三相异步电动机的转速转角控制毕业设计精品

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1、题目： 三相异步电动机转速和转角控制系统设计 6月1日 摘 要 本文简介三相异步电动机基于西门子S7-200系列PLC的变频调速与转角控制措施。 PLC在三相异步电动机控制中的应用，与老式的继电器控制相比，具有控制速度快、可靠性高、灵活性强、功能完善等长处，为多种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。它可觉得自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于目前工业公司对自动化的需求。 目前,电力拖动是各行业生产机械的重要拖动形式;因此,三相异步电动机已经被广泛应用在各行各业和平常生活等领域。随着生产机械的不断更新和发展,对电动机的调速性能与转角问题规定越来越高。三相异步电动机由于

2、三相异步电动机因其成本低,构造简朴,可靠性高和维护少等长处在多种工业领域中得到广泛的应用,但其调速性能和转角性能都不如直流电动机,因此如何改善异步电动机的调速性能和转角问题,以提高调速性能和转角问题,就显得特别重要。本篇文章通过对鼠笼式三相异步电动机工作过程的分析,着重讨论了三相异步电动机的调速和转角性能,尝试简朴，有效的调速和调角度措施。 核心词：PLC；三相异步电动机；转速；转角ABSTRACTThis article describes the three-phase asynchronous motor based on Siemens S7-200 series PLC freque

3、ncy control and angle control methods.PLC in the three-phase asynchronous motor control applications, with traditional relay control, compared with a control speed, high reliability, flexibility, functional, etc., for a variety of automated control equipment provides a very reliable control applicat

4、ions.It is able to provide safe and reliable automation and control applications and more complete solution for the current demand for automation of industrial enterprises.Currently, the electric drive is the industrys main drag production machinery forms; therefore, three-phase asynchronous motor h

5、as been widely used in all walks of life and daily life and other fields.With constantly updated production machinery and development of the motor rotation speed performance issues with increasingly high demand.Three-phase asynchronous motor three-phase asynchronous motors because of its low cost, s

6、imple structure, high reliability and low maintenance, etc. in various industrial areas has been widely used, but its speed performance and rotation properties are not as DC motors, so how to improve the performance of asynchronous motor speed and rotation issues in order to improve the speed perfor

7、mance and the corner problem, it is especially important.This article through the squirrel-cage induction motor work process analysis, focusing on the three-phase asynchronous motor speed and angle performance, try a simple and effective method for speed and angle adjustment.Keywords： PLC， Three-pha

8、se asynchronous motor， speed， turn angle目 录 第一章 绪论11.1 三相异步电动机11.1.1三相异步电动机的构造与工作原理11.2 PLC技术71.2.1PLC的发展历史71.2.2PLC的基本构造8 1.2.3西门子S7-200系列PLC91.3 变频器101.3.1变频器基本原理111.3.2变频器调速基本原理121.4人机交互界面与西门子Smartline131.4.1人机交互界面131.4.2西门子Smartline14第二章 PLC编程软件与HMI组态软件152.1 STEP7-Micro/WIN152.1.1软件简介152.1.2程序组织

9、 152.1.3程序编辑要点152.1.4PLC监控152.2 wincc flexible组态软件16 2.2.1 wincc flexible简介16 2.2.2 wincc flexible的组件17第三章 电动机转速控制183.1系统设计的总体思路183.2变频器参数设立183.3转速控制外部硬件连接图193.4 PLC程序设计19 3.4.1 PID算法19 3.4.2内存变量分派表20 3.4.3速度反馈设计213.5调试与数据分析21 3.5.1 PID参数整定21 3.5.2运营成果22第四章 电机转角控制254.1系统设计的总体思路254.2变频器参数设立254.3硬件连接图

