畢業(yè)設(shè)計論文-s7-200plc控制的pwm直流電機(jī)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計論文</b></p><p>　　題 目 S7-200PLC控制的PWM直流電機(jī) </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　專業(yè)班級：

2、 </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p><b>　　設(shè)計總說明</b></p><p>　　隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，以及其性價比的提高，利用PLC控制直流電動機(jī)已經(jīng)越來越普遍，采用先進(jìn)的PWM控制技術(shù)則可構(gòu)成直流電動機(jī)無級調(diào)速系統(tǒng)，同時起

3、、停時直流系統(tǒng)無沖擊，而且具有啟動功耗小，運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)。</p><p>　　本文介紹了24伏29瓦直流電動機(jī)PWM調(diào)速硬件系統(tǒng)，編寫了用S7-200 PLC實現(xiàn)24伏29瓦直流電動機(jī)PWM的控制程序，程序包括控制系統(tǒng)的指令的初始化、轉(zhuǎn)速檢測、調(diào)速三部分。與相應(yīng)的硬件電路配合，實現(xiàn)了對24伏29瓦直流電動機(jī)的PWM控制。該控制系統(tǒng)功能包括電機(jī)的PWM調(diào)速、轉(zhuǎn)速檢測、電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。PWM調(diào)速是用S7-200 P

4、LC內(nèi)部自帶的PWM高速脈沖輸出功能指令，通過對其占空比的設(shè)置來改變脈沖寬度和周期，實現(xiàn)控制任務(wù)；速度檢測和調(diào)速是通過硬件與S7-200 PLC的高速計數(shù)器配合和PWM的設(shè)置來實現(xiàn)的，所有程序都己編譯通過，經(jīng)過實驗驗證，工作狀態(tài)良好。</p><p>　　文中對直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理、PWM調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成、S7-200 PLC的部分指令以及用S7-200 PLC實現(xiàn)PWM調(diào)速做了簡單介紹。</p>

5、<p>　　關(guān)鍵詞：直流電動機(jī)；PWM調(diào)速；S7-200 PLC；轉(zhuǎn)速檢測；單閉環(huán)</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 設(shè)計內(nèi)容及要求6</p><p><b>　　1.16</b></p><p><b>　　1.2 10</

6、b></p><p>　　1.3錯誤!未定義書簽。</p><p>　　2 系統(tǒng)的總體設(shè)計錯誤!未定義書簽。</p><p>　　2.1直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理錯誤!未定義書簽。</p><p>　　2.1.1直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)錯誤!未定義書簽。</p><p>　　2.1.2直流電機(jī)的工作原理錯誤!未

7、定義書簽。</p><p>　　2.2直流電動機(jī)的基本方程錯誤!未定義書簽。</p><p>　　2.3直流電動機(jī)的機(jī)械特性8</p><p>　　2.4直流電動機(jī)的調(diào)速16</p><p>　　2.4.1他勵直流電動機(jī)的串電阻調(diào)速16</p><p>　　2.4.2降低電樞供電電壓調(diào)速錯誤!未定義書簽。&l

8、t;/p><p>　　2.4.3減弱磁通調(diào)速錯誤!未定義書簽。</p><p>　　3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計錯誤!未定義書簽。</p><p>　　3.1直流電機(jī)的PWM調(diào)速概述22</p><p>　　3.2直流電動機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成錯誤!未定義書簽。</p><p>　　3.3 S7-200PLC實現(xiàn)直流電動機(jī)的

9、PWM調(diào)速23</p><p>　　3.3.1S7-200PLC的高速脈沖輸出指令23</p><p>　　3.3.2控制原理的實現(xiàn)25</p><p>　　4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計錯誤!未定義書簽。</p><p>　　4.1S7-200 PLC編程的基本概念30</p><p>　　4.2S7-200 PLC的

10、編程指令32</p><p>　　4.2.1基本邏輯指令32</p><p>　　4.2.2基本功能指令33</p><p>　　4.2.3中斷指令和高速計數(shù)器指令錯誤!未定義書簽。</p><p>　　4.3STEP 7-Micro/MIN V4.0編程軟件簡介11</p><p>　　4.3.1編程軟件項

11、目的組成11</p><p>　　4.3.2程序的編寫與傳送12</p><p>　　5 實驗結(jié)果分析17</p><p>　　5.1控制系統(tǒng)設(shè)計概述17</p><p>　　5.2.1控制系統(tǒng)的電源設(shè)計錯誤!未定義書簽。</p><p>　　5.2.2控制系統(tǒng)功率驅(qū)動電路的設(shè)計錯誤!未定義書簽。</

12、p><p>　　6 結(jié)論錯誤!未定義書簽。</p><p>　　6.1調(diào)速控制系統(tǒng)軟件概述34</p><p>　　6.2控制系統(tǒng)功率驅(qū)動軟件錯誤!未定義書簽。</p><p>　　6.2.1功率驅(qū)動軟件編程思想36</p><p>　　6.2.2功率驅(qū)動軟件的流程圖錯誤!未定義書簽。</p>&l

13、t;p>　　6.2.3功率驅(qū)動軟件程序編寫錯誤!未定義書簽。</p><p>　　6.3控制系統(tǒng)測速軟件36</p><p>　　6.3.1系統(tǒng)測速軟件編程思想20</p><p>　　6.3.2控制系統(tǒng)測速軟件流程圖36</p><p>　　6.3.3控制系統(tǒng)測速軟件編程38</p><p>　　6.

14、4控制系統(tǒng)掃描顯示軟件40</p><p>　　6.4.1掃描顯示軟件編程思想40</p><p>　　6.4.2掃描顯示軟件流程圖錯誤!未定義書簽。</p><p>　　6.4.3掃描顯示軟件程序編寫錯誤!未定義書簽。</p><p>　　7 錯誤!未定義書簽。</p><p>　　7.1本次設(shè)計實驗結(jié)果及

15、分析41</p><p>　　7.2本控制系統(tǒng)特點(diǎn)42</p><p><b>　　1 設(shè)計內(nèi)容及要求</b></p><p><b>　　1.1 設(shè)計目的</b></p><p>　　本設(shè)計是針對電機(jī)對象， 由上位機(jī)給定分程系數(shù)，用西門子 S7-200可編程控制器的原理編程，特別是光電編碼器脈

16、沖數(shù)的讀取和PID算法程序的編制。其中，使用KINGVIEW 監(jiān)控組態(tài)軟件編寫上位機(jī)監(jiān)控程序，完成顯示控制流程，實時曲線，結(jié)構(gòu)框圖，歷史曲線，報表打印等功能。</p><p><b>　　1.2 設(shè)計內(nèi)容</b></p><p>　　設(shè)計一個直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，其主要內(nèi)容為：</p><p>　　1.熟悉可編程控制器和實驗設(shè)備。</p&

17、gt;<p>　　2.掌握西門子S7-200-CPU224的性能，熟悉編程環(huán)境。</p><p>　　3.掌握建立計算機(jī)控制技術(shù)系統(tǒng)的方法，按系統(tǒng)要求組成系統(tǒng)，進(jìn)行調(diào)試以滿足給定指標(biāo)。</p><p>　　4.繪制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，提供程序梯形圖。</p><p>　　利用西門子PLC設(shè)計電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制系統(tǒng)，編寫程序，實現(xiàn)單閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)如下工程：<

18、;/p><p>　　實現(xiàn)啟動過程準(zhǔn)時間最優(yōu)，靜態(tài)調(diào)速無靜差</p><p>　　在CAD上畫出系統(tǒng)的硬件控制原理圖</p><p>　　要求電機(jī)完成啟動、停車、加減速控制</p><p>　　在計算機(jī)上用組態(tài)王模擬實驗現(xiàn)場流程圖，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。</p><p><b>　　1.3 設(shè)計原理</b>&

