基于PLC模擬量的變頻器閉環(huán)調(diào)速控制

1、閩南師范大學(xué)PLC課程設(shè)計(jì) 課題：基于PLC模擬量的變頻器閉環(huán)調(diào)速控制姓 名： 學(xué) 號(hào)： 1205000529 系 別：物理與信息工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化年 級(jí)： 12級(jí)電氣1班 指導(dǎo)教師： 洪清輝 2015年5月18日目錄1 引言22 系統(tǒng)設(shè)計(jì)22.1 設(shè)計(jì)目的22.2 設(shè)計(jì)要求22.3 設(shè)計(jì)思路22.4 系統(tǒng)硬件配置及組成原理32.5變頻器6變頻器主要功能62.5.2 變頻器平面圖62.6 同軸編碼器63 硬件接線(xiàn)圖74 軟件設(shè)計(jì)74.1 軟件流程圖74.2梯形圖85 應(yīng)用擴(kuò)展-基于PLC模擬量的礦井通風(fēng)系統(tǒng)95.1設(shè)計(jì)內(nèi)容95.2設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)95.3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)10控制程序流程

2、圖設(shè)計(jì)10控制程序設(shè)計(jì)思路106心得體會(huì)107 參考文獻(xiàn)11摘要 一種基于FX2NPLC控制的變頻調(diào)速的閉環(huán)控制系統(tǒng)及其在液位控制中的應(yīng)用，在電機(jī)速度閉環(huán)控制中，由同軸編碼器對(duì)電機(jī)測(cè)速，經(jīng)PLC內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換后與給定值比較再由PID運(yùn)算控制得出的值經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出給變頻器，從而閉環(huán)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 關(guān)鍵詞：plc 模擬量 變頻器 1 引言隨著變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛,應(yīng)用水平的不斷提高,對(duì)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的精度要求也越來(lái)越高。目前,許多變頻調(diào)速裝置屬于開(kāi)環(huán)控制方式,不能滿(mǎn)足有較高精度的控制要求。為提高開(kāi)環(huán)變頻調(diào)速器控制精度,本系統(tǒng)采用有編碼器速度檢測(cè)的、由高性能FX2NPLC 調(diào)節(jié)控制的閉

3、環(huán)系統(tǒng)。 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)目的1利用可編程控制器及其模擬量模塊，通過(guò)對(duì)變頻器的控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速。2了解可編程控制器在實(shí)際工廠生產(chǎn)中的應(yīng)用及可編程控制器的編程方法。2.2 設(shè)計(jì)要求 電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速在較快的時(shí)間內(nèi)接近給定目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并且能夠穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)改變給定速度時(shí)，電機(jī)能快速響應(yīng)達(dá)到接近給定值。2.3 設(shè)計(jì)思路變頻器控制電機(jī)，電機(jī)上同軸連旋轉(zhuǎn)編碼器。編碼器根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化而輸出電壓信號(hào)Vil 反饋到PLC模擬量模塊（Fx2n-3A）的電壓輸入端，在PLC內(nèi)部給定量經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理后，通過(guò)PLC模擬量模塊的電壓輸出端輸出一路DC0+10V電壓信號(hào)Vout來(lái)控制變頻器的輸出，達(dá)到閉環(huán)控制

4、的目的。運(yùn)算方案一： 采用數(shù)學(xué)運(yùn)算，當(dāng)反饋值小于給定值時(shí)，讓控制信號(hào)Vout加適當(dāng)值。同理，當(dāng)反饋量大于給定值時(shí)，用軟件給控制信號(hào)減適當(dāng)值。 運(yùn)算方案二：采用PID控制，對(duì)其設(shè)定整定的參數(shù)，只要給它控制信號(hào)，它將會(huì)輸出理想的結(jié)果。 方案比較： 如果采用純粹的數(shù)學(xué)運(yùn)算，因?yàn)榭刂颇K的滯后等原因，其輸出結(jié)果并不如人意，系統(tǒng)響應(yīng)慢、不穩(wěn)定，如果操作失誤，將會(huì)給硬件造成損傷。 而如果采用PID控制，因其不需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性且使用方便，所以運(yùn)用它可以得到比較滿(mǎn)意的結(jié)果。 結(jié)論：采用PID控制測(cè)速方案一：采用測(cè)速電動(dòng)機(jī) 測(cè)速方案二：采用同軸編碼器測(cè)速 方案比較： 測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸

