畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于PLC控制的交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)1.doc

目 錄摘 要III第1章 前言11.1基于PLC控制的交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的重要意義11.2 PLC控制的交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)述21.3 PLC控制的交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀2第2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)42.1瓦楞紙分切壓痕機(jī)電氣控制系統(tǒng)的工藝要求42.2系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖52.3 可編程控制器（PLC）簡(jiǎn)介62.3.1 PLC的基本特點(diǎn)62.3.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)82.3.3 PLC的工作原理92.2.4 PLC的分類102.3.5 PLC的接入方式112.4變頻調(diào)速在控制系統(tǒng)中的運(yùn)用122.4.1變頻調(diào)速的發(fā)展及在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用122.4.2變頻調(diào)速基本原理132.4.3 變頻器的分類與特點(diǎn)142.4.4變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀172.4.5本設(shè)計(jì)中變頻器與PLC通訊時(shí)的參數(shù)設(shè)置182.5 外圍電路硬件設(shè)計(jì)192.5.1PLC和變頻器的選型及外部接線192.5.2 位置信號(hào)采集及傳感器的信號(hào)采集252.5.3 安全回路26第3章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)293.1 PLC編程說(shuō)明293.2總體結(jié)構(gòu)313.2.1 STEP7-Micro/Win32簡(jiǎn)介313.2.2系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)333.2.3 軟件設(shè)計(jì)補(bǔ)充說(shuō)明37總結(jié)45參考文獻(xiàn)46致謝47基于PLC控制的交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)摘 要交流異步電動(dòng)機(jī)是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最重要的拖動(dòng)設(shè)備之一，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修容易等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用。而在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，有一些設(shè)備需要根據(jù)不同的工作環(huán)境，要調(diào)節(jié)到一個(gè)特定的轉(zhuǎn)速。從而對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)的速度提出了要求，希望能達(dá)到一臺(tái)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，能根據(jù)不同材質(zhì)的加工產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行速度的調(diào)節(jié)，并能穩(wěn)定運(yùn)行。傳統(tǒng)交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)是運(yùn)用串電阻分級(jí)調(diào)速的方式，存在低速時(shí)帶載能力差、能耗大以及有一定的電氣沖擊的特點(diǎn)。隨著電力半導(dǎo)體的不斷發(fā)展，20世紀(jì)80年代后半期開(kāi)始，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國(guó)家的VVVF變頻器已投入市場(chǎng)并廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，從而使交流電機(jī)有更大的調(diào)速范圍和良好的低速性能，實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速。為了實(shí)現(xiàn)在惡劣的工作環(huán)境中對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，引入PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）控制單元，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的智能控制，使得該調(diào)速系統(tǒng)性能更加優(yōu)越，滿足了現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)的需要。瓦楞紙通常用作包裝箱紙，是生產(chǎn)及生活中用量極大的紙產(chǎn)品。在生產(chǎn)自動(dòng)化程度愈來(lái)愈高的今天，它的生產(chǎn)過(guò)程也早已實(shí)現(xiàn)了智能控制，其生產(chǎn)過(guò)程也采用了先進(jìn)節(jié)能的控制技術(shù)。關(guān)鍵詞：交流異步電動(dòng)機(jī),變頻器, 可編程邏輯控制器,變頻調(diào)速Based on PLC control ac motors Variable frequency speed regulation systemABSTRACTIn the industrial and agricultural manufacture, alternating current asynchronous motor is one of the most important driving equipments. It has got vast application for a simple framework and well maintain ability. But in modern industrial production, some equipment need according to different work environment, to adjust to a specific speed. For ac induction motor speed proposed requirements, Hope can achieve a equipment in operation, can according to different material processing products, the realization of operation speed regulation, and stable operation.Traditional ac motor speed control system is using the way of resistance, exist grading speed with load capacity difference speed, high power consumption and have the characteristics of electric shock. With the continuous development of power semiconductor, second half began in the 1980s, America, Japan, Germany, England and other developed countries has been put into market and VVVF inverter, realizing the widely application of ac motor, thus make the frequency control ac motor have greater speed range and excellent low-speed characteristics, realize ac motor smooth speed. In order to attain the bad working environment of the remote control, introduce motor Programmable Controller, questions PLC (Programmable Logic Controller) control unit, realize the variable frequency speed regulation system of intelligent control, makes the speed regulation system performance more superior, meet the need of modern industrial production.Keywords：Asynchronous motor, transducer, Programmable Logic Controller, Frequency conversion50第1章 前言近年來(lái)，我國(guó)工農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展對(duì)電能的需求越來(lái)越大，但煤炭、石油等燃料資源的相對(duì)短缺極大限制了電力資源的供應(yīng)，抬升了電力價(jià)格。