基于罗克韦尔PLC的电机控制毕业设计论文

本科毕业设计（论文）题目 基于罗克韦尔PLC的电机控制学生姓名张明鹿学号0607030113教学院系电子信息工程学院专业年级自动化2006级指导教师谌海云职称教授单位西南石油大学电子信息工程学院辅导教师刘慧芳职 称硕士研究生单位西南石油大学电子信息工程学院完成日期2010年6月2日摘 要电动机作为机械运动中的驱动设备，一直起着非常重要的作用。将电机进行网络化控制是满足远程控制系统的客观需求，也是发展趋势。本次设计借助西南石油大学-罗克韦尔自动化油气自动化示范中心的罗克韦尔三层网络平台，设计完成了基于罗克韦尔PLC的电机控制。本文首先对系统进行设计和构建。在熟悉各器件原理和构造的基础上，选择合适的器件，搭建了以ControlLogix系统为中心，以ControlNet为纽带，以ControlLogix5561 PLC为控制器，以三相异步电动机的转速为控制对象，以PowerFlex40变频器为执行机构，以测速发电机为检测机构，通过EtherNet上的PC机进行控制的系统。系统设备间网络通讯的实现。为利用网络实现控制数据的传输与交换，通过RSLinx软件建立通讯通道，RSNetworx软件对ControlNet进行组态和配置，RSLogix5000对控制器进行逻辑编程， RSView32对上位机的人机监控进行设计，实现了不同网络上各设备间的相互通讯。系统数学模型的建立和控制算法的实现。在对电机变频调速系统进行机理分析的基础上，得到电机变频调速控制系统的网络模型。通过MATLAB的Simulink工具将仿真结果与实际结果进行比较，证明了所得模型的有效性；为实现对电机转速的精确控制，在系统中加入PID控制算法，借助MATLAB的Simulink工具选择合适的参数，达到了良好的控制效果。并对制算法的效果进行了动态性能和稳态性能的比较分析。本文成功实现了电机转速的网络控制。此系统开放灵活，易于扩展和改造，可以将其广泛应用到实际工业场合，具有很好的应用价值。关键词：可编程控制器 PowerFlex40变频器 ControlLogix系统 异步电动机 测速发电机 PIDABSTRACTAs mechanical drive equipment,motor has been playing a very important roal.Currently,the motor control is AC,networked and intelligent.The purpose of motor control with network is to meet the objective needs of remote control systems.the research depends on the three-layer network platforms of Southwest Petroleum University-Rockwell Automation Oil & Gas Automation Center of Excellence in Southwest Petroleum University.The motor control system based on Rockwell PLC is completed.First,system design and construction.After choosing suitable device,familiar with it,the motor control system is constructed in which ControlLogix is as center,ControlNet is as link,ControlLogix 5561 PLC is as controller,the three-phase asynchronous motor speed is as control object,PowerFler 40 transducer is as implement unit,tachogenerator is as sensor unit and the PC on EtherNet is as remote humen-machine interface monitor.The relation of inter-network communications between equipments.For the control dada transmission and exchange through network, RSLinx software is used for communications channel establish, RSNetworx software is used ControlNet configuration and deployment,RSLogix5000 software is used for controller logic program,RSView32 is used for human-machine interface design. Then, each equipment can communicate with each other between different networks.The design of system mathematical model and the achievement of control algorithm. Based on