(精品论文)基于plc控制的变频调速毕业设计论文

第一章 绪论1.1 课题来源国内提升机电控绝大多数还是转子回路串电阻分段控制的交流绕线式电机继电器接触器系统，设备陈旧、技术落后。而且这种控制方式存在着很多的问题:l)转子回路串接电阻，消耗电能，造成能源浪费。2)电阻分级切换，为有级调速，设备运行不平稳，容易引起电气及机械冲击。3)继电器、接触器频繁动作，电弧烧蚀触点，影响接触器使用寿命，维修成本较高。4)交流绕线异步电动机的滑环存在接触不良问题，容易引起设备事故。5)电动机依靠转子电阻获得的低速，其运行特性较软。6)提升容器通过给定的减速点时，由于负载的不同，而将得到不同的减速度，不能达到稳定的低速爬行，最后导致停车位置不准，不能正常装卸载。上述问题使提升机运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统，使提升机运行的可靠性和安全性得到提高。在提升机控制系统中应用计算机控制技术和变频调速技术，对原有提升机控制系统进行升级换代。就计算机技术在工业现场应用情况而言，可编程控制器(PLC)是目前作为工业控制最理想的机型，它是采用计算机技术、按照事先编好并储存在计算机内部一段程序来完成设备的操作控制。采用PLC控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小，PLC技术己经广泛应用于各种提升机控制，配合一些提升机专用电子模块组成的提升机控制设备，可供控制高压带动力制动或低频制动，单、双机拖动等。操作、监控和安全保护系统选用可编程控制器。主控计算机应用软件能完成提升机自动、半自动、手动、检修、低速爬行等各种运动方式的控制要求。 本设计将在PLC电控系统的基础上配合变频调速装置，运用现在先进的矢量控制技术，不但适合提升机运行工艺的要求，还将解决整套提升机系统的电力拖动方面的一系列问题。1.2 国内外提升及研究状况近三十年来，国外提升机机械部分和电气部分都得到了飞速的发展，而且两者相互促进，相互提高。起初的提升机是电动机通过减速器传动卷筒的系统，后来出现了直流慢速电动机和直流电动机悬臂安装直接传动的提升机。上世纪七十年代西门子发明矢量控制的交一直一交变频原理后，标志着用同步电动机来代替直流电机实现调速的技术时代已经到来。1981年第一台用同步机悬臂传动的提升机在德国Monopol矿问世，1988年由MAVGHH和西门子合作制造的机电一体的提升机(习惯称为内装电机式)在德国Romberg矿诞生了，这是世界上第一台机械和电气融合成一体的同步电机传动提升机。在提升机机械和电气传动技术飞速发展的同时，电子技术和计算机技术的发展，使提升机的电气控制系统更是日新月异。早在上世纪七十年代，国外就将可编程控制器(PLC)应用于提升机控制。上世纪八十年代初，计算机又被用于提升机的监视和管理。计算机和PLC的应用，使提升机自动化水平、安全、可靠性都达到了一个新的高度，并提供了新的、现代化的管理、监视手段。特别要强调的是，此时期在国外一著名的提升机制造公司，如西门子、ABB、ALSTHOM都利用新的技术和装备，开发或完善了提升机的安全保护和监控装置，使安全保护性能又有了新的提高。就在国外科学技术突飞猛进发展的时候，我国提升机电控系统很长时间都处于落后的状况。直到目前为止，我国正在服务的矿井提升机电控系统大多数还是转子回路串金属电阻的交流调速系统，设备陈旧、技术落后。国产提升机安全性、可靠性差，在关键部位上下两井口减速区段没有配套的有效的速度监视装置，就提升机控制技术而言，依然是陈旧的，和国外相比，我们存在很大的差距。矿井提升系统的类型很多，按被提升对象分:主井提升、副井提升;按井筒的提升道角度分:竖井(如图1.1所示为竖井井架设备)和斜井;按提升容器分:箕斗提升、笼提升、矿车提升;按提升类型分:单绳缠绕式和多绳摩擦式等。我国常用的矿用提升机主要是单绳缠绕式和多绳摩擦式。我国的矿井与世界上矿业较发达的国家相比，开采的井型较小、矿井提升高度较浅，煤矿用提升机较多，其他矿(如金属矿、非金属矿)则较少。因此在20世纪60年代开始单绳缠绕式矿井提升机采用较多。(1) 井架（2） 天轮目前我国提升机90%以上均采用交流绕线式异步电动机的拖动方式，其电控系统用于单绳缠绕式提升机的有TKD系列，多绳磨擦式提升机的有JKM、幻J系列。这几种提升机通常在电动机转子回路中串接附加电阻进行起动和调速。串电阻调速是一种恒转矩调速方法转子功率的损耗随着串入的电阻的增大而增大。尽管转子串电阻调速方法很不经济，低速特性也很软，稳定性差，但是由于这种调速方法比较简单易行，起动转矩较大在拖动起重机等中、小容量的绕线式异步电动机中仍然应用广泛。20世纪80年代，我国从瑞典、西德等国引进20多套晶闸管直流电动机控制系统。直流电动机传动有两种电控系统，一种为直流发电机直流电动机机组，另一种为晶闸管直流电动机系统。我国自己生产的晶闸管直流电动机控制系统应用于20世纪90年代。