在這種情況下采用現(xiàn)實(shí)可行的節(jié)能技術(shù)，節(jié)約用電量、提高能效就成為當(dāng)務(wù)之急。本次設(shè)計(jì)基于瓦楞紙分切壓痕機(jī)的控制系統(tǒng)作為課題，對(duì)PLC控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究。1.1基于PLC控制的交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的重要意義電機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中最重要的拖動(dòng)設(shè)備之一，交流異步電機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修容易等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)及其他生產(chǎn)當(dāng)中。但隨著工農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的要求也不斷提高，很多的生產(chǎn)過(guò)程中都要求電動(dòng)機(jī)能根據(jù)不同的工況，運(yùn)行在不同的速度。早期工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)于一些要求調(diào)速精度高的系統(tǒng)，采用了直流電動(dòng)機(jī)，但直流電動(dòng)機(jī)存在啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，換向電刷容易老化產(chǎn)生火花等問(wèn)題。人們又根據(jù)交流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，得出了傳統(tǒng)的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法，是利用轉(zhuǎn)子回路串電阻分段控制的交流繞線式電機(jī)繼電器接觸器系統(tǒng)，設(shè)備陳舊、技術(shù)落后。而且這種控制方式存在著很多的問(wèn)題:l)轉(zhuǎn)子回路串接電阻，消耗電能，造成能源浪費(fèi)。2)電阻分級(jí)切換，為有級(jí)調(diào)速，設(shè)備運(yùn)行不平穩(wěn)，容易引起電氣及機(jī)械沖擊。3)繼電器、接觸器頻繁動(dòng)作，電弧燒蝕觸點(diǎn)，影響接觸器使用壽命，維修成本較高。4)交流繞線異步電動(dòng)機(jī)的滑環(huán)存在接觸不良問(wèn)題，容易引起設(shè)備事故。5)電動(dòng)機(jī)依靠轉(zhuǎn)子電阻獲得的低速，其運(yùn)行特性較軟。上述問(wèn)題使提升機(jī)運(yùn)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(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行有更好的可靠性和安全性。就計(jì)算機(jī)技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(jī)型，它是采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、按照事先編好并儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)內(nèi)部一段程序來(lái)完成設(shè)備的操作控制。采用PLC控制，硬件簡(jiǎn)潔、軟件靈活性強(qiáng)、調(diào)試方便、維護(hù)量小，PLC技術(shù)己經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)將在PLC電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上配合變頻調(diào)速裝置，運(yùn)用現(xiàn)在先進(jìn)的矢量控制技術(shù)，適合和現(xiàn)在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的絕大部分呢控制要求。1.2 PLC控制的交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)述 所謂交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，是利用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的規(guī)律： （1-1）對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選用的是交-直-交變頻器，工作原理是，先通過(guò)半導(dǎo)體器件組成的整流電路，把三相電源轉(zhuǎn)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(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(kāi)關(guān)器件IGBT或功率模塊組成的PWM（脈寬調(diào)制）逆變器，構(gòu)成交-直-交電壓源型變壓變頻器，他們已經(jīng)占據(jù)了全世界0.5到500kVA中、小容量變頻調(diào)速裝置的絕大部分市場(chǎng)。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(dòng)機(jī)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(zhì)的負(fù)載。圖1.1所示是一種典型的數(shù)字控制通用變頻器-異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖。整流電路部分為增大轉(zhuǎn)化效率采用的是二極管整流，由于二極管整流器不能為異步電動(dòng)機(jī)的再生制動(dòng)提供反向電流的通路，所以除特殊情況外，通用變頻器一般采用電阻吸收制動(dòng)能量。減速制動(dòng)時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，首先通過(guò)逆變器的續(xù)流二極管向電容充電，當(dāng)中間直流回路的電壓（統(tǒng)稱泵生電壓）升高到一定限制值時(shí)，通過(guò)泵升限制電路使開(kāi)關(guān)VTb導(dǎo)通，將電動(dòng)機(jī)釋放出來(lái)的動(dòng)能消耗在電阻Rb上。為了便于散熱，制動(dòng)電阻常作為附件單獨(dú)安裝在變頻器的機(jī)箱外面。PLC（可編程邏輯控制器件）的引入，使得控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度有了很大的提高，也對(duì)一些復(fù)雜的工作環(huán)境實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。其原理是通過(guò)RS-285串行通信技術(shù)，把PLC和上位機(jī)連接 ，實(shí)現(xiàn)他們之間的通信，利用STEP_7-MicroWIN_V4_SP3編程軟件，根據(jù)搭建好的硬件線路圖進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)所要實(shí)現(xiàn)的邏輯控制功能。1.3 PLC控制的交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀隨著電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的日益發(fā)展，電動(dòng)機(jī)的調(diào)速已經(jīng)從繼電氣時(shí)代發(fā)展到今天的由變頻器控制調(diào)速。且在工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域中得到了極為廣泛的應(yīng)用。在現(xiàn)在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，最為常見(jiàn)的是由PLC控制變頻器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。該方法主要通過(guò)程序來(lái)控制了電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制。交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用領(lǐng)域，直流電氣傳動(dòng)和交流電氣傳動(dòng)在十九世紀(jì)先后誕生。在二十世紀(jì)的大部分年代里，鑒于直流傳動(dòng)具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速傳動(dòng)都采用直流電動(dòng)機(jī)，而約占電氣傳動(dòng)總?cè)萘?0%的不變速傳動(dòng)則采用交流電動(dòng)機(jī)，這種狀況在一段時(shí)期內(nèi)已成為一種舉世公認(rèn)的格局。二十世紀(jì)七十年代后，隨著大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，交流調(diào)速系統(tǒng)逐步具備了寬的調(diào)速范圍、高的穩(wěn)速范圍、高的穩(wěn)速精度、快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，且實(shí)現(xiàn)了在四相限運(yùn)行的良好技術(shù)性能。