1、目錄題目： 三相異步電動機轉速和轉角控制系統設計 2013年6月1日0 摘 要 本文介紹三相異步電動機基于西門子S7-200系列PLC的變頻調速與轉角控制方法。 PLC在三相異步電動機控制中的應用，與傳統的繼電器控制相比，具有控制速度快、可靠性高、靈活性強、功能完善等優點，為各種各樣的自動化控制設備提供了非常可靠的控制應用。它能夠為自動化控制應用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當前工業企業對自動化的需求。 目前,電力拖動是各行業生產機械的主要拖動形式;因此,三相異步電動機已經被廣泛應用在各行各業和日常生活等領域。隨著生產機械的不斷更新和發展,對電動機的調速性能與轉角問題要求越來越高。三

2、相異步電動機由于三相異步電動機因其成本低,結構簡單,可靠性高和維護少等優點在各種工業領域中得到廣泛的應用,但其調速性能和轉角性能都不如直流電動機,因此如何改進異步電動機的調速性能和轉角問題,以提高調速性能和轉角問題,就顯得特別重要。本篇文章通過對鼠籠式三相異步電動機工作過程的分析,著重討論了三相異步電動機的調速和轉角性能,嘗試簡單，有效的調速和調角度方法。 關鍵詞：PLC；三相異步電動機；轉速；轉角00目錄ABSTRACTThis article describes the three-phase asynchronous motor based on Siemens S7-200 serie

3、s PLC frequency 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 cont

4、rol applications.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 industry's main drag production machinery forms; therefore, three-phase asy

5、nchronous motor has 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 o

6、f its low cost, simple 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

7、 the speed performance 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.Keyword

8、s： PLC， Three-phase asynchronous motor， speed， turn angle目錄目 錄 第一章 緒論11.1 三相異步電動機11.1.1三相異步電動機的結構與工作原理11.2 PLC技術71.2.1PLC的發展歷史71.2.2PLC的基本結構8 1.2.3西門子S7-200系列PLC91.3 變頻器101.3.1變頻器基本原理111.3.2變頻器調速基本原理121.4人機交互界面與西門子Smartline131.4.1人機交互界面131.4.2西門子Smartline14第二章 PLC編程軟件與HMI組態軟件152.1 STEP7-Micro/WIN152

9、.1.1軟件介紹152.1.2程序組織 152.1.3程序編輯要點152.1.4PLC監控152.2 wincc flexible組態軟件16 2.2.1 wincc flexible簡介16 2.2.2 wincc flexible的組件17第三章 電動機轉速控制183.1系統設計的總體思路183.2變頻器參數設置183.3轉速控制外部硬件連接圖193.4 PLC程序設計19 3.4.1 PID算法19 3.4.2內存變量分配表20 3.4.3速度反饋設計213.5調試與數據分析21 3.5.1 PID參數整定21 3.5.2運行結果22第四章 電機轉角控制254.1系統設計的總體思路254

10、.2變頻器參數設置254.3硬件連接圖254.4 PLC程序設計26 4.4.1電機角度控制設計思路26 4.4.2程序地址分配274.5運行結果27第五章 wincc flexible 人機界面設計285.1人機界面設計要求285.2人機界面設計及變量設置285.3運行結果29第六章 總結.30 參考文獻.31致謝.32附錄.32322013屆本科畢業設計論文第一章 緒論1.1三相異步電動機 實現電能與機械能相互轉換的電工設備總稱為電機。電機是利用電磁感應原理實現電能與機械能的相互轉換。把機械能轉換成電能的設備稱為發電機，而把電能轉換成機械能的設備叫做電動機。在生產上主要用的是交流電動機，特