这种控制系统的优点是:体积小、重量轻、占地面积小;基础省、安装方便、建筑费用低;无齿轮传动部分(不需要减速器)、总效率高、电能消耗少;单机容量大，适用范围广;调速平稳、调速范围广、调速精度高;易于控制，能实现自动化，安全可靠;节约电能。矿井提升机对安全性、可靠性和调速性能的特殊要求，使得提升机电控系统的技术水平在一定程度上代表一个厂或国家的传动控制技术水平。比较国内外矿用提升机系统，具体来说国外矿井提升机在电控方面的应用特点有以下几个方面:l)提升工艺过程微机控制提升工艺过程大都采用微机控制，由于微机功能强，使用灵活，运算速度快，监视显示易于实现，并具有诊断功能，这是采用模拟控制无法实现的。2)提升行程控制提升机的控制从本质上说是一个位置控制，要保证提升容器在预定地点准确停车，要求准确度高，目前可达到2cm。采用微机控制，可通过采集各种传感信号，如转角脉冲变换、钢丝绳打滑、井筒、滚筒及钢丝绳磨损等信号进行处理，计算出容器准确的位置而施以控制和保护。一般过程控制用微机作监视，行程控制也采用单独下位机完成。3)提升过程监视提升过程监视与安全回路一样，是现代提升机控制的重要环节。提升过程采用微机主要完成如下参数的监视:a、提升过程中各工况参数(如速度、电流)监视:b、各主要设备运行状态监视;c、各传感器(如位置开关、停车开关)信号的监视。使各种故障在出现之前就得以处理，防止事故的发生，并对各被监视参数进行存储、保留或打印输出。甚至与上位机联网，合并于矿井监测系统中。4)安全回路安全回路是指提升机在出现机械、电气故障时控制提升机进入安全保护状态的极为重要的环节。为确保人员和设备的安全，对不同故障一般采用不同的处理方法。安全回路极为重要，它是保护的最后环节之一，英、德几家公司都采用两台PC微机构成安全回路，使安全回路具有完善的故障监视功能，无论是提升机还是安全回路本身出项故障时都能准确地实施安全制动。而在电力拖动方面，近几年国外出现了不少新拖动方式，交一交变频供电方式就是最有前途的一种。20世纪80年代西欧一些工业先进国家将交流变频调速技术应用于提升机，有代表性的是西门子公司和ABB公司。我国在20世纪90年代也引进了交流变频调速提升机控制系统。变频调速方式类似于它励直流电动机取得很宽的调速范围、很好的调速平滑性和有足够硬度的机械特性，在提升机应用中显示了其独特的优势。1.3 本文内容及研究意义1.3.1 研究内容当前国内提升机电控绝大多数还是转子回路串电阻分段控制的交流绕线式电机继电器接触器系统，设备陈旧、技术落后。而且这种控制方式存在着很多的问题:l)转子回路串接电阻，消耗电能，造成能源浪费。2)电阻分级切换，为有级调速，设备运行不平稳，容易引起电气及机械冲击。3)继电器、接触器频繁动作，电弧烧蚀触点，影响接触器使用寿命，维修成本较高。4)交流绕线异步电动机的滑环存在接触不良问题，容易引起设备事故。5)电动机依靠转子电阻获得的低速，其运行特性较软。6)提升容器通过给定的减速点时，由于负载的不同，而将得到不同的减速度，不能达到稳定的低速爬行，最后导致停车位置不准，不能正常装卸载。上述问题使提升机运行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此，需要研制更加安全可靠的控制系统，使提升机运行的可靠性和安全性得到提高。在提升机控制系统中应用计算机控制技术和变频调速技术，对原有提升机控制系统进行升级换代。就计算机技术在工业现场应用情况而言，可编程控制器(PLC)是目前作为工业控制最理想的机型，它是采用计算机技术、按照事先编好并储存在计算机内部一段程序来完成设备的操作控制。采用PLC控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小，PLC技术己经广泛应用于各种提升机控制，配合一些提升机专用电子模块组成的提升机控制设备，可供控制高压带动力制动或低频制动，单、双机拖动等。操作、监控和安全保护系统选用可编程控制器。主控计算机应用软件能完成提升机自动、半自动、手动、检修、低速爬行等各种运动方式的控制要求。图1.3矿用提升机变频调速控制系统而在PLC电控系统的基础上配合变频调速装置，运用现在先进的矢量控制技术，不但适合提升机运行工艺的要求，还将解决整套提升机系统的电力拖动方面的一系列问题。如图1.3所示，变频装置取代复杂的串联电阻切换装置，对提升机运行速度曲线、转矩大小的要求都由变频器来完成，简化了控制操作流程，提高了控制精度。1.3.2研究意义在调研中发现，目前山西省各大煤矿的矿井提升机系统的调速方案大多采用继电器接触器控制的转子串电阻调速。该方案耗能大，占地面积大，已不能适应现代矿业发展的需要。因此有必要对其调速方案进行改造。在广泛考察现行的变频调速方案后，本文提升机系统控制单元采用目前工控适用的可编程控制器来控制，具有编程简单和控制可靠性高的优点;电力拖动系统中，选用先进的变频传动装置，运用先进的矢量控制技术，优化了调速系统的性能，这一控制方法目前仍为现代交流调速的重要研究方向之一。采用先进的工业计算机、现场总线和工业自动化技术，按照结构标准化、产品系列化、性能现代化、体积小型化的原则，研制生产适合矿井提升机电控设备是进行技术改造和新建矿井设备选型的理想选择。