基于PLC的變頻器多段速調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計_圖文

1、 陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 基于 PLC 的變頻器多段速調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計專 業(yè):機電一體化班 級:機電 1105班姓 名:馮 志 超指 導(dǎo) 教 師:司 老 師目錄1 緒論 . 12課題的背景 . . 1背景分析 . 錯 誤!未定義書簽。3 PLC 和變頻器的介紹 . 54 PLC 的結(jié)構(gòu)及特點 . 55 PLC 的工作原理 . 76 PLC 的應(yīng)用 . 77 PLC 發(fā)展趨勢 . 88 PLC 控制變頻器帶電機多段速運行 . 89變頻器的介紹 . . 8 10變頻器的控制方式 . . 9 11變頻器的應(yīng)用 . . 9 12 PLC 與變頻器的組合 . 10 13變頻器和 PLC 進行配合時所需注意的事

2、項 . 10 14變頻調(diào)速系統(tǒng) . . 11 15變頻調(diào)速的基本控制方式 . . 11 16系統(tǒng)的控制要求 . . 1錯誤!未定義書簽。 17方案的確定 . . 1錯誤!未定義書簽。 18 S7-200 PLC . . 錯 誤!未定義書簽。 19MicroMaster420 變頻器 . . 13 20外部電路設(shè)計 . . 14 21 變頻開環(huán)調(diào)速 . . 14 22.按項目控制要求設(shè)計 PLC 和變頻器 . 15 23 PLC程序設(shè)計 . 15 24變頻器參數(shù)設(shè)置 . . 16 25任務(wù)拓展 . . 17 26項目實現(xiàn) . . 17 附錄 . 20 結(jié)論 . 23 致謝 . 24 參考文獻 .

3、 25緒論課題的背景最先制成電動機的人是德國的雅可比, 在兩個 u 型電磁鐵中間, 裝一六臂輪, 每 臂帶 兩根棒型磁鐵。通電后,棒型磁鐵與 u 型磁鐵之間產(chǎn)生相互吸引和排斥作用 , 帶動輪軸 轉(zhuǎn)動。 后來, 雅可比做了一具大型的裝置安在小艇上, 用 320 個丹尼爾電池 供電, 1838 年 小艇在易北河上首次航行,時速只有 2.2 公里,與此同時,美國的達文 波特也成功地制出 了驅(qū)動印刷機的電動機, 印刷過美國電學(xué)期刑 電磁和機械情報 , 但這兩種電動機都沒 有多大商業(yè)價值,用電池作電源,成本太大、不實用。直到第一臺實用直流發(fā)動機問世 ,電動機被廣泛應(yīng)用。 1870 年比利時工程師格 拉姆

4、 發(fā)明了直流發(fā)電機,在設(shè)計上,直流發(fā)電機和電動機很相似。后來,格拉姆證明 向直流發(fā) 動機輸入電流, 其轉(zhuǎn)子會象電動機一樣旋轉(zhuǎn)。 于是, 這種格拉姆型電動機大 量制造出來, 效 率也不斷提高。 與此同時, 西門子開始著手研究由電動機驅(qū)動的車輛, 于是西門子公司 制成了世界電車。 1879 年, 在柏林工業(yè)展覽會上, 西門子公司不冒 煙的電車贏得觀眾的一 片喝彩。西門子電機車當(dāng)時只有 3 馬力,后來美國發(fā)明大王愛 迪生試驗的電機車已達 12 15 馬力,但當(dāng)時的電動機全是直流電機,只限于驅(qū)動電 車。1888 年南斯拉夫出生的美國發(fā)明家特斯拉發(fā)明了交流電動機。 它是根據(jù)電磁感應(yīng) 原 理制成,又稱感應(yīng)

5、電動機,這種電動機結(jié)構(gòu)簡單,使用交流電,無需整流,無火花, 因此 被廣泛應(yīng)用于工業(yè)的家庭電器中,交流電動機通常用三相交流供電。1902 年瑞典工程師丹尼爾森首先提出同步電動機構(gòu)想。 同步電動機工作原理同 感應(yīng)電 動機一樣,由定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,轉(zhuǎn)速固定不變,不受負載影響。因此同步電 動機特別適 用于鐘表,電唱機和磁帶錄音機。當(dāng)今世界, 電機的發(fā)展已成為衡量一個國家現(xiàn)代化程度的標(biāo)志之一。 近二十年來, 科 學(xué)技術(shù)突飛猛進。隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)和控制理論發(fā)展,電機調(diào)速技術(shù) 得到迅 速發(fā)展, 使得電機的應(yīng)用不再局限于工業(yè)應(yīng)用而且在商業(yè)及家用設(shè)備等各個領(lǐng) 域獲得更加 廣泛的應(yīng)用;而隨著新材料如稀

6、土永磁材料 Nd-Fe-B 、磁性復(fù)合材料的出 現(xiàn),更給電機設(shè) 計插上翅膀,各種新型、高效、特種電機層出不窮。這些都極大地豐 富了電機理論,拓寬 了電機的應(yīng)用領(lǐng)域,同時也給電機設(shè)計和制造工藝提出更高的要 求。變頻技術(shù)是近年來國際家電領(lǐng)域全面開發(fā)和應(yīng)用的一項高新技術(shù), 它采用新型變 頻 器,將 50Hz 的固定供電頻率轉(zhuǎn)換為 30-130Hz 的變化頻率,實現(xiàn)電動機運轉(zhuǎn)頻率 的自動 調(diào)節(jié),達到節(jié)能和提高效率的目的。上個世紀 80 年代初,變頻器實現(xiàn)了商品化。在近 20 年的時間內(nèi),經(jīng)歷了由模擬 控制到全數(shù)字控制和由采用 BJT 到采用 IGBT 兩個大發(fā)展過程。 80 年代初采用的 BJT 的

