橋式起重機的變頻調(diào)速系統(tǒng)畢業(yè)設計

摘要電氣調(diào)速控制的方法很多，對直流驅(qū)動來講60年代采用發(fā)電機—電機系統(tǒng)。從控制電阻分級控制，到交磁放大控制，到可控硅SCR激磁控制，到主回路可控硅即晶閘管整流供電系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的飛速開展，集成模塊出現(xiàn)，計算機、微處理器應用，因此控制從分立組成模擬量控制開展至今天的數(shù)字量控制。從交流驅(qū)動來講：常規(guī)的常采用繞線式電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，為滿足重物下放時的低速，一般依靠能耗制動、反接制動，后來還采用渦流制動，還有靠轉(zhuǎn)子反響控制制動、反接制動、單相制動器抱閘松勁的所謂軟制動，隨著電子技術(shù)的開展，國內(nèi)外開發(fā)研制變頻調(diào)速，PLC可編程序控制器的應用控制系統(tǒng)的性能更加完美。本次設計采用PLC和變頻器技術(shù)，以PLC控制變頻器，即以程序控制取代繼電—接觸器控制，控制變頻器實現(xiàn)變頻調(diào)速，設計出PLC控制的橋式起重機的變頻調(diào)速系統(tǒng)，進而實現(xiàn)了起重機的半自動化控制。關(guān)鍵詞：PLC橋式起重機矢量控制目錄TOC\o"1-2"\h\u17608摘要131000緒論328147第1章橋式起重機介紹65581.1國內(nèi)外開展概況 6134511.2傳統(tǒng)橋式起重機控制系統(tǒng)的特點和存在的問題 714840第2章調(diào)速系統(tǒng)介紹9222932.1電動機的調(diào)速指標 9119702.2變頻調(diào)速的根本原理 11135992.3電動機變頻調(diào)速的機械特性 1227276第3章變頻器14242353.1變頻器的分類 14151743.2變頻器的主電路 15225243.3變頻器的控制電路 1645993.4脈寬調(diào)制型(PWM)變頻器 1631901第4章可編程序控制器20225494.1PLC的應用與開展和系統(tǒng)組成 229934.2PLC的工作原理、抗干擾分析及設計 2421651第5章調(diào)速控制系統(tǒng)設計和部件選型25312785.1采用變頻調(diào)速的根本考慮 26180365.3橋式起重機變頻調(diào)速控制系統(tǒng) 3124016第6章橋式起重機變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件設計34186606.1S7-200PLC網(wǎng)絡的通信協(xié)議 34171886.2PLC程序設計 3529986展望3917241參考文獻 41緒論橋式起重機作為物料搬運機械在整個國民經(jīng)濟中有著十分重要的地位，經(jīng)過幾十年的開展，我國橋式起重機制造廠和使用部門在設計、制造工藝、設備使用維修、管理方面，不斷積累經(jīng)驗，不斷改造，推動了橋式起重機的技術(shù)進步。但在實際使用中，傳統(tǒng)橋式起重機的控制系統(tǒng)所采用交流繞線轉(zhuǎn)子串電阻的方法進行啟動和調(diào)速，繼電—接觸器控制，在工作環(huán)境差，工作任務重時，電動機以及所串連電阻燒損和斷裂故障時有發(fā)生；繼電—接觸器控制系統(tǒng)可靠性差，操作復雜，故障率高；轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，機械特性軟，負載變化時轉(zhuǎn)速也變化，調(diào)速不理想。所串連電阻長期發(fā)熱，電能浪費大，效率低。要從根本上解決這些問題，只有徹底改變傳統(tǒng)的控制方式。近年來，隨著計算機技術(shù)和電力電子器件的迅猛開展，同時也帶動電氣傳動和自動控制領(lǐng)域的開展。其中，具有代表性的交流變頻調(diào)速裝置和可編程控制器獲得了廣泛的應用，為PLC控制的變頻調(diào)速技術(shù)在橋式起重機系統(tǒng)提供了有利條件。變頻技術(shù)的運用使得起重機的整體特性得到較大提高，可以解決傳統(tǒng)橋式起重機控制系統(tǒng)存在諸多的問題，變頻調(diào)速以其可靠性好，高品質(zhì)的調(diào)速性能、節(jié)能效益顯著的特性在起重運輸機械行業(yè)中具有廣泛的開展前景。本次設計采用PLC和變頻器技術(shù)，以PLC控制變頻器，即以程序控制取代繼電—接觸器控制，控制變頻器實現(xiàn)變頻調(diào)速，設計出PLC控制的橋式起重機的變頻調(diào)速系統(tǒng)，進而實現(xiàn)了起重機的半自動化控制。此系統(tǒng)特別適用于橋式起重機在惡劣條件下的工作情況，對改善橋式起重機的調(diào)速性能，提高工作效率和功率因數(shù)，減小起制動沖擊以及增加起重機使用的平安可靠性是非常有益的。如果說以第一個晶閘管的出現(xiàn)作為交流電動機變頻調(diào)速的起點，可以認為它的開展歷史己40多年了。而變頻調(diào)速技術(shù)真正高速開展時期，應該是在PWM調(diào)制技術(shù)的出現(xiàn)和微機控制技術(shù)開展之后。特別是最近20年來，隨著交流調(diào)速技術(shù)的應用普及，交流變頻調(diào)速在化工、火電廠、礦山、油田、機械制造、城市建設、水處理、甚至家電等行業(yè)己經(jīng)全面推廣使用，一般主要用于節(jié)能及控制。隨著變頻技術(shù)的普及和深入，以及國際、國內(nèi)電器設備使用的有關(guān)標準意識的強化，電力系統(tǒng)行業(yè)和用戶對變頻技術(shù)的質(zhì)量要求也越來越高。變頻調(diào)速的開展趨勢主要圍繞下面幾個方而展開。1)高性能的智能控制變頻器380V系統(tǒng)的低壓變頻器是國內(nèi)的主要研究對象，應用交流調(diào)速的根本理論，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡控制、魯棒控制、模糊控制，或其他智能控制等手段，實現(xiàn)電機運行參數(shù)的自動辨識，以期到達自適應、自調(diào)整的最優(yōu)控制。2)速度傳感器研究從前面所述的各種變頻調(diào)速的理論可知，一般系統(tǒng)都要用到轉(zhuǎn)速傳感器。在實際使用中，由于變頻設備和被控電動機有一定的距離，而高精度的轉(zhuǎn)速傳感器都要使用專門的電源，被控電動機有的是在戶外，運行工況非常惡劣，要保證速度反響的準確性，有時不得不采取特別措施，因此也會增加額外費用，運行的可靠性和控制精度也會因此受到影響。無速度傳感器的變頻調(diào)速系統(tǒng)，是通過現(xiàn)場采集的電流電壓量，以及控制的實施策略，綜合出被控電機的實際轉(zhuǎn)速。這種控制方案要求計算機的控制速度較高，并有足夠的精度。3)針對功率因數(shù)提高和諧波污染的研究低壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制雖然己經(jīng)是非常成熟了，但目前國際、國內(nèi)的產(chǎn)品，一般都是矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，重點放在電機變頻控制理論的實現(xiàn)和完善上，而對變頻器的輸出波形、功率因數(shù)，以及諧波污染等問題還沒有引起足夠的重視。最近10多年來，國外在這一領(lǐng)域己有較深入的研究。有的針對功率因數(shù)，有的強調(diào)輸出波形。多重化技術(shù)就是為了解決輸出波形問題。最近幾年的研究說明，利用PWM輸出控制解決諧波輸出問題，是比擬理想的方法，它可以省去多重化中的變壓器，或過多的開關(guān)元器件，使變頻器的體積和重量減少，但這種方法不能解決所有諧波的消除問題，只能局部消除特定諧波。這方面的研究論文還不多，也還沒有成熟的類似低壓變頻器的產(chǎn)品出現(xiàn)。4)高壓變頻器的研究變頻器的主要作用之一是節(jié)能。而高壓電動機的節(jié)能效果是比擬明顯的，大功率的風機和水泵用電動機一般都是高壓電動機。國內(nèi)，高壓變頻調(diào)速和它的節(jié)能控制還是一個比擬薄弱的環(huán)節(jié).它主要是針對6~10kV的交流電動機進行變頻調(diào)速控制。這種高壓電動機廣泛應用于火力發(fā)電廠的送風機和引風機上。同樣也可用于其他如石油化工、礦山、冶煉、機械制造等行業(yè)的變頻節(jié)能控制。從某種意義上講，由于目前國內(nèi)還不能完全生產(chǎn)高質(zhì)量的合格電力電子器件，而且，國外低壓變頻器的性能價格比也比國內(nèi)自己研究的變頻器高得多。隨著電力電子技術(shù)最近20多年的飛速開展，功率半導體器件的本錢逐年下降，技術(shù)工藝和性能也得到不斷改善.電力電子器件的應用己從傳統(tǒng)的直流調(diào)速、直流屏、斬波器等領(lǐng)域延伸到交流調(diào)速和電力系統(tǒng)的質(zhì)量控制領(lǐng)域.