【正文】 ... 28 硬件設(shè)計(jì) ................................................. 28 軟件設(shè)計(jì) ...................................................... 30 編程軟件介紹 ............................................. 30 閉環(huán)程序設(shè)計(jì) ............................................. 31 多段速程序設(shè)計(jì) ........................................... 34 第五章 實(shí)驗(yàn)調(diào)試 和數(shù)據(jù)分析 .............................................. 36 閉環(huán)系統(tǒng) PID 參數(shù)整定 ......................................... 36 多段速控制分析 ................................................ 38 第六章 總結(jié)與體會(huì) ...................................................... 38 參考文獻(xiàn) ............................................................... 39 致謝 ................................................................... 39 3 第一章 緒 論 研究背景及意義 調(diào)速系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性能好是工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中基本要求。 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。 2. 系統(tǒng)造價(jià)低 。 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(shí)現(xiàn)了多功能化和高性能化，進(jìn)而使之對(duì)各類生產(chǎn)機(jī)械、各類生產(chǎn)工藝的適應(yīng)性不斷增強(qiáng)。當(dāng)時(shí)的目的是要求設(shè)計(jì)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(jiǎn)單易懂、操作方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，同時(shí)具有現(xiàn)代化牛產(chǎn) 線所要求的時(shí)間響應(yīng)快、控制精度高、可靠性好、控制程序可隨工藝改變、易于 與計(jì)算機(jī)接口、維修方便等諸多高品質(zhì)與功能。無(wú)疑， PLC 將在今后的工業(yè)自動(dòng)化中扮演重要角色。給異 整 流 器 平 波 電 路 逆 變 器M控 制 電 路 圖 變頻器簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖 1. 整流器。逆變器的結(jié)構(gòu)形式是利用 6 個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的三相橋式逆變器電路。因此，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向也將發(fā)生改變。對(duì)于直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，所以只要對(duì)電樞反應(yīng)的補(bǔ)償合適，保持西。由上式可知，要保持 m? 不變，但頻率 1f 從額定值 Nf向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低 g? 。如果電動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電動(dòng)機(jī)都能在溫升容許的條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，這時(shí)轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。 變頻調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)大都是從低速開始，頻率較低。可以實(shí)現(xiàn)軟起 動(dòng)，減小沖擊電流，解決大負(fù)載的啟動(dòng)問(wèn)題。 PLC 自問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)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。 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(yīng)的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過(guò)底板上的總線 13 相互聯(lián)系。 單片機(jī)常用的有 803 805和 8096 等。 實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的輸入信號(hào)多種多樣，信號(hào)電平各不相同，而 PLC所能處理的信號(hào)只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，因此必須通過(guò)輸入模塊將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成 CPU能夠接收和處理的標(biāo)準(zhǔn)電平信號(hào)。 編程器一般分為簡(jiǎn)易編程器和圖形編程器兩類。 5．電源部件 PLC配有開關(guān)式穩(wěn)壓電源的電源模塊，用來(lái)將外部供電電源轉(zhuǎn)換成供 PLC內(nèi) 部的 CPU、存儲(chǔ)器和 I／ O接口等電路工作所需的直流電源。每個(gè)掃描過(guò)程分為三個(gè)階段進(jìn)行，即輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新。 PLC從輸入 映像 寄存器中讀出上一階段采入的對(duì)應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從輸出映像寄存器讀出對(duì)應(yīng)映像寄存器的當(dāng)前狀態(tài)。 本系統(tǒng)主要完成異步電 機(jī)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。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(kuò)展模塊組成。開關(guān)撥到 RUN位置時(shí)， CPU運(yùn)行，啟動(dòng)用戶程序的運(yùn)行：當(dāng)開關(guān)撥到 STOP位置時(shí)， CPU停止，用戶程序的運(yùn)行也相繼停止；開關(guān)撥到 TERM位置時(shí)，不改變當(dāng)前工作模式。 CPU工作流程如圖 。 1． PPI協(xié)議 PPI通信協(xié)議是西門子專為 S7200系列 PLC開發(fā)的通信協(xié)議，主要用與 S7200的編程、 S7200系列 PLC之間的通信以及與 HMI產(chǎn)品的通信，可通過(guò)普通的兩芯屏 20 蔽雙絞電纜進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。應(yīng)用 MPI協(xié)議組成的網(wǎng)絡(luò)，通信支持的波特率為 19． 2KB/S或 187． 5KB/S。主站通過(guò)配置可以知道所連接的 I/O從站的型號(hào)和地址。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(dòng)機(jī)運(yùn)行的噪聲。速度的測(cè)量可以通過(guò)光電編碼器和 PLC 來(lái)實(shí)現(xiàn)。 硬件設(shè)計(jì) 外部電路設(shè)計(jì) 多段速控制 外部接線如圖 所示 。 