PLC皮带机变频调速设计方案

0 带机变频调速设计方案 第一章 引言 皮带机现状 随着国民经济的快速发展，煤矿、冶金、钢铁、化工、制药、仓储、电厂等方面对于皮带输送机有了许多高新的要求。皮带输送机俗称带式运输机，是一种连续性的带式运输机械，也是一种通用的机械，它既可以运送散状物料，也可以运输件式成品物料。工作过程中噪音较小、结构简单，皮带输送机可用于水平或倾斜运输。皮带输送机还用于装船机、卸船机、堆取料机等连续运输移动的机械上。以前的皮带输送机的电气控制部分为继电器和接触器控制，采用手工的操作方式，存在劳动强度大、能耗高 、维护量大、可靠性能差等缺点。随着工业大发展继电器控制系统无法达到相应的要求，且使用元件过多，因此根据不同行业不同用户的要求，采用 制的优势 采用可编程控制器（ 制的优势有如下几条： 可靠性能高，皮带机的综合保护装置以 统具有高可靠性和强抗干扰等特点，对环境要求不高，适用于较为恶劣的工作场所。 配置灵活， 组态系统时具有极大的灵活性，极强的处理能力，以及极大的输入输出 I/O 扩容量，当现场发生变化时，只需改变程序即可，因此能够方便灵活地进行系统配置，组成不同规模、不同功能的控制系统，即可控制一台单机，也可控制一条生产线，即可现场控制，也可远程集中控制。 设备扩展性强， 后可以很方便的添加新设备，如果与计算机 功能就更高了，它既可一通过 而避免了以前上套设备需要更换一套控制设备的弊端，因此节省了大量的人力和财力。 维护方便，模块连接采用插拔式接线端子排，更换和维护都相当的方便快捷。 频器在皮带机拖动上的应用特点 1 优越的软起动、软停止特性。 隔爆变频器的起动、停止时间是任意可调（ 0，也就是说起动时的加速度和停车时的减速度任意可调，同时为了平稳起动，还 可匹配其具备的 样可将皮带机起停时产生的冲击减少至最小，这是其它驱动设备难以达到的。如图 验带功能 煤矿的生产运输系统多以皮带机为主，运输系统检验维护的主要工作是皮带机的检验维护，低速验带功能是皮带机检验的主要要求，变频调整系统为无极调速的交流传动系统，在空载验带状态下，变频器可调整电机工作在 5%定带速范围内的任意带速。 平稳的重载 起动 皮带机在运煤过程中任意一刻都可能立即停车再重新起动，必须考虑“重载起动”能力。由于变频器采用无速度传感器矢量控制方式，低频运转可输出 此最适于“重载起动”。 功率平衡 煤矿井下皮带机系统多为双滚筒驱动或多滚筒驱动，为了保证系统内的同步性能，首先，要求位于机头的各滚筒应同步启停，在某一电机故障时能使系统停机，同时为了保证系统的运输能力，应尽量保证各滚筒之间的功率平衡。通过调整相应两变频器的速度给定来调整两电机 之间的速度差，便可以任意增大或减小两驱动电机的电流差值的大小，因此可以通过单独的控制系统控制各电机的电流值，通过调整各电机的速度来使各电机电流值逐步趋于平衡，这便形成了一个动态的功率平衡系统。 自动调速、节电效果明显 对应于煤矿的特殊生产条件，有时，煤的产量是极不均匀的，当然皮带机系统的运煤量也是不均匀的，在负载轻或无负载时，皮带机系统的高速运行对机械传动系统的磨损浪费较为严重，同时电能消耗也较低速运行大的多，但因生产的需要皮带机系统又 不能随时停车，采用单独的控制系统对前级运输系统的载荷、本机运输系统的载荷进行分别丈量，这样可控制变频器降速或提前升速。对于载荷不均的皮带机系统，可大大节约电能。 降低胶带张力 由于采用隔爆变频器所产生的良好起动特性，至少可降低起动张力 30%，如在初期设计选择胶带强度时可降低一个标号。在实际应用过程中，由于降低了起动冲击，皮带机机械系统的设备损耗也随之降低，尤其托辊及滚筒的寿命成几倍的延长。 具有工频转换功能 为了不影响生产，万一有故障，可以转换到工频旁路工作，检验时间维护变频器。在生产需要长期全速运行时，变频器起动后也可选择切换到工频运行，这样可延长变频器内电解电容寿命。 