學士學位論文--基于plc的電機控制系統(tǒng)的研制

安徽理工大學畢業(yè)設計PAGEPAGE2本科畢業(yè)論文基于PLC的電機控制系統(tǒng)的研制DEVELOPMENTOFTHEMOTORCONTROLSYSTEMBASEDONPLC學院：電氣與信息工程學院專業(yè)班級：電氣09-7學生姓名：指導教師：201安徽理工大學畢業(yè)設計PAGEPAGEI基于PLC的電機控制系統(tǒng)的研制摘要電動機作為電力系統(tǒng)中的主要負載，電機用戶消耗了超過1/2的系統(tǒng)負荷，但從機電能量轉化的角度來看，大多數(shù)電機的效率仍然偏低。隨著工農業(yè)的不斷發(fā)展，對電動機運行的要求也不斷提高，很多的生產過程中都要求電動機能根據(jù)不同的工況，運行在不同的速度狀態(tài)下。隨著科學技術的不斷發(fā)展，微電子技術、計算機技術和自動控制技術也得到了迅速發(fā)展，PLC、變頻器和電氣控制系統(tǒng)在工業(yè)中的應用越來越廣泛。在實際的工程應用中往往是根據(jù)工程項目的需要，用PLC進行編程實現(xiàn)復雜控制，利用變頻器實現(xiàn)變頻調速和軟啟動控制，利用電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)主電路的連接，三個系統(tǒng)要密切配合才能實現(xiàn)控制要求。本設計將在PLC電控系統(tǒng)的基礎上配合變頻調速裝置，運用現(xiàn)在先進的矢量控制技術，實現(xiàn)提升電機在不同時間階段運行在不同速度下。關鍵詞：PLC，變頻器，三相交流異步電動機DEVELOPMENTOFTHEMOTORCONTROLSYSTEMBASEDONPLCABSTRACTMotorasthemainloadinthepowersystem,motorusersconsumedmorethan1/2systemload,buttheelectromechanicalenergyconversionpointofview,themajorityofthemotorefficiencyisstilllow.Withthecontinuousdevelopmentofagricultureandindustry,themotorisrunning,alotoftheproductionprocessrequirementsofthemotoraccordingtodifferentconditions,runatadifferentspeed.Withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,microelectronictechnology,computertechnologyandautomaticcontroltechnologyhasbeenrapiddevelopmentofthePLC,inverterandelectricalcontrolsystemismorewidelyappliedinindustry.Inpracticalengineeringapplications,oftenaccordingtotheneedsoftheproject,withthePLCprogrammingtoimplementcomplexcontrol,theinverterfrequencycontrolandsoftstartcontrol,electricalcontrolsystemtoachievethemaincircuitconnection,thethreesystemsshouldcloselycooperatetoachievethecontrolrequirements.ThedesignwillbeonthebasisofthePLCelectriccontrolsystemwithfrequencycontroldevices,theuseofadvancedvectorcontroltechnologytoachievetoenhancethespeedofthemotoratdifferenttimesandstages.KEYWORDS:PLC,inverter,three-phaseacasynchronousmotor目錄摘要 IABSTRACT II1緒論 11.1引言 11.2PLC控制的交流電動機變頻調速系統(tǒng)簡述 11.3PLC控制的交流電動機變頻調速系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀 21.4PLC與電氣控制的結合運用 21.4.1PLC與電氣控制相結合的優(yōu)點 31.4.2PLC與電氣控制發(fā)展的方向 31.5課題研究設計的目的和意義 52PLC的基礎知識 62.1PLC的概述 62.1.1PLC的定義 62.1.2PLC的特點 72.2PLC的基本構成 82.2.1中央處理模塊 82.2.2存儲器模塊 92.2.3輸入/輸出（I/O）模塊 92.2.4電源模塊 102.2.5外部設備 112.3PLC的工作原理 112.3.1PLC的循環(huán)掃描的工作方式 113三相交流異步電動機的基本原理 143.1三相交流異步電動機的結構 143.2三相交流異步電動機工作原理 143.2.1旋轉磁場的產生 143.2.2三相異步電動機的轉差率 163.3三相交流異步電動機控制電路 173.3.1三相異步電動機啟動控制 173.3.2三相異步電動機正反轉控制 193.3.3三相異步電動機制動控制 193.3.4三相異步電動機變頻調速和變頻器控制 204提升電機系統(tǒng)模型的設計 224.1提升電機對電氣控制系統(tǒng)的要求 224.2提升電機模型基于PLC電機調速控制系統(tǒng)方案設計 234.3系統(tǒng)總體設計方案 244.3.1選擇機型 244.3.2系統(tǒng)控制結構 244.3.3系統(tǒng)接線圖 244.3.3控制系統(tǒng)I/O點 264.4設計步驟 264.5系統(tǒng)流程框圖 264.6系統(tǒng)硬件部分設計 274.6.1變頻器參數(shù)設置表 274.6.2輸出規(guī)格及標度變換 275系統(tǒng)軟件部分設計 295.1STEP7-Micro/Win32簡介 295.2系統(tǒng)程序主體 305.2.1系統(tǒng)控制主程序 305.2.20－20秒上升加速子程序 315.2.330－40秒減速子程序 325.2.460－65秒減速子程序 336系統(tǒng)調試程序及結果 346.1系統(tǒng)調試過程 346.2系統(tǒng)調試結果 34結論 35參考文獻 36致謝 381緒論1.1引言電動機作為電力系統(tǒng)中的主要負載，電機用戶消耗了超過1/2的系統(tǒng)負荷，但從機電能量轉化的角度來看，大多數(shù)電機的效率仍然偏低。隨著工農業(yè)的不斷發(fā)展，對電動機運行的要求也不斷提高，很多的生產過程中都要求電動機能根據(jù)不同的工況，運行在不同的速度。早期工業(yè)生產中，對于一些要求調速精度高的系統(tǒng)，采用了直流電動機，但直流電動機存在啟動轉矩小，換向電刷容易老化產生火花等問題。人們又根據(jù)交流電動機的運行特點，得出了傳統(tǒng)的交流電動機調速方法，是利用轉子回路串電阻分段控制的交流繞線式電機繼電器接觸器系統(tǒng)，設備陳舊、技術落后。隨著微電子技術、計算機技術和數(shù)字通信技術的高速發(fā)展，PLC產品高度融合了計算機產業(yè)最先進的技術與工業(yè)自動控制的經典理論，在其功能及性能指標上得以豐富和完善，從而突破了傳統(tǒng)PLC的概念，在中、小型控制領域內極大地擴展了其應用范圍。在特定的范圍內，高性能價格比己成為新型PLC的最突出的特點。PLC以其高可靠性、適應性強和使用方便等突出優(yōu)點在自動化控制領域應用廣泛。1.2PLC控制的交流電動機變頻調速系統(tǒng)簡述所謂交流電動機的變頻調速，是利用電動機轉速的規(guī)律：(1-1)對電動機的速度進行調節(jié)，本次畢業(yè)設計選用的是交-直-交變頻器。工作原理是，先通過半導體器件組成的整流電路，把三相電源轉換成直流電。然后，再把直流電逆變成所需頻率的交流電，從而達到控制電動機轉速的目的?