基于PLC的变频闭环调速及其应用课程设计

漳州师范学院

课 程 设 计 报 告

课题名称：基于PLC的变频闭环调速及其应用

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摘要：

一种基于FX2NPLC控制的变频调速的闭环控制系统及其在液位控制中的应用，在电机速度闭环控制中，由同轴编码器对电机测速，经PLC内部A/D转换后与给定值比较再由PID运算控制得出的值经D/A转换后输出给变频器，从而闭环控制电机的转速。 关键词：plc 变频器 pid

1 引言 ............................................................................................................................. 3 2 系统设计 ...................................................................................................................... 3

2.1 设计目的 ............................................................................................................ 3 2.2 设计要求 ............................................................................................................ 3 2.3 设计思路 ............................................................................................................ 3 2.4 系统框图 ............................................................................................................ 4 2.5 硬件接线图 ......................................................................................................... 4 3 各硬件模块简介............................................................................................................ 4

3.1 变频器 ................................................................................................................ 4

3.1.1 变频器主要功能 ........................................................................................ 4 3.1.2 变频器平面图 ............................................................................................ 5 3.2 同轴编码器 ......................................................................................................... 5 3.3 PLC模块 ............................................................................................................. 5 4 软件设计 ...................................................................................................................... 6

4.1 软件流程图 ......................................................................................................... 6 4.2 A/D输入模块程序................................................................................................ 6 4.3 D/A输出模块程序 ............................................................................................... 6 4.4 PID参数整定 ....................................................................................................... 7 5 系统测试 ...................................................................................................................... 7

5.1 测试方法 ............................................................................................................ 7 5.2 测试中遇到的问题 .............................................................................................. 8 6 应用扩展 ...................................................................................................................... 8 PLC 在空压机变频调速系统中的应用 .............................................................................. 8

6.1 总体设计方案 ..................................................................................................... 8 6.2控制系统的硬件设计 ............................................................................................ 8

6.2.1系统的硬件选型 ......................................................................................... 8 6.2.2电气控制系统的 PLC 外部接线图 .............................................................. 9 6.3控制系统 PLC 程序和人机界面的设计 .............................................................. 10

6.3.1 PID 调节运算程序 ................................................................................... 10

6.3.2 PLC 与变频器基于 MODBUS 通信程序 .................................................. 10

6.3.3人机界面的设计 ....................................................................................... 12

7总结 ............................................................................................................................ 12 8 参考文献 .................................................................................................................... 12 9 附录 ........................................................................................................................... 12

1 引言

随着变频调速技术的应用日益广泛,应用水平的不断提高,对变频调速控制系统的精度要求也越来越高。目前,许多变频调速装置属于开环控制方式,不能满足有较高精度的控制要求。为提高开环变频调速器控制精度,本系统采用有编码器速度检测的、由高性能FX2NPLC 调节控制的闭环系统。

2 系统设计

2.1 设计目的

1．利用可编程控制器及其模拟量模块，通过对变频器的控制，实现电机的闭环调速。 2．了解可编程控制器在实际工厂生产中的应用及可编程控制器的编程方法。

2.2 设计要求

电机的实际转速在较快的时间内接近给定目标转速，并且能够稳定运行。当改变给定速度时，电机能快速响应达到接近给定值。

2.3 设计思路

变频器控制电机，电机上同轴连旋转编码器。编码器根据电机的转速变化而输出电压信号Vil 反馈到PLC模拟量模块（Fx2n-3A）的电压输入端，在PLC内部给定量经过运算处理后，通过PLC模拟量模块的电压输出端输出一路DC0~+10V电压信号Vout来控制变频器的输出，达到闭环控制的目的。