并正朝著高電壓、大功率的方向開展.這也是千年之交和世紀之交我國電力電子技術(shù)應用的開展趨勢。5)無換向器同步電機的變頻調(diào)速無換向器電動機也是在20世紀70年代開展起來的新型調(diào)速系統(tǒng)。它是一種變頻調(diào)速同步電動機.也可以認為是一種用半導體電子開關(guān)線路代替換向器和電刷作用的直流電動機。根據(jù)采用的控制方式不同.可分為直流無換向器電動機和交流無換向器電動機。直流無換向器電動機采用交-直-交或直-交變頻控制系統(tǒng);交流無換向器電動機采用交-交變頻控制系統(tǒng)。近10年來.國內(nèi)外雜志上有許多相關(guān)的研究論文。而且，也有一定的成果出現(xiàn)。第1章橋式起重機介紹1.1國內(nèi)外開展概況電氣調(diào)速控制的方法很多，對直流驅(qū)動來講60年代采用發(fā)電機—電機系統(tǒng)。從控制電阻分級控制，到交磁放大控制，到可控硅SCR激磁控制，到主回路可控硅即晶閘管整流供電系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的飛速開展，集成模塊出現(xiàn)，計算機、微處理器應用，因此控制從分立組成模擬量控制開展至今天的數(shù)字量控制。從交流驅(qū)動來講：常規(guī)的常采用繞線式電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，為滿足重物下放時的低速，一般依靠能耗制動、反接制動，后來還采用渦流制動，還有靠轉(zhuǎn)子反響控制制動、反接制動、單相制動器抱閘松勁的所謂軟制動，隨著電子技術(shù)的開展，國內(nèi)外開發(fā)研制變頻調(diào)速，PLC可編程序控制器的應用控制系統(tǒng)的性能更加完美。目前國內(nèi)外幾種常用調(diào)速系統(tǒng)配置及其性能：l)DC-300直流驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)：GE公司DC-300，DC-2000是微處理器數(shù)字量控制的直流驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)，其控制功率從300HP到4000HP，并采用PLC對整機驅(qū)動系統(tǒng)實施故障診斷、檢測、報警及控制。該驅(qū)動系統(tǒng)實施主回路SCR整流，其控制是給定模擬量通過數(shù)模轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過速度環(huán)、電流環(huán)到SCR移現(xiàn)觸發(fā)的邏輯無環(huán)流的調(diào)速系統(tǒng)?？捎脺y速反響或電壓反響，對磁場弱磁，以實施恒功率控制。2)交流調(diào)速控制系統(tǒng)：對于起重機械來講，交流驅(qū)動仍是國內(nèi)普遍采用的方案而且多數(shù)停留在繞線式電機轉(zhuǎn)子串電阻來調(diào)速。隨著功率電子技術(shù)的開展，早在六十年代后期，國外就開始致力于晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速技術(shù)的開發(fā)研究。目前，該技術(shù)已進入了成熟穩(wěn)定的開展應用階段。日本安川電機制作所于1972年就正式定為VS系列，應用于起重機及軋機輔助設備的交流調(diào)速。法國、英國、德國等大電氣公司亦在這方面展開了重點研制開發(fā)。借助電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的開展，由別離元件開展到大規(guī)模集成電路，從而實現(xiàn)控制部件的微型組件化、智能化、標準化、系列化，進而從模擬量控制開展到數(shù)字量控制?？删幊绦蚩刂破鱌LC引入到交流電氣傳動系統(tǒng)后，使傳動系統(tǒng)性能發(fā)生了質(zhì)的變化。在橋式起重機實現(xiàn)了抓斗的自動控制和故障診斷、檢測顯示等，到達了新的技術(shù)高度。3)變頻調(diào)速：變頻調(diào)速技術(shù)是國際上各大電氣公司在70年代末80年代投入全力研制、開發(fā)，也是國際國內(nèi)這幾年全力研制應用的目標與方向。這幾年一些公司如德國SIEMENS，美國GE，日本三菱等推出全數(shù)字化的矢量控制技術(shù)，大功率的IGBT模塊的出現(xiàn)使變頻技術(shù)在起升機械、電梯等位能負載控制成為現(xiàn)實。目前，變頻調(diào)速的控制方法有恒壓頻比控制，轉(zhuǎn)差頻率控制，矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制等。這些控制方法都得到了不同程度的應用，但其控制性能有一定的差異。直流電動機之所以與有良好的控制性能，其根本原因是當勵磁電流恒定時，控制電樞電流的大小就能無時間滯后的控制瞬時轉(zhuǎn)矩的大小。異步電動機產(chǎn)生瞬時轉(zhuǎn)矩的原理雖然與直流電動機相同，但由于建立氣隙磁場的勵磁分量和電磁轉(zhuǎn)矩所對應裝置電流有功分量都應包含在定子電流中，無法直接將它們分開，在運行過程中，這兩個分量有會互相影響。因此要控制異步電動機的瞬時轉(zhuǎn)矩十分困難。像采用恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)由于是從控制電動機的平均轉(zhuǎn)矩的角度出發(fā)來控制電動機的轉(zhuǎn)速，因而難以獲得較理想的動態(tài)性能，異步電動機在高精度調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)中的應用受到限制。而矢量控制是從根本上解決了這個問題，使交流調(diào)速系統(tǒng)的應用范圍迅速擴大。適用于通用的鼠籠式電動機，無速度傳感器的矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)的應用，該技術(shù)使變頻控制裝置不再配套專用電機，而且可通過軟件對一般的鼠籠式電機—矢量控制裝置實施參數(shù)調(diào)整，進一步降低電氣電機的投資而且維護保養(yǎng)方便。變頻器使用PWM技術(shù)可嚴格地使輸入電流正弦，即在下降過程各機械減速制動中，將動能和位能轉(zhuǎn)化為電能反響電網(wǎng)，到達理想的節(jié)能指標，同時確保工況正常運行，上述開展己完成了產(chǎn)品系列化上市，對“變頻”裝置在技術(shù)上以及經(jīng)濟上與其他驅(qū)動裝置競爭將有明顯的優(yōu)勢。同時隨著PLC系統(tǒng)的不斷成熟與完善，以及大容量變頻器在位能負載上的成功應用，變頻調(diào)速系統(tǒng)必將成為未來調(diào)速市場的主流。1.2傳統(tǒng)橋式起重機控制系統(tǒng)的特點和存在的問題橋式起重機作為物料搬運機械在整個國民經(jīng)濟中有著十分重要的地位，經(jīng)過幾十年的開展，我國橋式起重機制造廠和使用部門在設計、制造工藝、設備使用維修、管理方面，不斷積累經(jīng)驗，不斷改造，推動了橋式起重機的技術(shù)進步。但在實際使用中，結(jié)構(gòu)開裂仍時有發(fā)生。究其原因是頻繁的超負荷作業(yè)及過大的機械振動沖擊所引起的機械疲勞。因此，除了機械上改良設計外，改善交流電氣傳動，減少起制動沖擊，也是一個很重要的方面。由于傳統(tǒng)橋式起重機的電控系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子回路串接電阻進行有級調(diào)速，致使機械沖擊頻繁，振動劇烈，因此電氣控制上應采用平滑的無級調(diào)速是解決問題的有效手段。傳統(tǒng)的起重機驅(qū)動方案一般采用：〔1〕直接起動電動機；〔2〕改變電動機極對數(shù)調(diào)速；〔3〕轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；〔4〕渦流制動器調(diào)速；〔5〕可控硅串級調(diào)速；〔6〕直流調(diào)速。前四種方案均屬有級調(diào)速，調(diào)速范圍小，無法高速運行，只能在額定速度以下調(diào)速：起動電流大，對電網(wǎng)沖擊大；常在額定速度下進行機械制動，對起重機的機構(gòu)沖擊大，制動閘瓦磨損嚴重；功率因數(shù)低，在空載或輕載時低于0.2~0.4，即使?jié)M載也低于0.75，線路損耗大?？煽毓璐壵{(diào)速雖克服了上述缺點，實現(xiàn)了額定速度以下的無級調(diào)速，提高了功率因數(shù)，減少了起制動沖擊，價格較低，但目前串級調(diào)速產(chǎn)品的控制技術(shù)仍停留在模擬階段，尚未實現(xiàn)控制系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能和起制動性能，很好的保護功能及系統(tǒng)監(jiān)控功能，所以有時采用直流電動機，而直流電動機制造工藝復雜，使用維護要求高，故障率高。