基于plc與變頻器的交流調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 程控制器（ PLC）是微電子技術(shù)、繼電器控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)相結(jié)合的新型通用的自動(dòng)控制裝置。 PLC 具有體積小、功能強(qiáng)、可靠性高、使用方便、易于編程控制、適于工業(yè)應(yīng)用環(huán)境等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的控制系統(tǒng)中，如機(jī)械制造、電力、交通、輕工、食品加工等行業(yè)。 PLC 既可用于舊設(shè)備改造，也可用于新產(chǎn)品開發(fā)，在機(jī)電一體化、工業(yè)自動(dòng)化等方面應(yīng)用極其廣泛 。 可編程控制器（ PLC）廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制。它通過用戶存儲(chǔ)的應(yīng)用程序來控制生產(chǎn)過程，具有可靠性高、穩(wěn)定性好 和實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。 PLC 是把計(jì)算機(jī)技術(shù)與繼電器控制技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，為工業(yè)自動(dòng)化提供近乎完美的現(xiàn)代化自動(dòng)控制的裝置。 ，抗干擾能力強(qiáng) 傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器。由于觸點(diǎn)接觸不良，容易出現(xiàn)故障。 PLC 用軟件代替大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng) 1/10~1/100，因觸點(diǎn)接觸不良造成的故障大為減少。 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采 用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的 F系列PLC平均無故障時(shí)間高達(dá) 30萬小時(shí)。一些使用冗余 CPU的 PLC的平均無故障工作時(shí)間則更長(zhǎng)。從PLC 的機(jī)外電路來說，使用 PLC 構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外， PLC 帶有硬件故障自我檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除 PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。這樣 ，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。 ，功能完善，適用性強(qiáng) PLC 發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，并且已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。 PLC 的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。 PLC 有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，可直接驅(qū)動(dòng)一般的電磁閥和交流接觸器，可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來 PLC 的功能單元大量涌現(xiàn)，使 PLC 滲透到了位置控制、溫度控制、 CNC 等各種工業(yè)控制中。加 13 上 PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用 PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 ，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC 作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用 PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門 。 、安裝、調(diào)試工作量小，維護(hù)方便，容易改造 PLC 的梯形圖程序一般采用順序控制設(shè)計(jì)法。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，梯形圖的設(shè)計(jì)時(shí)間比設(shè)計(jì)繼電器系統(tǒng)電路圖的時(shí)間要少得多。 PLC 用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。 ，重量輕，能耗低 以超小型 PLC 為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100mm，僅相 當(dāng)于幾個(gè)繼電器的大小，因此可將開關(guān)柜的體積縮小到原來的 1/2~1/10。它的重量小于 150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備 。 1 掃描技術(shù) 當(dāng) PLC投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間， PLC的 CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。 1）輸入采樣階段 在輸入采樣階段， PLC 以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入 I/O映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化， I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 2)用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段， PLC 總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序 (梯形圖 )。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù) 邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點(diǎn)在 I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在 I/O映象區(qū)或系統(tǒng) RAM存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會(huì)對(duì)排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的程序起作用 。 3） 輸出刷新階段 當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后， PLC 就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間， CPU 按照 I/O 映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是 PLC的真正輸出。同樣的若干條梯形圖，其排列次序不同，執(zhí)行的結(jié)果也不同。另外，采用掃描用戶程序的運(yùn)行結(jié)果與繼電器控制裝置的硬邏輯并行運(yùn)行的結(jié)果有所區(qū)別。當(dāng)然，如果掃描周期所占用的時(shí)間對(duì)整個(gè)運(yùn)行來說可以忽略，那么二者之間就沒有什么區(qū)別了。 一般來說， PLC 的掃描周期包括自診斷、通訊等，如下圖所示，即一個(gè)掃描周期等于自診斷、通訊、輸入采 樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新等所有時(shí)間的總和 。 14 目前， PLC產(chǎn)品大致可分為美國、歐洲國家、日本三大主流。在 PLC 選型時(shí)，反復(fù)比較，編者選中了目前流行的、有較高性價(jià)比的西門子 S7200系列小型 PLC。該型號(hào)的 PLC指令豐富、功能強(qiáng)大，其占有率在國內(nèi)市場(chǎng)正處于上升趨勢(shì)。 選擇西門子 S7200的 PLC， CPU224的結(jié)構(gòu)圖如圖 2所示。 本機(jī)集成 14輸入 /10輸出共 24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)。可連接 7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)至 168路數(shù)字量 I/O點(diǎn)或 35路模擬量 I/O點(diǎn)。 16K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空 間。 6 個(gè)獨(dú)立的 30kHz 高速計(jì)數(shù)器， 2 路獨(dú)立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。 1 個(gè) RS485通訊 /編程口，具有 PPI通訊協(xié)議、 MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。 