1、目錄目錄1第一章系統的功能設計分析和總體思路21.1 概述21.2 系統功能設計分析31.3 系統設計的總體思路4第二章PLC和變頻器的型號選擇52.1 PLC的型號選擇52.2 變頻器的選擇和參數設置62.2.1 變頻器的選擇62.2.2 變頻調速原理82.2.3 變頻器的工作原理82.2.4 變頻器的快速設置8第三章硬件設計以及PLC編程123.1 開環控制設計及PLC編程123.1.1 硬件設計123.1.2 PLC軟件編程133.2 閉環控制設計183.2.1 硬件和速度反饋設計183.2.3 閉環的程序設計以及源程序20第四章實驗調試和數據分析244.1 PID參數整定244.2 運

2、行結果25第五章總結和體會26第六章附錄276.1變頻器內部原理框圖27第七章參考文獻28第一章系統的功能設計分析和總體思路1.1 概述調速系統快速性、穩定性、動態性能好是工業自動化生產中基本要求。在科學研究和生產實踐的諸多領域中調速系統占有著極為重要的地位特別是在國防、汽車、冶金、機械、石油等工業中，具有舉足輕重的作用。調速控制系統的工藝過程復雜多變，具有不確定性，因此對系統要求更為先進的控制技術和控制理論。可編程控制器（PL。可編程控制器是一種工業控制計算機，是繼續計算機、自動控制技術和通信技術為一體的新型自動裝置。它具有抗干擾能力強，價格便宜，可靠性強，編程簡樸，易學易用等特點，在工業領

3、域中深受工程操作人員的喜歡，因此PLC已在工業控制的各個領域中被廣泛地使用。目前在控制領域中，雖然逐步采用了電子計算機這個先進技術工具，特別是石油化工企業普遍采用了分散控制系統（DCSo但就其控制策略而言，占統治地位的仍舊是常規的PID控制。PID結構簡樸、穩定性好、工作可靠、使用中不必弄清系統的數學模型。PID的使用已經有60多年了，有人稱贊它是控制領域的常青樹。變頻調速已被公認為是最理想、最有發展前景的調速方式之一，采用變頻器構成變頻調速傳動系統的主要目的，一是為了滿足提高勞動生產率、改善產品質量、提高設備自動化程度、提高生活質量及改善生活環境等要求；二是為了節約能源、降低生產成本。用戶根

4、據自己的實際工藝要求和運用場合選擇不同類型的變頻器。組態軟件是指一些數據采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統監控層一級的軟件平臺和開發環境，使用靈活的組態方式，為用戶提供快速構建工業自動控制系統監控功能的、通用層次的軟件工具。在組態概念出現之前，要實現某一任務，都是通過編寫程序來實現的。編寫程序不但工作量大、周期長，而且輕易犯錯誤，不能保證工期。組態軟件的出現，解決了這個問題。對于過去需要幾個月的工作，通過組態幾天就可以完成。組態王是海內一家較有影響力的組態軟件開發公司開發的，組態王具有流程畫面，過程數據記錄，趨勢曲線，報警窗口，生產報表等功能，已經在多個領域被應用。1.2 系統功能

5、設計分析隨著電力電子技術以及控制技術的發展，交流變頻調速在工業電機拖動領域得到了廣泛應用；可編程控制器PLC作為替代繼電器的新型控制裝置，簡單可靠，操作方便、通用靈活、體積小、使用壽命長且功能強大、容易使用、可靠性高，常常被用于現場數據采集和設備的控制；組態軟件技術作為用戶可定制功能的軟件開發平臺工具，可實現顯示電機轉速，可實現遠程調速控制，在PC機上可開發友好人機界面，通過PLC可以對自動化設備進行“智能”控制。在此,本次設計就是基于PLC的變頻器調速系統。將現在應用最廣泛的PLC和變頻器綜合起來主要功能實現了變壓變頻調速。電機的正反轉，加減速以及快速制動等。因此，該系統必須具備以下三個主體