由于傳統(tǒng)橋式起重機的電控系統(tǒng)通常采用轉(zhuǎn)子回路串接電阻進行有級調(diào)速，盡管起動性能與調(diào)速性能較交流鼠籠型電動機有很大改善，但由于采用有級調(diào)速，依然存在以下問題：1)控制檔位較多時，控制電路復雜，系統(tǒng)的故障率較高；2)在換檔時依然存在電流與轉(zhuǎn)矩沖擊，重載情況下尤為突出；3)低速定位時由于采用“倒拉反接制動”運行方式，轉(zhuǎn)子中串入了較大電阻導致機械特性變得很軟，低速定位困難；4)能量損耗大，特別是重載低速時的損耗尤其嚴重第2章調(diào)速系統(tǒng)介紹調(diào)速就是在一定的負載下，根據(jù)生產(chǎn)的需要人為地改變電動機的轉(zhuǎn)速。這是生產(chǎn)機械經(jīng)常向電動機提出的要求。調(diào)速性能的好壞往往影響到生產(chǎn)機械的工作效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。2.1電動機的調(diào)速指標1)調(diào)速范圍電動機在額定負載(電流為額定值)情況下所能得到的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速范圍，用D表示，即(2-1)2)調(diào)速方向調(diào)速方向指調(diào)速后的轉(zhuǎn)速比原來的額定轉(zhuǎn)速(根本轉(zhuǎn)速)高還是低。假設比根本轉(zhuǎn)速高，稱為往上調(diào)，比根本轉(zhuǎn)速低，稱為往下調(diào)。3)調(diào)速的平滑性調(diào)速的平滑性由一定范圍內(nèi)能得到的轉(zhuǎn)速級數(shù)來說明。級數(shù)越多，相鄰兩轉(zhuǎn)速的差值越小，平滑性越好。如果轉(zhuǎn)速只能跳躍式的調(diào)節(jié)，例如只能從3000r/min一下調(diào)節(jié)到1500r/min，在又調(diào)節(jié)到1000r/min等，兩者之間的轉(zhuǎn)速無法得到，這種調(diào)速稱為有級調(diào)速。如果在一定的調(diào)速范圍內(nèi)的任何轉(zhuǎn)速都可以得到那么稱為無級調(diào)速。無級調(diào)速的平滑性當然就比有級調(diào)速好。平滑的程度可用相鄰兩轉(zhuǎn)速之比來衡量，稱為平滑系數(shù)，即(2-2)越接近于1，平滑性越好。無級調(diào)速時=1，平滑性最好。4)調(diào)速的穩(wěn)定性調(diào)速的穩(wěn)定性是用來說明電動機在新的轉(zhuǎn)速下運行時，負載變化而引起轉(zhuǎn)速變化的程度，通常用靜差率來表示。其定義為：當系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應的轉(zhuǎn)速降-與理想空載轉(zhuǎn)速之比，即(2-3)s越小，穩(wěn)定性越好。靜差率與機械特性的硬度有關(guān)。機械特性的硬度的定義為(2-4)越大，轉(zhuǎn)矩變化時，變化的程度就越小，機械特性就越硬，靜差率就越小，穩(wěn)定性就越好。靜差率還與理想空載轉(zhuǎn)速的大小有關(guān)。例如兩條平行的機械特性硬度相同，在靜差率公式中的-相同，由于不同，他們的s就不同，大的，s小，小的，s就大。生產(chǎn)機械在調(diào)速時，為保持一定的穩(wěn)定性會對靜差率提出一定的要求。靜差率還會對調(diào)速范圍起到制約的作用，因為如果調(diào)速時所得到的最低轉(zhuǎn)速下的s太大，那么該轉(zhuǎn)速性太差，便難以滿足生產(chǎn)機械的要求。5)調(diào)速時的允許負載電動機在各種不同轉(zhuǎn)速下滿載運行時，如果允許輸出的功率相同，那么這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速；如果允許輸出的轉(zhuǎn)矩相同，那么這種調(diào)速的方法稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。不同的生產(chǎn)機械對此的要求往往不同。例如切削機床，要求精加工小切削量時，工件轉(zhuǎn)速高，粗加工大切削時，工件轉(zhuǎn)速低。因此，它希望電動機能具有恒功率調(diào)速的性能。另一類生產(chǎn)機械，例如起重機、卷揚機等那么要求電動機在各種轉(zhuǎn)速下都能輸出同樣的轉(zhuǎn)矩，因此，它希望電動機具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的性能。2.2變頻調(diào)速的根本原理根據(jù)異步電機的知識，異步電機的轉(zhuǎn)速公式為：(2-5)其中：—異步電動機的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；—定子的電源頻率，單位為Hz；—電機的轉(zhuǎn)速滑差率；—電機的極對數(shù)。三相異步電動機的調(diào)速方法可分為兩大類：一類是通過改變同步轉(zhuǎn)速來改變轉(zhuǎn)速，具體方法有變極調(diào)速(改變)和變頻調(diào)速(改變)；另一類是通過改變轉(zhuǎn)差率來實現(xiàn)調(diào)速，這就需要讓電動機從固有特性上運行改為人為特性上運行，具體方法有變壓調(diào)速(改變)，轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速(改變)，等等。由上式可知，如果改變輸入電機的電源頻率，那么可相應改變電機的輸出轉(zhuǎn)速。在電動機調(diào)速時，一個重要的因素時希望保持每極磁通量為額定值不變。磁通太弱，沒有充分利用電機的磁心，是一種浪費；假設要增大磁通，又會使磁通飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因為繞組過熱而損壞電機。對于直流電機來說，勵磁系統(tǒng)是獨立的，所以只要對電樞反響的補償適宜，保持不變是很容易做到的。在交流異步電機中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子合成產(chǎn)生的。三相異步電動機每相電動勢的有效值是：(2-6)式中：—氣隙磁通在定子每相中感應電動勢有效值，單位為V；—定子頻率，單位為Hz；—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；—定子基波繞組系數(shù)；—每極氣隙磁通量，單位為Wb；由公式可知，只要控制好和，便可以控制磁通中不變，需要考慮基頻(額定頻率)以下和基頻以上兩種情況；1)基頻以下調(diào)速當電源頻率在基頻以下調(diào)速時，電動機轉(zhuǎn)速下降，但在調(diào)節(jié)電源頻率的同時，必須同時調(diào)節(jié)電動機的定子電壓，且始終保持常數(shù)，否那么電動機無法正常工作。這是因為三相異步電動機定子繞組相電壓，當下降時，假設不變，那么必使電動機每極磁通增加，在電動機設計時，處于磁路磁化曲線的膝部，的增加將進入磁化曲線飽和段，使磁路飽和，電動機空載電流劇增，使電動機負載能力變小，而無法正常工作。為此，電動機在基頻以下調(diào)速時，應使恒定不變。所以，在頻率下調(diào)的同時應使電動機定子相電壓隨之下調(diào)，并使常數(shù)?？梢姡妱訖C額基頻以下的調(diào)速為恒磁通調(diào)速，由于不變，調(diào)速過程中電磁轉(zhuǎn)矩不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。2)基頻以上調(diào)速當電源頻率在基頻以上調(diào)節(jié)時，電動機的定子相電壓是不允許在額定相電壓以上調(diào)節(jié)的，否那么會危及電動機的絕緣。所以，電源頻率上調(diào)時，只能維持電動機定子相電壓不變。于是，隨著升高將下降，但上升，故屬于恒功率調(diào)速。把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來，可得到異步電動機的變頻調(diào)速控制特性，如圖2-7所示。如果電動機在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，那么電動機都能在溫升容許的條件下長期運行，這時轉(zhuǎn)矩根本上隨磁通變化。在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的調(diào)速，而在基頻以上，根本上屬于“恒功率調(diào)速”。圖2-7異步電動機變頻調(diào)速控制特性2.3電動機變頻調(diào)速的機械特性2.3.1=常數(shù)時的變頻調(diào)速機械特性下面來分析機械特性中的三個特殊點，并由此來決定機械特性。