基于plc与变频器的交流调速控制系统设计毕业论文

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1、北京信息科技大学毕业设计（论文）题目：基于PLC与变频器的交流调速控制系统学院：自动化学院专业：电气工程及其自动化学生姓名：王哲 班级/学号：电气0801/2008010931指导老师/督导老师：付晓辉起止时间：2012年00月00日至2012年00月00日摘要随着电力电子技术和自动控制技术的日益发展，电动机的调速已经从继电器控制时代发展到今天的由变频器控制调速。且在工业各个领域中得到了极为广泛的应用。在现在的工业自动化控制系统中，最为常见的是由PLC控制变频器实现电动机的调速控制。该方法主要通过程序来控制电动机的变频调速，从而实现了自动控制。 本文所研究的交流电机调速系统采用PLC来控制变频

2、器调速，充分发挥可编程控制器的高可靠性、灵活性、通用性、扩展性等优点，通过PLC的开关量输入输出模块控制变频器的多功能输入端、实现电机的多级调速，期间并通过RS485传输技术建立PLC与变频器的PROFIBUSP-DP通讯进而完成PLC控制变频器调速系统的方案设计和全部的控制系统设计。关键词：变频器；可编程控制器；PROFIBUSP-DP通讯AbstractAlong with the power electronic technology and the development of automatic control technology, the motor speed from rel

3、ay control the development of The Times has to todays speed is controlled by frequency converter. And in the industrial fields of extremely extensive application obtained. In todays industrial automation control systems, the most common is controlled by PLC inverter realize speed regulation control

4、motors. The method mainly through the procedures to control the frequency conversion motor, so as to realize the automatic control. In this paper, the study by AC motor speed control system using PLC to control the frequency converter speed control,programmable logic controller and give fullplay to

5、the high reliability，flexibility,versatility，scalability，etc,through the PLC switches to control the volume of input and output modules multi-functional inverter input to achieve the multi-stage motor speed control,during the RS485 transmission technology through the establishment of the PLC and inv

6、erter PROFIBUSP-DP communication to complete the PLC control program inverter speed control system design and all of the control system design.Keywords: The alternating current; PLC; PROFIBUSP-DP communicatio目录摘要（中文）. （英文）.第一章 概述.1.1 PLC和变频器控制交流电机的调速的发展与现状.1.2 PLC和变频器控制交流调速的目的. 研究内容.1.4 预期目标.第二章 系统方

7、案设计.2.1 变频调速系统.2.2 系统的控制要求.2.3 方案的确定.2.4 PROFIBUS的通讯原理.2.5 RS485传输技术.第三章 系统硬件设计.3.1 可编程控制器.3.2 交流电机的运行理论.3.3 变频器.3.4 PLC的I/O分配.3.5 变频器设置.3.6 硬件接线图.第四章 系统软件设计.4.1 编程软件的介绍.4.2编程原则.4.3 数字PID控制算法.4.4软件流程图.4.5 PLC程序设计.第五章 系统实验及数据分析.结束语.参考文献.附录.第一章 概述1.1 PLC和变频器控制交流电机的调速的发展与现状随着电力电子技术和自动控制技术的日益发展，电动机的调速已经

8、从继电器控制时代发展到今天的由变频器控制调速。且在工业各个领域中得到了极为广泛的应用。在现在的在工业自动化控制系统中，最为常见的是由PLC控制变频器实现电动机的调速控制。该方法主要通过程序来控制了电动机的变频调速，从而实现了自动控制1。交流调速系统的发展与应用领域直流电气传动和交流电气传动在19世纪先后诞生。在20世纪的大部分年代里，鉴于直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速传动都采用直流电动机，而约占电气传动总容量80%的不变速传动则采用交流电动机，这种状况在一段时期内已成为一种举世公认的格局。20世纪70年代后，随着大规模集成电路和计算机控制技术的发展以及现代控制理论的应用，交流调速系统

9、逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美2。目前，交流调速技术在工业发达国家已得到广泛应用。美国有60%-65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了交流调速技术，仅工业传动用电就节约了15%-20%的电量。而高性能电力、电子器件的应用更是推动了交流调速系统的发展，例如在通用变频器方面，针对中、低压应用领域的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的高开关频率使得高性能的变频器成为可能，而在以后出现的智能功

