基于plc的电机转速pid控制系统设计

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0 引言
凭借良好的节电效果和优异的调速性能,变频调速在化工、煤炭、电力等领域有着越来越广泛的应用。

变频器是交流电机实现调速的主要设备,采用PID调节进行转速控制,能够获得优良的控制效果。

在系统数学模型未知的情况下,PID调节也能够获得较为满意的控制效果,在工程实践中应用非常普遍。

而变频调速理论和PID参数调试规则,是教学过程中的两个难点。

通过电机PID调速控制系统设计与调试的实践教学,以直观、形象、生动的实验现象,来提高学生学习积极性,改善学习效果。

在现有实验设备基础上,选择西门子S7-300 PLC、变频器G120和触摸屏TP700组建电机PID调速控制系统。

1 设计思路
电机调速控制系统由变频器、触摸屏、可编程逻辑控制器等组
建而成。

转速设定值、比例系数、积分时间、微分时间及电机启停控制信号均可以通过上位机触摸屏进行设置。

这些数据通过以太网从触摸屏传送至PLC。

在PLC中,对转速采样值、转速设定值,两者的差值进行PID运算,将输出值传送给变频器,变频器带动电机运行。

电机的实时转速和波形,可以在触摸屏中显示出来,以此判断电机运行状态是否达到要求。

电机转速快速准确的达到设定目标,需要通过完整的系统设计得以实现,总体设计框架如图1所示。

2 变频调速原理
性能稳定可靠、性价比高、体积小巧等直流电动机所不具备的优点,正是交流电动机调速系统成为电力拖动控制系统重要组成的主要原因。

60(1)f
n s p
=
- (1)式中:n 为三相交流异步电机的运行速度,f 为三相交流电源的工作频率,p 为三相交流异步电机的磁极对数,s 为转差率。

通过式(1)可以知道,改变电源工作频率f、电机的磁极对数p、转差率s,这3种方法均可以实现对电机转速的调整。

与变极、变转差率相比,变频调速在工业领域应用更加普遍,因为变频调速调速范围更加广泛、性能更加稳定可靠、更适合现场操作。

3 PID控制
PID调节可以为系统提供反馈控制、用积分消除余差、用微分预测将来,是工业控制系统中最常见的一种控制策略,具有性能稳定、应用范围广、结构简单等优点。

该调速系统PID控制是通过PLC内置的PID调节器实现的。

控制原理为:参照系统误差,借助PID参数完成控制量的计算,最终实现控制功能[1]。

西门子的S7-300的CPU314C-2PN/DP,包含24个DI、16个DO、5个AI通道、2个AO通道,能够满足电机调速使用要求。

在SIMATIC S7自动化控制系统中,控制具有连续输入和连续输出变量的工艺过程,可以使用CONT_C指令实现。

通过分配参数可以实现启用PID控制器的子功能、禁止PID控制器的子功能、使其适应该过程等功能。

除了具有设定值和过程值分支功能之外,该指令还能够实现一个完整的PID控制器,具有连续的输出值输出,且允许手动影响输出值。

该控制器不仅可以应用于单回路定值控制系统,也可以作为混合、比值、级联控制器应用于多回路控制系统。

设置输入参数COM_RST=TRUE,将会运行CONT_C指令的基于PLC 的电机转速PID 控制系统设计
金程程
(宁夏工商职业技术学院,宁夏银川 750021)
摘要:用西门子PLC、触摸屏、变频器组建控制系统,以交流电机为控制对象,使用触摸屏设定电机转速和调试参数,对电机转速进行
定值调节。

在传统教学过程中,变频调速理论和PID调参规则,学生不易理解。

通过搭建实验平台,让学生能够通过具体的数据和直观的画面,理解电机闭环调速及PID调节参数相关理论,能够改善学习效果,弥补学生工程实践经验的缺乏。

关键词:变频器；P I D ；P L C ；触摸屏中图分类号:TP273文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2020)03-0007-03
DOI:10.19695/12-1369.2020.03.03
数控技术
收稿日期:2020-02-20
作者简介:金程程(1986—),女,河南洛阳人,硕士研究生,讲师,研究方向:工业智能化及控制。

第 38 卷 数字技术与应用
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所有信号输出都被设置为零。

完成初始化例程后,必须设置COM_RST=FALSE。

在应用时,必须以固定的时间间隔调用块,所以在循环中断OB(OB 30到OB 38)中调用控制块,以确保控制块中计算的值正确。

在CYCLE参数中输入采样时间。

当指令CONT_C作为多重背景数据块被调用时,不会创建任何工艺对象。

没有参数分配接口或调试接口可用,必须在多重背景数据块中分配参数,并通过监视表格进行调试。

减小给定值与过程变量的偏差值,直至为零,是定值控制系统的控制目标,可以通过比例系数、积分时间、微分时间来实现。

系统设定值与实际测量值之间出现的偏差大小,能够通过比例作用快速反映出来。

比例作用使系统控制量的输出含有与系统偏差成线性变化的分量。

比例系数越大或者比例度越小,偏差越大,但是系统反映越迅速。

积分作用表明控制器的输出与偏差对时间的积分成线性关系,是由系统偏差大小与偏差持续时间决定的。

消除余差、提高控制精度,是积分作用的主要任务。

积分时间越大,积分作用越弱,反之,则越强。

微分作用的输出与输入的大小无关,与输入量的导数成线性变换,能够对输入的变化趋势作出反应,可以减小超调、控制振荡次数、使系统趋于稳定,从动态性能方面来优化控制指标。