同步點：由，那么，下調(diào)，隨之下降。最大轉(zhuǎn)矩點：由c=常數(shù)，=常數(shù)，而臨界轉(zhuǎn)差率，臨界轉(zhuǎn)速降常數(shù)。因此，在不同頻率下，最大轉(zhuǎn)矩保持不變，且對應于最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速降也不變。所以其機械特性根本上是平行的。但當下調(diào)過低時，因也很低，此時定子電阻上的壓降已不能再忽略，而使、下降更嚴重，電動機的將變小。起動轉(zhuǎn)矩點電動機起動轉(zhuǎn)矩。所以起動轉(zhuǎn)矩隨頻率下降而增加。由此可畫出=常數(shù)時，三相異步電動機變頻調(diào)速特性如圖2-8所示：圖2-8三相異步電動機=常數(shù)變頻調(diào)速機械特性2.3.2的變頻調(diào)速機械特性同步點：由，那么，當調(diào)高時，隨之上升。最大轉(zhuǎn)矩點：由，當調(diào)高時，減小。起動轉(zhuǎn)矩點：，當調(diào)高時，起動轉(zhuǎn)矩大大減小。此時電動機機械特性如圖2-9所示：如圖2-9電動機機械特性第3章變頻器三相異步電動機變頻調(diào)速所用的變頻電源有兩種，一種是變頻機組，另一種是靜止的變頻裝置變頻器。前者由直流電動機和交流發(fā)電動機組成，調(diào)節(jié)直流電動機轉(zhuǎn)速就能改變交流發(fā)電動機的頻率，由于變頻機組設備龐大，可靠性差。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的飛速開展，靜止式變頻器已完全取代了早期的旋轉(zhuǎn)變頻機組。3.1變頻器的分類按變頻的原理有交—交變頻器和交—直—交變頻器。前者是將頻率固定的交流電源變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電源，其主要優(yōu)點是沒有中間環(huán)節(jié)，變換頻率高，但其連續(xù)可調(diào)的頻率范圍較窄，一般在，故主要用于容量較大的低速拖動系統(tǒng)中。后者是將頻率固定的交流電整流后變成直流，再經(jīng)過逆變電路，把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相電流。由于把直流電逆變成交流電較易控制，因此在頻率的調(diào)節(jié)范圍、變頻后電動機特性的改善等方面都具有明顯的優(yōu)勢，目前使用最多的變頻器均為交—直—交變頻器。根據(jù)直流環(huán)節(jié)的儲能方式不同，交—直—交變頻器又分為電壓型和電流型兩種。電壓型變頻器是指變頻器整流后是由電容來濾波，現(xiàn)在使用的交—直—交變頻器大局部為電壓型變頻器。電流型變頻器是指變頻器整流后是由電感元件來濾波，目前少見。根據(jù)調(diào)壓方式不同，交—直—交變頻器又分成脈幅調(diào)制型和脈寬調(diào)制型兩種。脈幅調(diào)制是指變頻器輸出電壓大小是通過改變直流電壓大小來實現(xiàn)的，常用PAM表示。這種調(diào)壓方式很少使用。脈寬調(diào)制是指變頻器輸出電壓大小是通過改變輸出脈沖的占空比來實現(xiàn)的，常用PWM表示。目前使用最多的占空比按正弦規(guī)律變化的正弦脈寬調(diào)制，即SPWM方式。3.2變頻器的主電路變頻器的主電路包括整流電路、濾涉及限流電路、直流中間電路、逆變電路和能耗制動電路等局部組成，其中整流電路和逆變電路是很重要的兩局部，下面簡單介紹一下整流電路和逆變電路。1)．整流電路一般的三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成。它的主要作用是對工頻的外部電源進行整流，并給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。整流電路按其控制方式，可以是直流電壓源，也可以是直流電流源。直流中間電路的作用是對整流電路的輸出進行平滑，以保證逆變電路和控制電源能夠得到質(zhì)量較高的直流電源。此外，由于電動機制動的需要，在直流中間電路中有時還包括制動電阻以及其它輔助電路。2)．逆變電路逆變電路是變頻器主要的局部之一。它是利用六個半導體開關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中的主開關(guān)元器件的通與斷，得到任意頻率的三相交流電輸出。由于逆變器的負載為異步電動機，屬感性負載，無論電動機處于拖動狀態(tài)還是發(fā)電制動狀態(tài)，變頻器功率因素總不會為1。因此，在直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的交換，這種無功能量就靠這之間直流環(huán)節(jié)的儲能元件來緩沖。它的主要作用是在控制電路的控制下，將平滑電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，它被用來實現(xiàn)對異步電動機的調(diào)速控制。3.3變頻器的控制電路變頻器控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、門極驅(qū)動電路、外部接口電路以及保護電路等幾個局部，是變頻器的核心局部?？刂齐娐返膬?yōu)劣決定了變頻器性能的優(yōu)劣?？刂齐娐返闹饕饔檬峭瓿蓪δ孀兤鏖_關(guān)控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能。3.4脈寬調(diào)制型(PWM)變頻器1)在一般的交直交變頻器供電的變壓、變頻調(diào)速中，為獲得變頻調(diào)速所要求的變頻與變壓的協(xié)調(diào)控制，整流器必須是可控整流，這樣在變頻調(diào)速時要同時控制整流器和逆變器，這就帶來一系列的問題。首先是主電路中有兩個可控功率環(huán)節(jié)，這樣使系統(tǒng)比擬復雜；第二由于中間環(huán)節(jié)存在動態(tài)元件，使系統(tǒng)的動態(tài)響應緩慢；第三由于整流器是可控的，使控電電源的功率因數(shù)隨變頻裝置輸出頻率的降低而變差，并產(chǎn)生高次諧波電源；第四逆變器輸出為六拍階梯波交變電壓，在拖動電動機中形成較多的各次諧波，從而產(chǎn)生較大的脈動轉(zhuǎn)矩，影響電動機的穩(wěn)定工作，低速時尤為嚴重。為解決上述問題，采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制方式。圖3-1為PWM逆變器示意圖，在該逆變器電路中，同時進行輸出電壓幅值與頻率的控制，滿足變頻調(diào)速對電壓與頻率協(xié)調(diào)控制的要求。這樣，首先使主電路只有一個可控的功率環(huán)節(jié)，簡化了結(jié)構(gòu)；第二使用了不可控整流器，使電網(wǎng)功率因數(shù)與逆變器輸出電壓的大小無關(guān)而接近1；第三逆變器在調(diào)節(jié)的同時實現(xiàn)調(diào)壓，而與中間直流環(huán)節(jié)的元件參數(shù)無關(guān)，加快了系統(tǒng)的動態(tài)響應；第四可獲得比常規(guī)六拍階梯波更好的輸出電壓波形，能抑制或消除低次諧波，使負載電動機可在近似正弦波的交變電壓下運行，轉(zhuǎn)矩脈沖小，大大擴展了拖動系統(tǒng)的調(diào)速范圍，提高了系統(tǒng)性能。圖3-1PWM逆變器組成2)脈寬調(diào)制器的根本工作原理脈寬調(diào)制是將輸出電壓分解成很多的脈沖，調(diào)頻時控制脈沖的寬度和脈沖間的間隔時間就可控制輸出電壓的幅值，如圖3-2所示。從圖中可以看到，脈沖的寬度越大，脈沖的間隔越小，輸出電壓的平均值就越大。為了說明、和電壓平均值之間的關(guān)系，我們引入了占空比的概念。所謂占空比是指脈沖寬度與一個脈沖周期比值，用表示，即。因此，可以說輸出電壓的平均值與占空比成正比，調(diào)節(jié)電壓輸出就可以演化為調(diào)節(jié)脈沖的寬度，所以稱為脈寬調(diào)制。圖3-2a為調(diào)制前的波形，電壓周期為，圖3-2b為調(diào)制后的波形，電壓周期為。與a圖相比，b圖的電壓周期增大(也就是說頻率降低)，電壓脈沖的幅值不變，仍為，而占空比那么減小，故平均電壓降低。a)調(diào)制前的波形b)調(diào)制后的波形圖3-2脈寬調(diào)制的輸出電壓由于變頻器的輸出是正弦交流電，即輸出電壓的幅值是按正弦波規(guī)律變化，因此在一個周期內(nèi)的占空比也必須是變化的，也就是說在正弦波的幅值局部，取大一些，在正弦波到達零處，取小一些，如圖3-3所示?？梢钥吹竭@種脈寬調(diào)制，其占空比是按正弦規(guī)律變化的，故這種調(diào)制方法叫正弦波脈寬調(diào)制，即SPWM。圖3-3正弦波脈寬調(diào)制的輸出電壓SPWM的脈沖系統(tǒng)中，各脈沖的寬度t1和脈沖的間隔t2都是變化的。為了說明其調(diào)制原理，見圖3-4PWM逆變器簡單原理圖，圖中V1~V6為絕緣柵雙極晶體管，由他們的交替切換來獲得交流信號的輸出。