11、別三相異步電動機，因為它具有結構簡單、堅固耐用、運行可靠、價格低廉、維護方便等優點。它被廣泛地用來驅動各種金屬切削機床、起重機、鍛壓機、傳送帶、鑄造機械、功率不大的通風機及水泵等。1.1.1三相異步電動機的結構與工作原理 1三相異步電動機的構造三相異步電動機的兩個基本組成部分為定子（固定部分）和轉子（旋轉部分）。此外還有端蓋、風扇等附屬部分，如圖1.1所示。圖 1.1 三相電動機的結構示意圖（1）定子 三相異步電動機的定子由三部分組成：定子定子鐵心由厚度為0.5mm的，相互絕緣的硅鋼片疊成，硅鋼片內圓上有均勻分布的槽，其作用是嵌放定子三相繞組AX、BY、CZ。定子繞組三組用漆包線繞制好的，對稱

12、地嵌入定子鐵心槽內的相同的線圈。這三相繞組可接成星形或三角形。機座機座用鑄鐵或鑄鋼制成，其作用是固定鐵心和繞組表1.1 定子組成（2）轉子三相異步電動機的轉子由三部分組成：轉子轉子鐵心由厚度為0.5mm的，相互絕緣的硅鋼片疊成，硅鋼片外圓上有均勻分布的槽，其作用是嵌放轉子三相繞組。轉子繞組轉子繞組有兩種形式： 鼠籠式 - 鼠籠式異步電動機。 繞線式 - 繞線式異步電動機。轉軸轉軸上加機械負載表1.2 轉子組成鼠籠式電動機由于構造簡單，價格低廉，工作可靠，使用方便，成為了生產上應用得最廣泛的一種電動機。為了保證轉子能夠自由旋轉，在定子與轉子之間必須留有一定的空氣隙，中小型電動機的空氣隙約在0.2

13、1.0mm之間。2三相異步電動機的轉動原理（1）基本原理圖 1.2 三相異步電動機工作原理 如圖1.2所示，當磁鐵旋轉時，磁鐵與閉合的導體發生相對運動，鼠籠式導體切割磁力線而在其內部產生感應電動勢和感應電流。感應電流又使導體受到一個電磁力的作用，于是導體就沿磁鐵的旋轉方向轉動起來，這就是異步電動機的基本原理。轉子轉動的方向和磁極旋轉的方向相同。（2）旋轉磁場 產生圖1.3表示最簡單的三相定子繞組AX、BY、CZ，它們在空間按互差1200的規律對稱排列。并接成星形與三相電源U、V、W相聯。則三相定子繞組便通過三相對稱電流：隨著電流在定子繞組中通過，在三相定子繞組中就會產生旋轉磁場(圖1.4)。

14、（1.1） 圖1.3 三相異步電動機定子接線當wt=00時，AX繞組中無電流；為負，BY繞組中的電流從Y流入B1流出；為正，CZ繞組中的電流從C流入Z流出；由右手螺旋定則可得合成磁場的方向如圖1.4（a）所示。當wt=1200時，BY繞組中無電流；為正，AX繞組中的電流從A流入X流出；為負，CZ繞組中的電流從Z流入C流出；由右手螺旋定則可得合成磁場的方向如圖1.4（b）所示。當wt=2400時，CZ繞組中無電流；為負，AX繞組中的電流從X流入A流出；為正，BY繞組中的電流從B流入Y流出；由右手螺旋定則可得合成磁場的方向如圖1.4（c）所示。可見，當定子繞組中的電流變化一個周期時，合成磁場也按電

15、流的相序方向在空間旋轉一周。隨著定子繞組中的三相電流不斷地作周期性變化，產生的合成磁場也不斷地旋，因此稱為旋轉磁場。 圖 1.4 旋轉磁場的形成旋轉磁場的方向旋轉磁場的方向是由三相繞組中電流相序決定的，若想改變旋轉磁場的方向，只要改變通入定子繞組的電流相序，即將三根電源線中的任意兩根對調即可。這時，轉子的旋轉方向也跟著改變。（3）三相異步電動機的極數與轉速極數（磁極對數p）三相異步電動機的極數就是旋轉磁場的極數。旋轉磁場的極數和三相繞組的安排有關。當每相繞組只有一個線圈，繞組的始端之間相差1200空間角時，產生的旋轉磁場具有一對極，即p=1；當每相繞組為兩個線圈串聯，繞組的始端之間相差600空

