基于PLC的变频调速系统 毕业论文

基于PLC的变频调速系统 毕业论文 基于PLC的变频调速系统 摘要 能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都极为重要。在高速增长的经济环境下，中国能源工业面临经济增长与环境保护的双重压力。目前，国内变频调速系统的研究非常活跃，但是在产业化方面还不是很理想，市场的大部分还是被国外公司所占据。因此，为了加快国内变频调速系统的发展，就需要对国际变频调速技术的发展趋势和国内的市场需求有一个全面的了解，深入研究变频调速系统的发展。 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 出系统稳定，调整精度高，调整时间快的变频调速系统，对现今工业设计和工业生产的发展有很大帮助。 本次设计介绍了一种基于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。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。 通过设定交流调速系统的转速传输到PLC，PLC根据设定的转速通过模拟量输出模块，输出模拟信号控制变频器的输出频率，控制交流电机调速控制。变频器的转向由正/反转开关进行控制。交流调速系统的转速由测速发电机转换为相应的转速模拟信号,输入模拟量的输入模块，模拟量输入模块产生的数字信号送入PLC。由开环/闭环开关控制系统在开环或闭环状态下运行。当交流调速系统设定为开环运行时，检测到的转速信号PLC不进行处理，直接进行显示;当交流调速系统设定为闭环运行时，光电编码器将检测到的转速信号一方面由PLC与设定转速信号进行运算处理，处理过的信号送去控制变频器，另一方面将数据实时显示。 关键词:PLC 变频器 PID控制 Abstract Energy industry as the foundation of the national economy, for the development of society and economy and the improvement of people's living standard is very important. The rapid development of Chinese economy environment, the energy industry faced with economic growth and environmental protection dual pressures. At present, the domestic study of variable frequency speed regulation system is very active, but the industrialization is not very ideal, market much still occupied by foreign companies. Therefore, in order to accelerate the development of domestic variable frequency speed regulation system, they need to international variable-frequency regulating speed technology development tendency and the domestic market demand have a comprehensive understanding of variable frequency speed regulation system, further study of the development. Design the system stability, high precision, adjust time adjust quickly and speed-adjusting system, on the current industrial design and the development of industrial production has very great help. This design is introduced which is based on PLC speed-regulate system. Will now the most widely used PLC and inverter together, main functions: variable pressure frequency control, motor, the positive &negative deceleration and fast brake etc. This system must meet the following three main parts: control computation section, execution and feedback part. Control operations by PLC and inverter to mainly complete; Actuators for converter and motor; Feedback part mainly for speed feedback. Through the setting of ac speed adjustment system speed transmission to PLC, according to the set speed through PLC simulation output module, output analog signal control inverter frequency, control the output of induction motor control. Inverter by are/reverse switch to control. The speed of the ac adjustable speed system by tachogenerator converted to speed analog signals, input analog quantities of input module, analogue input module produces digital signals into PLC. By the open loop/closed-loop switch control system in the open loop or loop by mode. When communication speed regulation system Settings for the open loop runtime, detected speed signal processing, PLC not directly display; When communication closed-loop speed system Settings for running, photoelectric encoder will detect speed signal on the one hand by PLC and setting speed signal treatment, the