6、部分：控制運算部分、執行和反饋部分。控制運算主要由PLC和變頻器來完成；執行元件為變頻器和電機；反饋部分主要為速度反饋。1.3 系統設計的總體思路系統主要由三個部分構成，即可編程邏輯控制器件PLC、變頻器和電機。首先通過設置給定輸入給PLC,再通過PLC控制變頻器，再經由變頻器來控制電機，隨后將電機的轉速反饋給PLC,經比較后輸出給變頻器從而實現無靜差調速。具體如下圖所示:第二章PLC和變頻器的型號選擇2.1 PLC的型號選擇在PLC系統設計時，首先應確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設計選型。工藝流程的特點和應用要求是設計選型的主要依據。PLC及有關設備應是集成的、標準的，按照易于與工業

7、控制系統形成一個整體，易于擴充其功能的原則選型所選用PLC應是在相關工業領域有投運業績、成熟可靠的系統，PLC的系統硬件、軟件配置及功能應與裝置規模和控制要求相適應。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關的編程語言有利于縮短編程時間，因此，工程設計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務和范圍確定所需的操作和動作，然后根據控制要求，估算輸入輸出點數、所需存儲器容量、確定PLC的功能、外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設計相應的控制系統。綜合了輸入輸出(I/O)點數、存儲器容量、各項控制功能和機型的考慮以及性價比等各方面的因素，在此我為該系統設計選擇了S7-20

8、0PLC一臺。件儲瑪卡心!ll1卜頂部端子彘電源及輸出潴子底茄次子A輸入于、傳感借電工方式開關也位器.如艇1/31接S7-200PLCCPU的外形模型圖S7-200有5種CPU模塊、6個有12種工作方式的高速計數器和兩點高速計數器/和脈沖寬度調制器、直接讀寫的模擬量I/O模塊、先進的程序結構、靈活方便的尋址方式以及程序化的PID編程控制。強大的通訊功能，它支持多種通信協議。價格是它在所有品牌在同一功能區內很有競爭力的。最重要的是它還提供了完善的的網上支持。這些都為實現本系統的設計提供很好的條件和方便。例如，高速計數器可以用來測速從而實現速度反饋。2.2 變頻器的選擇和參數設置2.2.1 變頻器

9、的選擇正確選擇通用型變頻器對于傳動系統能夠正常運行時至關重要的，首先要圍、速度響應和控,決定采用什么功最合適。所選用的上合理。若對通用能正常的運行、達外，為了確保通用的。明確使用通用變頻器的目的，按照生產機械的類型、調速范制精度、啟動轉矩等要求，充分了解變頻器所驅動負載特性能的通用變頻器構成控制系統，然后決定選用哪種控制方式通用變頻器應是既滿足生產工藝要求，又要在技術經濟指標變頻器選型、系統設計及使用不當，往往會使通用變頻器不不到預期目標，甚至引發設備故障，造成不必要的損失。另變頻器長期可靠的運行，變頻器的地線的連接也是非常重要變頻器在調速系統中的優點：1 .控制電機的啟動電流；2 .降低電力

10、線路的電壓波動;3 .啟動時需要的功率更低；4 .可控的加速功能；5 .可調的運行速度；6 .可調的轉矩極限；7 .受控的停止方式；8 .節能；9 .可逆運行控制；10 .減少機械傳動部件。在本系統中，選用了由西門子生產的通用變頻器MM4200頻器MM420為我們提供了很好的BOP控制面板具體如下圖:0冷00。增加/渴小泉值起動變頻器6器GJS0.00150.002.2.2 變頻調速原理變頻調速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調速的目的。n=60f（1-s）/p對于成品電機，其磁極對數p已經確定，轉差率s變化不大，故電機的轉速n與電源的頻率f成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機的

11、同步轉速，進而達到異步電機的調試目的。2.2.3 變頻器的工作原理變頻器的工作原理是把市電（380V、50Hz）通過整流器變成平滑直流,然后利用半導體器件（GTO、GTR或IGBT）組成的三相逆變器，將直流電變成可變電壓和可變頻率的交流電。2.2.4 變頻器的快速設置如果所用的變頻器剛剛出廠的變頻器，則需對它進行快速調試，試驗中用到的變頻器都已經完成了快速調試。序號變頻器參數出廠值設定值功能說明1P0304230380電動機的額定電壓（380V）2P03053.250.35電動機的額定電流（0.35A）3P03070.750.06電動機的額定功率（60W）4P031050.0050.00電動機