16、間角時，產生的旋轉磁場具有兩對極，即p=2；同理，如果要產生三對極，即p=3的旋轉磁場，則每相繞組必須有均勻安排在空間的串聯的三個線圈，繞組的始端之間相差400（=1200/p）空間角。極數p與繞組的始端之間的空間角q的關系為： （1.2） 轉速n三相異步電動機旋轉磁場的轉速n0與電動機磁極對數p有關，它們的關系是： （1.3）由（1.3）可知，旋轉磁場的轉速n0決定于電流頻率f1和磁場的極數p。對某一異步電動機而言，f1和p通常是一定的，所以磁場轉速n0是個常數。在我國，工頻f1=50Hz，因此對應于不同極對數p的旋轉磁場轉速n0，見表1.3p123456n03000150010007506

17、00500表1.3 轉差率s電動機轉子轉動方向與磁場旋轉的方向相同，但轉子的轉速n不可能達到與旋轉磁場的轉速n0相等，否則轉子與旋轉磁場之間就沒有相對運動，因而磁力線就不切割轉子導體，轉子電動勢、轉子電流以及轉矩也就都不存在。也就是說旋轉磁場與轉子之間存在轉速差，因此我們把這種電動機稱為異步電動機，又因為這種電動機的轉動原理是建立在電磁感應基礎上的，故又稱為感應電動機。旋轉磁場的轉速n0常稱為同步轉速。轉差率s用來表示轉子轉速n與磁場轉速n0相差的程度的物理量。即： (1.4)轉差率是異步電動機的一個重要的物理量。當旋轉磁場以同步轉速n0開始旋轉時，轉子則因機械慣性尚未轉動，轉子的瞬間轉速n=

18、0，這時轉差率S=1。轉子轉動起來之后，n>0，（n0-n）差值減小，電動機的轉差率S<1。如果轉軸上的阻轉矩加大，則轉子轉速n降低，即異步程度加大，才能產生足夠大的感受電動勢和電流，產生足夠大的電磁轉矩，這時的轉差率S增大。反之，S減小。異步電動機運行時，轉速與同步轉速一般很接近，轉差率很小。在額定工作狀態下約為0.0150.06之間。根據式(1.4),可以得到電動機的轉速常用公式 (1.5) 三相異步電動機的定子電路與轉子電路三相異步電動機中的電磁關系同變壓器類似，定子繞組相當于變壓器的原繞組，轉子繞組（一般是短接的）相當于副繞組。給定子繞組接上三相電源電壓，則定子中就有三相電

19、流通過，此三相電流產生旋轉磁場，其磁力線通過定子和轉子鐵心而閉合，這個磁場在轉子和定子的每相繞組中都要感應出電動勢。1.2 PLC技術 PLC= Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器，一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算，順序控制，定時，計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程，是工業控制的核心部分。1.2.1 PLC的發展歷史起源：1968年美國通用汽車公司提出取代繼電器控制裝置的要求。1969 年，美國數字設備公司研制出了第一

20、臺可編程控制器 PDP14 ，在美國通用汽車公司的生產線上試用成功，首次采用程序化的手段應用于電氣控制，這是第一代可編程序控制器，稱Programmable，是世界上公認的第一臺PLC。1969年，美國研制出世界第一臺PDP-141971年，日本研制出第一臺DCS-81973年，德國研制出第一臺PLC1974年，中國研制出第一臺PLC發展：20世紀70年代初出現了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運算、數據傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業控制裝置。此時的PLC為微機技術和繼電器常規控制概念相結合的產物。個人計算機發展起來后，為了方便和反映可編程控制器的功能特

21、點，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC）。20世紀70年代中末期，可編程控制器進入實用化發展階段，計算機技術已全面引入可編程控制器中，使其功能發生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業抗干擾設計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現代工業中的地位。20世紀80年代初，可編程控制器在先進工業國家中已獲得廣泛應用。世界上生產可編程控制器的國家日益增多，產量日益上升。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。20世紀80年代至90年代中期，是PLC發展最快的時期，年增長率一直保持為3040%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數字運

