基于PLC的電機控制系統(tǒng)設(shè)計

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1、1目 錄目 錄.1第一章 緒 論.31.1 研究背景及意義 .31.2 相關(guān)技術(shù)簡介 .31.2.1 變頻器的應用與發(fā)展概況 .31.2.2 PLC 技術(shù) .51.3 本文設(shè)計的主要內(nèi)容 .6第二章 變頻調(diào)速原理.62.1 變頻器基本結(jié)構(gòu) .62.2 變頻調(diào)速的基本原理.72.3 變頻調(diào)速的優(yōu)點.10第三章 PLC 技術(shù) .123.1 PLC 概述 .123.2 PLC 的組成及各部分作用 .123.3 PLC 的工作原理 .15第四章 實驗系統(tǒng)的設(shè)計.174.1 系統(tǒng)設(shè)計功能分析 .174.2 PLC 和變頻器的選擇 .174.2.1SIMATIC S7-200 介紹 .174.2.2 SI

2、MATIC MICROMASTER420 變頻器性能介紹 .2124.3 閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計.224.3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計.234.4 多段速控制設(shè)計.284.4.1 硬件設(shè)計.284.5 軟件設(shè)計 .304.5.1 編程軟件介紹.304.5.2 閉環(huán)程序設(shè)計 .314.5.3 多段速程序設(shè)計.34第五章 實驗調(diào)試和數(shù)據(jù)分析.365.1 閉環(huán)系統(tǒng) PID 參數(shù)整定 .365.2 多段速控制分析.38第六章 總結(jié)與體會.38參考文獻.39致謝.393第一章 緒 論1.11.1 研究背景及意義研究背景及意義調(diào)速系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性、動態(tài)性能好是工業(yè)自動化生產(chǎn)中基本要求。在科學研究和生產(chǎn)實踐的諸多領(lǐng)域中 調(diào)

3、速系統(tǒng)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(yè)中，具有舉足輕重的作用。調(diào)速控制系統(tǒng)的工藝過程復雜多變，具有不確定性，因此對系統(tǒng)要求更為先進的控制技術(shù)和控制理論。可編程控制器（PLC）可編程控制器是一種工業(yè)控制計算機，是繼續(xù)計算機、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)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(yè)領(lǐng)域中深受工程操作人員的喜歡，因此 PLC 已在工業(yè)控制的各個領(lǐng)域中被廣泛地使用。目前在控制領(lǐng)域中，雖然逐步采用了電子計算機這個先進技術(shù)工具，特別是石油化工企業(yè)普遍采用了分散控制系統(tǒng)（DCS） 。但就其控制策略而言，占統(tǒng)治地位的仍

4、舊是常規(guī)的 PID 控制。PID 結(jié)構(gòu)簡樸、穩(wěn)定性好、工作可靠、使用中不必弄清系統(tǒng)的數(shù)學模型。PID 的使用已經(jīng)有 60 多年了，有人稱贊它是控制領(lǐng)域的常青樹。變頻調(diào)速已被公認為是最理想、最有發(fā)展前景的調(diào)速方式之一，采用變頻器構(gòu)成變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)的主要目的，一是為了滿足提高勞動生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高設(shè)備自動化程度、提高生活質(zhì)量及改善生活環(huán)境等要求；二是為了節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本。用戶根據(jù)自己的實際工藝要求和運用場合選擇不同類型的變頻器。1.21.2 相關(guān)技術(shù)簡介相關(guān)技術(shù)簡介1.2.11.2.1 變頻器的應用與發(fā)展概況變頻器的應用與發(fā)展概況變頻技術(shù)是近年來國際家電領(lǐng)域全面開發(fā)和應用的一項高新

5、技術(shù)，它采用新型變頻器，將50Hz的固定供電頻率轉(zhuǎn)換為30-130Hz的變化頻率，實現(xiàn)電動機4運轉(zhuǎn)頻率的自動調(diào)節(jié)，達到節(jié)能和提高效率的目的。上世紀70年代初，變頻技術(shù)迅速發(fā)展，已經(jīng)成為集電力、電子、計算機技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品。全球一些著名的電氣公司像西門子、ABB、東芝、三菱等，在這一領(lǐng)域的開發(fā)與研究都取得了巨大成就，使得變頻調(diào)速技術(shù)迅速發(fā)展并日漸成熟，它較直流調(diào)速系統(tǒng)及其它類型的調(diào)速系統(tǒng)有以下3個最突出的特點：1. 省電節(jié)能，可使電耗降低。這是因為，一方面，一個常識性的問題就是交流電機的效率比其它類型的電機都要高。另一方面，一般的電機控制回路中都有過流過壓失相等安全保護元件，而“變頻器一電

6、機”控制回路則沒有這些耗能元件，更不需要像直流調(diào)速系統(tǒng)所必備的勵磁電源變壓器等。2. 系統(tǒng)造價低。同直流傳動系統(tǒng)相對比，異步電機的價格要比直流電機的價格低130%-350%；另外，技術(shù)的發(fā)展使得變頻器成本逐年下降，現(xiàn)市場價格約為1000元/千瓦，而直流整流設(shè)備110kw容量以下平均每套的價格約為21000元。因此對于紙機電氣傳動系統(tǒng)，單機容量不超過160kw，在同樣裝機容量下，交流傳動系統(tǒng)的造價要比直流傳動系統(tǒng)低5%-15%。針對中低檔紙機，裝機容量不太大交流調(diào)速具有大的價格優(yōu)勢。3. 維護工作量小。變頻器普遍采用大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路，設(shè)有附加的外圍元器件，因此從某種意義上說，變頻器是免費

7、維護設(shè)備。直流電機的維護周期為 1 個月，而交流電機的維護周期為 3 個月以上，且維護工作量要小的多。隨著時間的推移，產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，矢量控制(Vector control)、IGBT(雙極絕緣可關(guān)斷晶閘管)、操作面板(OPRATE PANEL)等新技術(shù)不斷在變頻領(lǐng)域采用，最明顯的特征是變頻器的體積在變小，同時功能逐漸增強，維護操作更為方便。通用變頻器經(jīng)歷了模擬控制、數(shù)字控制、數(shù)模混合控制，直到全數(shù)字控制的演變，逐步地實現(xiàn)了多功能化和高性能化，進而使之對各類生產(chǎn)機械、各類生產(chǎn)工藝的適應性不斷增強。最初通用變頻器僅用于風機、泵類負載的節(jié)能調(diào)速和化纖工業(yè)中高速纏繞的多機協(xié)調(diào)運行等，到目前為止，其

8、應用領(lǐng)域得到了相當?shù)臄U展。如搬運機械，從反抗性負載的搬運車輛、帶式運輸機到位能負載的起重機、提升機、立體倉庫、立體停車廠等都已采用了通用變頻器。各類切5削機床直到高速磨床乃至數(shù)控機床、加工中心超高速伺服機的精確位置控制都已應用通用變頻器。1.2.21.2.2 PLCPLC 技術(shù)技術(shù)可編程程序控制器(Programmable Controller)是以微處理器為核心，綜合計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設(shè)計的計算機控制系統(tǒng)。它采用可編程序的存儲器，能夠執(zhí)行邏輯控制、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作功能，并通過開關(guān)量、模擬量的輸入和輸出完成各種機械或生產(chǎn)過