10、率模块（IPM），更加简化了通用变频器的设计。此后，交流调速系统主要沿用下述三个方向发展和应用。(1)一般性能的节能调速。在过去大量的所谓不变速交流传动中，风机、水泵等机械总容量几乎占工业电气传动总容量的一半，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过去交流电机本身不具备调速性能，不得不依赖挡板和阀门来调节送风或供水的流量，许多电能因而白白地浪费掉了。如果把这些设备的控制系统换成交流调速系统，就能节省消耗在挡板和阀门上的能量。根据有关计算统计，由于风机、水泵对调速范围和动态性能的要求都不高，只需要一般的调速性能就已足够，那么换成交流调速系统以后，每台风机、水泵平均约可节能20%，这种节能效果是

11、非常可观的。(2)高性能交流调速系统。许多在工艺上就需要调速的生产机械，过去多用直流传动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、转动惯量小、效率高，如果改成交流调速传动，显然能够带来不少的效益3。交流调速系统的国内外研究现状近年来随着电力电子技术和微电子技术的迅猛发展以及现代控制理论和计算机控制技术的应用，交流调速领域发展非常迅速，交流传动技术取得了突破性的进展，获得了许多创造性的成果。自从70年代矢量控制技术发展以来，从理论上解决了交流调速系统在静、动态性能上与直流传动相媲美的问题4。1.2 PLC和变频器控制交流调速的目的目前，我国的能源消费仅次于美国，位列世界第二

12、，但国民生产总值却排在第八位左右，其中最重要的原因之一就是单位产值能耗太大。我国具有各类风机约780万台，水泵4000万台，空压机560万台，这些装置又占去了电机耗电的一半以上。由于这些设备一般均采用恒速驱动，每年造成大量能源浪费。国家在规划中指出：坚持开发节约并重、节约优先，按照减量化、再利用、资源化的原则，大力推进节能节水节地节材，加强资源综合利用，完善再生资源回收利用体系，全面推行清洁生产，形成低投入、低消耗、低排放和高效率的节约型增长方式。实行有利于资源节约的价格和财税政策。强化节约意识，鼓励生产和使用节能节水产品、节能环保型汽车，发展节能省地型建筑，形成健康文明、节约资源的消费模式。

13、我国对交流变频调速技术的研究起步较晚，到上个世纪90年代才有产品出现，采用的控制技术几乎都还只是V/F控制，调速性能根本无法与国外产品相比。目前在中、低压交流传动中，变频器的使用越来越多，而我国在研究矢量控制系统所需的各种硬件条件已经具备，如已出现的智能化功率器件（IPM），其电压等级、开关频率都有很大的提高；数字化控制元件也已出现单指令周期10ns的高速数字信号处理器（DSP）和几乎能完成一个系统功能的专用集成电路。变频调速已成为电动机调速的最新潮流，有其自身的特点和优点，随着交流电动机变频技术的日趋完善和推广应用，特别是在矿用大功率高压设备中的绞车、提升机、通风机、带式输送机等矿用设备上的

14、应用效果则更加明显。对耗电大、生产环境恶劣的煤炭行业推广应用变频技术更具有现实意义。本课题以PLC和变频器控制交流调速为研究对象，设计出基于PLC和变频器控制交流调速系统的实验装置。本论文的选题不论是从理论上还是从实践上都有十分重要的意义。基于PLC与变频器的交流调速控制系统构成1. 硬件包括：A、 PLC224XP 控制器1台B、TD400C 1台C、按钮2个D、MM440 变频器1台E、变频器操作面板F、变频电机2.软件列表：STEP7 MICROWIN选用V4.0 STEP7 MICROWIN 该编程软件是专为西门子公司S7-200系列小型机而设计的编程工具软件，使用该软件可根据控制系统

15、的要求编制控制程序并完成与PLC的实时通信，进行程序的下载与上传及在线监控。 基于PLC与变频器的交流调速控制系统功能1. 转速的闭环控制：转速指令由监控程序按照要求给定，通过变频器提供相应频率的电源给电机；与电机同轴连接的编码器的转速检测信号被送到上位机中，而不是送到变频器中，从变频器传送过来的转速信号只作参考。转速稳定控制采用常用的PID控制，由监控软件的程序实现，而不是采用变频器的PID功能，通过监控画面给负载转矩一个短时间的扰动，观察电机运行状态的变化情况，判断电机运行的稳定性。2. 电机的起动，制动和调速：对电机做起动试验时，可以根据变频器的使用手册，设置起动模式，也可以通过编程自己