operations of signal sent to control frequency converter, on the other hand will data real-time display. Key words: PLC Inverter PID control 目录 摘要 ................................................................................................................................................ I Abstract........................................................................................................................................ II 1 绪论 ................................................................................................................................... - 1 - 1.1概述............................................................................................................................. - 1 - 1.2 变频调速系统发展和现状 .................................................................................. - 2 - 1.2.1 变频调速系统的发展历程 .................................................................... - 2 - 1.2.2 变频调速系统的技术现状 ...................................................................... - 4 - 1.3 变频调速系统的控制 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 及其比较 .............................................................. - 5 - 1.4 系统的设计构想和主要内容 .............................................................................. - 5 - 2 系统的硬件设计 ........................................................................................................ - 7 - 2.1系统的组成及工作原理 ........................................................................................ - 7 - 2.1.1 外部硬件接线图 ........................................................................................ - 8 - 2.1.2模拟量输入输出模块FX2n-4AD与FX2n4DA ...................................... - 9 - 2.2 硬件的选型 ................................................................................................................. - 11 - 2.2.1 控制对象 .................................................................................................... - 11 - 2.2.2PLC小型可编程控制器的选型 .............................................................. - 11 - 2.2.3.变频器及变频器的选型......................................................................... - 12 - 2.3变频器的快速设置 ............................................................................................... - 15 - 2.4速度反馈设计 ........................................................................................................ - 16 - 3 系统的软件设计 ......................................................................................................... - 17 - 3.1设置控制系统流程图 ........................................................................................... - 17 - 3.2 FX2n的编程软件介绍 ........................................................................................ - 18 - 3.2.1 SWOPC-FXGP/WIN-C软件介绍 .............................................................. - 18 - 3.2.2 GOT及其设计软件GTdesigner2介绍 .............................................. - 18 - 3.3 FX2N的PID功能指令 ........................................................................................ - 19 - 3.4程序设计 ................................................................................................................. - 21 - 3.4.1 程序的梯形图编程 .................................................................................. - 21 - 3.4.2 指令表语句与部分语句说明 ............................................................... - 25 - 4 实验调试和数据分析 ............................................................................................ - 32 - 4.1 系统闭环传递函数 .............................................................................................. - 32 - 4.2 PID 参数整定 ....................................................................................................... - 32 - 4.2 参数调整 ................................................................................................................ - 34 - 5总结与体会 ..................................................................................................................... - 36 - 致谢 ......................................................................................................................................... - 37 - 参考文献 .............................................................................................................................. - 38 - 1 绪论 1.1概述 在当前全球经济发展过程中，有两条显著的相互交织的主线:能源和环境。能源的紧张不仅制约了相当多发展中国家的经济增长，也为许多发达国家带来了相当大的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。在今年的政府工作会议上，温家宝总理也提出了要大力发展低碳化经济。能源集中的地方也往往成为全世界所关注的热点地区。而能源的开发与利用又对环境的保护有着重大影响。全球变暖、酸雨等一系列环境灾难都与能源的开发与利用有关。 能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都极为重要。在高速增长的经济环境下，中国能源工业面临经济增长与环境保护的双重压力。有资料表明，受资金、技术、能源价格的影响，中国能源利用效率比发达国家低很多。90年代中国高耗能产品的耗能量一般比发达国家高12%-55%左右，90%以上的能源在开采、加工转换、储运和终端利用过程中损失和浪费。如果进行单位GNP能耗(吨标准煤/千美元)的国家比较(90年代中期)，中国分别是瑞士、意大利、日本、法国、德国、英国、美国、加拿大的14.4倍、11.3倍、10.6倍、8.8倍、8.3倍、7.2倍、4.6倍、和4.2倍。1995年，中国火电厂煤耗为412克标准煤/kWh，是国际先进水平的1.27倍。 由此可见，对能源的有效利用在我国已经非常迫切。作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。我国各类在用电机中，80%以上为0.55-220kW以下的中小型异步电动机。我国在用电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达国家50年代水平。因此，在国家十五计划中，电机系统节能方面的投入将高达500亿元左右，所以变频调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。 目前，国内变频调速系统的研究非常活跃，但是在产业化方面还不是很理想，市场的大部分还是被国外公司所占据。因此，为了加快国内变频调速系统的发展，就需要对国际变频调速技术的发展趋势和国内的市场需求有一个全面的了解，深入研究变频调速系统的发展。设计出系统稳定，调整精度高，调整时间快的PLC [3]变频调速系统，对现今工业设计和工业生产的发展有很大帮助。 1.2 变频调速系统发展和现状 1.2.1 变频调速系统的发展历程 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。而目前，我国变频调速系统的发展还处于起步阶段，核心技术缺乏，与发达国家的技术差距较大，而变频调速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。许多变频调速装置还属于开环控制方式，不能满足有较高精度的控制精度，所以采用计算机控制调速是提高控制精度的不二法门。 早期通用变频器如东芝TOSVERT,130系列、FUJI FVRG5,P5系列，SANKEN SVF系列等大多数为开环恒压比(V,F=常数)的控制方式(其优点是控制结构简单、成本较低，缺点是系统性能不高，比较适合应用在风机、水泵调这场合。具体来说，其控制曲线会随着负载的变化而变化;转矩响应慢，电视转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降稳定性变差等。对变频器U,F控制系统的改造主要经历了三个阶段; 第一阶段: 1. 八十年代初日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量(或称磁通轨迹法)。该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成二相调制波形。这种方法被称为电压空间矢量控制。典型机种如1989年前后进入中国市场的FUJI(富士)FRN5OOOG5/P5、SANKEN(三垦)MF系列等。 ?引人频率补偿控制，以消除速度控制的稳态误差 ?基于电机的稳态模型，用直流电流信号重建相电流，如西门子MicroMaster系列,由此估算出磁链幅值，并通过反馈控制来消除低速时定子电阻对性能的影响。 ?将输出电压、电流进行闭环控制，以提高动态负载下的电压控制精度和稳定度，同时也一定程度上求得电流波形的改善。这种控制方法的另一个好处是对再生引起的过电压、过电流抑制较为明显，从而可以实现快速的加减速。 之后，1991年由富士电机推出大家熟知的FVR与 FRNG7,P7系列的设计中，不 同程度融入了?3(?项技术，因此很具有代表性。三菱日立，东芝也都有类似的产品。然而，在上述四种方法中，由于未引入转矩的调节，系统性能没有得到根本性的改善. 第二阶段: 矢量控制。也称磁场定向控制。它是七十年代初由西德 F.Blasschke等人首先提出，以直流电动机和交流电动机比较的方法分析阐述了这一原理，由此开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河。它使人们看到交流电动机尽管控制复杂，但同样可以实现转矩、磁场独立控制的内在本质。 