當V1導通時，在A相負載上得到的電壓與V2導通時在A相負載上得到的電壓方向相反。因此，V1、V2的輪流導通就可得到A相交流電壓的正、負半周。同時，其他管子的導通亦可得到三相交流電的B相和C相。在變頻器中，V1、V2的導通、截止是由調(diào)制波和載波的交點來決定的。在這里，把希望得到的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到期望的PWM波形。圖3-4PWM逆變器簡單原理圖3)單極性SPWM在單極性的調(diào)制方式中，調(diào)制波為正弦波載波為單極性的等三角形，即調(diào)制波為正半周時，載波為正極性的三角波，調(diào)制波為負半周時，載波為負極性的三角波，如圖3-5所示(僅畫出了正半周)。V1、V2的導通、關(guān)斷條件可用表3-5表示(以A相為例)。正半周V1導通V2截止正半周V1關(guān)斷V2截止負半周V2導通V1截止負半周V2關(guān)斷V1截止表3-5單極性SPWM調(diào)制規(guī)律a當<時，逆變管V1、V2導通，決定了SPWM系列脈沖的寬度；當<時，逆變管V1、V2截止，決定了SPWM系列脈沖的間隔寬度。圖3-6單極性SPWM調(diào)制假設降低調(diào)制波的幅值，見圖3-6中的，各段脈沖的寬度將變窄，從而使輸出電壓的幅值也相應減少。b每半個周期內(nèi)逆變橋同一橋臂的兩個逆變管中，只有一個按規(guī)律時通時斷地工作，另一個那么完全截止。而在另一個周期內(nèi)，兩個管子的工作情況正好相反，于是流經(jīng)負載的電流為正負交替的交變電流了。由此可見，單極性SPWM逆變器的輸出交流電壓和頻率均可由調(diào)制波電壓來控制。只要改變的幅值，就改變了輸出電壓的大小；而改變的頻率，輸出電壓的頻率也隨之改變。由于控制對象只有一個，所以控制電路相對要簡單。4)雙極性脈寬調(diào)制假設調(diào)制波信號與載波信號均為雙極性信號，即在的半個周期內(nèi)，三角形載波是在正、負兩個方向變化的，稱為雙極性脈寬調(diào)制，這種調(diào)制方法是目前使用最多的方法。在雙極性SPWM方法中，所用的調(diào)制信號未可變頻變幅的三相對稱普通正弦波、、，其載波信號為雙極性三角波，如圖3-7a所示?，F(xiàn)仍以A相為例，說明雙極性脈寬調(diào)制原理。a雙極性SPWM調(diào)制規(guī)律：不分正、負半周，>時，V1導通，V2截止，輸出為正，即為的正脈沖寬度；<時，V2導通，V1截止，輸出為負，即為的負脈沖寬度，見圖3-7b同理可畫出、的輸出波形，見圖3-7c與圖3-7d。b調(diào)制波和載波的交點決定了逆變橋輸出相電壓的脈沖系列，此脈沖系列也是雙極性的，如圖3-7b所示。由于線電壓=-，所以線電壓的脈沖是單極性的，如圖3-7e所示。c逆變橋在工作時，同一橋臂的兩只管子不停地交替導通、關(guān)斷而流過負載電流是按現(xiàn)電壓規(guī)律的交變電流。圖3-7雙極性SPWM調(diào)制波形第4章可編程序控制器4.1可編程控制器的產(chǎn)生隨著社會的開展，科技的進步，新的控制器件及其控制系統(tǒng)不斷的涌現(xiàn)。1968年美國通用汽車公司(GM)公開招標研制功能更強，使用更方便，價格廉價，可靠性更高的新型控制器。一年后美國數(shù)字設備公司(DEC)根據(jù)GM公司的招標要求，研制成功世界上第一臺可編程序控制器，型號PDP-14，并在GM公司汽車生產(chǎn)線上首次應用成功。這就較好地把繼電接觸控制簡單易懂，使用方便、價格低等優(yōu)點與計算機功能完善、靈活性強、通用性好的優(yōu)點結(jié)合起來，并將繼電接觸控制的硬連線邏輯轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C的軟件邏輯編程的設想逐步變成為現(xiàn)實。當時人們把第一臺可編程控制器叫做可編程序邏輯控制器PLC，只是用來取代繼電接觸控制，僅有執(zhí)行繼電器邏輯、定時、記數(shù)等較少的功能。20世紀70年代中期出現(xiàn)了微處理器和微型計算機，人們把微型計算機應用到可編程控制器中，使得它兼有計算機的一些功能，不但用邏輯編程取代了硬連線邏輯，還增加了運算、數(shù)據(jù)傳送與處理及對模擬量進行控制等功能，使之真正成為一種電子計算機工業(yè)控制設備。1980年美國電氣制造協(xié)會簡稱NEMA)把這種新的控制設備正式命名為可編程程序控制器(ProgrammableController簡稱PC)。但為了與個人計算機的專稱PC相區(qū)別，故常常把可編程序控制器簡稱為PLC。4.1.2可編程序控制器的主要功能近年來PLC把自動化技術(shù)、計算機和通信技術(shù)融為一體。它可完成以下主要功能：1)邏輯控制2〕定時控制3)記數(shù)控制4)步進控制5)A/D、D/A轉(zhuǎn)換6)數(shù)據(jù)處理7)通信與聯(lián)網(wǎng)8)對控制系統(tǒng)監(jiān)控可以預料，隨著科學技術(shù)的不斷開展，PLC的功能也會不斷拓寬和增強。4.1.3PLC的主要優(yōu)點1)編程簡單PLC的根本指令不多；編程器的使用簡便；對程序進行增減、修改和運行監(jiān)視很方便。2)可靠性高PLC是專門為工業(yè)控制而設計的，在設計與制造過程中均采用了諸如屏蔽、濾波、隔離、無觸點、精選元器件等多層次有效的抗干擾措施。此外，PLC還具有很強的自診斷功能，可以迅速方便地檢查判斷出故障，縮短檢修時間。3)通用性好PLC品種多，檔次也多，可由各種組件靈活組合成不同的控制系統(tǒng)，以滿足不同的控制要求。同一臺PLC只能改變軟件那么可實現(xiàn)控制不同對象或不同的控制要求。在構(gòu)成不同的PLC的控制系統(tǒng)時，只需在PLC的輸入輸出端子上接上不同的相應的輸入輸出信號，PLC就能接收輸入信號和輸出控制信號。4)功能強PLC具有很強的功能，能進行邏輯、定時、計數(shù)和步進等控制，能完成A/D與D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和通信聯(lián)網(wǎng)等功能。而且PLC技術(shù)開展很快，功能不斷增強，應用領(lǐng)域會更廣。5)使用方便PLC體積小，重量輕，便于安裝。PLC編程簡單，編程器使用簡便。PLC自診斷能力強，能判斷和顯示出自身故障，使操作人員檢查判斷故障方便迅速，而且接線少，維修時只需更換插入式模塊，維護方便。修改程序和監(jiān)視運行狀態(tài)也容易。6)設計、施工和調(diào)試周期短PLC在許多方面是以軟件編程來取代硬件接線，用PLC構(gòu)成的控制系統(tǒng)比擬簡單，編程容易，安裝使用方便，目前的PLC已商品化，硬件軟件較齊全，為模塊化積木式結(jié)構(gòu)，不需要很多配套的外圍設備和大量的復雜的接線，程序調(diào)試修改也很方便。因此可大大縮短PLC控制系統(tǒng)的設計、施工和投產(chǎn)周期。從上述PLC的功能特點可見，在許多方面可以取代繼電接觸控制。但是PLC也有其缺點：目前價格還比擬高；工作速度比計算機慢；使用中檔和高檔PLC，要求使用者具有相當?shù)挠嬎銠C知識；PLC制造廠家和PLC品種類型很多，而指令系統(tǒng)和使用方法不盡相同，這給用戶帶來不便。4.1PLC的應用與開展和系統(tǒng)組成目前PLC廣泛應用于汽車制造、石油、化工、冶金、輕工、機械、電力等各行各業(yè)，實現(xiàn)邏輯、步進、數(shù)字、機器人、模擬量等的自動控制。我國研制與應用PLC起步較晚，1973年開始研制，1977年開始應用，20世紀80年代初期以前開展較慢，20世紀80年代隨著成套設備或?qū)Ｓ迷O備引進了不少PLC。近幾年來國外PLC產(chǎn)品大量進入我國市場，我國已有許多單位在消化吸收引進PLC技術(shù)的根底上，仿制或研制PLC產(chǎn)品。20世紀80年代中后期，我國開發(fā)應用PLC技術(shù)開展迅速，目前PLC開展方向主要是朝著小型化、廉價化、標準化、系列化、智能化、高速化、大容量化、網(wǎng)絡化方向開展，這將使PLC功能更強，可靠性更高，使用更方便，適用面更廣。PLC是一種通用的工業(yè)控制裝置，其組成與一般的微機系統(tǒng)根本相同。按結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC可分為整體式和組合式。1)中央處理單元(CPU)中央處理單元一般由控制器、運算器和存放器組成，這些電路都集成在一個芯片內(nèi)，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。它是PLC的運算、控制中心。2)存儲器根據(jù)存儲器在系統(tǒng)中的作用，可以把它們分為以下3種：a系統(tǒng)程序存儲器b用戶程序存儲器c工作數(shù)據(jù)存儲器3)I/O單元I/O單元也稱為I/O模塊。PLC通過I/O單元與工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)場相聯(lián)系。