9、程的控制。它具有豐富的輸入、輸出接口，并且具有較強的驅(qū)動能力，其硬件需根據(jù)實際需要選配，軟件則需根據(jù)控制要求進行設(shè)計。第一臺可編程控制器（以下簡稱 PLC）的設(shè)計規(guī)范是美國通用汽車公司提出的。當時的目的是要求設(shè)計一種新的控制裝置以取代繼電器盤，除保留繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優(yōu)點的基礎(chǔ)上，同時具有現(xiàn)代化牛產(chǎn)線所要求的時間響應快、控制精度高、可靠性好、控制程序可隨工藝改變、易于與計算機接口、維修方便等諸多高品質(zhì)與功能。這一設(shè)想提出后，美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)于 1969 年研制成第一臺 PLC，型號為 PDP-14，投入通用汽車公司的生產(chǎn)線控制中，取得了令人滿意的效果，從此

10、開創(chuàng)了 PLC 的新紀元。到 706年代初，食品、金屬和制造等工業(yè)部門相繼使用 PLC 代替繼電器控制設(shè)備，邁出了其實用化階段的第一步。70 年代中期，由于大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，使 8 位微處理器和位片處理器相繼問世，使可編程控制技術(shù)產(chǎn)生了飛躍。在邏輯運算功能的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)值運算，提高了運算速度，擴大了輸入輸出規(guī)模。70 年代末由于超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，使 PLC 向大規(guī)模、高速性能方向發(fā)展，形成了多種系列化產(chǎn)品，面向工程技術(shù)人員的編程語言也發(fā)展成熟，出現(xiàn)了工藝人員使用的圖形語言。進入八九十年代后，PLC 的軟硬件功能進一步得到加強，PLC 已發(fā)展成為一種可提供諸多功能的成熟的控制系統(tǒng)，

11、能與其他設(shè)備通信，生成報表，調(diào)度產(chǎn)出，可診斷自身故障及機器故障。PLC 未來的發(fā)展不僅依賴于對新產(chǎn)品的開發(fā)，還在于 PLC 與其他工業(yè)控制設(shè)備和工廠管理技術(shù)的綜合。無疑， PLC 將在今后的工業(yè)自動化中扮演重要角色。在未來的工業(yè)生產(chǎn)中，PLC 技術(shù)和機器人、CAD/CAM 將成為實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的三大支柱。1.31.3 本文設(shè)計的主要內(nèi)容本文設(shè)計的主要內(nèi)容本系統(tǒng)是通過可編程控制器控制三相交流異步電動機的調(diào)速功能。具體內(nèi)容如下：1. 闡述通用變頻器和 PLC 的工作原理；2. 確定變頻器和其他控制設(shè)備的型號，并設(shè)定變頻器的功能參數(shù)；3. 實現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)調(diào)速和多段速控制4. 在實驗室進行實驗

12、。第二章 變頻調(diào)速原理72.12.1 變頻器基本結(jié)構(gòu)變頻器基本結(jié)構(gòu)變頻器可以分為四個部分，如圖 2.1 所示。步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，稱為主電路。主電路包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)（又稱平波回路） 、逆變器。通用變頻器由主電路和控制回路組成。給異整流器平波電路逆變器M控制電路圖 2.1 變頻器簡化結(jié)構(gòu)圖1. 整流器。它的作用是把工頻電源變換成直流電源。2. 平波回路（中間直流環(huán)節(jié)） 。由于逆變器的負載為異步電動機，屬于感性負載。無論電動機處于電動狀態(tài)還是發(fā)電狀態(tài)，起始功率因數(shù)總不會等于1。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的交換，這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件電

13、容器或電感器來緩沖，所以中間直流環(huán)節(jié)實際上是中間儲能環(huán)節(jié)。3. 逆變器。與整流器的作用相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率。逆變器的結(jié)構(gòu)形式是利用 6 個半導體開關(guān)器件組成的三相橋式逆變器電路。通過有規(guī)律的控制逆變器中主開關(guān)的導通和斷開，可以得到任意頻率的三相交流輸出波形。4. 控制回路?？刂苹芈烦Ｓ蛇\算電路，檢測電路，控制信號的輸入、輸出電路，驅(qū)動電路和制動電路等構(gòu)成。其主要任務是完成對逆變器的開關(guān)控制，對整流器的電壓控制，以及完成各種保護功能?？刂品绞接心M控制或數(shù)字控制。82.22.2 變頻調(diào)速的基本原理變頻調(diào)速的基本原理當在一臺三相異步電動機的定子繞組上加上三相交流電壓時

14、，該電壓將產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，其速度由定子電壓的頻率所決定。當磁場旋轉(zhuǎn)時，位于該磁場中的轉(zhuǎn)予繞組將切割磁力線，并在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生相應的感應電動勢和感應電流，而此感應電流又將受到旋轉(zhuǎn)磁場的作用而產(chǎn)生電磁力，即轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子跟隨旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)當將三相異步電動機繞組的任意兩相進行交換時，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的方向?qū)l(fā)生改變。因此，電動機的轉(zhuǎn)向也將發(fā)生改變。異步電動機定了磁場的轉(zhuǎn)速被稱為異步電動機的同步轉(zhuǎn)速，其同步轉(zhuǎn)速由電動機的磁極個數(shù)和電源頻率所決定：n=60f/p異步電動機的轉(zhuǎn)速總是小于其同步轉(zhuǎn)速，異步電機的實際轉(zhuǎn)速可由下式給出： n=n1(1S)=60 f1 (1S)/p (2.1)式(2.1)中： n電

15、動機的實際轉(zhuǎn)速；f1電動機定子繞組的供電頻率；p旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)；S轉(zhuǎn)差率，表示定子旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速 n.與 n 的關(guān)系。由上述交流電動機的轉(zhuǎn)速公式(2.1)可以知道要改變轉(zhuǎn)速可以采取以下三種基本措施：(1)改變轉(zhuǎn)差率 S； (2)改變磁極對數(shù) p； (3)改變電動機的定子供電頻率。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率調(diào)速的實質(zhì)是將輸入功率的一部分轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)差功率以削減軸上輸出功率的大小，迫使電動機運行速度下降。改變電動機的定子供電頻率f(即變頻調(diào)速)，可使電機始終運行在高效率區(qū)，并保證良好的動態(tài)性能，是目前最為廣泛使用的調(diào)速方式。在電動機調(diào)速時，一個重要的因素是希望保持每極磁通量 。為額定值不變。9磁通太弱，沒有充