矢量控制的基本点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制。但是，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果，这是矢量控制技术在实践上的不足。此外(它必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在这种矢量控制系统中需要配留转子位置或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便。仅管如此，矢量控制技术仍然在努力融入通用型变频器中，1992年开始，德国西门子开发了6SE70通用型系列，通过FC、VC、SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制。1994年将该系列扩展至315KW以上。目前，6SE70系列除了200KW以下价格较高，在200KW以上有很高的性价比。 第三阶段: 1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论(Direct Torque Control简称DTC)。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。 转矩控制的优越性在于:转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息;控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好;所引入的定子磁键观测器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器化。这种控制方法被应用于通用变频器的设计之中，是很自然的事，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。然而，这种控制依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别(Identification向你ID),通过ID运行自动确立电机实际的定子阻抗互感、饱和因素、电动机惯量等重要参数，然后根据精确的电动机模型估算出电动机的实际转矩、定子碰链和转子速度，并由磁链和转矩的Band,Band控制 产生PWM信号对逆变器的开关状态进行控制。这种系统可以实现很快的转矩响应 [2]速度和很高的速度、转矩控制精度。 1995年ABB公司首先推出的ACS600直接转矩控制系列，已达到<2ms的转矩响应速度在带PG时的静态速度精度达土O.01%，在不带PG的情况下即使受到输入电压的变化或负载突变的影响，向样可以达到正负0.1,的速度控制精度。其他公司也以直接转矩控制为努力目标，如安川VS,676H5高性能无速度传感器矢量控制系列，虽与直接转矩控制还有差别，但它也已做到了100ms的转矩响应和正负0.2%(无PG),正负0.01,(带 PG)的速度控制精度，转矩控制精度在正负3,左右。其他公司如日本富士电机推出的FRN 5000G9,P9以及最新的 FRN5000Gll,P11系列出采取了类似无速度传感器控制的设计，性能有了进一步提高，然而变频器的价格并不比以前的机型昂贵多少。 1.2.2 变频调速系统的技术现状 控制技术的发展完全得益于微处理机技术的发展，自从1991年INTEL公司推出8X196MC系列以来，专门用于电动机控制的芯片在品种、速度、功能、性价比等方面都有很大的发展。如日本三菱电机开发用于电动机控制的M37705、M7906单片机和美国德州仪器的TMS320C240DSP等都是颇具代表性的产品。 就计算机技术在工业现场应用情况而言，可编程控制器(PLC)是目前作为工业控制最理想的机型，它是采用计算机技术、按照事先编好并储存在计算机内部一段程序来完成设备的操作控制。采用PLC控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小，PLC技术己经广泛应用于各种电机控制。 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。基于PLC的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控制方式和变频器。 1.3 变频调速系统的控制方法及其比较 a.传统的利用开环恒压比(V,F=常数)的控制方式 优势:控制结构简单、成本较低 缺点:具体来说，其控制曲线会随着负载的变化而变化;转矩响应慢，电视转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降稳定性变差等。比较适合应用在风机、水泵调这种场合。 b.单片机控制 优势:成本较低，在国内的应用广泛 缺点:设计要求考虑的问题和对待问题所要采用的措施相当复杂，对设计人员的要求非常高，与PLC相比稳定性略差。 c.PLC控制 优势:硬件简洁、抗干扰性能强，软件灵活性强、调试方便、维护量小，对设计人员的要求相对较低 缺点:设备成本较高，不适合大批量采用 1.4 系统的设计构想和主要内容 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。 通过设定交流调速系统的转速传输到PLC，PLC根据设定的转速通过模拟量输出模块，输出模拟信号控制变频器的输出频率，变频器的输出控制交流电机调速控制。变频器的转向由正/反转开关进行控制。交流调速系统的转速由测速发电机转换为相应的转速模拟信号输入模拟量的输入模块，模拟量输入模块产生的数字信号送入PLC。由开环/闭环开关控制系统在开环或闭环状态下运行。当交流调 速系统设定为开环运行时，检测到的转速信号PLC不进行处理，直接进行显示;当交流调速系统设定为闭环运行时，光电编码器将检测到的转速信号一方面由PLC与设定转速信号进行运算处理，处理过的信号送去控制变频器，另一方面将数据实时显示。本文内容安排如下: 第一章 绪论 介绍了本课题的研究目的和意义，还有变频调速系统的发展与现状。还对各种变频调速的控制方法做了简单的阐述和比较。 第二章 系统的硬件设计 介绍了系统的组成及其工作原理 ，对其外部硬件的接线和内部模拟量数字量转换模块的主要参数进行了说明，论证了本系统对于PLC和变频器的选型，介绍了变频器的快速设置方法。 第三章 系统的软件设计 介绍了系统上位机编程软件SWOPC-FXGP/WIN-C及其GOT编程软件GTdesigner2，说明了FX2n的PID控制指令，对PLC控制程序及其部分控制内容做了简单的介绍。 第四章 系统的调试及其数据分析 对设计的系统进行了现场的运行和调试，并利用现场得到的结果进行修正，说明了闭环反馈参数的计算方法及其误差产生的原因。 2 系统的硬件设计 2.1系统的组成及工作原理 系统主要由四个部分构成，即速度给定，可编程逻辑控制器件PLC、变频器，电机和测速发电机，其中速度给定由GOT完成，控制器由PLC负责，数模转换模块和变频器，电机组成了系统的被控对象，而测速发电机(光电编码器)和模数转换模块构成了系统的反馈。首先通过设置给定输入给PLC，确定选择的是开环工作模式或闭环工作模式，再通过PLC控制变频器，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。系统框图 -1所示。