畢業論文-基于plc和變頻器的橋式起重機控制系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ???????????/2/2/233/23/2/230111001011PLrLPLLLPLrLPLPLLPLrLLPLLPLrMMMMMMMM????????????????????TMTMiiii211 () 為了進一步簡化方程式 (2. 15)，可選擇 M 軸與電機 轉子磁鏈 2? 的方向重合，T軸逆時針轉 900，與 2? 垂直。通過這種設定，就得到轉子磁通定向的異步電動機電壓方程式（ ），也就是矢量控制所依據的異步電動機數學模型。 ????????????0011TMuu=?????????????????/2/233/2/20111001011000rLLPLrPLPLLPLrLLPLLPLrMMMMMM??????????????????TMTMiiii211 () 矢量變換控制方程 在矢量控制中，被控制的物理量是定子電流，因此必須從數學模 型中找到定子電流各分量與其它物理量的關系。 由式 ()矩陣的第三行得 0= ? ? 239。239。21 MMM iPLriPL ?? = ? ?239。21239。2 MMMM iPLiPLir ?? () 上式括號部分： 239。21 MMM iPLiPL ? =P 2M? () 所以有 0= 239。2Mir + P 2M? 2Mi = P 2M? /39。2r () 將式 ()代入式 ()的方程中，可解得 1Mi 、即 2M? = 239。21 MMM iLiL ? = 39。2239。21 rPLiL MMM ?? () 1Mi =? ?MML rPL 239。239。2 /1 ?? = 221 MMLPT ?? () 14 式中， 2239。239。22 // rLrLT ?? 為轉子回路時間常數。而 22 ?? ?M () ∴221 1 ?MM L PTi ?? () 再從式 ()第四行得 239。2239。23130 TMMM iriLiL ??? ?? = ? ? 239。2239。213 TMMM iriLiL ??? = 239。223 Tir??? () ∴ 39。2 232 riT ???? () 又因為 0239。21 ?? TTM iLiL ，則將式 ()代入得 223139。22 ??? MTMT L TiLLi ??? () 由此可得式 ()和式 ()為矢量變換控制所用得方程式， 并畫出矢量變換的控制結構如圖 所示 : iT1 i1 θ / θ /1 + θ 1 ω 3 θ 3 + θ IM1 來自位置脈沖檢測 圖 K/P ψ 2 運算器 LM/T2 247。 1/P LM/1+T2P 15 第三章 橋式起 重機變頻控制系統 的 硬件設計 總體 設計 方法 控制系統由 PLC 控制，四大機構調速均采用變頻調速。橋式起重機變頻調速系統主要由上位機 (工業觸摸屏系統 )、下位機 (PLC 控制系統 )、變頻調速系統組成。系統結構圖 如圖 1 PG卡 旋轉編碼器 變頻器 主鉤電機 制動器 PG卡 旋轉編碼 變頻器 副鉤電機 制動器 變頻器 小車電機 制動器 變頻器 大車兩臺電機 兩臺制動器 工業觸摸屏 P L C 圖 控制系統結構圖 下面分別對各 主要 機構調速控制進行說明。 起升機構 起升機構屬位能負載機構。主起升和副起升兩臺電機各使用一個變頻器。變頻器的選擇， 應以選擇變頻器的額定電流為基準，一般以電動機的額定電流，負載率， 變頻器運行的效率為依據。 16 控制方式選用帶 PG 的矢量控制方式。 PLC 接受電機的旋轉編碼器經數模轉換卡送達的反饋信號，避免吊鉤的下滑。 運行機構 大車運行機構 中 兩臺電機用一個變頻器 。考慮到運行機構的工作頻率較少，為節省成本 ，在調速中運行機構共用一臺變頻器。變頻器的選擇，一般以電動機的額定功率作為選擇的依據。通常選額定功率大一級的變頻器。 控制方式選用無 PG v/f 的變頻控制方式。 PLC 技術簡介 PLC 概述 可編程程序控制器 (Programmable Controler)，也稱為 PLC(programmable Logic controler)，即是可編程邏輯控制器。 其 采用計算機結構，主要包括 CPU,存儲器、輸入、輸出接口及模塊、通訊接口及模塊、編程器和電源六個部分。如圖 所示， PLC 內部采用 總線結構，進行數據和指令的傳輸。外部的各種開關信號、模擬信號、傳感器檢測的各種信號均作為 PLC 的輸入變量，他們經 PLC外部輸入端子輸入到內部寄存器，經 PLC內部邏輯運算或其他各種運算處理后送到輸出端子，作為 PLC 的輸出變量，對現場設備進行各種控制。 主機 編程器或編程軟件 電源 輸入模塊 輸出模塊 CPU 存儲器 通信模塊 17 圖 可編程控制器基本結構示意圖 Siemens S7200 結構及工作原理 (1)S7200 系列 PLC 介紹 S7200 系列 PLC 功能強、速度快、具有模塊化、具有極高的可靠性、極豐富的指令集、 實時特性、良好的通信能力等 。 它 的強大 功能使其無論是在獨立運行中，或相連成網絡都能實現復雜控制功能。 