the analysis if the transducer motors speed-frequency principle, the motor speed control network model is concluded. Comparing the simulation results with the actual results, validity of the model is proved in the paper.For achiving the precision of the motor speed control, PID control is adopted. Under the help of MATLAB Simulink tool, suitable parameters are chosen and the good control performance is achieved, PID control algorithms also has been analyzed on the dynamic and steady performance.The motor control system is realized successfully in the paper.It is flexible and easy to be expanded and transformed,which can be widely applied to actural industrial occasions to solve many problems.It is good Valuable.Keywords: PLC, PowerFler 40 transducer , ControlLogix system, asynchronous motor, tachogenerator, PID control目 录1绪论11.1课题研究概述11.2电机控制的发展趋势21.3罗克韦尔网络化结构在电机控制系统中的应用21.4 PLC技术31.5本文的主要内容42网络结构和ControlLogix系统52.1 NetLinx三层网络架构62.1.1通用工业协议CIP72.1.2工业以太网EtherNet/IP82.1.3控制网ControlNet82.1.4设备网DeviceNet92.2 Controllogix系统102.3本章小结113 交流调速和变频器123.1交流调速123.2变频器调速原理133.2.1变频器的主电路133.2.2变频调速原理与优势133.3 PowerFlex40变频器143.4本章小结144 系统设计和实现154.1方案选择154.1.1控制层次选择154.1.2控制算法比较164.1.3检测元件选取184.1.4系统总体方案设计184.2硬件设计194.2.1变频器设置204.2.2变频器和控制器连接204.2.3变频器和电机的连接214.2.4控制器与电机的连接214.3 软件设计214.3.1设定通信驱动214.3.2梯形图程序的编写和I/O 组态224.3.3控制网的规划254.3.4 OPC服务器的建立264.3.5监控界面的编辑274.4运行效果304.5本章小结315系统参数设定与仿真325.1系统建模325.2 PID参数整定345.2.1 PID控制345.2.2 PID参数对控制质量的影响365.2.3变频器PID参数整定375.2.4控制器PID参数整定415.3本章小结426系统调试436.1参数调试436.2硬件连接中遇到的问题及解决方案446.3本章小结467 总结和展望477.1总结477.2展望47参考文献49致 谢50附录一51附录二55附录三56I基于罗克韦尔PLC的电机控制1绪论电气传动技术以运动机械的驱动装置电动机为控制对象，以电力电子功率变换装置为执行机构，以微电子装置为核心，在自动控制理论的指导下完成电气传动自动控制系统，控制电动机的转矩和转速，将电能转换成机械能，实现工作机械的旋转运动或往复运动。因电机的种类不同，我们可以把电气传动分为直流电动机传动和交流电动机传动。自19世纪80年代起至19世纪末，工业上传动用的电动机一直被直流电机垄断，到了19世纪末，出现了三相电源、结构简单且坚固耐用的交流鼠笼型电机以后，交流电机才在恒速领域代替了直流电动机传动装置。随着生产的不断发展，速度可调节成了传动装置的一项基本要求，并且，除要求装置满足一定的调速范围和连续可调的同时，还要求其具有良好的稳定性和瞬态性能。从50年代起，国外开始重视交流电机调速。电力电子学与电子技术的发展，使得半导体变流调速系统的实现成为可能，尤其是70年代以来，大规模集成电路发展，计算机控制技术的进步，以及现代控制理论的应用，为交流电机拖动系统的发展创造了有利条件，促进了包括串级调速系统、变频调速系统、无换相器电动机调速系统以及矢量控制调速系统等在内的各种类型的交流电机调速系统的飞速发展。变频调速系统具有效率高、精度高和调速范围广等特点，是运用最广泛、最具发展前途的调速方式。交流电机变频调速系统的种类很多，从50年代提出电压源型变频器开始，相继发展了电流源型、脉宽调制型等各类变频器。目前变频调速的主要方案有:交-交变频调速，交-直-交变频调速，同步电动机自控式变频调速系统，正弦波脉宽调制、矢量控制、直接转矩控制变频调速等。模糊控制、专家系统、神经网络、自适应控制等诸多智能控制方式的引入，大大提高了变频器调速系统的控制效果。变频器调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平以及电力电子技术的发展水平。