7、PWM 變 頻 器 實 現(xiàn) 了 通 用 化 。 到 了 90 年 代 初 , BJT 通 用 變 頻 器 的 容 量 達 到 了 600KV A,400KV A 以下。前幾年主開關(guān)器件開始采用 IGBT ,僅 三、四年的時間, IGBT 變 頻器的單機容量己達 800IV A , 隨著 IGBT 容量的擴大, 通 用變頻器的容量也將隨之?dāng)U大。 變頻器主電路中功率電路的模塊化, 控制電路采用大規(guī)模集成電路和全數(shù)字控制 技 術(shù), 結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用 “ 平面安裝技術(shù) ” 等一系列措施, 促進了變頻電源裝置的小型化。 另 外, 一種混合式功率集成器件, 采用厚薄膜混合集成技術(shù), 把功率電橋、 驅(qū)動電路、

8、 檢 測電路、保護電路等封裝在一起,構(gòu)成了一種 “ 智能電力模塊 ” 這種器件屬于絕緣金 屬基底 結(jié)構(gòu),所以防電磁干擾能力強,保護電路和檢測電路與功率開關(guān)間的距離盡可 能的小,因 而保護迅速且可靠,傳感信號也十分迅速。電力電子器件和控制技術(shù)的不斷進步,使變頻器向多功能化和高性能化方向發(fā) 展。特 別是微機的應(yīng)用,為變頻器多功能化和高性能化提供了可靠的保證。人們總結(jié)了交流調(diào)速電氣傳動控制的大量實踐經(jīng)驗, 并不斷融入軟件功能。 日益 豐富 的軟件功能使通用變頻器的多功能化和高性能化為用戶提供了一種可能, 即可以 把原有生 產(chǎn)機械的工藝水平 “ 升級 ” ,達到以往無法達到的境界,使其變成一種具有高

9、度軟件控制功 能的新機種。目前出現(xiàn)了一類 “ 多控制方式 ” 通用變頻器。例如安川公司的 VS616 G5 變頻器 就有 :無 PG(速度傳感器 V/f 控制 :有 PG V/f 控制 :無 PG 矢量控制 :有 PG 矢量控制等四 種控 制方式。通過控制面板,可以控制上述四種控制方式中的一種,以滿足用戶的需 要。 通用變頻器經(jīng)歷了模擬控制、 數(shù)字控制、 數(shù)模混合控制, 直到全數(shù)字控制的演變, 逐步地實現(xiàn)了多功能化和高性能化,進而使之對各類生產(chǎn)機械、各類生產(chǎn)工藝的適應(yīng) 性不 斷增強。最初通用變頻器僅用于風(fēng)機、泵類負載的節(jié)能調(diào)速和化纖工業(yè)中高速纏 繞的多機 協(xié)調(diào)運行等,到目前為止,其應(yīng)用領(lǐng)域得到

10、了相當(dāng)?shù)臄U展。如搬運機械,從 反抗性負載的 搬運車輛、帶式運輸機到位能負載的起重機、提升機、立體倉庫、立體 停車廠等都已采用 了通用變頻器。各類切削機床直到高速磨床乃至數(shù)控機床、加工中 心超高速伺服機的精確 位置控制都己應(yīng)用通用變頻器。本系統(tǒng)是通過可編程控制器控制三相交流異步電動機的調(diào)速功能。具體內(nèi)容如 下: 在理論研究的基礎(chǔ)上,對變頻調(diào)速系統(tǒng)進行總體方案的設(shè)計。 對變頻調(diào)速系統(tǒng)進行硬件設(shè)計, 包括變頻器參數(shù)的設(shè)置、 變頻開環(huán)調(diào)速、 多 段速控 制以及觸摸屏通信方式的設(shè)計。 在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上,對變頻調(diào)速系統(tǒng)進行軟件設(shè)計,包括程序的編寫和分 析。 實現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的觸摸屏設(shè)計。 采用良好的抗干措施

11、使系統(tǒng)更具穩(wěn)定性。1背景分析(1項目選題背景該項目選自于高等職業(yè)院校機電一體化技術(shù)專業(yè)的專業(yè)核心課程 電氣控制與可編程序 控制器應(yīng)用 ,課程的主要任務(wù)是使學(xué)生掌握常用電氣控制元件,常用電氣控制線路,可編 程序控制器(PLC 的原理、結(jié)構(gòu)、編程元件與指令系統(tǒng),梯形圖設(shè)計原則與技巧, PLC 控 制系統(tǒng)的設(shè)計方法,以及計算機輔助編程和 PLC 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。(2學(xué)生背景機電一體化技術(shù)專業(yè)高職二年級某班,學(xué)生 40人,該課程開設(shè)在第三學(xué)期,該專業(yè)的 學(xué)生在此之前學(xué)習(xí)了電工技術(shù) 、 電子技術(shù) 、 電機電氣控制技術(shù)等前序課程。本項目任務(wù)處于 電氣控制與可編程序控制器應(yīng)用 課程的后期, 即學(xué)生通過本課程前幾章