16、分利用電機的磁心，是一種浪費；若要增大磁通，又會使磁通飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因為繞組過熱而損壞電機。對于直流電機來說，勵磁系統(tǒng)是獨立的，所以只要對電樞反應的補償合適，保持西。不變是很容易做到的。在交流異步電機種，磁通是定子和轉(zhuǎn)子合成產(chǎn)生的。三相異步電機定子每相電動勢的有效值是： (2.2)1114.44gNmf N K 式中： 氣隙磁通在定了每相中感應電動勢有效值；g 定子頻率；1f 定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；1N 基波繞組系數(shù)；1NK每極氣隙磁通量；m由上式可以知道：為了保持電動勢的平衡關(guān)系，當電源頻率改變時，如1f果電源保持不變，那么必然引起氣隙磁通的變化，但是的變化都會gmm

17、給異步電動機的運行性能帶來不良影響。所以要必須保持主磁通不發(fā)生改變。由(2.2)式可以看出，是由和來共同決定的，對和進行適當控制，mg1fg1f就可以保持保持額定值不發(fā)生改變。但是這種控制受到基頻（電機額定m1f頻率)的影響，在（即基頻以上1fNf1fNf調(diào)速控制方式）時，的變化規(guī)律不一樣。g1基頻以下調(diào)速：即采用恒定的電動勢。由上式可知，要保持不變，但頻率從額定值m1f向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低。Nfg然而繞組中的感應電動勢是難以控制的，但電動勢較高時，可以忽略定子10繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定了相電壓E，則得常數(shù)。1U1/Uf 低頻時，和都較小，定子阻抗壓降所占的份量都比較顯著，不能再1U

18、g忽略。這時，可以人為的把電壓抬高一些，以便近似的補償定子壓降。帶定子1U壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性為 b 線，無補償?shù)臑榭诰€。如圖 2.2 所示。 baU1nF1nF1（頻率）U1定子相電壓圖 2.2 恒壓頻比控制特性2基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從 F 往上增高，但電壓磁通與頻率成反比1U的降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來，可得到異步電動機的變頻調(diào)速控制特性，如圖 2.3。如果電動機在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電動機都能在溫升容許的條件下長期運行，這時轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的調(diào)速，而在基頻以上，基本上屬于“恒

19、功率調(diào)速”11U1nF1（頻率）U1定子相電壓F1nU1恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒功率調(diào)速圖 2.3 異步電動機變頻調(diào)速特性2.32.3 變頻調(diào)速的優(yōu)點變頻調(diào)速的優(yōu)點使用變頻器的優(yōu)點：1. 變頻調(diào)速的節(jié)能由于采用變頻調(diào)速后，風機、泵類負載的節(jié)能效果最明顯，節(jié)電率可達到 2060，這是因為風機水泵的耗用功率與轉(zhuǎn)速的三次方成比例，當用戶需要的平均流量較小時，風機、水泵的轉(zhuǎn)速較低，其節(jié)能效果也是十分可觀的。而傳統(tǒng)的擋板和法門進行流量調(diào)節(jié)時，耗用功率變化不大。由于這類負載很多，約占交流電動機總?cè)萘康?200，它們的節(jié)能就具有非常重要的意義。對于一些在低速運行的恒轉(zhuǎn)矩負載，如傳送帶等，變頻調(diào)速也可節(jié)能。除此之外，原有

20、調(diào)速方式耗能較大者(如繞線轉(zhuǎn)子電動機等)，原有調(diào)速方式比較龐雜，效率較低者(如龍門刨床等)，采用了變頻調(diào)速后，節(jié)能效果也很明顯。2. 變頻調(diào)速在電動機運行方面的優(yōu)勢12變頻調(diào)速很容易實現(xiàn)電動機的正、反轉(zhuǎn)。只需要改變變頻器內(nèi)部逆變管的開關(guān)順序，即可實現(xiàn)輸出換相，也不存在因換相不當而燒毀電動機的問題。變頻調(diào)速系統(tǒng)起動大都是從低速開始，頻率較低。加、減速時間可以任意設(shè)定，故加、減速時間比較平緩，起動電流較小，可以進行較高頻率的起停。變頻調(diào)速系統(tǒng)制動時，變頻器可以利用自己的制動回路，將機械負載的能量消耗在制動電阻上，也可回饋給供電電網(wǎng)，但回饋給電網(wǎng)需增加專用附件，投資較大。除此之外，變頻器還具有直流制

21、動功能，需要制動時，變頻器給電動機加上一個直流電壓，進行制動，則無需另加制動控制電路。3. 以提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量為目的的應用變頻調(diào)速除了在風機、泵類負載上的應用以外，還可以廣泛應用于傳送、卷繞、起重、擠壓、機床等各種機械設(shè)備控制領(lǐng)域。它可以提高奇特的產(chǎn)成品率，延長設(shè)備的正常工作周期和使用壽命，使操作和控制系統(tǒng)得以簡化，有的甚至可以改變原有的工藝規(guī)范，從而提高了整個設(shè)備控制水平。變頻器技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)，它建立在控制技術(shù)、電子電力技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的基礎(chǔ)上。容易實現(xiàn)對現(xiàn)有電動機的調(diào)速控制、可以實現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制、實現(xiàn)速度的精確控制；容易實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)切換，可以進

22、行高額度的起停運轉(zhuǎn)，可以進行電氣制動，可以對電動機進行高速驅(qū)動。可以實現(xiàn)軟起動，減小沖擊電流，解決大負載的啟動問題。電源功率因數(shù)大，所需容量小，可以組成高性能的控制系統(tǒng)等。變頻器保護功能很強，在運行過程中能隨時檢測到各種故障，并顯示故障類別(如電網(wǎng)瞬時電壓降低，電網(wǎng)缺相，直流過電壓，功率模塊過熱，電機短路等)，并立即封鎖輸出電壓這種“自我保護”的功能，不僅保護了變頻器，還保護了電機不易損壞。13第三章 PLC 技術(shù)3.13.1 PLCPLC 概述概述可編程程序控制器(Programmable Controller)是以微處理器為核心，綜合計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種專為在工

23、業(yè)環(huán)境下應用而設(shè)計的計算機控制系統(tǒng)。它采用可編程序的存儲器，能夠執(zhí)行邏輯控制、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作功能，并通過開關(guān)量、模擬量的輸入和輸出完成各種機械或生產(chǎn)過程的控制。它具有豐富的輸入、輸出接口，并且具有較強的驅(qū)動能力，其硬件需根據(jù)實際需要選配，軟件則需根據(jù)控制要求進行設(shè)計。因為早期的可編程序控制器在功能上只能進行邏輯控制，因此也稱為 PLC(programmable Logic controller)，即是可編程邏輯控制器。隨著計算機計數(shù)的發(fā)展，開始采用微處理器(Microprocessor)作為可編程序控制器的中央處理單元，從而擴大了可編程序控制器的功能，現(xiàn)在的可編程序控制器

