【正文】 les multifunctional inverter input to achieve the multistage motor speed control,during the RS485 transmission technology through the establishment of the PLC and inverter PROFIBUSPDP munication to plete the PLC control program inverter speed control system design and all of the control system design. Keywords: The alternating current。該方法 主要通過程序來控制電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制。北京信息科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目： 基于 PLC 與變頻器的交流調(diào)速控制系統(tǒng) 學(xué)院： 自動(dòng)化學(xué)院 專業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 王哲 班級 /學(xué)號： 電氣 0801/2020010931 指導(dǎo)老師 /督導(dǎo)老師： 付曉輝 起 止 時(shí) 間 ： 2020 年 00 月 00 日至 2020 年 00 月 00 日摘要 隨著電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的日益發(fā)展，電動(dòng)機(jī)的調(diào)速已經(jīng)從繼電器控制時(shí)代發(fā)展到今天的由變頻器控制調(diào)速。 本文所研究的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 采用 PLC來控制變頻器調(diào)速，充分發(fā)揮可編程控制器的高可靠性、靈活性、通用性、擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，通過 PLC的開關(guān)量輸入輸出模塊控制變頻器的多功能輸入端、實(shí)現(xiàn)電機(jī)的多級調(diào)速，期間并通過 RS485 傳輸技術(shù)建立 PLC 與變頻器的 PROFIBUSPDP 通訊進(jìn)而完成 PLC控制變頻器調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和全部的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 PLC。該方法主要通過程序來控制了電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制 [1]。目前，交流調(diào)速技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國家已得到廣泛應(yīng)用。 (1)一般性能的節(jié)能調(diào)速。 (2)高性能交流調(diào)速系統(tǒng)。 PLC 和變頻器控制交流調(diào)速的目的 目前，我國的能源消費(fèi)僅次于美國，位列世界第二，但國民生產(chǎn)總值卻排在第八位左右，其中最重要的原因之一就是單位產(chǎn)值能耗太大。實(shí)行有利于資源節(jié)約的價(jià)格和財(cái)稅政策。 變頻調(diào)速已成為電動(dòng)機(jī)調(diào)速的最新潮流，有其自身的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，隨著交流電動(dòng)機(jī)變頻技術(shù)的日趨完善和推廣應(yīng)用，特別是在礦用大功率高壓設(shè)備中的絞車、提升機(jī)、通風(fēng)機(jī)、帶式輸送機(jī)等礦用設(shè)備上的應(yīng)用效果則更加明顯。 PLC與變頻器的交流調(diào)速控制系統(tǒng) 構(gòu)成 ： A、 PLC224XP 控制器 1臺 B、 TD400C 1臺 C、按鈕 2個(gè) D、 MM440 變頻器 1臺 E、變頻器操作面板 F、變頻電機(jī) ： STEP7 MICROWIN 選用 STEP7 MICROWIN 該編程軟件是專為西門子公司 S7200系列小型機(jī)而設(shè)計(jì)的 編程工具軟件，使用該軟件可根據(jù)控制系統(tǒng)的要求編制控制程序并完成與 PLC的實(shí)時(shí)通信，進(jìn)行程序的下載與上傳及在線監(jiān)控。在做調(diào)速試驗(yàn)時(shí)，通過監(jiān)控界面的操作按鈕和滑動(dòng)塊很容易改變轉(zhuǎn)速，同時(shí)在調(diào)速的過渡過程中可以觀察電機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩，電流和功率的變化情況，及工作點(diǎn)的變動(dòng)。 熟悉 S7224XP PLC的使用方法。按下停止按鈕電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。 圖 2 系 統(tǒng)中， PLC采用西門子 S7200，變頻器選擇 MM440。 MM440 變頻器是全新一代可以廣泛應(yīng)用的多功能標(biāo)準(zhǔn)變頻器，其高性能的矢量控制技術(shù)、低速高轉(zhuǎn)矩輸出、良好的動(dòng)態(tài)特性、超強(qiáng)的過載能力、創(chuàng)新的 BiCo(內(nèi)部功能互聯(lián) )功能以及無可比擬的靈活性，使其成為市場上的熱銷產(chǎn)品。 ： 此設(shè)計(jì)分為硬件部分和軟件部分，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于軟件部分各模塊的程序編寫 及調(diào)試。 三相交流異步 電動(dòng)機(jī)的工作原理是建立在電磁感應(yīng)定律、全電流定律、電路定律和電磁力定律等基礎(chǔ)上的。在電動(dòng)勢的作用下，閉合的導(dǎo)條中就產(chǎn)生電流。 通用變頻器由主電路和控制回路組成。它的作用是把工頻電源變換成直流電源。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)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 — 電容器或電感器來緩沖，所以中間直流環(huán)節(jié)實(shí)際上是中間儲能環(huán)節(jié)。通過有規(guī)律的控制逆變器中主開關(guān)的導(dǎo)通和斷開，可以得到任意頻率的三相交流輸出波形。控制方式有模擬控制或數(shù)字控制。由于磁鏈的軌跡是靠電壓相加矢量得到 的，所以磁鏈跟蹤控制也叫做電壓空間矢量控制。它是對異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行單電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的典型模式。