12、的學(xué)習(xí), 已經(jīng)熟練掌握了電氣控制系統(tǒng)常用器件及常用電氣控制線路設(shè)計, 了解 S7-200PLC 的原理、 結(jié)構(gòu)、 編程元件與指令系統(tǒng), 梯形圖設(shè)計原則與技巧, 熟悉常用基本環(huán)節(jié)的編程以及計算機 輔助編程?？筛鶕?jù)控制要求能自己讀懂書上已設(shè)計好的梯形圖,了解 PLC 在實際應(yīng)用中的 若干問題,具有熟練編程,調(diào)試及實際操作的能力。(3學(xué)習(xí)條件10套 THMDTK-1型機械設(shè)備裝調(diào)與控制技術(shù)實訓(xùn)裝置。 實訓(xùn)裝置和學(xué)習(xí)場所的實訓(xùn)室布局如下圖 1所示。 圖 1 實訓(xùn)設(shè)備和實訓(xùn)室布局圖PLC 和變頻器的介紹4 PLC 的結(jié)構(gòu)及特點(1 PLC 的結(jié)構(gòu)如下 電源 PLC 的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。

13、如果沒有一個良好的、可靠的電源 系統(tǒng)是無法正常工作的,因此 PLC 的制造商對電源的設(shè)計和制造也十分重視。一 般交流 電壓波動在 +10%(+15%范圍內(nèi), 可以不采取其它措施而將 PLC 直接連接到交流 電網(wǎng)上去 中央處理單元 (CPU 中央處理單元 (CPU是 PLC 的控制中樞。 它按照 PLC 系統(tǒng)程 序賦予的功能接收并存 儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù);檢查電源、存儲器、 I/O 以及 警戒定時器的狀態(tài), 并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當(dāng) PLC 投入運行時,首先它以掃 描的方式接收現(xiàn)場各 輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù), 并分別存入 I/O 映象區(qū), 然后從用戶程序存 儲器中逐條讀取用 戶程

14、序, 經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù) 據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后,最后將 I/O 映象區(qū)的各輸 出狀態(tài)或輸出 寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置,如此循環(huán)運行,直到停止運行。為 了進一步提 高 PLC 的可靠性,近年來對大型 PLC 還采用雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng),或采 用三 CPU 的表決 式系統(tǒng)。這樣,即使某個 CPU 出現(xiàn)故障,整個系統(tǒng)仍能正常運行。 存儲器 存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。 存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為 用戶程序 存儲器。 輸入輸出接口電路 現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路, 作用 是 PLC

15、 與現(xiàn)場控制的 接口界面的輸入通道。 2、現(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選 通電路和中斷請求 電路集成,作用 PLC 通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相 應(yīng)的控制信號。 功能模塊 如計數(shù)、定位等功能模塊。 通信模塊 如以太網(wǎng)、 RS485、 Profibus-DP 通訊模塊等。(2 PLC 其特點如下: 可靠性高, 抗干擾能力強 傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器、 時間 繼電器。由于觸點接觸不 良,容易出現(xiàn)故障。 PLC 用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼 電 器 , 僅 剩 下 與 輸 入 和 輸 出 有 關(guān) 的 少 量 硬 件, 接 線 可 減 少 到 繼 電器 控

16、 制 系 統(tǒng) 的 1/101/100, 因觸點接觸不良造 成的故障大為減少。 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性 能。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù),采 用嚴格的生產(chǎn)工藝制造,內(nèi)部電路采取了 先進的抗干擾技術(shù), 具有很高的可靠性。 例如 三菱公司生產(chǎn)的 F 系列 PLC 平均無故障時 間高達 30 萬小時。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均無故障工作時間則更長。從 PLC 的機外電路來說,使用 PLC 構(gòu)成控制系統(tǒng),和同 等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比,電氣接 線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一,故 障也就大大降低。此外, PLC 帶有硬件故 障自我檢測功能,出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警

17、報 信息。在應(yīng)用軟件中,應(yīng)用者還可以編入外 圍器件的故障自診斷程序, 使系統(tǒng)中除 PLC 以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護。 這 樣,整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇 怪了。 硬件配套齊全,功能完善,適用性強 PLC 發(fā)展到今天,已經(jīng)形成了大、中、小各 種規(guī)模的系列化產(chǎn)品,并且已經(jīng)標(biāo)準化、 系列化、模塊化,配備有品種齊全的各種硬件裝 置供用戶選用, 用戶能靈活方便地進行 系統(tǒng)配置, 組成不同功能、 不同規(guī)模的系統(tǒng)。 PLC 的 安裝接線也很方便,一般用接線端 子連接外部接線。 PLC 有較強的帶負載能力,可直接驅(qū) 動一般的電磁閥和交流接觸器, 可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功

18、能以 外, 現(xiàn)代 PLC 大多具有完善的 數(shù)據(jù)運算能力, 可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。 近年來 PLC 的 功能單元大量涌現(xiàn),使 PLC 滲 透到了位置控制、溫度控制、 CNC 等各種工業(yè)控制中。加 上 PLC 通信能力的增強及人機 界面技術(shù)的發(fā)展,使用 PLC 組成各種控制系統(tǒng)變得非常 容易。 易學(xué)易用,深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC 作為通用工業(yè)控制計算機,是面向工礦企 業(yè)的工控設(shè)備。 它接口容易, 編程語 言易于為工程技術(shù)人員接受。 梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當(dāng)接 近,只用 PLC 的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便 地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟 悉電子電路、不懂計算機原