，F(xiàn)在通用變頻器大都是采用二極管整流器和由全控開關器件IGBT或功率模塊組成的PWM（脈寬調制）逆變器，構成交-直-交電壓源型變壓變頻器，他們已經占據(jù)了全世界0.5到500kV·A中、小容量變頻調速裝置的絕大部分市場。所謂“通用”，包含著兩方面的含義：一是可以和通用的鼠籠型異步電動機配套使用；二是具有多種可供選擇的功能，適用于各種不同性質的負載。PLC（可編程控制器）的引入，使得控制系統(tǒng)自動化程度有了很大的提高，也對一些復雜的工作環(huán)境實現(xiàn)遠程控制。其原理是通過RS-285串行通信技術，把PLC和上位機連接，實現(xiàn)他們之間的通信，利用STEP_7MicroWIN.V4.0編程軟件，根據(jù)搭建好的硬件線路圖進行編程，實現(xiàn)所要實現(xiàn)的邏輯控制功能。1.3PLC控制的交流電動機變頻調速系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀隨著電力電子技術和自動控制技術的日益發(fā)展，電動機的調速已經從繼電氣時代發(fā)展到今天的由變頻器控制調速。且在工業(yè)各個領域中得到了極為廣泛的應用。在現(xiàn)在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，最為常見的是由PLC控制變頻器實現(xiàn)電動機的調速控制。該方法主要通過程序來控制電動機的變頻調速，從而實現(xiàn)了自動控制。直流電氣傳動和交流電氣傳動在十九世紀先后誕生。在二十世紀的大部分年代里，鑒于直流傳動具有優(yōu)越的調速性能，高性能可調速傳動都采用直流電動機，而約占電氣傳動總容量80%的不變速傳動則采用交流電動機，這種狀況在一段時期內已成為一種舉世公認的格局。二十世紀七十年代后，隨著大規(guī)模集成電路和計算機控制技術的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應用，交流調速系統(tǒng)逐步具備了寬的調速范圍、高的穩(wěn)速范圍、高的穩(wěn)速精度、快的動態(tài)響應，且實現(xiàn)了在四相限運行的良好技術性能。它的調速性能與可靠性不斷完善，價格不斷降低，特別是變頻調節(jié)省電效果明顯，而且易于實現(xiàn)過程自動化在調速性能方面可以和直流電力拖動相媲美。目前交流調速技術在工業(yè)發(fā)達國家已得到廣泛應用。例如在通用變頻器方面，針對中、低壓應用領域的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的高開關頻率使得高性能的變頻器成為了可能，而在以后出現(xiàn)的只能功率模塊（IPM），更加簡化了通用變頻器的設計。此后，交流調速系統(tǒng)主要沿用下述兩個方向發(fā)展和應用。（1）一般性能的節(jié)能調速。在過去大量的所謂不變速交流傳動中，風機、水泵等機械總容量幾乎占工業(yè)電氣傳動總容量的一半，其中有不少的場合并不是不需要調速，只是因為過去交流電機本身不具備調速性能，不得不依賴擋板和閥門來調節(jié)送風和供水的流量，許多電能因此白白的浪費掉了。如果把這些設備的控制系統(tǒng)換成交流調速系統(tǒng)，就能節(jié)省消耗在擋板和閥門上的能量。根據(jù)有關計算統(tǒng)計，由于風機、水泵對調速范圍和動態(tài)性能的要求都不高只需要一般的調速性能就已足夠，那么換成交流調速系統(tǒng)后，每臺風機、水泵平均約可節(jié)能20%，這種節(jié)能效果是非?？捎^的。（2）高性能交流調速系統(tǒng)。許多在工藝上就需要調速的生產機械，過去多用直流傳動，鑒于交流電機比直流電機結構簡單、成本低廉、工作可靠、維護方便、轉動慣量小、效率高，如果改成交流調速傳動，顯然能夠帶來不少的效益。交流調速系統(tǒng)的國內外研究現(xiàn)狀近年來隨著電力電子技術和微電子技術迅猛發(fā)展以及現(xiàn)代控制理論和計算機控制技術的應用，交流調速領域發(fā)展非常迅速，交流傳動技術取得了突破性進展，獲得了許多創(chuàng)造性成果。自七十年代矢量控制技術發(fā)展以來，從理論上解決了交流調速系統(tǒng)在靜、動態(tài)性能上與直流傳動相媲美的問題。1.4PLC與電氣控制的結合運用作為通用工業(yè)控制計算機，30年來，可編程控制器從無到有，實現(xiàn)了工業(yè)控制領域接線邏輯到存儲邏輯的飛躍。其功能從弱到強，實現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)字控制的進步。其應用領域從小到大，實現(xiàn)了單體設備簡單控制到勝任運動控制、過程控制、及集散控制等各種任務的跨越。今天的可編程控制器正在成為工業(yè)控制領域的主流控制設備，在世界各地發(fā)揮著越來越大的作用。1.4.1PLC與電氣控制相結合的優(yōu)點PLC的優(yōu)點是外部接線簡單，內部程序可變，在不改變接線的情況下，可以重新設計程序，而且相應的施工周期較短，內部軟繼電器是寄存器，沒有觸動，故障率低，壽命長，抗干擾能力強，執(zhí)行時間短，應用指令多，可實現(xiàn)復雜的控制功能等等。傳統(tǒng)繼電器的不足之處是有觸動系統(tǒng)，故而故障率高，平均修復時間長，壽命短，功耗大，如需改變系統(tǒng)功能將需重新的接線，工作量相對較大且容易出錯，執(zhí)行時間長等等。然而PLC對于高壓控制元件的控制卻沒有繼電器等系統(tǒng)的優(yōu)點，在許多工廠的電力系統(tǒng)中有許多的高壓電力設備所需的控制系統(tǒng)只能通過大型的繼電元件來實現(xiàn)動作，而對于要實現(xiàn)自動化程度較高的工廠生產線而言，這種繼電系統(tǒng)卻沒有PLC系統(tǒng)的結構簡單，操作容易，方便快捷等優(yōu)點，然而將這兩種系統(tǒng)相結合卻可以實現(xiàn)對工廠電氣系統(tǒng)的控制，使之更科學，更簡潔，更加具有高速的運行速度，讓工廠的自動化成度更高。1.4.2PLC與電氣控制發(fā)展的方向從工業(yè)革命時期到現(xiàn)在電氣控制已經發(fā)展了一個相當長的時間，再發(fā)展也不會有什么突出的表現(xiàn)，而PLC技術的發(fā)展還處于一個不斷創(chuàng)新的階段，所以PLC的發(fā)展與電氣控制的發(fā)展已然成為一種主從關系，即PLC的發(fā)展帶動電氣控制的發(fā)展，而未來PLC的發(fā)展其中有兩個趨勢。一方面，PLC網絡系統(tǒng)已經不再是自成體系的封閉系統(tǒng)，而是迅速向開放式系統(tǒng)發(fā)展，各大品牌PLC除了形成自己各具特色的PLC網絡系統(tǒng)，完成設備控制任務之外，還可以與上位計算機管理系統(tǒng)聯(lián)網，實現(xiàn)信息交流，成為整個信息管理系統(tǒng)的一部分。1.PLC向網絡化技術發(fā)展PLC向網絡化技術發(fā)展，其中有兩個趨勢：一方面，PLC網絡系統(tǒng)已經不再是自成體系的封閉系統(tǒng)，而是迅速向開放式系統(tǒng)發(fā)展，各大品牌PLC除了形成自己各具特色的PLC網絡系統(tǒng)，完成設備控制任務之外，還可以與上位計算機管理系統(tǒng)聯(lián)網，實現(xiàn)信息交流，成為整個信息管理系統(tǒng)的一部分；另一方面，現(xiàn)場總線技術得到廣泛的采用，PLC與其他安裝在現(xiàn)場的智能化設備，比如智能化儀表，傳感器，智能型電磁閥，智能型驅動執(zhí)行機構等，通過一根傳輸介質(比如雙絞線，同軸電纜，光纜)連接起來，并按照同一通信規(guī)約互相傳輸信息，由此構成一個現(xiàn)場工業(yè)控制網絡，這種網絡與單純的PLC遠程網絡相比，配置更靈活，擴容更方便，造價更低，性能價格比更好，也更具開放性意義。2.PLC向高性能小型化發(fā)展PLC的功能正越來越豐富，而體積則越來越小。比如西門子的S7-200系列PLC，最小的機種，體積僅為60×90×70，相當于一個繼電器，但卻具有高速計數(shù)、斜坡、交替輸出及16位四則運算等能力，還具有可調電位器時間設定功能。PLC已不再是早期那種只能進行開關量邏輯運算的產品了，而是具有越來越強的模擬量處理能力，以及其他過去只有在計算機上才能具有的高級處理能力，如浮點數(shù)運算，PID調節(jié)，溫度控制，精確定位，步進驅動，報表統(tǒng)計等。