24、不僅可以進行邏輯控制，也可以對模擬量進行控制。PLC 自問世以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，己經(jīng)成為最受歡迎的工業(yè)控制類產(chǎn)品。它之所以高速發(fā)展，除了工業(yè)自動化的客觀需求外，還有許多獨特的優(yōu)點。它較好的解決了工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟等問題。3.23.2 PLCPLC 的組成及各部分作用的組成及各部分作用PLC 是一種通用的工業(yè)控制裝置，其組成與一般的微機系統(tǒng)基本相同。按結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC 可分為整體式和組合式兩類。整體式 PLC 是將中央處理單元(CPU)、存儲器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構(gòu)成主機。另外還有獨立的 I/0 擴展單元與主機配合使用。主

25、機中，CPU 是 PLC 的核心，I/0 單元是連接 CPU 與現(xiàn)場設(shè)備之間的接口14電路，通信接口用于 PLC 與編程器和上位機等外部設(shè)備的連接。組合式 PLC 將 CPU 單元、輸入單元、輸出單元、智能 I/0 單元、通信單元等分別做成相應的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過底板上的總線相互聯(lián)系。裝有 CPU 單元的底板稱為 CPU 底板，其它稱為擴展底板。CPU底板與擴展底板之間通過電纜連接，距離一般不超過 10cm。無論哪種結(jié)構(gòu)類型的 PLC，都可以根據(jù)需要進行配置與組合。1. 中央處理單元(CPU)CPU 在 PLC 中的作用類似于人體的神經(jīng)中樞，它是 PLC 的運算、控制

26、中心。它按照系統(tǒng)程序所賦予的功能，整個 PLC 的工作過程都是在 CPU 的統(tǒng)一指揮和協(xié)調(diào)下進行的。它的主要功能有以下幾點：1）接收從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)，送入存儲器存儲；2）監(jiān)測和診斷電源、PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程的語法錯誤；3）用掃描的方式接收輸入信號，并送入 PLC 的數(shù)據(jù)區(qū)(輸入映像寄存器) 保存起來；4）PLC 進入運行狀態(tài)后，根據(jù)存放的先后順序逐條讀取用戶程序，進行解釋和執(zhí)行，完成用戶程序中規(guī)定的各種操作；5）根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，刷新有關(guān)標志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器表的內(nèi)容，以實現(xiàn)輸出控制、制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能；PLC 常用的 CPU 有通用微處理器、單片機和位片

27、式微處理器。通用微處理器常用的是 8 位機和 16 位機，如 8080、8086、M68000、80286和 80386 等。單片機常用的有 8031、8051、和 8096 等。位片式微處理器常用的有 AMD2901、AMD2903 等。小型 PLC 大多采用 8 位微處理器或單片機，中型 PLC 大多采用 16 位微處理器或單片機，大型 PLC 大多采用高速位片式處理器。PLC 的檔次越高，所用的CPU 的位數(shù)也越多，運算速度也越快，功能越強。15圖3.1 PLC的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2. 存儲器PLC 配有 2 種存儲器：1）系統(tǒng)程序存儲器；2）用戶程序存儲器；數(shù)據(jù)表用來存放各種數(shù)據(jù)，它的標

28、準格式是每一個數(shù)據(jù)占一個字。它存儲用戶程序執(zhí)行時的某些可變參數(shù)值，如定時器和計數(shù)器的當前值和設(shè)定值。它還用來存放 A/D 轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字和數(shù)學運算的結(jié)果等。3輸入輸出(I/O)單元I/0單元也稱為I/0模塊。實際生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的輸入信號多種多樣，信號電平各不相同，而PLC所能處理的信號只能是標準電平，因此必須通過輸入模塊將這些信號轉(zhuǎn)換成CPU能夠接收和處理的標準電平信號。同樣，外部執(zhí)行元件如電磁閥、接觸器、繼電器等所需的控制信號電平也千差萬別，亦必須通過輸出模塊將CPU輸出的標準電平信號轉(zhuǎn)換成這些執(zhí)行元件所能接收的控制信號。所以，I/O模塊實際上是CPU與現(xiàn)場輸入輸出設(shè)備之間的連接部件，起著P

29、LC與被控對象間傳遞輸入輸出信息的作用。PLC通過I/0單元與工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)場相聯(lián)系，輸入單元接收操作指令和現(xiàn)場的狀態(tài)信息，加控制按鈕、操作開關(guān)和限位開關(guān)、光電管、繼電器觸點、行程開關(guān)、接近開關(guān)等信號，并通過輸入電路的濾波、光電隔離和電平轉(zhuǎn)換等將這些信號轉(zhuǎn)換成CPU能夠接收和處理的信號。輸出單元將CPU送出的弱電控制信16號通過輸出電路的光電隔離和功率放大等轉(zhuǎn)換成為現(xiàn)場需要的強電信號輸出，以驅(qū)動接觸器、電磁閥、電磁鐵等執(zhí)行元件。4編程器編程器是PLC的最重要的外圍設(shè)備，也是PLC不可缺少的一部分。編程器的作用是將用戶編寫的程序下載至PLC的用戶程序存儲器,還可以對用戶程序進行檢查、修改和調(diào)試，

30、以及在線監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)，內(nèi)部部件及系統(tǒng)參數(shù)。它通過接口與CPU聯(lián)系，完成人機對話。編程器一般分為簡易編程器和圖形編程器兩類。簡易編程器功能較少，一般只能用語句表形式進行編程，通常需要連機工作。簡易編程器使用時直接與PLC的專用插座相連接，由PLC提供電源。它體積小，重量輕，便于攜帶，適合小型PLC使用。圖形編程器既可以用指令語句進行編程，又可以用梯形圖編程；既可連機編程又可脫機編程，操作方便，功能強，有液晶顯示的便攜式和陰極射線式兩種。圖形編程器還可與打印機、繪圖儀等設(shè)備連接，但價格相對較高。通常大中型PLC多采用圖形編程器。目前很多PLC制造廠家大都開發(fā)了計算機輔助PLC編程軟件，當個

31、人計算機安裝了PLC編程支持軟件后，可用圖形編程器進行用戶程序編輯、修改并通過個人計算機和PLC之間的通信接口實現(xiàn)用戶程序雙向傳送、監(jiān)控PLC運行狀態(tài)等。5電源部件PLC配有開關(guān)式穩(wěn)壓電源的電源模塊，用來將外部供電電源轉(zhuǎn)換成供PLC內(nèi)部的CPU、存儲器和IO接口等電路工作所需的直流電源。PLC的電源部件有很好的穩(wěn)壓措施，因此對外部電源的穩(wěn)定性要求不高，一般允許外部電源電壓的額定值在+l0-15的范圍內(nèi)波動。小型PLC的電源往往和CPU單元合為一體，大中型PLC都有專用電源部件。有些PLC的電源部件還能向外提供直流24V穩(wěn)壓電源，用于對外部傳感器供電，避免由于外部電源污染或不合格電源引起的故障。