輸入單元接收用戶設備的各種控制信號，如限位開關(guān)、操作按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)以及其他一些傳感器的信號。通過接口電路將這些信號轉(zhuǎn)換成中央處理器能夠識別和處理的信號，并存到輸入映像存放器。運行時CPU從輸入映像存放器讀取輸入信息并進行處理，將處理結(jié)果放到輸出映像存放器。輸出映像存放器由輸出點對應的觸發(fā)器組成，輸出接口電路將其由弱電控制信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強電信號輸出，以驅(qū)動電磁閥、接觸器、指示燈被控設備的執(zhí)行元件。4)電源局部PLC一般使用220V的交流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源為PLC的中央處理器、存儲器等電路提供5V，+12V，+24V的直流電源，使PLC能正常工作，電源部件的位置形式可有多種，對于整體式結(jié)構(gòu)的CPU，通常電源封裝到機殼內(nèi)部：對于模塊式PLC，有的采用單獨電源模塊，有的將電源與CPU封裝到一個模塊中。5)擴展接口擴展接口用于將擴展單元以及功能模塊與根本單元相連，使PLC的配置更加靈活以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。6)通信接口為了實現(xiàn)“人一機”或“機一機”之間的對話，PLC配有多種通信接口。PLC通過這些通信接口可以與監(jiān)視器、打印機和其他的PLC或計算機相連。當PLC與打印機相連時，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打??；當與監(jiān)視器(CRT)相連時，可將過程圖像顯示出來；當與其他PLC相連時，可以組成多機系統(tǒng)或連成網(wǎng)路，實現(xiàn)更大規(guī)模的控制；當與計算機相連時，可以組成多級控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制與管理相結(jié)合的綜合性控制。7)編程器編程器的作用是提供用戶進行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。編程器有簡易型和智能型兩類。簡易型的編程器只能聯(lián)機編程，且往往需要將體形圖轉(zhuǎn)化為機器語言助記符后，才能輸入。它一般由簡易鍵盤和發(fā)光二級管或其他顯示管件組成。智能型的編程器又稱為圖形編程器，它可以聯(lián)機編程，也可以脫機編程，具有LCD或CRT圖形顯示功能，可以直接輸入梯形圖和通過屏幕對話。還可以利用PC作為編程器，PLC生產(chǎn)廠家配有相應的編程軟件，使用編程軟件可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、語句表、功能塊圖和順序功能圖程序，井可以實現(xiàn)不同編程語言的互相轉(zhuǎn)換。程序被下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計算機。程序可以存盤或打印，通過網(wǎng)絡，還可以實現(xiàn)遠程編程和傳送。現(xiàn)在已有些PLC不再提供編程器，而且提供微機編程軟件了，并且配有相應的通信連接電纜。4.2PLC的工作原理、抗干擾分析及設計PLC的CPU采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，PLC采用的是不同于一般微型計算機的運行方式一掃描技術(shù)，PLC掃描用戶程序的時間一般均小于100ｍｓ。PLC的掃描工作過程一般分為3個階段1)．輸入采樣階2)．用戶程序執(zhí)行階段3)．輸出刷新階段。完成上述3個階段稱作1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執(zhí)行上述3個階段。隨著科學技術(shù)的開展，PLC在工業(yè)控制中的應用越來越廣泛。PLC控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到工業(yè)企業(yè)的平安生產(chǎn)和經(jīng)濟運行，系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵。PLC控制系統(tǒng)的干擾源大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位，這些電荷劇烈移動的部位就是噪聲源。它主要的干擾有：(1)空間的輻射干擾(2)系統(tǒng)外引線的干擾(3)電源的干擾(4)信號線引入的干擾(5)接地系統(tǒng)混亂時的干擾(6)來自PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾為了保證系統(tǒng)在工業(yè)電磁環(huán)境中免受或減少內(nèi)外電磁干擾，必須從設計階段開始便采取三個方面抑制措施：抑制干擾源、切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑和提高裝置和系統(tǒng)的抗干擾能力。這三點就是抑制電磁干擾的根本原那么。PLC控制系統(tǒng)的抗干擾是一個系統(tǒng)工程，要求制造單位設計生產(chǎn)出具有較強抗干擾能力的產(chǎn)品，且有賴于使用部門在工程設計、安裝施工和運行維護中予以全面考慮，并結(jié)合具有情況進行綜合設計，才能保證系統(tǒng)的電磁兼容性和運行可靠性。主要抗干擾措施1)采用性能優(yōu)良的電源，抑制電網(wǎng)引入的干擾2)電纜選擇的敖設3)硬件濾涉及軟件抗干擾措施4)正確選擇接地點，完善接地系統(tǒng)第5章調(diào)速控制系統(tǒng)設計和部件選型5.1橋式起重機拖動系統(tǒng)的構(gòu)成橋式起重機俗稱行車，是工礦企業(yè)中應用得十分廣泛的一種起重機。其運行機構(gòu)由三個根本獨立的拖動系統(tǒng)構(gòu)成：1)大車拖動系統(tǒng)拖動整臺起重機順著車間作“橫向”運動(以操作者的坐標為準)。2)小車拖動系統(tǒng)拖動吊鉤及重物順著橋架作“縱向”運動。3)吊鉤拖動系統(tǒng)拖動重物作吊起或放下的上、下運動。5.1.2橋式起重機的負荷特點和對拖動系統(tǒng)的要求1)負荷特點各拖動系統(tǒng)負荷轉(zhuǎn)矩都與“阻力”和回轉(zhuǎn)半徑的乘積成正比：=(5-1)在大車和小車拖動系統(tǒng)中，是摩擦力，而在吊鉤拖動系統(tǒng)中，是被吊物和吊鉤的重力。由式5-1可知，負載轉(zhuǎn)矩的大小與速度無關(guān)，因而具有“恒轉(zhuǎn)矩”的特點。2)對拖動系統(tǒng)的要求大車和小車對拖動系統(tǒng)的要求較為一般，這里重點介紹對吊鉤拖動系統(tǒng)的要求。a在全調(diào)速范圍內(nèi)，電動機的有效轉(zhuǎn)矩線應是恒轉(zhuǎn)矩的；b起動時，除上述負載轉(zhuǎn)矩外，還必須克服靜摩擦力。所以，拖動系統(tǒng)應有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩；c重物下降時，除空鉤和極輕負載外，在絕大多數(shù)情況下，都是依靠自身的重力而下降的。為了克服重物因重力加速度而不斷加速，電動機必須產(chǎn)生足夠的制動轉(zhuǎn)矩，使重物在所需轉(zhuǎn)速下平穩(wěn)下降；d重物在空中停住的前后，不能發(fā)生“溜鉤”。5.1.3原拖動系統(tǒng)的主電路原拖動系統(tǒng)的主電路如圖5—2所示，其主要特點是：1)選用電動機大多采用繞線轉(zhuǎn)子異步電動機；2)調(diào)速方法在電動機的轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串入五段外接電阻R1~R5(也有七段或更多)，由接觸器KM1~KM4的狀態(tài)來決定串入電阻的多少，從而調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速上下；3)制動方法采用電磁制動器進行機械制動。圖5-2原拖動系統(tǒng)的主電路5.1采用變頻調(diào)速的根本考慮5.1.1主拖動系統(tǒng)1)電動機選型a大車與小車變頻調(diào)速專用電機b吊鉤用電動機由于要求較高，應選用變頻專用的籠型轉(zhuǎn)子異步電動機；2)制動方法采用再生制動、直流制動和電磁機械制動相結(jié)合的方法。a首先，通過變頻調(diào)速系統(tǒng)的再生制動和直流制動把運動中的大車、小車或吊鉤迅速而準確地將轉(zhuǎn)速降為0(使它們停住)；b對于吊鉤，常常需要重物在半空中停留一段時間(如重物在空中平移時)，而變頻調(diào)速系統(tǒng)雖然能使重物停住，但因容易受到外界因素的干擾(如在平移過程中常易出現(xiàn)的瞬間斷電)，可靠性較差。