22、算能力、人機接口能力和網絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統治地位的DCS系統。20世紀末期，可編程控制器的發展特點是更加適應于現代工業的需要。這個時期發展了大型機和超小型機、誕生了各種各樣的特殊功能單元、生產了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業控制設備的配套更加容易。1.2.2 PLC的基本結構PLC實質是一種專用于工業控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，基本構成為：圖1.5 S7-200 PLC CPU的外形模型圖 1.電源 PLC的電源在整個系統中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統是無法

23、正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%）范圍內，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網上去。 2.中央處理單元（CPU）中央處理單元（CPU）是PLC的控制中樞。它按照PLC系統程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數據；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現場各輸入裝置的狀態和數據，并分別存入I/O映象區，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規定執行邏輯或算數運算的結果送入I/O映象區或數據寄存器內。等所有的用

24、戶程序執行完畢之后，最后將I/O映象區的各輸出狀態或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環運行，直到停止運行。為了進一步提高PLC的可靠性，對大型PLC還采用雙CPU構成冗余系統，或采用三CPU的表決式系統。這樣，即使某個CPU出現故障，整個系統仍能正常運行。3.存儲器 存放系統軟件的存儲器稱為系統程序存儲器。 存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。 4.輸入輸出接口電路 現場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是PLC與現場控制的接口界面的輸入通道。 現場輸出接口電路由輸出數據寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用PLC通過現場輸出接口電路向現場的執行部件輸出相應

25、的控制信號。 5.功能模塊 如計數、定位等功能模塊。 6.通信模塊如以太網、RS485、Profibus-DP通訊模塊等。1.2.3 西門子S7-200系列PLCS7-200系列在集散自動化系統中充分發揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關的工業及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環境保護設備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，中央空調，電梯控制，運動系統。 S7-200系列PLC可提供4個不同的基本型號的8種CPU使用。1.CPU單元設計： 集成的24V負載電源：可直接連接到傳

26、感器和變送器（執行器），CPU 221，222具有180mA輸出， CPU 224，CPU 226分別輸出280，400mA。可用作負載電源。 2.不同的設備類型： CPU 221226各有2種類型CPU，具有不同的電源電壓和控制電壓。 3.本機數字量輸入/輸出點： CPU 221具有6個輸入點和4個輸出點，CPU 222具有8個輸入點和6個輸出點，CPU 224具有14個輸入點和10個輸出點。CPU 226具有24個輸入點和16個輸出點。 4.中斷輸入： 允許以極快的速度對過程信號的上升沿作出響應。 5.高速計數器： CPU 221/222 4個高速計數器（30KHz），可編程并具有復位輸入

27、，2個獨立的輸入端可同時作加、減計數，可連接兩個相位差為90°的6.A/B相增量編碼器 CPU224/226 6個高速計數器（30KHz），具有CPU221/222相同的功能。 7.CPU 222/224/226： 可方便地用數字量和模擬量擴展模塊進行擴展。可使用仿真器（選件）對本機輸入信號進行仿真，用于調試用戶程序。 8.模擬電位器： CPU221/222 1個 CPU224/226 2個 CPU221/222/224/226還具有 9.脈沖輸出： 2路高頻率脈沖輸出（最大20KHz），用于控制步進電機或伺服電機實現定位任務。 10.實時時鐘： 例如為信息加注時間標記，記錄機器運行

28、時間或對過程進行時間控制。 11.EEPROM存儲器模塊（選件）： 可作為修改與拷貝程序的快速工具（無需編程器），并可進行輔助軟件歸檔工作。 12.電池模塊： 用于長時間數據后備。用戶數據（如標志位狀態，數據塊，定時器，計數器）可通過內部的超級電容存貯大約5天。選用電池模塊能延長存貯時間到200天（10年壽命）。電池模塊插在存儲器模塊的卡槽中。1.3 變頻器 變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現電機的變速運行的設備。其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對于如矢

29、量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉矩計算的CPU以及一些相應的電路 。1.3.1 變頻器基本原理圖1.6 交流低壓直交直通用變頻器系統框圖 1.主電路是給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類:電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。它主要由三部分構成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。 （1） 整流器：最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換