32、為防止在外部電源發(fā)生故障的情況下，PLC內(nèi)部程序和數(shù)據(jù)等重要信息的丟失，PLC還帶有鋰電池作為后備電源。3.33.3 PLCPLC 的工作原理的工作原理PLC的工作方式：采用循環(huán)掃描方式。掃描從第0號存儲地址所存放的第一條用戶程序開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按存儲地址號遞增的方向順17序逐條掃描用戶程序，也就是順序執(zhí)行程序，直到程序結(jié)束，即完成一個掃描周期，然后再從頭開始執(zhí)行用戶程序，并周而復始地重復。PLC開始運行時，首先清除IO映像區(qū)的內(nèi)容，然后進行自診斷，自檢CPU及IO組件，確認正常后開始循環(huán)掃描。每個掃描過程分為三個階段進行，即輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新。PLC重復執(zhí)行上述三

33、個階段，每重復一次的時間就是一個工作周期(或掃描周期)，如圖3.2所示。圖3.2 PLC工作周期的三個階段1.輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存I/O映像區(qū)中的相應單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，IO映像區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。2.程序執(zhí)行階段程序執(zhí)行階段，又稱程序處理階段。在程序執(zhí)行階段，根據(jù)PLC梯形圖程序掃描原則，按先左后右，先上后下的步序，逐句掃描，執(zhí)行程序。在程序執(zhí)行階段，只有輸入映像寄存器區(qū)存放的輸入采樣值不會發(fā)生改變，其他各種元素在輸出映像寄存器區(qū)或系

34、統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能隨著程序的執(zhí)行隨時發(fā)生改變。PLC從輸入映像寄存器中讀出上一階段采入的對應輸入端子狀態(tài)，從輸出映像寄存器讀出對應映像寄存器的當前狀態(tài)。根據(jù)用戶程序進行邏輯運算，運算結(jié)果再存入有關(guān)器件寄存器中。3.輸出刷新階段程序執(zhí)行完畢后，進入輸出刷新階段。然后，將輸出映像寄存器區(qū)中所有輸出繼電器的狀態(tài)轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器，通過隔離電路，驅(qū)動功率放大電路，使輸出端子向外界輸出控制信號，驅(qū)動外部負載。18第四章 實驗系統(tǒng)的設(shè)計4.14.1 系統(tǒng)設(shè)計功能分析系統(tǒng)設(shè)計功能分析隨著電力電子技術(shù)以及控制技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速在工業(yè)電機拖動領(lǐng)域得到了廣泛應用；可編程控制器 PLC 作為替

35、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(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和設(shè)備的控制；組態(tài)軟件技術(shù)作為用戶可定制功能的軟件開發(fā)平臺工具，可實現(xiàn)顯示電機轉(zhuǎn)速，可實現(xiàn)遠程調(diào)速控制，在PC 機上可開發(fā)友好人機界面，通過 PLC 可以對自動化設(shè)備進行“智能”控制。在此，本次設(shè)計就是基于 PLC 的變頻器調(diào)速系統(tǒng)。將現(xiàn)在應用最廣泛的 PLC 和變頻器綜合起來主要功能實現(xiàn)了變壓變頻調(diào)速。電機的正反轉(zhuǎn)，加減速以及快速制動等。本系統(tǒng)主要完成異步電機兩種調(diào)速，由于變頻器參數(shù)設(shè)置的不同，調(diào)速方式也有所不同，分別為變頻閉環(huán)調(diào)速和多段速控制。4.24.2 PLCP

36、LC 和變頻器的選擇和變頻器的選擇本設(shè)計選用的是西門子公司生產(chǎn)的 SIMATIC S7-200 系列小型 PLC 和面向世界推出的 21 世紀通用型變頻器 MM420。4.2.1SIMATIC4.2.1SIMATIC S7-200S7-200 介紹介紹S7-200 型 PLC 可用于代替繼電器的簡單控制場合，也可用于復雜的自動化控制系統(tǒng)。由于它極強的通信功能，在大型網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮其功能。本系統(tǒng)中主要選用了SIMATIC S7-200型PLC，SIMATIC S7-200可編程序控制器采用模塊化設(shè)計，性能范圍寬廣的不同模板可靈活組合，擴展十分方便。S7-200 CPU將微處理器、集成

37、電源、輸入電路和輸出電路集成在一個緊湊的外殼中，從而形成了一個功能強大的Micro PLC。在下載了程序之后，S7-200將保留所需的邏輯，用于監(jiān)控應用程序中的輸入輸出設(shè)備。19S7-200PLC系統(tǒng)是緊湊型可編程序控制器。系統(tǒng)的硬件構(gòu)架是由成系統(tǒng)的CPU模塊和豐富的功能擴展模塊組成。它能夠滿足各種設(shè)備的自動化控制需求。應用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測、自動化控制相關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護設(shè)備、汽車、機器人等等。如沖壓機床、印刷機械、中央空調(diào)、電梯控制、運動系統(tǒng)等等。S7-200系列除了具有PLC的基本控制功能以外，還有以下三個方面特點：(1)功

38、能強大的指令集；(2)豐富強大的通信功能；(3)編程軟件的易用性；4.2.1.14.2.1.1 SIMATICSIMATIC S7-200S7-200 PLCPLC 的工作模式的工作模式S7-200PLC具有兩種工作模式，分別是：運行(RUN)模式和停止(STOP)模式。在運行模式下，通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制功能；在停止模式下，S7-200 CPU不執(zhí)行用戶程序，此時可設(shè)置CPU系統(tǒng)的硬件功能，并將用戶程序、數(shù)據(jù)以及硬件設(shè)置信息下載到S7-200CPU。其中用戶程序用編程軟件創(chuàng)建、編輯、編譯、調(diào)試。CPU模塊上的模式開關(guān)用于改變和轉(zhuǎn)換S7-200PLC的工作模式。開關(guān)撥到RUN

39、位置時，CPU運行，啟動用戶程序的運行：當開關(guān)撥到STOP位置時，CPU停止，用戶程序的運行也相繼停止；開關(guān)撥到TERM位置時，不改變當前工作模式。此外還可以通過STEP7-Micro/WIN32編程軟件控制S7-200CPU的運行和停止。S7-200CPU前面板上的LED顯示著當前的工作模式。S7-200PLC通電后，需要對硬件和軟件做一些初始化的工作。為了使PLC的輸出及時地響應各種輸入信號。初始化后，S7-200CPU按照循環(huán)掃描的方式，完成包括執(zhí)行用戶程序在內(nèi)的各項不同的任務。S7-200CPU周而復始地分階段執(zhí)行一系列任務。任務執(zhí)行一次稱為一個掃描周期。CPU工作流程如圖4.1所示。

40、20讀輸入執(zhí)行用戶程序有通信請求？處理通信任務系統(tǒng)自診斷寫輸出YesNo讀輸入有通信請求？處理通信任務系統(tǒng)自診斷寫輸出NoYesRUN狀態(tài)STOP狀態(tài)圖 4.1 S7-200 CPU 的掃描過程示意圖4.2.1.24.2.1.2 S7-200S7-200 PLCPLC 網(wǎng)絡的通信協(xié)議網(wǎng)絡的通信協(xié)議S7200CPU支持多種的通信協(xié)議。包括通用協(xié)議和公司專用協(xié)議。專用協(xié)議包括點到點(Point-to-Point)接口協(xié)議(即PPI)、多點(Multi-Point)接口協(xié)議(MPI)，Profibus協(xié)議、自由通信接口協(xié)議和USS協(xié)議。PPI，MPI，Profibus協(xié)議在OSI七層模式通信結(jié)構(gòu)的基