2 图 频驱动时的三相异步电动机启动时的特征曲线 第二章 总体方案的确定 就目前的现状有以下几种控制方式满足系统的要求：继电器控制系统、单片机控制、工业控制计算机控制、可编程序控制器控制。 (1) 继电器控制系统 控制功能是用硬件继电器实现的。继 电器串接在控制电路中根据主电路中的电压、电流、转速、时间及温度等参量变化而动作，以实现电力拖动装置的自动控制及保护，系统复杂，在控制过程中，如果某个继电器损坏，都会影响整个系统 的正常运行，查找和排除故障往往非常困难，虽然继电器本身价格不太贵，但是控制柜的安装接线工作量大，因此整个控制柜价格非常高，灵活性差，响应速度慢。 （ 2）单片机控制 单片机作为一个越大规模的集成电路、机构上包括 储器、定时器和多种输入 /输出接口电路。其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为功控领域、尖端武器、日常生活中最广 泛的计算机之一。但是，单片机是一片集成电路，不能直接将它与外部 I/件设计、制作和程序设计的工作量相当大。 （ 3）工业控制计算机控制 工控机采用总线结构，各厂家产品兼容性强，有实时操作系统的支持，在要求快速、实用性强、功能复杂的领域中占优势。但工控机价格较高，将它用于开关量控制有些大材小用。且其外部 I/座，直接从印刷 电路板上引出，不如接线端子可靠。 （ 4） 3 可编程序控制器配备各种硬件装置供用户选择，用户不用自已设计和制作硬件装置，只 须确定可编程序控制器硬件配制和设计外部接线图，同时采用梯形图语言编程，用软件取代继电器电器系统中的触点和热线，通过修改程序适应工艺条件的变化。 可骗程控制（ 上个世纪 70年代发展起来的一种新型工业控制系统，起初它主要是针对开关量进行逻辑控制的一种装置，可以取代中间继电器、时间继电器等构成开关量控制系统。随着 30多年来微电子技术的不断发展， 在 具有过程控制功能、运动控制功能和数据处理功能、连网通讯功能等多种性能， 是名符其实的多功能控制器。由 主构成的控制系统具有可靠性高、控制功能强大、性价比高等优点，是目前工业自动的首选控制装置。 案确定 通过对多种设计方案的比较，决定选择可编程控制系统，相比于继电器系统，它性能可靠性高，接线很简单，系统不复杂，易于维护，性能先进，易于改造。和单片机系统相比，它编程简单，易于掌握，连线简单。工业控制计算机控制系统性能先进，但是价格昂贵，系统复杂，对于本系统而言实在是大材小用。 综上所述，本次设计应选择 第三章 硬件设计 统功能设计分析 随着电力电子技术以及控制技术的发展，交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用；可编程控制器 单可靠，操作方便、通用灵活、体积小、使用寿命长且功能强大、容易使用、可靠性高，常常被用于现场数据采集和设备的控制。在此，本次设计就是基于 变频器调速系统来控制皮带机运动。将现在应用最广泛的 机的正反转，加减速以及快速制动等。因此，该系统必须具备以下三个主体部分：控制运算部分、执行和反馈部分。控制运 算主要由行元件为变频器和电机；反馈部分主要为速度反馈。 系统主要由三个部分构成，即可编程逻辑控制器件 频器和电机。首先通过设置给定输入给 通过 经由变频器来控制电机， 4 随后将电机的转速反馈给 比较后输出给变频器从而实现无静差调速。 具体如下图所示： 编程控制器（ 简介 可编程逻辑控制器，是整个集控系统的核心。 伴随着计算机技术、通信网络技术、微处理器技术、自动控制理论以 及半导 体集成技术的快速发展， 1969 年，首台可编程逻辑控制器（ 美国应运而生，并成功完成了对汽车制造中自动装配线上的试用。随后， 始广泛应用于食品、医疗、冶金、矿厂等工业领域。 仅能完成逻辑运算控制，还可以完成模拟量、脉冲量的算术运算，可以把它看做是专门为工业环境下应用而设计的执行数字运算操作的电子装置。 