30、為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉。 （2）平波回路：在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路構成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。 （3）逆變器：同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使6個開關器件導通、關斷就可以得到3相交流輸出。以電壓型pwm逆變器為例示出開關時間和電壓波形。 2.控制電路是給異步電動機供電（電壓、頻率可調）的主電路提供控制信號的回路，

31、它有頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”組成。 （1） 運算電路：將外部的速度、轉矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。 （2）電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。 （3）驅動電路：驅動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導通、關斷。 （4）速度檢測電路:以裝在異步電動機軸機上的速度檢測器(tg、plg等)的信號為速度信號，送入運算回路，根據指令和運算可使電動機按指令速度運轉。 （5）保護電路:檢測主電路的

32、電壓、電流等，當發生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。圖1.7 變頻器主電路1.3.2 變頻器調速基本原理變頻調速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調速的目的。當在定子繞組上接入三相交流電時，在定子與轉子之間的空氣隙內產生一個旋轉磁場，它與轉子繞組產生相對運動，使轉子繞組產生感應電勢，出現感應電流，此電流與旋轉磁場相互作用，產生電磁轉矩，使電動機轉動起來。電機磁場的轉速稱為同步轉速，用N表示： N=60f/p(r/min) （1.6）式中：f三相交流電源頻率，一般為50Hz；p磁極對數。當p=1時，N=3000r/min；p=2時，N

33、=1500r/min。可見磁極對數p越多，轉速N越慢。轉子的實際轉速n比磁場的同步轉速N要慢一點，所以稱為異步電機，這個差別用轉差率s表示： s=n1n）/n1×100% （1.7)當加上電源轉子尚未轉動瞬間，n=0，這時s=1；起動后的極端情況n=N，則s=0，即s在01之間變化。一般異步電機在額定負載下的s=（16）%。綜合式（1.6）和式（1.7）可以得出 n=60f（1s）/p (1.8) 由式(1.8)可以看出，對于成品電機，其磁極對數p已經確定，轉差率s變化不大，則電機的轉速n與電源頻率f成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機的同步轉速，進而達到異步電機調速的目的。

34、1.4 人機交互界面與西門子smartline1.4.1 人機交互界面 HMI是Human Machine Interface 的縮寫，“人機接口”，也叫人機界面。人機界面（又稱用戶界面或使用者界面）是系統和用戶之間進行交互和信息交換的媒介， 它實現信息的內部形式與人類可以接受形式之間的轉換。凡參與人機信息交流的領域都存在著人機界面。 1.人機界面（HMI）產品的組成及工作原理 人機界面產品由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括處理器、顯示單元、輸入單元、通訊接口、數據存儲單元等，其中處理器的性能決定了HMI 產品的性能高低，是HMI的核心單元。根據HMI的產品等級不同，處理器可分別選用8位、1

35、6位、32位的處理器。HMI軟件一般分為兩部分，即運行于 HMI硬件中的系統軟件和運行于PC機Windows操作系統下的畫面組態軟件（如wincc flexible畫面組態軟件）。使用者都必須先使用HMI的畫面組態軟件制作“工程文件”，再通過PC機和HMI 產品的串行通訊口，把編制好的“工程文件”下載到HMI的處理器中運行。 2.人機界面產品分類薄膜鍵輸入的HMI，顯示尺寸小于5.7，屬初級產品。如POPHMI 小型人機界面觸摸屏輸入的HMI，顯示屏尺寸為5.712.1，屬中級產品基于平板PC計算機的、多種通訊口的、高性能HMI，顯示尺寸大于10.4，屬高端產品 3.人機界面的使用方法明確監控

36、任務要求，選擇適合的HMI產品在PC機上用畫面組態軟件編輯“工程文件”測試并保存已編輯好的“工程文件”PC機連接HMI硬件，下載“工程文件”到HMI中連接HMI和工業控制器（如PLC、儀表等），實現人機交互1.4.2 西門子smartline如今，人機界面已經成為大多數工業機械設備的標準配置，尤其在使用小型機器和簡單應用時，成本成了關鍵因素。西門子順應市場需求推出的全新 SIMATIC 精彩系列面板SmartLine，準確地提供了人機界面的標準功能，經濟實用，具備高性價比。精彩系列面板采用全新的高分辨率16:9 寬屏液晶顯示和先進的工業設計理念，使設備操作變得更加輕松快捷，引領人機界面產品進入