5、出特性存在死區(qū)和非線(xiàn)性區(qū),且體積大、誤差大,一般適用于測(cè)速精度要求不高的系統(tǒng)。 采用編碼器測(cè)速, 其輸出高頻脈沖經(jīng)FX2NPLC 高速計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),經(jīng)過(guò)量化可得到精度很高的轉(zhuǎn)速。 結(jié)論：采用編碼器測(cè)速 2.4 系統(tǒng)硬件配置及組成原理 本實(shí)驗(yàn)裝置選用三菱主機(jī)FX2N-48MR-001AC/DC/繼電器內(nèi)置數(shù)字量I/O（24路開(kāi)關(guān)量輸入，24路繼電器輸出）。PLC使用用掃描工作方式執(zhí)行用戶(hù)程序時(shí)，掃描是從第一條程序開(kāi)始，在無(wú)中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按程序存儲(chǔ)順序的先后，逐條執(zhí)行用戶(hù)程序，直到程序結(jié)束。然后再?gòu)念^開(kāi)始掃描執(zhí)行，周而復(fù)始重復(fù)運(yùn)行。在 內(nèi)部處理階段，進(jìn)行PLC自檢，檢查內(nèi)部硬件是否正常，對(duì)

6、監(jiān)視定時(shí)器（WDT）復(fù)位以及完成其它一些內(nèi)部處理工作。 在通信服務(wù)階段，PLC與其它智能裝置實(shí)現(xiàn)通信，響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容等。 當(dāng)PLC處于停止（STOP）狀態(tài)時(shí)，只完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)工作。當(dāng)PLC處于運(yùn)行（RUN）狀態(tài)時(shí)，除完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)工作外，還要完成輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新工作。另配有FX0N-3A模擬量模塊（2路模擬量輸入，1路模擬量輸出）。輸入通道接收模擬信號(hào)并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字值；輸出通道采用數(shù)字值并輸出等量模擬信號(hào)。FX0N-3A的最大分辨率為8位。FX0N-3A在PLC擴(kuò)展母線(xiàn)上占用8個(gè)I/O點(diǎn)，8個(gè)I/O點(diǎn)可以分配給輸入或輸出。所有數(shù)據(jù)

7、傳輸和參數(shù)設(shè)置都是通過(guò)應(yīng)用到PLC中的TO/FROM指令，通過(guò)FX0N-3A的軟件控制調(diào)節(jié)的。緩沖存儲(chǔ)器的分配（BFM）緩沖存儲(chǔ)器編號(hào)b8b15b7b6b5b4b3b2b1b00保留通過(guò)17#的b0選擇的A/D通道的當(dāng)前值輸入數(shù)據(jù)（以8位存儲(chǔ)）16保留在D/A通道上的當(dāng)前值輸出數(shù)據(jù)（以8位存儲(chǔ)）17保留D/A起運(yùn)A/D起運(yùn)A/D通道選擇015、1831保留BFM0： 把外部模擬信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)換成數(shù)字值后存儲(chǔ)在這里。BFM16：把主機(jī)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在這里，準(zhǔn)備通過(guò)轉(zhuǎn)換后輸出控制負(fù)載。BFM17：b0=0時(shí)選擇模擬輸入通道1；b0=1時(shí)選擇模擬輸入通道2；b1=0-1時(shí)，起運(yùn)A/D轉(zhuǎn)換處理；b1=

8、1-0時(shí)，起運(yùn)D/A轉(zhuǎn)換處理 變頻器使用三菱FR-S540n=60f（1-s）/p，變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機(jī)工作電源的頻率和幅度的方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的電力傳動(dòng)元件。變頻器在英文譯名是VFD（Variable-frequency Drive）。 作為引領(lǐng)全球市場(chǎng)的機(jī)電產(chǎn)品綜合供應(yīng)商，三菱電機(jī)在中國(guó)的FA（Factory Automation）事業(yè)隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展蒸蒸日上。從社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域到半導(dǎo)體制造等高科技產(chǎn)業(yè)，從現(xiàn)場(chǎng)控制到遠(yuǎn)程監(jiān)控，三菱電機(jī)FA技術(shù)為創(chuàng)造更快生產(chǎn)效率和更高生產(chǎn)力提供強(qiáng)大的支持。三相電機(jī)2.5變頻器變頻器主要功能變頻器的主要任務(wù)是將工頻電源轉(zhuǎn)換

9、為頻率和幅度可調(diào)節(jié)的交流到交流的變頻器，是當(dāng)前應(yīng)用最廣的交流調(diào)速設(shè)備，變頻器的功能不是以調(diào)速為目的，而是控制某一過(guò)程為目的。它有完善的保護(hù)功能:變頻器保護(hù)功能很強(qiáng)，在運(yùn)行過(guò)程中能隨時(shí)檢測(cè)到各種故障，并顯示故障類(lèi)別(如電網(wǎng)瞬時(shí)電壓降低，電網(wǎng)缺相，直流過(guò)電壓，功率模塊過(guò)熱，電機(jī)短路等)，并立即封鎖輸出電壓。這種“自我保護(hù)”的功能，不僅保護(hù)了變頻器，還保護(hù)了電機(jī)不易損壞。 變頻器平面圖2.6 同軸編碼器同軸編碼器可以將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速按比例轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，通常是05V 旋轉(zhuǎn)編碼器是用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速的裝械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖置，光電式旋轉(zhuǎn)編碼器通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，可將輸出軸的角位移、角速度等機(jī)以數(shù)字量輸出（REP）