随着第二代电力半导体器件相继出现，交流变频调速技术得到了飞速发展。美、德、英、日等国家在结合现代微处理器控制技术、电力电子技术、电机传动技术的基础上，相继推出了一系列的变频器，且不断进行更新换代。这些高精度、多功能、智能化的变频器将调速效率和精度提高到了前所未有的水平2。1.1课题研究概述本课题通过对基于罗克韦尔PLC的电机控制的研究，可对PLC、网络控制系统、现场总线技术和变频调速技术进行一次深入、全方位的了解学习。本试验系统将PLC、变频器、传感器、上位机结合在一起，构建一个基于PLC的电机控制试验系统。通过本次设计，可以了解、学习世界上先进的控制技术。将目前已经成熟的控制算法PID应用于系统控制，可取得很好的控制效果，基于此构建的控制系统，也具有很好的研究及应用价值。通过对基于PLC的电机控制的试验研究，可将所得经验、成果应用于实际的工业现场，达到一定的控制目的。1.2电机控制的发展趋势电机作为运动控制系统中的关键部分，正朝着以下三个方向发展:(l)交流化。由于交流电机本身的优势，交流调速取代直流调速己成为一种不可逆转的趋势。交流电机虽然控制比较复杂，但其结构简单、成本低、安装环境要求低，适用于易燃、易爆、多尘等场合，尤其在大容量、高转速应用领域，因而备受人们的青睐。而在交流电机的调速控制中，变频调速技术的发展尤为迅猛。(2)网络化。微处理器的发展，使数字控制器简单而又灵活，同时为联网提供了可能。随着系统规模的不断的扩大和系统复杂性的提高，单机控制越来越少，取而代之的是大规模多机协同工作的高度自动化的复杂系统，这就需要计算机网络的支持。实现集中管理和分散控制。(3)智能化。借助于数字和网络技术，智能控制己经深入到运动控制系统的各个方面。例如:模糊控制、神经网络控制、解耦控制等，随着运动控制系统中各种观测器和辩识技术的应用，控制系统的性能得到了极大改善1。1.3罗克韦尔网络化结构在电机控制系统中的应用现场总线技术把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把各设备连接成能互通信息，可共同完成自控任务的网络系统和控制系统。在众现场总线中，具有代表性的是罗克韦尔自动化公司推出的工业网络体系: Netlinx三层网络架构，如图1.1所示，Netlinx三层网络架构由上而下分为信息层、控制层和设备层。对应的是工业以太网(EtherNet/IP)、控制网(ControlNet)和设备网(DeviceNet)。采用 Netlinx开放式网络来控制电机具有运行安全可靠，实时性强、操作简便、易于扩展等优点。它可以减轻网络拥塞，保证控制数据的高效传输，实现无缝的实时控制、设备组态和数据采集的功能。图1.1Netlinx三层网络架构1.4 PLC技术第一台可编程控制器(以下简称PLC)的设计规范是美国通用汽车公司提出的。当时的目的是要求设计一种新的控制装置以取代继电器盘，要求其在保留继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点的基础上，具有现代化生产线所要求的时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口连接、维修方便等诸多品质与功能。这一设想提出后，美国数字设备公司(DEC)研制成第一台PLC，投入到通用汽车公司的生产线控制中，取得了令人满意的效果，从此开创了PLC的新纪元。到70年代初，多个工业部门相继使用PLC代替继电器控制设备，迈出了其实用化阶段的第一步。70年代中期，大规模集成电路的出现，促进了可编程控制技术的飞速发展。使得PLC在逻辑运算功能的墓础上，增加了数值运算能力，提高了运算速度，扩大了输入输出规模。70年代末，随着超大规模集成电路的出现，PLC向大规模、高速性能方向发展，形成了多种系列化产品，面向工程技术人员的编程语言也发展成熟，出现了工艺人员使用的图形语言。而在功能上，PLC己经能够代替某些模拟控制装置和小型机的DDC系统17。1.5本文的主要内容本课题是基于罗克韦尔自动化Netlinx开放式网络架构和ControlLogix系统，采用交流变频技术，运用PID控制实现对三相异步电动机的控制。第一章绪论。主要介绍了课题研究的目的及意义，电机控制的研究现状、发展趋势及论文的章节安排。第二章网络结构和ControlLogix系统。主要介绍Netlinx网络化结构，工业以太网（EtherNet/IP）、控制网（ControlNet）、设备网（DeviceNet）、通用工业协议和Controllogix系统。第三章交流调速和变频器。主要对交流调速技术的发展和变频器的原理、结构及优点进行介绍，并简要介绍PowerFlex40变频器。第四章系统设计和实现。包括系统的方案选择，总体方案设计和具体软硬件实现。第五章数学建模和PID仿真。主要讲述了系统数学模型的建立过程和PID参数整定，并对控制系统进行PID仿真。第六章系统调试。主要介绍设计过程中的系统参数的调试和设计过程中遇到的问题及解决方法。第七章总结和展望。总结本文的主要工作，展望未来可继续开展的工作。2网络结构和ControlLogix系统在复杂的过程控制系统中，由于系统的不同部分对通信的要求不一样，可以把自动化系统分成若干层，根据各个部分对通信的要求来选择合适的网络。现场总线作为工业企业综合自动化系统的基础，从结构上看可分为三个层次，即信息层、控制层和现场设备层，各层分别由具有该层对应特点的现场总线实现，如图2.1所示。数据既可以在某层上双向流通，也可在层与层之间进行交换。