10、254.4 PLC程序设计26 4.4.1电机角度控制设计思路26 4.4.2程序地址分派274.5运营成果27第五章 wincc flexible 人机界面设计285.1人机界面设计规定285.2人机界面设计及变量设立285.3运营成果29第六章 总结.30 参照文献.31道谢.32附录.323第一章 绪论1.1三相异步电动机 实现电能与机械能互相转换的电工设备总称为电机。电机是运用电磁感应原理实现电能与机械能的互相转换。把机械能转换成电能的设备称为发电机，而把电能转换成机械能的设备叫做电动机。在生产上重要用的是交流电动机，特别三相异步电动机，由于它具有构造简朴、结实耐用、运营可靠、价格低廉

11、、维护以便等长处。它被广泛地用来驱动多种金属切削机床、起重机、锻压机、传送带、锻造机械、功率不大的通风机及水泵等。1.1.1三相异步电动机的构造与工作原理 1三相异步电动机的构造三相异步电动机的两个基本构成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。此外尚有端盖、电扇等附属部分，如图1.1所示。图 1.1 三相电动机的构造示意图（1）定子 三相异步电动机的定子由三部分构成：定子定子铁心由厚度为0.5mm的，互相绝缘的硅钢片叠成，硅钢片内圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放定子三相绕组AX、BY、CZ。定子绕组三组用漆包线绕制好的，对称地嵌入定子铁心槽内的相似的线圈。这三相绕组可接成星形或三角形。机座

12、机座用铸铁或铸钢制成，其作用是固定铁心和绕组表1.1 定子构成（2）转子三相异步电动机的转子由三部分构成：转子转子铁心由厚度为0.5mm的，互相绝缘的硅钢片叠成，硅钢片外圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放转子三相绕组。转子绕组转子绕组有两种形式： 鼠笼式 - 鼠笼式异步电动机。 绕线式 - 绕线式异步电动机。转轴转轴上加机械负载表1.2 转子构成鼠笼式电动机由于构造简朴，价格低廉，工作可靠，使用以便，成为了生产上应用得最广泛的一种电动机。为了保证转子可以自由旋转，在定子与转子之间必须留有一定的空气隙，中小型电动机的空气隙约在0.21.0mm之间。2三相异步电动机的转动原理（1）基本原理图 1.2

13、 三相异步电动机工作原理 如图1.2所示，当磁铁旋转时，磁铁与闭合的导体发生相对运动，鼠笼式导体切割磁力线而在其内部产生感应电动势和感应电流。感应电流又使导体受到一种电磁力的作用，于是导体就沿磁铁的旋转方向转动起来，这就是异步电动机的基本原理。转子转动的方向和磁极旋转的方向相似。（2）旋转磁场 产生图1.3表达最简朴的三相定子绕组AX、BY、CZ，它们在空间按互差1200的规律对称排列。并接成星形与三相电源U、V、W相联。则三相定子绕组便通过三相对称电流：随着电流在定子绕组中通过，在三相定子绕组中就会产生旋转磁场(图1.4)。 （1.1） 图1.3 三相异步电动机定子接线当wt=00时，AX绕

14、组中无电流；为负，BY绕组中的电流从Y流入B1流出；为正，CZ绕组中的电流从C流入Z流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图1.4（a）所示。当wt=1200时，BY绕组中无电流；为正，AX绕组中的电流从A流入X流出；为负，CZ绕组中的电流从Z流入C流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图1.4（b）所示。当wt=2400时，CZ绕组中无电流；为负，AX绕组中的电流从X流入A流出；为正，BY绕组中的电流从B流入Y流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图1.4（c）所示。可见，当定子绕组中的电流变化一种周期时，合成磁场也按电流的相序方向在空间旋转一周。随着定子绕组中的三相电流不断地作周期性

15、变化，产生的合成磁场也不断地旋，因此称为旋转磁场。 图 1.4 旋转磁场的形成旋转磁场的方向旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决定的，若想变化旋转磁场的方向，只要变化通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调即可。这时，转子的旋转方向也跟着变化。（3）三相异步电动机的极数与转速极数（磁极对数p）三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关。当每相绕组只有一种线圈，绕组的始端之间相差1200空间角时，产生的旋转磁场具有一对极，即p=1；当每相绕组为两个线圈串联，绕组的始端之间相差600空间角时，产生的旋转磁场具有两对极，即p=2；同理，如果要产生三对极