2) 數(shù)據(jù)塊 數(shù)據(jù)塊由數(shù)據(jù) (變量存儲(chǔ)器的初始值 )和注釋組成。在運(yùn)行模式下編譯程序時(shí)，可以查看程 序當(dāng)前正 31 在使用的跳變觸點(diǎn)的編號(hào)。 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(lái)的 50～ 80％，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。 在這次設(shè)計(jì)中我覺(jué)得最重要的是自學(xué)能力 和 理論聯(lián)系 實(shí)踐 的能力 。 經(jīng) 過(guò)這次的 設(shè)計(jì) ， 使我意識(shí)到 自己 的操作能力的不足，在理論上 還存在 很多缺陷。 對(duì)于本次論文，由于自身知識(shí)水平有限，再加上時(shí)間緊張，不足之處在所難免，懇請(qǐng)大家批評(píng)指正。在他 們無(wú)微不至的關(guān)懷下我順利完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)。只有利理論，不能把它和實(shí)際結(jié)合起來(lái)是不行的。 學(xué)會(huì)了 SIMATIC S7200 型 PLC 的基本知識(shí)，掌握了 S7200 PLC的 工 作原 理 和基 本指 令 ，還 學(xué)習(xí) 了 變頻 調(diào)速 理 論， 掌握 了 SIMATIC MicroMaster420 變頻器 的使用方法和參數(shù)設(shè)置，對(duì)變頻器的使用和了解進(jìn)一步加深。 經(jīng)驗(yàn)法又叫現(xiàn)場(chǎng)湊試法 ，它不需要進(jìn)行事先的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，而是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，利用一組經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，根據(jù)反應(yīng)曲線的效果不斷地改變參數(shù)，對(duì)于溫度控制系統(tǒng)，工程上已經(jīng)有大量的經(jīng)驗(yàn)，其規(guī)律如下表所示： 被控變量 規(guī)律的選擇 比例度 積分時(shí)間（分鐘） 微分時(shí)間（分鐘） 溫度 滯后較大 20~60 3~10 ~3 實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步 驟為 先比例，再積分，最后微分 。 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。 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。 其結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示： 圖 閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖 電機(jī) 速度反饋信號(hào) 速度給定 + PLC（ PID） 變頻調(diào)速 24 硬件接線圖如圖 所示： 圖 系統(tǒng)硬件接線圖 輸入輸出分配 如表 所示。首先通過(guò)設(shè)置給定輸入給 PLC，再通過(guò) PLC 控制變頻器，再經(jīng)由變頻器來(lái)控制電機(jī)， 23 隨后將電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋給 PLC，經(jīng)比較后輸出給變頻器從而實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差 調(diào)速。 并采用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管（ IGBT）作為功率輸出器件。協(xié)議支持的波特率為 9600KB/S到12MB/S。 PPI通信協(xié)議是一個(gè)令牌傳遞協(xié)議，對(duì)于一個(gè)從站可以響應(yīng)多個(gè)主站的請(qǐng)求，協(xié)議沒(méi)有限制，但是在沒(méi)有加中繼器的情形下，網(wǎng)絡(luò)中最多只能有 32個(gè)主站 (包括編程器、 HMI等 )。通信幀由特殊的起始和結(jié)束字符、源和 目的站地址、幀長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)校驗(yàn)組成。 S7200CPU周而復(fù)始地分階段執(zhí)行一系列任務(wù)。其中用戶程序用編程軟件創(chuàng)建、編輯、編譯、調(diào)試。在下載了程序之后， S7200將保留所需的邏輯，用于監(jiān)控應(yīng)用程序中的輸入輸出設(shè)備。將現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的 PLC 和變頻器綜合起來(lái)主要功能實(shí)現(xiàn)了變壓變頻調(diào)速。 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。 掃描從第 0號(hào)存儲(chǔ)地址所存放的第一條用戶程序開始，在無(wú)中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按存儲(chǔ)地址號(hào)遞增的方向順序逐 16 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(gè)掃描周期，然后再?gòu)念^開始執(zhí)行用戶程序，并周而復(fù)始地重復(fù) 。通常大中型 PLC多采用圖形編程器。 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(chǔ)器 ,還可以對(duì)用戶程序進(jìn)行檢查、修改和調(diào)試，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) 。它還用來(lái)存放 A/D 轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字和數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果等 。它的主要功能有以下幾點(diǎn)： 1） 接收從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)，送入存儲(chǔ)器存儲(chǔ)； 2） 監(jiān)測(cè)和 診斷電源、 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程的語(yǔ)法錯(cuò)誤； 3） 用掃描的方式接收輸入信號(hào) ，并 送入 PLC 的 數(shù)據(jù)區(qū) (輸入映像寄存器 ) 保存起來(lái) ； 4） PLC 進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，根據(jù)存放的先后順序逐條讀取用戶程序，進(jìn)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(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器表的內(nèi)容， 以實(shí)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(jī)和位片式微處理器。另外還有獨(dú)立 的 I/0 擴(kuò)展單元與主機(jī)配合使用。 因?yàn)樵缙诘目删幊绦蚩刂破髟诠δ苌现荒苓M(jìn)行邏輯控制，因此也稱為 PLC (programmable Logic controller)，即是可編程邏輯控制器。 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(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上。 2. 變頻調(diào)速在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方面的優(yōu)勢(shì) 變頻調(diào)速很容易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)。 baU 1 nF 1 nF 1 （ 頻 率 ）U 1定 子 相