37、高分辨率寬屏顯示時代。第2章 PLC編程軟件與HMI組態軟件2.1 STEP7-Micro/WIN2.1.1軟件介紹S7-200 PLC的編程軟件為STEP7-Micro/WIN，它以PLC的用戶程序編輯功能為主（包括符號表編輯），可用于PLC用戶程序的編輯與監控，可使用多種語言文字。STEP7-Micro/WIN軟件使用較簡單，S7-200用戶程序用的邏輯處理、計數器、定時器、數學運算、通信指令的編輯工具都已集成在軟件中；軟件也可用于程序的在線編輯、狀態監視、變量強制等操作。STEP7-Micro/WIN軟件可以使用SIMATIC與IEC61131-3兩種指令系統編程。SIMATIC系統的功

38、能較豐富，可實現全部功能，其程序編輯可用梯形圖（LAD）、指令表（STL）、邏輯功能塊圖（FBD)3種編程語言，并能進行相互轉換。IEC61131-3系統只能用梯形圖、邏輯功能塊圖編程，不能使用指令表，也不能使用部分S7-200功能指令。2.1.2 程序組織 程序結構的組織是確定已有子程序、中斷程序的執行次序。對于分塊結構的程序，應在完成全部程序編輯后，在主程序OB1上進行組織。在主程序OB1上，首先編輯子程序、中斷程序的調用條件，然后打開指令數中的“指令文件夾”、選擇“指令分類文件夾”，并栓劑相應的子程序號，即可輸入子程序、中斷程序的調用指令。2.1.3 程序編輯要點STEP7-Micro/

39、WIN編程軟件的梯形圖以“網絡”為單位進行處理，程序段的注釋也以網絡為單位進行，網絡的編號可由編輯軟件自動生成。STEP7-Micro/WIN對網絡有以下規定的格式要求。（1） 同一網絡內的所有編程元件都必須且只能用梯形圖上的連線連接，僅通過主母線連接的程序塊不能編寫在同一網絡中。（2） 為了減少程序中的網絡數、簡化程序、方便程序閱讀與注釋，有時需要將相互關聯的程序塊組合到同一網絡中，這時應通過狀態恒為“1”的觸點SM0.0，在網絡中建立一條子母線來連接不同的程序塊。（3） 網絡原則上應以直接連接于主母線的觸點為起始，即使實際程序塊并不需要觸電，但為了滿足格式的要求，編程時也需要插入狀態恒為“

40、1”的觸點SM0.0。2.1.4 PLC監控 1.PLC工作模式PLC由STOP(停止）和RUN(運行）兩種基本工作模式。可以通過CPU模塊上的模式轉換開關控制PLC的STOP與RUN。但是，當PLC操作系統檢測到重大錯誤時，將強制從RUN模式轉入STOP模式。STOP模式可用編程計算機直接編輯PLC中的程序，但不執行PLC程序；RUN模式不但可以執行程序，還可編輯和監控PLC程序的狀態。通過計算機監控PLC工作狀態時，CPU模塊上的轉換開關應設為“TERM”或“RUN”模式。模式TERM不會改變PLC原有的操作模式，但可通過編程計算機改變PLC的操作模式。2. PLC監控可通過主菜單“調試”

41、選項，監視、讀取、寫入和強制寫入PLC狀態。監視和調試功能可在程序編輯器中顯示，也可以狀態圖的形式顯示。（1） 程序編輯器監控選擇主菜單“調試”上的“使用執行狀態”選項，單擊工具條中的“程序狀態監控”快捷按鈕或選擇主菜單命令“調試”“程序狀態”，可在程序編輯器中監控PLC的實際執行狀態。PLC所顯示的狀態時PLC循環掃描完成后的元件狀態。編輯元件中出現綠色只是表明該編程元件接通，紅色表示指令有誤，灰色表示指令未被掃描（跳過或未調用）。（2） 狀態圖監控單擊瀏覽條上的“狀態圖”圖標或選擇主菜單“檢視”“元件”“狀態圖”可打開狀態圖監控頁面。在狀態圖監控頁面的“地址”欄輸入需要監控的操作數（信號）