19、lt;/p><p>　　利用小型過程控制裝置結(jié)合計算機(jī)控制技術(shù)，在組態(tài)軟件下編程并通過調(diào)整和改進(jìn)控制算法，從而實現(xiàn)單閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計要求。通過利用調(diào)節(jié)器的工程整定方法，最后得到一組能穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速的達(dá)到控制要求的PID參數(shù)。</p><p>　　通過本設(shè)計掌握分程控制系統(tǒng)的基本概念，了解分程控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。掌握分程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)、分程控制系統(tǒng)的設(shè)計思想。掌握分程控制參數(shù)整定方法，熟悉PI

20、D參數(shù)對控制系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)的影響，用計算機(jī)進(jìn)行PID參數(shù)的調(diào)整和自動控制的投運(yùn)。</p><p><b>　　2 系統(tǒng)的總體設(shè)計</b></p><p><b>　　2.1試驗系統(tǒng)簡介</b></p><p>　　2.1.1直流電動機(jī)概述</p><p>　　直流電動機(jī)是指通過直流電流而產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動的

21、電動機(jī)。</p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)中，常需要利用電動機(jī)的軸上轉(zhuǎn)矩拖動生產(chǎn)機(jī)械，對產(chǎn)品進(jìn)行加工。根據(jù)工藝要求，生產(chǎn)機(jī)械需要各種不同的速度，因而要求電動機(jī)能夠在所需要的范圍內(nèi)進(jìn)行進(jìn)度調(diào)節(jié)。和交流電動機(jī)比較，直流電動機(jī)具有更好的調(diào)速性能，不但調(diào)速范圍廣，且易于平滑調(diào)節(jié)；起、制動轉(zhuǎn)矩大，易于快速起、停車；易于控制， </p><p>　　因而直接流電動機(jī)被廣泛應(yīng)用于深調(diào)速和高精度，特別是快速

22、可逆電力拖動系統(tǒng)中。例如，用來作為軋鋼機(jī)、金屬切削機(jī)床等生產(chǎn)機(jī)械的拖動電動機(jī)。電子技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，使直流電機(jī)拖動系統(tǒng)更能適應(yīng)高精度、高指標(biāo)的生產(chǎn)機(jī)械的要求。此外，小容量直流電機(jī)大多在自動控制系統(tǒng)中以伺服電動機(jī)、測速發(fā)電機(jī)等形式作為測量、執(zhí)行元件使用。</p><p>　　半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，促使直流電機(jī)也有所發(fā)展，同時也擴(kuò)大了直流電機(jī)的應(yīng)用范圍。但是，和交流電動機(jī)比較，直流電動機(jī)有結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、制造成

23、本較高、維修較為困難等缺點(diǎn)，出而直流電功機(jī)的應(yīng)用也受到一定的限制。</p><p>　　目前，雖然由晶閘管整流元件組成的靜止固態(tài)直流電源設(shè)備已基本上取代了直流發(fā)電機(jī)，但直流電動機(jī)仍以其良好調(diào)速性能的優(yōu)勢在許多傳動性能要求高的場合占據(jù)一定地位。</p><p>　　2.1.2直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　直流電機(jī)在結(jié)構(gòu)上是由固定部分(定子)和旋轉(zhuǎn)部分(轉(zhuǎn)子)組

24、成的。定子主要用來產(chǎn)生磁通和作電機(jī)的機(jī)械支撐；轉(zhuǎn)子通常稱為電樞，用來產(chǎn)生感應(yīng)電勢和電磁轉(zhuǎn)矩[1]。下面分別介紹定、轉(zhuǎn)子的主要部件。</p><p><b>　　(一)定子</b></p><p>　　1、主磁極 主磁極的作用是產(chǎn)生主磁通建立氣隙磁場，并使電樞表面的氣隙磁通密度按一定的波形沿空間分布。它由磁極鐵心和勵磁繞組兩部分組成，如圖2-1所示。磁極鐵心一般由1～

25、1.5mm的低碳鋼板沖片疊裝而成。</p><p>　　圖2-1直流電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　1—主磁極；2—勵磁繞組；3—機(jī)座；4—端蓋；5—軸承；6—電刷；7—電樞鐵心； </p><p>　　8—電樞繞組；9—換向器；10—軸；11—風(fēng)扇；12—極靴；13—換向極； 14—換

26、向繞組；15—電樞齒；16—電樞槽；17—底座</p><p>　　勵磁繞組用圓截面或矩形截面的絕緣導(dǎo)體繞制、浸漆烘干而成。磁極鐵心套上勵磁繞組后用螺釘固定在機(jī)座上。主磁極數(shù)總數(shù)是偶數(shù)，各磁極上勵磁繞組通常都串聯(lián)連接，連接時要保證相鄰磁極的極性按N、S依次排列。</p><p>　　2、換向極 換向極的作用是改善換向，消除或減小電刷與換向器之間的火花。換向極的結(jié)構(gòu)與主磁極相似，由鐵心和勵

27、磁繞組組成，如圖2-1所示。鐵心由薄鋼板或整塊鋼制成。換向磁極安裝在兩個主磁極之間的幾何中性線上，并用螺釘固定在機(jī)座上。換向磁極的數(shù)目一般與主磁極相等；個別小電機(jī)，換向極數(shù)目也可以少于主磁極的數(shù)目。</p><p>　　3、機(jī)座 機(jī)座既作為電機(jī)的機(jī)械支撐，又是磁極間磁通的通路，稱為定子磁軛。機(jī)座由鑄鋼鑄成或由厚鋼板焊接而成。</p><p>　　4、電刷裝置 電刷裝置由電刷、刷握、握桿

28、、握桿座及銅絲辮等零部件組成。電刷裝置的作用是把轉(zhuǎn)動的電摳電路與不轉(zhuǎn)的外電路接通，它是固定不動的。電刷的數(shù)目一般等于主磁極數(shù)目，各電刷在換向器表面的分布應(yīng)是等距的。</p><p><b>　　(二)轉(zhuǎn)子</b></p><p>　　1、電摳鐵心 電樞鐵心是主磁路的一部分。當(dāng)電樞在磁場中旋轉(zhuǎn)時，鐵心個的磁通方向不斷變化，因而會產(chǎn)生渦流及磁滯損耗。為了減少磁損耗，鐵心

29、通常用0.5mm硅鋼片疊成。</p><p>　　2、電樞繞組 電樞繞組是直流電機(jī)的主要電路，是直流電機(jī)實現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)銀部件。當(dāng)電樞在磁場中旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；當(dāng)電樞繞組中流過電流時，它在磁場中受力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。電樞繞組由一個一個的線圈元件組成，嵌放在電樞鐵心的槽中。</p><p>　　3、換向器 換向器是直流電機(jī)員重要的部件之一。對于電動機(jī)是將輸入的直流電流轉(zhuǎn)換

30、為電樞繞組元件中的交變電流，產(chǎn)生恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩。根據(jù)電機(jī)的容量和轉(zhuǎn)速的不同，換向器有多種結(jié)構(gòu)形式。</p><p>　　2.1.3直流電動機(jī)的機(jī)械特性</p><p>　　電動機(jī)的機(jī)械特性是指U=UN=常值，If=IfN =常值，電樞回路電阻(Ra+Rc)=常值條件下，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即n=f（Tem）。它是選用電動機(jī)和評價電動機(jī)性能時的主要依據(jù)之一。本論文重點(diǎn)介紹他