12、的額定頻率（50Hz）5P031101430電動機的額定轉速（1430r/min）6P100021用操作面板（BOP控制頻率的升降7P108000電動機的最小頻率（0Hz）8P10825050.00電動機的最大頻率（50Hz）910P1120P112110101010斜坡上升時間（10S）斜坡下降時間（10S）11P070022選擇命令源（由端子排輸入）12P0701110正向點動13P07021211反向點動14P10585.0030正向點動頻率（30Hz）15P10595.0020反向點動頻率（20Hz）16P106010.0010點動斜坡上升時間（10S）17P106110.005點動斜

13、坡下降時間（5S）注：（1）設置參數前先將變頻器參數復位為工廠的缺省設定值（2）設定P0003=2允許訪問擴展參數（3）設定電機參數時先設定P0010=1（快速調試），電機參數設置完成設定P0010=0（準備）例如：修改下表參數P0719選擇命令/設定這源操作步理顯圮的結果1快q，時期敷r00002恢。Htw不出F071&P0?193位網上"激興曲曲匚飛s00。4榜|o行當前的設定侑05愣正擅脖域行斯雜矍的K戟率6幀，和伊僧FQ719的收堂信P0119飛快ar,裝示出加°°°roooo二。口克曲器外不由用廣走口RJ+6m0OPftftSft說明忙

14、障信息佳儀參整的的IIU-!.BOP勺I耳片.$不：p«表明變頻器正忙于處Pf優先級更高的佳芬改變參數數值的一個數字為了快速修改參數的數值，可以單獨修改顯示出的每個數字，操作步驟如下：1 .按國（功能鍵），最右邊的一個數字閃爍。2 .按,修改這位數字的數值。3 .再按畫（功能鍵），相鄰的下一位數字閃爍。4 .執行2至4步，直到顯示出所要求的數值。5 .按H退出參數數值的訪問級。以下為變頻器的設置一般方法:第三章硬件設計以及PLC編程3.1 開環控制設計及PLC編程3.1.1 硬件設計在沒有反饋信息的比較，通過直接給定控制信息的控制調速系統稱之為開環調速系統。其控制思想的結構框圖如下圖

15、所示：開環控制的外部硬件連接圖：t24Vio.oIC.1西門子j4,2QIDIN口變頻器YMN1JU722WJO2LoNa113.1.2 PLC軟件編程系統采用開環控制方式來控制電機的調速，根據PID控制的整體思想:故在編寫程序的時候可以分為三部分：主程序、中斷程序和子程序。主程序：主要是用來啟動中斷程序以及控制量的輸入和輸出。中斷程序：調用PID指令進行運算以及數據類型的轉換。子程序：設置PID控制的參數PID算法PLC的PID控制器設計是以連續系統PID控制規律為基礎，經采樣將其數字化寫成離散形式PID控制方程，再根據離散方程進行控制程序設計。典型的PID算法包括3項，比例項、積分項和微分

16、項。即：輸出=比例項+積分項+微分項。計算機在周期性地采樣并離散化后進行PID運算，算法如下：Mn=Kc*(SPn-PVn+Kc*(Ts/Ti)*(SPn-PVr)+Mx+Kc*(Td/Ts)*(PVn-1-PVrj)比例項Kc*(SPn-PVrj):能及時地產生與偏差(SPn-PVi)成正比的調節作用，比例系數Kc越大，比例調節作用越強，系統的靜態穩定精度越高，但Kc過大會使系統的輸出量振蕩加劇，穩定性降低。12積分項Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn+Mx與偏差有關，只要偏差不為0,PID控制的輸出就會因積分作用而不斷變化，直到偏差消失，系統處于穩定狀態，所以積分的作用是消除穩態誤差，

17、提高控制精度，但積分的動作較慢，給系統的動態穩定帶來不良影響，很少單獨使用。積分時間常數Ti增大，積分作用越強，消除穩態誤差的速度減慢。微分項Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）:根據誤差變化的速度（即誤差的微分）進行調節，具有超前和預測的特點。微分時間常數Td增大時，超調量減少，動態性能得到改善，但Td過大，系統輸出量在接近穩態時可能上升緩慢。許多控制系統內，可能只需要P、I、D中的一種或兩種控制類型。如可能只要求比例控制或比例與積分控制，通過設置參數可對回路進行控制類型進行選擇。內存變量分配表1、程序地址分配地址說明VD12目標速度設定存放地址VD300當前實際速度存放地址2、PI