从系统数学模型的角度分析,微分环节的出现,相当于在系统传递函数中引入了一个零点。

如果微分时间选择不合适,会导致系统稳定性发生改变。

这三种作用是各自独立的,互不影响。

如果其中任一
个调节参数发生改变,只会影响该参数对应的一种调节作用,而不会影响其他两种调节作用。

为了使控制系统快速、准确、稳定的运行,一般可使用试凑法、临界比例度法、衰减振荡等方法进行P、I、D
参数整定,实现控制系统的优化控制。

4 系统程序设计
4.1 程序设计
使用西门子公司的博途软件,实现PLC、变频器及触摸屏的硬件组态及程序设计。

在组态过程中,要选择和实际设备订货号匹配的硬件进行组建,并注意建立正确的以太网通讯。

编写程序时,从工艺对象中调用连续工艺函数CONT_C。

先对CONT_C函数进行初始化复位,利用触摸屏的启动信号对变频器进行控制字赋值,将16#047F赋值给QW256,电机进行运行准备状态。

在循环中断块OB33调用PID控制块,启动PID控制,根据工作要求,选择控制器的控制方式。

选择手动控制时,MAN_ON为TRUE,在MAN值中输入电机转速,CONT_C函数的输出值LMN进行数值转换后赋值给变频器状态字QW258,则电机按照该数值运行;选择自动控制时,输入给定转速值,合理选择P、I、D参数,电机运行。

在电机运行中,采集实际转速,转换后,传送至触摸屏转速显示部分。

按下停止按钮时,将控制字16#047E赋值给变频器控制字QW256,电机停止运行。

此外,PID控制器的部分数据格式要求的是浮点型,所以在程序中要对相关数据进行格式转换,可利用CONV、ROUND函数等实现。

程序设计思路如图2所示。

4.2 变频器参数设置
结合实验室现有设备,选用G120变频器。

该变频器用于控制交流电机,安装在电气设备或机械内部。

一个SINAMICS G120变频器包含两个组成部分,分别是控制单元(Control Unit,简称CU)和功率模块(Power Module,简称PM)[2]。

控制单元,用于控制、监测功率模块以及与它相连的电机。

功率模块,适用于功率范围在0.37kW和250kW之间的电机。

在TIA Portal软件中进行硬件组态,在设备与网络界面中,添加其他现场设备中的Drives,选择控制单元CU250S-2 PN Vector V4.6,添加通讯报文为SIEMENS telegram 352,用于周期性通讯。

在变频器调试过程中,设定的参数包括了电机的额定电压、额定频率、额定转速、斜坡上升时间、斜坡下降时间等。

具体参数如表1所示。

4.3 触摸屏画面设计
TP700触摸屏作为上位机,是SIMATIC HMI精智面板全新研
发的触摸型面板,显示屏尺寸为7＂,为铝外壳,以横向进行安装,有2个PROFINET接口,可与控制器进行以太网通讯。

按照设备向导进
图2 程序设计流程图
表1 G120变频器电机转速控制主要参数
2020年第 3 期
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Design of Motor Speed PID Control System Based on PLC
JIN Cheng-cheng
(Ningxia Business and Technology Career Technical College, Yinchuan Ningxia 750021)
Abstract:Use Siemens PLC, touch screen, inverter to build control system, take the AC motor as the control object, use the touch screen to set the motor speed and debugging parameters, and adjust the motor speed by a fixed value. In the traditional teaching process, the frequency conversion speed regulation theory and PID parameter adjustment rules are difficult for students to understand. By setting up an experimental platform, students can understand the theory of motor closed-loop speed regulation and PID adjustment parameters through specific data and intuitive pictures, which can improve the learning effect and make up for the lack of engineering practice experience of students.
Key words:inverter; PID; PLC; touch screen
行硬件组态,并连接PLC。

可以按照HMI的设备向导,添加根画面和运行画面,选定画面的颜色、层级结构等。

在运行画面中,可以从任务卡中添加按钮、I/O域、趋势图等元素和控件。

添加完成相应的元素和控件后,要进行正确的变量连接,以保证控制系统的正确运行。

I/O域进行过程值添加,按钮需要设置事件,在按下和释放时分别设置置位和复位函数。

在I/O域中,可直接设定电机转速给定值SP。

启动PID控制,启动手动控制,修改手动输入值man,可以对电机转速进行实时修改。

停用手动控制,可设置P、I、D参数,进行电机转速的自动控制。

在电机转速的趋势图中,可以清晰明了的观察到电机转速变化情况。

5 运行调试
PLC、HMI、G120的IP地址设置在同一网段,将组态和程序下载到实际设备中。

在上位机中,TIA Portal软件在线调试设置变频器的控制参数,监控程序运行。

在工艺对象中,打开CONT_C_DB,在设置设定值及PID控制参数,进行调试运行。

电机转速控制系统是一个定值控制系统,假设,要将转速设置为700r/min,在博图软件中,如图3画面所示,在线修改SP设定值为
700,则PID控制器输出值随之调整,电机实际转速PV值,呈衰减振
荡变化,迅速达到设定值,并稳定运行,调试曲线如图4所示。

在该过程中可以调节P、I参数,实现电机转速快速、准确、稳定的达到目标值。

可以通过参数的修改,优化控制效果。

6 结语
PLC、HMI、变频器搭建电机转速PID控制系统,在触摸屏中设置电机转速,通过HMI屏的PID参数整定,能够使电机快速、准确地达到设定转速。

通过该实验系统,学生可以直观清晰的认识交流电机变频调速过程,并且通过参数的整定过程,巩固提高学生对于PID 调参的掌握。

参考文献
[1] 范庭超.对西门子PLC的PID参数整定问题分析[J].中国设备工程,2018(01):120-121.
[2] 西门子电气传动公司.SINAMICS G120系列变频器使用手册[Z].2009.
图3 PID调试
图4 电机转速调试曲线
金程程:基于P L C 的电机转速P I D 控制系统设计。