它的調(diào)速性能與可靠性不斷完善，價(jià)格不斷降低，特別是變頻調(diào)節(jié)電效果明顯，而且易于實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化在調(diào)速性能方面可以和直流電力拖動(dòng)相媲美。目前交流調(diào)速技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已得到廣泛應(yīng)用。例如在通用變頻器方面，針對(duì)中、低壓應(yīng)用領(lǐng)域的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的高開(kāi)關(guān)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(jiǎn)化了通用變頻器的設(shè)計(jì)。此后，交流調(diào)速系統(tǒng)主要沿用下述兩個(gè)方向發(fā)展和應(yīng)用。（1）一般性能的節(jié)能調(diào)速。在過(guò)去大量的所謂不變速交流傳動(dòng)中，風(fēng)機(jī)、水泵等機(jī)械總?cè)萘繋缀跽脊I(yè)電氣傳動(dòng)總?cè)萘康囊话?，其中有不少的?chǎng)合并不是不需要調(diào)速，只是因?yàn)檫^(guò)去交流電機(jī)本身不具備調(diào)速性能，不得不依賴擋板和閥門來(lái)調(diào)節(jié)送風(fēng)和供水的流量，許多電能因此白白的浪費(fèi)掉了。如果把這些設(shè)備的控制系統(tǒng)換成交流調(diào)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(guān)計(jì)算統(tǒng)計(jì)，由于風(fēng)機(jī)、水泵對(duì)調(diào)速范圍和動(dòng)態(tài)性能的要求都不高只需要一般的調(diào)速性能就已足夠，那么換成交流調(diào)速系統(tǒng)后，每臺(tái)風(fēng)機(jī)、水泵平均約可節(jié)能20%，這種節(jié)能效果是非常可觀的。（2）高性能交流調(diào)速系統(tǒng)。許多在工藝上就需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，過(guò)去多用直流傳動(dòng)，鑒于交流電機(jī)比直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、工作可靠、維護(hù)方便、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、效率高，如果改成交流調(diào)速傳動(dòng)，顯然能夠帶來(lái)不少的效益。見(jiàn)圖1.2 利用PLC控制變頻調(diào)速的瓦楞紙分切機(jī)。交流調(diào)速系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來(lái)隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)迅猛發(fā)展以及現(xiàn)代控制理論和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用，交流調(diào)速領(lǐng)域發(fā)展非常迅速，交流傳動(dòng)技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，獲得了許多創(chuàng)造性成果。自七十年代矢量控制技術(shù)發(fā)展以來(lái)，從理論上解決了交流調(diào)速系統(tǒng)在靜、動(dòng)態(tài)性能上與直流傳動(dòng)相媲美的問(wèn)題。 圖1.2 瓦楞紙分切機(jī) 第2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 瓦楞紙通常用作包裝箱紙，是生產(chǎn)及生活中用量極大的紙產(chǎn)品。圖2.1所示是瓦楞紙生產(chǎn)工藝示意圖。整個(gè)工藝過(guò)程分為開(kāi)卷、壓痕、涂膠、烘干、分切等工序。從圖中可以看出，分切壓痕機(jī)是瓦楞紙生產(chǎn)過(guò)程中的重要設(shè)備。除了以上所述工序外，分切壓痕機(jī)還設(shè)有磨刀功能。 圖2.1 瓦楞紙生產(chǎn)工藝流程圖2.1瓦楞紙分切壓痕機(jī)電氣控制系統(tǒng)的工藝要求 壓痕機(jī)的線速度要求與送來(lái)紙板的的速度保持一致，即與主軸開(kāi)卷機(jī)軸的線速度相等，由于開(kāi)卷機(jī)的速度是可調(diào)的，所以壓痕輥有變頻器控制。根據(jù)開(kāi)卷機(jī)的速度調(diào)整范圍，要求壓痕軸的速度范圍為01500r/min，主軸的速度由測(cè)速機(jī)檢測(cè)，輸出電壓的范圍為010V。 分切裝置上有四片分切刀片，如圖2.2所示，刀片位置可根據(jù)要求調(diào)整。刀片的速度應(yīng)根據(jù)紙板的速度變化而變化，所以分切裝置的驅(qū)動(dòng)也采用變頻器驅(qū)動(dòng)，但又有最低轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速的限制，根據(jù)主軸速度的上、下限要求就可以確定刀片的速度范疇為3001200r/min。 分切裝置上的刀片在分切一段時(shí)間變鈍后，磨刀裝置應(yīng)對(duì)刀片進(jìn)行磨削銳化，以保持分切刀片的銳利。分切刀片由銳利變鈍的時(shí)間與分切裝置的轉(zhuǎn)速及切削紙板的多少有 圖2.2 分切裝置示意圖 關(guān)，因此每次磨刀的時(shí)間間隔應(yīng)與分切裝置的速度保持一定關(guān)聯(lián)。磨刀時(shí)間與粗設(shè)的摸到時(shí)間由PLC上的模擬量電位器設(shè)定，設(shè)定刀片每次磨削的時(shí)間范圍為50001000ms，磨刀時(shí)間間隔為500010000ms。磨刀片裝置上的四片磨刀砂輪由不同的電磁閥控制，分別對(duì)四片刀片磨削，磨刀要求有手動(dòng)與自動(dòng)兩種控制方式。手動(dòng)時(shí)，按一次磨刀按鈕進(jìn)行一次磨刀操作；自動(dòng)時(shí)，分切只要運(yùn)行，PLC便根據(jù)粗設(shè)的磨刀間隔時(shí)間和根據(jù)刀片的速度微調(diào)的間隔時(shí)間，自動(dòng)地進(jìn)行磨刀操作。每個(gè)刀片的磨刀裝置都可以人為地設(shè)定為工作及停止?fàn)顟B(tài)。 生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)發(fā)生紙板跑偏現(xiàn)象，橫向移動(dòng)裝置應(yīng)隨時(shí)自動(dòng)地進(jìn)行跟蹤糾偏，它也可以手動(dòng)橫向移動(dòng)進(jìn)行糾偏，用兩個(gè)光電開(kāi)關(guān)作為糾偏的位置檢測(cè)，用兩個(gè)行程開(kāi)關(guān)進(jìn)行限制橫向移動(dòng)的行程范圍。2.2系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖本設(shè)計(jì)中我們用P L C實(shí)現(xiàn)各種故障保護(hù)和對(duì)繼電器I/O口觸點(diǎn)的控制，大大節(jié)約了人力物力財(cái)力，使系統(tǒng)變得安全可靠。來(lái)自系統(tǒng)各部分的保護(hù)信號(hào)能夠直接引入到 P L C中， P L C將其處理后分為立即施閘、電氣制動(dòng)和報(bào)警三類，根據(jù)不同故障控制閘控系統(tǒng) ， 控制光報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警，并送監(jiān)視器顯示故障類型。由保護(hù) P L C根據(jù)系統(tǒng)的安全要求，構(gòu)成軟件安全回路。還將由測(cè)速發(fā)電機(jī)信號(hào)經(jīng)軟件計(jì)算后處理成電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度，進(jìn)行后備速度保護(hù)?；赑LC控制的交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由動(dòng)力裝置、變頻器、操作臺(tái)和控制監(jiān)視系統(tǒng)組成，本次設(shè)計(jì)的邏輯框圖如下，圖2.3所示。各部分功能如下。 動(dòng)力裝置：包括兩臺(tái)主電機(jī)、一臺(tái)輔助電動(dòng)機(jī)、電源模塊、制動(dòng)器和底座，完成瓦楞紙分切機(jī)的生產(chǎn)要求。P L C變頻調(diào)速模塊操作臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)380v電源速度傳感器M測(cè)速發(fā)電機(jī)切刀位置傳感器TG 圖 2.3 PLC控制的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)邏輯框圖變頻調(diào)速器：是動(dòng)力裝置的能量供給單元，通過(guò)它可將輸入工頻電能轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的電能提供給交流電動(dòng)機(jī)，以達(dá)到控制交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。從而實(shí)現(xiàn)不同紙質(zhì)的加工工藝要求，滿足了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的需求。操作臺(tái)：設(shè)有完成生產(chǎn)功能的所有控制開(kāi)關(guān)器件，能對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，且能夠和監(jiān)控系統(tǒng)配合控制，使得系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。