18、D指令回路表地址名稱說明VD100過程變量（PVn）必須在0.01.0之間VD104給定值（SPn）必須在0.01.0之間VD108輸出值（Mn）必須在0.01.0之間VD112增益（Kc）比例常數，口止可負VD116采樣時間（Ts）單位為s,必須是正數VD120采樣時間（Ti）單位為min,必須是正數13VD124微分時間（Td）單位為min,必須是正數以下為開環控制的PLC程序:主程序中斷程序14Mm111?訂一口71'空辟聲爐內'.:'以川靜陣.-.最體存西射邪.整也一科工卓建.整制售后一MJ.G15163,2閉環控制設計3.2.1硬件和速度反饋設計構成閉環系統就

19、要把速度信息反饋給輸入。速度的測量可以通過光電編碼器和PLC來實現。速度采集：S7-200具有高速脈沖采集功能，采集頻率可以達到30KHz,共有6個高速計數器(HSC0HSC5)工作模式有12種。在固定時間問隔內采集脈沖差值，通過計算既可以獲得電動機的當前轉速。例如：設采樣周期為100ms即是每隔100ms采集脈沖一次，光電開關每轉發出8個脈沖，那么就可以得到速度為m/(0.160其中m為采樣周期內接受到的脈沖數。轉速的單位為r/min閉環控制就是將速度信號反饋給plc,再通過與給定量比較，輸出給PID控制部分，從而調節速度使其能達到設定要求。其結構框圖17硬件連接圖+24V西門子A7N2L【

20、MM420變頻器：0L2<5：183.2,3閉環的程序設計以及源程序主程序1920子程序中斷程序2122第四章實驗調試和數據分析4.1 PID參數整定PID參數整定方法就是確定調節器的比例系數P、積分時間Ti和和微分時問Td,改善系統的靜態和動態特性，使系統的過渡過程達到最為滿意的質量指標要求。一般可以通過理論計算來確定，但誤差太大。目前，應用最多的還是工程整定法：如經驗法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應曲線法。經驗法又叫現場湊試法，它不需要進行事先的計算和實驗，而是根據運行經驗，利用一組經驗參數，根據反應曲線的效果不斷地改變參數，對于溫度控制系統，工程上已經有大量的經驗，其規律如下表所

21、示：被控變量規律的選擇比例度積分時間（分鐘）微分時間（分鐘）溫度滯后較大20-603-100.53實驗湊試法的整定步驟為"先比例，再積分，最后微分"1）整定比例控制將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應，直至得到反應快、超調小的響應曲線232）整定積分環節先將步驟1）中選擇的比例系數減小為原來的5080%,再將積分時間置一個較大值，觀測響應曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應調整比例系數，反復試湊至得到較滿意的響應，確定比例和積分的參數。3）整定微分環節環節先置微分時間TD=0逐漸加大TD,同時相應地改變比例系數和積分時間，反復試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參

22、數。4.2 運行結果此次是速度的PID控制，速度具有比較嚴重的滯后性，所以一般為了增強系統動態響應，比例、積分、微分全投入使用，經過多次參數設定比較后，當設定比例系數P為10,積分時間I為0.15,微分時間D為0.01時，系統能得到比較滿意的控制效果，最大超調只有兩度多，穩定后能保持在±1r/min以內.系統控制效果如下:24第五章總結和體會通過這次的課程設計，讓我受益匪淺。在課程設計期間通過與同學們之間的交流和老師的指導，使自己學到了不少知識。除了學會了西門子S7200的基本知識，并掌握了S7-200的工作原理和一些指令的功能以外，還掌握了傳感器和變頻器的使用方法，并且深化了我對P

23、ID控制技術的理解。在這次課程設計中我覺得最重要的就是要有自學能力，因為這次實訓中有部分知識我們之前還沒有接觸過，所以自己必須學會查找相關的資料。另外就是在遇到實際問題的時候，要認真思考，運用所學的知識，一步一步的去探索,是完全可以解決遇到的一般問題的。而在這次設計程序的過程中，我一開始時走了很多彎路，這也是自己的知識不夠扎實的原因。不過經過自己幾天的努力,最后還是做了出來，而且還做得挺不錯的。雖然我們設計的東西并不難，但是在設計的過程中我學到了書本上所沒有學到的東西。只有理論，沒有結合實際是很難做出東西的。比如在調試的過程中，遇到問題往往是書本上的知識不能直接的解決的，只要在扎實的專業知識的前提下，我們才能把東西做好。