基于PLC的交流异步电机转速闭环控制系统设计

基于PLC的交流异步电机转速闭环控制系统设计成绩：*名：***班级：电气11-4学号：日期：2014年6月20日PLC技能考核设计训练任务书学生姓名专业年级电气11-4 学号设计日期：2014 年5月5日至2104 年6 月30 日设计题目：基于PLC的交流异步电机转速闭环控制系统设计设计主要内容：本次设计基于可编程控制器（PLC）硬件平台的异步电动机综合控制系统。

该系统通过可编程逻辑控制器（PLC）来控制变频器，最终实现异步电动机转速的闭环控制。

并通过HMI面板直观的显示出来。

此设计是利用可编程逻辑控制器件PLC、触摸屏、变频器和电机机组等来实现转速闭环的控制。

指导教师评语：指导教师签字：目录一、绪论 (1)1.1 变频器 (1)1.2 PLC (1)1.3 触摸屏及组态软件进行介绍 (1)1.4 PLC交流异步电机转速闭环控制系统 (2)二、系统硬件设计 (3)2.1 系统设计目的 (3)2.2 系统硬件结构框图 (3)2.3 硬件选型 (4)2.3.1 PLC (5)2.3.2 变频器 (5)2.3.3 电机机组 (6)2.3.4 触摸屏Smart700 (7)2.4 硬件接线 (8)三、系统软件设计 (10)3.1 变频器参数 (10)3.2 触摸屏组态画面 (10)3.3 编写PLC程序 (14)3.3.1 PID参数选择 (14)3.3.2闭环控制系统的程序及分析 (17)四、系统调试 (20)五、基于PLC的直流电动机双闭环调速系统 (22)5.1 双闭环调速系统的简介 (22)5.2 双闭环系统的组成及工作原理 (22)5.2.1. 转速调节器 (23)5.2.2. 电流调节器 (23)六、总结 (25)一、绪论1.1 变频器变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。

变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。

随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。

1.2 PLC可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

1.3 触摸屏及组态软件进行介绍触摸屏（touch screen）又称为“触控屏”、“触控面板”，是一种可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。

触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。

它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。

主要应用于公共信息的查询、领导办公、工业控制、军事指挥、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学、房地产预售等。

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。

1.4 PLC交流异步电机转速闭环控制系统须随之作相应的变动，所有布线和控制柜极有可能重新设计，耗时且费力然而是利用存储在机内的程序实现各种控制功能的。

因此当工艺过程改变时,只需修改程序即可，外部接线改动极小，其灵活性和通用性是继电器控制电路无法比拟的。

第二，可靠性高，抗干扰能力强"继电器控制系统中，由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象是不可避免的，大大降低了系统的可靠性。

而在控制系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加之在硬件和软件方面都采取了强有力的措施，使产品具有极高的可靠性和抗干扰能力可以直接安装在工业现场稳定地工作。

PLC在硬件方面采取电磁屏蔽、光电隔离、多级滤波等措施在软件方面采取警戒时钟、故障诊断、自动恢复等措施,并利用后备电池对程序和数据进行保护,因此被称为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”。

第三，编程简单，使用方便。

PLC采用面向过程，面向问题的“自然语言”编程方式、直观易懂、主要采用梯形图和语句表编写程序，使得广大电气技术人员更容易接纳和理解。

同时设计人员也可根据自己的喜好和实际应用的要求选择其他编程语言。

标准是编程语言的标准，除了梯形图、语句表之外，还存在顺序流程图!结构化文本和功能块图三种编程语言的表达方式。

一个程序的不同部分可用任何一种语言来描述，支持复杂的顺序操作功能处理以及数据结构。

第四，功能强大，可扩展。

的主要功能包括开关量的逻辑控制、模拟量控制部分还具备控制或模糊控制功能、数字量智能控制、数据采集和监控、通信、联网及集散控制等功能。

PLC的功能扩展也极为方便，硬件配置相当灵活，根据控制要求的改变，可以随时变动特殊功能单元的种类和个数，再相应修改用户程序就可以达到变换和增加控制功能的目的。

二、系统硬件设计2.1 系统设计目的对于控制电机转速，开环系统结构简单，控制电压直接控制电机触发电路。

但系统静特性差，在转矩变化的情况下转速变化很大。

闭环系统结构复杂，但是调速性能好，系统特性曲线较硬，转矩变化对系统速度扰动几乎不记。

在许多工业场合，需要电机转速能够很好地跟随给定转速，因此采用闭环控制系统。

本次设计就是基于PLC的变频器实现转速闭环调速系统。

2.2 系统硬件结构框图基于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PLC、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。

闭环调速系统的硬件结构框图：PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业过程控制中不可替代的主要技术之一。

PID控制分为三个环节，分别是比例环节、积分环节、微分环节。

比例调节作用是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减小偏差。

比例作用大，可以加快调节时间；但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。

积分调节作用是使系统消除稳态误差，提高无差度。

因为有误差，积分调节就进行，直至消除误差。

积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti ，Ti 越小，积分作用就越强；反之积分作用就越弱。

加入积分调节可使系统的动态响应变慢。

积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI 调节器或PID 调节器。

PI 调节器是最常用的调节器。

微分调节作用反应系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没形成之前，已被积分作用消除。

因此，可以改善系统的动态性能。

在微分时间选择合适情况下，可以减少超调和调节时间。

微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微分调节，对系统抗干扰不利。

变频调速原理：异步电机的转速n 可以表示为：()21601f n s n n p=•-=-∆v 式中，n2为同步转速，Δn1为转差损失的转速，p 为磁极对数，s 为转差率，f 为电源的频率。

可见，改变电源频率就可以改变同步转速和电机转速。

频率的下降会导致磁通的增加，造成磁路饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热。

显然这是不允许的。

为此，要在降频的同时还要降压。

这就要求频率与电压协调控制。

此外，在许多场合，为了保持在调速时，电动机产生最大转矩不变，亦需要维持磁通不变，这亦由频率和电压协调控制来实现，故称为可变频率可变电压调速，简称变频调速。

实现变频调速的装置称为变频器。

变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器（MCU ／DSP ）等部分组成。

2.3 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PLC 、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。

表1：系统硬件组成如下：序号设备厂家型号功能说明1PLC 西门子CPU224XP+EM235 采集、处理数据2触摸屏西门子Smart700 数据监控3变频器西门子MM420 拖动异步电机变频调速4电机机组天煌异步电机+直流电机被控对象2.3.1 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。

S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。

S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。

因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。

S7-200系列出色表现在以下几个方面：极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块。

2.3.2 变频器变频器MM420：变频器的工作原理是把市电（380V 、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO、GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电。

根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。

如果变频器参数为出厂初始参数，则需要对它进行快速调试。

图2 西门子MM420变频器2.3.3 电机机组选用浙江天煌公司生产的电机机组，由一台异步电动机和一台直流发电机同轴相连。

为相将实际转速显示并输出给PLC，该机组中还加了转速编码器单元DD03-3。

该机组中，异步电动机由MM420变频器供电，进行变频运行，同时拖动直流发电机旋转，0～1KΩ可变电阻作为直流发电机的负载。