從這種意義上說，PLC系統(tǒng)與DCS(集散控制系統(tǒng))的差別已經越來越小了。用PLC同樣可以構成一個過程控制系統(tǒng)。3.預測發(fā)展前景（1）增強抗干擾性如果生產環(huán)境過于惡劣，或是電磁干擾異常強烈則也可造成PLC控制系統(tǒng)的運算或是控制錯誤，導致在某些生產環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯誤而不能保證正常的生產運行，因此，提高PLC的可靠性是其未來發(fā)展的主要方向，其一方面要提高抗干擾能力同時在設計、安裝以及使用過程中引起重視，盡量減少對其造成負面影響。（2）進一步網絡化、數(shù)字化目前用于火電系統(tǒng)控制系統(tǒng)的DCS雖技術日益成熟但近年來其發(fā)展日趨緩慢，PLC的產生及發(fā)展使其與DCS相互吸收彼此特點，逐步同化，并逐步發(fā)展成為新的控制系統(tǒng)——FCS系統(tǒng)，其既保留了原來系統(tǒng)的特性又實現(xiàn)了工業(yè)自動化技術的發(fā)展，并使數(shù)作為通用工業(yè)控制計算機，30年來，可編程控制器從無到有，實現(xiàn)了工業(yè)控制領域接線邏輯到存儲邏輯的飛躍。其功能從弱到強，實現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)字控制的進步。其應用領域從小到大，實現(xiàn)了單體設備簡單控制到勝任運動控制、過程控制、及集散控制等各種任務的跨越。今天的可編程控制器正在成為工業(yè)控制領域的主流控制設備，在世界各地發(fā)揮著越來越大的作用。PLC的優(yōu)點是外部接線簡單，內部程序可變，在不改變接線的情況下，可以重新設計程序，而且相應的施工周期較短，內部軟繼電器是寄存器，沒有觸動，故障率低，壽命長，抗干擾能力強，執(zhí)行時間短，應用指令多，可實現(xiàn)復雜的控制功能等等。傳統(tǒng)繼電器的不足之處是有觸動系統(tǒng)，故而故障率高，平均修復時間長，壽命短，功耗大，如需改變系統(tǒng)功能將需重新的接線，工作量相對較大且容易出錯，執(zhí)行時間長等等。然而PLC對于高壓控制元件的控制卻沒有繼電器等系統(tǒng)的優(yōu)點，在許多工廠的電力系統(tǒng)中有許多的高壓電力設備所需的控制系統(tǒng)只能通過大型的繼電元件來實現(xiàn)動作，而對于要實現(xiàn)自動化程度較高的工廠生產線而言，這種繼電系統(tǒng)卻沒有PLC系統(tǒng)的結構簡單，操作容易，方便快捷等優(yōu)點，然而將這兩種系統(tǒng)相結合卻可以實現(xiàn)對工廠電氣系統(tǒng)的控制，使之更科學，更簡潔，更加具有高速的運行速度，讓工廠的自動化成度更高。從工業(yè)革命時期到現(xiàn)在電氣控制已經發(fā)展了一個相當長的時間，再發(fā)展也不會有什么突出的表現(xiàn)，而PLC技術的發(fā)展還處于一個不斷創(chuàng)新的階段，所以PLC的發(fā)展與電氣控制的發(fā)展已然成為一種主從關系，即PLC的發(fā)展帶動電氣控制的發(fā)展，而未來PLC的發(fā)展其中有兩個趨勢。一方面，PLC網絡系統(tǒng)已經不再是自成體系的封閉系統(tǒng)，而是迅速向開放式系統(tǒng)發(fā)展，各大品牌PLC除了形成自己各具特色的PLC網絡系統(tǒng)，完成設備控制任務之外，還可以與上位計算機管理系統(tǒng)聯(lián)網，實現(xiàn)信息交流，成為整個信息管理系統(tǒng)的一部分PLC向網絡化技術發(fā)展，其中有兩個趨勢：一方面，PLC網絡系統(tǒng)已經不再是自成體系的封閉系統(tǒng)，而是迅速向開放式系統(tǒng)發(fā)展，各大品牌PLC除了形成自己各具特色的PLC網絡系統(tǒng)，完成設備控制任務之外，還可以與上位計算機管理系統(tǒng)聯(lián)網，實現(xiàn)信息交流，成為整個信息管理系統(tǒng)的一部分；另一方面，現(xiàn)場總線技術得到廣泛的采用，PLC與其他安裝在現(xiàn)場的智能化設備，比如智能化儀表，傳感器，智能型電磁閥，智能型驅動執(zhí)行機構等，通過一根傳輸介質(比如雙絞線，同軸電纜，光纜)連接起來，并按照同一通信規(guī)約互相傳輸信息，由此構成一個現(xiàn)場工業(yè)控制網絡，這種網絡與單純的PLC遠程網絡相比，配置更靈活，擴容更方便，造價更低，性能格比更好，也更具開放性意義。PLC的功能正越來越豐富，而體積則越來越小。比如西門子的S7-200系列PLC，最小的機種，體積僅為60×90×70，相當于一個繼電器，但卻具有高速計數(shù)、斜坡、交替輸出及16位四則運算等能力，還具有可調電位器時間設定功能。PLC已不再是早期那種只能進行開關量邏輯運算的產品了，而是具有越來越強的模擬量處理能力，以及其他過去只有在計算機上才能具有的高級處理能力，如浮點數(shù)運算，PID調節(jié)，溫度控制，精確定位，步進驅動，報表統(tǒng)計等。從這種意義上說，PLC系統(tǒng)與DCS(集散控制系統(tǒng))的差別已經越來越小了。用PLC同樣可以構成一個過程控制系統(tǒng)。如果生產環(huán)境過于惡劣，或是電磁干擾異常強烈則也可造成PLC控制系統(tǒng)的運算或是控制錯誤，導致在某些生產環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯誤而不能保證正常的生產運行，因此，提高PLC的可靠性是其未來發(fā)展的主要方向，其一方面要提高抗干擾能力同時在設計、安裝以及使用過程中引起重視，盡量減少對其造成負面影響。目前用于火電系統(tǒng)控制系統(tǒng)的DCS雖技術日益成熟但近年來其發(fā)展日趨緩慢，PLC的數(shù)字化、智能化控制得到進一步的發(fā)展和應用，因此其近年來在火電廠的應用日益廣泛。PLC產品還可以用于離散、制程和混合式自動化產品領域，并在各個制造行業(yè)保持穩(wěn)固增長?；趯Ω咦詣踊潭群透吣苄У男枰圃鞓I(yè)會越來越多地應用PLC。在制造過程中，以最低生產設備生命周期成本來實現(xiàn)適應性和靈活性的日益增加的需求，給PLC的創(chuàng)新與發(fā)展提供了不竭的動力。一些新興行業(yè)的運用以及新能源產生、儲存和基礎設施建設的需要，無疑給PLC帶來了巨大的機遇。為了能夠更廣泛的適應未來各種工業(yè)生產過程中控制場所的需要，PLC控制系統(tǒng)作為自動化控制網絡和國際通用網絡的重要部分其產品將會更加豐富，規(guī)格也會更加齊全，并將在人類電氣自動化發(fā)展過程中發(fā)揮更加廣泛的作用。隨著社會的日益進步，人們對生活水平要求的不斷提高，未來的PLC與電氣制的目標將朝著工業(yè)自動化水平更高的方向發(fā)展，在西方國家這一目標已經得到一定的實現(xiàn)，而我國正朝著這一目標努力前進。一個國家的發(fā)達水平與該國家的工業(yè)自動化程度有著密不可分的關系，而電、氣、水的控制又與工業(yè)自動化的成度密不可分，而要實現(xiàn)這一系列的動作控制無疑通過PLC控制系統(tǒng)的統(tǒng)一集中控制是最能體現(xiàn)自動化優(yōu)勢的。1.5課題研究設計的目的和意義電機是工業(yè)生產中最重要的拖動設備之一，交流異步電機由于結構簡單、維修容易等優(yōu)點，被廣泛應用于工農業(yè)及其他生產當中。但隨著工農業(yè)的不斷發(fā)展，對電動機運行的要求也不斷提高，很多的生產過程中都要求電動機能根據(jù)不同的工況，運行在不同的速度。早期工業(yè)生產中，對于一些要求調速精度高的系統(tǒng)，采用了直流電動機，但直流電動機存在啟動轉矩小，換向電刷容易老化產生火花等問題。人們又根據(jù)交流電動機的運行特點，得出了傳統(tǒng)的交流電動機調速方法，是利用轉子回路串電阻分段控制的交流繞線式電機繼電器接觸器系統(tǒng)，設備陳舊、技術落后。而且這種控制方式存在著很多的問題:（1）轉子回路串接電阻，消耗電能，造成能源浪費。（2）電阻分級切換，為有級調速，設備運行不平穩(wěn)，容易引起電氣及機械沖擊。（3）繼電器、接觸器頻繁動作，電弧燒蝕觸點，影響接觸器使用壽命，維修成本較高。（4）交流繞線異步電動機的滑環(huán)存在接觸不良問題，容易引起設備事故。（5）電動機依靠轉子電阻獲得的低速，其運行特性較軟。