行指令后，就不能再改变计数器的设置，除非CPU进入停止模式。

执行HSC指令时，CPU检测控制字节和有关的当前值和预置值。

第五章PID控制回路指令

5.1PID回路控制指令

PID（Proportional,IntegralandDerivative）是比例、积分、微分的缩写，是闭环控制中最常用的一种算法，在温控、水泵、张力、运控等行业得到了广泛的应用。

5.2PID算法

PID控制原理如图5-1PID所示。

图5-1PID控制原理示意图

每个PID回路有两个输入量，给定值（SP）和过程变量（PV）。

给定值通常是一个固定的值，比如设定的汽车速度。

过程变量是与PID回路输出有关，可以衡量输出对控制系统作用的大小。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例（P）、积分（I）、微分（D）计算出控制量进行控制。

比例（P）调节作用：

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用以减少偏差。

比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成反馈的震荡。

积分（I）调节作用：

使系统