使用上位机监控系统，采用组态模式，实现良好的人一机对话;实时监控提升机的运行状态，上位机动态模拟显示及故障闭锁;可进行故障报警、数据查询、报表打印;记录提升钩数以及每班、每日、每月、每年的提升量累计;故障声光指示、记忆及部分传感器上位机的紧急处理。为保证提升设备无事故，在提升设备有可能出现故障的各个重要环节上，设置双回路系统，并在系统的各个环节上设有各种检测、控制、自诊断以及记录和保护装置(如负载、速度、加减速、产量、运行时间等记录)。本文从解决实际矿井提升系统存在的问题出发，对传统的调速方案进行了控制方式的革新和数字化改造，降低了成本，提高了控制精度，加强了系统稳定性。表明本文所提出的设计方案具有实用价值。适用、经济、高效、可靠是本文提升机系统设计的追求目标。第二章 提升机的工况分析2.1 提升系统简介矿井提升机可分为竖井提升机和斜井提升机两种。目前 ,我国单绳缠绕式提升机 ,广泛采用交流绕线式电动机拖动 ,提升过程一般包括:起动加速、匀速、减速、爬行和停车几个主要环节。韶关一旅游景点的斜井提升观览车其提升和下降的整个过程控制全部由可编程逻辑控制系统（PLC）自动完成。观览车在一长度为 400 m、坡度为 35的斜坡上运行 ,见图 2.1 ,其功能是在山顶与山底之间运送游客。由于是载人提升机 ,因此 ,对电力拖动控制提出了较高的要求 ,必须做到平滑起动加速 ,平滑制动停车 ,不论是提升还是下降 ,提升机在斜坡上的运行不得超出规定的时间。图2.1 观览车提升系统2.2 提升机电动机运行方式提升机电动机的运行方式 ,主要根据系统的力图来确定。（1） 加速阶段。提升时为正力 ,采用电动加速。下放时为负力 ,若负力值较小 ,可考虑自由加速 ,并配合使用盘式制动器 ,若负力值较大 ,则采用动力制动加速。加速阶段不实行闭环调节 ,而以时间、速度为函数 ,逐步短接转子附加电阻 ,使提升电动机从零速升至全速。（2） 匀速阶段。提升时为正力 ,采用电动拖动。下放时为负力 ,采用能耗制动、闭环控制 ,单闭环速度控制系统由与距离有关的理想速度给定电路、速度负反馈电路、PID 调节器、移相触发电路及双向可控硅能耗制动电路组成 ,下放速度由 PID 调节。（3） 主减速阶段。提升时为正力 ,采取逐级接入转子附加电阻和机械制动的方式。下放时为负力 ,一方面接入转子附加电阻 ,另一方面增大制动电流并辅以机械制动方式减速。（4） 爬行阶段。当为正力时 ,转子接入几段附加电阻 ,由 PLC控制运行;当为负力时 ,在能耗制动方式下接入转子附加电阻。2.3 提升机的速度图和力图合理地确定提升机的力图和速度图 ,可以提高其运行的安全可靠性 ,以及减小电动机的功耗。2.3.1 提升机的速度图（1） 主加速阶段 t1 。如图2.2所示,正常提升时 ,接入第一级电阻 ,电动机产生的力矩比阻力矩大3 %5 %,产生比较低的加速度 a 0.3 m/。随着转子电阻的逐渐切除 ,既保证了起动阶段的加速度 ,又使起动平稳 ,当上升到时 ,电动机运行在自然特性曲线上。下放时 ,由于负力较大 ,需要制动力来维持稳定的下放速度和规定的减速度。投入动力制动时 ,盘式制动器松闸 ,将电动机的定子从交流电网上切除 ,并通过整流变压器 T 和调压模块 ,向定子绕阻通以直流电 ,从而产生固定的直流磁场 ,由于惯性作用 ,旋转的转子在固定磁场中运动 ,转子上产生感应电流 ,转子电流与固定磁场相互作用便产生了制动力矩 ,此后电动机的转速由于制动作用而降低。制动力矩与励磁电流的平方成正比 ,并与转子附加电阻和电机的极数有关。（2） 匀速阶段。上升时 ,电阻按时间原则来控制切除 ,使电动机保持电动状态 ,且速度 。下放时 ,由测速发电机反映转子下放速度 ,当速度高于时 ,增大励磁电流 ,提高制动力矩 ,使观览车在斜坡上匀速运行。（3） 主减速阶段。为使提升机准确停车 ,在停车前应进行减速。减速按照速度图要求进行 ,由装在斜坡上的位置开关动作发出信号 ,PLC 再根据与电动机同轴运行的光电编码器发出的脉冲数进行比较 ,发出指令 ,然后接入两段电阻、使提升机速度下降 ,几秒后又将、接入电路 ,使降到。提升机到达底端与到达顶端稍有不同 ,一方面接入、,一方面增大励磁电流，使下放速度在规定的时间内降低。（4） 爬行阶段。在 0.3 m/ s左右 ,此数值实际上是一个平均值 ,因为提升机由较高的不可能很准确的变为速度。脉动爬行 ,此时电动机转子串有大量的电阻 ,故有特性软、不易控和电耗大等缺点。（5） 停车阶段。接入最后一段电阻,同时将盘式制动器的 KT线圈断电 ,抱闸迅速抱住卷筒 ,提升机停转。图2.2 提升机速度图2.3.2 力图图 2.3 提升机力图由直线运动的运动方程可得:F = + ma式中: F 提升机在某运动阶段的力 ,kg;提升机的静阻力（包括车重、提升机重量和绳重）,kg;m 把旋转运动的部件折算到直线运动的变位质量 ,kg/ m;a 各阶段的加速度、减速度值 ,m/。当 a =0 时 , F = ,匀速运行;a 0 时 , F ,加速运行;a 0 时 , F ,减速运行。