上述問題使提升機運行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此，需研制更加安全可靠的控制系統(tǒng)，使可調速系統(tǒng)的運行有更好的可靠性和安全性。就計算機技術在工業(yè)現(xiàn)場應用情況而言，可編程控制器(PLC)是目前作為工業(yè)控制最理想的機型，它是采用計算機技術、按照事先編好并儲存在計算機內部一段程序來完成設備的操作控制。采用PLC控制，硬件簡潔、軟件靈活性強、調試方便、維護量小，PLC技術己經廣泛應用于各種控制系統(tǒng)。本設計將在PLC電控系統(tǒng)的基礎上配合變頻調速裝置，運用現(xiàn)在先進的矢量控制技術，適合和現(xiàn)在工業(yè)應用領域的絕大部分控制要求。2PLC的基礎知識2.1PLC的概述2.1.1PLC的定義PLC的技術從誕生之日起,就不斷地發(fā)展，PLC的定義也經過多次變動。1987年國際電工委員會IEC頒布了可編程控制器最新的定義：可編程控制器（PLC）是一種能夠直接應用于專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)核算數(shù)計算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各類的機械或生產過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P的外圍設備都應按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。可見，PLC的定義實際是根據(jù)PLC的硬件和軟件技術進展而發(fā)展的。這些發(fā)展不僅改進了PLC的設計，也改變了恐怖感知系統(tǒng)的設計理念。1.PLC的硬件發(fā)展（1）采用新的先進的微處理器和電子技術達到快速的掃描時間。（2）小型的、低成本的PLC，可以代替4~10個繼電器，現(xiàn)在獲得了更大的發(fā)展動力。（3）高密度的I/O系統(tǒng)，以低成本提供了節(jié)省空間的接口。（4）基于微處理器的智能I/O接口擴展了分布式控制能力，典型的接口有PID、網絡、CAN總線、現(xiàn)場總線、ASCII通信、定位、主機通信模塊和語言模塊等。（5）包括輸入/輸出模塊和端子的結構設計改進，使端子更加集成。（6）特殊接口允許某些期間可以直接接到控制器上，如熱電偶、熱電阻、應力測量級快速響應脈沖等。（7）外部設備改進了操作員界面技術，系統(tǒng)文檔功能成為PLC的標準功能。以上這些硬件的改進，使PLC的產品系列豐富和發(fā)展，PLC從最小只有10個I/O點的微型PLC，發(fā)展到可以達到8000個I/O點的大型PLC。2.PLC的軟件進展（1）PLC引入了面向對象的編程工具，并根據(jù)國際電工委員會的IEC61131-3的標準形成了多種語言。（2）小型PLC也提供了強大的編程指令，并且延伸了應用領域。（3）高級語言如BASIC和C語言在某些控制器模塊中已經可以實現(xiàn)，并在與外部通信和處理數(shù)據(jù)時提供了更大的編程靈活性。（4）形圖邏輯中可以實現(xiàn)高級的功能塊指令，使用戶用簡單的編程方法實現(xiàn)復雜的軟件功能。（5）診斷和錯誤檢測功能是從簡單的系統(tǒng)控制器的過賬診斷擴大到對所控制的機器和設備的過程診斷。（6）浮點算術可以進行控制應用中計量、平衡和統(tǒng)計的所牽涉的復雜計算。（7）數(shù)據(jù)處理指令得到簡化和改進，可以進行涉及大量數(shù)據(jù)存儲、跟蹤和存取復雜控制，以及數(shù)據(jù)采集和處理功能。2.1.2PLC的特點PLC發(fā)展如此迅速是因為它具有一些其他控制系統(tǒng)所不及的一些特點。1.可靠性可靠性包括產品的有效性和可維修性。PLC的可靠性高，表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）PLC不需要大量的活動部件和電子元件，接線大大減少，與此同時，系統(tǒng)的維修簡單、維修時間縮短，使可靠性得到提高。（2）PLC采用一系列可靠性設計方法進行設計。（3）PLC有較強的易操作性，它具有編程簡單、操作方便、編程的出錯大大降低及為工業(yè)惡劣操作環(huán)境而設計的硬件，使可靠性大大提高。2.易操作性PLC的易操作性表現(xiàn)在下列三個方面：（1）操作方便。對PLC的操作包括程序的輸入和程序更改的操作，大多數(shù)PLC采用編程器進行程序輸入和程序更改操作。（2）編程簡單。PLC有多種程序設計語言可以使用，對現(xiàn)場電器人員來說，由于梯形圖與電氣原理圖相似，因此，梯形圖很容易理解和掌握。采用語句表編程時，由于編程語句是功能的縮寫，便于記憶，并且與梯形圖有一一對應的關系，所以有利于編程人員的編程操作。功能圖表語言以過程流程進展為主線，十分適合設計人員與工藝專業(yè)人員設計思想的溝通。功能模塊圖和結構化文本語言編程方法具有功能清晰、易于理解等優(yōu)點。（3）維修方便。PLC所具有的自診斷功能對維修人員的技術要求降低。3.靈活性PLC的靈活性主要表現(xiàn)在以下3個方面：（1）編程的靈活性。PLC采用的標準編程語言有梯形圖、指令表、功能圖表、功能模塊圖和結構化文本編程語言等。（2）擴展的靈活性。PLC的擴展靈活性是指可以根據(jù)應用的規(guī)模不斷擴大，即進行容量的擴展、功能的擴展、應用和控制范圍的擴展。（3）操作的靈活性。操作的靈活性是指涉及工作量、編程工作量和安裝施工的工作量的減少。2.2PLC的基本構成PLC實質上是一臺用于工業(yè)控制的專用計算機，它與一般計算機的結構機組成相似。主要是由中央處理（CPU）模塊、編程器、電源模塊、存儲器模塊和專門設計的輸入輸出接口電路等組成。結構如圖2-1所示：圖2-1PLC的基本結構圖主機內的各部分均通過電源總線、控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線連接。根據(jù)實際控制對象的需要配備一定的外部設備，可構成不同的PLC控制系統(tǒng)。2.2.1中央處理模塊中央處理模塊（CPU）一般由控制器、運算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個芯片內。CPU通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲單元、輸入/輸出接口電路相連接。CPU是PLC的核心部件，它完成PLC所進行的邏輯運算、數(shù)值運算及信號變換等任務，并發(fā)出管理、協(xié)調PLC各部分工作的控制信號。CPU主要作用如下：（1）接收從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)，送入存儲器存儲。（2）用掃描方式接收輸入設備的狀態(tài)信號，并存入相應的數(shù)據(jù)區(qū)。（3）監(jiān)測和診斷電源、PLC內部電路的工作狀態(tài)和用戶編程過程中的語法錯誤。（4）執(zhí)行用戶程序，從存儲器逐條讀取用戶指令，完成各種數(shù)據(jù)的運算、傳送和存儲等功能。（5）根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結果，刷新有關標志位的狀態(tài)和輸出映像寄存器表的內容，再經輸出部件實現(xiàn)輸出控制，制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。2.2.2存儲器模塊PLC的存儲器是存儲程序和數(shù)據(jù)的地方，PLC運行所需的程序分為系統(tǒng)程序及用戶程序，存儲器也分為系統(tǒng)存儲器（EPROM）和用戶存儲器（RAM）兩部分。（1）系統(tǒng)存儲器。系統(tǒng)存儲器是用來存放PLC生產廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固化在只讀存儲器ROM內，用戶不能更改。（2）用戶存儲器。用戶存儲器包括用戶程序存儲區(qū)和用戶數(shù)據(jù)存儲區(qū)兩部分。用戶程序存儲區(qū)存放針對具體控制任務，用規(guī)定的PLC編程語言編寫的控制程序。用戶程序存儲區(qū)的內容可以由用戶任意修改和增刪。