信息层以太网(EtherNet/ lP)控制层控制网(ControlNet)设备层设备网（DeviceNet）图2.1现场总线的网络结构图最上层的企业信息层网络，主要用于企业的计划、销售、库存、财务、人事以及企业的经营管理等方面信息的传输。信息层上各终端设备之间一般以发送电子邮件、下载网页、查询数据库、打印文档、读取文件服务器上的计算机程序等方式进行信息交换，数据报文通常都比较长，吞吐量较大，而且数据通信的发起是随机的、无规则的，因此要求网络必须具有较大的带宽。信息层网络主要由快速EtherNet组成。中间的控制层网络主要用于监控、优化、调度等方面信息的传输，其特点是信息传输具有一定的周期性和实时性，数据吞吐量较大，因此要求网络具有较大的带宽，一般由专用网络如令牌网组成，这一层网络主要由传输速率较高的网段组成。而最底层的现场设备层网络主要用于变送器、执行机构等现场设备之间，以及现场设备与控制室仪表之间的信息传输。它具有以下特点：传输的信息长度较小；通信响应实时性要求高；可靠性、安全性较强等。此外，必要时还要求总线供电。正是由于以上特点和特殊性，目前现场设备层网络主要由低速现场总线网络组成。本章主要介绍罗克韦尔自动化NetLinx三层网络体系结构，CIP协议和三层网络工业以太网(EtherNet/IP)、控制网(ControlNet)、设备网(DeviceNet)的特点和ControlLogix系统。2.1 NetLinx三层网络架构NetLinx是罗克韦尔自动化公司推出的开放式网络架构，它是一种特定的网络体系结构。这种体系结构将网络服务、公共协议以及开放的软件接口结合到一起，以获得高效、无缝的信息流和控制数据流。NetLinx体系结构由作为国际标准现场总线的信息层网络EtherNet/IP、控制层网络ControlNet与设备层网络DeviceNet组成，如图2.2所示。这种从底层到顶层全部开放的、扁平的网络体系结构使控制功能高度分散，网络、设备诊断和纠错功能极其强大，接线、安装、系统调试时间大大减少，可实现数据共享以及主/从、多主、广播和对等的通信结构。此外，NetLinx使用了CIP协议来实现三种网络之间的信息透明互访3。NetLinx定义了三种最基本的功能。(l)实时控制。基于控制器或智能设备内所储存的组态信息，通过网络通信中的状态变化来实现实时控制，可提供操作或过程中的实时工厂级数据交换。(2)网络组态。通过总线既可实现对同层网络的组态，也可实现上层网络对下层网络的组态。网络组态可以在网络启动时进行，而设备参数修改或控制器逻辑修改也可在线通过网络实现。(3)数据采集。基于既定节拍或应用需要来方便地实现数据采集。所需要的数据通过人机接口显示，包括趋势分析、配方管理、系统维护和故障诊断等。图2.2 NetLinx开放式网络体系结构2.1.1通用工业协议CIP 通用工业协议(Common Industrial ProtocolCIP)是一种为工业应用开发的应用层协议，被工业以太网(EtherNet/IP)、控制网(ControlNet)、设备网(DeviceNet)三种网络所采用，因此这三种网络相应地统称为CIP网络。三种CIP网络的网络模型和ISO/OSI参考模型对照如图2.3所示4。应用层CIP表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层物理层CTDMAISO/OSICIPCANDeviceNetControlNetIP等以太网TCP/UDPCIP/HTTPEtherNet/IP图2.3三种CIP协议与ISO/OSI 参考模型的对比由于应用层协议使用CIP，相对而言，CIP网络功能强大灵活性强，并且具有良好的实时性、确定性、可重复性和可靠性。CIP网络功能的强大，体现在可通过一个网络传输多种类型的数据，完成了以前需要两个网络才能完成的任务。其灵活性体现在对多种通信模式和多种I/O数据触发方式的支持。而其通信的实时性、确定性、可重复性以及可靠性，则体现在其面向连接的特性，用基于生产者/消费者的方式发送对时间有苛刻要求的报文等方面。CIP网络的这些特点都是由于其应用层使用CIP带来的。在网络底层协议的支持下，CIP用不同的方式传输不同类型的报文，以满足它们对传输服务质量的不同要求。EtherNet/IP用TCP来发送显式报文，用UDP来发送隐式报文。ControlNet在预定时间段发送隐式报丈，在非预定时间段发送显式报文。而DeviceNet给予不同类型的报文以不同的优先级，隐式报文使用优先级高的报头，显式报文使用优先级低的报头。2.1.2工业以太网EtherNet/IP在企业信息系统中，TCP/IP以太网己经成为事实上的标准网络，将标准TCP/IP以太网延伸到工业实时控制，将控制系统与监视和信息管理系统集成起来，EtherNet/IP就是为实现这一目的的标准工业以太网技术，它是标准TCP/IP以太网和通用工业协议(CIP)的结合5。表2.1 EtherNet/IP的主要特点和功能网络大小最多1024个节点网络长度10m波特率10Mbit/s数据包01500B传输介质同轴电缆，光纤，双绞线总线拓扑结构星形，总线形传输寻址主从、对等、多主等系统特性网络不供电，介质冗余，支持设备热插拔2.1.3 控制网ControlNet作为NetLinx开放网络中的控制层网络，ControlNet现已成为国际标准和欧洲标准。ControlNet适用于一些对确定性、可重复性、实时性和传输的数据量要求较高的场合。