31、勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性。</p><p>　　他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性方程為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　當(dāng)電動機(jī)外加電壓為額定值UN，氣隙磁通也為額定值ΦN，且電樞回路不外串電阻Rc,即Rc=0時，電動機(jī)的機(jī)械特性稱為固有機(jī)械特性（也稱自然機(jī)械特性），如圖2-2中直線1所示。它是一條略微向下傾斜的直線

32、。</p><p>　　當(dāng)改變電動機(jī)的外加電壓U、主磁通φ或電樞外串電阻Rc三個參數(shù)中的一個時，就可得到人工機(jī)械特性。圖2-6中直線2為電樞電阻人工機(jī)械特性、直線3為改變電動機(jī)外加電壓人工機(jī)械特性、直線4為減小磁通的人工機(jī)械特性。</p><p>　?。ㄒ唬┕逃袡C(jī)械特性的繪制</p><p>　　忽略電樞反應(yīng)的去磁通效應(yīng)時，他勵直流電動機(jī)的固有機(jī)械特性是一直線，只要

33、知道機(jī)械特性上的兩個點(diǎn)，就可以繪出固有機(jī)械特性。取理想空載點(diǎn)和額定運(yùn)行點(diǎn)計算比較方便。在理想空載點(diǎn)：</p><p>　　在額定運(yùn)行點(diǎn)： </p><p>　　計算出額定電磁轉(zhuǎn)矩：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　在電動機(jī)的名牌上可以查到UN、IN及nN三個數(shù)據(jù)，只要知道電

34、樞回路電阻Ra，就能算出n0及TN。電動機(jī)名牌上是不標(biāo)出Ra的。為了求出Ra的值，對效率電機(jī)可以采用伏安法實測，如果沒有實際電機(jī)，則可以根據(jù)名牌數(shù)據(jù)估算Ra的值。估算的依據(jù)是，普通直流電動機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時，其電樞銅耗約占總銅耗的1/2～2/3。</p><p><b>　　電動機(jī)的總損耗為：</b></p><p><b>　?。?-3）</b&g

35、t;</p><p>　　額定電樞銅耗為： </p><p>　　因此，電樞電阻Ra為：</p><p>　　= （2-4）</p><p>　　式中，PN為電動機(jī)的額定功率，單位為KW。</p><p>　　綜上所述，根據(jù)名牌計算電動機(jī)固有機(jī)械特性的步驟是：</p

36、><p>　　1、根據(jù)UN、PN、IN按式（2-4）估算Ra；</p><p>　　2、按式（2-2）計算CeΦN；求n0=UN/CeΦN；</p><p>　　3、計算TemN=9.55CeΦNIN。在坐標(biāo)紙上標(biāo)出（n0，0）、（nN，TN）兩點(diǎn)，過這兩點(diǎn)連成一直線，即得到固有機(jī)械特性。</p><p>　?。ǘ┤藶闄C(jī)械特性的繪制</p

37、><p>　　求出Ra、CeΦN后，人為機(jī)械特性就容易計算了。計算電樞串電阻的人為機(jī)械特性時，首先計算理想空載轉(zhuǎn)速n0=UN/CeΦN，得出理想空載點(diǎn)（n= n0，Tem=0），再根據(jù)已知的電樞外串電阻Rc以及額定電磁轉(zhuǎn)矩TemN=9.55CeΦNIN，計算在額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下電動機(jī)的轉(zhuǎn)速nRN：</p><p>　　=- （2-5）</p&g

38、t;<p>　　得到額定負(fù)載下的運(yùn)行點(diǎn)（n=nRN，Tem=TN）。過這兩點(diǎn)連一直線，即得到電樞外串電阻Rc的人為機(jī)械特性。</p><p>　　2.2 S7-200 PLC概述</p><p>　　PLC主要由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程裝置組成，PLC的特殊功能模塊用來完成某些特殊的任務(wù)。目前PLC已經(jīng)廣泛引用在各種機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng)中。</

39、p><p>　　西門子公司的SIMATIC S7-200系列屬于小型PLC，可用于代替繼電器的簡單控制場合，也可用于復(fù)雜的自動化控制系統(tǒng)，由于它有極強(qiáng)的通信功能，在大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮其作用。</p><p>　　S7-200的可靠性高，可以用梯形圖、語句表、和功能圖三種語言來編程。它的指令豐富，指令功能強(qiáng)，易于掌握，操作方便，內(nèi)置有高速計數(shù)器、高速輸出、PID控制、RS-485通信

40、/編程接口、PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議和自由端口模式通信功能，最大的可以擴(kuò)展到248點(diǎn)數(shù)字量I/O或35路模擬量I/O，最多有30多KB程序和數(shù)據(jù)存儲空間。</p><p>　　西門子公司在2004年推出了升級產(chǎn)品CPU 224和CPU 226，本設(shè)計所用的是CPU 224，新產(chǎn)品CPU 224除具備升級CPU特性外，還集成有2路模擬量輸入，1路模擬量輸出，有2個RS-485通信口，高速脈沖輸出頻率提高到10

41、0 kHz，2相高速計數(shù)器頻率提高到100kHz，有PID自整定功能。這種新型CPU增強(qiáng)了S7-200在運(yùn)動控制、過程控制、位置控制、數(shù)據(jù)監(jiān)視和采集（遠(yuǎn)程終端應(yīng)用）以及通信方面的功能。</p><p>　　STEP 7-Micro/WIN V4.0 是S7-200 PLC系列產(chǎn)品的最新版編程軟件，本設(shè)計編程就是用STEP 7-Micro/WIN V4.0 編程軟件來完成的。STEP 7-Micro/WIN V4.

42、0 的兼容性極強(qiáng)，支持所有S7-200 CPU 22x 系列產(chǎn)品，增加了數(shù)據(jù)記錄指令、PID自整定指令、配方指令、夏令時指令、間隔定時指令、診斷LED（DIAG_LED）指令、線性斜坡脈沖指令等。</p><p>　　2.3 STEP 7-Micro/MIN V4.0編程軟件簡介</p><p>　　本節(jié)所述的內(nèi)容是STEP 7-Micro/WIN V4.0版編程軟件的介紹與應(yīng)用，安裝編

43、程軟件的計算機(jī)應(yīng)使用Windows操作系統(tǒng)，為了實現(xiàn)PLC與計算機(jī)的通信，必須配備下列設(shè)備中的一種：一條PC/PPI電纜或PPI多主站電纜；一塊插在個人計算機(jī)中的通信處理器（CP）卡和MPI（多點(diǎn)接口）電纜。</p><p>　　2.3.1編程軟件項目的組成</p><p>　　圖4-3是V4.0編程軟件的界面，項目（Project）包括下列基本組件[4]：</p><

44、p>　　（1）程序塊 程序塊由可執(zhí)行的代碼和注釋組成，可執(zhí)行的代碼由主程序（OB1）、可選的子程序和中斷程序組成。代碼編譯并被下載到PLC，程序注釋被忽略。</p><p>　　（2）數(shù)據(jù)塊 數(shù)據(jù)塊由數(shù)據(jù)（變量存儲器的初始值）和注釋組成。數(shù)據(jù)被編譯并下載到PLC，注釋被忽略，數(shù)據(jù)塊的編寫方法詳見[13,10]。</p><p>　　代替繼電器控制系統(tǒng)的數(shù)字量控制系統(tǒng)可以只設(shè)置