根据以上分析 , F = f（t） 的力图见图2.3。2.4 矿井提升机对电气控制系统的要求提升机控制系统方案的选用应满足生产工艺的要求，即满足各种可能出现的运行速度图和力图。所以需要先来分析提升机电控系统的静、动态特性。提升机的电气传动系统的给定速度，=f(t)如图2.4所示，根据动力学方程式 *式中Te电动机电动力矩;传动系统的静阻转矩;传动系统的飞轮力矩， ，其中J为转性惯量（kg*），g是重力加速度（m/）；传动系统的动态转矩（N*m）；加速度；可以得出按给定速度图所需转矩=f(t)的特性，从而可以得到拖动系统所需的力F=f(t)，如图2.4所示。提升机的负载静力凡，决定于提升机辊筒承受的静张力差，在双罐笼的平衡提升系统中，力凡也就是提升物体的净载重。由于提升系统的负载为位势负载，所以静力凡的作用方向始终是提升重物的重力方向，而与系统的运动状态和方向无关。因此在电动机不带电时，为了使重的罐笼处于静止状态(便于罐笼的装卸载)，对辊筒必须施加机械闸。从图2.4可以看出，要使提升机按照给定的速度图运行，电动力矩双可能为正，也可能为负。这意味着电动机不仅要工作在电动状态，还应能工作在制动状态。由于不同的负载，不同的提升机运行阶段，电动机的运行状态也各不相同。图2.5表示出了平衡提升系统的四种不同的运行状态。(l)重物上提，静载量较大()。其给定速度图与力图如图2.5(a)所示在加速段其中为加速力矩与匀速力矩之差图2.4 提升机传动系统给定速度图、力图加速力矩为：在匀速段，匀速力矩为： 在减速段，但|,所以减速段力矩为：其中为减速力矩与匀速力矩之差 在爬行段，爬行力矩为：根据此力图可知，电动机在各段均工作在正向电动状态。(2)重物上提，静载量较小()。其给定速度图和力图如图2.5（b）所示 在加速段，加速力矩： 在匀速段，匀速力矩： 在减速段，减速力矩：但，所以|=|0 在爬行段，爬行力矩：根据力图可知，电动机在加速段和等速段，工作在正向电动状态;在减速段，工作在正向制动状态;在爬行段，又工作在正向电动状态。也就是说，在整个提升过程中，电动机的运行状态应切换两次。图2.5 在不同负载下的给定速度图和力图 （3）重物下放，静载量较小（）。其给定速度图与力图如图2.5（c）所示 在加速段： 在匀速段： 在减速段：|=|0，0 在爬行段： 根据力图可知，电动机在加速阶段，工作在正向电动状态；在匀速、减速和爬行阶段均工作在正向制动状态。 (4)重物下放，且静载量较大（）。其给定的速度图和力图如图2.5（d）所示 在加速段： 在等速、减速和爬行段，F均为负。根据力图可知，电动机在整个提升过程中始终工作在正向制动状态。要使提升机按给定速度图运行，电气传动系统应能根据负载的变化而自动的工作在电动或制动状态，也就是说要求电气传动系统能满足四象限运行。综合以上提升机的运行特点以及矿山生产固有的特点，提升机工艺对提升机电控系统的要求如下： 1)加(减)速度符合国家有关安全生产规程的规定。提升人员时，加速度，升降物料时，加速度。另外不得超过提升机的减速器所允许的动力矩。2)具有良好的调速性能。要求速度平稳，调速方便，调速范围大，能满足各种运行方式及提升阶段(如加速、减速、等速、爬行等)稳定运行的要求。3)有较好的起动性能。提升机不同于其他机械，不可能待系统运转后再装加物料，因此，必须能重载启动，有较高的过载能力。4)特性曲线要硬。要保证负载变化时，提升速度基本上不受影响，防止负载不同时速降过大，影响系统正常工作(当然，当负载超过一定的限度时，还要求系统能有效的自我保护。迅速安全制动停车，即所谓要具备挖土机机械特性)。5)工作方式转换容易。要能够方便的进行自动、半自动、手动、验绳、调绳等工作方式的转换，操作方便，控制灵活，不至于因工作方式的转换影响正常生产。6)采用新技术和节能设备，易于实现自动化控制和提高整个系统的工作效率。具备必要的连锁和安全保护环节，确保系统安全运行。尽量节约能源和降低运转费用。第三章：可编程控制器简介 可编程控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。它面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。PLC控制技术代表着当前程序控制的先进水平，PLC装置已成为自动化系统的基本装置。3.1 PLC的基本特点PLC的诞生给工业控制带来革命性的飞跃,与传统的继电器控制相比有着突出的特点.第一,灵活性、通用性强。继电器控制系统如果工艺要求稍有变化,控制电路必须随之作相应的变动,所有布线和控制柜极有可能重新设计,耗时且费力然而是利用存储在机内的程序实现各种控制功能的。因此当工艺过程改变时,只需修改程序即可,外部接线改动极小,甚至可以不必改动,其灵活性和通用性是继电器控制电路无法比拟的。第二,可靠性高,抗干扰能力强继电器控制系统中,由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象是不可避免的,大大降低了系统的可靠性。