19、理和匯編語言的人使用計算 機從事工業(yè)控制打開了方便之 門。 系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量小,維護方便,容易改造 PLC 的梯形圖程序一般 采用順序控制設(shè)計法。 這種編程方法很有規(guī)律, 很容易掌握。 對于復(fù)雜的控制系統(tǒng),梯 形圖的設(shè)計時間比設(shè)計繼電器系統(tǒng)電路圖的時間要少得多。 PLC 控制變頻器帶電機多段速 運行 PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯,大大減少了控制設(shè)備外部的接線,使控制系統(tǒng)設(shè)計 及。 建造的周期大為縮短, 同時維護也變得容易起來。 更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變 程 序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。體積小,重量輕,能耗低。5 PLC 的工作原理:當(dāng) PLC 投

20、入運行后, 其工作過程一般分為三個階段, 即輸入采樣、 用戶程序執(zhí)行和 輸 出刷新三個階段。 完成上述三個階段稱作一個掃描周期。 在整個運行期間, PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。(1 輸入采樣階段 在輸入采樣階段, 以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù) PLC 據(jù),并將它們存入 I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后,轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行 和 輸出刷新階段。在這兩個階段中,即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化, I/O 映象區(qū)中的相 應(yīng)單 元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此,如果輸入是脈沖信號,則該脈沖信號的寬度必 須大于 一個掃描周期,才能保證在任何情況下,該輸入均能被讀入

21、。(2 用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段, PLC 總是按由上而下的順序依次地掃描 用戶程序 (梯形圖 。 在掃描每一條梯形圖時,又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的 控制線路,并按先 左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進行邏輯運算,然后 根據(jù)邏輯運算的 結(jié)果, 刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài);或者刷新該 輸出線圈在 I/O 映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài);或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能 指令。 即在用戶程序執(zhí)行過程中, 只有輸入點在 I/O 映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變 化, 而其他輸出點和軟設(shè)備在 I/O 映象區(qū)或系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都

22、有可能 發(fā)生變 化,而且排在上面的梯形圖,其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或 數(shù)據(jù) 的梯形圖起作用;相反,排在下面的梯形圖,其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能 到 下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。 在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即 I/O 指令則可以直接存取 I/O 點。 即使用 I/O 指 令的話,輸入過程影像寄存器的值不會 被更新,程序直接從 I/O 模塊取值,輸出過程影 像寄存器會被立即更新,這跟立即輸入有 些區(qū)別。(3 輸出刷新階段黃河水院自動化工程系畢業(yè)論文 當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后, PLC 就進 入輸出刷新階段。在此期間, CPU 按照 I/O 映象 區(qū)內(nèi)對應(yīng)的

23、狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出 鎖存電路, 再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。 這時, 才是 PLC 的真正輸出。6 PLC 的應(yīng)用最初, PLC 主要用于開關(guān)量的邏輯控制。 隨著 PLC 技術(shù)的進步, 它的應(yīng)用如今, PLC 不僅用于開關(guān)量控制,還用于模擬量及數(shù)字量的控制,可采集與存儲數(shù)據(jù),還可對控制 系 統(tǒng)進行監(jiān)控;還可聯(lián)網(wǎng)、通訊,實現(xiàn)大范圍、跨地域的控制用 PLC 進行開關(guān)量控制實 例 是很多的。PLC 控制系統(tǒng)可應(yīng)用于三相異步電動機單向運轉(zhuǎn)控制、三相異步電動機可逆運轉(zhuǎn)控 制、水塔水位控制、自動送料裝車控制、交通信號燈控制、液體混合裝置控制、大小球 分 類傳送控制、人行橫道與車道燈控制、電動機的丫

24、-減壓起動控制、送料車控制和 天塔之 光控制等。目前 PLC 在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、 機械制造、輕紡。汽車。交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè),使用情況主要分為:開關(guān)量邏 輯控制、模擬量控制、運動量控制、數(shù)據(jù)采集及處理、信號監(jiān)控、通信及聯(lián)網(wǎng)。 由于 PLC 上述幾個方面的應(yīng)用,而且 PLC 控制系統(tǒng)使其網(wǎng)絡(luò)又可大可小,所以 PLC 已經(jīng) 應(yīng)用于 工業(yè)生產(chǎn)的各個行業(yè),如冶金、機械、化工、輕工、食品、建材等等,不僅如此, PLC 也 應(yīng)用于一些非工業(yè)過程,如樓宇自動化、電梯控制、以及農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境參數(shù)調(diào)控等。 7 PLC 發(fā)展趨勢由于 PLC 的性能優(yōu)越, 兼具計算機的