45、主程序OB1，不使用子程序、中斷程序和數(shù)據(jù)塊。</p><p>　?。?）系統(tǒng)塊 系統(tǒng)塊用來設(shè)置系統(tǒng)的參數(shù)，例如存儲器的斷電保持范圍、密碼、STOP模式時PLC的輸出狀態(tài)（輸出表）、模擬量與數(shù)字量輸入濾波值、脈沖捕捉位等，系統(tǒng)塊中的信息需要下載到PLC，系統(tǒng)塊中參數(shù)的設(shè)置方法詳見[13,10]。</p><p>　　（4）符號表 符號表允許程序員用符號來代替存儲器的地址，符號地址便

46、于記憶，使程序更容易理解。程序編譯后下載到PLC時，所有的符號地址被轉(zhuǎn)換為絕對地址，符號表中的信息不會下載到PLC。</p><p>　?。?）狀態(tài)表 狀態(tài)表用來觀察程序執(zhí)行時指定的內(nèi)部變量的狀態(tài)，狀態(tài)表并不下載到PLC，僅僅是監(jiān)控用戶程序運(yùn)行情況的一種工具。</p><p>　　（6）交叉引用表 交叉引用表列舉出程序中使用的各操作數(shù)在哪一個程序塊的哪一個網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)，以及使用它們的

47、指令的助記符。還可以查看哪些內(nèi)存區(qū)域已經(jīng)被使用，在作為位使用還是作為字節(jié)使用。在運(yùn)行（RUN）模式下編輯程序時，可以查看程序當(dāng)前正在使用的跳變觸點(diǎn)的編號。交叉引用表并不下載到PLC，編譯成功后才能看到交叉引用表的內(nèi)容。在交叉引用表中雙擊某操作數(shù)，可以顯示出包含該操作數(shù)的那一部分程序。</p><p>　　（7）項目中各部分的參數(shù)設(shè)置 執(zhí)行菜單命令“工具”—“選項”，在出現(xiàn)的對話框中選擇某一選項卡，可以進(jìn)行有關(guān)

48、的參數(shù)設(shè)置。</p><p>　　圖2-3 V4.0編程軟件的界面</p><p>　　2.3.2程序的編寫與傳送</p><p><b>　　操作步驟如下：</b></p><p>　?。?）創(chuàng)建一個項目或打開一個已有的項目 執(zhí)行菜單命令“文件”—“新建”或按工具條最左邊的【新建項目】按鈕；用菜單命令“文件”—“

49、打開”可以打開已有的項目。</p><p>　　（2）設(shè)置與讀取PLC的型號 在編程之前，應(yīng)正確設(shè)置其型號，以防止創(chuàng)建程序時發(fā)生編譯錯誤。執(zhí)行“PLC” —“類型”菜單命令，在出現(xiàn)的對話框中可選擇型號。</p><p>　?。?）選擇編譯語言和指令集 執(zhí)行菜單命令“工具”—“選項”，將彈出選項窗口，在“一般”選項卡中可選擇語言和指令集。</p><p>　　

50、（4）確定程序結(jié)構(gòu) 較簡單的控制程序一般只有主程序（OB1）,系統(tǒng)較大、功能復(fù)雜的程序除了主程序外，可能還有子程序、中斷程序和數(shù)據(jù)塊。</p><p>　?。?）編寫符號項目 符號表用符號地址代替存儲器的地址，便于記憶。</p><p>　?。?）編寫數(shù)據(jù)塊 數(shù)字量控制程序一般不需要數(shù)據(jù)塊。</p><p>　?。?）編寫用戶程序 用選擇的編程語言編

51、寫用戶程序。</p><p>　?。?）注釋與符號信息表 符號信息表列出了網(wǎng)絡(luò)中使用符號地址的有關(guān)信息，未顯示網(wǎng)絡(luò)注釋時可以在網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)題行輸入信息。</p><p>　?。?）編譯程序 選擇“PLC” 菜單中的命令按鈕，可以分別編譯當(dāng)前打開的程序或全部程序。</p><p>　?。?0）程序的下載、上載和清除 </p><p>&l

52、t;b>　　2.4組態(tài)王的組成</b></p><p>　　利用組態(tài)軟件可以進(jìn)行人機(jī)對話，設(shè)計組態(tài)畫面時必須設(shè)計包括：監(jiān)控畫面，實時曲線，歷史曲線，參數(shù)設(shè)定，報表生成。在設(shè)計后可以有效地直觀地對控制單位與被控單位進(jìn)行監(jiān)控。</p><p><b>　　2.4.1畫面制作</b></p><p><b>　　?建模&l

53、t;/b></p><p>　　建模就是在對系統(tǒng)要求進(jìn)行分析后，建立數(shù)學(xué)模型。以轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)為例，直流電機(jī)為控制對象，目的是將直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速實時顯示出。</p><p><b>　　?文本輸入</b></p><p>　　用鼠標(biāo)單擊“工具箱”中的“文本”工具按鈕，然后將鼠標(biāo)移動到畫面上適當(dāng)位置單擊，用戶便可以輸入文字。輸入完畢后，單擊鼠標(biāo)

54、，文字輸入完成。</p><p><b>　　?圖素輸入</b></p><p>　　利用組態(tài)王的圖庫繪制需要的圖素。單擊“圖庫”中的“打開圖庫”菜單項（或使用快捷鍵F2），出現(xiàn)“圖庫管理器”窗口。</p><p><b>　　?動畫連接</b></p><p>　　要逼真的顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，必須

55、將圖素和數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)設(shè)定的相應(yīng)變量聯(lián)系起來，即讓畫面“動”起來。將圖素和數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)變量建立聯(lián)系的過程稱為“動畫連接”。建立動畫連接后，當(dāng)數(shù)據(jù)庫中的變量發(fā)生變化后，圖形對象就可以按照設(shè)定的動畫連接隨之做同步的變化。</p><p>　　?命令語言及控制程序編寫</p><p>　　命令語言都是靠事件觸發(fā)執(zhí)行的，如定時、數(shù)據(jù)的變化、鍵盤鍵的按下、鼠標(biāo)的點(diǎn)擊等。根據(jù)事件和功能的不同，包括應(yīng)用程

56、序命令語言、熱鍵命令語言、事件命令語言、數(shù)據(jù)改變命令語言、自定義函數(shù)命令語言、動畫連接命令語言和畫面命令語言等。具有完備的詞法語法查錯功能和豐富的運(yùn)算符、數(shù)學(xué)函數(shù)、字符串函數(shù)、控件函數(shù)、SQL 函數(shù)和系統(tǒng)函數(shù)。</p><p>　　圖2-4 組態(tài)監(jiān)控畫面</p><p>　　?趨勢曲線和其他曲線</p><p><b>　　1）歷史趨勢曲線</b&g

57、t;</p><p>　　在組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)中制作畫面時，選擇菜單“圖庫＼打開圖庫”項，彈出“圖庫管理器”，單擊“圖庫管理器”中的“歷史曲線”，在圖庫窗口內(nèi)用鼠標(biāo)左鍵雙擊歷史曲線（如果圖庫窗口不可見，請按F2 鍵激活它），然后圖庫窗口消失，鼠標(biāo)在畫面中變?yōu)橹苯欠枴癌啊保髽?biāo)移動到畫面上適當(dāng)位置，單擊左鍵，歷史曲線就復(fù)制到畫面上了。</p><p><b>　　2）實時趨勢曲線&l

58、t;/b></p><p>　　在組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)中制作畫面時，選擇菜單“工具＼實時趨勢曲線”項或單擊工具箱中的“畫實時趨勢曲線”按鈕，此時鼠標(biāo)在畫面中變?yōu)槭中?，在畫面中用鼠?biāo)畫出一個矩形，實時趨勢曲線就在這個矩形中繪出。</p><p><b>　　?數(shù)據(jù)報表</b></p><p>　　數(shù)據(jù)報表是反應(yīng)生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)、狀態(tài)等，并對數(shù)據(jù)