而在控制系统中,大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的,加之在硬件和软件方面都采取了强有力的措施,使产品具有极高的可靠性和抗干扰能力可以直接安装在工业现场稳定地工作。PLC在硬件方面采取电磁屏蔽、光电隔离、多级滤波等措施在软件方面采取警戒时钟、故障诊断、自动恢复等措施,并利用后备电池对程序和数据进行保护,因此被称为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”。第三,编程简单,使用方便。PLC采用面向过程,面向问题的“自然语言”编程方式,直观易懂,主要采用梯形图和语句表编写程序,使得广大电气技术人员更容易接纳和理解。同时设计人员也可根据自己的喜好和实际应用的要求选择其他编程语言。标准是编程语言的标准,除了梯形图!语句表之外,还存在顺序流程图!结构化文本和功能块图三种编程语言的表达方式。一个程序的不同部分可用任何一种语言来描述,支持复杂的顺序操作功能处理以及数据结构。第四,功能强大,可扩展。的主要功能包括开关量的逻辑控制、模拟量控制部分还具备控制或模糊控制功能、数字量智能控制、数据采集和监控、通信、联网及集散控制等功能。PLC的功能扩展也极为方便,硬件配置相当灵活,根据控制要求的改变,可以随时变动特殊功能单元的种类和个数,再相应修改用户程序就可以达到变换和增加控制功能的目的。 PLC以原有的继电器、逻辑运算、顺序控制为基础逐步发展起来的。与继电器控制系统相比较,它以软器件代替了硬器件,以软触点代替了硬触点,以软接线代替了硬接线,从而使其器件、触点的寿命达数万甚至十万小时,而改变接线的速度则极为迅速。它是由计算机简化而来的，又有着诸多自身独特的优势。如下所述：1. 系列化各大生产公司一般都有小型、中型、大型三种系列产品.2.多处理器一般小型机是单处理器系统中型机是双处理器系统,包括位处理器和字处理器大型机则为多处理器系统,由字处理器!位处理器和浮点处理器等组成.3.较大的存储能力4.很强的I/O口5.智能外围接口6.网络化 PLC可连成功能很强的网络系统,一般有低速网络和高速网络两种。这两类网络可级连,网上可兼容不同类型的和计算机,从而组成控制范围很大的局域网络。7.紧凑及高可靠性8. 通俗化的编程语言和丰富的指令目前常用的有种3编程语言：1）顺序控制用的梯形图用以进行逻辑运算,完成时间上的顺序控制2）适用于数值控制的系统流程图,具有算术运算、比较、滤波等功能；3）类似汇编语言的指令表。3.2 PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图3.1所示： a. 中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 b、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 C、电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去 图3.1 PLC的基本结构图3.3 PLC的工作原理PLC一般采用循环扫描的工作方式。PLC上电后,执行系统程序规定的任务,周而复始地扫描并执行用户程序。完成一次扫描所用的时间称为扫描周期。一次循环过程可归纳为五个阶段,循环扫描过程为公共处理执行用户程序扫描周期计算输入输出刷新外设端口服务-公共处理。1.公共处理在公共处理阶段,要进行复位监视定时器、硬件检查、用户内存检查等操作。若有异常情况,故障显示灯亮,判断并显示故障的性质。若属于一般性故障,则只报警,但不需要停机,可等待处理。2.执行用户程序执行用户程序阶段,逐条解释和执行用户程序,其所需的全部信息都是从映像寄存器中读取的.映像寄存器包括输入映像寄存器和元件映像寄存器。输入映像寄存器存储着输入继电器的通断状态,输入继电器接通为1,断开为0。元件映像寄存器存储着输出继电器、各种辅助继电器等的状态,同样用和表示它们的通断状态。PLC在执行用户程序时所需的外部输入信息,不是直接从输入端读取的,而是从输入映像寄存器中读取的。在每个扫描周期的I/O刷新阶段,CPU从PLC输入端读取一次信息并存入输入映像寄存器中。在此后的一个扫描周期中,尽管PLC输入端的状态可能发生过变化,但输入映像寄存器中的数据也保持不变。同样,所需的输出继电器或其他编程元件的状态信息,是从元件映像寄存器中读取的。在执行用户程序过程中,根据用户程序给出的逻辑关系进行逻辑运算,运算结果再写入元件映像寄存器中。可见,在一个扫描周期中元件映像寄存器中的内容是可变的。3.扫描周期的计算在扫描周期的计算阶段,若预先设定了扫描周期的值,则进入等待,直至达到该设定值时扫描再往下进行若扫描周期设为不定时,则要进行扫描周期的计算。4.I/O刷新在I/O刷新阶段,主要作两件事情.(1)读各输入点的状态从输入电路中读取各输入点的状态并将此状态写入输入映像寄存器中,也就是刷新输入映像寄存器的内容自此输入映像寄存器就与外界隔离,无论输入信号的状态怎样变化,输入映像寄存器的内容都保持不变,一直到下一个扫描周期的I/O刷新阶段,才会写进新内容.