當(dāng)工作頻率高于額定頻率的 10%時(shí)，進(jìn)入矢量控制狀態(tài)。 系統(tǒng)的控制要求 本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 4所示。因此S7200CN系列具有極高的性能 /價(jià)格比。但反饋回路的引入增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且增益選擇不當(dāng)時(shí)會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。所以我選用了通用變頻器，通過合理的配置、設(shè)計(jì)和編程，同樣可以達(dá)到專用變頻器的控制效果。 ⑵ 有豐富的內(nèi)藏與選擇功能。 PROFIBUS 的通訊原理 PROFIBUS是一種應(yīng)用較為廣泛的 現(xiàn)場總線 ，其總線標(biāo)準(zhǔn)是國際總線標(biāo)準(zhǔn) ie61158的重要組成部分。采用 rs485數(shù)據(jù)接口，傳輸介質(zhì)用光纖或雙絞電纜，傳輸波特率從 （ ～ 12m） bps，傳輸距離可以通過 repeter進(jìn)行擴(kuò)展，每個(gè) dp網(wǎng)上可以同時(shí)配置 122個(gè)從站，是一種功能強(qiáng)大的 現(xiàn)場總線 。一旦系統(tǒng)安裝完畢，只能選定一種傳輸速率。 1987年國際電工委員會（ International Electrical Committee）頒布的 PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對 PLC 做了如下定義： “PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。 可編程控制器（ PLC）是微電子技術(shù)、繼電器控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)相結(jié)合的新型通用的自動(dòng)控制裝置。它通過用戶存儲的應(yīng)用程序來控制生產(chǎn)過程，具有可靠性高、穩(wěn)定性好 和實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。 PLC 用軟件代替大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng) 1/10~1/100，因觸點(diǎn)接觸不良造成的故障大為減少。一些使用冗余 CPU的 PLC的平均無故障工作時(shí)間則更長。這樣 ，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。 1 掃描技術(shù) 當(dāng) PLC投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。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。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù) 邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 I/O映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。這時(shí)，才是 PLC的真正輸出。 一般來說， PLC 的掃描周期包括自診斷、通訊等，如下圖所示，即一個(gè)掃描周期等于自診斷、通訊、輸入采 樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新等所有時(shí)間的總和 。 選擇西門子 S7200的 PLC， CPU224的結(jié)構(gòu)圖如圖 2所示。 6 個(gè)獨(dú)立的 30kHz 高速計(jì)數(shù)器， 2 路獨(dú)立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。 (1)當(dāng)三相異步電機(jī)接入三相交流電源 (各相差 120度電角度 )時(shí)，三相定子繞組流過三相對稱電流產(chǎn)生的三相磁動(dòng)勢并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場以同步轉(zhuǎn)速 n0沿定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)圓空間作順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。 （ 1）變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。 由式 (1)可知，轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 成正比，只要改變頻率 f 即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻 率 f在 0～ 50Hz的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。 (2)控制電路是給異步電動(dòng)機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運(yùn)算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動(dòng)機(jī)的“速度檢測電路”，將運(yùn)算電路的控制信號進(jìn)行放大的“驅(qū)動(dòng)電路” 以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的“保護(hù)電路”組成。因此，它們具有很高的運(yùn)行可靠性和功能的多樣性。由于 MICROMASTER 440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(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。停止控制端，可由 P0705參數(shù)設(shè)置。 P0003設(shè)為 1，訪問級為標(biāo)準(zhǔn)級； P0010設(shè)為 1，快速調(diào)試； P0100設(shè)為 0，功率以 KW表示，頻率為 50Hz； P0304設(shè)為 230，電動(dòng)機(jī)額定電壓； P0305設(shè)為 1，電動(dòng)機(jī)額定電流； P0307設(shè)為 ，電動(dòng)機(jī)額定功率； P0310設(shè)為 50，電動(dòng)機(jī)額定頻率； P0311設(shè)為 1460，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速； P3900設(shè)為 1，結(jié)進(jìn)入“運(yùn)行準(zhǔn)備就緒”。 ⑵ 項(xiàng)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。 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(shí) 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。 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(gè)程序塊的哪一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)，以及使用它們的指令助記符。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。在算法組織上應(yīng)充分考慮到速度鏈的變更、負(fù)荷分配位置 /點(diǎn)數(shù)的變化應(yīng)該做到可移植性良好。在編程設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮 PLC掃描周期對程序執(zhí)行速度的影響，能夠在本周期完成的任務(wù)不要拖到下一周期執(zhí)行。 D 微分控制：微分控制器對 輸入信號取微分或差分，微分反映的是系統(tǒng)的變化率，因此微分控制是一種超前預(yù)測性調(diào)節(jié)，可以預(yù)測系統(tǒng)的變化，增大系統(tǒng)的阻尼，提高相角裕度起到改善系統(tǒng)性能的作用。 PID的復(fù)合控制：綜合以上幾種控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)同時(shí)獲得很好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。 由式（ 3）可見， PID控制器向原系統(tǒng)增加了一個(gè)零極點(diǎn)，從而使系統(tǒng)從 0型提高到 1型，還提供兩個(gè)負(fù)實(shí)零點(diǎn)，同時(shí)提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。 ? ? ? ?1 1 1 22n n n P n n i n d n n nv v v K e e K e K e e e? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? （ 5） 式中， PK ， IK ， DK 的選取一般取決于經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的調(diào)整。 2％或177。不同的系統(tǒng)對兩個(gè) 指標(biāo)的要求有所不同。定義 ? ?l im ( ) l im ( ) ( )ss tte e t R t C t? ? ? ?? ? ?為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。 PID控制算法 由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，故對式 (7)中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理。 我們常稱式 (10)為位置式 PID控制算法。增量式 PID控制系 統(tǒng)框圖如圖 12所示。當(dāng)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可以保持原值，比較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。 （ 2） PLC輸出接口狀態(tài)，變頻器輸出頻率，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化如表 4所示。 在 Configuration中回路更新時(shí)間選擇 。 系統(tǒng)控制變量（ CV）是頻率，可以將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送給 I/O輸出通道，改變變頻器的頻率。說明系統(tǒng)的抗干擾能力比較強(qiáng)，反應(yīng)慢，精度高。 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差沒有超過 20轉(zhuǎn)。在這半年的時(shí)間里，從起初的迷茫到現(xiàn)在的嫻熟。最終，經(jīng)過逐步學(xué)習(xí)，鉆研，終于取得了成功。 PLC梯形圖。在設(shè)計(jì)過程中，我通過查閱有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，并向老師請教等方式，使自己學(xué)到了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。 所學(xué)到的東西是這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的最大收獲和財(cái)富，使我終身受益。 最關(guān)鍵的是 培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力和動(dòng)手能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時(shí)的喜悅。 畢設(shè)過程中 ，從分析開始，再進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后到作品實(shí)現(xiàn)，每一步都讓我將理論學(xué)習(xí)的知識應(yīng)用到實(shí)踐中去。 本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)是基于 PLC與變頻器的交流電機(jī)調(diào)速控制，主要完成電機(jī)在自 動(dòng)運(yùn)行、單速運(yùn)行、調(diào)整維護(hù)三種狀態(tài)下的工作。在學(xué)習(xí)的過程中，遇到了不少的難點(diǎn)，查閱了很多資料，書籍。 所以 PID 控制能良好，不過因?yàn)榧尤肓朔e分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度和抗干擾能力還有待改進(jìn)。 上升時(shí)間為轉(zhuǎn)速第一次達(dá)到 1000r/min所對應(yīng)的時(shí)間，為 7s。最后選用 Kp=， Ki=， Kd=，給定值為 1000r/min的實(shí)時(shí)控制曲線如圖 13所示。 PV為反饋轉(zhuǎn)速， 定標(biāo)為最大 1500r/min，最小 0r/min。 運(yùn)行頻率 1 0 0 0 1 5 1 0 0 1 0 10 1 0 0 1 1 20 1 0 1 0 0 30 1 0 1 0 1 40 1 0 1 1 0 50 1 0 1 1 1 45 1 1 0 0 0 35 1 1 0 0 1 25 1 1 0 1 0 15 1 1 0 1 1 10 1 1 1 0 0 20 1 1 1 0 1 30 1 1 1 1 0 40 1 1 1 1 1 50 0 0