运算方案一：采用数学运算，当反馈值小于给定值时，让控制信号Vout加适当值。同理，当反馈量大于给定值时，用软件给控制信号减适当值。

运算方案二：采用PID控制，对其设定整定的参数，只要给它控制信号，它将会输出理想的结果。

方案比较：

如果采用纯粹的数学运算，因为控制模块的滞后等原因，其输出结果并不如人意，系统响应慢、不稳定，如果操作失误，将会给硬件造成损伤。

而如果采用PID控制，因其不需要被控对象的数学模型，有较强的灵活性和适应性且使用方便，所以运用它可以得到比较满意的结果。

结论：采用PID控制

测速方案一：采用测速电动机

测速方案二：采用同轴编码器测速 方案比较：

测速发电机的输出特性存在死区和非线性区,且体积大、误差大,一般适用于测速精度要求不高的系统。

采用编码器测速, 其输出高频脉冲经FX2NPLC 高速计数器计数,经过量化可得到精度很高的转速。

结论：采用编码器测速

2.4 系统框图

2.5 硬件接线图

3 各硬件模块简介

3.1 变频器

3.1.1 变频器主要功能

变频器的主要任务是将工频电源转换为频率和幅度可调节的交流到交流的变频器，是当前应用最广的交流调速设备，变频器的功能不是以调速为目的，而是控制某一过程为目的。它有完善的保护功能:变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别(如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等)，并立即封锁输出电压。这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。

3.1.2 变频器平面图

3.2 同轴编码器

同轴编码器可以将电动机的转速按比例转换成电压信号，通常是0~5V

旋转编码器是用来测量转速的装械量转换成相应的电脉冲置，光电式旋转编码器通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机以数字量输出（REP）。它分为单路输出和双路输出两种。技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组A/B相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向

3.3 PLC模块

PLC特点：第一，可靠性高、抗干扰能力强，平均故障时间为几十万小时。而且PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施。第二，编程简单、使用方便目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。一些PLC还根据具体问题设计了如步进梯形指令等，进一步简化了编程。第三，设计安装容易，维护工作量少。第四，适用于恶劣的工业环境，采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。第五，与外部设备连接方便，采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子功能适合于多种电气规格。第六，功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。

4 软件设计

4.1 软件流程图

4.2 A/D输入模块程序

4.3 D/A输出模块程序

4.4 PID参数整定

5 系统测试

5.1 测试方法

1．按下表对变频器进行参数设置; Pr.30 1 Pr.73 1 Pr.79 4 N10 0

2.按接线图正确将导线连接完毕后，将程序下载致PLC主机，将“RUN/STOP”开关拨到“RUN”。

3．先设定改定值。点击标准工具条上的“软件园测试”快捷项，进入软件园测试对话框。在“字软元件”栏中的软元件项中键入D0，确定电动机的转速，输入的设定值N为十进制。如：N=1000，则电机的转速目标值就为1000 转/min。

4．按变频器面板上的RUN，启动电机转动。电机转动平稳后，记录给定目标转速、电机实际转速、和他们的偏差、再改变给定值观察电机转速的变化并记录数据到下表格。 给定目标转速 （r/min）

电机实际转速 （r/min） 变频器输出频率 （Hz） 最大震荡偏差 5.2 测试中遇到的问题

1．因初次接触变频器，当对变频器进行参数设定时，不够熟练，有时会把参数设定错误，给系统造成不稳定。

2．在整定PID参数时遇到的问题比较多，比例积分微分三者的参数要相互配合，因自己没有比较扎实的自动控制理论知识，所以在对参数设定时都是比较模糊的设定，随结果的变化来改进参数值

3.在做实验的时候，心不要太急，一急就很容易做错，做事要细心，冷静。

6 应用扩展

PLC 在空压机变频调速系统中的应用

6.1 总体设计方案

空压机组采用 PLC 作为主控制器并扩展数字量输入和模拟量输入模块 , 由变频器拖动 2 台主空压机组运行 , 采用触摸屏作为系统人机界面的总体设计方案。 这样 , 由压力传感器 ( 变送器 ) 、温度传感器、PLC 、变频器、空气压缩机组等元件、设备组成闭环反馈控制系统 , 能够自动地调节空压机组的转速 , 使供气系统空气压力稳定在设定值上 , 实现空压机的恒压供气控制和节能降耗。