(2)读输出元件映像寄存器中的状态将对应输出继电器的元件映像寄存器的状态传送到输出锁存器电路中,再经输出电路的隔离和功率放大送到的输出端,驱动外部执行元件动作。5.外设口服务在外设口服务阶段,完成与外设口连接的外围设备如编程器或通信适配器的通信处理。完成上述各阶段的处理后,又返回公共处理阶段,周而复始的进行扫描。3.4 PLC的分类 PLC一般可按控制规模和结构形式分类 一、按PLC得控制规模分类按PLC的控制规模分类，PLC可分为小型机、中型机、大型机。通常小型机的控制点数小于256点，用户程序存储器的容量小于8K字。小型机常用于单机控制和小型控制场合，在通信网络中常作从站。例如，西门子公司的S7-200PLC属于小型机。小型机中，控制点数小于64点的为超小型机或微型PLC。中型机的控制点数一般在256点到2048点范围内，用户程序存储器的容量小于50K字。中型机控制点数较多、控制功能强，常用于中型控制场合，在通信网络中可做主站也可做从站。例如，西门子公司的S7-300PLC就属于中型机。大型机的控制点数在2048点以上，用户程序存储器的容量达50K字以上。大型机控制点数多、功能很强、运算速度很快，常用于大型控制场合，在通信网络中常作主站。例如，西门子公司的S7-400PLC就属于大型机。以上分类没有十分严格的界限，随着PLC技术的飞速发展，这些界限会发生变更。二、按PLC得结构形式分类PLC按结构形式可分为整体式、模块式和叠装式三类。 （1）整体式PLC 整体式PLC是将电源、CPU、I/O部件集中在一个机箱内。其结构紧凑、体积小、价格低。一般小型PLC采用这种结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O和电源。扩展单元内只有I/O和电源。整体式PLC一般配备有特殊功能单元，如模拟单元、位置控制单元等，使PLC的功能得以扩展。例如，美国GE公司的GE-I/J系列PLC为整体式结构。（2）模块式PLC 模块式结构是将PLC各部分分成若干个单独的模块，如电源模块、CPU模块、I/O模块和各种功能模块。模块式PLC由机架和各种模块组成。模块插在机架内的插座上。模块式PLC配置灵活，装配方便，便于扩展和维修。一般大、中型PLC宜采用模块式结构，例如，西门子公司的S7-300PLC、S7-400PLC采用模块式结构形式。有的小型PLC也采用这种结构。（3）叠装式PLC 将整装式和模块式结合起来，成为叠装式PLC。它除了基本单元外还有扩展模块和特殊功能模块，配置比较方便。叠装式PLC集整体式PLC和模块式PLC优点于一身，它结构紧凑、体积小、配置灵活、安装方便。西门子公司的S7-200PLC就是叠装式结构形式。3.5 PLC的接入方式电力线通信技术，英文简称PLC，是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。该技术是把载有信息的高频加载于电流，然后用电线传输，接受信息的调制解调器再把高频从电流中分离出来，并传送到计算机或电话上，以实现信息传递。该技术在不需要重新布线的基础上，在现有电线上实现数据、语音和视频等多业务的承载，也就是实现四网合一。终端用户只要插上电源插头，就可以实现因特网接入。PLC利用1.6M到30M频带范围传输信号。在发送时，利用GMSK或OFDM调制技术将用户数据进行调制，然后在电力线上进行传输；在接收端，先经过滤波器将调制信号滤出，再经过解调，就可得到原通信信号。目前可达到的通信速率依具体设备不同在4.5M45M之间。PLC设备分为局端和调制解调器，局端负责与内部PLC调制解调器的通信和与外部网络的连接。在通信时，来自用户的数据进入调制解调器调制后，通过用户的配电线路传输到局端设备，局端将信号解调出来，再转到外部的Internet。 3.6 PLC编程3.6.1 PLC执行用户程序的过程根据PLC的工作流程,设PLC的输入数据为X,输出数据为Y。在用户程序第n次扫描执行时,其输入数据是第n-1扫描的I/O刷新阶段读取的Xn-1；执行用户程序过程中,元件映像寄存器中的数据既有第n-1次扫描存入的数据Y n-1,也有第n次执行程序的中间结果。第n次扫描I/O数据是Yn。以OMRON PLC为例，如图3.2所示给出PLC执行用户程序的过程示意图。执行第一个梯级时, PLC从输入映像寄存器中读取输入端00000的状态,设其为1则输入继电器00000的状态。再读出输入端00001的状态,设其为0,则输入继电器的00001的状态为0。再由常开触点和常闭触点00000和常闭触点00001的状态运算出继电器01000当当前的状态是1。若此前的状态是0，要改写与其对应的元件映像寄存器的状态向下继续执行第二个梯级,从元件映像寄存器中读出继电器01000的状态1（前一步存入的）,所以常开触点为01000为1，继电器010001的状态是1。若此前01001的状态是0，则要改写与其对应的元件映像寄存器的状态。