16、，即p=3的旋转磁场，则每相绕组必须有均匀安排在空间的串联的三个线圈，绕组的始端之间相差400（=1200/p）空间角。极数p与绕组的始端之间的空间角q的关系为： （1.2） 转速n三相异步电动机旋转磁场的转速n0与电动机磁极对数p有关，它们的关系是： （1.3）由（1.3）可知，旋转磁场的转速n0决定于电流频率f1和磁场的极数p。对某一异步电动机而言，f1和p一般是一定的，因此磁场转速n0是个常数。在国内，工频f1=50Hz，因此相应于不同极对数p的旋转磁场转速n0，见表1.3p123456n0300015001000750600500表1.3 转差率s电动机转子转动方向与磁场旋转的方向相似

17、，但转子的转速n不也许达到与旋转磁场的转速n0相等，否则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，因而磁力线就不切割转子导体，转子电动势、转子电流以及转矩也就都不存在。也就是说旋转磁场与转子之间存在转速差，因此我们把这种电动机称为异步电动机，又由于这种电动机的转动原理是建立在电磁感应基本上的，故又称为感应电动机。旋转磁场的转速n0常称为同步转速。转差率s用来表达转子转速n与磁场转速n0相差的限度的物理量。即： (1.4)转差率是异步电动机的一种重要的物理量。当旋转磁场以同步转速n0开始旋转时，转子则因机械惯性尚未转动，转子的瞬间转速n=0，这时转差率S=1。转子转动起来之后，n0，（n0-n）差值减小

18、，电动机的转差率S1。如果转轴上的阻转矩加大，则转子转速n减少，即异步限度加大，才干产生足够大的感受电动势和电流，产生足够大的电磁转矩，这时的转差率S增大。反之，S减小。异步电动机运营时，转速与同步转速一般很接近，转差率很小。在额定工作状态下约为0.0150.06之间。根据式(1.4),可以得到电动机的转速常用公式 (1.5) 三相异步电动机的定子电路与转子电路三相异步电动机中的电磁关系同变压器类似，定子绕组相称于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相称于副绕组。给定子绕组接上三相电源电压，则定子中就有三相电流通过，此三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心而闭合，这个磁场在转子和

19、定子的每相绕组中都要感应出电动势。1.2 PLC技术 PLC= Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定期，计数与算术操作等面向顾客的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制多种类型的机械或生产过程，是工业控制的核心部分。1.2.1 PLC的发展历史来源：1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的规定。1969 年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程控制器 PDP14 ，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，初次采用程序化

20、的手段应用于电气控制，这是第一代可编程序控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。1969年，美国研制出世界第一台PDP-141971年，日本研制出第一台DCS-81973年，德国研制出第一台PLC1974年，中国研制出第一台PLC发展：20世纪70年代初浮现了微解决器。人们不久将其引入可编程控制器，使PLC增长了运算、数据传送及解决等功能，完毕了真正具有计算机特性的工业控制装置。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了以便和反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller

21、（PLC）。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了奔腾。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率始终保持为3040%。在这时期，PLC在解决模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应

22、用上取代了在过程控制领域处在统治地位的DCS系统。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了多种各样的特殊功能单元、生产了多种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。1.2.2 PLC的基本构造PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件构造基本上与微型计算机相似，基本构成为：图1.5 S7-200 PLC CPU的外形模型图 1.电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一种良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分注重。一般交流电压波动在+1

23、0%(+15%）范畴内，可以不采用其他措施而将PLC直接连接到交流电网上去。 2.中央解决单元（CPU）中央解决单元（CPU）是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接受并存储从编程器键入的顾客程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定期器的状态，并能诊断顾客程序中的语法错误。当PLC投入运营时，一方面它以扫描的方式接受现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从顾客程序存储器中逐条读取顾客程序，通过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的成果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的顾客程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应