16、设定起动模式，包括起动时间和加速度变换规律。在做调速试验时，通过监控界面的操作按钮和滑动块很容易改变转速，同时在调速的过渡过程中可以观察电机的转速，转矩，电流和功率的变化情况，及工作点的变动。3. 电机的启动能力和过载能力研究：通过编程或监控界面设定负载（空载，满载），来观察电机的空载运行特性（各相电压和电流的平衡性）和额定负载的起动性能（起动时的电流，转矩和起动时间）。在正常运行中，短时间内突然增大负载转矩以致超载，观察电机的过载性能（包括转速和电流），确定堵转转矩。 控制目的1、通过S7-200PLC给MM400变频器多段位电信号控制电动机，实现电动机15段速运行。2、熟悉S7-224XP

17、 PLC的使用方法。3、熟悉变频器的操作方法。4、观察电动机的空载特性。控制内容按下电动机启动按钮，电动机启动运行在5Hz所对应的转速：延时10s后，电动机升速运行在10Hz对应的转速，再延时10s后，电动机继续升速运行在20Hz对应的转速：以后每隔10s，则速度按图1依次变化，一个运行周期完后会自动重新运行。按下停止按钮电动机停止运行。图1初步方案：按照系统设计功能的要求，初步确定系统PLC，变频器（具有RS-485通信功能）和交流电机共3个模块组成，其工作原理为：给定速度与经由经PLC运算可得控制量，再由RS-485接口输出到变频器以驱动交流电机，从而达到调节电机转速的目的。由于PLC与变

18、频器之间没有采用D/A进行转换，而是采用RS-485进行数字通信，有效的提高了系统的抗干扰能力。变频调速系统框图如图2所示。图2系统中，PLC采用西门子S7-200，变频器选择MM440。S7-200是一种小型的可编程控制器，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。MM440变频器是全新一代可以广泛应用的多功能标准变频器，其高性能的矢量控制技术、低速高转矩输出、良好的动态特性、超强的过载能力、创新的BiCo(内部功能互联)功能以及无可比拟的灵活性，使其成为

19、市场上的热销产品。MM440新一代变频器不同于其他变频器的一个显著特点是：它给用户提供的是一个完全开放的编程平台，MM440变频器具备了6个可编程的带电位隔离的数字输入、2个可作为第7/8个数字输入的模拟输入(0V至10V，0mA至10mA，可标定)和2个可编程的模拟输出(0mA至20mA)、3个可编程的继电器输出(30V直流/5A，电阻性负载;250V交流/2A，电感性负载)。用户可根据自己的需要最大限度的合理使用有限的资源实现尽可能复杂的控制特性。重点和难点：此设计分为硬件部分和软件部分，设计的重点在于软件部分各模块的程序编写及调试。设计的难点在于把功能需求与程序设计一一对应，由顶层开始设

20、计，并最终完成调速系统的完美实现。第二章：系统方案设计 变频调速系统 三相交流异步电动机的结构和工作原理三相交流异步电动机是把电能转换成机械能的设备。一般电动机主要由两部分组成：固定部分称为定子，旋转部分称为转子。三相交流异步电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则来确定。因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力，电

21、磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。 变频调速原理变频器可以分为四个部分，如图3所示。通用变频器由主电路和控制回路组成。给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。主电路包括整流器、中间直流环节（又称平波回路）、逆变器。图3变频器简化结构图整流器。它的作用是把工频电源变换成直流电源。平波回路（中间直流环节）。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动状态还是发电状态，起始功率因数总不会等于1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件电容器或电感器来缓冲，所以中间直流环节实际上是

22、中间储能环节。逆变器。与整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率。逆变器的结构形式是利用6个半导体开关器件组成的三相桥式逆变器电路。通过有规律的控制逆变器中主开关的导通和断开，可以得到任意频率的三相交流输出波形。控制回路。控制回路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路，驱动电路和制动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制，以及完成各种保护功能。控制方式有模拟控制或数字控制。 变频调速的基本控制方式普通控制型V/f通用变频器普通控制型V/f通用变频器是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路比较简单；电动机选择通用标准异步电动机，因此其通