2.3 可編程控制器（PLC）簡(jiǎn)介 可編程控制器是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種通用工業(yè)自動(dòng)控制裝置。它面向控制過(guò)程、面向用戶、適應(yīng)工業(yè)環(huán)境、操作方便、可靠性高，成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（PLC、機(jī)器人和CAD/CAM）之一。PLC控制技術(shù)代表著當(dāng)前程序控制的先進(jìn)水平，PLC裝置已成為自動(dòng)化系統(tǒng)的基本裝置。2.3.1 PLC的基本特點(diǎn)PLC的誕生給工業(yè)控制帶來(lái)革命性的飛躍,與傳統(tǒng)的繼電器控制相比有著突出的特點(diǎn).第一,靈活性、通用性強(qiáng)。繼電器控制系統(tǒng)如果工藝要求稍有變化,控制電路必須隨之作相應(yīng)的變動(dòng),所有布線和控制柜極有可能重新設(shè)計(jì),耗時(shí)且費(fèi)力然而是利用存儲(chǔ)在機(jī)內(nèi)的程序?qū)崿F(xiàn)各種控制功能的。因此當(dāng)工藝過(guò)程改變時(shí),只需修改程序即可,外部接線改動(dòng)極小,甚至可以不必改動(dòng),其靈活性和通用性是繼電器控制電路無(wú)法比擬的。第二,可靠性高,抗干擾能力強(qiáng)繼電器控制系統(tǒng)中,由于器件的老化、脫焊、觸點(diǎn)的抖動(dòng)以及觸點(diǎn)電弧等現(xiàn)象是不可避免的,大大降低了系統(tǒng)的可靠性。而在控制系統(tǒng)中,大量的開(kāi)關(guān)動(dòng)作是由無(wú)觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來(lái)完成的,加之在硬件和軟件方面都采取了強(qiáng)有力的措施,使產(chǎn)品具有極高的可靠性和抗干擾能力可以直接安裝在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定地工作。PLC在硬件方面采取電磁屏蔽、光電隔離、多級(jí)濾波等措施在軟件方面采取警戒時(shí)鐘、故障診斷、自動(dòng)恢復(fù)等措施,并利用后備電池對(duì)程序和數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù),因此被稱為“專為適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)”。第三,編程簡(jiǎn)單,使用方便。PLC采用面向過(guò)程,面向問(wèn)題的“自然語(yǔ)言”編程方式,直觀易懂,主要采用梯形圖和語(yǔ)句表編寫程序,使得廣大電氣技術(shù)人員更容易接納和理解。同時(shí)設(shè)計(jì)人員也可根據(jù)自己的喜好和實(shí)際應(yīng)用的要求選擇其他編程語(yǔ)言。標(biāo)準(zhǔn)是編程語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn),除了梯形圖!語(yǔ)句表之外,還存在順序流程圖!結(jié)構(gòu)化文本和功能塊圖三種編程語(yǔ)言的表達(dá)方式。一個(gè)程序的不同部分可用任何一種語(yǔ)言來(lái)描述,支持復(fù)雜的順序操作功能處理以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。第四,功能強(qiáng)大,可擴(kuò)展。的主要功能包括開(kāi)關(guān)量的邏輯控制、模擬量控制部分還具備控制或模糊控制功能、數(shù)字量智能控制、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控、通信、聯(lián)網(wǎng)及集散控制等功能。PLC的功能擴(kuò)展也極為方便,硬件配置相當(dāng)靈活,根據(jù)控制要求的改變,可以隨時(shí)變動(dòng)特殊功能單元的種類和個(gè)數(shù),再相應(yīng)修改用戶程序就可以達(dá)到變換和增加控制功能的目的。 PLC以原有的繼電器、邏輯運(yùn)算、順序控制為基礎(chǔ)逐步發(fā)展起來(lái)的。與繼電器控制系統(tǒng)相比較,它以軟器件代替了硬器件,以軟觸點(diǎn)代替了硬觸點(diǎn),以軟接線代替了硬接線,從而使其器件、觸點(diǎn)的壽命達(dá)數(shù)萬(wàn)甚至十萬(wàn)小時(shí),而改變接線的速度則極為迅速。它是由計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)化而來(lái)的，又有著諸多自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。如下所述：1. 系列化各大生產(chǎn)公司一般都有小型、中型、大型三種系列產(chǎn)品.2.多處理器一般小型機(jī)是單處理器系統(tǒng)中型機(jī)是雙處理器系統(tǒng),包括位處理器和字處理器大型機(jī)則為多處理器系統(tǒng),由字處理器!位處理器和浮點(diǎn)處理器等組成.3.較大的存儲(chǔ)能力4.很強(qiáng)的I/O口5.智能外圍接口6.網(wǎng)絡(luò)化 PLC可連成功能很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),一般有低速網(wǎng)絡(luò)和高速網(wǎng)絡(luò)兩種。這兩類網(wǎng)絡(luò)可級(jí)連,網(wǎng)上可兼容不同類型的和計(jì)算機(jī),從而組成控制范圍很大的局域網(wǎng)絡(luò)。7.緊湊及高可靠性8. 通俗化的編程語(yǔ)言和豐富的指令目前常用的有三種編程語(yǔ)言：1）順序控制用的梯形圖用以進(jìn)行邏輯運(yùn)算,完成時(shí)間上的順序控制2）適用于數(shù)值控制的系統(tǒng)流程圖,具有算術(shù)運(yùn)算、比較、濾波等功能；3）類似匯編語(yǔ)言的指令表。2.3.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，如圖2.4所示： a. 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(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)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(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)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(yùn)行，直到停止運(yùn)行。 為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，近年來(lái)對(duì)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(gè)CPU出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。 b、存儲(chǔ)器 存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。 存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器。 C、電源 PLC的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒(méi)有一個(gè)良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無(wú)法正常工作的，因此PLC的制造商對(duì)電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動(dòng)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 圖2.4 PLC的基本結(jié)構(gòu)圖2.3.3 PLC的工作原理PLC一般采用循環(huán)掃描的工作方式。PLC上電后,執(zhí)行系統(tǒng)程序規(guī)定的任務(wù),周而復(fù)始地掃描并執(zhí)行用戶程序。完成一次掃描所用的時(shí)間稱為掃描周期。一次循環(huán)過(guò)程可歸納為五個(gè)階段,循環(huán)掃描過(guò)程為公共處理執(zhí)行用戶程序掃描周期計(jì)算輸入輸出刷新外設(shè)端口服務(wù)-公共處理。1.公共處理在公共處理階段,要進(jìn)行復(fù)位監(jiān)視定時(shí)器、硬件檢查、用戶內(nèi)存檢查等操作。若有異常情況,故障顯示燈亮,判斷并顯示故障的性質(zhì)。若屬于一般性故障,則只報(bào)警,但不需要停機(jī),可等待處理。2.執(zhí)行用戶程序執(zhí)行用戶程序階段,逐條解釋和執(zhí)行用戶程序,其所需的全部信息都是從映像寄存器中讀取的.映像寄存器包括輸入映像寄存器和元件映像寄存器。輸入映像寄存器存儲(chǔ)著輸入繼電器的通斷狀態(tài),輸入繼電器接通為1,斷開(kāi)為0。元件映像寄存器存儲(chǔ)著輸出繼電器、各種輔助繼電器等的狀態(tài),同樣用和表示它們的通斷狀態(tài)。PLC在執(zhí)行用戶程序時(shí)所需的外部輸入信息,不是直接從輸入端讀取的,而是從輸入映像寄存器中讀取的。在每個(gè)掃描周期的I/O刷新階段,CPU從PLC輸入端讀取一次信息并存入輸入映像寄存器中。在此后的一個(gè)掃描周期中,盡管PLC輸入端的狀態(tài)可能發(fā)生過(guò)變化,但輸入映像寄存器中的數(shù)據(jù)也保持不變。