59、進(jìn)行記錄的一種重要形式。它既能反映系統(tǒng)實時的生產(chǎn)情況，也能對長期的生產(chǎn)過程進(jìn)行統(tǒng)計、分析，使管理人員能夠?qū)崟r掌握和分析生產(chǎn)情況。</p><p>　　2.4.2 組態(tài)王通訊與變量設(shè)置</p><p><b>　?。?）通訊連接設(shè)置</b></p><p>　　設(shè)置上位機(jī)與下位機(jī)的連接：在組態(tài)王工程瀏覽器樹型目錄中，選擇設(shè)備，在右邊的工作區(qū)中出現(xiàn)

60、了“新建”圖標(biāo), 雙擊此“新建”圖標(biāo)，彈出“設(shè)備配置向?qū)А睂υ捒颉Ｔ谏鲜鰧υ捒蜻x擇西門子提供的“S7—200”的“PPI”項后單擊“下一步”彈出對話框，接下來為設(shè)備選擇連接的串口為COM1，設(shè)備地址為2，以及設(shè)置通信故障恢復(fù)參數(shù)，（一般情況下使用系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置即可）。</p><p><b>　　（2）變量定義</b></p><p>　　在組態(tài)王工程瀏覽器中提供了“數(shù)

61、據(jù)庫”項供用戶定義設(shè)備變量。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計中每個界面需要的各種變量，在數(shù)據(jù)詞典中進(jìn)行相應(yīng)的變量定義。所以說數(shù)據(jù)庫是聯(lián)系上位機(jī)和下位機(jī)的橋梁。數(shù)據(jù)庫中變量的集合形象地稱為“數(shù)據(jù)詞典”，數(shù)據(jù)詞典記錄了所有用戶可使用的數(shù)據(jù)變量的詳細(xì)信息。對于大批同一類型的變量，組態(tài)王還提供了可以快速成批定義變量的方法——即結(jié)構(gòu)變量的定義。以下為本次設(shè)計中所需要定義的一些數(shù)據(jù)變量。</p><p><b>　　2.5測速方法&l

62、t;/b></p><p>　　目前工業(yè)中測量轉(zhuǎn)速的方式主要有兩種。一種是將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為模擬信號, 對模擬信號進(jìn)行測量。如測速發(fā)電機(jī)是將轉(zhuǎn)速直接轉(zhuǎn)換為電壓信號, 然后測量其電壓。這種方法的缺點(diǎn)是被測信號易受電磁干擾和溫度變化的影響。另一種是將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號, 然后用數(shù)字系統(tǒng)內(nèi)部的時鐘來對脈沖信號的頻率進(jìn)行測量。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于抗干擾能力強(qiáng)、不受溫度變化影響、穩(wěn)定性好 。</p><

63、;p>　　2.6 直流電動機(jī)的調(diào)速</p><p>　　在生產(chǎn)實踐中，有許多生產(chǎn)機(jī)械根據(jù)工藝要求需要調(diào)節(jié)速度。改變生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速可以采用改變傳動機(jī)構(gòu)的速比實現(xiàn)，這種方法稱為機(jī)械調(diào)速。在生產(chǎn)中應(yīng)用較多的是電氣調(diào)速，即人為地改變電動機(jī)的參數(shù)，從而得到不同的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　從機(jī)械特性可知，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速由電動機(jī)的機(jī)械特性和負(fù)載機(jī)械特性的交點(diǎn)，即工作點(diǎn)決定。若工作點(diǎn)變了，電動機(jī)的轉(zhuǎn)

64、速也就變了。如圖2-6所示，電動機(jī)額定運(yùn)行時工作于固有機(jī)械特性1與負(fù)載機(jī)械特性3的交點(diǎn)A，其轉(zhuǎn)速為nA，如果在電樞回路串入電阻，那么電動機(jī)的機(jī)械特性將變?yōu)閳D中直線2，它與負(fù)載機(jī)械特性3的交點(diǎn)為B點(diǎn)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變?yōu)閚B，從而實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。常見的幾種調(diào)速方式：1他勵直流電動機(jī)的串電阻調(diào)速 2降低電樞供電電壓調(diào)速 3減弱磁通調(diào)速</p><p>　　2.7 如何實現(xiàn)電機(jī)啟動過程的準(zhǔn)時間最優(yōu)</p>&

65、lt;p>　　在設(shè)備物理上的允許條件下實現(xiàn)最短時間的控制稱作“時間最優(yōu)控制”，對于調(diào)速系統(tǒng)，在電動機(jī)允許過載能力限制下的恒流啟動，就是時間最優(yōu)控制。實際啟動過程與理想啟動過程相比還有一些差距，不過這兩段時間只占全部啟動時間中很小的成分，無傷大局，故可稱做“準(zhǔn)時間最優(yōu)控制”。</p><p>　　2.8 如何實現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的靜態(tài)調(diào)速無靜差</p><p>　　積分控制可以使系統(tǒng)在無靜差的

66、情況下保持恒速運(yùn)行，實現(xiàn)無靜差調(diào)速。比例調(diào)節(jié)器的輸出朱取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀，而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。從無靜差的角度突出地表明了積分控制優(yōu)于比例控制的地方，但是從另一方面看，在控制的快速性上，積分控制卻又不如比例控制。同樣在階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出卻只能逐漸地變化。比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，又克服了各自缺點(diǎn)，揚(yáng)長避短，相互補(bǔ)充。比例部分能迅速響應(yīng)

67、控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。</p><p>　　2.9 如何實現(xiàn)電機(jī)調(diào)速</p><p>　　調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p><b>　　3 硬件設(shè)計</b></p><p>　　3.1控制系統(tǒng)設(shè)

68、計概述</p><p>　　本次設(shè)計采用S7-200 PLC實現(xiàn)PWM控制直流電動機(jī)，單閉環(huán)回路，使用PLC的CPU224模塊。分析本設(shè)計后決策使用的硬件有：開關(guān)、固態(tài)繼電器、整流裝置、光電編碼器、直流電機(jī)、西門子PLCS7-200。設(shè)計用霍爾傳感器來檢測電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，將其以脈沖的形式輸出，并送至PLC內(nèi)部的高速脈沖計數(shù)器，使用M法測速原理，通過編程轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速，經(jīng)過軟件實時掃描，從而得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p&

69、gt;<p>　　圖3-1 控制結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　3.2控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計</p><p>　　確定了相關(guān)的實驗設(shè)備之后，接下來就需要硬件選型表</p><p>　　3.3 實驗平臺的搭建、</p><p>　　下面是相關(guān)的實驗設(shè)備實物圖及整體的實物連接圖</p><p>　　圖3-2 實物元

70、件圖</p><p>　　圖3-3 整體實物連接圖</p><p>　　圖3-4 電氣控制原理圖</p><p>　　3.4 控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速檢測</p><p>　　轉(zhuǎn)速的測量方式有多種，數(shù)字測速具有測速精度高、分辨能力強(qiáng)、受器件影響小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于調(diào)速要求高、調(diào)速范圍大的系統(tǒng)。數(shù)字測速方法有M法、T法、M/T法和E/T法，關(guān)于各方法的