用戶程序存儲器的容量一般代表PLC的標稱容量，通常小型機小于8KB，中型機小于64KB，大型機在64KB以上。用戶數(shù)據(jù)存儲區(qū)用于存放PLC在運行過程中所用到的和生成的各種工作數(shù)據(jù)。用戶數(shù)據(jù)存儲區(qū)包括輸入數(shù)據(jù)映像區(qū)、輸出數(shù)據(jù)映像區(qū)、定時器、計算器的預置值和當前值的數(shù)據(jù)區(qū)，以及存放中間結果的緩沖區(qū)等。這些數(shù)據(jù)是不斷變化的，但不需要長久保存，因此采用隨機讀寫存儲器RAM，由于隨機讀寫存儲器RAM是一種揮發(fā)性的器件，即當供電電源關掉后，其存儲的內容會丟失，因此，在實際使用中通常為其配備掉電保護電路。當正常電源關斷后，由備用電池為其供電，保護其存儲內容不丟失。2.2.3輸入/輸出（I/O）模塊輸入/輸出（I/O）模塊是PLC與工業(yè)控制現(xiàn)場各類信號連接的部分，起著PLC與被控制對象間傳遞輸入/輸出信息的作用。由于實際生產過程中產生的輸入信號多種多樣，信號電平各不相同，而PLC所能處理的信號只能是標準電平，因此必須通過輸入模塊講這些此信號轉換成CPU能夠接受和處理得標準電平信號。同樣，外部執(zhí)行元件如電磁閥、接觸器、繼電器等所需的控制信號電平也有差別，也必須通過輸出模塊將CPU輸出的標準電平信號轉換成這些執(zhí)行元件所能接收的控制信號。PLCI/O模塊的接口電路結構框圖如圖2-2所示。為了提高抗干擾能力，一般的I/O模塊都有光電隔離裝置。在數(shù)字量I/O模塊中廣泛采用由發(fā)光二極管和光電三極管組成的光耦合器，在模擬模塊中通常采用隔離放大器。來自工業(yè)生產現(xiàn)場的輸入信號經輸入模塊進入PLC。這些信號可以是數(shù)字量、模擬量、直流信號、交流信號等，使用時要根據(jù)輸入信號的類型選擇合適的輸入模塊。有PLC產生的輸出控制信號經過輸出模塊驅動負載，如電動機的啟停和正反轉、閥門的開閉、設備的移動、升降等。和輸入模塊相同，與輸出模塊相接的負載所需的控制信號可以是數(shù)字量、模擬量、直流信號、交流信號等，因此，同樣需要根據(jù)負載性質選擇合適的輸出模塊。圖2-2輸入/輸出接口電路結構框圖（a）輸入接口；（b）輸出接口2.2.4電源模塊PLC的電源模塊把交流電源轉換成供CPU、存儲器等電子電路工作所需要的直流電源，使PLC正常工作。PLC的電源部件有很好的穩(wěn)壓措施，因此對外部電源的穩(wěn)定性要求不高，一般允許外部電源電壓的額定值在+10%~-15%的范圍內波動。有些PLC的電源模塊還能向外提供24V（DC）穩(wěn)壓電源，用于外部傳感器供電。為了防止在外部電源發(fā)生故障的情況下，PLC內部程序和數(shù)據(jù)等重要信息的丟失，PLC用鋰電池做停電時的后備電源。2.2.5外部設備編程器是PLC開發(fā)應用、監(jiān)測運行、檢查維護不可或缺的外部設備，用于編程、調試、系統(tǒng)設定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場控制運行。編程器分智能型與非智能型，非智能型的是手持編程器，用于狀態(tài)監(jiān)測；智能型編程器是一臺運行編程軟件的計算機，通過通信適配器與PLC通信完成編程器的功能。2.3PLC的工作原理2.3.1PLC的循環(huán)掃描的工作方式PLC是以執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)控制要求的，在存儲器中設置輸入映像寄存器區(qū)和輸出映像寄存器區(qū)，分別存放執(zhí)行程序之前的各輸入狀態(tài)和執(zhí)行過程中各結果狀態(tài)。PLC對用戶程序的執(zhí)行是以循環(huán)掃描方式進行。PLC這種運行程序的方式與微型計算機相比有較大的不同。微型計算機運行程序時，一旦執(zhí)行到END指令，程序運行結束；而PLC從0000號存儲地址所存放的第一條用戶程序開始，在無中斷或跳轉的情況下，按存儲地址號遞增的方向順序逐條執(zhí)行用戶程序，直到END指令結束，然后再從頭開始執(zhí)行，并周而復始地重復，直到停機或從運行（RUN）切換到停止（STOP）工作狀態(tài)。PLC每掃描完一次程序就構成一個掃描周期。PLC采用循環(huán)掃描控制程序的工作方式，即在PLC的工作過程中，如果某一個軟繼電器的線圈接通，該縣權的所有動合觸點和動斷觸點，并不一定都會立即動作，只有CPU掃描到該觸點時才會動作。1.PLC的兩種工作狀態(tài)PLC有兩種工作狀態(tài)，即運行（RUN）狀態(tài)與停止（STOP）狀態(tài)。運行狀態(tài)是執(zhí)行應用程序，停止狀態(tài)一般用于程序的編制與修改。圖2-3給出了運行和停止兩種狀態(tài)PLC不同的掃描過程，在這兩個不同的工作狀態(tài)中，掃描過程所要完成的任務是不同的。PLC在RUN狀態(tài)時，執(zhí)行一次圖2-3所示的掃描操作所需的時間稱為掃描周期，其典型值為1~100ms。指令執(zhí)行所需的時間與用戶程序的長短、指令的種類和CPU執(zhí)行速度有很大的關系，PLC廠家一般給出每執(zhí)行1K條基本邏輯指令所需的時間（以ms為單位）。圖2-3PLC的工作過程2.PLC的工作過程PLC通電后，在系統(tǒng)程序的監(jiān)控下，周而復始的按一定的順序對系統(tǒng)內部的各種任務進行查詢、判斷和執(zhí)行，這個過程實質上是按順序循環(huán)掃描的過程。（1）初始化。PLC上電后，首先進行系統(tǒng)初始化，清除內部繼電器區(qū)，復位定時器等。（2）CPU自診斷。在每個掃描周期都要進入自診斷階段，對電源、PLC內部電路、用戶程序的語法進行檢查，定期復位監(jiān)控定時器等，以確保系統(tǒng)可靠運行。（3）通信信息處理。在每個通信信息處理掃描階段，進行PLC之間、PLC與計算機之間及PLC與其他帶微處理器的智能裝置通信，在多處理器系統(tǒng)中，CPU還要與數(shù)字處理器交換信息。（4）PLC與外部設備交換信息。PLC與外部設備連接時，在每個掃描周期內要與外部設備交換信息。這些外部設備有編程器、終端設備、彩色圖形顯示器、打印機等。編程器是人機交互的設備，用戶可以進行程序的編制、編輯、調試和監(jiān)視等。用戶把應用程序輸入到PLC中，PLC與編程器要進行信息交換。當在線編程、在線修改、在線運行監(jiān)控時，也要求PLC與編程器進行信息交換。在每個掃描周期內都要執(zhí)行此項任務。（5）執(zhí)行用戶程序。PLC在運行狀態(tài)下，每一個掃描周期都要執(zhí)行用戶程序。執(zhí)行用戶程序時，是以掃描的方式按順序逐句掃描處理的，掃描一條執(zhí)行一條，并把運算結果存入輸入映像區(qū)對應位中。（6）輸入、輸出信息處理。PLC在運行狀態(tài)下，每一個掃描周期都要進行輸入、輸出信息處理。以掃描的方式把外部輸入信號的狀態(tài)存入輸入映像區(qū)，將運算處理后的結果存入輸出映像區(qū)，直到傳送到外部被控設備。PLC周而復始的循環(huán)掃描，執(zhí)行上述整個過程，直至停機。3.用戶程序的循環(huán)掃描過程 PLC的工作過程，與CPU的操作方式有關。CPU有STOP方式和RUN方式兩個操作方式。再掃描周期內，STOP方式和RUN方式的主要差別在于RUN方式下執(zhí)行用戶程序，而STOP方式下不執(zhí)行用戶程序。PLC對用戶程序進行循環(huán)掃描的工作方式，每個掃描周期可分為三個階段：輸入采樣刷新階段、用戶程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段。（1）輸入采樣刷新階段。在此階段，順序讀入所有輸入端子的通斷狀態(tài)，并將讀入的信息存入內存中所對應的映像寄存器。在此輸入映像寄存器被刷新。接著進入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行時，輸入映像寄存器與外界隔離，即使輸入信號發(fā)生變化，其映像寄存器的內容也不會發(fā)生變化，只有在下一個掃描周期的輸入處理階段才能被讀入信息。（2）用戶程序執(zhí)行階段。根據(jù)PLC梯形圖程序掃描原則，按先左后右先上后下的步序，逐句掃描，執(zhí)行程序。遇到程序跳轉指令，根據(jù)跳轉條件是否滿足來決定程序的跳轉地址。