用了典型的计算机结构，主要组成部分为：中央处理器 (存储器、 输入 /输出 (I/O)接口、 I/O 扩展接口和电源等部分组成。 基本组成结构如 下图所示： 图 基本组成结构 工作原理 电机 速度闭环控制的机构控制图 - 速度给定 速度反馈信号 + 变频调速系统 5 工作方式就是一个不断循环的顺序扫描方式。运行时，首先清除 I/O 映像区的内容，接着进行自我诊断，然后与外部设备进行通信连接，确认正常后 开始扫描全部输入端口，获取并存储信号。再顺序执行程序，对输入信号进行运 输后，再将结果输出给外部。每一个 序， 是从第一条指令开始，按 顺序逐条地不断循环扫描用户程序直到最后一条 32。通常， 电后对系统进行一次初始化，包括硬件初始化和软件初始化，然后在运行状态 (开始进行扫描。一次扫描过程分为 5 个阶段：自诊断处理阶段、通信处理阶段、输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。 循环扫描过程如下图所示： 图 法 制规律为基础，经采样将其数字化写成离散形式 制方程，再根据离散方程进行控制程序设计。典型的 项，比例项、积分项和微分项。即：输出比例项积分项微分项。计算机在周期性地采样并离散化后进行 算，算法如下： c*（ + i） *（ +c*（ s） *（ 比例项 能及时地产生与偏差（ 正比的调节作用，比例系数 例调节作用越强，系统的静态稳定精度越高，但 定性降低。 积分项 i） *（ +偏差有关，只要偏差不为 0， 到偏差消失，系统处于稳定状态，所以积分的作用是消除稳态误差，提高控制精度，但积分的动作较慢，给系统的动 6 态稳定带来不良影响，很少单独使用。积分时间常数 大，积分作用越强，消除稳态误差的速度减慢。 微分项 s） *（ 根据误差变化的速度（即误差的微分）进行调节，具有超前和预测的特点。微分时间常数 大时，超调量减少，动态性能得到改善，但 统输出量在接近稳态时可能上升缓慢。 许多控制系统内，可能只需要 P、 I、 可能只要求比例控制或比例与积分控制，通过设置参数可对回路进行控制类型进行选择。 内存变量分配表 1、程序地址分配 地址 说明 标速度设定存放地址 前实际速度存放地址 2、 令回路表 地址 名称 说明 程 变量（ 必须在 间 定值（ 必须在 间 出值（ 必须在 间 益（ 比例常数，可正可负 样时间（ 单位为 s，必须是正数 样时间（ 单位为 须是正数 分时间（ 单位为 须是正数 选型 在 先应确定控制方案，下一步工作就是 程设计选型。工艺流程的特点和应用 要求是设计选型的主要依据。 准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用 是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统， 件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时， 7 应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定 部设备特性等，最后选择有较高性 能价格比的 综合了输入输出（ I/O）点数、存储器容量、各项控制功能和机型的考虑以及性价比等各方面的因素，在此我为该系统设计选择了 台。 图 外形模型图 种 6个有 12种工作方式的高速计数器和两点高速计数器 /和脉冲宽度调制器、直接读写的模拟量 I/进的程序结构、灵活方便的寻址方式以及程序化的 大的通讯功能，它支持多种通 信协议。价格是它在所有品牌在同一功能区内很有竞争力的。最重要的是它还提供了完善的的网上支持。这些都为实现本系统的设计提供很好的条件和方便。例如，高速计数器可以用来测速从而实现速度反馈。 而本实验中应用的输入端口很多，综合考虑选用 C/继电器）作为其控制器，其中 C/继电器表示该款 交流电源供电，输入是 24出为是继电器输出。