71、使用和優(yōu)缺點(diǎn)，本實驗使用了M法測速。</p><p>　　3.5 系統(tǒng)測速軟件編程思想</p><p>　　速度檢測有模擬和數(shù)字兩種檢測方法。模擬測速一般采用測速發(fā)電機(jī)，其輸出電壓不僅表示了轉(zhuǎn)速的大小，還包含了轉(zhuǎn)速的方向，不過模擬測速方法的精度不夠高，在低速時更為嚴(yán)重。對于要求精度高、調(diào)速范圍大的系統(tǒng)，一般采用數(shù)字測速。數(shù)字測速具有測速精度高、分辨能力強(qiáng)、受器件影響小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各

72、種調(diào)速系統(tǒng)?？紤]到實驗經(jīng)費(fèi)等多方面因素，本次設(shè)計采用數(shù)字測速。</p><p>　　數(shù)字測速最常見的檢測元件是光電式旋轉(zhuǎn)編碼器，旋轉(zhuǎn)編碼器與電動機(jī)相連，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動時，便發(fā)出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號，然后送給接受處理裝置。脈沖送到PLC的高速計數(shù)器中，再通過基于測速原理的計算轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速值。</p><p>　　目前常用的測速方法有以下幾種：</p><p>　?。?）M法：是

73、在一定時間間隔內(nèi)，對霍爾傳感器輸出脈沖數(shù)進(jìn)行計數(shù)，并計算出轉(zhuǎn)速，適用于電動機(jī)轉(zhuǎn)速的高速測量。</p><p>　?。?）T法：是通過測量霍爾傳感器的脈沖周期來計算電機(jī)轉(zhuǎn)速的一種測量方法，適合于電動機(jī)的低速測量。</p><p>　?。?）M/T法：是結(jié)合了M法和T 法的優(yōu)點(diǎn)，在低速及高速段均有較高的分辨能力和測量精度。</p><p>　?。?）E/T法：其原理是從

74、T法出發(fā)，只是為了克服T法高速時的精度問題。</p><p>　　本次實驗設(shè)計中的電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，用T法或M/T法難以實現(xiàn)傳感器兩個輸出脈沖之間時間的測量，所以在本次設(shè)計中采用了M法測量。</p><p>　?。ㄒ唬㎝法測速的原理</p><p>　　在一定的時間Tc內(nèi)測取霍爾傳感器輸出的脈沖個數(shù)M1, 用以計算這段時間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速，稱作M法測

75、速（如圖6-3所示）。把M1除以Tc就可得到霍爾傳感器輸出脈沖的頻率f1=M1/Tc，所以又稱頻率法。電動機(jī)每轉(zhuǎn)一圈共產(chǎn)生Z個脈沖，把f1除以Z就得到電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。在習(xí)慣上，時間Tc以秒s為單位，而轉(zhuǎn)速是以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)r/min為單位，則電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為</p><p><b>　　(6-1)</b></p><p>　　在上式中，Z和Tc均為常值，因此轉(zhuǎn)速正比于脈沖

76、個數(shù)M1。高速時M1大，量化誤差小，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差增大，轉(zhuǎn)速過低時M1將小于1，測速裝置便不能正常工作，所以M法測速只適用于高速段。</p><p>　　（二）M法測速的分辨率</p><p>　　在M法測速中，當(dāng)計數(shù)值由M1變?yōu)镸1+1時，按式（6-1），相應(yīng)的轉(zhuǎn)速由60 M1/ZTc變?yōu)?0（M1+1）/ZTc，則M法測速分辨率為：</p><p><

77、b>　?。?-2）</b></p><p>　　圖6-6 M法測速</p><p>　　可見，M法測速的分辨率與實際轉(zhuǎn)速的大小無關(guān)。從式（6-2）還可看出，要提高分辨率（即減小Q），必須增大Tc或Z。但在實際應(yīng)用中，兩者都受到限制，增大Z受到編碼器制造工藝的限制，增大Tc勢必使采樣周期變長。</p><p>　?。ㄈ㎝法測速的誤差率</p

78、><p>　　在M法測速中，測速誤差決定于編碼器的制造精度，以及編碼器輸出脈沖前沿和測速時間采樣脈沖前沿不齊所造成的誤差等等，最多可能產(chǎn)生一個脈沖的誤差。因此，M法測速誤差率的最大值為：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　由式（6-3）可知，與M1成反比，即轉(zhuǎn)速越低，M1越小，誤差率越大。</p>&

79、lt;p>　　實驗中固定在電動機(jī)軸上的磁片數(shù)越多，電動機(jī)每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)就越多，轉(zhuǎn)速測量也就越精確，由于實際條件的限制，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈輸出200個脈沖，脈沖信號送到PLC的高速計數(shù)器，程序中設(shè)計每隔200 ms執(zhí)行一次高速計數(shù)器指令。</p><p>　　程序設(shè)計中具體算法分析如下：</p><p>　　根據(jù)式（6-1），結(jié)合本次實驗設(shè)計，可以得出：Z=3，Tc=50ms×2

80、5=1.25s，即，M1為高速計數(shù)器所計脈沖數(shù)，16為脈沖數(shù)到轉(zhuǎn)速值之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，在程序中用乘法指令來實現(xiàn)。</p><p>　　本次設(shè)計中，在主程序首次掃描時，利用“首次掃描”位SM0.1來調(diào)用PLC內(nèi)部高速計數(shù)器的初始化子程序2，實現(xiàn)對高速計數(shù)器的狀態(tài)字節(jié)、控制字節(jié)、預(yù)置值和當(dāng)前值的設(shè)置，然后在調(diào)用中斷程序0來實現(xiàn)脈沖數(shù)到轉(zhuǎn)速的計算與轉(zhuǎn)換，最后把轉(zhuǎn)速值放到一個存儲單元VW20中，等待掃描顯示。</p&

81、gt;<p>　　4 PWM、中斷、高速計數(shù)、PID指令簡介</p><p>　　4.1直流電機(jī)的PWM調(diào)速概述</p><p>　　直流電機(jī)由于具有速度控制容易，啟、制動性能良好，且在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點(diǎn)而在冶金、機(jī)械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類，即勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時受到磁飽

82、和的限制，高速時受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制而且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法，調(diào)節(jié)電阻R即可改變端電壓，達(dá)到調(diào)速目的，但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法效率低。</p><p>　　隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法。其中PWM(脈寬調(diào)制)是常用的一種調(diào)速方法。</p><p>　　PWM（脈沖寬度調(diào)制）是通過控

83、制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。</p><p>　　PWM可以應(yīng)用在許多方面，如電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。最近幾

84、年來，隨著微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及單片機(jī)的廣泛應(yīng)用，使調(diào)速裝置向集成化、小型化和智能化方向發(fā)展。</p><p>　　與V-M(晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng))系統(tǒng)相比，PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：</p><p>　?。?）電路線路簡單，需用的功率元件少。</p><p>　?。?）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小。</p>

85、<p>　?。?）低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1：10000左右。</p><p>　　（4）若與快速響應(yīng)的電動機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)能力強(qiáng)。</p><p>　?。?）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率高。</p><p>　?。?）直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控

86、整流器高。</p><p>　　由于有上述優(yōu)點(diǎn)，直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的高動態(tài)性能系統(tǒng)中，已經(jīng)完全取代了V-M系統(tǒng)。</p><p>　　4.2 S7-200PLC實現(xiàn)直流電動機(jī)的PWM調(diào)速</p><p>　　4.2.1 S7-200PLC的高速脈沖輸出指令</p><p>　　S7-200PLC的每個CPU有