42、地址，并右擊相應的單元格，進行信號地質的插入、刪除等操作。利用工具條中的“狀態圖顯示”按鈕，可對輸入的地址進行重新排列。信號的狀態將在狀態圖的“現行值”欄中顯示。當PLC處于“STOP”模式時，顯示的是PLC程序執行前的初始值或條件；當PLC處于“RUN”模式時，則可連續監控執行過程中的狀態。2.2 wincc flexible組態軟件WinCC flexible是一種前瞻性的面向機器的自動化概念的HMI軟件，它具有舒適而高效的設計。2.2.1 wincc flexible簡介WinCC flexible是用于所有組態任務的工程系統。WinCC flexible采用模塊化的設計。隨著版本的逐步

43、升高，所支持的設備范圍以及WinCC flexible的功能都得到了擴展。1. 原理在WinCC flexible中創建新項目或打開現有項目時，WinCC flexible環境將在您的編程計算機的屏幕上打開。在“項目視圖”中顯示項目結構，并可對項目進行管理。WinCC flexible為每一項組態任務提供專門的編輯器。例如，在“畫面”編輯器中組態HMI設備的GUI。或者使用“離散量報警”編輯器組態報警。所有與項目相關的組態數據都存儲在項目數據庫中。2. 組態支持 WinCC flexible用于組態用戶界面以操作和監視機器與設備。WinCC flexible提供了對面向解決方案概念的組態任務的

44、支持。例如，這會涉及到批量數據的處理、自動傳送、甚至是運動路徑的智能組態問題。2.2.2 WinCC flexible的組件 1.WinCC flexible工程系統 WinCC flexible工程系統是用于處理所有基本組態任務的軟件。WinCC flexible版本決定了在SIMATIC HMI系列中可以組態哪些HMI設備。 2.WinCC flexible運行系統 WinCC flexible運行系統是用于過程可視化的軟件。在運行系統中，您可以在過程模式下執行項目。 3.WinCC flexible選件 WinCC flexible選件可以擴展WinCC flexible的標準功能。每個

45、選件需要一個單獨的許可證。第3章 電動機轉速控制3.1 系統設計的總體思路 系統主要由三個部分構成，即可編程邏輯控制器件PLC、變頻器和電機。首先通過設置給定輸入給PLC，再通過PLC控制變頻器，再經由變頻器來控制電機，隨后將電機的轉速反饋給PLC，經比較后輸出給變頻器從而實現無靜差調速。具體如下圖所示：-速度給定速度反饋信號+PLC（PID）變頻調速系統電機圖3.1 速度閉環控制的機構控制圖3.2 變頻器參數設置在本系統中，選用了由西門子生產的通用變頻器G120。為滿足設計的要求，需要對變頻器的參數進行設定，設定如下參數號名稱設置功能P700選擇命令源2由端子排輸入P701數字輸入0的功能0

46、禁止數字輸入P702數字輸入1的功能1ON/OFF1（接通正轉）P703數字輸入2的功能2ON/OFF1（接通反轉）P1000選擇頻率設定值的來源2模擬量 設定值表3.1 變頻器參數設置3.3 轉速控制外部硬件連接圖圖3.2 外部電路連接圖3.4 PLC程序設計 系統采用閉環控制方式來控制電機的調速，在編寫程序的時候可以分為三部分：主程序、中斷程序和子程序。 主程序： 主要是用來啟動中斷程序以及控制量的輸入和子程序的調用。 中斷程序：調用PID指令進行運算以及數據類型的轉換。 子程序：初始化HSC，中斷程序參數設置，PID參數設置3.4.1 PID算法圖3.3 PID控制原理圖PLC的PID控

