1、本科毕业设计电机控制 本科毕业设计（论文）题 目基于PLC控制的交流 电机变频调速系统学生姓名学号教学院系电气信息学院专业年级指导教师职称单位电气信息学院辅导教师职 称单位完成日期2012年6月9日Southwest Petroleum UniversityGraduation ThesisAC motor speed control system based on PLC controlGrade: Name: Major: AutomationInstructor:School of Electronics and Information Engineering2012-6摘要交流电机作为
2、运动控制的关键部分，在油田注水中起着十分重要的作用。本设计是基于罗克韦尔PLC的交流电机变频调速系统，完成数据实时采集、控制量实时输出和控制过程的实时监控，达到系统响应快速、控制精确的目的。论文以罗克韦尔PLC作为控制器，变频器作为执行机构，异步电机作为控制对象，测速发电机作为检测机构，在罗克韦尔以太网和控制网平台上搭建控制回路。在控制器中加入PID控制，模糊PID控制，单神经元自适应PID控制，得到它们的动态响应曲线，并对动态性能和稳态性能进行对比。结果表明，PID控制使系统具有很高的稳态精度，动态性能较差；模糊PID使系统具有良好的动态响应和很高的稳态精度；单神经元自适应PID控制有良好的
3、动态响应和较强的鲁榜性。实验证明通过控制算法的改进，系统性能得到了大大提高。所以，PLC交流调速系统可以广泛应用于油田注水系统中。关键词：异步电机；变频控制；PID；模糊PID；单神经元自适应PID；罗克韦尔网络AbstractAC motor as a key part of the motion control, plays an important role in the oilfield water injection.This experimental design an Ac speed adjustment system based on Rockwell automation
4、PLC, completes data real-time gathering, the control quantity real-time output and the controlled process real-time monitoring, achieves the system response to be fast, control precise goal.The system use Rockwell PLC as controller, frequency converter as actuator, asynchronous machine as controlled
5、 object, tachometer generator as feeler mechanism. Build the control loop in the Rockwell Ethernet and the control net platform. Joins the PID control, fuzzy PID, Single neuron adaptive PID in the controller the control, obtains their dynamic response curve, and carries on the contrast to the dynami
6、c property and the stable state performance.The result indicated that the PID control enables the system to have the very high stable state precision, but the dynamic property is bad; Fuzzy PID enables the system to have the good dynamic response and the very high stable state precision. Single neur
7、on adaptive PID control has a good dynamic response and strong adaptability. Experimental results show that the control algorithm, the system performance has been greatly improved.Therefore, the PLC AC variable speed system can be widely used in the oilfield water injection systems.Keywords: Asynchr
8、onous motor; Variable frequency control ; PID; Fuzzy PID; Single neuron adaptive PID；Rockwell network1绪论1.1应用背景在油田开发过程中，通过注水保持地层压力，是实现原油高产、稳定的重要手段。对于断裂区块的油田，每个区块注水范围小，注水量随开采状况的变化，需要经常调整，大部分注水站都存在额定流量与实际流量不相匹配的问题。油田注水由于压力高、水量大，注水电机大多是大功率电动机。传统的手动调节阀门控制方式启动和停止需要人操作，还需要人工手动调节流量、控制压力，基本很难实现。从前面技术来看，要稳定注
9、水水泵的流量、压力等运行参数，而且使注水泵保持在高效区运行，实现系统的优化运行，单靠管网的优化和控制阀门的节流、打回流和停泵等方法是不适用的。因此，采用变频调速控制器对油田注水泵用电动机实行变转速的调节，实现注水泵变水量控制是一项非常有效的节能措施。如下图2.1所示是注水站控制系统的组成框图。该系统通过智能传感器组对现场各注水泵机组的压力、温度、流量、电流、电压、用电量、振动量、水位、油位、噪声等物理量进行自动监测，并将监测结果由一根数据总线传输给可编程控制器PLC，经可编程控制器数据计算以及注水站生产系统运行优化处理后，送至变频器去控制各泵出口电动阀门，通过电机的无级调速来控制各泵的排量。从
10、而达到高效节能的注水作业。图1.1注水站控制系统组成框图1.2研究目的和意义交流电机在工农业生产中得到了十分广泛的应用，其调速方法具有十分重要的作用。好的调速系统不仅能提高工作效率，还能达到节能的效果。本设计是针对油田注水系统中电机控制方案的研究。其中交流电机采用PLC变频调速技术，使交流电机具有了与直流调速相当的调速性能。并在控制中加入各种控制算法，可以改善系统的动态性能和提高稳态精度。1.3电机控制的现状及其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:（1）交流化。交流电机与直流电机相比，由于没有换向器，结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大
11、容量的电机，并且安装环境要求低，适用于易燃、易爆、多尘等场合。特别是随着变频调速技术的发展，交流电机具有了优异的调速性能，交流调速取代直流调速己成为一种不可逆转的趋势。（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。系统规模的扩大和系统复杂性的提高，需要远程控制多种设备协同工作，高速安全的网络为此提供了方便。（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、神经网络控制等大大改善了控制系统的性能1。1.4罗克韦尔系统简介罗克韦尔三层网络Netlinx，包括以太网、控制网、设备网，如图1.1所示。在此网络架构上，可以实现远
12、程数据实时采集和实时输出，完成精确而又复杂的控制。NetLinx定义了三种最基本的功能：（1）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。ControlLogix系统不仅具有先进的通讯能力和最新的I/O技术，而且
13、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。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。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5。图1.2 Netlinx三层网络架构1.5设计内容本设计是基于罗克韦尔自动化Netlinx开放式网络架构和Contro
14、lLogix系统，采用交流变频技术，运用三种控制算法实现对三相异步电动机的控制。内容安排如下：第一章绪论。简单介绍了应用背景，课题研究的目的及意义，电机控制发展的现状及趋势以及罗克韦尔网络。第二章基于罗克韦尔系统的交流调速系统设计。主要介绍了变频调速原理，系统的总体及方案设计，硬件选型等。第三章系统仿真。包括了交流电机模型的建立，PID控制系统仿真，模糊控制系统仿真，单神经元自适应PID系统的仿真。第四章软件设计。PLC软件设计和上位机监控软件设计。其中PLC软件设计包括建立通讯网络，规划网络，编写控制程序，在控制器中加入不同的控制算法，如PID和模糊算法。上位机监控软件设计采用力控组建监控画
15、面，完成对系统的监测和控制。第五章控制过程调试。对不同控制方案进行现场调试，得到满意的曲线，然后对三种方案进行对比。第六章总结和展望。2基于罗克韦尔系统的交流调速系统设计2.1研究对象说明在油田注水增压系统中，选用的注水泵几乎都是大功率型号的，比如3DWH200型号。具体参数如下表2.1：表2.1 3DWH200油田注水高压泵性能参数油田注水系统中变频器也是大功率的，例如艾默生TD2000-4T2200G变频器。额定容量为280kVA，额定输入电流430A，额定输出电流426A，适配电机220kW。在罗克韦尔实验室中，无法做到用大功率电机和变频器来进行调试，所以采用小功率设备进行模拟仿真和实验。实验室采用的是三相绕线式异步电动机DJ17，额定功率120W，额定电压220V(Y),额定电流0.6A，额定转速1380r/min。变频器采用PowerFlex40，额定输入电压240V, 额定输出电流2.3A, 额定功率0.4KW。通过以上说明可知，实际油田注水采用的设备和实验室设备有很大差异。但因其原理构成基本相同，因此具有一定通用性。2.2系统总体设计2.2.1变频调速原理异步电动机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，称为同步转速，它与输入频率及电机的极