從用戶程序涉及到輸入輸出狀態(tài)時，PLC從輸入映像寄存器中讀出上一階段采入的對應輸入端子狀態(tài)，從輸出映像寄存器讀出對應映像寄存器，根據(jù)用戶程序進行邏輯運算，存入有關器件寄存器中。對每個器件來說，器件映像寄存器中所寄存的內容，會隨著程序執(zhí)行過程而變化。（3）輸出刷新階段。程序執(zhí)行完畢后，將輸出映像寄存器，即器件映像寄存器中的Y寄存器的狀態(tài)，在輸出處理階段轉存到輸出鎖存器，通過隔離電路，驅動功率放大電路，使輸出端子向外界輸出控制信號，驅動外部負載。安徽理工大學畢業(yè)設計PAGE393三相交流異步電動機的基本原理3.1三相交流異步電動機的結構 三相交流異步電動機是一種將電能轉化為機械能的\o"電力拖動"電力拖動裝置。它主要由定子、轉子和它們之間的氣隙構成。對定子繞組通往三相交流電源后，產生旋轉磁場并切割轉子，獲得\o"轉矩"轉矩。三相交流異步電動機具有結構簡單、運行可靠、價格便宜、過載能力強及使用、安裝、維護方便等優(yōu)點,被廣泛應用于各個領域。三相異步電動機主要由定子和轉子構成，定子是靜止不動的部分，轉子是旋轉部分，在定子與轉子之間有一定的氣隙。定子由鐵心、繞組與機座三部分組成。轉子由鐵心與繞組組成，轉子繞組有鼠籠式和線繞式。鼠籠式轉子是在轉子鐵心槽里插入銅條，再將全部銅條兩端焊在兩個銅端環(huán)上而組成；線繞式轉子繞組與定子繞組一樣，由\o"線圈"線圈組成繞組放入轉子鐵心槽里。鼠籠式與線繞式兩種電動機雖然結構不一樣，但工作原理是一樣的。3.2三相交流異步電動機工作原理3.2.1旋轉磁場的產生將三相異步電動機的三相定子繞組接成星形，并且繞組在空間相差120°，在繞組內放一個可以轉動的籠型轉子，當向三相繞組中通入三相交流電時，籠型轉子便轉動起來。故可得出以下結論：當向三相繞組通入對稱的三相交流電時，可在繞組空間內產生旋轉磁場。下面分析旋轉磁場產生的原理。1.旋轉磁場產生的原理以兩極電動機即為例說明，如圖3-1(a)所示，對稱的三相繞組U1U2、V1V2、W1W2假設為集中繞組，三相繞組接成星形，并通以三相對稱電流、、，如圖3-1(b)、（c）所示。假定電流的瞬時值為正時電流是從各繞組的首段流入，末端流出。電流流入端用“×”表示，流出端用“”表示。當時，，為負值，即由末端V2流入，首端V1流出；為正值，即由首端W1流入，末端W2流出。利用右手螺旋定則可確定在瞬間由三相電流所產生的合成磁場方向，如圖3-1（d）所示。可見合成磁場是一對磁極，磁場方向與縱軸軸線方向一致，上方為北極，下方為南極。當時，為最大值，即由首端U1流入，末端U2流出；為負值，即由末端V2流入，首端V1流出；為負值，即由首端W2流入，末端W1流出。其合成磁場的方向，如圖3-1（e）所示?？梢姾铣纱艌龇较蛞暂^時按順時針方向轉過90°。同理可畫出、、時的合成磁場，分別如圖3-1（f）～（h）所示，可看出磁場的方向逐步按順時針方向旋轉，共轉過360°，即旋轉一周。圖3-1兩極定子繞組的旋轉磁場（a）簡化的三相繞組分布圖；（b）按星形連接的三相繞組接通三相電源；（c）三相對稱電流波形圖；（d）～（h）兩極繞組的旋轉磁場綜上所述，在三相交流電動機定子上布置有結構完全相同在空間位置各相差120°的三相繞組，分別通入三相交流電，則定子與轉子的空氣隙間所產生的合成磁場是沿定子內圓旋轉的，故稱旋轉磁場。2.旋轉磁場的旋轉方向由圖3-1可見，三相交流電的變化次序（相序）為A相達到最大值→B相達到最大值→C相達到最大值→A相……。將A相交流電接U相繞組，B相交流電接V相繞組，C相交流電接W相繞組，則產生的旋轉磁場的旋轉方向為U相→V相→W相（順時針旋轉），即與三相交流電的變化相序一致。如果任意調換電動機兩相繞組所接的交流電源的相序，即A相交流電仍接U相繞組，將B相交流電改接W相繞組，C相交流電接V相繞組，則合成磁場的旋轉方向已經變?yōu)槟鏁r針旋轉。綜上所述，旋轉磁場的旋轉方向由通入定子繞組中的三相交流電源的相序決定。只要任意調換電動機的兩相繞組所接的交流電源的相序，旋轉磁場即反轉。3.旋轉磁場的旋轉速度由圖3-1可見，兩極三相異步電動機（即）定子繞組所產生的旋轉磁場，當三相交流電變化一周后，其所產生的旋轉磁場也正好旋轉一周。故在兩極電動機中旋轉磁場的轉速等于三相交流電的變化速度，即。當三相異步電動機定子繞組為對磁極時，旋轉磁場的速度為：（3-1）式中——旋轉磁場速度（又稱同步轉速），r/min；——三相交流電源的頻率，Hz；——磁極對數(shù)。3.2.2三相異步電動機的轉差率三相異步電動機轉子轉速和定子旋轉磁場轉速間的關系如下。（1）當，轉子切割旋轉磁場的相對轉速為最大，故轉子中的感應電動勢和電流最大。（2）當轉子轉速增加時，開始下降，故轉子中的感應電動勢和電流下降。（3）當時，則，此時轉子導體不切割定子旋轉磁場，轉子中就沒有感應電動勢及電流產生，也就不產生轉矩。因此轉子轉速在一般情況下不可能等于旋轉磁場的轉速，即轉子轉速與定子旋轉磁場的轉速兩者的步伐不可能一致，異步電動機由此而得名。因此和的差異是異步電動機能夠產生電磁轉矩的必要條件，又由于異步電動機的轉子繞組并不直接與電源相接，而是依靠電磁感應原理來產生感應電動勢和電流的，從而產生電磁轉矩使電動機旋轉，又可稱之為感應電動機。我們將旋轉磁場的\o"同步轉速"同步轉速和電動機轉子轉速之差與旋轉磁場的同步轉速之比稱為\o"轉差率"轉差率，用表示，描述轉子轉速與旋轉磁場轉速相差的程度。（3-2）轉差率是衡量異步電動機性能的一個重要參數(shù)，分析幾個特性工作狀態(tài)下的值。（1）電動機靜止或在啟動的瞬間，，。（2）電動機空載時，需克服的阻力很小，故轉速很高，很小。（3）電動機在額定工作狀態(tài)下運行時，對于中小型異步電動機而言，轉差率為0.01~0.06。（4）電機處于電動機狀態(tài)時，0<<1。由轉差率，可得到三相交流異步電動機的機械特性。T-S的曲線圖如下圖左；T-n的曲線圖如下圖右，即為電動機的\o"機械特性"機械特性曲線。圖3-2三相交流異步電動機機械特性圖在機械特性圖中，存在兩個工作區(qū)：穩(wěn)定運行區(qū)和不穩(wěn)定運行區(qū)。在機械特性曲線的AB段，當作用在電動機軸上的負載轉矩發(fā)生變化時，電動機能適應負載的變化而自動調節(jié)達到穩(wěn)定運行，故為穩(wěn)定區(qū)。機械特性曲線的BC段，因電動機工作在該區(qū)段時其電磁轉矩不能自動適應負載轉矩的變化，故為不穩(wěn)定區(qū)。3.3三相交流異步電動機控制電路3.3.1三相異步電動機啟動控制三相異步電動機從接通電源開始運轉，轉速逐漸上升直到穩(wěn)定運轉狀態(tài)，這一過程稱為啟動。按照啟動方式不同，它可以分為直接啟動和降壓啟動。直接啟動的啟動電流大，對供電變壓器影響較大，容量較大的鼠籠異步電動機一般都采用降壓啟動。降壓啟動就是將電源電壓適當降低后，再加到電動機的定子繞組上進行啟動，待電機啟動結束或將要結束時，再使電動機的電壓恢復到額定值。這樣做的目的主要是為了減小\o"啟動電流"啟動電流，但是因為降壓，電動機的\o"啟動轉矩"啟動轉矩也將降低。因此，降壓啟動僅適用于空載或輕載啟動。1.直接啟動（1）采用開關直接啟動：采用開關直接啟動的電路僅適用于不頻繁啟動的小容量電動機，它不能實現(xiàn)遠距離控制和自動控制，也不能實現(xiàn)零壓、欠壓和過載保護。（2）采用接觸器點動控制：采用接觸器點控制電路，可控制容量稍大或者啟動頻繁的電動機，并且實現(xiàn)“一點就動，松開不動”的功能。（3）采用接觸器長動控制：采用接觸器長動控制的電動機，在按下啟動按鈕后，電動機開始運轉，因為具有自鎖觸點，所以如果想讓電機停轉，必須按下停止按鈕。（4）長動與點動混合控制：如果電動機既要點動控制，又要連續(xù)運轉控制，那么可以結合一下，采用三個按鈕和自鎖觸點，實現(xiàn)點動與長動運轉控制。2.降壓啟動（1）定子繞組串電阻（電抗器）降壓啟動：電動機啟動時，在三相定子電路中串入電阻，使電動機定子繞組電壓降低，限制了啟動電流，待電動機轉速上升到一定值后，將電阻切除，使電動機在額定電壓下穩(wěn)定運行。（2）\o"星形三角形降壓啟動"星形三角形降壓啟動星形三角形降壓啟動是指電動機啟動時，把定子繞組接成星形，以降低啟動電壓，限制啟動電流；待電動機啟動后，再把定子繞組改接成三角形，使電動機從現(xiàn)在起運行。凡是在正常運行時定子繞組做成三角形連接的異步電動機，均可用這種降壓方法。