87、兩個PTO/PWM(脈沖列/脈沖寬度調(diào)制器)發(fā)生器，分別通過數(shù)字量輸出點(diǎn)Q0.0或Q0.1輸出高速脈沖列或脈沖寬度可調(diào)的波形[3]。脈沖輸出指令（PLS,見圖3-4）檢查為脈沖輸出（Q0.0或Q0.1）設(shè)置的特殊存儲器為（SM），然后啟動由特殊存儲器位定義的脈沖操作。指令的操作數(shù)Q=0或1，用于指定是Q0.0或Q0.1輸出。</p><p>　　PTO/PWM發(fā)生器與輸出映像寄存器共同使用Q0.0及Q0.1。當(dāng)Q

88、0.0或Q0.1被設(shè)置為PTO或PWM功能時，PTO/PWM發(fā)生器控制輸出，在該輸出點(diǎn)禁止使用數(shù)字輸出功能，此時輸出波形不受映像寄存器的狀態(tài)、輸出強(qiáng)制或立即輸出指令的影響。不使用PTO/PWM發(fā)生器時，Q0.0與Q0.1作為普通的數(shù)字輸出使用。</p><p>　　脈沖寬度與脈沖周期之比成為占空比，脈沖列（PTO）功能提供周期與脈沖數(shù)目可以由用戶控制的占空比為50%的方波輸出。脈沖寬度調(diào)制（PWM,簡稱為脈寬調(diào)制

89、）功能提供連續(xù)的，周期與脈寬可以由用戶控制的輸出。本次設(shè)計所使用的PLC,CPU型號為224，它有兩個模擬電位器,用特殊存儲器SMB28和SMB29來標(biāo)志，分別對應(yīng)于模擬電位器0和模擬電位器1動觸電的位置（只讀），通過調(diào)節(jié)對應(yīng)的電位器就可以改變PWM波的脈寬。由于本次設(shè)計主要用脈沖寬度調(diào)制器（PWM），所以對于脈寬列（PTO）就不再作詳細(xì)介紹。</p><p>　　所有控制字節(jié)、周期、脈沖寬度和脈沖數(shù)的默認(rèn)值均為

90、0。通過修改SM區(qū)（包括控制字節(jié)），然后再執(zhí)行PLS指令，可以改變PWM輸出波形的特性。將控制字節(jié)的PWM允許位（SM67.7或SM77.7）置為0，然后執(zhí)行PLS指令，在任意時刻均可以禁止PWM波形輸出。</p><p>　　PWM功能提供可變占空比的脈沖輸出，時間基準(zhǔn)為us或ms，周期的變化范圍為10～65535us或2～65535ms，脈沖寬度的變化范圍為0～65535us或0～65535ms。當(dāng)指定脈沖寬

91、度大于周期值時，占空比為100%，輸出連續(xù)接通；當(dāng)脈沖寬度為0時，占空比為0%，輸出斷開。如果指定的周期小于兩個時間單位，周期被默認(rèn)為兩個時間單位?？梢杂孟率鰞煞N方法改變PWM波形的特性。</p><p>　?。?）同步更新 如果不要求改變時間基準(zhǔn)，即可以進(jìn)行同步更新。同步更新時，波形特性的變化在兩個周期的交界處，可以實現(xiàn)平滑過度。</p><p>　?。?）異步更新 PWM的典型

92、操作是脈沖寬度變化但周期保持不變，因此不要求改變時間基準(zhǔn)。如果需要改變PWM發(fā)生器的時間基準(zhǔn)，則應(yīng)使用異步更新。異步更新瞬時關(guān)閉PWM發(fā)生器，與PWM的輸出波形不同步，可能引起被控設(shè)備的抖動。因襲建議選擇一個適用于所有周期時間的時間基準(zhǔn)，使用同步PWM更新。</p><p>　　控制字節(jié)中的“PWM更新方式位”（SM67.4或SM77.4）用來指定更新類型，執(zhí)行PLS指令使改變生效。如果改變了時間基準(zhǔn)，不管PWM

93、更新方式位的狀態(tài)如何，都會產(chǎn)生一個異步更新。</p><p>　　下表為與PWM有關(guān)的特殊存儲器。如果要裝入新的脈沖數(shù)、脈沖寬度或周期，應(yīng)在執(zhí)行PLS指令前將它們裝入相應(yīng)的控制寄存器。</p><p>　　4.2.2控制原理的實現(xiàn)</p><p>　　有了高速脈沖輸出指令，實現(xiàn)對直流電動機(jī)的PWM調(diào)速就非常方便了?？梢酝ㄟ^控制字節(jié)的設(shè)置來改變脈沖寬度和周期，實現(xiàn)控制

94、任務(wù)，在初始化子程序中設(shè)置控制字節(jié)是一個關(guān)鍵程序，若設(shè)置出錯，就會導(dǎo)致脈沖無法輸出。</p><p><b>　　4.3 中斷指令</b></p><p>　　中斷指令使系統(tǒng)暫時中斷正在執(zhí)行的程序，而轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序去處理那些急需處理的事件，處理后返回原程序執(zhí)行。包括中斷允許（ENI）指令、全局中斷禁止（DISI）指令、中斷連接（ATCH）指令、中斷分離（DTCH）

95、指令、中斷返回（CRETI）指令。按優(yōu)先級從高到低中斷可分為通信口中斷、I/O中斷、時基中斷[1]。</p><p>　　中斷允許（ENI）指令 全局地允許所有被連接的中斷事件。</p><p>　　全局中斷禁止（DISI）指令 全局地禁止處理所有中斷事件。</p><p>　　中斷連接（ATCH）指令 用來建立某個中斷事件和某個中斷程序之間的聯(lián)系，并允許這個

96、中斷事件。</p><p>　　中斷分離（DTCH）指令 用來解除某個中斷事件和某個中斷程序之間的聯(lián)系，并禁止該中斷事件。</p><p>　　表5-2部分中斷事件及其事件號</p><p>　　中斷返回（CRETI）指令 根據(jù)控制的條件從中斷程序中返回到主程序。可用中斷程序入口點(diǎn)處的中斷程序標(biāo)號來識別每個中斷程序。部分中斷事件及其事件號如表5-2所示。<

97、/p><p>　　4.4 高速計數(shù)指令</p><p>　　普通計數(shù)器要受CPU掃描速度的影響，對高速脈沖信號的計數(shù)會發(fā)生脈沖丟失的現(xiàn)象。高速計數(shù)器脫離主機(jī)的掃描周期而獨(dú)立計數(shù)，它可對脈寬小于主機(jī)掃描周期的高速脈沖準(zhǔn)確計數(shù)。高速計數(shù)器常用于電動機(jī)轉(zhuǎn)速檢測的場合，使用時可由編碼器將電動機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化成脈沖信號，再用高速計數(shù)器對轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行計數(shù)。</p><p>　　高速計數(shù)

98、器的指令包含定義高速計數(shù)器（HDEF）指令和高速計數(shù)器（HSC）指令（如表5-3所示），高速計數(shù)器的時鐘輸入速率可達(dá)10～30KHz。</p><p>　　定義高速計數(shù)器（HDEF）指令，為指定的高速計數(shù)器（HSCx）選定一種工作模式（有12種不同的工作模式）。使用HDEF指令可建立起高速計數(shù)器（HSCx）和工作模式之間的聯(lián)系。操作數(shù)HSC是高速計數(shù)器編號（0～5），MODE是工作模式（0～11）。在使用高速計數(shù)