23、用性比较强，性价比比较高，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。具有恒定磁通功能的V/f通用变频器为了克服普通控制型的V/f通用变频器对V/f的值进行调整的困难，如果采用磁通反馈，让异步电动机所输入的三相正弦电流在空间产生圆形旋转磁场，那么就会产生恒定的电磁转矩。这样的控制方法叫做磁链跟踪控制。由于磁链的轨迹是靠电压相加矢量得到的，所以磁链跟踪控制也叫做电压空间矢量控制。矢量控制方式矢量控制方式的基本思想是：仿照直流电动机的调速特点，使异步交流电动机的转速也能通过控制两个互相独立的直流磁场进行调节。矢量控制方式分为无速度传感器的矢量控制和有速度传感器的转速或转矩闭环矢量控制。无速度传感

24、器的矢量控制。它是对异步电动机进行单电动机传动的典型模式。主要性能是：在1：10的速度范围内。速度精度小于0.5%，转速上升时间小于100ms；在额定功率10%的范围内，采用电流闭环控制的转速开环控制。工作模式可采用软件功能选择。当工作频率高于额定频率的10%时，进入矢量控制状态。转速的实际值可以利用由微型机支持的对异步电动机进行模拟的仿真模型来计算。有速度传感器的转速或转矩闭环矢量控制。这种方式的主要特征更是：在速度设定值的全范围内，转矩上升时间大约为15ms，速度设定范围大于1：100；对于闭环控制而言，转速上升时间不大于60ms。2.2 系统的控制要求本系统的结构如图4所示。变频器 PL

25、C控制信号M触摸屏图4系统的结构图由图4可知，本文通过PLC控制变频器达到变频调速的目的，从而实现交流电机的正反转、起停、加速、减速控制以及速度的调节，并且能够在在触摸屏上进行操作，控制电机调速。2.3 方案的确定.1 PLC的选择S7-200CN系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200CN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S7-200CN系列具有极高的性能/价格比。S7-200CN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

26、模块.2 闭环控制的选择同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。为提高控制精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采用按扰动的控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充而构成复合控制系统。 变频器的选择随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速己应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速得到广泛应用。其功能较强，使用灵活，但

27、其价格相对较贵。所以我选用了通用变频器，通过合理的配置、设计和编程，同样可以达到专用变频器的控制效果。本设计采用的变频器是西门子公司面向世界推出的21世纪通用型变频器MM440。它可实现平稳操作和精确控制，使电动机达到理想输出，这种变频器不仅考虑了V/f控制，而且还实现了矢量控制，通过其本身的自动调谐功能与无速度传感器电流矢量控制，很容易得到高起动转矩与较高的调速范围。MM440变频器的特点如下：包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化。有丰富的内藏与选择功能。由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小。保护功能完善、维修性能好。通过LCD操作装置，可提高操作性能。2.4 PROFI

28、BUS的通讯原理PROFIBUS是一种应用较为广泛的现场总线，其总线标准是国际总线标准ie61158的重要组成部分。PROFIBUS具有开放式系统，令牌结构，以互联网（open system interconnection-sio）作为参考模型。有3个兼容部分组成部分即PROFIBUS-DP，PROFIBUS-PA，PROFIBUS-FMS。其中DP是一种高速低成本通讯，用于设备级控制系统与分散式I/O的通讯。采用rs485数据接口，传输介质用光纤或双绞电缆，传输波特率从（9.6k12m）bps，传输距离可以通过repeter进行扩展，每个dp网上可以同时配置122个从站，是一种功能强大的现场

29、总线。2.5 RS485传输技术PROFIBUS经常使用的是RS485传输技术，其基本特点见表1。这种传输技术类似于IEC标准的HZ，安装十分简单，总线结构允许增加或移去站点，或者分步扩展系统而不影响其他站的工作。传输速率为9.6Kbps12Mbps。一旦系统安装完毕，只能选定一种传输速率。在一根电缆段上可以连接32个站点，如果使用中继器，总线上最多可以挂126个站。RS485传输技术见表1传输介质双绞屏蔽电缆站点数不用中继器时，每段最多32个站，用中继器时，可扩展到126个站连接器对IP20用9针D型连接器对IP65/67用MR，HAN BRID或西门子混合型连接器传输速率（bit/s）-1