24、的输出装置，如此循环运营，直到停止运营。为了进一步提高PLC的可靠性，对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，虽然某个CPU浮现故障，整个系统仍能正常运营。3.存储器 寄存系统软件的存储器称为系统程序存储器。 寄存应用软件的存储器称为顾客程序存储器。 4.输入输出接口电路 现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。 现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断祈求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 5.功能模块 如计数、定位等功能模块。 6.通信模块如以太网、RS

25、485、Profibus-DP通讯模块等。1.2.3 西门子S7-200系列PLCS7-200系列在集散自动化系统中充足发挥其强大功能。使用范畴可覆盖从替代继电器的简朴控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，涉及多种机床、机械、电力设施、民用设施、环保设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。 S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU使用。1.CPU单元设计： 集成的24V负载电源：可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU 221，222具有180mA输出， CPU 224，

26、CPU 226分别输出280，400mA。可用作负载电源。 2.不同的设备类型： CPU 221226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。 3.本机数字量输入/输出点： CPU 221具有6个输入点和4个输出点，CPU 222具有8个输入点和6个输出点，CPU 224具有14个输入点和10个输出点。CPU 226具有24个输入点和16个输出点。 4.中断输入： 容许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。 5.高速计数器： CPU 221/222 4个高速计数器（30KHz），可编程并具有复位输入，2个独立的输入端可同步作加、减计数，可连接两个相位差为90的6.A/B相增量编码器

27、 CPU224/226 6个高速计数器（30KHz），具有CPU221/222相似的功能。 7.CPU 222/224/226： 可以便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。可使用仿真器（选件）对本机输入信号进行仿真，用于调试顾客程序。 8.模拟电位器： CPU221/222 1个 CPU224/226 2个 CPU221/222/224/226还具有 9.脉冲输出： 2路高频率脉冲输出（最大20KHz），用于控制步进电机或伺服电机实现定位任务。 10.实时时钟： 例如为信息加注时间标记，记录机器运营时间或对过程进行时间控制。 11.EEPROM存储器模块（选件）： 可作为修改与拷贝程序的迅速工

28、具（无需编程器），并可进行辅助软件归档工作。 12.电池模块： 用于长时间数据后备。顾客数据（如标志位状态，数据块，定期器，计数器）可通过内部的超级电容存贮大概5天。选用电池模块能延长存贮时间到200天（寿命）。电池模块插在存储器模块的卡槽中。1.3 变频器 变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成多种频率的交流电源，以实现电机的变速运营的设备。其中控制电路完毕对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一种进行转矩计算的CPU以及某些相应的电路 。1.

29、3.1 变频器基本原理图1.6 交流低压直交直通用变频器系统框图 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，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它重要由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸取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”。 （1） 整流器：近来大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。 （2）平波回

30、路：在整流器整流后的直流电压中，具有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了克制电压波动，采用电感和电容吸取脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简朴的平波回路。 （3）逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所规定频率的交流功率，以所拟定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。 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“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

31、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”构成。 （1） 运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。 （2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。 （3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。 （4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。 （5）保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了避免逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或克制电压、

32、电流值。图1.7 变频器主电路1.3.2 变频器调速基本原理变频调速是通过变化电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。当在定子绕组上接入三相交流电时，在定子与转子之间的空气隙内产生一种旋转磁场，它与转子绕组产生相对运动，使转子绕组产生感应电势，浮现感应电流，此电流与旋转磁场互相作用，产生电磁转矩，使电动机转动起来。电机磁场的转速称为同步转速，用N表达： N=60f/p(r/min) （1.6）式中：f三相交流电源频率，一般为50Hz；p磁极对数。当p=1时，N=3000r/min；p=2时，N=1500r/min。可见磁极对数p越多，转速N越慢。转子的实际转速n比磁场的同步转速N要慢一点，因此

