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1、基于PLC的交流异步电机转速闭环控制系统设计成 绩： 姓 名： 班 级： 学 号： 日 期： 20140626 PLC技能考核设计训练任务书学生姓名 专业年级 学号 设计日期： 2014年05月26日 至2014年06月26日设计题目：利用高速计数器A/B相脉冲计电机转速的闭环控制系统设计主要内容：利用高速计数器A/B相脉冲计电机转速，并且能判断电机旋转方向指导教师评语：指导教师签字：日期：目录1 绪论11.1 实验所选PLC11.2 PLC的特点11.3 PLC的系统组成11.4 PLC的运行工作方式21.5 西门子触摸屏21.6 WinCC flexible软件概述21.6.1 WinCC
2、 flexible综合了一下特点：31.6.2 WinCC flexible的用户界面简介:31.6.3 WinCC flexible组态 ：31.7 西门子MM420变频器31.8基于PLC的交流异步电机转速闭环控制系统设计42 系统硬件设计52.2 系统硬件结构框图52.2.1 PID控制器52.2.2 PID回路算法：62.2.3 PID使用方法：62.2.4 异步电机变频调速原理:72.2.5 异步电机的机械特性:82.3 闭环调速系统的硬件选型82.3.1 PLC的选用92.3.2 扩展EM235模块92.3.3 西门子Smart 700触摸屏92.3.4西门子MM420变频器102
3、.3.5 电机机组122.4 硬件接线133 系统软件设计143.1 变频器参数143.2 触摸屏组态画面153.3 PLC编程163.3.1 主程序：163.3.2 子程序174 系统调试205 总结211 绪论1.1 实验所选PLC选用西门子公司生产的CPU224XP系列，为采集电机转速并对电机转速进行控制，外扩一个EM235模块（4AI/1AO）。在使用EM235模块时，需根据所采集模拟量的实际信号用右下角的6个DIP开关对EM235模块进行配置。具体开关配置表如表1所示。 表1 用于选择模拟量量程和精度的EM235配置开关表1.2 PLC的特点（1）抗干扰能力强，可靠性高 （2）控制系
4、统结构简单，通用性强（3）编程方便，易于使用 （4）功能强大，成本低 （5）设计、施工、调试的周期短 （6）维护方便1.3 PLC的系统组成1CPU2.存储器3.I/O单元4.电源5.通信接口6.扩展接口7.编程设备8.其他部件1.4 PLC的运行工作方式PLC的工作按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。1.5 西门子触摸屏实验室采用的是Smart 700，为触屏中的中低端产品，但性价比较高。适用于单机场合，可以实现与S7-200的简单无缝连接。其屏幕大小为7寸，显示类型为LCD,分辨率为800*480，256色亮度可调，直流24V供电，带一个RS485通信接口，最大通讯速率为
5、187.5kbps。可以支持与第三方PLC通信，如三菱FN系列，欧姆龙CP1系列等。可支持最多500个变量，50个画面，200个报警，32个报警等级，5个配方，支持趋势视图、报警消息及断电保持。其组态基于软件Wincc Flexible 2008 sp2.1.6 WinCC flexible软件概述 WinCC flexible是一种前瞻性的面向及其自动化的HMI设备组态软件，它能够提供舒适而高效的设计。1.6.1 WinCC flexible综合了一下特点：(1) 直接的处理方式(2) 透明性(3) 灵活性1.6.2 WinCC flexible的用户界面简介:1、标题栏：用来显示当前文件的
6、路径及名称2、菜单栏：包括了工作使用的所有命令3、工具栏：提供常用命令的快捷按钮。4、项目视图：包含了所有可以组态的元件。用以创建和打开要编辑的对象。5、工作区域：用于编辑项目数据，可以使图形数据，也可以是表格数据。6、属性视图：用于编辑工作区域中选中对象的属性。7、工具箱：包含过程画面中经常使用的各种对象。8、库：用于储存常用对象。9、对象视图：用来显示项目视图中指定的文件夹或编辑器中的内容10、输出视图：用来显示项目运行之前自动形成的报警信息。1.6.3 WinCC flexible组态 ：1、IO域组态 2、按钮组态3、文本列表和图形列表组态4、动画组态5、报警组态1.7 西门子MM42
7、0变频器选用西门子公司生产的MM420型变频器。如果变频器参数为出厂初始参数，则需对它进行快速调试，相关参数表如表2所示。表2 MM420基本调试参数表序号变频器参数出厂值设定值功能说明1P000312用户访问级别2P0304230220电动机的额定电压( 220V )3P03053.250.5电动机的额定电流( 0.5A )4P03070.750.1电动机的额定功率( 100W )5P031050.0050.00电动机的额定频率( 50Hz )6P031101420电动机的额定转速( 1420 r/min )7P070021或2选择命令源（由BOP/端子排输入）8P100021或2用BOP/