ControlNet的这些特点是通过多方面来保证的:一是应用层使用CIP，而CIP对不同类型的报文采用不同的传输方法，并且CIP提供对多播的支持;二是数据链路层的MAC子层采用“同时间域多路访问”(CTDMA)协议;三是其通信波特率相对较高，传输相同量的数据花费的时间相对较少，或者可以在单位时间内传输相对较多的数据6。ControlNet中的令牌传送机理依据的是CTDMA协议。该协议把网络时间分割成一个个时间片，每个时间片的持续长度为一个网络更新周期(NUT)，规定NUT为0.5-100ms。在每一个NUT内CTDMA议根据一定算法分配隐性令牌。NUT分为三个部分:预定时段、非预定时段和网络维护时段。在预定时段，传输隐式报文，即对时间有苛刻要求的报文；非预订时间段用于传输显式报文；网络维护时段用于同步网络上所有节点的内部时钟和公布一些重要的参数。表2.2 ControlNet的主要功能和特点网络大小最多99个网络长度1Km（同轴电缆）3Km（光纤）波特率5Mbit/s数据包0510B传输介质光纤，同轴电缆总线拓扑结构主干分支，星形，树形总线寻址对等、多主、主从等系统特性总线不供电，介质冗余，支持设备热插拔2.1.4设备网DeviceNet作为NetLinx中的设备层网络，DeviceNet现己成为国际标准、欧洲标准和中国标准。此外，DeviceNet实际上也是亚洲和美洲设备网络的标准。DeviceNet是20世纪90年代中期发展起来的一种基于CAN总线技术的符合全球工业标准的开放型通信网络。它既可连接底端工业设备，又可连接变频器、操作员终端这样的复杂设备。它通过一根电缆将诸如可编程控制器、传感器、测量仪表、光电开关、操作员终端、电动机、变频器和软启动器等现场智能设备连接起来，它是分布式控制系统的理想解决方案。这种网络虽然是工业控制网的底端网络，通信速率不高，传输的数据量也不太大，但它采用了先进的通信概念和技术，具有低成本、高效率、高性能、高可靠性等优点7。DeviceNet的数据链路层完全遵守CAN协议，应用层协议采用CIP。CAN总线是从应用在汽车工业的串行通信协议发展来的，它也有能力在其他有严格时间要求的工业应用中提供很好的性能。CAN协议是面向消息的，每个消息都有规定的优先级，这样可以在多个节点同时发送时，对总线的访问进行仲裁处理。CAN协议采用多主竞争方式：网络上任意节点均可以在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，即当发现总线空闲时，各个节点都有权使用网络。在发生冲突时，采用“优先级仲裁”技术，即“带非破坏性逐位仲裁的载波侦听多址访问”(CSMA/NBA):当几个节点同时向网络发送消息时，运用逐位仲裁原则，借助帧中开始部分的标识符，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响的继续发送信息，从而有效地避免了总线冲突，使信息和时间均无损失7。2.2 Controllogix系统ControlLogix系统不仅具有先进的通讯能力和最新的I/O技术，而且同时提供顺序、过程、运动和传动控制。一个简单的ControlLogix系统是由一个独立的控制器和处于同一框架上的I/O模块组成，如图2.4所示。 背板总线和控制其模块在同一槽架上的I/O 模块Controllogix 控制器图2.4 Controllogix系统架构ControlLogix系统是一个模块化系统，需要用 1756 I/O框架容纳不同的模块。本次实验所用框架为10槽。可以将网络通讯接口模块和 1756 I/O模块放在槽内任意的位置。ControlLogix系统集成了NetLinx架构，背板上直接应用了CIP的生产者/消费者技术，控制器不再是控制世界的中心，因为背板的任何设备能够广播或与任何其他设备通讯，而无需控制器干预。通过这种方式，可以增加系统带宽和性能，构造控制系统时更灵活，控制器可以致力于控制10。ControlLogix系统背板在模块之间提供高速的通讯通道。可以使用单独的通讯接口模块来实现背板与EtherNet/IP、ControlNet、DeviceNet和普通的RemoteI/O链路之间的接口。如果在ControlLogix背板上安插了多个通讯接口模块，就可在RS-232、ControlNet、DeviceNet、EtherNet/IP和网络之间组态一个网关来桥接和传送控制数据及信息数据。因背板上有多个通讯接口模块，可以通过链路将一条报文发送到某模块的端口，并通过背板从另一个模块的端口传递出来，然后沿着另一个链路发送到最终的目的地。ControlLogix系统通讯示意图如图2.5所示。ControlLogix控制器PC机、其他控制器与ControlLogix控制其在同一框架上的I/O模块与ControlLogix控制器在同一个框架上的通信结构模块背板总线EtherNet/IP链路ControlNet链路DeviceNet链路Remote I/O链路图2.5 ControlLogix 系统通讯示意图2.3本章小结本章主要对系统的通信网络架构进行了阐述。在对NetLinx三层网络架构进行论述的基础上，分析了其统一的应用层协议通用工业协议CIP的若干特点。分别介绍了EtherNet/IP、ControlNet和DeviceNet这三种现场总线的介质访问控制方式、传输速率和数据包大小等方面的内容。最后介绍了ControlLogix系统的结构组成与通讯特点。3 交流调速和变频器3.1交流调速交流变频调速的优越性早在上世纪20年代就已被人们所认识，但受到器件的限制，未能推广。