25、功能完備, 靈活性強, 通用性好和繼電接觸器 控 制簡單易懂,維修方便等雙重優(yōu)點,形成以微電腦為核心的電子控制設(shè)備?？删幊绦?控制 器技術(shù)在世界上己廣泛應(yīng)用, 成為自動化系統(tǒng)中的基本電控裝置 PLC 在現(xiàn)代工業(yè)生 產(chǎn)和 實際生活中有著廣泛的應(yīng)用,由于可編程控制器(PLC 具有編程軟件采自易學(xué)易 懂的梯 形圖語言、控制靈活方便、抗干擾能力強、運行穩(wěn)定可靠等特點,現(xiàn)在的工業(yè)自 動化生產(chǎn) 控制多采用可編程控制器來實現(xiàn)?，F(xiàn)今,國內(nèi)外的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)已由勞動力密集型態(tài)轉(zhuǎn)移至技術(shù)密集型態(tài),低成本、省力 化 及自動化已成為大家一直追求的目標(biāo)。 PLC 由于其性能優(yōu)越、可靠性高、程序編寫容 易、 安裝與維修方便,且

26、只要改變其軟件程序即可改變其控制順序,從而輕易地達成控 制上的 不同需求。近年來大量的運用于電力系統(tǒng)訓(xùn)練、故障檢測、配電自動化及電廠遙 控、系統(tǒng) 監(jiān)控中。由于工業(yè)生產(chǎn)對自動控制系統(tǒng)需求的多樣性, PLC 的發(fā)展方向有兩個:8 PLC 控制變頻器帶電機多段速運行(1 朝著小型、簡易、價格低廉方向發(fā)展。近年來,單片機的出現(xiàn),促進了 PLC 向 緊 湊型發(fā)展,體積減小,價格降低,可靠性不斷提高。這種 PLC 可以廣泛取代繼電器控 制 系 統(tǒng) , 應(yīng) 用 于 單 機 控 制 和 規(guī) 模 比 較 小 的 自 動 線 控 制 , 如 日 本 立 石 公 司 的 C20PC40PC60PC20HC40H 等

27、。(2 朝著大型、 高速、多功能方向發(fā)展。大型的 PLC 一般為多處理器系統(tǒng),由字處 理 器、位處理器和浮點處理器等組成,有較大的存儲能力和功能很強的輸入輸出接口。 通過 豐富的智能外圍接口,可以獨立完成位置控制、閉環(huán)調(diào)節(jié)等特殊功能;通過網(wǎng)絡(luò)接 口,可 級連不同類型的 PLC 和計算機,從而組成控制范圍很大的局部網(wǎng)絡(luò),適用于大型 自動化 控制系統(tǒng),如霍尼韋爾的 9000 系列等。從 PLC 的發(fā)展趨勢看, PLC 控制技術(shù)將成為今后工業(yè)自動化的主要手段。在未來的 工業(yè)生產(chǎn)中, PLC 技術(shù)、 機器人技術(shù)和 CAD/CAM 技術(shù)將成為實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的三大 支柱。9 變頻器的介紹變頻器是利用電

28、力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制 裝 置。主要是由 “ 整流器 ” 、 “ 平波回路 ” 、 “ 逆變器 ” 組成。其控制電路則主要是由 “ 運算電路 ” 、 “ 電壓、電流檢測電路 ” 、 “ 驅(qū)動電路 ” 、 “ 速 度檢測電路 ” 、 “ 保護電路 ” 組成。而控制電路的作用是給異步電動機供電(電 壓、頻率可 調(diào)的主電路提供控制信號的回路。交流電輸入整流器,變?yōu)橹绷魍ㄟ^中間電路,最后變回交流從逆變器輸出。期間可 通 過控制電路調(diào)節(jié)控制電流的大小、傳輸速率和逆變情況等。交流電動機的同步轉(zhuǎn)速表達式見式 1.1:n =60 f(1-s/p(1.1 式 1.1 中 n 異

29、步電動機的轉(zhuǎn)速; f 異步電動機的頻率; s 電動 機轉(zhuǎn)差率; p 電動機極對數(shù)。由式可知, 轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 成正比, 只要改變頻率 f 即可改變電動機的轉(zhuǎn)速, 當(dāng)頻 率 f 在 050Hz 的范圍內(nèi)變化時,電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機 電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的,是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。10 變頻器的控制方式低壓通用變頻輸出電壓為 380650V ,輸出功率為 0.75400kW ,工作頻率為 0 400Hz ,它的主電路都采用交 直 交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。(1 U/f=C 的正弦脈寬調(diào)制(SPWM 控制方式:其特點是控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較

30、低,機械特性硬度也較好,能夠滿足一般傳動 的 平滑調(diào)速要求,已在產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是,這種控制方式在低頻時, 由于 輸出電壓較低,轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著,使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。(2 電壓空間矢量(SVPWM 控制方式它是以三相波形整體生成效果為前提, 以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為 目 的,一次生成三相調(diào)制波形,以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經(jīng)實踐使用后 又有 所改進,即引入頻率補償,能消除速度控制的誤差;通過反饋估算磁鏈幅值,消除 低速時 定子電阻的影響;將輸出電壓、電流閉環(huán),以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。(3 矢量控制(VC 方式矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步

31、電動機在三相坐標(biāo)系下的定子電流 Ia 、 Ib 、 Ic 、 通 過三相-二相變換, 等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流 Ia1Ib1, 再通過按轉(zhuǎn)子磁場 定 向旋轉(zhuǎn)變換,等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流 Im1、 It1(Im1 相當(dāng)于直流電動機 的勵 磁電流; It1 相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流 ,然后模仿直流電動機的控制方法, 求得直 流電動機的控制量,經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換,實現(xiàn)對異步電動機的控制。(4直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC 方式直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型, 控制電動機的磁鏈 和 轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機等效為直流電動機,因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多 復(fù)雜