8、端子排输入控制频率的升降9P108000电动机的最小频率( 0Hz )10P10825050.00电动机的最大频率( 50Hz )11P11201010斜坡上升时间( 10S )12P11211010斜坡下降时间( 10S )1.8基于PLC的交流异步电机转速闭环控制系统设计可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继续计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简朴，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控
9、制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且轻易犯错误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成。组态软件具有流程画面，过程数据记录，趋势曲线，报警窗口，生产报表等功能，已经在多个领域被应用。调速系统快速性、稳定性、动态性能好是工业自动化生产中基本要求。在科学研究和生产实践的诸多领域中 调速系统占有着极为重要的地位 特别是在国防、汽车、冶金、机械、石油等工业中，具有举
10、足轻重的作用。调速控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。变频调速已被公认为是最理想、最有发展前景的调速方式之一，采用变频器构成变频调速传动系统的主要目的，一是为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求；二是为了节约能源、降低生产成本。用户根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。2 系统硬件设计2.1 系统设计目的在交流异步电机转速闭环控制系统的基础之上使用A/B相正交计数器对转速进行测量以及对电机的转向进行判断。2.2 系统硬件结构框图 PID控制规律 （1）比例作用（P） (2)比例
11、积分作用（PI） （3）比例积分微分作用（PID） 注：微分一般不使用，会造成不稳定2.2.1 PID控制器PID控制器结构图比例环节： (1) Kp增大，快速性提高，系统振荡增强，稳定性下降； (2) Kp减小，快速性降低，系统静差减小，但不能消除静差； (3) Kp无延时环节，快速性好，响应快。积分环节： (1) Ti增大，积分作用减小，系统振荡增强，稳定性下降； (2) Ti减小，积分作用增大，可消除静差； (3) 有延时环节，快速性下降微分环节： (1) Td增大，系统振荡减弱，稳定性增强； (2) Td减小，调节时间减小，快速性增强；（3) 不能消除系统静差2.2.2 PID回路算法
12、： S7-200 CPU提供PID回路指令(比例、积分、微分回路)，执行PID计算。PID回路操作取决于存储在36个字节回路表中的9个参数。即PID回路表：2.2.3 PID使用方法：1、建立PID回路表2、回路输入量的转换及归一化(1) 将工程实际值由16位整数(AIW)转化为实数，程序如下：XORD AC0，AC0 /清累加器AC0ITD AIW0，AC0 /把整数转化为双整数（设采集数据通道地址为AIW0）DTR AC0，AC0 /把双整数转化为实数(2) 将实数格式的工程实际值转化为0.0，1.0之间的无量纲相对值，用下式来完成这一过程：RNorm=（RRawSpan）+Offset式
13、中：RNorm为工程实际值的归一化值；RRaw为工程实际值的实数形式值，未归一化处理。标准化实数又分为双极性(围绕0.5上下变化)和单极性(以0.0为起点在0.0和1.0之间的范围内变化)两种。对于双极性，Offset为0.5；对于单极性，Offset为0，Span表示值域的大小，通常单极性时取32000，双极性时取64000。3、回路控制输出转换为按工程量标定的整数值(1) 用下式将回路输出转换为按工程量标定的实数格式：Rscal = (MnOffset ) Span式中：Rscal为已按工程量标定的实数格式的回路输出；Mn为归一化实数格式的回路输出。程序如下：MOVR VD208，AC0
14、/将回路输出结果（设TABLE表首地址为VB200）放入AC0-R 0.5，AC0 /对双极性场合减去0.5*R 64 000，AC0 /将AC0中的值按工程量标定(2) 将已标定的实数格式的回路输出转化为16位的整数格式，并输出。TRUNC AC0，AC0 /取整数DTI AC0，AC0 /双整数转换为整数MOVW AC0，AQW0 /把整数值送到到模拟量输出通道（设为AQW0）2.2.4 异步电机变频调速原理:异步电机调速时，通常希望Fm保持不变。因为如果磁通减弱，则没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果磁通增强，又会使铁心饱和，导致励磁电流过大。1、基频以下调速：n nN保持Fm不变，