30、2M电缆的最大长度（M）100-1200表1 RS485传输技术第三章 ：系统硬件设计可编程控制器可编程控制器基本知识可编程控制器简称PC（Programmable Controller），它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为

31、在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。可编程控制器（PLC）是微电子技术、继电器控制技术和计算机及通信技术相结合的新型通用的自动控制装置。PLC具有体积小、功能强、可靠性高、使用方便、易于编程控制、适于工业应用环境等一系列优点，因此广泛应用于各行业的控制系统

32、中，如机械制造、电力、交通、轻工、食品加工等行业。PLC既可用于旧设备改造，也可用于新产品开发，在机电一体化、工业自动化等方面应用极其广泛。可编程控制器（PLC）广泛地应用于工业控制。它通过用户存储的应用程序来控制生产过程，具有可靠性高、稳定性好和实时处理能力强的优点。PLC是把计算机技术与继电器控制技术有机地结合起来，为工业自动化提供近乎完美的现代化自动控制的装置。可编程控制器的特点1.可靠性高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电

33、器控制系统1/101/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中

34、除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2.硬件配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位

35、置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3.易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4.系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对

36、于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5.体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/21/10。它的重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。可编程控制器的工作原理1 扫描技术当PLC投入运行后，其工作过程一

37、般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。1）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。2)用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地

38、扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，

39、其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。3） 输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程

40、序执行、输出刷新等所有时间的总和。可编程控制器的选择目前，PLC产品大致可分为美国、欧洲国家、日本三大主流。在PLC选型时，反复比较，编者选中了目前流行的、有较高性价比的西门子S7-200系列小型PLC。该型号的PLC指令丰富、功能强大，其占有率在国内市场正处于上升趋势。选择西门子S7-200的PLC，CPU224的结构图如图2所示。本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。16K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口

41、，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。交流电机的运行理论(1)当三相异步电机接入三相交流电源(各相差120度电角度)时，三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势并产生旋转磁场，该磁场以同步转速n0沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转。(2)该旋转磁场与转子导体有相对切割运动,根据电磁感应原理,转子导体产生感应电动势并产生感应电流。(3)根据电磁力定律，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。载流的转子导体在定子产生的磁场磁场中受到电磁力作用，电磁力对电机转子轴形成电磁转矩，驱动电

42、机转子沿着旋转磁场方向旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。变频器原理介绍（1）变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。（2）我们知道，交流电动机的同步转速表达式位：n60f(1s)/p (1) 式中 n异步电动机的转速；f异步电动机的频率；s电动机转差率；p电动机极对数。由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0

43、50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。变频器主要是由主电路、控制电路组成：(1)主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。(2)控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的

44、“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。西门子MM 440系列变频器MICROMASTER440是用于控制三相交流电动机速度和转矩的变频器。本系列有多种型号，额定功率范围从120W到200kW(恒定转矩(CT)控制方式)，或者可达250kW(可变转矩(VT)控制方)，供用户选用。本变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。采用脉冲频率可选的专用脉宽调制技术，可使电动机噪声运行。全面而

45、完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。MICROMASTER 440具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的可变速控制系统供电的理想变频传动装置。由于MICROMASTER 440具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。MICROMASTER 440既可用于单独传动系统，也可集成到自动化系统中。MM440变频器特点1）、主要特性1、易于安装2、易于调试3、牢固的EMC设计4、可由IT电源供电5、对控制信号的响应是快速和可重复的6、参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置7、电缆连接简便8、具有多个继电器输9、具有多个模拟量输出(02

46、0mA)10、6个带隔离的数字输入，并可切换可NPN/PNP接线11、2个模拟输入： ADC1：010V，020mA和-10至+10V ADC2：010V，020mA12、2个模拟输入可以作为第7和第8个数字输入13、BICO技术14、模块化设计，配置非常灵活15、开关频率高(传动变频器可到16kHz)，因而电动机运行的噪音低16、内部RS485接口(端口)17、详细的变频器状态信息和完整的信息功能2）、性能特性1、矢量控制 无传感器矢量控制(SLVC) 带编码器的矢量控制(VC)2、V/f控制 磁通电流控制(FCC)，用于改善动态响应和电动机的控制特性 多点V/f特性3、自动再启动4、捕捉再

