（完整版）基于PLC控制的变频器调速系统

（完整版）基于PLC控制的变频器调速系统
⽬录
⽬录 (1)
第⼀章系统的功能设计分析和总体思路 (2)
1.1 概述 (2)
1.2 系统功能设计分析 (3)
1.3 系统设计的总体思路 (3)
第⼆章PLC和变频器的型号选择 (4)
2.1 PLC的型号选择 (4)
2.2 变频器的选择和参数设置 (6)
2.2.1 变频器的选择 (6)
2.2.2 变频调速原理 (7)
2.2.3 变频器的⼯作原理 (7)
2.2.4 变频器的快速设置 (8)
第三章硬件设计以及PLC编程 (11)
3.1 开环控制设计及PLC编程 (11)
3.1.1 硬件设计 (11)
3.1.2 PLC软件编程 (12)
3.2 闭环控制设计 (17)
3.2.1 硬件和速度反馈设计 (17)
3.2.3 闭环的程序设计以及源程序 (19)
第四章实验调试和数据分析 (23)
4.1 PID 参数整定 (23)
4.2 运⾏结果 (24)
第五章总结和体会 (25)
第六章附录 (26)
6.1 变频器内部原理框图 (26)
第七章参考⽂献 (27)
第⼀章系统的功能设计分析和总体思路
1.1 概述
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。

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。

⽬前在控制领域中，虽然逐步采⽤了电⼦计算机这个先进技术⼯具，特别是⽯油化⼯企业普遍采⽤了分散控制系统（DCS）。

但就其控制策略⽽⾔，占统治地位的仍旧是常规的PID控制。

PID结构简朴、稳定性好、⼯作可靠、使⽤中不必弄清系统的数学模
型。

PID的使⽤已经有60多年了，有⼈称赞它是控制领域的常青树。

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。

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。

组态王是海内⼀家较有影响⼒的组态软件开发公司开发的，组态王具有流程画⾯，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。

1.2 系统功能设计分析
随着电⼒电⼦技术以及控制技术的发展，交流变频调速在⼯业电机拖动领域得到了⼴泛应⽤；可编程控制器PLC作为替代继电器的新型控制装置，简单可靠，操作⽅便、通⽤灵活、体积⼩、使⽤寿命长且功能强⼤、容易使⽤、可靠性⾼，常常被⽤于现场数据采集和设备的控制；组态软件技术作为⽤户可定制功能的软件开发平台⼯具，可实现显⽰电机转速，可实现远程调速控制，在PC机上可开发友好⼈机界⾯，通过PLC可以对⾃动化设备进⾏“智能”控制。

在此，本次设计就是基于PLC的变频器调速系统。

将现在应⽤最⼴泛的PLC和变频器综合起来主要功能实现了变压变频调速。

电机的正反转，加减速以及快速制动等。

因此，该系统必须具备以下三个主体部分：控制运算部分、执⾏和反馈部分。

控制运算主要由PLC和变频器来完成；执⾏元件为变频器和电机；反馈部分主要为速度反馈。

1.3 系统设计的总体思路
系统主要由三个部分构成，即可编程逻辑控制器件PLC、变频器和电机。

⾸先通过设置给定输⼊给PLC，再通过PLC控制变频器，再经由变频器来控制电机，随后将电机的转速反馈给PLC，经⽐较后输出给变频器从⽽实现⽆静差调速。

具体如下图所⽰：
第⼆章PLC和变频器的型号选择
2.1 PLC的型号选择
在PLC系统设计时，⾸先应确定控制⽅案，下⼀步⼯作就是PLC⼯程设计选型。

⼯艺流程的特点和应⽤要求是设计选型的主要依据。

PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与⼯业控制系统形成⼀个整体，易于扩充其功能的原则选型所选⽤PLC应是在相关⼯业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC 的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。

熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语⾔有利于缩短编程时间，因此，⼯程设计选型和估算时，应详细分析⼯艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确
定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输⼊输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较⾼性能价格⽐的PLC和设计相应的控制系统。

综合了输⼊输出（I/O）点数、存储器容量、各项控制功能和机型的考虑以及性价⽐等各⽅⾯的因素，在此我为该系统设计选择了S7-200 PLC⼀台。

S7-200 PLC CPU的外形模型图
S7-200有5种CPU模块、6个有12种⼯作⽅式的⾼速计数器和两点⾼速计数器/和脉冲宽度调制器、直接读写的模拟量I/O模块、先进的程序结构、灵活⽅便的寻址⽅式以及程序化的PID编程控制。

强⼤的通讯功能，它⽀持多种通信协议。

价格是它在所有品牌在同⼀功能区内很有竞争⼒的。

最重要的是它还提供了完善的的⽹上⽀持。

这些都为实现本系统的设计提供很好的条件和⽅便。

例如，⾼速计数器可以⽤来测速从⽽实现速度反馈。

2.2 变频器的选择和参数设置
2.2.1 变频器的选择
正确选择通⽤型变频器对于传动系统能够正常运⾏时⾄关重要的，⾸先要明确使⽤通⽤变频器的⽬的，按照⽣产机械的类型、调速范围、速度响应和控制精度、启动转矩等要求，充分了解变频器所驱动负载特性，决定采⽤什么功能的通⽤变频器构成控制系统，然后决定选⽤哪种控制⽅式最合适。