99、器之前必須使用HDEF指令來選定一種工作模式。對每一個高速計數(shù)器只能使用一次HDEF指令。</p><p>　　高速計數(shù)器（HSC）指令，根據(jù)有關(guān)特殊標(biāo)志位來組態(tài)和控制高速計數(shù)器的工作，操作數(shù)N指定了高速計數(shù)器號（0～5）。</p><p>　　高速計數(shù)器裝入預(yù)置值后，當(dāng)前計數(shù)值小于當(dāng)前預(yù)置值時計數(shù)器處于工作狀態(tài)。當(dāng)當(dāng)前值等于預(yù)置值或外部復(fù)位信號有效時，可使計數(shù)器產(chǎn)生中斷；除模式（0～2）

100、外，計數(shù)器方向的改變也可產(chǎn)生中斷?？衫眠@些中斷事件完成預(yù)定的操作。每當(dāng)中斷事件出現(xiàn)時，采用中斷的方法在中斷程序中裝入一個新的預(yù)置值，從而使高速計數(shù)器進(jìn)入新一輪的工作。</p><p>　　由于中斷事件產(chǎn)生的速率遠(yuǎn)低于高速計數(shù)器的計數(shù)速率，用高速計數(shù)器可以實現(xiàn)精確的高速控制，而不會延長PLC的掃描周期。</p><p>　　高速計數(shù)器指令在使用過程中，利用相關(guān)的特殊存儲器位可對高速計數(shù)器實

101、施狀態(tài)監(jiān)視、組態(tài)動態(tài)參數(shù)、設(shè)置預(yù)置值和當(dāng)前值等操作。</p><p>　　HSC0～HSC2的當(dāng)前值和預(yù)置值所對應(yīng)的特殊存儲器地址如表4-3所示。</p><p>　　表4-3 HSC的當(dāng)前值和預(yù)置值</p><p>　　為了向高速計數(shù)器裝入新的當(dāng)前值和預(yù)置值，必須先設(shè)置控制字節(jié)，并把預(yù)置值和當(dāng)前值存入特殊存儲器中，然后執(zhí)行HSC指令，才能將新的值傳送給高速計數(shù)器。

102、</p><p>　　每個高速計數(shù)器都有一個控制字節(jié)，控制字節(jié)是用來控制計數(shù)器工作的。（HSC0～HSC2）的控制字節(jié)如表4-2所示。</p><p>　　表4-2 高速計數(shù)器的控制字節(jié)</p><p><b>　　4.5 PID指令</b></p><p>　　4.5.1 PID 算法</p><

103、p>　　PID 控制器管理輸出數(shù)值,以便使偏差（e）為零,系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。偏差是給定值SP 和過程變量PV 的差. PID 控制原則以下列公式為基礎(chǔ),其中將輸出u(t)表示成比例項、積分項和微分項的函數(shù):</p><p><b>　　(4-1)</b></p><p>　　式中 e(t)—調(diào)節(jié)器輸入函數(shù)，即給定量與與輸出量的偏差；</p><

104、;p>　　u(t)—調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)；</p><p><b>　　Kp—比例系數(shù)；</b></p><p>　　Ti—積分時間常數(shù)；</p><p>　　Td—微分時間常數(shù)；</p><p>　　因為式（4-1）表示的調(diào)節(jié)器的輸入函數(shù)及輸出函數(shù)均為模擬量，所以計算機(jī)是無法對其進(jìn)行直接運(yùn)算的。為此，必須將連續(xù)形式的微

105、分方程化成離散形式的差分方程。</p><p>　　取T 為采樣周期，k 為采樣序號,k=0,1,2,…i,…k,因為采樣周期T 相對于信號變化周期是很小的，這樣可以用矩形法算面積，用向后差分代替微分，即</p><p>　　于是式（4-1）可寫成</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中

106、 u(k) —采樣時刻k 時的輸出值；</p><p>　　e(k) —采樣時刻k 時的偏差值；</p><p>　　e（k-1）—采樣時刻k-1 時的偏差值。</p><p>　　式（4-1）中的輸出量 u(k)為全量輸出。它對應(yīng)于被控對象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如調(diào)節(jié)閥）每次采樣時刻應(yīng)達(dá)到的位置，因此，式（4-2）稱為PID 位置控制算法。這即使是PID 控制規(guī)律的離散化形

107、式。</p><p>　　4.5.2 控制方式</p><p>　　S7-200 的PID 回路沒有設(shè)置控制方式，只要PID 塊有效，就可以執(zhí)行PID 運(yùn)算。在這種意義上說，PID 運(yùn)算存在一種“自動”運(yùn)行方式。當(dāng)PID 運(yùn)算不被執(zhí)行時，我們稱之為“手動”方式。</p><p>　　同計數(shù)器指令相似，PID 指令有一個使能位。當(dāng)該使能位檢測到一個信號的正跳變（從0到

108、1），PID 指令執(zhí)行一系列的動作，使PID 指令從手動方式無擾動地切換到自動方式。為了達(dá)到無擾動切換，再轉(zhuǎn)換到自動控制前，必須用手動方式把當(dāng)前輸出值填入回路表中的Mn欄。PID 指令回路表中的值進(jìn)行下列動作，以保證當(dāng)使能位正跳變出現(xiàn)時，從手動方式無擾動切換到自動方式：</p><p>　　置給定值（ SPn）=過程變量（ PVn）</p><p>　　置過程變量前值（PVn⣵

109、78;1）=過程變量（PVn）</p><p>　　置積分項前值（ MX ）=輸出值（ Mn）</p><p>　　PID 使能位的默認(rèn)值是1，在CPU 啟動或從STOP 方式轉(zhuǎn)到RUN 方式時建立。CPU 進(jìn)入RUN方式后首次使PID 塊有效，沒有檢測到使能位的正跳變，那么就沒有無擾動切換的動作</p><p>　　PID 編程的基本步驟：</p>

110、<p>　　1）設(shè)定回路輸入及輸出選項。</p><p>　　2）設(shè)定回路參數(shù)在 PID 指令中,必須指定內(nèi)存區(qū)內(nèi)的46個字節(jié)參數(shù)表的首地址。其中要選定過程變量、 設(shè)定值、 回路增益、 采樣時間、 積分時間和微分時間,并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)值存入回路表中。</p><p>　　3）為計算指定內(nèi)存區(qū)域,PID 計算需要一定的存儲空間,存儲暫時結(jié)果。需要指定此計算區(qū)域的起始 V 內(nèi)存字節(jié)地址。

111、</p><p>　　4）指定初始化子程序及中斷程序。</p><p>　　5）生成 PID 程序。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求，可設(shè)計出如圖4-1的程序流程圖，按此進(jìn)行PLC 編程，以此來控制水箱液位。</p><p><b>　　5 軟件設(shè)計</b></p><p>　　5.1 S7-2

112、00 PLC編程的基本概念</p><p>　　5.1.1 PLC編程語言</p><p>　　與個人計算機(jī)相比，PLC的硬件、軟件的體系結(jié)構(gòu)都是封閉的而不是開發(fā)的，個廠家的PLC的編程語言和指令系統(tǒng)的功能和表達(dá)方式也不一致。IEC(國際電工委員會)于1994年5月公布了PLC標(biāo)準(zhǔn)（IEC61131），該標(biāo)準(zhǔn)鼓勵不同的PLC制造商提供在外觀和操作上相似的指令，其中的第三部分（IEC511

113、31-3）是PLC的編程語言標(biāo)準(zhǔn)。IEC61131-3詳細(xì)的說明了語法、語義和下述5中編程語言(圖4-1所示)的表達(dá)方式： </p><p>　　(1)順序功能圖（Sequential Function Chart）；(2)梯形圖（Ladder Diagram）；(3)功能塊圖（Function Block Diagram）；(4)指令表（Instruction List）；(5)結(jié)構(gòu)文本（Structured