47、启动5、滑差补偿6、快速电流限制(FCL)动能，适用于自由脱扣运行7、电机停机抱闸8、内置直流制动9、复合制动功能改善了制动特性10、内置制动单元(框架尺寸A至F)用于电阻制动(动力制动)11、给定值输入，通过： 模拟输入 通讯接口 点动(JOG)功能 电动电位计 固定频率12、斜坡函数发生器 有平滑功能 无平滑功能13、工艺调节器(PID)14、参数组转换 传动数据组(DDS) 命令数据组和给定值源(CDS)15、自由功能块16、直流母线电压调节器17、动能缓冲18、定位控制的斜坡下降3）、保护特性1、过电压/欠电压保护2、变频器过热保护3、接地故障保护4、短路保护5、I2t电动机过热保护6

48、、PTC/KTY84电动机保护MM440变频器的控制端子表2 MM440变频器的控制端子3.4 PLC的I/O分配I0.，电动机运行，对应电动机运行按钮SB1；I0.，电动机停止，对应电动机停止按钮SB2；Q0.，固定频率设置，接MM40数字输入端子“5”Q0.，固定频率设置，接MM40数字输入端子“6”Q0.，固定频率设置，接MM40数字输入端子“7”Q0.，固定频率设置，接MM40数字输入端子“8”*Q0，电动机运行/停止控制，按MM440数字输入端子“16”3.5 变频器设置MM440变频器数字输入“5”，“6”，“7”，“8”端子通过P0701,P0702,P0703,P0704参数设

49、定为15段固定频率控制端，每一段的频率分别由P1001P1015参数设置。变频器数字输入“16”端子设为电动机运行停止控制端，可由P0705参数设置。A. 恢复变频器工厂默认值，P0010设为30，P0970设为1。按下变频器操作面板上的“P”键，变频器开始复位到工厂默认值。B.电动机参数按如下所示设置，电动参数设置完成后，设P0010为0，变频器当前处于准备状态，可正常运行。P0003设为1，访问级为标准级；P0010设为1，快速调试；P0100设为0，功率以KW表示，频率为50Hz；P0304设为230，电动机额定电压；P0305设为1，电动机额定电流；P0307设为0.75，电动机额定功

50、率；P0310设为50，电动机额定频率；P0311设为1460，电动机额定转速；P3900设为1，结进入“运行准备就绪”。这些参数根据电动机的实际参数进行设置。设置MM440的15段固定频率控制参数，如表3所示出厂值设置值说明P000313设用户访问级为专家P000417命令和数字I/OP070022命令源选择“由端子排输入”P0701117选择固定频率P07021217选择固定频率P0703917选择固定频率P07041517选择固定频率P0705151启动/停止P0004110设定值通道P100023选择固定频率设定值P100105选择固定频率1P1002510选择固定频率2P100310

51、20选择固定频率3P10041530选择固定频率4P10052040选择固定频率5P10062550选择固定频率6P10073045选择固定频率7P10083535选择固定频率8P10094025选择固定频率9P10104515选择固定频率10P101150-10选择固定频率11P101255-20选择固定频率12P101360-30选择固定频率13P101465-40选择固定频率14P101565-50选择固定频率15表3图5第四章 ：系统软件设计4.1 编程软件的介绍本系统采用的编程软件是STEP7 MicroWIN,该编程软件可以方便的在Windows环境下对PLC编程、调试、监控。使得

52、PLC编程更加方便、快捷。项目的组成程序块程序块由可执行的代码和注释组成，可执行的代码由主程序(OB1)、可选的子程序和中断程序组成。代码被编译并下载到PLC。数据块数据块由数据(变量存储器的初始值)和注释组成。数据被编译并下载到PLC。系统块系统块用来设置系统的参数，例如存储器的断电保持范围密码STOP模式时PLC的输出状态模拟量与数字量输入滤波值脉冲捕捉位等，系统模块中的信息需要下载到PLC。符号表符号表允许程序员用符号来代替存储器的地址，符号地址便于记忆，使程序更容易理解。程序编译下载到PLC时，所有符号地址被转换为绝对地址，符号表中的信息不会下载到PLC。状态表状态表用来观察程序执行时