33、称为异步电机，这个差别用转差率s表达： s=n1n）/n1100% （1.7)当加上电源转子尚未转动瞬间，n=0，这时s=1；起动后的极端状况n=N，则s=0，即s在01之间变化。一般异步电机在额定负载下的s=（16）%。综合式（1.6）和式（1.7）可以得出 n=60f（1s）/p (1.8) 由式(1.8)可以看出，对于成品电机，其磁极对数p已经拟定，转差率s变化不大，则电机的转速n与电源频率f成正比，因此变化输入电源的频率就可以变化电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。1.4 人机交互界面与西门子smartline1.4.1 人机交互界面 HMI是Human Machine Int

34、erface 的缩写，“人机接口”，也叫人机界面。人机界面（又称顾客界面或使用者界面）是系统和顾客之间进行交互和信息互换的媒介， 它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。 1.人机界面（HMI）产品的构成及工作原理 人机界面产品由硬件和软件两部分构成，硬件部分涉及解决器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存储单元等，其中解决器的性能决定了HMI 产品的性能高下，是HMI的核心单元。根据HMI的产品级别不同，解决器可分别选用8位、16位、32位的解决器。HMI软件一般分为两部分，即运营于 HMI硬件中的系统软件和运营于PC机Windows操作系

35、统下的画面组态软件（如wincc flexible画面组态软件）。使用者都必须先使用HMI的画面组态软件制作“工程文献”，再通过PC机和HMI 产品的串行通讯口，把编制好的“工程文献”下载到HMI的解决器中运营。 2.人机界面产品分类薄膜键输入的HMI，显示尺寸不不小于5.7，属初级产品。如POPHMI 小型人机界面触摸屏输入的HMI，显示屏尺寸为5.712.1，属中级产品基于平板PC计算机的、多种通讯口的、高性能HMI，显示尺寸不小于10.4，属高品位产品 3.人机界面的使用措施明确监控任务规定，选择适合的HMI产品在PC机上用画面组态软件编辑“工程文献”测试并保存已编辑好的“工程文献”PC

36、机连接HMI硬件，下载“工程文献”到HMI中连接HMI和工业控制器（如PLC、仪表等），实现人机交互1.4.2 西门子smartline如今，人机界面已经成为大多数工业机械设备的原则配备，特别在使用小型机器和简朴应用时，成本成了核心因素。西门子顺应市场需求推出的全新 SIMATIC 精彩系列面板SmartLine，精确地提供了人机界面的原则功能，经济实用，具有高性价比。精彩系列面板采用全新的高辨别率16:9 宽屏液晶显示和先进的工业设计理念，使设备操作变得更加轻松快捷，引领人机界面产品进入高辨别率宽屏显示时代。第二章 PLC编程软件与HMI组态软件2.1 STEP7-Micro/WIN2.1.

37、1软件简介S7-200 PLC的编程软件为STEP7-Micro/WIN，它以PLC的顾客程序编辑功能为主（涉及符号表编辑），可用于PLC顾客程序的编辑与监控，可使用多种语言文字。STEP7-Micro/WIN软件使用较简朴，S7-200顾客程序用的逻辑解决、计数器、定期器、数学运算、通信指令的编辑工具都已集成在软件中；软件也可用于程序的在线编辑、状态监视、变量强制等操作。STEP7-Micro/WIN软件可以使用SIMATIC与IEC61131-3两种指令系统编程。SIMATIC系统的功能较丰富，可实现所有功能，其程序编辑可用梯形图（LAD）、指令表（STL）、逻辑功能块图（FBD)3种编程

38、语言，并能进行互相转换。IEC61131-3系统只能用梯形图、逻辑功能块图编程，不能使用指令表，也不能使用部分S7-200功能指令。2.1.2 程序组织 程序构造的组织是拟定已有子程序、中断程序的执行顺序。对于分块构造的程序，应在完毕所有程序编辑后，在主程序OB1上进行组织。在主程序OB1上，一方面编辑子程序、中断程序的调用条件，然后打开指令数中的“指令文献夹”、选择“指令分类文献夹”，并栓剂相应的子程序号，即可输入子程序、中断程序的调用指令。2.1.3 程序编辑要点STEP7-Micro/WIN编程软件的梯形图以“网络”为单位进行解决，程序段的注释也以网络为单位进行，网络的编号可由编辑软件自