可以根據對象的不同，選用不同的型號和不同數量的模塊。并可以將這些模塊安裝在同一機架上。 (2) Siemens S7200 主要功能模塊介紹 1. CPU 模塊 S7200 的 CPU 模塊包括一個中央處理單元、電源以及數字 I/0 點，這些都被集成在一個緊湊、獨立的設備中。 CPU負責執行程序，輸入部分從 現場設備中采集信號，輸出部分則輸出控制信號，驅動外部負載。從 CPU 模塊的功能來看，CPU 模塊為 CPU222。 這里介紹 CPU222。 CPU222 它有 8 輸入 /6輸出， I/0 共計 14 點。和 CPU 221 相比，它可以進行一定的模擬量控制和 2 個模塊的擴展，因此是應用更廣泛的全功能控制器。 當 CPU的 I/O點數不夠用或需要進行特殊功能的控制時，就要進行 I/0擴展，I/O擴展包括 I/0點數的擴展和功能模塊的擴展。典型的數字量 I/0擴展模塊有 :輸入擴展模塊 EM221有兩種 :8種 DC, 8點 AC輸入 。輸出擴展模塊 EM222有三種 :8點 DC 晶體管輸出， 8點 AC輸出、 8 點繼電器輸出。輸入 /輸出混合擴展模塊 EM2323有六種 :分別為 4點 ((8 點、 16點 )DC 輸入 /4點 (8點、 16 點 )DC 輸出、 4點 (8點、16點 )DC 輸入 /4點 (8點、 16 點 )繼電器輸出。 當需要完成某些特殊功能的控制任務時， CPU 主機可以擴展特殊功能模塊 .如要求進行 PROFIBUSDP現場總線連接時，就需要 EM277 PROFIBUSDP 模塊，在這里主要介紹模擬量輸出模塊 EM232。 EM232 模塊提供了有 2 輸出模擬量通道，具有 12 位的分辨率，且具有多輸入，輸出信號范圍。其內部集成了 D/A 轉換器、放大器等多種功能的電路，可用18 于復雜的控制場合。它能夠不用外部放大器而與傳感器直接相連，可根據輸出模擬量的大小，通過其外置的 D工 P開關選擇不同的檔位及分辨率，且模擬量的輸出可作為測量傳感器的恒流源使用。 Siemens S7200 PLC 的工作原理： 各種 PLC 具體工作原理大同小異都采用掃描工作方式。 Siemens S7 200PLC的工作過程 :PLC 上電后，首先進行初始化，然后進 入循環工作過程。一次循環過程可歸納為公共處理、程序執行、掃描周期計算處理、 I/0 刷新和外設端口服務五個工作階段，一次循環所用的時間稱為一個工作周期 (或掃描周期 )，其長短與用戶程序的長短以及 PLC 機本身性能有關，其數據級 ms級，典型值為幾十 ms。 部件 的 選擇 電機的選用 一、變頻調速對電機的要求 采用變頻調速時，由于變頻器輸出波形中高次諧波的影響以及電機轉速范圍的擴大產生了一些與在工頻電源下傳動時不同的特征。主要反映在功率因數、效率、輸出力矩、電機溫升、噪音及振動等方面。隨著高開關頻率的工 GBT 等電力電子器件的使用、 PWM 調制、矢量控制、增強型 V/f控制方法的應用、使變頻器輸出波形、諧波成份、功率因數及使用效率得到了很大的改善，有效地提高了變頻控制電機的低速區轉矩。同時由于變頻控制軟件的優化使用，使電機可以避開共振點，解決了系統在大調速區間內可能發生的共振問題。 二、變頻起重機系統中電機的選型 起重機起升和運行機構的調速比一般不大于 1:20，且為斷續工作制，通常接電持續率在 60%以下，負載多為大慣量系統。嚴格意義上的變頻電機轉動慣量較小，響應較快，可工作在比額定轉速高出很多的工況條件下，這些特 性均非起重機的特定要求。普通電機與變頻電機在不連續工作狀態下特性基本一致 。在連續工作時考慮到冷卻效果限制了普通電機轉矩應用值，普通電機僅在連續工作時的變頻驅動特性比變頻電機稍差。 三、電機冷卻 西門子變頻器在調速比為 1:20 的范圍內能確保起重機上普通電機有 150%19 的過載力矩值。電機在起動過程中可承受 倍額定電流值，遠大于變頻起動要求的 倍值，運行機構的電機在以額定速度運行時電機通常工作在額定功率以下，因此高頻引起的 倍電流值可不予考慮。但若電機要求在整個工作周期內在大于 1:4 的速比下持續運行則必 須采用他冷式電機。 四、電機效率 國外以 4 極電機作變頻電機首選極數，因此時電機有最好的功率因數和最高的工作效率，使能耗降為最低。目前，國內用于起重機械的 4極電機有強迫通風冷卻的 YZFXXX4型電機等。 五、電機起動轉矩及電機運行的功率因數 起重機運行機構的轉動慣量較大，為了加速電機需有較大的起動轉矩，故電機容量需由負載功率 P 廠及加速功率 Pa 兩部分組成。一般情況下 ja PP? ,電機容量 P 為 ? ? msj PaPP ?/?? 式中 ms? 一電機平均起動起動轉矩倍數 起重機起升機構的負荷特點是起動時間短 (13s)，只占等速運動時間的較少比例 。轉動慣量較少，占額定起升轉矩的 10%20%。其電機容量 P為 ? ??1000/gvCP P? (kw) 式中 PC 一起重機額定提升負載， kg v 一額定起升速度， m/s g 一重力加速度， g=9. 81m/s ? 一機構總效率 為使電機提升 倍試驗載荷，能承受電壓波動的影響，其最大轉矩值必須大于 2,否則必須讓電機放容，從而降低電機在額定運行時的工作效率。 通過利用上述公式的計