同樣,所需的輸出繼電器或其他編程元件的狀態(tài)信息,是從元件映像寄存器中讀取的。在執(zhí)行用戶程序過(guò)程中,根據(jù)用戶程序給出的邏輯關(guān)系進(jìn)行邏輯運(yùn)算,運(yùn)算結(jié)果再寫入元件映像寄存器中?？梢?jiàn),在一個(gè)掃描周期中元件映像寄存器中的內(nèi)容是可變的。3.掃描周期的計(jì)算在掃描周期的計(jì)算階段,若預(yù)先設(shè)定了掃描周期的值,則進(jìn)入等待,直至達(dá)到該設(shè)定值時(shí)掃描再往下進(jìn)行若掃描周期設(shè)為不定時(shí),則要進(jìn)行掃描周期的計(jì)算。4.I/O刷新在I/O刷新階段,主要作兩件事情.(1)讀各輸入點(diǎn)的狀態(tài)從輸入電路中讀取各輸入點(diǎn)的狀態(tài)并將此狀態(tài)寫入輸入映像寄存器中,也就是刷新輸入映像寄存器的內(nèi)容自此輸入映像寄存器就與外界隔離,無(wú)論輸入信號(hào)的狀態(tài)怎樣變化,輸入映像寄存器的內(nèi)容都保持不變,一直到下一個(gè)掃描周期的I/O刷新階段,才會(huì)寫進(jìn)新內(nèi)容.(2)讀輸出元件映像寄存器中的狀態(tài)將對(duì)應(yīng)輸出繼電器的元件映像寄存器的狀態(tài)傳送到輸出鎖存器電路中,再經(jīng)輸出電路的隔離和功率放大送到的輸出端,驅(qū)動(dòng)外部執(zhí)行元件動(dòng)作。5.外設(shè)口服務(wù)在外設(shè)口服務(wù)階段,完成與外設(shè)口連接的外圍設(shè)備如編程器或通信適配器的通信處理。完成上述各階段的處理后,又返回公共處理階段,周而復(fù)始的進(jìn)行掃描。2.2.4 PLC的分類 PLC一般可按控制規(guī)模和結(jié)構(gòu)形式分類 一、按PLC得控制規(guī)模分類按PLC的控制規(guī)模分類，PLC可分為小型機(jī)、中型機(jī)、大型機(jī)。通常小型機(jī)的控制點(diǎn)數(shù)小于256點(diǎn)，用戶程序存儲(chǔ)器的容量小于8K字。小型機(jī)常用于單機(jī)控制和小型控制場(chǎng)合，在通信網(wǎng)絡(luò)中常作從站。例如，西門子公司的S7-200PLC屬于小型機(jī)。小型機(jī)中，控制點(diǎn)數(shù)小于64點(diǎn)的為超小型機(jī)或微型PLC。中型機(jī)的控制點(diǎn)數(shù)一般在256點(diǎn)到2048點(diǎn)范圍內(nèi)，用戶程序存儲(chǔ)器的容量小于50K字。中型機(jī)控制點(diǎn)數(shù)較多、控制功能強(qiáng)，常用于中型控制場(chǎng)合，在通信網(wǎng)絡(luò)中可做主站也可做從站。例如，西門子公司的S7-300PLC就屬于中型機(jī)。大型機(jī)的控制點(diǎn)數(shù)在2048點(diǎn)以上，用戶程序存儲(chǔ)器的容量達(dá)50K字以上。大型機(jī)控制點(diǎn)數(shù)多、功能很強(qiáng)、運(yùn)算速度很快，常用于大型控制場(chǎng)合，在通信網(wǎng)絡(luò)中常作主站。例如，西門子公司的S7-400PLC就屬于大型機(jī)。以上分類沒(méi)有十分嚴(yán)格的界限，隨著PLC技術(shù)的飛速發(fā)展，這些界限會(huì)發(fā)生變更。二、按PLC得結(jié)構(gòu)形式分類PLC按結(jié)構(gòu)形式可分為整體式、模塊式和疊裝式三類。 （1）整體式PLC 整體式PLC是將電源、CPU、I/O部件集中在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)。其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價(jià)格低。一般小型PLC采用這種結(jié)構(gòu)。整體式PLC由不同I/O點(diǎn)數(shù)的基本單元和擴(kuò)展單元組成?；締卧獌?nèi)有CPU、I/O和電源。擴(kuò)展單元內(nèi)只有I/O和電源。整體式PLC一般配備有特殊功能單元，如模擬單元、位置控制單元等，使PLC的功能得以擴(kuò)展。例如，美國(guó)GE公司的GE-I/J系列PLC為整體式結(jié)構(gòu)。（2）模塊式PLC 模塊式結(jié)構(gòu)是將PLC各部分分成若干個(gè)單獨(dú)的模塊，如電源模塊、CPU模塊、I/O模塊和各種功能模塊。模塊式PLC由機(jī)架和各種模塊組成。模塊插在機(jī)架內(nèi)的插座上。模塊式PLC配置靈活，裝配方便，便于擴(kuò)展和維修。一般大、中型PLC宜采用模塊式結(jié)構(gòu)，例如，西門子公司的S7-300PLC、S7-400PLC采用模塊式結(jié)構(gòu)形式。有的小型PLC也采用這種結(jié)構(gòu)。（3）疊裝式PLC 將整裝式和模塊式結(jié)合起來(lái)，成為疊裝式PLC。它除了基本單元外還有擴(kuò)展模塊和特殊功能模塊，配置比較方便。疊裝式PLC集整體式PLC和模塊式PLC優(yōu)點(diǎn)于一身，它結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、配置靈活、安裝方便。西門子公司的S7-200PLC就是疊裝式結(jié)構(gòu)形式。2.3.5 PLC的接入方式電力線通信技術(shù)，英文簡(jiǎn)稱PLC，是指利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和話音信號(hào)的一種通信方式。該技術(shù)是把載有信息的高頻加載于電流，然后用電線傳輸，接受信息的調(diào)制解調(diào)器再把高頻從電流中分離出來(lái)，并傳送到計(jì)算機(jī)或電話上，以實(shí)現(xiàn)信息傳遞。該技術(shù)在不需要重新布線的基礎(chǔ)上，在現(xiàn)有電線上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和視頻等多業(yè)務(wù)的承載，也就是實(shí)現(xiàn)四網(wǎng)合一。終端用戶只要插上電源插頭，就可以實(shí)現(xiàn)因特網(wǎng)接入。PLC利用1.6M到30M頻帶范圍傳輸信號(hào)。在發(fā)送時(shí)，利用GMSK或OFDM調(diào)制技術(shù)將用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，然后在電力線上進(jìn)行傳輸；在接收端，先經(jīng)過(guò)濾波器將調(diào)制信號(hào)濾出，再經(jīng)過(guò)解調(diào)，就可得到原通信信號(hào)。目前可達(dá)到的通信速率依具體設(shè)備不同在4.5M45M之間。PLC設(shè)備分為局端和調(diào)制解調(diào)器，局端負(fù)責(zé)與內(nèi)部PLC調(diào)制解調(diào)器的通信和與外部網(wǎng)絡(luò)的連接。在通信時(shí)，來(lái)自用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)入調(diào)制解調(diào)器調(diào)制后，通過(guò)用戶的配電線路傳輸?shù)骄侄嗽O(shè)備，局端將信號(hào)解調(diào)出來(lái)，再轉(zhuǎn)到外部的Internet。2.4變頻調(diào)速在控制系統(tǒng)中的運(yùn)用2.4.1變頻調(diào)速的發(fā)展及在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)中，直流調(diào)速以其控制容易，調(diào)速精度高等特點(diǎn)長(zhǎng)期占據(jù)了主導(dǎo)地位，但是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，過(guò)流能力不強(qiáng)，環(huán)境適應(yīng)差，難以實(shí)現(xiàn)高速度化等原因，一直限制了其應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。相比較而言，交流異步電機(jī)具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、過(guò)流能力大、牢固耐用、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易維護(hù)及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但異步電機(jī)的調(diào)速性能難以滿足生產(chǎn)要求。隨著電力電子器件的產(chǎn)生和控制理論的飛速發(fā)展，現(xiàn)代控制理論越來(lái)越多的應(yīng)用到交流調(diào)速系統(tǒng)中，使得交流調(diào)速性能可以和直流調(diào)速相媲美、相競(jìng)爭(zhēng)，交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。近年來(lái)，電力電子技術(shù)的發(fā)展和DSP微處理器的推出，更為高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，目前己經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用化階段，作為眾多調(diào)速方案之一的變頻調(diào)速，其發(fā)展不超過(guò)40年，卻取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，變頻調(diào)速以其節(jié)能和可平滑調(diào)速，調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用22。交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制技術(shù)大體經(jīng)歷了以下幾個(gè)發(fā)展階段。