所选⽤的通⽤变频器应是既满⾜⽣产⼯艺要求，⼜要在技术经济指标上合理。

若对通⽤变频器选型、系统设计及使⽤不当，往往会使通⽤变频器不能正常的运⾏、达不到预期⽬标，甚⾄引发设备故障，造成不必要的损失。

另外，为了确保通⽤变频器长期可靠的运⾏，变频器的地线的连接也是⾮常重要的。

变频器在调速系统中的优点：
1．控制电机的启动电流；
2．降低电⼒线路的电压波动；
3．启动时需要的功率更低；
4．可控的加速功能；
5．可调的运⾏速度；
6．可调的转矩极限；
7．受控的停⽌⽅式；
8．节能；
9．可逆运⾏控制；
10．减少机械传动部件。

在本系统中，选⽤了由西门⼦⽣产的通⽤变频器MM420。

变频器MM420 为我们提供了很好的BOP控制⾯板具体如下图：
2.2.2 变频调速原理
变频调速是通过改变电机定⼦绕组供电的频率来达到调速的⽬的。

n=60f(1-s)/p
对于成品电机，其磁极对数p已经确定，转差率s变化不⼤，故电机的转速n与电源的频率f成正⽐，因此改变输⼊电源的频率就可以改变电机的同步转速，进⽽达到异步电机的调试⽬的。

2.2.3 变频器的⼯作原理
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。

2.2.4 变频器的快速设置
如果所⽤的变频器刚刚出⼚的变频器，则需对它进⾏快速调试，试验中⽤到的变频器都已经完成了快速调试。

注:（1）设置参数前先将变频器参数复位为⼯⼚的缺省设定值
（2）设定P0003=2 允许访问扩展参数
（3）设定电机参数时先设定P0010=1(快速调试),电机参数设置完成设定P0010=0(准备)例如：修改下表参数P0719
选择命令/设定这源
改变参数数值的⼀个数字
为了快速修改参数的数值，可以单独修改显⽰出的每个数字，操作步骤如下：
1.按（功能键），最右边的⼀个数字闪烁。

2.按 / ，修改这位数字的数值。

3.再按（功能键），相邻的下⼀位数字闪烁。

4.执⾏2⾄4步，直到显⽰出所要求的数值。

5.按，退出参数数值的访问级。

以下为变频器的设置⼀般⽅法：
第三章硬件设计以及PLC编程
3.1 开环控制设计及PLC编程
3.1.1 硬件设计
在没有反馈信息的⽐较，通过直接给定控制信息的控制调速系统称之为开环调速系统。

其控制思想的结构框图如下图所⽰：
开环控制的外部硬件连接图：
速度给定
速度开环控制的结构控制图
PLC（PID）变频调速系统
3.1.2 PLC软件编程
系统采⽤开环控制⽅式来控制电机的调速，根据PID控制的整体思想：
故在编写程序的时候可以分为三部分：主程序、中断程序和⼦程序。

主程序：主要是⽤来启动中断程序以及控制量的输⼊和输出。

中断程序：调⽤PID指令进⾏运算以及数据类型的转换。

⼦程序：设置PID控制的参数
PID算法
PLC的PID控制器设计是以连续系统PID控制规律为基础，经采样将其数字化写成离散形式PID控制⽅程，再根据离散⽅程进⾏控制程序设计。

典型的PID算法包括3项，⽐例项、积分项和微分项。

即：输出＝⽐例项＋积分项＋微分项。

计算机在周期性地采样并离散化后进⾏PID运算，算法如下：Mn=Kc*（SPn-PVn）+Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx+Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）⽐例项Kc*（SPn-PVn）：能及时地产⽣与偏差（SPn-PVn）成正⽐的调节作⽤，⽐例系数Kc越⼤，⽐例调节作⽤越强，系统的静态稳定精度越⾼，但Kc过⼤会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。

积分项Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx：与偏差有关，只要偏差不为0，PID
控制的输出就会因积分作⽤⽽不断变化，直到偏差消失，系统处于稳定状态，所以积分的作⽤是消除稳态误差，提⾼控制精度，但积分的动作较慢，给系统的动态稳定带来不良影响，很少单独使⽤。

积分时间常数Ti增⼤，积分作⽤越强，消除稳态误差的速度减慢。

微分项Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）：根据误差变化的速度（即误差的微分）进⾏调节，具有超前和预测的特点。

微分时间常数Td增⼤时，超调量减少，动态性能得到改善，但Td过⼤，系统输出量在接近稳态时可能上升缓慢。

许多控制系统内，可能只需要P、I、D中的⼀种或两种控制类型。

如可能只要求⽐例控制或⽐例与积分控制，通过设置参数可对回路进⾏控制类型进⾏选择。

内存变量分配表
1、程序地址分配
2、PID指令回路表
以下为开环控制的ＰＬＣ程序：主程序
中断程序
⼦程序
3.2 闭环控制设计 3.2.1 硬件和速度反馈设计
构成闭环系统就要把速度信息反馈给输⼊。

速度的测量可以通过光电编码器
和PLC 来实现。

速度采集：S7-200具有⾼速脉冲采集功能，采集频率可以达到30KHz ，共有
6个⾼速计数器（HSC0~HSC5）⼯作模式有12种。

在固定时间间隔内采集脉冲差值，通过计算既可以获得电动机的当前转速。

例如：设采样周期为100ms 即是每隔100ms 采集脉冲⼀次，光电开关每转发出8个脉冲，那么就可以得到速度为
)8601.0/(=m n
其中
m ? 为采样周期内接受到的脉冲数。

转速的单位为 min /r 。

闭环控制就是将速度信号反馈给PLC ，再通过与给定量⽐较，输出给PID 控制部分，从⽽调节速度使其能达到设定要求。

其结构框图
硬件连接图
3.2.3闭环的程序设计以及源程序主程序。