一种基于PLC控制的变频器PID闭环调速系统

【摘 要】本文介绍了一种基于西门子S7-200 plc的变频器PID闭环调速系统。其中，变频器采用西门子MM420，速度反馈采用光电编码器实现，速度采集利用PLC的高速脉冲采集功能实现，电机转速观测与显示通过组态软件实现。通过实验电机速度趋于稳定，误差很小，达到了满意的控制效果。

【关键词】PLC；变频器；PID

一、引言

调速系统的快速性、稳定性、动态性能好是工业自动化生产中的基本要求。在工业控制领域，调速控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。就当前的控制策略而言，占统治地位的仍旧是常规的PID控制。PID结构简单、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型，为快速搭建合适的参数控制系统提供了方便。目前，变频调速已被公认为最理想的调速方式之一，在实际应用中用户可根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。本设计就基于S7-200 PLC的PID调节模块实现变频器的闭环调速，最后通过上位机组态软件观测电机转速。

二、系统设计

该系统主要由三个部分构成，即可编程逻辑控制器件S7-200、变频器MM420和电机。首先通过设置给定输入给PLC，再通过PLC控制变频器，再经由变频器来控制电机，随后将电机的转速反馈给PLC，经比较后输出给变频器从而实现无静差调速。速度的测量可以通过光电编码器和PLC来实现。速度采集可利用S7-200的高速脉冲采集功能，采集频率可以达到30KHz，共有6个高速计数器（HSC0～HSC5），工作模式有12种。在固定时间间隔内采集脉冲差值，通过计算即可以获得电动机的当前转速。

例如：设采样周期为100ms 即是每隔100ms采集脉冲一次，光电开关每转发出8个脉冲，那么就可以得到速度为 。其中，？驻m为采样周期内接受到的脉冲数。转速的单位为 r/min。

闭环控制就是将速度信号反馈给PLC，再通过与给定值比较，输出给PID控制部分，从而调节速度使其能达到设定要求。

其结构框图如图1所示：

三、实验调试与观测

PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数P、积分时间Ti和和微分时间Td，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。一般可以通过理论计算来确定，但误差太大。本实验采用的凑试法的整定步骤为“先比例，再积分，最后微分”。

1）整定比例控制：将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。

2）整定积分环节：先将步骤1）中选择的比例系数减小为原来的50～80%，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。

3）整定微分环节：先置微分时间Td=0，逐渐加大Td，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。

此次是速度的PID控制，速度具有比较严重的滞后性，所以为了增强系统动态响应，比例、积分、微分全投入使用，经过多次参数设定比较后，当设定比例系数P为10，积分时间I为0.15，微分时间D为0.01时，系统能得到比较满意的控制效果，最大超调只有两度多，稳定后能保持在+1r/min以内。

最后通过上位机组态软件观测的速度控制效果如图4所示：

四、结论

该实验的设计方案能够满足一般情况下电机转速变频控制的需要，具有较好的稳定性，

准确性。在实际的工业控制中，应该根据生产机械的类型、调速范围、速度响应和控制精度、启动转矩等要求，充分了解变频器所驱动负载特性，决定采用什么功能的通用变频器构成控制系统，结合所使用的PLC，然后决定选用哪种控制方式最合适，从而满足生产工艺要求，又要在技术经济指标上合理。

参考文献

[1]王艳春； 基于PLC的变频器调速系统设计[D]； 东北石油大学； 2010

[2]刘学峰； 基于PLC的异步电动机综合控制系统设计[J]； 科技风； 2013， 08

作者简介：

陈科（1981- ），男，四川遂宁人，讲师，硕士，研究方向：工业自动化控制技术。