其本机集成了 24点输入 /16点输出，共有 40点数字量 I/O。它可以连接 7个扩展模块，最大扩展至 248点数字量 I/5路模 拟量 I/O。 个 信 /编程口，具有 信、 具有较强控制能力的小型控制器。为了配合采集现场传感器的模拟量输入信号，还为 个模拟输入模块， 1个模拟输出模块的 8 频器的选择和参数设置 频器的选择 正确选择通用型变频器对于传动系统能够正常运行时至关重要的，首先要明确使用通用变频器的目的，按照生产机械的类型、调速范围、速度响应和控制精度、启动转矩等要求，充分了解变频器所驱动负载特性，决定采 用什么功能的通用变频器构成控制系统，然后决定选用哪种控制方式最合适。所选用的通用变频器应是既满足生产工艺要求，又要在技术经济指标上合理。若对通用变频器选型、系统设计及使用不当，往往会使通用变频器不能正常的运行、达不到预期目标，甚至引发设备故障，造成不必要的损失。另外，为了确保通用变频器长期可靠的运行，变频器的地线的连接也是非常重要的。 在本系统中，选用了由西门子生产的通用变频器 变频器 我们提供了很好的 频器面板 变频调速原理 交流电机的调速一直是业界的难题，目前，使用最广泛，效果最好的还是变 频调速。变频调速的本质就是改变电动机定子供电频率，以来改变同步转速，从 而对交流电动机实现调速。 交流异步电动机的同步转速为： 9 10 60fn p (交流异步电动机的轴转速为： 10 60( 1 ) ( 1 )fn n s ( 转子与定子旋转磁场转差率： 0s (上三式中： 0n 异步电动机同步转速； n 异步电动机的轴转速； 1f 定子供电频率； p 电动机的磁极对数； s 转差率，通常为 5%； 0 定子固有角速度； 转子相应角速度。 由上式 ( ( (以看出，因为 p 与 s 是定值，所以，如果能连续地 改异步电动机的供电频率1f，就可以平滑地改变电动机的同步速度及轴转速，以 此实现异步电动机的无级调速，这就是变频调速的基本原理。 频器的工作原理 变频器的工作原理是把市电（ 380V 、 50过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（ 成的三相逆变器，将直流 电变成可变电压和可变频率的交流电。 变频器的快速设置 （ 1）用基本操作面板（ 改参数的数值。下面说明如何改变 访问级 ” 的数值。操作步骤 如下： 10 表 改访问级参数 （ 2） 改变参数数值的操作 为了快速修改 参数的数值，可以一个个地单独修改显示出的每个数字，操作步骤如下： 当已处于某一参数数值的访问级（参看 “ 用 改参数 ” ）。 1）按 （功能键），最右边的一个数字闪烁。 2）按 ，修改这位数字的数值。 3）再按 (功能键），相邻的下一位数字闪烁。 4）执行 2 至 4 步，直到显示出所要求的数值。 5）按 ，退出参数数值的访问级。 （ 3）快速调试 如果所用的变频器刚刚出厂的变频器，则需对它进行快速调试（ 把参数，并将 ） ，试验中用到的变频器都已经完成了快速调试。如表 11 参数号 出厂值 设置值 说明 1 设用户访问级为标准级 1 快速调试 0 工作地区：功率以 率为 500304 230 380 电动机的额定电压（ V） 动机的额定电流（ A） 动机的额定功率（ 0 电动机额定功率因数（由变频器内部计算电机的功率因数） 1 设用户访问级为标准级 7 命令和数字 I/O 2 命令源选择由端子排输入 2 设用户访问级为扩展级 7 命令和数字 I/O 1 2 1 设用户访问级为标准级 10 设定值通道和斜坡函数发生器 1 由 动电位计）输入设定值 0 电动机的最低运行频率（ 0 50 电动机运行的最高频率（ 0 5 斜坡上升时间（ s） 0 5 斜坡下降时间（ s） 2 设用户访问级为扩展级 10 设定通道和斜坡函数发生器 表 速调试的内容 注 :（ 1）设置参数前 先将变频器参数复位为工厂的缺省设定值 （ 2）设定 允许访问扩展参数 （ 3）设定电机参数时先设定 (快速调试 ),电机参数设置完成设定(准备 ) 12 感器的选型与布置 传感器用于实现对皮带输送机运行状态的检测，并将数据传送到 为保护系统的触角，传感器的可靠性、灵敏性的高低直接决定系统保护的成败，所以传感器选型在此皮带集控系统中占有十分重要的地位。