6.2控制系统的硬件设计 6.2.1系统的硬件选型

(1) 主控制器。 根据控制要求和控制规模的大小 , 选用了 西门 子公司 S7- 200 系列

小型 PLC 的CPU 224XP 作为系统的主控制器。 该 CPU 集成了数字量 14 入 /10 出 , 模拟量 2 入 /1 出 , 有 2 个通信口PORT0 和 PORT1, 均为标准的 RS- 485 口 , 可在三种方式下工作 (PPI 方式、 MPI 方式和自 由通信端口方式 ) 。 选用其中的通信端口 1 引出 RS- 485 串行总线与功能扩展槽加装了 MODBUS 适配器的大功率变频器相连 , 可与之进行基于 MODBUS 协议的 RS-485 串行通信。 通过

MODBUS 通信 PLC 可以控制变频器的启停和给定参考速度 , 实时读取变频器的主要运行参数 , 如频率、电流、电压和功率等。

(2)I/O 扩展模块。 主机系统扩展了 1 块数字量输入模块 EM221 和 1 块模拟量输入模块 EM231, EM221 模块含 8 个数字量输入 ,EM231 模块有 4 个输入通道 ( 可接收 0 ～ 10 V 电压、 4 ～ 20 mA 电流等标准电信号 ) 。 模拟量输入通道接收现场压力 、温度模拟信号并将其转换为与之成比例的数字值 , 由测量值与设定值进行比较运算 , 在 PLC 内部通过相应的控制算法经串行总线输出后实时控制变频器的

输出

频率 , 从而调节空压机组的转速 , 使供气系统出气压力稳定在期望的压力设定值上。 (3) 变频器。 选用了 ABB 公司 ACS800 系列变频器 , 并加装了 MODBUS 适配器 NNMBA - 01 以便引入 MODBUS 串行通信的接口 。

(4) 人机界面。 选用上海步科电气 Eview 触摸屏 M510 系列作为电气控制系统的人机界面。

空压机组 PLC 控制系统的硬件总体框图 , 如下图所示。

ACS800 变频器采用手动 / 自 动控制 , 在图 1 中ACS800 的数字量输入端 DI3 为自动 / 手动工作方式选择输入端。

6.2.2电气控制系统的 PLC 外部接线图

空压机组电气控制系统的硬件设计主要包括主电路和控制电路的设计等。 空压机组电气控制系统的 PLC 外部接线图 , 如下图所示。

6.3控制系统 PLC 程序和人机界面的设计

按照结构化的软件设计思想 , 整个控制系统的程序主要包括主程序 ( 系统初始化、空压机组逻辑控制、调用各子程序和中断程序等 ) 、 PID 调节运算子程序和 PLC 与变频器 MODBUS 串行通信子程序等各个程序模块。 下面将重点介绍 PID 调节运算子程序和 PLC 与变频器 MODBUS 串行通信子程序的设计思想。

6.3.1 PID 调节运算程序

压力模拟量信号经CPU224 模拟量输入通道和EM231 模块 A/D 变换后成为数字量 , 可以使用西门子S7- 200内部 PID 指令进行模拟量的调节运算。但实际使用的效果表明 , 系统的压力控制精度经常达不到指定的控制精度 , 且调节过程过长。为了将 智能控制的优点和传统的PID调节功能良好地结合起来,这里采用自己编写的离散化增量式 PID 算法结合模糊控制算法进行调节运算后再通过MODBUS串行通信总线送入变频器ACS800 中,从而对变频器的频率进行实时地调节控制。

6.3.2 PLC 与变频器基于 MODBUS 通信程序

(1)ACS800变频器通信参数的设置。在变频器ACS800中需要设置的与MODBUS总线通信相关的主要参数如下:将参数98组(ENCODER MODULE) 中的参数9802(COMM PROT SEL) 设为 1(STD MOD 2BUS), 参 数9807(COMM PROFILE) 设为1(ABBDRIVES); 根据主站的通信格式设置参数52组 (STANDARD MODBUS) 中有关波特率、数据长度和校验方式的参数,其中参数 5201(STATION NUM 2BER)设为1(1号站 ), 参数5202(BAUDRATE)