到了50年代初，中小型感应电动机多采用晶闸管调压调速；大中型绕线式感应电动机采用晶闸管静止型电气串级调速系统。70年代发展起来的变频调速，比上述两种调速方式效率更高，性能更好。交流调速系统大致经历过以下几个阶段:(l)异步电动机调压调速系统:调压调速过去常用的方法是在定子回路中串入饱和电抗器，或在定子侧加自耗铜材料，体积小，控制方便。用晶闸管功率变换器来完成馈送任务，这就构成了由绕线异步电动机与晶闸管变换器共同组成的调压器，通过控制触发脉冲的相位角，便可控制加在负载上的电压大小，很快成为交流调压器的主要形式，但由于相位控制时，晶闸管导通后负载上获得的电压波形不是电网提供的完整的工频电压波形，因此产生了成分复杂的谐波。(2)串级调速系统:绕线转子异步电动机串级调速是将转差率加以利用的一种经济、高效的调速方法，改变转差率的传统方法是在转子回路中串入不同的电阻以获得不同斜率的机械特性，从而实现速度的调节。这种方法简单方便，但是调速是有级的、不平滑，并且转差功率消耗在电阻发热上，效率低，自大功率器件问世后，人们采用在转子回路中串联晶闸管功率变换器来完成馈送任务，这就构成了由绕线异步电动机与晶闸关变换器共同组成的晶闸管串级调速系统。由于晶闸管的逆变角可以连续改变，使得电动机转速也能平滑连续的调节。另外转差功率又可以通过逆变器回馈到交流电网，提高了效率。串级调速的缺点是功率因数较低，采用强迫换流、改进型逆变器的不对称控制以及转子直流回路加斩波器控制等，可以提高功率因数。其中采用强迫换流方式可使用门极可关断晶闸管(GTO)，这样可以省去关断晶闸管用的储能电路，使逆变电路简单、体积小。(3)变频调速系统；变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是运用最广、最有发展前途的调速方式。交流电机变频调速系统的种类很多，从50年代提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型、脉宽调制型等各种变频器。目前变频调速的主要方案有:交-交变频调速，交-直-交变频调速，同步电动机自控式变频调速系统，正弦波脉宽调制(SPWM)，矢量控制、直接转矩控制变频调速等，而且无速度传感技术日益成熟，随着这些控制方式中各种智能技术引入，变频器调速系统的控制效果有了极大提高。变频器调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平以及电力电子技术的发展水平。80年代中期随着第二代电力半导体器件如门极可关断晶闸管GTO，IGBT的相继出现，交流变频调速技术得到了飞速发展。美、德、英、日等国家在结合现代微处理器控制技术、电力电子技术、电机传动技术的基础上，相继推出了一系列的变频器，且不断进行更新换代。这些高精度、多功能、智能化的变频器将调速效率和精度提高到了前所未有的水平11。3.2变频器调速原理变频器是在保证电机原有性能的情况下，通过改变电机的供电频率和电压的方式，实现电机转速调节的现代电力电子设备。它根据电机的不同负载分别实现节能、提高生产效率、提高产品质量、实现自动化、增加设备使用寿命并使设备小型化等用途，广泛应用在钢铁、轻工、化学、纤维、汽车、电机(机械)、机床、食品、造纸、水泥、矿业、煤气、交通、装卸搬运、工厂建筑业、生活服务、电力、试验研究、石油等领域。3.2.1变频器的主电路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。变频器主电路由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的交-直变换部分也称为整流器，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的称为能耗电路，将直流功率变换为交流功率的直-交变换部分，又称逆变器。3.2.2变频调速原理与优势异步电动机定子对称的三相绕组中通入对称的三相交流电，此时电机气隙内会产生一个旋转磁场，这个旋转磁场的转速n0称为同步转速，它与电网频率f及电机的极对数p的关系如下: (3-1)这个旋转的气隙磁场切割转子导体，在转子导条中产生感应电动势，从而在闭合的转子绕组中产生电流，该电流与气隙磁场相互作用，使转子导条受到电磁力，电磁力产生电磁转矩，在它的驱动下，转子就会沿着n0的方向转起来。转子转速。始终低于同步转速n0。定义异步电动机转差率 (3-2)则异步电动机转速 (3-3)由公式(3-3)可知，当电机选定后，p为定值，也就是说电机转速的大小与电源的频率高低成正比，频率越高，转速越高；反之，转速越低。变频调速就是根据这一原理，通过改变电源的频率值来实现电机的无级调速。当频率关在0-50Hz的范围内变化时，电机转速调节范围非常宽。变频调速时，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。因此，变频调速是交流异步电机一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用于对电机的调速9。3.3 PowerFlex40变频器PowerFlex40变频器是PowerFlex变频器家族中尺寸最小并且效率最高的成团，它设计紧凑、节省空间，给用户提供了强大的电机速度控制功能，PowerFlex40变频器功率额定值从0.2到11KW，电压等级为120，240，480和600V,这样的设计满足了全球OEM和最终用户对灵活性、节省空间和使用方便的要求。同样可作为机械工具、风机、水泵、传送机和材料处理中速度控制的廉价替代品。