39、动生成。STEP7-Micro/WIN对网络有如下规定的格式规定。（1） 同一网络内的所有编程元件都必须且只能用梯形图上的连线连接，仅通过主母线连接的程序块不能编写在同一网络中。（2） 为了减少程序中的网络数、简化程序、以便程序阅读与注释，有时需要将互相关联的程序块组合到同一网络中，这时应通过状态恒为“1”的触点SM0.0，在网络中建立一条子母线来连接不同的程序块。（3） 网络原则上应以直接连接于主母线的触点为起始，虽然实际程序块并不需要触电，但为了满足格式的规定，编程时也需要插入状态恒为“1”的触点SM0.0。2.1.4 PLC监控 1.PLC工作模式PLC由STOP(停止）和RUN(运营）

40、两种基本工作模式。可以通过CPU模块上的模式转换开关控制PLC的STOP与RUN。但是，当PLC操作系统检测到重大错误时，将强制从RUN模式转入STOP模式。STOP模式可用编程计算机直接编辑PLC中的程序，但不执行PLC程序；RUN模式不仅可以执行程序，还可编辑和监控PLC程序的状态。通过计算机监控PLC工作状态时，CPU模块上的转换开关应设为“TERM”或“RUN”模式。模式TERM不会变化PLC原有的操作模式，但可通过编程计算机变化PLC的操作模式。2. PLC监控可通过主菜单“调试”选项，监视、读取、写入和强制写入PLC状态。监视和调试功能可在程序编辑器中显示，也可以状态图的形式显示。

41、（1） 程序编辑器监控选择主菜单“调试”上的“使用执行状态”选项，单击工具条中的“程序状态监控”快捷按钮或选择主菜单命令“调试”“程序状态”，可在程序编辑器中监控PLC的实际执行状态。PLC所显示的状态时PLC循环扫描完毕后的元件状态。编辑元件中浮现绿色只是表白该编程元件接通，红色表达指令有误，灰色表达指令未被扫描（跳过或未调用）。（2） 状态图监控单击浏览条上的“状态图”图标或选择主菜单“检视”“元件”“状态图”可打开状态图监控页面。在状态图监控页面的“地址”栏输入需要监控的操作数（信号）地址，并右击相应的单元格，进行信号地质的插入、删除等操作。运用工具条中的“状态图显示”按钮，可对输入的地

42、址进行重新排列。信号的状态将在状态图的“现行值”栏中显示。当PLC处在“STOP”模式时，显示的是PLC程序执行前的初始值或条件；当PLC处在“RUN”模式时，则可持续监控执行过程中的状态。2.2 wincc flexible组态软件WinCC flexible是一种前瞻性的面向机器的自动化概念的HMI软件，它具有舒服而高效的设计。2.2.1 wincc flexible简介WinCC flexible是用于所有组态任务的工程系统。WinCC flexible采用模块化的设计。随着版本的逐渐升高，所支持的设备范畴以及WinCC flexible的功能都得到了扩展。1. 原理在WinCC fle

43、xible中创立新项目或打开既有项目时，WinCC flexible环境将在您的编程计算机的屏幕上打开。在“项目视图”中显示项目构造，并可对项目进行管理。WinCC flexible为每一项组态任务提供专门的编辑器。例如，在“画面”编辑器中组态HMI设备的GUI。或者使用“离散量报警”编辑器组态报警。所有与项目有关的组态数据都存储在项目数据库中。2. 组态支持 WinCC flexible用于组态顾客界面以操作和监视机器与设备。WinCC flexible提供了对面向解决方案概念的组态任务的支持。例如，这会波及到批量数据的解决、自动传送、甚至是运动途径的智能组态问题。2.2.2 WinCC f