设为9600(9600 bit/s), 参数5203 (PARITY) 设为1 (NONE1STOPBIT);10组参数

1001(COMM 1 CW) 外部命令设为 1( 通信控制 ), 参数 1105 设为 50( 最大给定频 率 为 50 Hz); 参 数 16 组 中 的 1601 选 择COMM 1 CW( 位三 ), 即通信允许运行 , 参数 1604 选择COMM 1 CW( 位 7), 即故障通信复位。 变频器中其他参数组 , 如 1 组、 15 组等可根据相应控制要求再进行具体的设置。

(2)PLC 与变频器通信程序的设计。 MODBUS通信协议是工业控制器中常用的一种网络协议 , 是莫迪康 (MODICON) 公司于 1978 年推出的一种用于电子控制器进行控制和通信的协议。 该协议的开放性、可扩展性和标准化使之成为一个通用的工业标准 , 不同厂商生产的控制设备可以简单可靠地连成一个网络 , 进行系统的集中监控。 目前 MODBUS 协议已经成为最流行的总线通信协议之一。 本控制系统中 PLC 与变频器串行通信就使用了 MODBUS 通信协议 , 使用该通信协议 PLC 可以对变频器写控制字、读状态字等 , 实现二者之间双向 、高速的数字通信。 在 MODBUS 控制器的存储器中 , 控制字、状态字、参数和实际值的寻址 , 见下表1。

根据上面的介绍 , 使用 ABB 传动通信协议的控制字控制变频器启停的方法如下 : 设置变频器参数1001 为 1 后 , 初始化变频器控制字 , 即向 ABB 传动通信协议的控制字 (MODBUS 寄存器 40001) 中写入1142(16 进制数为 476); 延时 100 毫秒后 , 进入可进行下一步的操作 ; 停止电机 , 即主机向 ABB 传动通信协议的控制字 (MODBUS 寄存器 40001) 中 写入1143(16 进制数为 477); 启动电机 , 即主机向 ABB 传动通信协议的控制字 (MODBUS 寄存器 40001) 中写入 1151(16 进制数为 47F) 。

具体的串行通信程序需要使用西门子 S7- 200PLC 通信指令中的发送、接收指令 (XMT 和 RCV) 来实现通信数据的收发操作 , 在控制字符串发送完成后触发中断事件 26( 端口 1 发送完成 ) 再进行状态字符串的接收。 接收到的字符串还需要单独编写CRC 校验程序以便对接收到的字符进行校验 , 具体程序这里不再给出 。

6.3.3人机界面的设计

控制系统的人机界面采用的是上海步科电气Eview 触摸屏 MT510 系列 。 该款触摸屏具有界面美观、人机对话友好等优点 。 通过触摸屏窗口可以设定、修改关键运行参数和配方的下载、编辑。 同时 ,通过触摸屏可以进行空压机组操作流程、运行状态和报警的显示 , 并且可以形成实时数据曲线和数据报表以供显示和打印 。 空压机组电气控制系统触摸屏参数显示界面 , 如图 3 所示。

7总结

本文所述电气控制系统在采用 基于 MODBUS通信、使用 PLC 和变频调速技术的改造设计方案后 , 控制系统整体运行安全、稳定、可靠 , 提高了控制系统的自动化水平和管道出气压力的控制精度。同时 , 大大地节约了空压机组能源的消耗 , 降低了设备的运行成本 , 现已取得了比较明显的经济效益和社会效益。

8 参考文献

[1]洪清辉.PLC实验讲义[M].漳州:漳州师范学院出版社,2006：48-49 [2]缪常初.FX系列PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2010 [3]季汉棋. 用PLC 实现电动机的变频调速[J ] . 现代机械,2003 ,13 (6) :64 - 67.

9 附录

1 程序

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qumg.html