第一個(gè)階段為電壓/頻率(U/f)恒定控制，這種控制方法在低頻時(shí)定子電壓較低，定子漏抗壓降所占的份量不能忽略，因此需要人為地把電壓抬高一些，用以補(bǔ)償定子壓降，負(fù)載不同時(shí)需要補(bǔ)償?shù)亩ㄗ訅航抵狄膊灰粯樱诳刂栖浖袀溆胁煌甭实难a(bǔ)償特性，以便用戶選擇。第二個(gè)階段是矢量變換控制，它的方法是模擬直流電動(dòng)機(jī)的控制特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行交流電動(dòng)機(jī)的控制，通過(guò)電機(jī)統(tǒng)一理論和坐標(biāo)變換理論，把交流電動(dòng)機(jī)定子電流分解成磁場(chǎng)定向坐標(biāo)的磁場(chǎng)電流分量和與之相垂直的坐標(biāo)轉(zhuǎn)矩電流分量，把固定的坐標(biāo)系變換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系后，交流量的控制變?yōu)橹绷髁康目刂?，于是等同于直流電?dòng)機(jī)。第三個(gè)階段為直接轉(zhuǎn)矩控制，也叫直接自控，它避開(kāi)了矢量控制中的兩次坐標(biāo)變換及求矢量模與相角的復(fù)雜計(jì)算工作，直接在定子坐標(biāo)系上計(jì)算電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與磁通，使轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間控制在一拍以內(nèi)，且無(wú)超調(diào)，控制性能更好。交流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的硬件由模擬技術(shù)轉(zhuǎn)向數(shù)字技術(shù)，全數(shù)字變頻技術(shù)應(yīng)用于交流電動(dòng)機(jī)控制。制動(dòng)減速段速度調(diào)節(jié)采用低頻發(fā)電制動(dòng)方式，將系統(tǒng)的動(dòng)能反饋給電網(wǎng)，與動(dòng)力制動(dòng)減速相比，不僅調(diào)速性能好，而且節(jié)能效果顯著。采用矢量控制技術(shù)零速起動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)150%，確保帶負(fù)載時(shí)的啟動(dòng)與運(yùn)行特性，輸出頻率跟隨給定頻率，并且頻率與電流值可準(zhǔn)確指示出來(lái)。從而使傳動(dòng)系統(tǒng)獲得高精度、高可靠性。采用直接轉(zhuǎn)矩控制可改善低頻特性，普通變頻器雖然可以輸出較低的頻率，但輸出力矩小，特性較軟，采用特殊的軟件編程，改善低頻特性，即使在輸出0Hz的情況下，也能輸出200%的負(fù)載力矩，達(dá)到了在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程都能輸出滿足負(fù)載要求的力矩。完全避免了帶負(fù)載時(shí)難以啟動(dòng)的現(xiàn)象。電動(dòng)機(jī)使用變頻調(diào)速控制具有下列優(yōu)點(diǎn):(l)調(diào)速平滑、調(diào)速范圍大。通過(guò)控制器的控制，變頻器的輸出頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流小、動(dòng)負(fù)荷小、調(diào)速平滑而無(wú)沖擊。(2)調(diào)速精度高。電動(dòng)機(jī)在自然特性上運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的外特性硬，轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化小。(3)動(dòng)態(tài)品質(zhì)好?？墒闺妱?dòng)機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)和調(diào)速過(guò)程的時(shí)間降至最少，具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。(4)易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的換向，當(dāng)頻率降低至零后即可反向開(kāi)車，采用控制器改變相序即可實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，因此可在四象限內(nèi)平滑的過(guò)渡。(5)節(jié)電效果顯著。變頻調(diào)速比轉(zhuǎn)子回路串接電阻的調(diào)速方法節(jié)約電能20%40%。2.4.2變頻調(diào)速基本原理異步電機(jī)的VVVF調(diào)速系統(tǒng)一般簡(jiǎn)稱變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在變頻調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)差功率不變，在各種異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中效率較高，同時(shí)性能也最好，故是交流調(diào)速的主要發(fā)展方向。交流調(diào)速系統(tǒng)的控制量最基本上是轉(zhuǎn)矩、速度、位置，根據(jù)不同的用途適當(dāng)組合可構(gòu)成各種閉環(huán)系統(tǒng)。對(duì)電機(jī)的調(diào)速有兩個(gè)方向的能力，線面進(jìn)行分析：1 .基頻以下的恒磁通變頻調(diào)速 這是考慮從基頻(電動(dòng)機(jī)額定頻率AN)向下調(diào)速的情況，為了保持電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力， 應(yīng)保持氣隙主磁通m不變， 這就要求降 低供電頻率的同時(shí)降低感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，保持E1/ f1 = 常數(shù)， 即保持電動(dòng)勢(shì)和頻率之比為常數(shù)進(jìn)行控制。 這種控制又稱為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。 但是，E1難于檢測(cè)和直接控制。當(dāng)El和f1值較高時(shí)，定子的漏阻抗壓降相對(duì)比較小，如果忽略不計(jì)，則可以近似的保持定子相電壓U1和頻率f1的比值為常數(shù)即可。這就是恒壓頻比，是近似的恒磁通控制。當(dāng)頻率較低時(shí)，U1和E1都變小， 定子漏阻抗壓降(主要是定子電阻壓降)不能再忽略,這種情況下，可以適當(dāng)?shù)奶岣叨ㄗ与妷阂匝a(bǔ)償定子電阻壓降的影響,使氣隙磁通基本保持不變 。2 .基頻以上的弱磁變頻調(diào)速 這是考慮由基頻開(kāi)始向上調(diào)速的情況，頻率由額定值.f1n向上增大，但電壓U1受額定電 壓U1N的限制不能再升高，只能保持U1 =U1n不變。必然會(huì)使主磁通隨著f1的上升而減小，相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速的情況，屬于近似的恒功率調(diào)速方式。 綜合兩種情況，異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的基本控制方式如圖2.5所示，為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)，低頻調(diào)速時(shí)通過(guò)電壓補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)保持恒轉(zhuǎn)矩。 圖2.5 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)的控制特性2.4.3 變頻器的分類與特點(diǎn)（1）普通變頻器的分類特點(diǎn)對(duì)交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的裝置稱為變頻調(diào)速器，其功能是將電網(wǎng)提供的電壓與頻率固定不變的交流電變換為可變電壓和頻率VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）的交流電，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速。變頻器有交交變頻器、交直交變頻器兩大類，如圖2.6所示。交交變頻器沒(méi)有明顯的中間濾波環(huán)節(jié)，電網(wǎng)提供的交流電被直接變成可調(diào)頻率與電壓的交流電，又稱直接變頻器。交直交變頻器是先把電網(wǎng)提供的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，經(jīng)中間濾波后，再進(jìn)行逆變，而轉(zhuǎn)變?yōu)樽冾l變壓的交流電，故稱為間接變頻器。直接變頻器只需進(jìn)行一次能量的變換，所以變換的效率高，工作可靠，但頻率的變化范圍有限，多用于低頻大容量的調(diào)速。間接變頻器需進(jìn)行2次電能的逆變換、所以變換效率低，但頻率變換范圍大。 （a） （b）圖2.6 兩種類型的變頻器（a）交交變頻器；（b）交直交變頻器按中間濾波環(huán)節(jié)是電容性的還是電感性的，可將交直交變頻器劃分為電壓源型和電流源型。圖2.7為電壓源型變頻器的主電路結(jié)構(gòu)形式，圖2.8為電流源型變頻器的主電路結(jié)構(gòu)形式。圖2.6電壓型變頻器中，因采用電容濾波，故輸出電壓波形是規(guī)則的。圖2.7(a)結(jié)構(gòu)靠調(diào)節(jié)晶閘管整流器的控制角進(jìn)行調(diào)壓，逆變器只進(jìn)行調(diào)頻。