32、計算;它不需要模仿直流電動機的控制,也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學(xué) 模型。 (5 矩陣式交 交控制方式VVVF 變頻、 矢量控制變頻、 直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交 直 交變頻中的一種。 其共 同 缺點是輸入功率因數(shù)低,諧波電流大,直流電路需要大的儲能電容,再生能量又不能 反饋 回電網(wǎng),即不能進行四象限運行。為此,矩陣式交 交變頻應(yīng)運而生。由于矩陣式 交 交 變頻省去了中間直流環(huán)節(jié), 從而省去了體積大、 價格貴的電解電容。 它能實現(xiàn)功 率因數(shù)為 l , 輸入電流為正弦且能四象限運行,系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未 成熟,但仍吸引 著眾多的學(xué)者深入研究。其實質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量,而

33、是 把轉(zhuǎn)矩直接作為被 控制量來實現(xiàn)的。11 變頻器的應(yīng)用變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢經(jīng)歷大約三十年的研發(fā)與應(yīng)用實踐, 隨著新型電力電子器件 和 高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展,變頻器的性能價格比越來越高,體積越 來越 小,而廠家仍然在不斷地提高可靠性實現(xiàn)變頻器的進一步小型輕量化、高性能化和 多功能 化以及無公害化而做著新的努力。變頻器性能的優(yōu)劣,一要看其輸出交流電壓的 諧波對電 機的影響,二要看對電網(wǎng)的諧波污染和輸入功率因數(shù),三要看本身的能量損耗 (即效率 如何。變頻器主要用于交流電動機(異步電機或同步電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),是公認的交流電 動 機最理想、 最有前途的調(diào)速方案, 除了具有卓越的調(diào)速性能

34、之外, 變頻器還有顯著的節(jié)能作用,是企業(yè)技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想調(diào)速裝置。自上世紀 80 年代被引進中國以來, 變頻器作為節(jié)能應(yīng)用與速度工藝控制中越來越重要的自動化設(shè)備, 得到了快速發(fā)展和廣泛的 應(yīng)用。交流電動機變頻調(diào)速已成為當(dāng)代電機調(diào)速的潮流,它以體積小、重量輕、轉(zhuǎn)矩大、 精 度高、功能強、可靠性高、操作簡便、便于通信等功能優(yōu)于以往的任何調(diào)速方式,如 變極 調(diào)速、 調(diào)壓調(diào)速、 滑差調(diào)速、 串級調(diào)速、 整流子電動機調(diào)速、 液力偶合調(diào)速, 乃至直流調(diào)速。 因而在鋼鐵、有色、石油、石化、化纖、紡織、機械、電力、電子、建材、煤炭、醫(yī)藥、造 紙、注塑、卷煙、吊車、城市供水、中央空調(diào)及污水處理行業(yè)得

35、到普遍應(yīng)用。運動控制系統(tǒng)的發(fā)展變頻器是運動控制系統(tǒng)中的功率變換器, 運動控制系統(tǒng)是作為 機 電能量變換器的電氣傳動技術(shù)的發(fā)展。 當(dāng)今的運動控制系統(tǒng)是包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng) 域, 總的發(fā)展趨勢是:驅(qū)動的交流化,功率變換器的高頻化,控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。 因此,變頻器作為系統(tǒng)的重要功率變換部件,提供可控的高性能變壓變頻的交 流電源而得 到迅猛發(fā)展。12 PLC 與變頻器的組合在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中, 最為常見的是 PLC 和變頻器的組合應(yīng)用, 并且產(chǎn)生了多 種 多樣的 PLC 控制變頻器的方法。 通過 PLC 與變頻器的組合對機械產(chǎn)品進行控制, 其優(yōu) 點 是擁有較強的抗干擾能力、 傳輸速率高

36、、 傳輸距離遠且節(jié)省部件經(jīng)費, 從而減少資金 消耗。 而且 PLC 控制變頻器這個組合能更有效率的反應(yīng)故障信息,作用動作更迅速、測 量更精 確,控制更簡單方便。13變頻器和 PLC 進行配合時所需注意的事項:(1 開關(guān)指令信號的輸入變頻器的輸入信號中包括對運行 /停止、正轉(zhuǎn) /反轉(zhuǎn)、微動等運行狀態(tài)進行操作的開 關(guān) 型指令信號。 變頻器通常利用繼電器接點或具有繼電器接點開關(guān)特性的元器件 (如晶 體管 與 PLC 相連,得到運行狀態(tài)指令。在使用繼電器接點時,常常因為接觸不良而帶來誤動作;使用晶體管進行連接 時,則 需考慮晶體管本身的電壓、電流容量等因素,保證系統(tǒng)的可靠性。在設(shè)計變頻器的輸入信號電路