3.4本章小结本章节主要介绍了交流调速技术的发展过程和变频器的工作原理，对变频器的电路结构、原理、优势做了简要阐述，并简要介绍了PowerFlex40变频器。4 系统设计和实现4.1方案选择4.1.1 控制层次选择方案一：工业以太网EtherNet/IPEtherNet的优点:介质访问开销低，以太网对网络运作使用的算法简单，在网络负载低时，网络传输时延小，响应速度快，有较高的信道吞吐量。与令牌总线和令牌环协议比起来它没有使用通信带宽的代价获得对网络访问的控制。EtherNet的缺点。采用非竞争协议，不支持任何消息的优先级，在网络负载较重的情况下，消息的冲突相当严重，大大影响数据的吞吐量，增加了时延，且时延可能是无界的。其连接结构图如图4.1所示。图4.1 以太网连接结构图方案二： 控制网ControlNetControlNet提供如下功能： 对在同一链路上的I/O、实时互锁、对等通信报文传送和编程操作，均具有相同的带宽。 对于离散和连续过程控制应用场合，均具有确定性和可重复性功能。适用于一些对确定性、可重复性、实时性和传输的数据量要求较高的场合。其控制结构图如图4.2所示。ControlNet的优点:在网络高负荷情形下，具有大流量和高效确定性的特点。在网络的操作过程中，令牌总线可以动态地增加节点或删除节点。每个NUT循环的预定时间段和非预定时间段使控制网适合于处理实时和非实时报文。ControlNet的缺点:在网络低负荷情形下，性能大大降低。一般地，当一个逻辑环上有许多节点时，在传输数据较少的情况下，网络的大部分时间是用来在节点间传送令牌。图4.2 控制网连接结构图方案三：设备网DeviceNetDeviceNet的优点。CAN总线协议是一个针对短消息优化的确定性协议。消息的优先级在仲裁域中指定，较高优先级的消息、在仲裁域中获得对介质的访问，因此，能够减小对高优先级消息发送的延迟。DeviceNet的缺点。和其他控制网络相比，CAN总线的最大缺点是数据速率较低。CAN总线协议的位同步要求也限制了设备网传输的数据最大长度，虽然它支持超过8个字节的数据分段，CAN还是不适用于大数据包消息的传输。罗克韦尔自动化实验室设备网构建还不够完善，控制实现起来难度很大。根据实验室现有条件及各层网络的特点，控制层面选用以太网和控制网实现设备控制。4.1.2 控制算法比较方案一：PID控制PID控制是最早发展起来的控制策略之一，在工业过程控制中有着最广泛的应用。它具有结构简单，参数易于整定，应用面广等特点，设计的控制对象可以有精确模型，也可以是灰箱或黑箱系统，总体而言，它主要有如下优点:(1)原理简单，应用方便，参数整定灵活;(2)适用性强。目前它已广泛应用于电力、机械、化工、热工、冶金、建材、石油等生产行业，也应用于航空航天、卫星导弹、机器人控制等尖端领域;(3)鲁棒性强，即其控制的品质对受控对象的变化不太敏感。这是它获得广泛应用的最重要的一个原因。PID控制原理框图如图4.3所示。图4.3 PID控制原理框图方案二： 模糊控制模糊控制不需要对象的数学模型，适用于非线性、时变的复杂对象以及多变量系统，而且它在控制过程中能采用多个评价指标，控制原则的改变也比较容易，因而根据熟练操作者技能总结出来的模糊控制能在许多领域发挥其特长。模糊控制原理框图如图4.4所示。图4.4 模糊控制原理框图根据本次设计任务涉及的内容，并鉴于各控制算法的实现难度，本次设计采用PID控制。4.1.3 检测元件选取方案一：测速发电机测速发电机是使输出电动势与转速成比例的微特电机。测速发电机的绕组和磁路经精确设计，其输出电动势E和转速n成线性关系，即E=Kn,K是常数。改变旋转方向时输出电动势的极性即相应改变。在被测机构与测速发电机同轴联接时，只要检测出输出电动势，就能获得被测机构的转速，故又称速度传感器。为保证电机性能可靠，测速发电机的输出电动势具有斜率高、特性成线性、无信号区小或剩余电压小、正转和反转时输出电压不对称度小、对温度敏感低等特点。测速发电机广泛用于各种速度或位置控制系统。在自动控制系统中作为检测速度的元件，以调节电动机转速或通过反馈来提高系统稳定性和精度。方案二：接近开关接近开关又称无触点行程开关，它除可以完成行程控制和限位保护外，还是一种非接触型的检测装置，用作检测零件尺寸和测速等，在测定电机转速时，用调速电机带动胶木圆盘，在圆盘上固定若干钢片，调整开关感应面和动作片间的距离，约为开关动作距离的80%左右，转动圆盘，依次使动作片靠近接近开关，在圆盘主轴上装有测速装置，开关输出信号经整形，接至数字频率计。此时启动电机，逐步提高转速，在转速与动作片的乘积与频率计数相等的条件下，可由频率计直接读出开关的动作频率。接近开关分辨率低，价格有一定的优势，适用于低频低分辨率场合，但安装复杂。方案三：光电编码器光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90度的两路脉冲信号。光电编码器适合高精度的位置的监测，安装简单，但价格较高。试验室有光电比光电编码器和测速发电机，但编码器与试验用电机不配套，鉴于设计内容及实现难度，本次设计选用测速发电机作为转速检测装置。4.1.4系统总体方案设计本次设计，控制层面选用以太网和控制网，控制算法选用PID，监测元件选用测速发电机，系统总体方案设计如图4.5所示。PC机EtherNet/IP电源、控制器以太网通信模块控制网通信模块设备网通模块ControlNetFlexI/O变频器测速发电机异步电动机图4.5控制系统总体方案设计图4.2硬件设计以实验室现有罗克韦尔自动化三层网络构架，控制系统构建如图4.6所示。