本次扫描刷新时元件映像寄存器中存的内容是继电器为,继电器为1。3.2 PLC执行用户程序的过程示意图由上述分析可得出,执行用户程序过程的特点是：1）在执行用户程序的过程中,输入映像寄存器的状态保持不变,一直保存到下一次I/O刷新之前。2)元件映像寄存器的内容随程序的执行而改变,前一步的运算结果随即可作为下一步的运算条件,与输入映像寄存器不同。3）不同于继电器控制,PLC执行程序是按由上而下、自左向右的顺序进行的。所以不同梯级中的继电器线圈及其触点的状态不可能同时发生改变。3.6.2 梯形图的表示绘制梯形图时,我们首先要用符号表示出各种元素如常开触点、常闭触点、输出、并联常开、并联常闭等。整个梯形图指令由若干个梯级组成,每个梯级又是一个或几个输入元件和一个输出元件组成，输出元件应出现在梯级的最右边,输入元件出现在输出元件的左边。我们在编MFC程序中,经常要用到一些资源,如位图、对话框、光标、字符串表、菜单、工具栏等,每种资源都有其特定的ID样我们在用位图这种资源时就可以利用其具有特定ID这个特性区分识别各个位图。如2-3图所示 ,很显然,计算机绘制图形都是位图格式的,它只能按要求画出图形中的直线、圆、矩形等元素,而不知道各个图形元素之间的逻辑关系,但是在绘制梯形图的时候,各个图形元素之间都是由一定的逻辑关系组成的,最简单的问题就是如果计算机不能识别各个元素的话,它如何知道在哪两个图形元素之间画连接线？为了解决这个问题,我们将梯形图元素“放在”个个小单位区域中,每一个图形元素在单位区域中的相对位置都是统一固定的,这样每一个单位区域连接的时候,就能解决连线连接的问题。这样我们将每一个图形元素事先绘制在每一个单位区域中,然后在绘制梯级的时候,将每一个单位区域连接起来就可以了。可以这样说我们绘制的梯形图是绘制的每一个包含各种图形元素的单元区域,在图一中,我们可以清楚地看到,每一个图形元素被分别放在单元区域中,而每一单元区域又组成了整个梯级。3.3 梯形图简图其实,抛开梯形图的图像表象,我们可以发现梯形图中每个元件其实都有一个共同的属性,该属性可以用一个四元组表示元件类型,所在位置,名称。其中,元件类型表示元件的种类,如常开触点!常闭触点、输出触点、定时器、计数器等要表示所在位置我们可以将整个梯形图看成一个平面,再将这个平面划分成一个网格矩阵,使用元件在网格矩阵中的行列就可以表示名称也是元件的一个必要属性,因为它代表硬件中的具体地址。3.6.3 梯形图的编程规则梯形图语言作为一种标准PLC编程语言，在编制时必须遵循一定的规则，具体如下:(1)梯形图的每一行指令都在母线右边开始画起。(2)输出指令不能直接跟母线连接。(3)触点应在水平线上，不能在垂直分支上，且应遵循自左至右、自上而下的原则。(4)不包含触点的分支应放在垂直方向，不可放在水平位置，以便于识别触点的组合和对输出线圈的控制路径。(5)在有几个串联回路相并联时，应将触点最多的那个串联回路放在梯形图的最上面;而在有几个并联回路相串联时，应将触点最多的并联回路放在梯形图的最左面。(6)不能将触点画在输出线圈的右边，线圈仅能画在同一行中所有触点的最右边。第四章：矢量控制变频调速4.1变频调速的发展及在提升机系统中的应用传统调速系统中，直流调速以其控制容易，调速精度高等特点长期占据了主导地位，但是由于结构复杂，过流能力不强，环境适应差，难以实现高速度化等原因，一直限制了其应用范围的进一步扩大。相比较而言，交流异步电机具有环境适应能力强、过流能力大、牢固耐用、结构简单、容易维护及价格低廉等优点，但异步电机的调速性能难以满足生产要求。随着电力电子器件的产生和控制理论的飞速发展，现代控制理论越来越多的应用到交流调速系统中，使得交流调速性能可以和直流调速相媲美、相竞争，交流调速系统的应用领域不断扩大。近年来，电力电子技术的发展和DSP微处理器的推出，更为高性能交流调速系统的实现奠定了基础，目前己经进入了实用化阶段，作为众多调速方案之一的变频调速，其发展不超过40年，却取得了长足的进步，变频调速以其节能和可平滑调速，调速范围宽等优点得到了广泛的应用22。交流电动机变频调速控制技术大体经历了以下几个发展阶段。第一个阶段为电压/频率(U/f)恒定控制，这种控制方法在低频时定子电压较低，定子漏抗压降所占的份量不能忽略，因此需要人为地把电压抬高一些，用以补偿定子压降，负载不同时需要补偿的定子压降值也不一样，在控制软件中备有不同斜率的补偿特性，以便用户选择。第二个阶段是矢量变换控制，它的方法是模拟直流电动机的控制特点来进行交流电动机的控制，通过电机统一理论和坐标变换理论，把交流电动机定子电流分解成磁场定向坐标的磁场电流分量和与之相垂直的坐标转矩电流分量，把固定的坐标系变换为旋转坐标系解祸后，交流量的控制变为直流量的控制，于是等同于直流电动机。第三个阶段为直接转矩控制，也叫直接自控，它避开了矢量控制中的两次坐标变换及求矢量模与相角的复杂计算工作，直接在定子坐标系上计算电动机的转矩与磁通，使转矩响应时间控制在一拍以内，且无超调，控制性能更好。提升机控制系统的硬件由模拟技术转向数字技术，全数字变频技术应用于提升机控制。