圖2.7(b)結(jié)構(gòu)則使用不可控整流接入電網(wǎng)，在通過(guò)斬波器進(jìn)行調(diào)壓，逆變器調(diào)頻。圖2.7(a)、圖2.7(b)兩種結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)在都有專門的調(diào)壓環(huán)節(jié)調(diào)整輸出電壓的幅值，因此，從最后的輸出波形看，它們同屬于脈沖幅度調(diào)制（PAM）方式。圖2.7(c)結(jié)構(gòu)是目前通用變頻器最常見(jiàn)的主電路形式，由不可控整流器接入電網(wǎng)，整流之后不調(diào)節(jié)電壓幅值就送入逆變器，由逆變器同時(shí)完成調(diào)頻調(diào)壓，因其電壓幅值不可變，逆變器依靠改變電壓輸出脈沖的寬度來(lái)完成調(diào)壓，所以稱為脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式。圖2.7(b)、圖2.7(c)兩種結(jié)構(gòu)因采用不可控整流，功率因數(shù)高，圖2.7(a)結(jié)構(gòu)由采用可控整流，電壓波形不完整，諧波的無(wú)功功率使得輸入端因數(shù)降低。圖2.7(a)、圖2.7(b)兩種結(jié)構(gòu)可互相獨(dú)立地調(diào)壓、調(diào)頻，但系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，圖2.7(c)結(jié)構(gòu)則動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，且功率因數(shù)高，獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。圖2.8電流型變頻器主電路結(jié)構(gòu)中，在整流器與逆變器之間起干擾及無(wú)功能量緩沖作用的濾波器件是電感，因此電流型變頻器的輸出電流波形比較規(guī)則。圖2.8(a)方案用可控整流器調(diào)節(jié)電壓和電流的大小，用逆變器實(shí)現(xiàn)變頻，該方案輸出電流波形中諧波分量太大，影響了電機(jī)的低速性能，因此，對(duì)電流型變頻器可以采用圖2.8(b)所示的二重化結(jié)構(gòu)。二重化結(jié)構(gòu)中，上下2套變頻器的輸出方波電流頻率一致，但相位錯(cuò)開(kāi)一定的角度，輸出時(shí)，將2套變頻器的輸出電流通過(guò)變頻器（或直接）疊加，疊加之后輸出的交流電流將成為多階梯的波形，更接近于正弦波，有利于抑制低速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，擴(kuò)大運(yùn)行范圍。多套變頻器的疊加稱為多重化，但重?cái)?shù)越多，控制電路越復(fù)雜，越難于實(shí)現(xiàn)。圖2.7 交直交電壓型變頻器的結(jié)構(gòu)形成（a）可控整流器調(diào)壓、六拍逆變器變頻；（b）二極管整流斬波器調(diào)壓、六拍逆變器變頻；（c）二極管整流、PWM逆變器調(diào)壓調(diào)頻。在交直交變頻器中，脈寬調(diào)制（PWM）型變頻器和正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）變頻器是當(dāng)前變頻器的主要形式，M1350型磨床數(shù)控砂輪成型系統(tǒng)中采用的是脈寬調(diào)制（PWM）型變頻器。（a）（b）圖2.8 交直交電流變頻器的結(jié)構(gòu)形式（a）可控整流器調(diào)壓、六拍逆變器變頻；（b）二重化結(jié)構(gòu)。（2）脈寬調(diào)制（PWM）型變頻器圖2.9為脈寬調(diào)制（PWM）型變頻器的示意圖，其整流部分采用的是不可控整流橋，它的輸出電壓經(jīng)電容濾波后形成恒定的直流電壓，逆變部分的主體是6只功率開(kāi)關(guān)器件VT1VT6，這些功率器件可選用功率晶體管GTR、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET、絕緣門極晶體管IGBT等，只要按一定規(guī)則控制VT1VT6的導(dǎo)通或斷開(kāi)，逆變器的輸出側(cè)即可獲得一系列恒幅、調(diào)寬的交流電壓，實(shí)現(xiàn)了變頻變壓。變頻變壓的協(xié)調(diào)控制均在逆變環(huán)節(jié)中完成。圖2.9 PWM交直交電流變頻器示意圖2.4.4變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 從80年代初通用變頻器問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)近20年，通用變頻器更新?lián)Q代了五次:第一代是80年代初模擬式通用變頻器，第二代是80年代中期數(shù)字式通用變頻器;第三代是90年代初智能型通用變頻器:第四代是90年代中期的多功能型通用變頻器，最近研制上市第五代集中通用變頻器。 通用變頻器的發(fā)展情況可以從幾個(gè)方面來(lái)說(shuō)明: 1 .通用變頻器的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大 通用變頻器不僅在工業(yè)各個(gè)行業(yè)廣泛應(yīng)用，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，產(chǎn)品正向三個(gè)方面發(fā)展變化:其一，向無(wú)需調(diào)整便能得到最佳運(yùn)行的多功能與高性能型變頻器方向發(fā)展;其二，向通過(guò)簡(jiǎn)單控制就能運(yùn)行的小型及操作方便的變頻器方向發(fā)展;其三，向大容量、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及具有環(huán)境保護(hù)功能的變頻器方向發(fā)展。 2 .通用變頻器使用的功率器件不斷更新?lián)Q代 通用變頻器對(duì)功率晶體管的基本要求是:能承受足夠大的電壓和電流;允許長(zhǎng)時(shí)間頻繁地接通和關(guān)斷;接通和關(guān)斷的控制必須十分方便。 在 80年代初只有大功率晶體管 (GTR)能夠滿足上述基本要求條件，后來(lái)隨著工作頻率比G T R提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)的絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)的出現(xiàn)，使變頻調(diào)速技術(shù)又邁向了一步。目前，中小容量的新系列變頻器中的逆變部分，已基本被IGBT壟斷了。時(shí)至90年代末又出現(xiàn)了一種新型半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件集成門極換流晶閘管 IGCT( integrated gate commutated thyristor) ，該器件是GTO和IGBT相互取長(zhǎng)補(bǔ)短的結(jié)果，非常適合于中壓 (1 KV -10 KV)開(kāi)關(guān)電路，現(xiàn)在己有系列產(chǎn)品。 3 .通用變頻器的控制技術(shù)性能達(dá)到了直流電機(jī)調(diào)速水平 通用變頻器再80年代初采用的控制技術(shù)是V/f PWM控制方式，90年代初又出現(xiàn)了矢量控制的通用變頻器。矢量控制技術(shù)的實(shí)用化，使異步電動(dòng)機(jī)變頻后的機(jī)械特性達(dá)到了可以和直流電動(dòng)機(jī)變壓后的機(jī)械特性相媲美的程度。 如英國(guó)的CT公司的VECTOR系列變頻器采用磁通矢量控制技術(shù)，其性能達(dá)到了直流電機(jī)調(diào)速的水平。 在交流異步電動(dòng)機(jī)的諸多調(diào)速方法中，變頻的性能最好，調(diào)速范圍廣，可進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，運(yùn)行效果好，采用變頻器，對(duì)籠型異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，由于使用方便，可靠性高，并且經(jīng)濟(jì)效益明顯，所以逐步得到推廣。 目前國(guó)外變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展較快，性能也非常好，在各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，如日本富士、瑞典 ABB 、德國(guó)西門子等變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展較慢，產(chǎn)品性能較差，很難滿足連續(xù)化工生產(chǎn)的需求，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自 動(dòng)控制。因此國(guó)內(nèi)使用單位主要以進(jìn)口為主，很少使用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品。2.4.5本設(shè)計(jì)中變頻器與PLC通訊時(shí)的參數(shù)設(shè)置MM440變頻器與S7-200PLC實(shí)現(xiàn)USS通訊需要設(shè)置的參數(shù)。P0700： 設(shè)置 P07000 = 5，即控制源來(lái)自 COM Link 上的 USS 通信 P1000： 設(shè)置 P10000 = 5，即設(shè)定源來(lái)自 COM Link 上的 USS 通信 P2009： 決定是否對(duì) COM Link 上的 USS 通信設(shè)定值規(guī)格化，即設(shè)定值將是運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的百分比形式，還是絕對(duì)頻率值= 0 不規(guī)格化 USS 通信設(shè)定值，即設(shè)定為變頻器中的頻率設(shè)定范圍的百分比形式。 