10、。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。技術(shù)參數(shù)主要有每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（幾十個(gè)到幾千個(gè)都有），和供電電壓等。單路輸出是指旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組A/B相位差90度的脈沖，通過(guò)這兩組脈沖不僅可以測(cè)量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向 3 硬件接線(xiàn)圖 4 軟件設(shè)計(jì)4.1 軟件流程圖4.2梯形圖5 應(yīng)用擴(kuò)展-基于PLC模擬量的礦井通風(fēng)系統(tǒng)5.1設(shè)計(jì)內(nèi)容根據(jù)煤礦安全規(guī)程，當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到或則超過(guò)1.5%CH4，應(yīng)進(jìn)入瓦斯排放狀態(tài)。為了達(dá)到節(jié)能效果，當(dāng)瓦斯?jié)舛仍?-1.5%時(shí)，局部通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與瓦斯?jié)舛鹊脑鰷p成比例升降，即瓦斯?jié)舛鹊淖兓詣?dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。本次課程設(shè)計(jì)是PLC控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與

11、調(diào)速。（1）應(yīng)用FX0N-3A模擬量輸入通道模擬CH4的濃度采樣模塊（2）應(yīng)用FX0N-3A模擬量輸出通道輸出010V的電壓信號(hào)，然后將電壓信號(hào)給變頻器模擬控制輸入端。（3）使用普通的三相電機(jī)模擬礦井局部通風(fēng)機(jī)通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的編程實(shí)現(xiàn)PLC模擬輸出的變化以此來(lái)控制變頻器的調(diào)速。 5.2設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)目標(biāo) 本系統(tǒng)將 PLC與變頻器有機(jī)地結(jié)合起來(lái) ,采用以瓦斯?jié)舛鹊淖兓癁閰⒘縼?lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制系統(tǒng) ,實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)工作過(guò)程和運(yùn)轉(zhuǎn)速度的有效控制 ,使礦井局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)、瓦斯自動(dòng)排放高效、安全 ,消除了瓦斯事故 ,達(dá)到了明顯的節(jié)能效果。5.3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.3.1控制程序流程圖設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)框圖如圖所示該系統(tǒng)主控

12、單元采用 PLC ,被控元件行的局部通風(fēng)機(jī)電機(jī) ,主控參數(shù)為瓦斯?jié)獠捎萌夤镜腇X2N-48MR,選配 FX0N-3A,變頻器為三菱變頻器FR-S540。系統(tǒng)通過(guò)瓦斯傳感器檢測(cè)瓦斯?jié)舛?,經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換 ,送到 PLC進(jìn)行數(shù)字濾波、比較、判斷 ,將控制信號(hào)送給變頻器 ,從而控制局部通風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,使之實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。5.3.1控制程序設(shè)計(jì)思路6心得體會(huì)本次課程設(shè)計(jì)利用了FX2N-48MR PLC的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)模擬量輸入采用/模擬量輸出進(jìn)行控制，主要實(shí)現(xiàn)了變頻器在PLC控制作用下的變頻調(diào)速，使我們對(duì)PLC工作原理、FX0N-3A模擬量模塊、三菱變頻器FR-S540有了更深的理解。 在本次課程

13、設(shè)計(jì)的實(shí)踐環(huán)節(jié)中，我更深刻地理解和掌握了電器控制及可編程控制器(PLC)的理論知識(shí)和動(dòng)手技能。參閱了大量的電器控制及可編程控制器(PLC)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的書(shū)籍資料，查詢(xún)了大量的圖表、程序和數(shù)據(jù)，特別是PLC控制電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使得課程設(shè)計(jì)的方案和數(shù)據(jù)更為翔實(shí)和準(zhǔn)確，力求科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，使本次以模擬量為主題的課程設(shè)計(jì)精益求精。在本次課題中還反映出我們一些問(wèn)題，就是對(duì)程序與機(jī)器的不熟練，不能熟練的使用使我們花了很多功夫去重新學(xué)習(xí)，這反映了我們當(dāng)時(shí)學(xué)習(xí)時(shí)沒(méi)有及時(shí)復(fù)習(xí)而導(dǎo)致遺忘，也體會(huì)了本次課題的意義，即讓我們復(fù)習(xí)原來(lái)所學(xué)的知識(shí)，以后能有更好的運(yùn)用。 對(duì)于本次課題實(shí)驗(yàn)，我們有很多收獲。第一點(diǎn)就是實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)讓我們不再只是紙上談兵，讓我們?cè)趧?dòng)手中去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題。第二點(diǎn)，培養(yǎng)了我們團(tuán)結(jié)合作的能力，體會(huì)到了合作的樂(lè)趣。第三點(diǎn)，鞏固專(zhuān)