减速段速度调节采用低频发电制动方式，将系统的动能反馈给电网，与动力制动减速相比，不仅调速性能好、减速与爬行自然过渡，而且节能效果显著。采用现代智能控制技术实现速度电流闭环调节，使减速阶段在各种条件下均可严格按照给定的速度图运行，使交流拖动在减速段达到直流拖动的调速性能，减速段到爬行段过渡平滑。这样在提升机系统的最大静张力差允许范围内能实现正力减速与爬行、负力减速与爬行以及验绳等多种工作方式，达到控制要求。采用矢量控制技术零速起动转矩达150%，确保低速爬行时的启动与运行特性，输出频率跟随给定频率，并且频率与电流值可准确指示出来。从而使传动系统获得高精度、高可靠性。采用直接转矩控制可改善低频特性，普通变频器虽然可以输出较低的频率，但输出力矩小，特性较软，应用于提升位能负载时，起动瞬间总要溜车。采用特殊的软件编程，改善低频特性，即使在输出0Hz的情况下，也能输出200%的负载力矩，达到了在整个运行过程都能输出满足负载要求的力矩。完全避免了重载坡起时溜车的现象。提升机使用变频调速控制具有下列优点:(l)调速平滑、调速范围大。通过控制器的控制，变频器的输出频率可以连续调节，实现无级调速，使电动机起动电流小、动负荷小、调速平滑而无冲击。(2)调速精度高。电动机在自然特性上运转时的外特性硬，转速随负载变化小。(3)动态品质好。可使提升机的起动、制动、反转和调速过程的时间降至最少，具有良好的动态品质。(4)易实现电动机的换向，当频率降低至零后即可反向开车，采用控制器改变相序即可实现反转，因此可在四象限内平滑的过渡。(5)节电效果显著。变频调速比转子回路串接电阻的调速方法节约电能20%40%。4.2变频调速基本原理异步电机的VVVF调速系统一般简称变频调速系统。由于在变频调速时转差功率不变，在各种异步电机调速系统中效率较高，同时性能也最好，故是交流调速的主要发展方向。交流调速系统的控制量最基本上是转矩、速度、位置，根据不同的用途适当组合可构成各种闭环系统。异步电动机定子对称的三相绕组中通入对称的三相交流电，在电机气隙内会产生一个旋转磁场，其旋转速度为同步转速 式中定子绕组电源频率;P电机磁极对数。异步电动机转差率 则异步电动机转速由上式可知，异步电动机调速方法有如下几种a.变同步转速:变极p、变频、b.变转差率s:定子调压、转子串电阻、电磁转差离合器、串极调速。由电机学可知，转差功率:式中电磁功率;Cu2转子铜耗。由式可知，变频调速与变极调速为转差功率不变型不论其转速高低，转差功率消耗基本不变，因此调速效率为最高。由电机与电力拖动可知，异步电动机等效电路如图4.1所示，图4.1 异步电动机等效电路对交流异步电动机进行变频调速，交流异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速 表达式为:式中: 同 步转速 (r/min); 定子频率(Hz); 磁极对数。而异步电动机的转速为:式中:s -异步电动机的转差率 改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行。当然，也可以通过改变转差率，和磁极对数n ，来改变异步电动机的转速。 但是变极 对 数和变转差率在调速领域内的应用范围较小，而变频调速具有高效率、高范围和高精度的调速性能，是比较合理的调速方法。交流变频器正是通过均匀的改变输入异步电动机定子的供电频率来调节电动机转速的。对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保持不变。磁通太弱，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负荷能力下降;磁通太强，则由于过励磁状态，使励磁电流过大，这就限制了定子电流的负载分量，为使电动机不过热，负载能力要下降。异步电动机的气隙磁通 ( 主磁通)是定、转子合成磁动势产生的。由电机理论知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值为: 式中 定子每相由气隙磁通感应的电动势的均方根值(V) ; 定子频率(Hz) ; 定子相绕组有效匝数; m 每相磁通量(Wb)。 由上式可见,m的值是由E1 和f1共同决定的，对E1和f1进行适当的控制,就可以使气隙磁通m保持额定值不变。下面分两种情况说明: 1 .基频以下的恒磁通变频调速 这是考虑从基频(电动机额定频率AN)向下调速的情况，为了保持电动机的负载能力， 应保持气隙主磁通m不变， 这就要求降 低供电频率的同时降低感应电动势，保持E1/ f1 = 常数， 即保持电动势和频率之比为常数进行控制。 这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。 但是，E1难于检测和直接控制。当El和f1值较高时，定子的漏阻抗压降相对比较小，如果忽略不计，则可以近似的保持定子相电压U1和频率f1的比值为常数即可。这就是恒压频比，是近似的恒磁通控制。当频率较低时，U1和E1都变小