電動機啟動時，接成Y形，加在每相定子繞組上的啟動電壓只有三角形接法的，啟動電流為三角形接法的1/3，啟動轉矩也只有三角形接法的1/3。所以這種降壓啟動方法，只適用于輕載或空載下啟動。圖3-3左邊為星形接法，右邊為三角（3）\o"自耦變壓器"自耦變壓器降壓啟動自耦降壓啟動是在啟動時將電源電壓加在自耦變壓器的原邊繞組上，電動機的定子繞組與自耦變壓器的副邊繞組連接，當電動機的轉速達到一定值時，將自耦變壓器切除，電動機直接與電源相接，在正常電壓下運行。3.3.2三相異步電動機正反轉控制根據(jù)三相異步電動機的原理，三相異步電動機的旋轉方向取決于定子旋轉磁場的旋轉方向，并且兩者的轉向相同，因此只要改變旋轉磁場的旋轉方向，就能使三相異步電動機反轉，而磁場的旋轉方向又取決于電源的相序，所以電源的相序決定了電動機的旋轉方向。任意改變電源的相序時，電動機的旋轉方向就會隨之改變，即要改變三相異步電動機轉動方向，只要把接到三相異步電動機的三相交流電源線中的任意兩相對調，即可以實現(xiàn)反轉。正反轉控制方法主要有以下四種：（1）手動控制；（2）接觸器互鎖控制；（3）按鈕互鎖控制；（4）按鈕、接觸器雙重互鎖控制。3.3.3三相異步電動機制動控制三相電動機在切斷電源后，由于\o"慣性"慣性作用不會馬上停止轉動，總要經過一段時間才能完全停止。有時候，要求電機在斷電后能迅速停止運轉，這就需要對電動機進行制動。制動，就是給電動機一個與轉動方向相反的轉矩使它迅速停轉（或限制其轉速）。制動的方法大致可分\o"機械制動"機械制動和\o"電氣制動"電氣制動兩類。常用的機械制動裝置有\(zhòng)o"電磁抱閘"電磁抱閘和\o"電磁離合器"電磁離合器兩種。電氣制方法有反接制動、能耗制動、\o"回饋制動"回饋制動和\o"電容制動"電容制動等。（1）\o"反接制動"反接制動控制的方法異步電動機反接制動有兩種，一種方法是在負載轉矩作用下使電動機反轉的倒拉反轉反接制動，但它不能準確停車；另一種方法是依靠改變三相異步電動機定子繞組中三相電源的相序產生制動力矩，迫使電動機迅速停轉。反接制動的優(yōu)點是制動力強，制動迅速；缺點是制動準確性差，制動過程中沖擊強烈，易損壞傳動零件，制動能量消耗大、不宜經常制動。（2）\o"能耗制動"能耗制動控制能耗制動控制電路是當電動機停車后，立即在電動機定子繞組中通入兩相直流電源，使之產生一個恒定的靜止磁場，由運動的轉子切割該磁場后，在轉子繞組中產生感應電流。這個電流又受到靜止磁場的作用產生電磁力矩，產生的電磁力矩的方向正好與電動機的轉向相反，從而使電動機迅速停轉。應用較多的有變壓器橋式整流單向運轉能耗制動。能耗制動的優(yōu)點是制動準確、平穩(wěn)，且能量消耗小，沖擊?。蝗秉c是需附加直流電源裝置，設備費用較高，制動力較弱，在低速時制動轉矩小。3.3.4三相異步電動機變頻調速和變頻器控制根據(jù)三相異步電動機的轉差率表達式為（3-3）可知交流電動機的轉速公式為（3-4）式中——電動機轉速，單位r/min；——電動機極對數(shù)；——電源頻率，單位為Hz；——電動機轉差率。由上式分析，通過改變定子電壓頻率、極對數(shù)以及轉差率都可以實現(xiàn)交流異步電動機的速度調節(jié)，具體可歸納為變極調速、變轉差率調速和變頻調速三大類。在交流異步電動機的諸多調速方法中，變頻調速的性能最好，其特點是\o"調速范圍"調速范圍大、穩(wěn)定性好、運行效率高。對異步電動機實行調速時，希望主磁通保持不變，因為主磁通太弱，鐵芯利用不充分，同樣轉子電流下，電動機的負載能力下降；若主磁通太強，鐵芯發(fā)熱，波形變壞。為了保持磁通不變，必須使電動機定子的每相電動勢與定子頻率成正比。因為 （3-5）式中——電動機定子每相電動勢；——電動機定子頻率；——定子相繞組有效砸數(shù)；——每極磁通量。從公式可知，要使保持基本不變，必須保持和的比例不變或者微小變化。因此，異步電動機的變頻調速必須按照一定的規(guī)律，同時改變其定子電壓和頻率，即必須通過變頻器獲得電壓和頻率均可調節(jié)的供電電源?；谧冾l調速的原理構成的變頻器有以下幾種控制方式：1.轉差頻率控制轉差頻率控制就是通過控制轉差頻率來控制轉矩和電流。轉差頻率控制需要檢出電動機的轉速，構成速度閉環(huán)，速度調節(jié)器的輸出為轉差頻率，然后以電動機速度與轉差頻率之和作為變頻器的給定頻率。與U/f控制相比，其加減速特性和限制過電流的能力得到提高。另外，它有速度調節(jié)器，利用速度反饋構成閉環(huán)控制，速度的靜態(tài)誤差小。然而要達到自動控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制，還達不到良好的動態(tài)性能。2.矢量控制矢量控制，也稱磁場定向控制。它是70年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流電機和交流電機比較的方法闡述了這一原理。由此開創(chuàng)了交流電動機和等效直流電動機的先河。矢量控制變頻調速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子交流電流、、。通過三相-二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流、，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流、(相當于直流電動機的勵磁電流，相當于直流電動機的電樞電流)，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，經過相應的坐標反變換實現(xiàn)對異步電動機的控制。矢量控制方法的出現(xiàn)，使異步電動機變頻調速在電動機的調速領域里全方位的處于優(yōu)勢地位。但是，矢量控制技術需要對電動機參數(shù)進行正確估算，如何提高參數(shù)的準確性是一直研究的話題。3.直接轉矩控制轉矩控制的優(yōu)越性在于，轉矩控制是控制定子磁鏈，在本質上并不需要轉速信息，控制上對除定子電阻外的所有電機參數(shù)變化魯棒性良好，所引入的定子磁鏈觀測器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便的實現(xiàn)無速度傳感器，這種控制被稱為無速度傳感器直接轉矩控制。4.恒轉矩負載多數(shù)負載具有恒轉矩特性，但在轉速精度及動態(tài)性能等方面要求一般不高，例如擠壓機，攪拌機，傳送帶，廠內運輸電車，吊車的平移機構，吊車的提升機構和提升機等。選型時可選V/f控制方式的變頻器，但是最好采用具有恒轉矩控制功能的變頻器。要求控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)，靜態(tài)性能。由于被控對象的千差萬別，性能指標要求的各不相同，變頻器的選擇及配置遠不如上述所列幾種。要做到熟練應用還應在工程實踐中認真探索。變頻器的控制方式代表著變頻器的性能和水平，在工程應用中根據(jù)不同的負載及不同控制要求，合理選擇變頻器以達到資源的最佳配置，具有重要的意義。4提升電機系統(tǒng)模型的設計4.1提升電機對電氣控制系統(tǒng)的要求圖4-1轉速與時間的函數(shù)關系本提升電機模型要求完美模擬礦山現(xiàn)場提升機的運行方式，故電機轉速與時間函數(shù)的關系如圖4-1所示。提升電機控制系統(tǒng)方案的選用應滿足生產工藝的要求速度圖。所以需要先來分析提升機電控系統(tǒng)的靜、動態(tài)特性。提升機電氣傳動系統(tǒng)的給定速度如圖4-1所示，根據(jù)動力學方程式（3-6）式中——電動機電動力矩；——傳動系統(tǒng)的靜阻轉矩；——傳動系統(tǒng)的飛輪力矩，，其中為轉動慣量(㎏·㎡)，g為重力加速度；——傳動系統(tǒng)的動態(tài)轉矩；——加速度?？梢缘贸霭唇o定速度圖所需轉矩的特性，從而可以得到拖動系統(tǒng)所需的力。提升電機的負載靜力決定于提升機滾筒承受的靜張力差，在雙罐籠的平衡提升系統(tǒng)中，靜力凡也就是提升物體的凈載重。由于提升系統(tǒng)的負載為位勢負載，所以靜力的作用方向始終是提升重物的重力方向，而與系統(tǒng)的運動狀態(tài)和方向無關。因此在電動機不帶電時，為了使重的罐籠處于靜止狀態(tài)(便于罐籠的裝卸載)，對滾筒必須施加機械閘。要使提升電機按照給定的速度圖運行，電動力矩可能為正，也可能為負。這意味著電動機不僅要工作在電動狀態(tài)，還應能工作在制動狀態(tài)。