因此，利用電磁制動器進行機械制動仍然是必須的。5.1.2對電動機運行狀態(tài)的分析大車與小車拖動系統(tǒng)的運行狀況與普通負載無異，本節(jié)只分析吊鉤拖動系統(tǒng)的各種運行狀態(tài)。1)空鉤(包括極輕負載)運行由于吊鉤的機械系統(tǒng)采用了蝸輪蝸桿減速，具有自鎖功能，故空鉤時的負載轉(zhuǎn)矩主要由摩擦阻力構(gòu)成。a上升運行重物的上升，完全是電動機正向轉(zhuǎn)矩作用的結(jié)果。這時，電動機的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)矩方向相同，電動機處于電動狀態(tài)，其機械特性在第I象限，工作點如圖5-3中的A點(高速)與B點(低速)所示。b下降運行由于蝸輪蝸桿自鎖的原因，空鉤及輕載時是無法靠自重放鉤的，故下降運行只能通過反接電源來實現(xiàn)。電動機的旋轉(zhuǎn)方向仍與轉(zhuǎn)矩方向相同，但方向反了，其機械特性在第3象限，工作點如圖5-3中的C點(高速)與D點(低速)所示。圖5-3不同狀態(tài)下電動機的工作點2)重載運行負載加重時，工作點將右移。a上升運行工作點右移至點和點。b下降運行工作點右移至第4象限，如圖5-3中的點(高速)與點(低速)所示。這時，由于重力加速度的原因，電動機的旋轉(zhuǎn)速度將超過同步轉(zhuǎn)速而進入再生制動狀態(tài)。電動機的旋轉(zhuǎn)方向是反轉(zhuǎn)(下降)的，但其轉(zhuǎn)矩的方向卻與旋轉(zhuǎn)方向相反，是正方向的，其作用是防止重物不斷下降，故重量相同的重物在下降時構(gòu)成的負載轉(zhuǎn)矩比上升時小。5.2.3變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制要求橋式起重機拖動系統(tǒng)的控制動作包括：大車的左、右行；小車的前、后行；吊鉤的升、降等。所用這些，都可以通過可編程控制器(PLC)進行無觸點控制。橋式起重機控制系統(tǒng)中需要引起注意的是關(guān)于防止溜鉤的控制。在電磁制動器抱閘之前和松開之后的瞬間，極易發(fā)生重物由停住狀態(tài)下滑的現(xiàn)象，稱為溜鉤。防止溜鉤的控制需要注意的關(guān)鍵問題是：1)電磁制動器在通電到松開(或從斷電到抱閘)之間是需要時間的，約0.6s(視型號和大小而定)。因此，變頻器如過早停止輸出，將容易溜鉤；2)變頻器必須防止在電磁制動器抱情閘況下輸出較高頻率，以免發(fā)生因“過流”而跳閘的誤動作。為此，具體控制方法如下：1)重物停住的控制過程如圖5-4所示：圖5-4重物停住的控制過程a設定一個“停止起始頻率”，當變頻器的工作頻率下降到時，變頻器將輸出一個“頻率到達信號”。發(fā)出制動電磁鐵斷電指令；b設定一個的維持時間，的長短應略大于制動電磁鐵從開始釋放到完全抱閘所需要的時間；c變頻器將工作頻率下降至0。2)重物升降的控制過程a設定一個“升降起始頻率”，當變頻器的工作頻率上升到時，將暫停上升。為了確保當制動電磁鐵松開后，變頻器已能控制重物的升降到不會溜鉤，所以，在工作頻率達的同時，變頻器將開始檢測電流，并設定檢測電流所需時間；b當變頻器確認已經(jīng)有足夠大的輸出電流時，將發(fā)出一個“松開指令”，使制動電磁鐵開始通電；c設定一個的維持時間，的長短應略大于制動電磁鐵從通電到完全松開所需要的時間；d變頻器將工作頻率上升至所需頻率。上述過程如圖5-5所示：圖5-5重物升降的控制過程3)變頻器的零速全轉(zhuǎn)矩功能和直流強勵磁功能為了有效地防止溜鉤，某些新型變頻器設置了一些獨特的制動功能，如：a零速全轉(zhuǎn)矩功能變頻器可以在速度為0的狀態(tài)下，保持電動機有足夠大的轉(zhuǎn)矩，且不需要速度反響裝置。這一功能保證了吊鉤由升降狀態(tài)降速為0時，電動機能夠使重物在空中停止，直到電磁制動器將軸抱住為止，從而防止了溜鉤。b啟動前的直流強勵磁功能變頻器可以在啟動前自動進行直流強勵磁。使電動機有足夠大的轉(zhuǎn)矩(可達額定轉(zhuǎn)矩的200%)維持重物在空中的停住狀態(tài)，以保證電磁制動器在釋放過程中不會溜鉤。5.1.3橋式起重機采用變頻調(diào)速的優(yōu)點1)工作可靠性顯著提高主要有以下幾個方面：a消除了電動機的薄弱環(huán)節(jié)由于用籠型轉(zhuǎn)子異步電動機取代了繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，從而消除了電刷和滑環(huán)等薄弱環(huán)節(jié)。b制動電磁鐵的壽命可大大延長原拖動系統(tǒng)是在運動的狀態(tài)下進行抱閘的，采用變頻調(diào)速后，可以在根本停住的狀下進行抱閘，閘皮的磨損情況將大為改善；c操作手柄不再易損原系統(tǒng)的操作手柄因受力較大，屬于易損件。采用變頻調(diào)速后，操作手柄的受力將很小，不易損壞；d控制系統(tǒng)的故障率大為下降原系統(tǒng)是十分復雜的接觸繼電器系統(tǒng)進行控制的，故障率較高。采用了變頻調(diào)速系統(tǒng)后，控制系統(tǒng)可大大簡化，可靠性大為提高。2)節(jié)能效果十分可觀繞線轉(zhuǎn)子異步電動機在低速運行時，轉(zhuǎn)子回路的外接電阻內(nèi)將消耗大量電能。采用了變頻調(diào)速系統(tǒng)后，非但外接電阻內(nèi)消耗的大量電能可以完全節(jié)約，并且在吊鉤放下重物時，還可以將重物釋放的位能反響給電源。3)調(diào)速質(zhì)量明顯提高采用了變頻調(diào)速系統(tǒng)后，調(diào)速比可達1：50以上，調(diào)速精度達1%。且調(diào)速平穩(wěn)，能夠長時間低速運行，具有很高的定位精度和運行效率。4)可簡化傳動鏈由于可以進行無級調(diào)速，從而在機械上省去了非標設計的減速箱，使傳動鏈結(jié)構(gòu)簡單，設計標準化。5.3橋式起重機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)本次設計是為10t橋式起重機設計一套變頻調(diào)速系統(tǒng)，在設計中，其大、小車運行機構(gòu)及提升機構(gòu)均采用變頻調(diào)速，并應用可編程序控制器(PLC)進行信號協(xié)調(diào)和邏輯控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5-6所示：圖5-6系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5.3.1主要技術(shù)規(guī)格起重量10t；2)起升速度1.8/0.18m/min；3)運行速度23.5/4m/min；5.3.2對調(diào)速系統(tǒng)的主要技術(shù)要求1)起升機構(gòu)的調(diào)速比為1:10；大車運行機構(gòu)的調(diào)速比為1:6；小車運行機構(gòu)的調(diào)速比為1:4。2)系統(tǒng)在整個調(diào)速范圍內(nèi)，從空載到滿載，必須做到工作正常、運行平穩(wěn)。各機構(gòu)正、反向工作的轉(zhuǎn)換時間應小于2s。3)起升機構(gòu)在不同負載下，各檔轉(zhuǎn)速在切換時無沖擊現(xiàn)象；額定載荷時各檔次切換時的溜鉤距離不得超過額定上升速度的1/65。4)起升機構(gòu)應保證能起吊1.25倍額定載荷的重物，能在空中停住，且不溜鉤。5)從全速運行到完全停住的制動時間：起升機構(gòu)不大于2s；大車不大于3s；小車不大于2s。5.3.3系統(tǒng)配置及選型1)電動機的選型提升機構(gòu)那么選用YTP系列變頻調(diào)速專用電機，其主要特點如下：a對定、轉(zhuǎn)子槽形和定子繞組的分布作了特殊考慮可抑制高次諧波的影響。b電磁負荷設計考慮了一定的裕度，既能保證電機在高頻時的過載能力，又能在低頻時有恒轉(zhuǎn)矩的輸出。c使用F級絕緣系統(tǒng)，在高次諧波作用下仍可保證可靠絕緣。d采用獨特的冷卻結(jié)構(gòu)，使用單獨的軸流風機強迫通風，從而保證了電機在低速恒轉(zhuǎn)矩運行時溫升不超過允許值。e能承受160%額定轉(zhuǎn)矩、歷時1min的過載；堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大于額定轉(zhuǎn)矩的1.25倍。f可安裝旋轉(zhuǎn)編碼器等速度反響器件，實現(xiàn)閉環(huán)運行。2)變頻器的選型某些公司已有針對起重機的專用變頻器，但價格昂貴。本次設計選用的是西門子MM440系列變頻器，該變頻器具有如下特點：a有全程磁通矢量控制。在1Hz的低頻下，即使無速度反響環(huán)節(jié)，也能提供150%額定轉(zhuǎn)矩的啟動轉(zhuǎn)矩。如增加速度反響環(huán)節(jié)，可以做到零速控制(即使在零速下也有150%額定轉(zhuǎn)矩輸出)。b可配備制動單元，實現(xiàn)四象限運行，而且動態(tài)響應好。