44、lexible的组件 1.WinCC flexible工程系统 WinCC flexible工程系统是用于解决所有基本组态任务的软件。WinCC flexible版本决定了在SIMATIC HMI系列中可以组态哪些HMI设备。 2.WinCC flexible运营系统 WinCC flexible运营系统是用于过程可视化的软件。在运营系统中，您可以在过程模式下执行项目。 3.WinCC flexible选件 WinCC flexible选件可以扩展WinCC flexible的原则功能。每个选件需要一种单独的许可证。第三章 电动机转速控制3.1 系统设计的总体思路 系统重要由三个部分构成，即可

45、编程逻辑控制器件PLC、变频器和电机。一方面通过设立给定输入给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：-速度给定速度反馈信号+PLC（PID）变频调速系统电机图3.1 速度闭环控制的机构控制图3.2 变频器参数设立在本系统中，选用了由西门子生产的通用变频器G120。为满足设计的规定，需要对变频器的参数进行设定，设定如下参数号名称设立功能P700选择命令源2由端子排输入P701数字输入0的功能0严禁数字输入P702数字输入1的功能1ON/OFF1（接通正转）P703数字输入2的功能2ON/OFF

46、1（接通反转）P1000选择频率设定值的来源2模拟量 设定值表3.1 变频器参数设立3.3 转速控制外部硬件连接图图3.2 外部电路连接图3.4 PLC程序设计 系统采用闭环控制方式来控制电机的调速，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： 重要是用来启动中断程序以及控制量的输入和子程序的调用。 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：初始化HSC，中断程序参数设立，PID参数设立3.4.1 PID算法图3.3 PID控制原理图PLC的PID控制器设计是以持续系统PID控制规律为基本，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

47、行控制程序设计。典型的PID算法涉及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）（3.1）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，稳定性减少。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

48、，直到偏差消失，系统处在稳定状态，因此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也许上升缓慢。许多控制系统内，也许只需要P、I、D中的一种或两种控制类型。如也许只规定比例控制或比例与积分控制，通过设立参数可对回路进行控制类型进行选择。3.4.2 内存变量分派表1、程序地址分

49、派地址阐明VD20目的速度设定寄存地址VD300目前实际速度寄存地址表3.2 程序地址分派表2、 PID指令回路表地址名称阐明VD200过程变量（PVn）必须在0.01.0之间VD204给定值（SPn）必须在0.01.0之间VD208输出值（Mn）必须在0.01.0之间VD212增益（Kc）比例常数，可正可负VD216采样时间（Ts）单位为s，必须是正数VD220采样时间（Ti）单位为min，必须是正数VD224微分时间（Td）单位为min，必须是正数表3.3 PID指令分派表3.4.3 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

50、：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（HSC0HSC5）工作模式有12种。在固定期间间隔内采集脉冲差值，通过计算既可以获得电动机的目前转速。本次设计中：采样周期为1s 即是每隔1s采集脉冲一次，高速计数器选用4倍频计数，光电开关每转发出1000个脉冲，那么就可以得到速度为 （3.2） 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规定。3.5 调试与数据分析3.5.1 PID参数整定PID参数整定措施就是拟定调节器的比例系数P、积分时间Ti

51、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规定。一般可以通过理论计算来拟定，但误差太大。目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反映曲线法。经验法又叫现场凑试法，它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运营经验，运用一组经验参数，根据反映曲线的效果不断地变化参数，对于温度控制系统，工程上已有大量的经验，其规律如下表所示： 实验凑试法的整定环节为先比例，再积分，最后微分。 （1）整定比例控制 将比例控制作用由小变到大，观测各次响应，直至得到反映快、超调小的响应曲线。 （2）整定积分环节 先将环节（1）中选择的比例系数减小为本来的5