53、指定的内部变量的状态，状态表并不下载到PLC，仅仅是监控用户程序运行情况的一种工具。交叉引用表交叉引用表列举出程序中使用的各操作数在哪一个程序块的哪一个网络中出现，以及使用它们的指令助记符。还可以查看哪些内存区域已经被使用，是作为单位使用还是作为字节使用。在运行模式下编译程序时，可以查看程序当前正在使用的跳变触点的编号。交叉引用表并不下载到PLC，程序编译成功后才能看到交叉引用表的内容。在交叉引用表中双击某操作数，可以显示出包含该操作数的那一部分程序。4.2编程原则PLC程序在很大程度上影响总线的通讯控制速率和程序的通用性。在编程时，应注意以下几个问题：1程序结构化标准设计程序设计时应充分考虑

54、到不同变频器的特点。同时必须考虑到程序的可重复性使用。在算法组织上应充分考虑到速度链的变更、负荷分配位置/点数的变化应该做到可移植性良好。 程序设计上应充分考虑到现场的调试和系统的扩展，在程序设计上应该考虑程序的通用性和程序的智能化。考虑调速系统在故障时的变更措施。2程序高效率设计在程序设计时注意程序的效率，应能够充分发挥系统的功能。在编程设计时充分考虑PLC扫描周期对程序执行速度的影响，能够在本周期完成的任务不要拖到下一周期执行。4.3 数字PID控制算法4.3.1 PID控制的基本原理PID控制由反馈系统偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）的线性组合而成，这3种基本控制规律各具特点。P

55、比例控制：比例控制器在控制输入信号e(t)变化时，只改变信号的幅值而不改变信号的相位，采用比例控制可以提高系统的开环增益。该控制为主要控制部分。D微分控制：微分控制器对输入信号取微分或差分，微分反映的是系统的变化率，因此微分控制是一种超前预测性调节，可以预测系统的变化，增大系统的阻尼，提高相角裕度起到改善系统性能的作用。但是，微分对干扰也有很大的放大作用，过大的微分会使系统震荡加剧。I积分控制：积分是一种累加作用，它记录了系统变化的历史，因此，积分控制反映的是控制中历史对当前系统的作用。积分控制往系统中加入了零极点，可以提高系统的型别（控制系统型别即为开环传递函数的零极点的重数，它表争了系统跟

56、随输入信号的能力），消除静差，提高系统的无差度，但会使系统的震荡加剧，超调增大，动态性能降低，故一般不单独使用，而是与PD控制相结合。PID的复合控制：综合以上几种控制规律的优点，使系统同时获得很好的动态和稳态性能。PID控制规律的基本输入/输出关系可用微分方程表示： （1）式中，e(t)为控制器的输入偏差信号; 为比例控制增益；为积分时间常数；为微分时间常数。相应的传递函数为： （2）若则式(2）还可以写成 （3）式中 ，。由式（3）可见，PID控制器向原系统增加了一个零极点，从而使系统从0型提高到1型，还提供两个负实零点，同时提高系统稳态性能和动态性能。PID控制器可由模拟执行元件或具有运

57、算功能的数字器件实现。数字PID的实现需要式(1)进行离散化，取采样周期为T，改写式(3)，得 （4）式中，为控制器输出的控制量，式中（4）即为数字PID控制器的直接算法。也可取其递推算法; （5）式中，的选取一般取决于经验以及实验现场的调整。1)动态指标超调% ，单位阶跃响应的最大值，超过稳态值h()的百分比，即 （6）若则响应无超调。超调量反映的是系统的振荡性。调节时间、单位阶跃响应h(t)与稳态值h()之间的偏差达到规定的允许范围（2或5），且以后不再超出此范围的最短时间。调节时间描述系统响应的快慢。一个好的控制系统应该有尽可能小的超调和尽可能短的调节时间，且超调量与调节时间在很多情况下是矛盾的：小的超调量要求系统有大的阻尼系数，而阻尼系数过大又会使响应速度下降。不同的系统对两个指标的要求有所不同。通过选择适当的控制方法可以使这两个指标达到平衡，使系统的整体性能达到最优。