可编程控制器PLC接收4~20mA的转速给定信号和转速反馈信号，如图2 A/D转换变成12位数字信号，然后在PLC主机内完成PI运算，经D/A转换器输出0~20mA电流信号，在逆变器内部，把该信号对映变成不同频率，不同电压的交流信号控制交流电机的转速，最后用测速发电机完成速度反馈，形成闭环控制系统。 控制器被控对象 速度给 定 PLC GOTD/A变频M器 A/D测速发 M电机 反馈 图2-1变频调速系统的系统框图 2.1.1 外部硬件接线图 直流220V直流24V直流12V直流5V 开开开开关关关关电电电电源源源源模模模模块块块块控制操作屏零线 PLC主控制器三QSKM1 相 输 入 电 源 KM2 VF变频器 M 图2-2外部硬件接线图 2.1.2模拟量输入输出模块FX2n-4AD与FX2n4DA FX2n-4AD模拟量输入模块是一种高精度的模拟量输入模块，只要选择合适的传感器及前置放大器，就可以用于温度，压力，流量，电压和电流等模拟信号的监视与控制，FX—4AD模拟量输入模块有4个输入通道，通道号分别为CH1，CH2，CH3，CH4。输入通道用于将外部输入的模拟量信号，转换成数字量信号，即称为A/D转换，其分辨率为12位。 输入的模拟量信号可以是电压也可以是电流，输入电压或电流的选择是由用户通过不同的接线来完成的。模拟量电压值范围是—10V~10V，分辨率为5mv.如果为电流输入，则电流输入范围为4~20mA或-20mA~+20Ma,分辨率为20uA。 特点: 1)提供12位高精度分辨率(包括符号位) 2)4通道电压输入(-10~+10V)或电流输入(-20~+20mA)。 3) 每一通道都可以分别指定为电压输入或电流输入。 4)FX2N型PLC最多可连接8台。 性能指标: 1)电源:模拟电路:24V?10%V，电流为55mA(源于基本单元的外部电源)。 数字电路:5V DC 30mA (源于基本单元的内部电源)。 2)环境:与PLC基本单元一致，耐压绝缘电压:AC 5000V, 1 分钟(在所有端子和地之间) FX2n-4DA模拟量输出模块用于将可编程控制器中的12位数字量转换成模拟量输出到外部，控制外部电气设备。FX—4DA有四个输出通道，可以输出-10V到10V直流电压(分辨率:5mV)或0~20mA(分辨率:20uA)的模拟量输出。FX2n-4DA和FX2n主单元之间通过缓冲器交换数据，FX2n—4DA共有32个缓冲器，每个缓冲器16位。FX2n—4DA占用FX2n扩展总线的8个点。这8个点可以分配成输入或输出。FX2n—4DA消耗FX2n主单元或有源扩展单元5V电源槽的30mA电源。 扩展模拟量输入模块接线图(如图2-3所示) 4AD模块 瓷片电容+24V474测速发电机V++24V(PLC)红线(1) COM-24V(PLC) VI-测速发电机(1)黑线 图2-3扩展模拟量输入模块接线图 扩展模拟量输出模块及其变频器接线图(如图2-4所示) 4DA模块 +24VV1-(1) -24VV+(1) COM(PLC) 交流调速电 动机FRFC 交流接R变频器U触器三相VS交流M电源 WTKM2 SFSRSC Y4(PY6(PCOM2LC)LC)(PLC) 图2-4扩展模拟量输出模块及其变频器接线图 2.2 硬件的选型 在PLC系统设计时，首先应确定控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，下一步工作就是PLC 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 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。 2.2.1 控制对象 本次设计的被控对象是一台实验室用鼠笼式三相交流异步电动机。额定值为AC 380 V、 0. 4 kW、 极对数P= 4、 转速1 500 r/ min, Y 型连接, 中间一台是直流发电机,该机为并励直流机,其额定值为DC 250 V、0. 5 kW、 2 000 r/ min。 在系统中作为可变负载用。 本文以空载形式介绍。 最后一台为测速发电机, 额定值为DC 110 V、 200 mW、转速2 200 r / min。在系统中作为反馈装置。 2.2.2PLC小型可编程控制器的选型 FX2N-32MR型小型可编程控制器 是三菱电机小型PLC的强功能机，FX2n系列PLC由基本单元，扩展单元，扩展模块，特殊功能模块和编程器等构成。基本单元(主机)中包含CPU，储存器，I/O电路和电源，是PLC的主要部分;扩展单元是用于增加I/O点数，内部没有电源;扩展模块用于增加I/O点数和改变I/O比例，模块内部无电源，由基本单元或扩展单元供电。扩展单元和扩展模块都无CPU，必须与基本单元一起使用。特殊功能模块是为了获得某些特殊功能，，满足控制要求的特殊装置。编程器用于程序的输入，运行监视和故障分析等。所以在这里我选择了课程中学习过的三菱公司FX2N-32MR型PLC FX2n-32MR的各部分构成和说明如图2-5所示 [注]图片引用自三菱FX2N使用手册 图2-5 FX2n-32MR的各部分构成和说明 2.2.3.变频器及变频器的选型 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。 在本系统中我采用了VS mini变频器 VS mini 变频器的外形结构如图2-6所示 图2-6 VS mini 变频器的外形结构 VS mini 变频器控制端控制运行模式时的基本连线图如图2-7所示 U、 V、 W 是变频器输出, 当电机在基频以下转动时为恒转矩区, 其输出为电压与频率呈恒比值的交流信号,控制三相交流异步电动机的转速 。当电机在基频以上转动时,为恒功率区,其输出为电压不变频率变化的交流信号, 控制三相交 并且U、 V、 W 的相序任意调换两相, 则电机的转动方向改流异步电动机的转速, 变一次。 B 1B 2L1(R)U VMN/L2(S)三相电源 WL3(T) 正转运行/停止SF反转运行/停止功能控制输入SRMA故障复位 S1MB变频器的工作状态(常开常闭) MCSC逻辑公共端 屏蔽链接线 频率给定FS电源频率(+12V,20mA)给定 参考(0-10V、4-20mA)FR 2KΩFC OV 图2-7 VS mini 变频器控制端控制运行模式时的基本连线图 变频器VS mini 为我们提供了很好的BOP控制面板具体如图2-8所示。 FREFFOUTIOUT 频率参考输出频率输出电流 设定/监视监视监视绿 ACCDECF/R 加速时间减速时间正/反转运 行命令 FMAXVMAXFBAS 最大频率最大电压最大电压输 出频率红 THRMODEPRGM 电机额定电工作模式选常数/数值 流择 图2-8变频器VS mini BOP控制面板 2.3变频器的快速设置 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 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 (2-1) 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。 变频器有两种工作模式 a.数字操作盘模式 b.控制端工作模式 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 要实现快速预置，首先按下【MENU】键多次，直至切换到快速编程模式(LCD显示屏左上方显示QUICK)为止 (1) 按下【DATA/ENTER】键，立即切换到快速编程模式下的第一个功能码 “A1-02”. (2) 按【?】