图4.6系统总体构建方案4.2.1变频器设置（1）变频器PowerFlex40参数设置如表4.1所示。表4.1 变频器参数设置编程参数参数值变频器显示d001(输出频率)P031（电机铭牌电压）220VP032（电机铭牌频率）50HzP033（电机过载电流）0.5AP034（最小频率）0.2HzP036（起动源）1（三线制）A130（PID 整定上限）50A131（PID整定下限）0A132（PID基准值选择）3（420mA）A133（PID反馈值选择）0（010V）4.2.2变频器和控制器连接变频器和控制器连接各I/O 口连接如表4.2所示。表4.2变频器和控制器各I/O 口连接作用描述变频器I/O控制器端子Tag停止TB1数字量输出out0acn15:1:O.0启动TB2数字量输出out1acn15:1:O.1反向TB3数字两输出out2acn15:1:O.2正向TB8数字两输出out3acn15:1:O.3TB11数字量模块供电端TB14模拟量输出RET端acn15:2:I.Ch0InputData（RET）速度设定TB15模拟量输出out0acn15:2:I.Ch0InputData4.2.3变频器和电机的连接变频器PowerFlex40的R/L1、S/L2、T/L3接三相电源，U/T1、V/T2、W/T3分别接三相异步电动机的U/T1、V/T2、W/T3三相，电动机采用三角形接法。测速发电机的输出电压（010V）接到变频器的模拟电压输入端，即高电势端接BT13，低电势端接BT14。4.2.4控制器与电机的连接测速发电机的输出电压（010V）接到控制器的模拟量输入端，即高电势接acn15:2:I.Ch0InputData，低电势接acn15:2:I.Ch0InputData（RET）。4.3 软件设计系统软件总体设计的过程如图4.7所示。RSLinx设定通信驱动RSLogix5000编写梯形图程序RSNetworx组态网络RSView32人机界面设计图4.7 系统软件总体设计流程图4.3.1 设定通信驱动（1）打开“RSlinx ClassicGateway”，点击“Configer Drivers”，如图4.8所示，在“AvailableDriverTypes”中选择“Ethernet/IP Driver”，点击“Add New”命名通信驱动，应用设定IP 地址，点击“确定”。图4.8通信驱动选型示意图（2）点击“RSWho”，如图4.9所示，可见整个局域网上所有的连接单元的设备信息。图4.9局域网硬件连接信息4.3.2梯形图程序的编写和I/O 组态打开RSLogix5000，点击“File” “New”，新建工程。选择正确的控制器类型，如图4.10，输入控制器名称，选择合适的存储路径，点击“OK”。图4.10控制器类型选择示意图在新建工程的右键点击“I/O Configuration”，添加正确的通信模块，模块信息通过“RSlinxClassic”中“RSWho”的树形结构读取。正确填写控制网通信模块的节点号(13)和槽号(02)，如图4.11所示，“ElectronicKeying”选择“DisableKeying”，点击OK。图4.11节点号和槽号设置示意图右键点击“ControlNet”，选择FLEXI/O 通信接口“1794ACN15”,命名该模块，正确设置模块节点数，“ElectronicKeying”选择“DisableKeying”，点击OK。同理，添加数字量输出模块（1756-OB16A），槽号为1，添加模拟量输入输出模块1794-IF2XOF2I/A,槽号为2。组态好I/O点后，“Tasks”文件夹下的“MainTask”文件夹，点击“MainProgram”文件夹，在“Program Tag”，添加程序标签，如图4.12所示，或者在程序编写的过程中，定义标签。图4.12 程序标签的添加打开“MainProgram”文件夹下“MainRoutine”，如图4.13所示，即可打开梯形图程序编写界面。、图4.13 梯形图编写主界面将鼠标悬浮在所需的指令上，将出现所需指令名称，或者选择“插入”，输入所需的指令名称，点击确定，如图4.14所示。图4.14梯形图应用指令的选择程序编写完成后，选择主例程上方“Verify Controler”图标，对所编程序进行编译。编译完成，且程序无误后，即可将程序下载到控制器，点击“Who Active”图标，或者点击工具条“Communications”在下拉菜单中选择“Who Active”,弹出对话框中，如图4.15所示，选择对应的背板的控制器，点击“Download”，确定下载。图4.15程序下载界面下载完成后，如网络未完成规划，左上角会出现“I/O Not Responding”，如图4.16所示，原因是控制网未完成规划，此时需对网络进行规划。图4.16 网络规划未完成时的I/O状态4.3.3 控制网的规划打开RSNetworx For ControlNet，对控制网进行规划。注意，网络规划的路径及通信驱动的选择应当与下载程序的通信驱动相同，路经也应相同。规划后的网络如4.17所示。图4.17完成网络规划的控制网网络结构4.3.4 OPC服务器的建立打开“RSlinx Classic Gateway”，在点击菜单栏“DDE/OPC”，在下拉菜单中点击“Topic Configuration”，在通信驱动中选择正确的通信路径，如图4.18所示，左侧点击“New”，新建OPC服务器的名字“dianjikongzhizml”，点击下侧“Apply”点击确定。图4.18 OPC服务器的建立4.3.5监控界面的编辑（