52、080，再将积分时间置一种较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调节比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，拟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，同步相应地变化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。 整定后的PID参数如下表：被控变量比例积分时间（min）微分时间（min)转速0.30.40.030.040.0表3.4 PID参数表3.5.2 运营成果系统控制效果如下：图3.4 速度设定为600r/min图3.5 设定速度600r/min是的反馈速度图3.6 设定速度为759r/min图3.6 设定速

53、度为759r/min时的反馈速度第四章 电机转角控制4.1 系统设计的总体思路 系统重要由三个部分构成，即可编程逻辑控制器件PLC、变频器和电机。一方面通过设立给定输入给PLC，再通过PLC控制变频器，再经由变频器来控制电机，随后将电机的转角由编码器反馈给PLC，具体如下图所示：电机变频器角度换算模块角度给定实际转角编码器图4.1 角度控制系统4.2 变频器参数设立在本系统中，选用了由西门子生产的通用变频器G120。为满足设计的规定，需要对变频器的参数进行设定，设定如下参数号名称设立功能P700选择命令源2由端子排输入P701数字输入0的功能0严禁数字输入P702数字输入1的功能1ON/OFF

54、1（接通正转）P703数字输入2的功能2ON/OFF1（接通反转）P1000选择频率设定值的来源2模拟量 设定值表4.1 变频器参数设立4.3 硬件连接图图4.2 外部电路连接图4.4 PLC程序设计 系统采用开环控制方式来控制电机的调速，在编写程序的时候可以分为两个部分：主程序和子程序。 主程序： 重要是用来调用子程序和控制量的输入。子程序：初始化HSC，角度测量换算模块。4.4.1 电机转角控制设计思路电机转角的控制是指在电机转动的基本上，限定电机转动的时间或距离来达到控制电机转动角度的目的，由此可以推出两种方案，一种是可以把电机转动的角度换算成电机转动的时间，时间到了之后电机停止转动；另

55、一种是把电机转动的角度换算成编码器脉冲数，当编码器转动到设定的角度的时候，电机停止转动。为了计算以便，本次设计采用的是60r/min的电机转速，即电动机每秒转动1转。在采用方案一的时候发现，在给定的转速之下，想要达到转动角度的时间很短，大多不到1S，而在短时间内，变频器并不能顺利启动电机并使之转动相应的时间，因此放弃方案一。方案二中不难得出转角与编码器脉冲数之间的换算公式： （4.1）其中n是编码器脉冲数，是设定角度。由此得出旋转设定角度所需要的编码器脉冲数，然后设计程序，使电动机在达到规定后停止转动，实现角度控制。4.4.2 程序地址分派地址阐明VD200目的角度设定寄存地址VD216目前实

56、际角度寄存地址4.5 运营成果本次设计可以实现电动机的正传反转角度控制，转角控制范畴在-360360度之间图4.3 角度控制成果趋势图第五章 WINCC Flexible 人机界面设计略第六章 总结略参 考 文 献1王树青，戴连奎，于玲，过程控制工程，第二版 化学工业出版社，：44-582龚仲华，S7-200系列PLC应用技术，人民邮电出版社，：122-137 3甄立东，西门子wincc V7，机械工业出版社，；84-1084wincc flexible程序自述文献，；2-105张万忠，刘明芹.电器与PLC控制技术，机械工业出版社，；77-2206SIEMENS公司.S7-200系统手册(中文

57、版)，西门子自动化与驱动集团；.37SIEMENS公司.G120通用型变频器手册，西门子自动化与驱动集团；.78武红军，张万忠，可编程控制器入门与应用实例（S7-200系列），中国电力出版社，；192-2109薛迎成，PLC与触摸屏控制技术，中国电力出版社，；79-8510C. Schander,“Adaptive speed identification for vector control of induction motors without rotational transducers,”in IEEE-IAS Annu.Meet.Cons Rec，1989；493-499.致 谢 略附 录附录1: 转速控制系统程序附录2：转角控制系统程序附录3：外文文献翻译Frequency Variation Speed Control1 The Popularity and Prospect of F