41、礎(chǔ)上，通過令牌環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)，令牌環(huán)網(wǎng)遵守歐洲標準EN50170中的過程現(xiàn)場總線(Profibus)標準。這些協(xié)議都是異步、基于字符傳輸?shù)膮f(xié)議，帶有起始位、8位數(shù)據(jù)、偶校驗和一個停止位。通信幀由特殊的起始和結(jié)束字符、源和目的站地址、幀長度和數(shù)據(jù)校驗組成。如果使用相同的波特率，這些協(xié)議可以在一個網(wǎng)絡中同時運行，而不相互影響。1PPI協(xié)議PPI通信協(xié)議是西門子專為S7-200系列PLC開發(fā)的通信協(xié)議，主要用與S7-200的編程、S7-200系列PLC之間的通信以及與HMI產(chǎn)品的通信，可通過普通的兩21芯屏蔽雙絞電纜進行聯(lián)網(wǎng)。波特率可以設(shè)為961KB/S、19.2KB/S和1875LKB/S。PPI是一個

42、主從協(xié)議。在這個協(xié)議中，S7-200一般作為從站，一般不主動發(fā)送信息，只有當主站有請求時才作出響應。如果將S7-200設(shè)置為PPI主站模式(可以由SMB30設(shè)置)，則這個S7-200 CPU在RUN模式下可以作為主站，可以利用網(wǎng)絡讀寫指令(NETR、NETW)來讀寫另一個S7-200的數(shù)據(jù)。當然，當S7-200作為PPI主站時，仍可以作為其他主站的從站，響應其他主站的請求。PPI通信協(xié)議是一個令牌傳遞協(xié)議，對于一個從站可以響應多個主站的請求，協(xié)議沒有限制，但是在沒有加中繼器的情形下，網(wǎng)絡中最多只能有32個主站(包括編程器、HMI等)。2MPI協(xié)議S7200可以通過通信接口連接到MPI網(wǎng)上，主要

43、應用于S7-300/400 CPU與S7-200通信的網(wǎng)絡中。應用MPI協(xié)議組成的網(wǎng)絡，通信支持的波特率為192KB/S或1875KB/S。通過此協(xié)議，實現(xiàn)作為主站的S7-300/400 CPU與S7-200的通信。在MPI網(wǎng)中，S7-200作為從站，從站之間相互不能通信，S7-300/400作為主站，當然主站也可以是編程器或HMI產(chǎn)品。MPI協(xié)議可以是主/主協(xié)議或主/從協(xié)議，協(xié)議如何操作有賴于通信設(shè)備的類型，如果是S7-300/400 CPU之間通信，那就建立主/主連接，因為所有S7-300/400 CPU在網(wǎng)站中都是主站。如果設(shè)備是一個主站與S7-200 CPU通信，那么，就建立主/從連接

44、，因為S7-200 CPU是從站。3Profibus協(xié)議Profibus協(xié)議通常用于實現(xiàn)分布式I/O設(shè)備(遠程式I/O)的高速通信，許多廠家生產(chǎn)類型眾多的Profibus設(shè)備，這些設(shè)備包括從簡單的輸入或輸出模塊到電機控制器和可編程控制器，S7-200 CPU可以通過EM277 Profibus-DP擴展模塊的方法連接至Profibus-DP協(xié)議支持的網(wǎng)絡中。協(xié)議支持的波特率為9600KB/S到12MB/S。Profibus網(wǎng)絡通常有一個主站和幾個I/O從站。主站通過配置可以知道所連接的I/O從站的型號和地址。主站初始化網(wǎng)絡時核對網(wǎng)絡上的從站設(shè)備與配置的從站是否匹配。運行時主站可以像操作自己的I

45、/O一樣對從站進行操作，即不斷地把數(shù)據(jù)寫到從站或者讀取從站的數(shù)據(jù)。當DP主站成功地配置一個從站時，它就擁有了該從站，如果在網(wǎng)絡中有另外一個主站，它只能很有限制的訪問屬于22主站的從站數(shù)據(jù)。4.2.24.2.2 SIMATICSIMATIC MicroMaster420MicroMaster420 變頻器性能介紹變頻器性能介紹本設(shè)計采用的變頻器是西門子公司面向世界推出的 21 世紀通用型變頻器MM420。它可實現(xiàn)平穩(wěn)操作和精確控制，使電動機達到理想輸出，這種變頻器不僅考慮了 V/f 控制，而且還實現(xiàn)了矢量控制，通過其本身的自動調(diào)諧功能與無速度傳感器電流矢量控制，很容易得到高起動轉(zhuǎn)矩與較高的調(diào)速范

46、圍。并采用具有現(xiàn)代先進技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為功率輸出器件。因此，它們具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。其脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)頻率是可選的，因而降低了電動機運行的噪聲。全面而完善的保護功能為變頻器和電動機提供了良好的保護。MICROMASTER420 具有缺省的工廠設(shè)置參數(shù)，它是給數(shù)量眾多的簡單的電動機控制系統(tǒng)供電的理想變頻驅(qū)動裝置。由于 MICROMASTER420 具有全面而完善的控制功能，在設(shè)置相關(guān)參數(shù)以后，它也可用于更高級的電動機控制系統(tǒng)。MICROMASTER 420 既可用于單機驅(qū)動系統(tǒng)，也可集成到自動化系統(tǒng)中。MM420 變頻器的特點如下變頻器的特點如下：主要

47、特性主要特性1. 易于安裝2. 易于調(diào)試3. 牢固的EMC 設(shè)計4. 可由IT（中性點不接地）電源供電5. 對控制信號的響應是快速和可重復的6. 參數(shù)設(shè)置的范圍很廣，確保它可對廣泛的應用對象進行配置7. 電纜連接簡便8. 采用模塊化設(shè)計，配置非常靈活9. 脈寬調(diào)制的頻率高，因而電動機運行的噪音低2310.詳細的變頻器狀態(tài)信息和信息集成功能11.有多種可選件供用戶選用：用于與PC 通訊的通訊模塊，基本操作 （BOP） ，高級操作面板（AOP） ，用于進行現(xiàn)場總線通訊的PROFIBUS訊模塊性能特征性能特征1.磁通電流控制（FCC） ，改善了動態(tài)響應和電動機的控制特性2.快速電流限制（FCL）功能