37、時還應(yīng)該注意, 當(dāng)輸入信號電路連接不當(dāng)時有時也會 造 成變頻器的誤動作。例如,當(dāng)輸入信號電路采用繼電器等感性負載時,繼電器開閉產(chǎn) 生的 浪涌電流帶來的噪音有可能引起變頻器的誤動作,應(yīng)盡量避免。圖 2 與圖 3 給出了 正確 與錯誤的接線例子。當(dāng)輸入開關(guān)信號進入變頻器時,有時會發(fā)生外部電源和變頻器控制電源(DC24V 之 間的串?dāng)_。 正確的連接是利用 PLC 電源,將外部晶體管的集電極經(jīng)過二極管接到 PLC 。 (2 數(shù)值信號的輸入輸入信號防干擾的接法變頻器中也存在一些數(shù)值型(如頻率、電壓等指令信號的輸入,可分為數(shù)字輸入 和 模擬輸入兩種。數(shù)字輸入多采用變頻器面板上的鍵盤操作和串行接口來給定;模

38、擬輸 入則 通過接線端子由外部給定, 通常通過 010V/5V 的電壓信號或 0/420mA的電流 信號輸 入。 由于接口電路因輸入信號而異, 因此必須根據(jù)變頻器的輸入阻抗選擇 PLC 的輸出模塊。 當(dāng)變頻器和 PLC 的電壓信號范圍不同時, 如變頻器的輸入信號為 010V , 而 PLC 的 輸出電壓信號范圍為 05V 時;或 PLC 的一側(cè)的輸出信號電壓范圍為 010V 而變頻 器的輸入電壓信號范圍為 05V 時,由于變頻器和晶體管的允許電壓、電流等因素的限 制, 需用串聯(lián)的方式接入限流電阻及分壓方式, 以保證進行開閉時不超過 PLC 和變頻器相 應(yīng)的容量。此外,在連線時還應(yīng)注意將布線分開

39、,保證主電路一側(cè)的噪音不傳到控制電路。 通常變頻器也通過接線端子向外部輸出相應(yīng)的監(jiān)測模擬信號。 電信號的范圍通常為010V/5V 及 0/420mA電流信號。 無論哪種情況, 都應(yīng)注意:PLC 一側(cè)的輸入阻抗的 大 小要保證電路中電壓和電流不超過電路的允許值,以保證系統(tǒng)的可靠性和減少誤差。另外,在使用 PLC 進行順序控制時,由于 CPU 進行數(shù)據(jù)處理需要時間,存在一定的 時間延遲,故在較精確的控制時應(yīng)予以考慮。變頻調(diào)速系統(tǒng)的方案確定14 變頻調(diào)速系統(tǒng)1 三相交流異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理三相交流異步電動機是把電能轉(zhuǎn)換成機械能 的設(shè)備。 一般電動機主要由兩部分組 成:固定部分稱為定子, 旋轉(zhuǎn)部

40、分稱為轉(zhuǎn)子。 三相交 流異步電動機的工作原理是建立 在電磁感應(yīng)定律、全電流定律、電路定律和電磁力定律等 基礎(chǔ)上的。當(dāng)磁極沿順時針 方向旋轉(zhuǎn),磁極的磁力線切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條,導(dǎo)條中就感應(yīng)出電動 勢。電動勢的方向由右 手定則來確定。因為運動是相對的,假如磁極不動,轉(zhuǎn)子導(dǎo)條沿逆 時針方向旋轉(zhuǎn),則 導(dǎo)條中同樣也能感應(yīng)出電動勢來。在電動勢的作用下,閉合的導(dǎo)條中就 產(chǎn)生電流。該 電流與旋轉(zhuǎn)磁極的磁場相互作用,而使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條受到電磁力,電磁力的方向 可用左手 定則確定。由電磁力進而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動起來。2 變頻調(diào)速原理變頻器可以分為四個部分,如圖 1.1 所示。 通用變頻器由主電路和 控制回路組成。 給異步

41、電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變 換部分, 稱為主電路。 主電路包 括 整 流 器 、 中 間 直 流 環(huán) 節(jié) (又 稱 平 波 回 路 、 逆 變 器 。 整流器。它的作用是把工頻電源變換成直流電源。 平波回路 (中間直流環(huán)節(jié) 由于逆變器的負載為異步電動機, 。 屬于感性負載。 無論電動機處于電動狀態(tài)還是發(fā)電狀態(tài),起始功率因數(shù)總不會等于 1。因此,在中間 直流 環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的交換, 這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲 能元件 電容器或電感器來緩沖,所以中間直流環(huán)節(jié)實際上是中間儲能環(huán)節(jié)。 逆變器。與整流器的作用相反,逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交 流功 率。 逆變器的結(jié)構(gòu)

42、形式是利用 6 個半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的三相橋式逆變器電路。 通過有規(guī) 律的控制逆變器中主開關(guān)的導(dǎo)通和斷開, 可以得到任意頻率的三相交流輸出 波形。 控制回路。控制回路常由運算電路,檢測電路,控制信號的輸入、輸出電路, 驅(qū) 動電路和制動電路等構(gòu)成。 其主要任務(wù)是完成對逆變器的開關(guān)控制, 對整流器的電 壓控制, 以及完成各種保護功能?？刂品绞接心M控制或數(shù)字控制。15 變頻調(diào)速的基本控制方式 普通控制型 V/f 通用變頻器普通控制型 V/f 通用變頻器是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制,無需速度傳感器,控制電路比 較簡單; 電動機選擇通用標(biāo)準異步電動機,因此其通用性比較強,性價比比較高,是 目前通用 變頻器產(chǎn)品中使用