I/O 端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。 (1)當(dāng)三相異步電機(jī)接入三相交流電源 (各相差 120度電角度 )時(shí)，三相定子繞組流過三相對(duì)稱電流產(chǎn)生的三相磁動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速 n0沿定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)圓空間作順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。 (2)該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體有相對(duì)切割運(yùn)動(dòng) ,根據(jù)電磁感應(yīng)原理 ,轉(zhuǎn)子導(dǎo) 體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生感應(yīng)電流。 (3)根據(jù)電磁力定律，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中將產(chǎn)生與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向基本一致的感生電流。載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)磁場(chǎng)中受到電磁力作用，電磁力對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸上帶機(jī)械負(fù)載時(shí)，便向外輸出機(jī)械能。 （ 1）變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制 4個(gè)部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆 變部分為 IGBT 三相橋式逆變器，且輸出為 PWM 波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無功功率。 （ 2） 我們知道，交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式位： n＝ 60f(1－ s)/p (1) 式中 n——— 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速； f——— 異步電動(dòng)機(jī)的頻率； s——— 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率； p——— 電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。 由式 (1)可知，轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 成正比，只要改變頻率 f 即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率 f在 0～ 50Hz的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào) 節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。 整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為 IGBT 三相橋式逆變器，且輸出為 PWM 波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無功功率。 變頻器主要是由主電路、控制電路組成： (1)主電路是給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。 (2)控制電路是給異步電動(dòng)機(jī)供電（電壓 、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號(hào)的回路，它有頻率、電壓的“運(yùn)算電路”，主電路的“電壓、電流檢測(cè)電路”，電動(dòng)機(jī)的“速度檢測(cè)電路”，將運(yùn)算電路的控制信號(hào)進(jìn)行放大的“驅(qū)動(dòng)電路” 15 以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的“保護(hù)電路”組成。 MM 440系列變頻器 MICROMASTER440是用于控制三相交流電動(dòng)機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩的變頻器。本系列有多種型號(hào)，額定功率范圍從 120W到 200kW(恒定轉(zhuǎn)矩 (CT)控制方式 )，或者可達(dá) 250kW(可變轉(zhuǎn)矩 (VT)控制方 )，供用戶選用。 本變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù) 水平的絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)作為功率輸出器件。因此，它們具有很高的運(yùn)行可靠性和功能的多樣性。采用脈沖頻率可選的專用脈寬調(diào)制技術(shù)，可使電動(dòng)機(jī)噪聲運(yùn)行。全面而完善的保護(hù)功能為變頻器和電動(dòng)機(jī)提供了良好的保護(hù)。 MICROMASTER 440 具有缺省的工廠設(shè)置參數(shù)，它是給數(shù)量眾多的可變速控制系統(tǒng)供電的理想變頻傳動(dòng)裝置。由于 MICROMASTER 440具有全面而完善的控制功能，在設(shè)置相關(guān)參數(shù)以后，它也可用于更高級(jí)的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。 MICROMASTER 440既可用于單獨(dú)傳動(dòng)系統(tǒng)，也可集成到‘自動(dòng)化系統(tǒng)’ 中。 MM440變頻器特點(diǎn) 1）、主要特性 易于安裝 易于調(diào)試 牢固的 EMC設(shè)計(jì) 可由 IT電源供電 對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)是快速和可重復(fù)的 參數(shù)設(shè)置的范圍很廣，確保它可對(duì)廣泛的應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行配置 電纜連接簡(jiǎn)便 具有多個(gè)繼電器輸 具有多個(gè)模擬量輸出 (0~20mA) 6個(gè)帶隔離的數(shù)字輸入，并可切換可 NPN/PNP接線 1 2個(gè)模擬輸入： ? ADC1： 0~10V， 0~20mA和 10至 +10V ? ADC2： 0~10V， 0~20mA 1 2個(gè)模擬輸入可以作為第 7和第 8個(gè)數(shù)字輸入 1 BICO技術(shù) 1模塊化設(shè)計(jì)，配置非常靈活 1開關(guān)頻率高 (傳動(dòng)變頻器可到 16kHz)，因而電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的噪音低 1內(nèi)部 RS485接口 (端口 ) 1詳細(xì)的變頻器狀態(tài)信息和完整的信息功能 2）、性能特性 矢量控制 ? 無傳感器矢量控制 (SLVC) ? 帶編碼器的矢量控制 (VC) V/f控制 ? 磁通電流控制 (FCC)，用于改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)和電動(dòng)機(jī)的控制特性 ? 多點(diǎn) V/f特性 自動(dòng)再啟動(dòng) 捕捉再啟動(dòng) 滑差補(bǔ)償 快速電流限制 (FCL)動(dòng)能，適用于自由脫扣運(yùn)行 電機(jī)停機(jī)抱閘 16 內(nèi)置直流制動(dòng) 復(fù)合制動(dòng)功能改善了制動(dòng)特性 內(nèi)置制動(dòng)單元 (框架尺寸 A至 F)用于電阻制動(dòng) (動(dòng)力制動(dòng) ) 1給定值輸入，通過： ? 模擬輸入 ? 通訊接口 ? 點(diǎn)動(dòng) (JOG)功能 ? 電動(dòng)電位計(jì) ? 固定頻率 1斜坡函數(shù)發(fā)生器 ? 有平滑功能 ? 無平滑功能 1工藝調(diào)節(jié)器 (PID) 1參數(shù)組轉(zhuǎn)換 ? 傳動(dòng)數(shù)據(jù)組 (DDS) ? 命令數(shù)據(jù)組和給定值源 (CDS) 1自由功能塊 1直流母線電壓調(diào)節(jié)器 1動(dòng)能緩沖 1定位控制的斜坡下降 3）、保護(hù)特性 過電壓 /欠電壓保護(hù) 變頻器過熱保護(hù) 接地故障保護(hù) 短路保護(hù) I2t電動(dòng)機(jī)過熱保護(hù) PTC/KTY84電動(dòng)機(jī)保護(hù) 17 MM440變頻器的控制端子 表 2 MM440變頻器的控制端子 PLC 的 I/O 分配 I0.，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行按鈕 SB1； I0.，電動(dòng)機(jī)停止，對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)停止按鈕 SB2； Q0.，固定頻率設(shè)置，接 MM40數(shù)字輸入端子“ 5” 18 Q0.，固定頻率設(shè)置，接 MM40數(shù)字輸入端子“ 6” Q0.，固定頻率設(shè)置，接 MM40數(shù)字輸入端子“ 7” Q0.