以下的各个传感器均适用于煤矿井下有煤尘、瓦斯爆炸危险的环境中，也适用于煤炭、冶 金、化工、建材、交通、电力、仓储等行业地面使用环境。 跑偏传感器：选用型号为 有两级信号： 1 级跑偏 (轻跑偏 )信号、2 级跑偏 (重跑偏 )信号，两级信号均会使电动机停车。 主要技术参数： 立辊偏转角度： 1 级角度分为 100、 120、 200； 2 级角度分为 300、 350、 450； 触点数量：一级和二级开关的动合、动断接点各一个； 复位方式：自动复位； 触点容量： 1A。 速度传感器：选用测速发电机与可变电阻器构成回 路。 主要技术参数： 工作电压： 10V； 工作电流： 信号输出： 05 测速范围： 0 1900r/ 撕裂传感器：选用型号为 供堆煤检测功能。 主要技术参数： 动作力： 20 N 6 N； 工作电压： 0V； 工作电流： 40 工作温度： 0 40 ； 湿度： 95%（ +25时） ； 大气压力： 80 110 工作环境：无滴水、无显著振动和冲击。 温度传感 器（ 外线测温传感器） 主要技术指标： 测温范围 0150 C； 响应时间 150 距离系数 8:1； 信号输出 4205V/ 电源为 探头尺寸 2285 螺纹部分 1816 烟雾报警器 要技术指标： 工作电压 92 工作电流 静电电流小于 10警工作电流 10 30 烟雾灵敏度 符合 标准 测试值每英尺 微弱灰烟探测器有反 13 应； 工作环境 50； 报警音量 10 英尺处为 85 分贝 ； 报警输出 有线方式：现场声光报警 / 有无输出，报警排除自动断开 无线方式：报警发射频率 F ： 315M/433M ， 无线发射距离（屏蔽距离）： 50M ，可定制 圆形尺寸 R=105=38 堆煤传感器：选用型号为 主要技术参数： 工作电压： 工作电流： 10 动作角度：与垂直方向夹角为 25； 复位角度：与垂直方向夹角 10； 动作方向：水平方向 360 ； 工作温度： 0 40 ； 湿度： 95%； 大气压力： 80 110 接近开关（ Y） 主要技术参数如下： 电源电压范围为：直流 1030流 90250 检测距离 4 输出电流 200 输出模式可选 开、 线常开、二线常闭、交流常开、交流常闭。 围硬件电路的设计与硬件电路图 I/O 点分配 本设计为可调速的双滚筒皮带机，包 含工频运行与变频运行两种选择。运行过程 如下： 采用两种方式： 动机启动停止后将运行在额定转速下。这样可以使变频器不用一直工作，可延长使用时间。 变频器的电动机运行的频率设为 50过变频器启动后，电动机同样会运行在额定转速下，且利用变频器将对电动机进行闭环调节，使电动机运行的更加平稳。 定要用变频器启动，先在变频器中设定转速对应的相应频率再启动电路。 出现两种 状况： 应先将工频切换成变频状态，然后变频停车。 接进行变频停车。 行状态会打断，进行紧急停车。 因此， 。 14 表 (输入端口（ I） 输出端口 (Q) 频正转 变变（反转） 号温升 号工频正转（ 频器复位 频正转 频复位 号过速 号工频正转 (频启动 (急停止 号 带撕裂 号工频反转 (频反转 号烟雾 带跑偏 号工频反转 (频反转 号温升 带堆煤 耦降压正转启动 (频停车 号过速 频器报警 耦降压反转启动 (频停车 号 频正转 |停车 频边变频（正转） 号烟雾 频反转 |停车 西门子 扩展模块 拟输入 ) 拟输出） 号转速反馈 频器模拟控制信号 号转速反馈 定值 用 15 实验总电路图 实验总电路图图 实验总电路图 控制电路图 图 控制电路图 16 （ 3）功能分析 当按下工频正转按钮时，接触器 机 时 10触器 动机 频正转指示灯亮。 