，【?】键，找到所需修改的功能码“C1-02”. (3) 按【DATA/ENTER】键，读出该功能码中的原油数据码“0005.0Sec”。 (4) 按【向右】键，使光标移至修改位。 (5) 按【?】，【?】键，将数据码调整为“0020.0Sec”。 (6) 按【DATA/ENTER】键，写入新数据码，此时，显示屏显示“Entry Accepted”(新数据已被接受);1s后显示当前的功能码及数据码。 (7) 预置工作尚未结束，则按【ESC】键，返回至本功能组的起始位置，重 复第(2)步以后的流程。 (8) 如全部功能的预置工作都已结束，则反复按【MENU】键，直至变频器转 为运行模式为止。 2.4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:FX2N-32MR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 n,,m/(0.1，60，8) (2-2) r/min,m 其中 为采样周期内接受到的脉冲数。转速的单位为 。 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。 3 系统的软件设计 3.1设置控制系统流程图 PID调节子程序控制算主程序流程图法流程图 初始化开始 否输出报警信读入采样转速值各部件是否正常号，警示灯闪并做相关处理烁 是 否扫描输入，是否系统待机等待计算偏差?n=期望按下启动键输入值-采样后处理 是 否用户输入给定数值并本次偏差与上次积分符号是否相同确认 前一次积分清零是开启数模转换模块是积分=上次积分+本次偏差进行转速输出，电微分=本次偏差-上次偏差机运行 读取当前转速调整差=偏差*Kp+微分*Kp+积分*Ki 否调用PID运算子是否为开环程序 将新的量赋值给输出比较寄存器是将新的量赋值比较寄存器进行调整 经过模数转换模块将转速输出 图3-1 控制系统流程图 3.2 FX2n的编程软件介绍 本次设计拟通过使用上位机，触摸屏(G0T),变频器，可编程控制器组成闭环调速系统，设计闭环调速系统的主回路和控制回路，完成一个恒速控制系统。将控制程序由上位机下载到可编程控制器后，通过触摸屏控制可编程控制器的程序运行，在触摸屏中改变设定，通过控制今儿改变变频器的频率，从而实现对电机转速的控制。 3.2.1 SWOPC-FXGP/WIN-C软件介绍 本次设计对上位机采用的编程软件为三菱公司针对FX系列PLC推出的名称为SWOPC-FXGP/WIN-C的上位机软件，它的运行环境为window95以上的版本，可对FX0/FX0S，FX0N,FX1，FX2/FX2C，FX1S,,FX1N和FX2N/FX2NC系列PLC进行程序输入及其监控PLC中各软元件的实时状态。 3.2.2 GOT及其设计软件GTdesigner2介绍 GOT(Graphic Operation Terminal-人机介面)是电子操作面板，在其监视屏幕上可进行开关操作、指示灯、数据显示、信息显示和其他一些在原有由操作面板执行的操作。显示在 GOT 上的监视屏幕数据是在个人电脑上用专用软件(GT Designer)创建的。 为了执行 GOT 的各种功能，首先在 GT Designer 上通过粘贴一些开关图形，指示灯图形，数值显示等被称为对象的框图来创建屏幕;然后通过设置 PLC CPU 中的元件(位，字)规定屏幕中的这些对象的动作;最后通过 RS-232C 电缆或 PC 卡(存储卡)将创建的监视屏幕数据传送到 GOT。本次设计使用的为三菱公司为其GT1000操作面板开发的设计软件GT designer2。 设计开关按钮窗口，使电源总开关软元件为M0，开关控制整个系统的电源的接入和切断，编辑开闭环软元件为M1，控制系统的开环/闭环状态，设计变频器启动开关软元件为M3，控制变频器是否接通，设计电机正反转的软元件选择为M2，控制电机的正/反转状态，放置数值输入窗口，转速设定软元件为D200，用于转速的输入，同时放置数值显示窗口，设定为软元件D10，用于实时将测速发电机反馈回的数据经模数转换将其显示。整个GOT的界面设计如图3-2所示。 图3-2 GOT基于PLC的变频调速的界面设计 3.3 FX2N的PID功能指令 PID控制运算 控制值输出 控制量输入 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回路运算指令的功能指令编号为FNC88，源操作数[S1],[S2],[S3]和目标操作数均为D，16位运算占9个程序步。[S1]，[S2]分别用来存放给定值SV和当前测量到的反馈值PV，[S3]~[S3]+6用来存放控制参数的值，运算结果MV存放在[D]中。源操作数[S3]占用从[S3]开始的25个数据寄存器。如图3-3所示。 PID指令用于闭环模拟量控制，在PID控制开始之前，应使用MOV指令将参数 设定值预先写入数据寄存器中。如果使用有断电保持功能的数据寄存器，不需要重复写入，如果目标操作数[D]有断电保持功能，应使用初始化脉冲M8002d的常开触点将它复位。 ，动作方向，输入滤波常数L(0~99%)，[S3]~[S3]+6分别用来存放采样周期Ts 比例增益Kp，积分时间Ti,微分增益αD(0~100%)和微分时间Td。[S3]+7~[S3]+19被PID指令占用，[S3]+20~[S3]+23用于输入，输出变化量增加，减少的报警设定值。[S3]+24的0~3位用于报警输出。 PID指令可以再在定时中断，子程序，步进梯形指令区和转移指令中使用，但是在执行PID指令之前应使用脉冲执行的MOV指令将[S3]+7清零。 控制参数的设定和PID运算中的数据出现错误时，“运算错误”标志M8067为ON，错误代码存放在D8067中。 ?Ts,扫描周期 ?[S3]的首地址元件是放置采样时间Ts取值范围1~3276ms 20ms ?[S3]+1为动作方向 ACT Bit 0 为正动作 1为逆动作 D102:输入滤波参数α，取值为0~0.99 K70 D103: 比例增益Kp，取值范围:0.01~327.67 (自动移位) K5 D104: 积分时间Ti，取值范围:0~3276.7S K2 越短则调整越快，系统越不稳定 D107~D109 不可使用 [S3]+22 D122 输出变化量报警设定值(增侧) D123 输出变化量报警设定值(减侧) [S3]+24 报警输出 S3X0 PIDD0D1D100D150 25个单位 结果 给定反馈 图3-3 FX2n的PID指令 3.4程序设计 3.4.1 程序的梯形图编程 以下程序中，M0为系统的电源开关，为1时输出Y0接通，为变频器接通电源，为0时输出Y0断开。M1 为开环/闭环 控制开关，为1时 选择闭环控制，为0时选择开环控制。M2为电机的 正/反转 控制开关，为1时选择正传，为0选择反转。M3为 电机的启动/停止选择开关，为1是启动，为0是停止。 图3-4 PLC的梯形图编程 3.4.2 指令表语句与部分语句说明 0 LD M0 1 OUT Y000 2 LD Y000 “M0接通，Y0输出，系统电源接通 3 OUT M10 且M10输出” 4 LD M3 5 AND Y000 6 MPS 7 LD M2 “M3接通，电机启动，当M2为接通 8 OR Y004 状态时，Y4输出，电机正转;当M2 9 ANB 为关断状态时，Y6输出，电机反转。 