1 對(duì) USS 通信設(shè)定值進(jìn)行規(guī)格化，即設(shè)定值為絕對(duì)的頻率數(shù)值。 P2010： 設(shè)置 COM Link 上的 USS 通信速率。根據(jù) S7-200 通信口的限制，支持的通信波特率有：= 4 2400 bit/s 5 4800 bit/s 6 9600 bit/s 7 19200 bit/s 8 38400 bit/s 9 57600 bit/s 12 115200 bit/s 2.5 外圍電路硬件設(shè)計(jì)2.5.1PLC和變頻器的選型及外部接線一、PLC的選型。通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)要求的分析可知，系統(tǒng)共需開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)14個(gè)，開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)8個(gè)。選CPU224可以滿足要求。系統(tǒng)還需要1路模擬量輸入和兩路模擬量輸出，選DM231四路模擬量輸入模塊一塊及EM232兩路模擬量輸出模塊一塊。 圖2.10（a）主電路圖 圖2.10（b） 電器控制電路圖2.10（c）PLC接線圖表2.1 PLC的IO口分配I0.0糾偏工作選擇I1.2刀片一手動(dòng)磨刀I0.1左邊檢測(cè)光電開(kāi)關(guān)I1.3刀片二手動(dòng)磨刀I0.2右邊檢測(cè)光電開(kāi)關(guān)I1.4刀片三手動(dòng)磨刀I0.3左邊限位開(kāi)關(guān)I1.5刀片四手動(dòng)磨刀I0.4右面限位開(kāi)關(guān)Q0.0分切裝置橫向電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)I0.5磨刀方式選擇Q0.2分切裝置橫向電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)I0.6磨刀一工作狀態(tài)選擇Q0.4刀片一磨刀操作I0.7磨刀二工作狀態(tài)選擇Q0.5刀片二磨刀操作I1.0磨刀三工作狀態(tài)選擇Q0.6刀片三磨刀操作I1.1磨刀四工作狀態(tài)選擇Q0.7刀片四磨刀操作系統(tǒng)主電路、繼電器接觸器電路與PLC的接線圖如圖2.10所示。其中，圖2.10（a）主電路中，M1為分切裝置的橫向移動(dòng)電動(dòng)機(jī)，由接觸器KM1及KM2控制其正反向運(yùn)行。KM1及KM2既可以由PLC的輸出點(diǎn)Q0.0及Q0.2驅(qū)動(dòng)，也可以由手動(dòng)按鈕SB9及SB10控制。電動(dòng)機(jī)M2及M3分別為壓痕電動(dòng)機(jī)及分切電動(dòng)機(jī)，它們由變頻器供電。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由PLC的模擬量輸出控制。而變頻器的電源由接觸器KM3及KM4控制，KM3及KM4的通斷可見(jiàn)圖2.10（b）電器控制電路。圖2.10（c）為PLC接線圖，除了電源連接外，表2.1還給出了PLC的輸入輸出端口分配。二、變頻器的選擇。在變頻調(diào)速領(lǐng)域，異步電機(jī)的控制方式多種多樣，但從轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)性和過(guò)渡特性來(lái)看，變頻調(diào)速的控制方式分為以下幾種:U/F控制U/F控制是交流電機(jī)最簡(jiǎn)單的一種控制方法，通過(guò)控制過(guò)程中始終保持U/F為常數(shù)，來(lái)保證轉(zhuǎn)子磁通的恒定。然而U/F控制是一種開(kāi)環(huán)的控制方式，速度動(dòng)態(tài)特性較差，電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率低，控制參數(shù)(如加/減速度等)還需要根據(jù)負(fù)載的不同來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，特別是低速時(shí)由于定子電阻和逆變器等器件開(kāi)關(guān)延時(shí)的存在，系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。這種控制方式多用于調(diào)速精度不高的場(chǎng)所。轉(zhuǎn)差頻率控制轉(zhuǎn)差頻率控制是檢測(cè)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，對(duì)轉(zhuǎn)差頻率采取閉環(huán)控制。與U/F控制相比，調(diào)速精度要求較高，且系統(tǒng)容易穩(wěn)定，即能在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)，將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)及效率控制在最佳狀態(tài)。但是采用此法的電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)只能是單機(jī)運(yùn)行，同時(shí)轉(zhuǎn)差頻率控制未能實(shí)施對(duì)電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，盡管這種系統(tǒng)的靜態(tài)精度較高，但由于快速性較差，故適用于對(duì)響應(yīng)的快速性要求不高的系統(tǒng)。矢量控制矢量控制是一種建立在轉(zhuǎn)子磁鏈定向的基礎(chǔ)上，通過(guò)一系列的坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)電機(jī)定子電流轉(zhuǎn)矩分量和磁通分量的解藕的控制方法，可以將作為控制對(duì)象的感應(yīng)電機(jī)當(dāng)作直流電機(jī)來(lái)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的控制。目前，實(shí)用中多采用轉(zhuǎn)差頻率矢量控制，由于其沒(méi)有實(shí)現(xiàn)直接磁通的閉環(huán)控制，無(wú)需檢測(cè)出磁通，因而容易實(shí)現(xiàn)。但是其控制器的設(shè)計(jì)在某種程度上依賴于電機(jī)的參數(shù)，為了減少控制上對(duì)電機(jī)參數(shù)的敏感性，已經(jīng)提出了許多參數(shù)辨識(shí)、參數(shù)補(bǔ)償和參數(shù)自適應(yīng)方案，收到了較好的效果。直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)也是一種轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方法，其克服了坐標(biāo)變換和解禍運(yùn)算的復(fù)雜性，直接對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，通過(guò)轉(zhuǎn)矩誤差、磁通控制誤差，按一定的原則選擇逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)，控制施加在定子端的三相電壓，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。由于DTC直接著眼于轉(zhuǎn)矩控制，對(duì)轉(zhuǎn)子參數(shù)變化表現(xiàn)為狀態(tài)干擾而非參數(shù)干擾，DTC方法比矢量控制方法具有較高的魯棒性。但是DTC也存在不足之處，其最大的困難就在于低速性能不理想。異步電動(dòng)機(jī)用變頻器傳動(dòng)的方塊圖，如圖2.11所示，變頻器由變流器、平滑電路、逆變器、控制器四大部分組成，變流器將交流電變?yōu)橹绷麟姡交娐穼⒋酥绷麟娖交?，由逆變器將它變換為頻率可調(diào)的交流電，向電動(dòng)機(jī)提供電壓、電流和頻率。整流器平滑電路逆變器控制器電源M圖2.11變頻器的基本結(jié)構(gòu)在本次的設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，采用了東莞市順景源印刷機(jī)械有限公司的壓痕機(jī)、分切機(jī)電動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，壓痕機(jī)的電動(dòng)機(jī)功率為11kw，分切機(jī)的電動(dòng)機(jī)功率為3kw，考慮到與PLC的配合，以及能夠滿足電動(dòng)機(jī)的性能要求，設(shè)計(jì)選用了德國(guó)西門子的MM440變頻器，對(duì)點(diǎn)生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)頻調(diào)速。調(diào)速原理如下異步電動(dòng)機(jī)定子對(duì)稱的三相繞組中通入對(duì)稱的三相交流電，在電機(jī)氣隙內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其旋轉(zhuǎn)速度為同步轉(zhuǎn)速 （2-1）式中定子繞組電源頻率;P電機(jī)磁極對(duì)數(shù)。異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率 （2-2）則異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 （2-3）由上式可知，異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法有如下幾種a.變同步轉(zhuǎn)