c在全速范圍內(nèi)具有恒轉(zhuǎn)矩特性。無速度反響時，速比為1000:1，控制精度為0.2%；有速度反響時，速比達1000:1，控制精度為0.02%，完全滿足要求。綜合上述，選定各傳動機構(gòu)的配置見表4-6。表5-6變頻調(diào)速系統(tǒng)的配置變頻器型號電機型號〔容量/kW〕備注起升機構(gòu)6SE6440-2AD31-5DA1YTP160L-4(15)變頻調(diào)速專用電機大車6SE6440-2AD31-5DA1YTP132M-4(25.5)變頻調(diào)速專用電機小車6SE6440-2AD25-5CA1YTP132M-4(5.5)變頻調(diào)速專用電機5.3.4系統(tǒng)介紹1)大、小車運行機構(gòu)見表5-6，小車由單臺電動機拖動，并由單獨得變頻器供電；大車為雙梁結(jié)構(gòu)，分別用兩臺5.5kW的電動機拖動，由一臺功率較大的變頻器15kW供電。大、小車變頻器都預置V/F控制方式，不帶旋轉(zhuǎn)編碼器。2)起升機構(gòu)起升機構(gòu)用變頻調(diào)速專用電機。變頻器可以實現(xiàn)無測速調(diào)速并預置為恒矢量控制方式。3)制動單元與制動電阻本系統(tǒng)對于重物下降時電動機再生電能，采用由變頻器直流回路內(nèi)接入制動單元和制動電阻消耗掉的方式。針對橋式起重機的起升機構(gòu)起、制動頻繁，要求制動轉(zhuǎn)矩較大，以及下降時處于制動狀態(tài)的持續(xù)時間較長等特點，因此：a制動單元應加大一個檔次，以便允許有較大的制動電流，縮短制動過程；b制動電阻的額定功率應加大一倍。4)溜鉤的防止本系統(tǒng)中，由于變頻器具有零速下的轉(zhuǎn)矩控制功能，故只需通過PLC和變頻器之間信號的適當配合，即可圓滿解決溜鉤問題。第6章橋式起重機變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件設計6.1S7-200PLC網(wǎng)絡的通信協(xié)議6.1.1S7-200PLC網(wǎng)絡的通信協(xié)議的種類S7-200CPU支持多種通信協(xié)議。根據(jù)所使用的S7-200CPU，網(wǎng)絡可以支持一個或多個協(xié)議，包括通用協(xié)議和公司專用協(xié)議。專用協(xié)議包括點到點(point-to-point)接口協(xié)議(PPI)、多點(Multi-Point)接口協(xié)議(MPI),Profibus協(xié)議、自由通信協(xié)議和USS協(xié)議。1.PPI協(xié)議PPI通信協(xié)議是西門子專門為S7-200系列PLC開發(fā)的一個通信協(xié)議。主要應用于對S7-200的編程、S7-200之間的通信以及S7-200與HMI產(chǎn)品的通信?？梢酝ㄟ^PC/PPI電纜或兩芯屏蔽雙絞線進行聯(lián)網(wǎng)。支持的波特率分別為9.6KB/s,19.2KB/s和187.5KB/s。PPI是一個主/從協(xié)議，在這個協(xié)議中，S7-200一般作為從站，自己不能發(fā)送信息，只有當主站，如西門子編程器、TD200等HMI，給從站才進行響應。2.Profibus協(xié)議Profibus協(xié)議通常用于實現(xiàn)分布式I/0設備(遠程式I/0)的高速通信。許多廠家生產(chǎn)類型眾多的Profibus設備。這些設備包括從簡單的輸入或輸出模塊到電機控制器和可編程控制器。S7-200CPU可以通過EM277Profibus-DP擴展的方法連接到Profibus-DP協(xié)議支持的網(wǎng)絡中。協(xié)議支持的波特率為9600KB/s到12MB/s。3.USS協(xié)議USS通信協(xié)議是西門子專門為S7-200系列PLC開發(fā)的一個通信協(xié)議。主要應用于對S7-200之間的通信以及S7-200與變頻器產(chǎn)品的通信。可以通過485電纜或兩芯屏蔽雙絞線進行聯(lián)網(wǎng)。支持的波特率分別為9.6KB/s,12.4KB/s。USS是一個主/從協(xié)議，在這個協(xié)議中，S7-200一般作為主站，變頻器自己不能發(fā)送信息，只有當S7-200主站發(fā)信息給從站，從站才進行響應。6.2PLC程序設計6.2.1PLC編程軟件概述S7-200的編程語言是STEP7-micro/win32，它是用于S7-200系列PLC進行編程、調(diào)試的全新軟件，它是在國際標準工EC1131-3的根底上建立的，可以用LAD,FBD和STL來編程。STEP7--micro/win32軟件的一個特點是調(diào)試功能很強大，不僅能在線讀取數(shù)據(jù)，而且能在線修改正程數(shù)據(jù)，對于調(diào)試大型復雜控制程序非常有效。STEP7-micro/win32軟件還附帶一些控制程序模塊，如PID調(diào)節(jié)模塊，這些模塊可以從主控制程序中直接調(diào)用，以便實現(xiàn)不同的功能。STEP7-micro/win32軟件工具包采用模塊化的程序設計方法，它采用文件塊的形式管理用戶編寫的程序及程序運行所需的數(shù)據(jù)。該工具軟件包為S7-200CPU與其它系統(tǒng)部件(如觸摸屏、變頻器)的使用提供了便利。6.2.2程序設計在本系統(tǒng)中，PLC程序設計的主要任務是接受外部開關(guān)信號(按鈕、繼電器)的輸入，判斷當前的系統(tǒng)狀態(tài)以及輸出信號去控制接觸器、繼電器等器件，以完成相應的控制任務。除此之外，另一個任務就是接受上位機的控制命令，以進行自動采樣。PLC的軟件設計局部我們采用模塊化的方法，PLC程序設計共有三個模塊:按鈕處理模塊、通信模塊、故障報警模塊?！惨弧嘲粹o模塊按鈕模塊主要處理各電機和電磁閥的啟?？刂迫鐖D6-1Big_LeftI0.0大車左進Big_StopI0.1大車停止Big_RightI0.2大車右進Big_leftRingI0.3大車左限位報警Big_rightRingI0.4大車右限位報警Big_leftLimitI0.5大車左限位停車Big_rightLimitI0.6大車右限位停車Big_PowerI0.7大車電源關(guān)斷Small_LeftI1.0小車左進Small_StopI1.1小車停止Small_RightI1.2小車右進Small_leftRingI1.3小車左限位報警Small_rightRingI1.4小車右限位報警Small_leftLimitI1.5小車左限位停車Small_rightLimitI1.6小車右限位停車Small_PowerI1.7小車電源關(guān)斷Hoist_UpI2.0提升電機上升Hoist_StopI2.1提升電機停止Hoist_DownI2.2提升電機下降Hoist_upRingI2.3提升電機上限位報警I2.4Hoist_upLimitI2.5提升電機上限位停車Hoist_PowerI2.7提升電機電源關(guān)斷Big_KMQ0.0大車電源側(cè)交流接觸器Big_LedQ0.1大車限位報警燈Big_ECBQ0.2大車電磁抱閘Small_KMQ0.3小車電源側(cè)交流接觸器Small_LedQ0.4小車限位報警燈Small_ECBQ0.5小車電磁抱閘Hoist_KMQ0.6提升電機電源側(cè)交流接觸器Hoist_LedQ0.7提升電機限位報警燈Hoist_ECBQ1.0提升電機電磁抱閘RingQ1.1限位報警蜂鳴器Q1.2大車變頻器激活Q1.3小車變頻器激活Q1.4提升電機變頻器激活Q1.5大車變頻器故障Q1.6小車變頻器故障Q1,7提升電機變頻器故障〔二〕通信模塊由于我們用MicroMaster變頻器對起重機電機進行調(diào)速，所以本系統(tǒng)中對起重機的調(diào)速，實際上就是對其MicroMaster變頻器的控制。STEP7-Micro/Win32軟件工具包提供了USS通信協(xié)議，從減少軟件的工作量和提高可靠性出發(fā)，我們采用USS協(xié)議來完成PLC與變頻器的通信。與變頻器的通信，對PLC的CPU掃描是異步的，完成一個變頻其通信事務通常需要幾次CPU掃描。這取決于連續(xù)的變頻器數(shù)目，波特率，以及CPU的掃描時間。使用USS協(xié)議的編程順序如下:(1)通過調(diào)用USS_INIT指令以改變USS通信參數(shù)，如啟用或禁止USS協(xié)議、設定波特率，指示哪些地址的變頻器是激活的(即可與之通信)。標志為激活的任何變頻器都自動地在后臺進行輪詢控制，聚集狀態(tài)，并防止變頻器的串行鏈路超時。來自西門子手冊的例如(2)把V存儲器地址分配給USS協(xié)議。(3)通過調(diào)用USS_CTRL指令來控制指定的變頻器，如啟停，控制方向，設定速度，查詢變頻器返回的狀態(tài)字等。來自西門子手冊的例如同時調(diào)用READ_PM或WRITE_PM指令來讀取或?qū)懽冾l器參數(shù)，以便于設置變頻器參數(shù)，程序中所用的波特率和地址相匹配。來自西門子手冊的例如采用上述方法，我們可以很好地控制網(wǎng)帶的速度并查詢變頻器的狀