15、可得： 恒压频比控制方式 可知：定子电压/频率f越大，转速n越高。 定子电压/频率f越小，转速n越低。 2、基频以上调速：n nN 此时，转速n再升高，定子电压Us不可能超过额定电压。因此，这时只有迫使磁通与转速成反比例降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。 在基频以下，转速改变时转矩恒定，属于“恒转矩调速”； 在基频以上，转速改变时转矩变化，属于“恒功率调速”。2.2.5 异步电机的机械特性: 稳定工作时，负载变化对转速影响不大，当负载转矩增大到最大转矩后，转速会迅速减小，出现拐点。2.3 闭环调速系统的硬件选型基于PLC的交流异步电机转速闭环控制系统主要由四个部分构成，即可编程逻辑控制器件P
16、LC、触摸屏、变频器和电机机组。通过触摸屏给PLC发出相关指令，PLC控制变频器，变频器控制电机机组进行变频调速；通过电机机组上的编码器将电机实际转速反馈给PLC，经PID调节后输出给变频器，从而实现异步电机的无静差调速。系统硬件组成如下：序号设备厂家型号功能说明PLC西门子CPU224XP+EM235采集、处理数据触摸屏西门子Smart700数据监控变频器西门子MM420拖动异步电机变频调速电机机组天 煌异步电机+直流电机被控对象2.3.1 PLC的选用本次实验选用S7-200系列PLC，西门子200CPU 224XP CN（6ES7 214-2AD23-OXB8）14点数字量输入：模块地址
17、与面板插孔点对点连接（I0.0I0.0）；10点数字量输出：Q0.0Q0.0、Q0.1Q0.1；（Q0.3Q1.1）继电器面板；2路模拟量输入：MM、A+A、B+B（A+/B+对M的电位均为0-10VDC）；1路模拟量输出：MM、II、VV（I对M输出0-20mA，V对M输出0-10VDC，但V、I只能使用其一，不能同时使用）。2.3.2 扩展EM235模块4路模拟量输入：模块地址与面板插孔点对点连接（AIW4-AIW10：RARA、A+A+、A-A-、RBRB、B+B+、B-B-、RCRC、C+C+、C-C-、RDRD、D+D+、D-D-）对于电压输入信号，按正、负极直接接入X+和X-；对于
18、电流输入信号，将RX和X+短接后接入电流输入信号的“+”端；未接入传感器的通道要将X+和X-短接。1路模拟量输出：模块地址与面板插孔点对点连接（AQW2：MOM、VOV、IOI）（IO对MO输出0-20mA，VO对MO输出0-10VDC，但VO、IO只能使用其一，不能同时使用）2.3.3 西门子Smart 700触摸屏西门子公司开发的一种HMI设备(人机接口)。触摸屏与西门子PLC200通过RS485进行通讯。触摸屏与电脑通过PC/PPI电缆进行通讯。示意图如下。2.3.4西门子MM420变频器接线端子与面板插线点对点连接：模拟量输入电源：10V+(1)、0V(2)；1个模拟量输入(0V至10
19、V)：AIN+(3)、AIN-(4)；(该模拟量输入端也可以作为第4个数字输入来使用)；3个数字量输入：DIN1(5)、DIN2(6)、DIN3(7)；数字量输入电源：24V+(8)、0V(9)；1个继电器输出：RL1B(10)、RL1C(11)；1个模拟量输出(0mA至20mA)：AOUT+(12)、AOUT-(13);1个RS485串口通讯端子：P+(14)、N-(15)。2.3.5 电机机组该实验台配备一组电机机组，由同轴相连的异步电机和直流发电机组成，实物图如图6所示。2.4 硬件接线3 系统软件设计3.1 变频器参数3.2 触摸屏组态画面 棒图地址：变量1 调速 I/O域：变量1 显
20、示 I/O域：变量3 +1/-1：变量1 开始：变量23.3 PLC编程3.3.1 主程序：3.3.2 子程序 中断程序：4 系统调试 本组做的是用A/B相正交计数器计电机转速，由于实验室电机组A/B相的接线口与实验台不匹配，所以未能完成硬件调试5 总结 通过这次的课程设计，首先使我对基于PLC的交流异步电机转速闭环控制有了更深的认识，有些课堂上认为理所应当的东西，实际操作中总会遇到一些困难或是错误，而这次设计是对课堂所学知识的一次很好的应用。俗话说得好，实践是检验真理的唯一标准，这种形式的实践活动使我不仅在知识上有了进一步的巩固和提高，在求学和研究的心态上也有不小的进步。我想无论是在学习还是
21、在生活上只有自己有心去学习和参与才可能有收获，并且要注重细节，一些看上去不起眼的小细节有时往往会成为成败的关键所在。 在没有接触过课程设计之前一直觉得理论知识离我们很远，经过这次的课程设计，才发现理论知识与生活的联系。通过这次实践大大激发了我学习书本知识的兴趣。我们学习的是工科，身为一名工科生不单纯只是理论方面的研究工作，还应该考虑到实际情况。理论研究只是提供一种指导，在许多情况下，单纯的理论推导并不适用于工程实际。 总之，在设计过程中，我不仅更加深入的了解了课堂上所学习到的知识，更重要的是接触到了以前从未接触过的新知识与新的工程化的设计方法，而且培养了自己独立自主的的去发现问题，分析问题，解决问题的能力，在学习知识的基础上，锻炼了自己的实践能力，使我受益非浅，为以后的工作学习打下了良好的基础。