48、，實現(xiàn)正常狀態(tài)下的無跳閘運行3.內(nèi)置的直流注入制動4.復合制動功能改善了制動特性5.加速/減速斜坡特性具有可編程的平滑功能6.具有比例，積分（PI）控制功能的閉環(huán)控制7.多點V/f 特性保護特性保護特性1.過電壓/欠電壓保護 2.變頻器過熱保護3.接地故障保護 4.短路保護 5.I2t 電動機過熱保護 6.PTC 電動機保護圖 4.2 基本操作面板（BOP）上的按鈕244.34.3 閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)主要由三個部分構(gòu)成，即可編程邏輯控制器件 PLC、變頻器和電機。首先通過設(shè)置給定輸入給 PLC，再通過 PLC 控制變頻器，再經(jīng)由變頻器來控制電機，隨后將電機的轉(zhuǎn)速反饋給 PLC，經(jīng)比較

49、后輸出給變頻器從而實現(xiàn)無靜差調(diào)速。4.3.14.3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件設(shè)計4.3.1.14.3.1.1 外部電路設(shè)計外部電路設(shè)計構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)就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(xiàn)。 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(shù)器（HSC0HSC5）工作模式有 12 種。在固定時間間隔內(nèi)采集脈沖差值，通過計算既可以獲得電動機的當前轉(zhuǎn)速。例如： 設(shè)采樣周期為 100ms 即是每隔 100ms 采集脈沖一次，光電開關(guān)每轉(zhuǎn)發(fā)出 8 個脈沖，那么就可以得到速度為 )8601 . 0/(mn 其中 m 為采樣周期內(nèi)接

50、受到的脈沖數(shù)。轉(zhuǎn)速的單位為 min/r。閉環(huán)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(diào)節(jié)速度使其能達到設(shè)定要求。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 4.1 所示：電機速度反饋信號-速度給定+PLC（PID）變頻調(diào)速25圖 4.3 閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖硬件接線圖如圖 4.2 所示：圖 4.4 系統(tǒng)硬件接線圖輸入輸出分配如表 4.1 所示。表 4.1 系統(tǒng)的 I/O 分配PLC 信號信號元件及作用I0.0編碼器 PLSA+設(shè)定值A(chǔ)-COMQ0.0DIN1模擬量輸出 V0AIN+COMAIN-264.3.1.24.3.1.2 變頻器參數(shù)設(shè)置變頻器參數(shù)設(shè)置變頻器參數(shù)設(shè)置，如表 4.2

51、 所示表 4.2 變頻器參數(shù)設(shè)置序號序號變頻器參變頻器參數(shù)數(shù)出廠值出廠值設(shè)定值設(shè)定值功能說明功能說明11P0304230380電動機的額定電壓( 380V )2P03053.250.4電動機的額定電流( 0.4A )3P03070.750.18電動機的額定功率( 180W )4P031050.0050.00電動機的額定頻率( 50Hz )5P031101400電動機的額定轉(zhuǎn)速( 1400 r/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 )9P11201010斜坡上升時間( 10

52、S )10P11211010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點動斜坡下降時間（5S）注:（1）設(shè)置參數(shù)前先將變頻器參數(shù)復位為工廠的缺省設(shè)定值； （2）設(shè)定P0003=2 允許訪問擴展參數(shù)； （3）設(shè)定電機參數(shù)時先設(shè)定P0010=1(快速調(diào)試),電機參數(shù)設(shè)置完成設(shè)定P0010=0(準備)；27MM420變頻器的基本操作（

53、BOP）按鈕：圖 4.5 變頻器的基本操作按鈕28變頻器快速調(diào)試流程圖如下：29圖 4.6 變頻器快速調(diào)試流程圖4.44.4 多段速控制設(shè)計多段速控制設(shè)計變頻器通過數(shù)字量的輸入 DIN1、DIN2、DIN3 不同的組合方式可實現(xiàn)七種不同的輸出頻率，從而實現(xiàn)多段速的控制。4.4.14.4.1 硬件設(shè)計硬件設(shè)計4.4.1.14.4.1.1 外部電路設(shè)計外部電路設(shè)計多段速控制外部接線如圖 4.5 所示。 圖 4.7 多段速控制外部接線圖由圖 4.5 可知通過切斷開關(guān)的通斷來控制 PLC 輸出點 Q0.0、Q0.1、Q0.2 的不同組合來控制變頻器的不同的頻率。30輸入輸出分配如表 4.3 所示。 表

54、 4.3 系統(tǒng)的 I/O 分配序號序號PLCPLC 地址（地址（PLCPLC 端子）端子）電氣符號電氣符號（面板端子）（面板端子）1I0.0K12I0.1K23I0.2K34I0.3K45Q0.0DIN16Q0.1DIN27Q0.2DIN34.4.1.24.4.1.2 變頻器參數(shù)設(shè)計變頻器參數(shù)設(shè)計變頻器的參數(shù)設(shè)置如表 4.4 所示。 表 4.4 變頻器的參數(shù)設(shè)置序號序號變頻器參數(shù)變頻器參數(shù)出廠值出廠值設(shè)定值設(shè)定值功能說明功能說明32P070022選擇命令源（ 由端子排輸入 ）33P0701117固定頻率設(shè)值（二進制編碼選擇+ON命令） 34P07021217固定頻率設(shè)值（二進制編碼選擇+ON命

55、令）35P0703917固定頻率設(shè)值（二進制編碼選擇+ON命令）36P10010.005.00固定頻率 137P10025.0010.00固定頻率 238P100310.0020.00固定頻率 33139P100415.0025.00固定頻率 440P100520.0030.0固定頻率 541P100625.0040.00固定頻率 642P100730.0050.00固定頻率 74.54.5 軟件設(shè)計軟件設(shè)計4.5.14.5.1 編程軟件介紹編程軟件介紹1.本系統(tǒng)采用的編程軟件是 STEP7 Micro/WIN,該編程軟件可以方便的在Windows 環(huán)境下對 PLC 編程、調(diào)試、監(jiān)控。使得 P

56、LC 編程更加方便、快捷。2.項目的組成1）程序塊程序塊由可執(zhí)行的代碼和注釋組成，可執(zhí)行的代碼由主程序(OB1)、可選的子程序和中斷程序組成。代碼被編譯并下載到 PLC。2) 數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊由數(shù)據(jù)(變量存儲器的初始值)和注釋組成。數(shù)據(jù)被編譯并下載到PLC。3) 系統(tǒng)塊系統(tǒng)塊用來設(shè)置系統(tǒng)的參數(shù)，例如存儲器的斷電保持范圍密碼 STOP 模式時PLC 的輸出狀態(tài)模擬量與數(shù)字量輸入濾波值脈沖捕捉位等，系統(tǒng)模塊中的信息需要下載到 PLC。4) 符號表符號表允許程序員用符號來代替存儲器的地址，符號地址便于記憶，使程序更容易理解。程序編譯下載到 PLC 時，所有符號地址被轉(zhuǎn)換為絕對地址，符號表中的信息不會下載