43、較多的一種控制方式。 具有恒定磁通功能的 V/f 通用變頻器 為了 克服普通控制型的 V/f 通用變頻器對 V/f 的值進行調(diào)整的困難,如果采用磁 通反饋, 讓異步電動機所輸入的三相正弦電流在空間產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場,那么就會產(chǎn) 生恒定的 電磁轉(zhuǎn)矩。這樣的控制方法叫做磁鏈跟蹤控制。由于磁鏈的軌跡是靠電壓相 加矢量得到的,所以磁鏈跟蹤控制也叫做電壓空間矢量控制。 矢量控制方式 矢量控制方式的基本思想是:仿照直流電動機的調(diào)速特點, 使異步交 流電動機的 轉(zhuǎn)速也能通過控制兩個互相獨立的直流磁場進行調(diào)節(jié)。 矢量控制方式分為無速 度傳感 器的矢量控制和有速度傳感器的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩閉環(huán)矢量控制。無速度傳感器的矢量

44、控制。它是對異步電動機進行單電動機傳動的典型模式。主 要性 能是:在 1:10 的速度范圍內(nèi)。速度精度小于 0.5%,轉(zhuǎn)速上升時間小于 100ms ; 在額定 功率 10%的范圍內(nèi), 采用電流閉環(huán)控制的轉(zhuǎn)速開環(huán)控制。 工作模式可采用軟件 功能選擇。 當(dāng)工作頻率高于額定頻率的 10%時, 進入矢量控制狀態(tài)。 轉(zhuǎn)速的實際值可 以利用由微型機 支持的對異步電動機進行模擬的仿真模型來計算。有速度傳感器的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩閉環(huán)矢量控制。這種方式的主要特征更是:在速度設(shè) 定值 的全范圍內(nèi), 轉(zhuǎn)矩上升時間大約為 15ms , 速度設(shè)定范圍大于 1:100; 對于閉環(huán) 控制而言, 轉(zhuǎn)速上升時間不大于 60ms 。16

45、 系統(tǒng)的控制要求本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 1.2 所示。由圖 1.2 可知, 本文通過 PLC 控制變頻器達到變頻調(diào)速的目的, 從而實現(xiàn)交流 電 機的正反轉(zhuǎn)、 起停、 加速、 減速控制以及速度的調(diào)節(jié), 并且能夠在在觸摸屏上進行操 作, 控制電機調(diào)速。17. 方案的確定1 電動機的選擇在變頻電機中, 電動機類型選擇的原則是, 在滿足工作機械對于拖動系統(tǒng)要求的 前提 下,所選電動機應(yīng)盡可能結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便、價格低廉。因此,在 選用電動 機種類時,若機械工作對拖動系統(tǒng)無過高要求,應(yīng)優(yōu)先選用交流電動機。在交流電動機中,籠型異步電動機結(jié)構(gòu)簡單,運行最可靠,維護最方便,對起動 性能 無過高要求的調(diào)速系

46、統(tǒng), 應(yīng)優(yōu)先考慮。在電機工作中起動、制動比較頻繁, 為提 高生產(chǎn)率, 又要求電動機具有較大的起動、 制動轉(zhuǎn)矩以縮短起動制動時間, 同時還有 一定的調(diào)速要求, 所以本設(shè)計采用籠型異步電動機,其參數(shù)為:型號:WDJ26;電壓:380V ;接法:角接;轉(zhuǎn)速:1430r/min;功率:40W ; 電流:0.2A ;頻率:50HZ ;絕緣等級:E 。2 開環(huán)控制的選擇開環(huán)控制的選擇開環(huán)控制是最簡單的一種控制方式,他所具有的特點是,控制量與被控制量之間 只有前向通路而沒有反向通路。這種控制方式的特點是控制作用的傳遞具有單 向性。 由于開環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡單,調(diào)整方便,成本低。在國民經(jīng)濟各部門均有采用。因此, 本

47、 系統(tǒng)采用開環(huán)控制系統(tǒng)。變頻器的選擇隨著變頻器性能價格比的提高, 交流變頻調(diào)速己應(yīng)用到許多領(lǐng)域, 由于變 頻調(diào)速 的諸多優(yōu)點,使得交流變頻調(diào)速得到廣泛應(yīng)用。其功能較強,使用靈活,但其價格 相 對較貴。所以我選用了通用變頻器,通過合理的配置、 設(shè)計和編程, 同樣可以達到專 用 變頻器的控制效果。 本設(shè)計采用的變頻器是西門子公司面向世界推出的 21 世紀通用型變 頻器 MM420。 它可實現(xiàn)平穩(wěn)操作和精確控制, 使電動機達到理想輸出, 這種變頻器不僅 考 慮了 V/f 控制, 而且還實現(xiàn)了矢量控制, 通過其本身的自動調(diào)諧功能與無速度傳感 器電 流矢量控制,很容易得到高起動轉(zhuǎn)矩與較高的調(diào)速范圍。 MM420 變頻器的特點如下: 包括電流矢量控制在內(nèi)的四種控制方式均實現(xiàn)了標(biāo)準化。 有豐富的內(nèi)藏與選擇功能。 由于采用了最新式的硬件,因此,功能全、體積小。 保護功能完善、維修性能好。 通過 LCD 操作裝置,可提高操作性能。18 S7-200 PLC本系統(tǒng)選用的是西門子公司生產(chǎn)的 SIMATIC S7-200 系列小型 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)。由于它極強的的通信功 能,在大型 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮其功能。S7-200