10 ANI Y006 ” 11 OUT Y004 12 MPP 13 LDI M2 14 OR Y006 18 LD M1 “M1选择接通，则跳入开环控制子 19 CJ P1 程序;当M1关断时，则跳入闭环 22 LD Y006 控制子程序” 23 ANI M1 24 CJ P2 27 LDI M1 28 AND Y004 29 DMUL D200 K1210 D210 “调用设定的开环反馈参数” 42 DDIV D210 K1000 D210 55 LDI M1 56 AND Y004 57 T0 K0 K0 H3330 K1 66 T0 K0 K1 K40 K1 75 FROM K0 K5 D215 K1 84 DMUL D214 K1090 D240 97 DDIV D240 K1000 D242 110 DMUL D242 K1000 D222 123 DDIV D222 K1210 D220 136 LD M8000 137 ANI M1 138 AND Y004 139 TO K1 K0 H0000 K1 148 TO K1 K1 D210 K1 157 MOV D220 D226 162 LDI M1 163 AND M2 164 CJ P3 167 LD Y006 “闭环控制子程序，调用闭环控制 168 ANI M1 参数进行运算” 169 DMUL D200 K1210 D210 182 DDIV D210 K1000 D210 195 LDI M1 196 AND Y006 197 TO K0 K0 H3330 K1 206 TO K0 K1 K40 K1 215 FROM K0 K5 D214 K1 224 MOV D214 D216 “将计算出的数据放入数据储 229 NEG D216 存器D216内，并求二进制补码” 232 DMUL D216 K1090 D240 245 DDIV D240 K1000 D242 258 DMUL D242 K1000 D222 271 DDIV D222 K1210 D220 284 LD M8000 285 ANI M1 286 AND Y006 287 TO K1 K0 H0000 K1 296 TO K1 K1 D210 K1 305 MOV D220 D226 310 LDI M1 311 AND M2 312 CJ P3 315 LD Y006 316 AND M1 317 CJ P4 320 LD M1 321 AND Y004 322 DMUL D200 K1210 D210 335 DDIV D210 K1000 D210 348 LD M1 349 AND Y004 350 TO K0 K0 H3330 K1 359 TO K0 K1 K60 K1 368 FROM K0 K5 D214 K1 377 CMP K0 D214 M30 384 MPS 385 AND M30 386 NEG D214 390 D214 K1090 D240 403 D240 K1000 D242 416 D242 K1000 D222 429 D222 K1210 D220 443 T200 444 T200 K5 448 D210 D232 453 D210 D242 D250 460 K0 D250 M70 468 M70 469 D250 473 K200 K500 D250 M60 482 D210 D242 M50 490 M50 491 T200 492 M60 493 D232 K1 D232 501 M50 502 T200 503 M61 504 D232 K5 D232 512 M50 513 T200 514 M62 515 D232 K10 D232 534 M52 535 T200 536 M61 537 D232 K5 D232 545 M52 546 T200 547 M62 548 D232 K10 D232 555 M8000 556 M1 557 Y004 558 K1 K0 H0000 K1 567 K1 K1 D232 K1 576 D220 D226 581 M1 582 M2 583 P3 586 M1 587 Y006 588 D200 K1210 D210 601 D210 K1000 D210 “将测速发电机反馈回的数据 614 M1 送回PLC进行模数转换，运 615 Y006 用PLC控制” 616 K0 K0 H3330 K1 625 K0 K1 K40 K1 634 K0 K5 D214 K1 643 D214 D216 648 K0 D216 M30 656 M30 657 D216 661 D216 K1090 D240 674 D240 K1000 D242 687 D242 K1000 D222 700 D222 K1210 D220 714 T200 715 T200 K5 719 D210 D232 724 D210 D242 D250 731 K0 D250 M70 739 M70 740 D250 744 K200 K500 D250 M60 753 D210 D242 M50 761 M50 762 T200 763 M60 764 D232 K1 D232 772 M50 773 T200 774 M61 775 D232 K5 D232 783 M50 784 T200 785 M62 786 D232 K10 D232 794 M52 795 T200 796 M61 797 D232 805 M52 806 T200 807 M61 808 D232 K5 D232 816 M52 817 T200 818 M62 819 D232 K10 D232 826 M8000 “将测速反馈的数值存入数据寄存 827 M1 器D226中，并在GOT中实时显示 828 Y006 ” 829 K1 K0 H0000 K1 838 K1 K1 D232 K1 847 D220 D226 852 END 4 实验调试和数据分析 4.1 系统闭环传递函数 实际上本系统在设计中把变频器的上升、 下降时间调到一秒, 而电机处于空载状态, 转动惯量很小,因此可把电机系统在控制过程中看成是快变系统,把采样时间或控制一次的时间定在四秒,因此把控制器在控制过程中看成是慢变系统,这样可把系统等效成下面的方框图形式(图4-1)所示 。 R/(S)N(s) Kp(1+1/TiS)Ks Kf 图4-1控制系统等效方框图 其中: K P 是控制器比例系数, T I 是控制器积分时间常数, R ( S ) 是速度给定, n( S) 是转速输出, K S 是变频器、 电机等在快变系统中等效的放大系数, K F 是测速机和隔离变换器等构成的等效反馈系数。则控制系统闭环传递函数为: n(s)KpKs(TiS，1), R(s)(1，KpKsKf)TiS，KpKsKf (4-1) 若给定为单位阶跃函数时，传递函数响应为: 11[,KpKsKf/(1，KpKsKf)](t/Ti)n(t),,,eKfKf(1KpKsKf)， (4-2) 实际上,本系统的调试中, 取K F= 1, 由上式可以看出,该控制方案能够保证本系统具有随动性、 无超调和无稳态误差。并且TI 越大随动性越好。适用于各种工厂的高精度控制的需要。 4.2 PID 参数整定 比例系数Kp的值的大小直接改变系数开环增益的值，增大Kp既能使系统的稳态误差减小，提高系统的控制精度，又可使系统的响应速度加快，但与此同时却会导致系统的稳定性变差，甚至使系统变得不稳定。积分环节的引入可以提高被控系统的型别，消除和减少稳态误差，但会降低系统的稳定性，且积分器的输 出只能随着积分时间的增长而逐渐跟踪输入信号的变化，因而使系统难以实现快速控制。