由于不同的負載，不同的提升電機運行階段，電動機的運行狀態(tài)也各不相同。綜合以上提升機的運行特點，提升電機工藝對提升機電控系統(tǒng)的要求如下：（1）加(減)速度符合國家有關安全生產規(guī)程的規(guī)定。提升人員時，加速度，升降物料時，加速度，另外不得超過提升機的減速器所允許的動力矩。（2）具有良好的調速性能。要求速度平穩(wěn)，調速方便，調速范圍大，能滿足各種運行方式及提升階段(加速、減速、等速、爬行等)。（3）有較好的起動性能。提升機不同于其他機械，穩(wěn)定運行的要求。不可能待系統(tǒng)運轉后再裝加物料，因此，必須能重載啟動，有較高的過載能力。（4）特性曲線要硬。要保證負載變化時，提升速度基本上不受影響，防止負載不同時速降過大，影響系統(tǒng)正常工作(當然，當負載超過一定的限度時，還要求系統(tǒng)能有效的自我保護。迅速安全制動停車，即所謂要具備挖土機機械特性)。（5）工作方式轉換容易。要能夠方便的進行自動、半自動、手動、驗繩、調繩等工作方式的轉換，操作方便，控制靈活，不至于因工作方式的轉換影響正常生產。（6）采用新技術和節(jié)能設備，易于實現(xiàn)自動化控制和提高整個系統(tǒng)的工作效率。具備必要的連鎖和安全保護環(huán)節(jié)，確保系統(tǒng)安全運行.盡量節(jié)約能源和降低運轉費用。4.2提升電機模型基于PLC電機調速控制系統(tǒng)方案設計圖4-2提升電機模型系統(tǒng)結構圖圖4-3電機提升控制系統(tǒng)結構4.3系統(tǒng)總體設計方案4.3.1選擇機型本次設計采用西門子S7-200系列PLC進行控制，從以上分析可以知道，該系統(tǒng)只需開關量輸入點2個，模擬量輸出點1個。本系統(tǒng)變頻器采用普傳科技PI8000系列變頻器。4.3.2系統(tǒng)控制結構由PLC和變頻器組成的控制系統(tǒng)，開關量輸入端由兩輸入，開始與停止按鈕；PLC輸出端是從0—10V的模擬量作為變頻器的輸入。實現(xiàn)如下控制：0V輸出頻率為0Hz，對應同步轉速為0r/min；5V輸出頻率為50Hz，對應同步轉速為1500r/min；7.5V輸出頻率為75Hz，對應同步轉速為2250r/min；10V輸出頻率為100Hz，對應同步轉速為3000r/min。4.3.3系統(tǒng)接線圖1.主電路圖主電路圖是由三相電供電，變頻器控制三相異步電動機電機，其中有熱繼電器保護裝置。如圖4-4所示。圖4-4系統(tǒng)主電路圖2.控制電路圖圖4-5系統(tǒng)控制電路圖4.3.3控制系統(tǒng)I/O點表4-1PLC的I/O分配輸入輸出外接元件地址功能地址功能SB1I0.1電機啟動按鈕AQW0電機啟動SB2I0.2電鈕停止按鈕4.4設計步驟（1）使用PLC的兩個輸入點I0.1和I0.2分別作為系統(tǒng)的啟動和停止信號的輸入點；（2）使用PLC的一個模擬量輸出點AQW0作為使電機正轉啟動的輸出信號，接PI8000變頻器的AI1、GND端子上；（3）調節(jié)變頻器使其輸出頻率受模擬量輸入電壓控制；（4）然后編制輸出按時間函數(shù)循環(huán)的梯形圖程序；（5）最后調試并運行。4.5系統(tǒng)流程框圖圖4-6系統(tǒng)流程框圖4.6系統(tǒng)硬件部分設計4.6.1變頻器參數(shù)設置表表4-2變頻器參數(shù)設置表代碼描述/LCD鍵盤顯示功能描述數(shù)量參數(shù)組號S監(jiān)視功能組監(jiān)視頻率，電流等16種監(jiān)視對象160BF基本功能組頻率設定，控制方式，加減速時間等5100A用戶功能組監(jiān)視，保護，通信功能設定5601oIO功能組模擬，數(shù)字量輸入，輸出功能6102H多段速度PLC組多段速度設定，PLC運行5603UV/F參數(shù)組用戶自定義V/F曲線1604PPID功能組內置PID參數(shù)設定1305E擴展功能組恒壓供水等功能參數(shù)設定2406C速度環(huán)參數(shù)組電流環(huán)，速度環(huán)，PG參數(shù)3207b電機參數(shù)組電機參數(shù)設定2308y系統(tǒng)功能組參數(shù)復位，故障查詢，產品信息，參數(shù)保護18094.6.2輸出規(guī)格及標度變換1.輸出規(guī)格如果設置值超過下面提供的規(guī)定，將發(fā)生輸出設置錯誤，并將輸出有輸出保持功能規(guī)定的輸出量，如圖4-7所示。根據(jù)設計要求選取輸出范圍：0~10V。圖4-7輸出規(guī)格圖2.標度變換輸出范圍：0~10V所對應的十進制數(shù)為：00000~32000標度變換公式：。5系統(tǒng)軟件部分設計5.1STEP7-Micro/Win32簡介本系統(tǒng)的軟件設計是根據(jù)系統(tǒng)給定的時間函數(shù)運行的，所以軟件的設計主要是以時間原則來設計。本設計的PLC程序是基于STEP7-Micro/Win32的開發(fā)平臺進行編程的。STEP7-Micro/Win32是西門子公司專為SIWATICS7-200系列可編程控制器研制開發(fā)的編程軟件，它是基于Windows的應用軟件，功能強大，既可用于開發(fā)用戶程序，又可實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。STEP7-Micro/Win32的基本功能是協(xié)助用戶開發(fā)應用軟件，在該環(huán)境下可創(chuàng)建用戶程序，修改和編輯原有的用戶程序，實現(xiàn)用戶所編輯程序的管理。該軟件還具有語法檢查功能，可在編程中檢查用戶程序的語法錯誤。利用該軟件的監(jiān)控功能還可以實現(xiàn)用戶程序的調試及監(jiān)控。軟件的大部分功能，如程序的編制、編譯、調試相關的組態(tài)等工作，在離線工作方式——計算機并未和PLC連接時即可實現(xiàn)，部分功能需在在線情況下實現(xiàn)。STEP7-Micro/WIN32V3.1編程軟件可以對CPU221/222/224/224XP/226功能進行編程。同時也可以使用STEP7-Micro/WIN16V2.1軟件包，但是它只支持對S7-21x同樣具有的功能進行編程。如果使用STEP7-Micro/WIN32V3.1編程軟件，則也可以通過SIMATICCP5511或CP5611編程。在這種情況下，通訊速率可高達187.5kbit/s?？梢岳肞C/PPI電纜和自由口通訊功能把S7-200CPU連接到許多和RS-232標準兼容的設備。用STEP7-Micro/WIN創(chuàng)建用戶程序：要打開STEP7-Micro/WIN，可以雙擊STEP7-Micro/WIN圖標，也可以在命令菜單中選擇開始>SIMATIC>STEP7-Micro/WIN32V4.0。STEP7-Micro/WIN項目窗口為創(chuàng)建的控制程序提供了一個便利的工作環(huán)境。工具欄提供有常用的菜單命令的快捷按鈕。您可以顯示或者隱藏任意工具欄。操作欄為訪問STEP7-Micro/WIN中不同的程序組件提供了一組圖標。指令樹顯示了所有的項目對象和創(chuàng)建的控制程序所需要的指令?？梢詫⒅噶顝闹噶顦渲型系侥膽贸绦蛑校部捎秒p擊指令的方法將該指令插入到程序編輯器中的當前光標所在地。程序編輯器中包括程序邏輯和局部變量表。您可以在局部變量表中為臨時的局部變量定義符號名。在程序編輯器的底部有子程序和中斷服務程序的標簽。點擊這些標簽，您可以在主程序、子程序和中斷服務程序之間切換。STEP7-Micro/WIN提供三種編輯器來創(chuàng)建您的程序：梯形圖（LAD）、語句表（STL）和功能塊圖（FBD）。盡管有一定限制，但是用任何一種程序編輯器編寫的程序都可以用另外一種程序編輯器來瀏覽和編輯。在這里我們使用的是梯形圖（LAD）。LAD編輯器以圖形方式顯示程序，與電氣接線圖類似。梯形圖程序允許程序仿真來自電源的電流通過一系列的邏輯輸入條件，決定是否使能邏輯輸出。一個LAD程序包括左側提供能流的能量線。閉合的觸點允許能量通過它們流到下一個元素，而打開的觸點阻止能量的流動。邏輯控制是分段的，程序在同一時間執(zhí)行一段，從左到右，從上到下。不同的指令用不同的圖形符號表，它包括三種基本形式。觸點代表邏輯輸入條件，例如；開關、按鈕或者內部條件等。線圈通常表示邏輯輸出結果，例如：燈負載、電機啟動器、中間繼電器或者