基于PID的变频调速系统设计与实现

基于PID的变频调速系统设计与实现

一、选题简介、意义

在现代电力拖动系统中，电动机一般是按系统最大功率来选型的，但在很多实际应用中，电机并不需要一直满载运行，例如风机、水泵等负载，由于其特殊的转矩、功率特性，使用调速控制可以获得很好的节能效果。而为了满足生产过程中不同的工艺需求，人们对调速系统的精度和可靠性等也有了更高的要求。

相较于传统的调压调速和变极调速等调速方式，变频调速技术以其优异的调速性能和节能效果，被公认为最具有发展前景的调速方式。而随着信息技术、电力电子技术、电机驱动技术地不断发展，变频调速技术地应用范围也越来越广泛。而在变频调速系统中加入PID控制可以消除误差、提高系统控制精度和抗干扰性。

二、课题综述（课题研究，主要研究的内容，要解决的问题，预期目标，研究步骤、方法及措施等）

1.本次课题研究的是：《基于PID的变频调速系统设计与实现》；

2.主要研究的有以下几点:

a.系统应有启动和停止状态、电机转速控制、电机转速监视等功能；

b.系统可以检测电机当前转速，并通过PID控制来调整当前转速，直至当前转速等于设定转速；

c.在HMI上可以看到电机转速的历史曲线，可以查看过去某一时刻电机的转速；

d.系统应有检测故障按钮，按下后可自动检测故障，并显示故障代码；

3.需要解决的主要问题有:

a.PLC与变频器、HMI以及光电编码器之间的通信问题；

b.PLC和HMI的编程；

c.原理图的制作；

4.本次课题的预期目标就是实现任务书上的所有内容；

5.本次课题主要有以下几个步骤:

a.根据课题选择PLC、HMI、变频器、光电编码器及电机的型号；

b.解决PLC与其他部件的通信问题，并绘制出整个系统的原理图；

c.编写程序；

d.验证程序的正确性；

三、设计（论文）体系、结构（大纲）

第1章绪论 2

1.1变频调速系统的背景 2

1.2变频调速系统的国内外研究现状 2

1.3 变频调速技术特点 3

1.4 课题研究内容 3

第2章变频调速系统的总体设计 5

2.1 变频调速系统整体方案设计思路 5

2.2 变频调速的基本原理 5

2.3 变频调速的方案设计 5

2.3.1 系统组成 5

2.3.2系统工作原理 6

2.4 相关技术背景简介 7

2.4.1变频调速技术 7

2.4.2 PLC技术 7

2.4.3 施耐德工业网络控制技术 8

2.4.4 PID控制技术 9

第3章变频调速系统的硬件设计 10

3.1变频调速系统的硬件设计思路 10

3.2 变频器的分析与应用 10

3.2.1 变频器的原理 11

3.2.2变频器的控制方式 11

3.2.3 变频器技术的发展方向 11

3.2.4 变频器的选型 12

3.3 可编程控制器的分析与应用 13

3.3.1 PLC的特点与应用领域 13

3.3.2 PLC的发展趋势 15

3.3.3 PLC的工作原理 15

3.3.4 PLC的选型 17

3.4其他部件的选型 18

3.4.1触摸屏的选型 18

3.4.2 三相交流异步电动机的选型 19

3.4.3 光电编码器的选型 19

3.5 PLC外部接线 19

第4章变频调速系统的软件设计 22

4.1 变频调速系统软件设计思路 22

4.2 系统通信设置 22

4.2.1 PLC与变频器的CANOpen通信设置 22

4.2.2 PLC与触摸屏的Modbus TCP通信设置 25

4.2.3 PLC与光电编码器的通信设置 27

4.3 PLC程序设计 30

4.3.1 编码器信号处理 30

4.3.2 运动控制程序 30

4.3.3 PID控制程序 31

4.3.4 报警程序 32

4.4 HMI程序设计 33

4.4.1 HMI变量分配 33

4.4.2 界面设计 33

第5章变频调速系统的系统联调 35

第6章总结与展望 38

6.1 总结 38

6.2 展望 38

参考文献 39

总结与展望

6.1 总结

本文介绍了基于PID的变频调速系统的设计与实现。由PLC、变频器、交流电动机和光电编码器等构成了一个闭环的PID控制系统，施耐德M258PLC和施耐德ATV71变频器之间的通信采用CANopen协议。

通过上述设计，本篇论文的主要结论有：

（1）本设计使用了目前自动化技术中的一些主流自动控制装置和技术。如可编程控制器技术、变频器技术、触摸屏技术等；

（2）PLC以其可靠性高、使用方便、功能多样等特性在自动化领域被广泛应用；本文中的变频器也是由PLC控制的，PLC和变频器组成的电机控制系统具有控制精度高、易于操作等优点；

（3）由于课题要求中需要精确控制电机转速，所以本次系统设计采用PID算法控制，以满足精准控制和系统稳定性等需求；

（4）利用施耐德公司提供的工业网络通信方案来进行施耐德旗下PLC和变频器、触摸屏之间的通信可以提高整个系统的实时性、可靠性和可操作性；

6.2 展望

本文所研究的变频调速系统的主要思路是由1台PLC控制1台变频器带动1台交流电动机从而达到电动机的转速控制，而1台PLC完全能够带多台变频器以达到多电机控制，并且每台变频器都能被PLC单独控制，这在实际工业生产应用中还是有一定意义的。

同时，本文中的PLC与变频器的连接采用的是CANopen通信协议，而这款ATV71变频器其实一共就支持两种通信协议：Modbus和CANopen；但是在现实生活中，虽然大部分公司会采购同一生产厂家的PLC和变频器产品，但还是会有不同厂家的PLC和变频器需要进行通信，面对着多种多样的通信接口和通信协议之间的矛盾，现场总线加上适配器应该算是一种解决方案，但如果未来能出现一种统一的现场总线标准，势必会大大提高自动化产品的通用性，设备选型和更新换代也会更加方便。

参考文献

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