57、到 PLC。5) 狀態(tài)表狀態(tài)表用來觀察程序執(zhí)行時指定的內(nèi)部變量的狀態(tài)，狀態(tài)表并不下載到32PLC，僅僅是監(jiān)控用戶程序運行情況的一種工具。6) 交叉引用表交叉引用表列舉出程序中使用的各操作數(shù)在哪一個程序塊的哪一個網(wǎng)絡中出現(xiàn)，以及使用它們的指令助記符。還可以查看哪些內(nèi)存區(qū)域已經(jīng)被使用，是作為單位使用還是作為字節(jié)使用。在運行模式下編譯程序時，可以查看程序當前正 在使用的跳變觸點的編號。交叉引用表并不下載到 PLC，程序編譯成功后才能看到交叉引用表的內(nèi)容。在交叉引用表中雙擊某操作數(shù)，可以顯示出包含該操作數(shù)的那一部分程序。4.5.24.5.2 閉環(huán)程序設(shè)計閉環(huán)程序設(shè)計主程序主程序3334子程序子程序35

58、中斷程序中斷程序364.5.34.5.3 多段速程序設(shè)計多段速程序設(shè)計3738第五章 實驗調(diào)試和數(shù)據(jù)分析5.1 閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng) PID 參數(shù)整定參數(shù)整定PID參數(shù)整定方法就是確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)P、積分時間Ti和和微分時間Td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性，使系統(tǒng)的過渡過程達到最為滿意的質(zhì)量指標39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(jīng)驗法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應曲線法。經(jīng)驗法又叫現(xiàn)場湊試法，它不需要進行事先的計算和實驗，而是根據(jù)運行經(jīng)驗，利用一組經(jīng)驗參數(shù)，根據(jù)反應曲線的效果不斷地改變參數(shù)，對于溫度控制系統(tǒng)，工程上已經(jīng)有大量的經(jīng)驗，其規(guī)律如下表

59、所示：被控變量規(guī)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20603100.53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(diào)小的響應曲線。 2）整定積分環(huán)節(jié)先將步驟1）中選擇的比例系數(shù)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(diào)整比例系數(shù)，反復試湊至得到較滿意的響應，確定比例和積分的參數(shù)。 3）整定微分環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應地改變比例系數(shù)和積分時間，反復試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。此次是速度的

60、 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(tǒng)動態(tài)響應，比例、積分、微分全投入使用，經(jīng)過多次參數(shù)設(shè)定比較后，當設(shè)定比例系數(shù) P 為 10，積分時間 I 為 0.15，微分時間 D 為 0.01 時，系統(tǒng)能得到比較滿意的控制效果，最大超調(diào)只有兩度多，穩(wěn)定后能保持在+1r/min 以內(nèi).系統(tǒng)控制效果如下：圖 5.1 系統(tǒng)控制效果圖405.2 多段速控制分析多段速控制分析本系統(tǒng)主要是通過 I0.0 控制系統(tǒng)的啟動 I0.1、I0.2、I0.3 的通斷來控制輸出Q0.0、Q0.1、0.2 的組合方式，經(jīng)過調(diào)試得到以下的控制結(jié)果，如表所示。表 5.1 系統(tǒng)輸出情況 K2K3K4輸出頻率（

61、）zHOFFOFFOFFOFFONOFFOFF7.33（固定頻率 1）OFFONOFF11.12（固定頻率 2）ONONOFF19.76（固定頻率 3）OFFOFFON24.91（固定頻率 4）ONOFFON29.47（固定頻率 5）OFFONON40.21（固定頻率 6）ONONON49.97（固定頻率 7）第六章 總結(jié)與體會通過本次畢業(yè)設(shè)計，使我獲益匪淺。在老師的指導下，在同學的幫助下，我學到了不少知識。學會了 SIMATIC S7-200 型 PLC 的基本知識，掌握了 S7-200 PLC 的工作原理和基本指令，還學習了變頻調(diào)速理論，掌握了 SIMATIC MicroMaster420

62、 變頻器的使用方法和參數(shù)設(shè)置，對變頻器的使用和了解進一步加深。是自己的動手能力和實踐能力進一步提高。在這次設(shè)計中我覺得最重要的是自學能力和理論聯(lián)系實踐的能力。在設(shè)計中有部分知識是以前沒有學習過也沒有接觸過，開始學起來有些不知所措，通過自己查閱資料對資料的學習，基本就弄懂了。理論和實踐相結(jié)合是這次設(shè)計中最重要的。有些東西在理論上我們是知道的，但實際中我們就不知怎么辦了，如變頻器的原理，實際操作就需要我們的動手能力。當我們遇到實際問題時這就要我們的理論聯(lián)系實際，運用理論知識來解決實際問題，這樣才能鞏固理論知識，做到學以致用。41雖然這次我設(shè)計的東西并不難，但在設(shè)計過程中我學到了書本上學不到的東西。

63、只有利理論，不能把它和實際結(jié)合起來是不行的。只有通過運用理論去解決實際問題，把它和實際結(jié)合起來才能更好的解決問題。經(jīng)過這次的設(shè)計，使我意識到自己的操作能力的不足，在理論上還存在很多缺陷。所以在以后的學習生活中，我會更加努力地加強理論聯(lián)系實踐的學習，使自己的知識在實踐中不斷增長，在實踐中鍛煉自己，培養(yǎng)自己各方面的能力，不斷提高自己的能力。參考文獻1. 楊公源.常用變頻器應用實例.電子工業(yè)出版社.2006.102. 王阿根.電氣可編程控制原理與應用（第二版）.清華大學出版社.2010.13. 廖常初.PLC 編程及應用（S7-200）.機械工業(yè)出版社.2004.4. 陶權(quán)、韋瑞錄.PLC 控制系統(tǒng)

64、設(shè)計安裝于調(diào)試.北京理工大學出版社.2009.85. SIEMENS Micro Master 420 使用大全6. SIMATIC S7-200 可編程序控制器系統(tǒng)手冊7. 李方園.變頻器的自動化工程實踐.電子工業(yè)出版社.2007.4致謝在本課題的研究和論文撰寫過程中，我的導師王老師對我的悉心指導，嚴格要求。老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，一絲不茍的工作作風和淵博的知識，平易近人的品德，使我獲益匪淺，終身難忘。本次畢業(yè)設(shè)計的完成，離不開老師的悉心指導，離不開同學們的幫助和支持。尤其是王老師為本次畢業(yè)設(shè)計付出了許多辛勤汗水。在他們無微不至的關(guān)懷下我順利完成了畢業(yè)設(shè)計任務。在此，我向王老師及致以誠摯李老師的謝意和崇高的敬意，并向在畢業(yè)設(shè)計中給予我巨大幫助的李威、吳廣們表示衷心的感謝。對于本次論文，由于自身知識水平有限，再加上時間緊張，不足之處在所難免，懇請大家批評指正。重要的是通過這次畢業(yè)設(shè)計，培養(yǎng)了我嚴謹細致的42工作作風和刻苦鉆研的精神，提高了自身的自學能力和動手實踐能力，對于我來說是一次難得的鍛煉。最后，再次衷心感謝所有在這次畢業(yè)設(shè)計中給予我無私幫助的們。