采用微分控制器能够增大系统的阻尼，从而改变了系统的稳定度，微分控制器的缺点是会放大信号的噪声，使系统抗高频干扰能力降低。 PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数P、积分时间Ti和和微分时间Td，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。PID控制的结构框图如图4-2所示。 1)整定比例控制 将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。 2)整定积分环节 先将步骤1)中选择的比例系数减小为原来的50,80,，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。 3)整定微分环节环节 先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。 Kp比例调节 速度给定 被控对象Ti积分调节 Td微分调节 反馈 图4-2 PID控制的结构框图 模拟PID控制算法，以一系列采样时刻点，kT代表连续时间t,以矩形法数值积分近似代替积分以一阶后向差分近似代替微分，可以得到下面的离散PID表达式。 kTTd u(k),kp{e(k)，e(j)，[e(k),e(k,1)]}，u0,TiT,0j ke(k),e(k,1) (4-3) ,kpe(k)，kie(j)T，Kd，u0,T,0j kp式中，;ki,;kd,kpTd;T为采样周期Ti k为采样序号，k,1,2,.....;e(k,1)和e(k)分别第(k,1)和第k时刻所得的偏差信号导出增量式PID算法，即 ?u(k),kp[e(k),e(k,1)]，kie(k)，kd[e(k),2e(k,1)，e(k,2)](4-4) 由此可见增量式只需要保持当前及前2次共3个时刻的误差值 即可，相对位置式的PID算法，由于不是每次输入都与整个e(k),e(k,1)和e(k,2) 过去状态有关，计算式中用到过去误差的累加值 4.2 参数调整 根据模拟量输入模块AD转换关系(图4-3)计算反馈参数α 数字量输出 +2047 +2000 10.235v -10V 10V电压输入 -10.240V -2000 -2048 图4-3 FX2n-4AD模拟量输入模块AD转换关系 计算闭环反馈参数α 1000，10X,,5.6v (4-5) 1800 10.235，2047,5.6y (4-6) ,1120y 1120 ,,,1.12 1000 1 如是闭环系统则反馈为 , 经过实际实验，在计算的基础上进行几次测试，实际测得的结果如表4-1所示。 表4-1 利用计算的反馈参数α进行的调整结果 设定的转速(转/分钟) 经过的调整时间(秒) 使用的反馈参数α 1.14 600 7.8S 1.14 1200 8.5S 1.14 1800 16S 1.12 600 6.5S 1.12 1200 8S 1.12 1800 14.3S 1.09 600 6S 1.09 1200 7.2S 1.09 1800 11S 1.06 600 6.3S 1.06 1200 7.5S 1.06 1800 13S 可以看出，虽然计算得的反馈参数α为1.12，但根据实验表明，在使用α=1.09时系统经过调整时间最少，调整最为稳定。这往往是由于现场的干扰，以及测速发电机的精度不高造成的。所以还需要使用经验法进行现场调节。 经过多次参数设定比较后，当设定变频器参数: 基频50 Hz,上限频率55 Hz,下限频率0. 2 Hz,上升时间、 下降时间1 s比例系数P为10，积分时间I为0.15，微分时间D为0.01时，系统能得到比较满意的控制效果，最大超调只有两度多，在系统稳定后可以保持在?3r/min以内 5总结与体会 通过这次的设计，让我受益匪浅。在期间通过与同学们之间的交流和老师的指导，使自己学到了不少知识。除了学会了三菱FX2N型PLC 的基本知识，并掌握了Fx2n型小型可编程控制的工作原理和一些指令的功能以外，还掌握了传感器和变频器的使用方法，并且深化了我对PID控制技术的理解。 在这次课程设计中我觉得最重要的就是要有自学能力，因为这次实训中有部分知识我们之前还没有接触过，比如模拟量的控制和调节，PID参数指令的运用，因为在课堂上学习的大部分输出开关量的控制，对模拟量的了解比较缺乏，所以自己必须学会查找相关的资料。另外就是在遇到实际问题的时候，要认真思考，运用所学的知识，一步一步的去探索，是完全可以解决遇到的一般问题的。而在这次设计程序的过程中，我一开始时走了很多弯路，这也是自己的知识不够扎实的原因。不过经过自己的努力和老师的教导，最后还是做了出来。 虽然我做的变频调速闭环系统并不难，但是在设计的过程中我学到了书本上所没有学到的东西。只有理论，没有结合实际是很难做出东西的。比如在调试的过程中，遇到问题往往是书本上的知识不能直接的解决的，只要在扎实的专业知识的前提下，我们才能把东西做好。 经过这次的课程设计，让我深深的感受到理论联系实践的重要性，平时在学习中不能够透彻理解的知识，通过动手，会有更好的认知。比如这次计算出的闭环反馈参数理论数值与实际调试出的结果有很大的差距，最终还是要使用经验法进行调节。本次课程设计虽然不长，但是它给我们带来了很多收获。它使我意识到自己的操作能力的不足，在理论上还存在很多缺陷。所以在以后的学习生活中，我会更加努力地加强理论联系实践的学习，在努力学好专业知识的同时努力加强自己的专业技能方面的能力，使自己的知识在实践中不断增长，在实践中锻炼自己，培养自己各方面的能力，不断提高自己的能力。 致谢 毕业论文暂告收尾，这也意味着我在徐州师范大学的四年的学习生活既将结束。回首既往，自己一生最宝贵的时光能于这样的校园之中，能在众多学富五车、才华横溢的老师们的熏陶下度过，实是荣幸之极。在这四年的时间里，我在学习上和思想上都受益非浅。这除了自身努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。 非常感谢包建华老师在我大学的最后学习阶段——毕业设计阶段给自己的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，他给了我耐心的指导和无私的帮助。为了指导我们的毕业论文他放弃了自己的休息时间，他的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向老师表示我诚挚的谢意。同时，感谢所有任课老师和所有同学在这四年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下。 时间的仓促及自身专业水平的不足，整篇论文肯定存在尚未发现的缺点和错误。恳请阅读此篇论文的老师、同学，多予指正，不胜感激～ 参考文献 [1] 邹伯敏.自动控制理论(第3版)[M]. 北京:机械工业出版社，2007 [2] 王兆义，杨新志.小型可编程控制器实用技术(第2版)[M].北京:电子工业出版社，2009 [3] 王兆安，黄俊.电力电子技术(第4版) [M].北京:机械工业出版社， 2009 ( [4] 何新军，罗隆福.基于FX_2N_PLC控制的变频调速闭环系统[D].2010 [5] 廖常初.可编程序控制器应用技术(第4版) [M].重庆: 重庆大学出版社， 2006 [6] 张燕宾.电动机变频调速图解[M]. 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