47、制器設計是以連續系統PID控制規律為基礎，經采樣將其數字化寫成離散形式PID控制方程，再根據離散方程進行控制程序設計。典型的PID算法包括3項，比例項、積分項和微分項。即：輸出比例項積分項微分項。計算機在周期性地采樣并離散化后進行PID運算，算法如下：Mn=Kc*（SPn-PVn）+Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx+Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）（3.1）比例項Kc*（SPn-PVn）：能及時地產生與偏差（SPn-PVn）成正比的調節作用，比例系數Kc越大，比例調節作用越強，系統的靜態穩定精度越高，但Kc過大會使系統的輸出量振蕩加劇，穩定性降低。積分項Kc*（Ts/

48、Ti）*（SPn-PVn）+Mx：與偏差有關，只要偏差不為0，PID控制的輸出就會因積分作用而不斷變化，直到偏差消失，系統處于穩定狀態，所以積分的作用是消除穩態誤差，提高控制精度，但積分的動作較慢，給系統的動態穩定帶來不良影響，很少單獨使用。積分時間常數Ti增大，積分作用越強，消除穩態誤差的速度減慢。微分項Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）：根據誤差變化的速度（即誤差的微分）進行調節，具有超前和預測的特點。微分時間常數Td增大時，超調量減少，動態性能得到改善，但Td過大，系統輸出量在接近穩態時可能上升緩慢。許多控制系統內，可能只需要P、I、D中的一種或兩種控制類型。如可能只要求比例控

49、制或比例與積分控制，通過設置參數可對回路進行控制類型進行選擇。3.4.2 內存變量分配表1、程序地址分配地址說明VD20目標速度設定存放地址VD300當前實際速度存放地址表3.2 程序地址分配表2、 PID指令回路表地址名稱說明VD200過程變量（PVn）必須在0.01.0之間VD204給定值（SPn）必須在0.01.0之間VD208輸出值（Mn）必須在0.01.0之間VD212增益（Kc）比例常數，可正可負VD216采樣時間（Ts）單位為s，必須是正數VD220采樣時間（Ti）單位為min，必須是正數VD224微分時間（Td）單位為min，必須是正數表3.3 PID指令分配表3.4.3 速度

50、反饋設計 構成閉環系統就要把速度信息反饋給輸入。速度的測量可以通過光電編碼器和PLC來實現。 速度采集：S7-200具有高速脈沖采集功能，采集頻率可以達到30KHz，共有6個高速計數器（HSC0HSC5）工作模式有12種。在固定時間間隔內采集脈沖差值，通過計算既可以獲得電動機的當前轉速。本次設計中：采樣周期為1s 即是每隔1s采集脈沖一次，高速計數器選用4倍頻計數，光電開關每轉發出1000個脈沖，那么就可以得到速度為 （3.2） 其中 為采樣周期內接受到的脈沖數。轉速的單位為 。 閉環控制就是將速度信號反饋給PLC，再通過與給定量比較，輸出給PID控制部分，從而調節速度使其能達到設定要求。3.

51、5 調試與數據分析3.5.1 PID參數整定PID參數整定方法就是確定調節器的比例系數P、積分時間Ti和和微分時間Td，改善系統的靜態和動態特性，使系統的過渡過程達到最為滿意的質量指標要求。一般可以通過理論計算來確定，但誤差太大。目前，應用最多的還是工程整定法：如經驗法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應曲線法。經驗法又叫現場湊試法，它不需要進行事先的計算和實驗，而是根據運行經驗，利用一組經驗參數，根據反應曲線的效果不斷地改變參數，對于溫度控制系統，工程上已經有大量的經驗，其規律如下表所示： 實驗湊試法的整定步驟為"先比例，再積分，最后微分"。 （1）整定比例控制 將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應，直至得到反應快、超調小的響應曲線。 （2）整定積分環節 先將步驟（1）中選擇的比例系數減小為原來的5080，再將積分時間置一個較大值，觀測響應曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應調整比例系數，反復試湊至得到較滿意的響應，確定比例和積分的參數。 （3）整定微分環節環節 先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應地改變比例系數和積分時間，反復試湊至獲得滿意的控制效果和PID