当按下变频正转的按钮时，接触器 始 10动完成后，开始变频正向运转。变频工作指示灯亮。 当按下紧急停止按钮时， 动机自然停止。 当按下工频反转按钮时，接触器 机 时 10触器 动机 频反转指示灯亮。 当按下变频反转的按钮时，接触器 ， 始 10动完成后，开始变频反向运转。变频工作指示灯亮。 电动机处于工频运转状态，按下工频停车按钮，接触器 触器 入变频器，使电动机进入变频停车状态。 电动机处于变频运转状态，按下变频停车按钮， 入 10 按下变频复位按钮，变频器会发生复位。 电动机处于工频运转状态，按下工频边变频按钮，接触器 触器 入变频器，若电动机正转，则为 闭环调节作用，转速将稳定在变频标准值附近。同理，若电动机反转，则为 闭环调节作用，转速将稳定在变频标准值附近。 若系统发生故障时，电动机将进行自由停车。同时 障指示灯亮。 17 第四章 序设计 编程软件简介 是用于 7系列 本系统采用的 7以，其编程环境为 现在 的 常一个控制程序会根据 功能作用与任务性质划分为一个主程序和多个子程序。 主程序的作用主要是调度 和统筹整个控制任务，而各个子程序则相互独立，功能具体且专一，针对性强。 这样实现具体的动作就是主程序调用具体的子程序，使结构清晰、思路简单、工 作效率高，避免了重复劳动。模块化编程一般采用自上向下，逐步分解的步骤进 行。 主要有三种编程语言： 形图 )、 能块图 )以及 句表 )。 因为梯形图具有形象、直观、简单和实用的特点，使用最为普遍，所以本设计以 它为主要的编程语言。程序编译完成后，通过 而与计算机通信，执行 系统的控制操作。 序编写 序结构图 图 18 程序程序流程图及内容 主程序流程图 图 电动机正转主程序流程图 19 主程序 工频正转 自耦减压启动 20 每 10S 进行一次采样，反馈进行 算从而更加接近目标给定值。 工频停车 变频正转 21 变频复位 22 23 故障指示 24 子程序部分始化 给 定 值标准化 25 中断程序 输入值 标准化 26 软件仿真 利用西门子仿真软件对各种状态进行模拟仿真，仿真结果如下： （ 1）不上电状态（ 启动 算 27 （ 2）闭合 频自耦正向启动 通。 28 （ 3）工频运行（ 10S 延时启动后） （ 4）变频运行 29 （ 5）工频停车（按下 开关） 30 （ 6）变频停车（按下 开关） （ 7）工频变变频 31 （ 8）紧急停车 32 （ 9）变频器复位 （ 10）故障发生 33 综上所述，本设计可以充分达到设计要求，功能完善。 34 数整定 数整定方法就是确定调节器的比例 系数 P、积分时间 和微分时间善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求 。一般可以通过理论计算来确定，但误差太大。目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法 。 经验法又叫现场凑试法 ，它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，利用一组经验参数，根据反应曲线的效果不断地改变参数，对于温度控制系统，工程上已经有大量的经验，其规律如下表所示： 被控变量 规律的选择 比例度 积分时间（分钟） 微分时间（分钟） 温度 滞后较大 2060 310 实验凑试法的整定步骤为 先比例，再积分，最后微分 。 1）整定比例控制 将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。 2）整定积分环节 先将步骤 1）中选择的比例系数减小为原来的 50 80，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。 3）整定