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反应釜物料搅拌变频调速控制实训报告题目名称： 反应釜物料搅拌变频调速控制 系 部： 机械工程系 专业班级： 矿山机电12-9班 学生姓名： 李忠亚 学 号： 2012232368 指导教师： 申红军 完成日期： 2014年7月4日 目 录摘要2第一章 绪论11.1选题研究的目的及意义11.2 论文的主要内容11.3相关技术发展概况21.3.1 PLC技术发展概况21.3.2变频调速技术的发展概况31.3.3组态软件组成4第二章 变频调速在物料搅拌中的硬件设计52.1可编程控制器PLC52.1.1PLC的定义52.1.2 PLC的组成及各部分的作用52.2变频调速的基本原理62.2.1变频器的基本结构62.2.2变频调速的工作原理82.3变频器的电气控制原理图10第三章 变频调速在物料搅拌系统的软件设计123.1系统的整体设计123.1.1用户需求分析123.1.2系统结构123.2 PLC程序设计133.2.1变频调速的控制流程图133.2.2变频调速在物料搅拌中的PLC程序设计14第四章 硬件系统设计184.1、物料A的控制方式:194.2、物料B的控制方式204.3、PLC控制系统设计21第五章 监控系统设计255.1监控系统结构255.2 监控系统硬件组成265.3监控系统功能设计265.4 PLC与组态软件之间的通信27结论30致 谢31参考文献32摘要随着电力电子技术以及控制技术的发展，使得变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛的应用。由于PLC的功能强大、容易方便、可靠性高等特点，所以常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。组态软件技术作为用户可定制功能的软件平台工具，在PC机上可以开发出人机界面，通过PLC技术可以对自动化设备进行“智能”控制。在本系统中，为了实现能源的充分利用和生产的需要，需要对电动机进行转速调节，考虑到电机的启停、运行、调速和制动等特性。系统中由PLC来完成数据的采集和对变频器、电动机等设备的控制任务。基于S7 200 PLC的编程软件STEP 7/WIN3.2采用模块化的程序设计方法，大量采用代码的重用，以减少软件的开发和维护。利用组态软件Protool/Pro良好的人机界面和通信能力，使工作人员可以在中央控制室的PC机上方便而快捷的浏览现场的工业流程、实现变频器的参数设置、故障诊断和电机的启停。关键字：PLC 变频器 变频调速 组态软件第一章 绪论1.1选题研究的目的及意义 随着电力电子技术和自动控制技术的飞速发展，电动机的调速已经从继电器控制时代发展到今天的由变频控制调速时代。并且在工业各个领域中都得到了极为广泛的应用。在现在的工业自动化控制系统中，最为常见的是由PLC控制变频器实现电动机的调速控制，该方法主要通过程序来控制电动机的变频调速从而实现自动控制。目前，我国的能源消耗仅次于美国，位列世界第二，但国民生产总值却排在第八位左右，其中最重要的原因之一就是单位产值能耗太大。所以为了加强资源综合利用，完善再生资源回收体系，我国开始加大对变频调速技术的研究。变频调速已成为电动机调速的最新潮流，有其自身的特点和优点，随着交流电动机变频技术的日趋完善和推广使用，特别是在矿用大功率高压设备中的绞车、提升机、通风机、等矿用设备上的应用效果则更加显著。本课题以PLC和变频器控制调速为研究对象，设计出基于PLC的变频调速在物料搅拌中的实验装置。本论文的选题不论是从理论还是从实践上都有十分重要的意义。1.2 论文的主要内容 在各种异步电动机调速系统中，效率最高、性能最好的系统是变频调速系统。变压变频调速系统中，调速时，须调节定子电压和频率，在这种情况下，机械特性基本上平行移动，而转差率不变，它是当前交流调速的主要发展方向。 本文研究了变频调速技术在生产中的应用，并且根据原有的控制结构，结合组态软件和PLC技术，提出了一个改进的系统控制结构，并且采用此体系结构实现了一个物料搅拌装置的变频调速系统。 论文首先介绍了PLC的定义以及它的组成和各部分的作用。然后对变频器的内部结构进行了详细的介绍，比较了电机调速的几种类型，深入探讨了变频调速的工作原理，最后介绍变频器的控制电气原理图。论文接着利用基于PLC的变频调速技术实现物料搅拌的控制。包括按钮模块、报警模块、变频器给定模块、变频器设定模块。本文采用德国西门子公司生产的S7-200型PLC及其扩展模块，利用其丰富和功能强大的指令，设计出梯形图。然后对组态软件技术进行了综述，探讨了组态软件的基本结构和硬件组成。利用MCGS组态软件,采用模块的形式,制作出电动机转速的动态监控画面.工作人员通过该监控画面可以实时了解电动机的运行情况,进行故障检测及报警。 最后利用PLC与组态软件之间的通信，实现对现场的监控与管理。1.3相关技术发展概况1.3.1 PLC技术发展概况一、国外PLC发展概况PLC自问世以来，经过40多年的发展，在美、德、日等工业发达国家已成为重要的产业之一。世界总销售额不断上升、生产厂家不断涌现、品种不断翻新。产量产值大幅度上升而价格则不断下降。目前，世界上有200多个厂家生产PLC，较有名的：美国：AB通用电气、莫迪康公司；日本：三菱、富士、欧姆龙、松下电工等；德国：西门子公司；法国：TE 施耐德公司；韩国：三星、LG公司等。二、技术发展动向1. 产品规模向大、小两个方向发展。大： I/O点数达14336点、32位为微处理器、多CPU并行工作、大容量存储器、扫描速度高速化。小： 由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本。2. PLC在闭环过程控制中应用日益广泛3. 不断加强通讯功能4. 新器件和模块不断推出高档的PLC除了主要采用CPU以提高处理速度外，还有带处理器的EPROM或RAM的智能I/O模块、高速计数模块、远程I/O模块等专用化模块。5. 编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化有各种简单或复杂的编程器及编程软件，采用梯形图、功能图、语句表等编程语言，亦有高档的PLC指令系统。6. 发展容错技术采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。7.追求软硬件的标准化。三、国内发展及应用概况我国的PLC产品的研制和生产经历了三个阶段：顺序控制器（19731979）一位处理器为主的工业控制器（19791985）8位微处理器为主的可编程序控制器（1985以后）。在对外开放政策的推动下，国外PLC产品大量进入我国市场，一部分随成套设备进口。如宝钢一、二期工程就引进了500多套，还有咸阳显象管厂、秦皇岛煤码头、汽车厂等。现在，PLC在国内的各行各业也有了极大的应用，技术含量也越来越高。1.3.2变频调速技术的发展概况近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术等的迅速发展传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速、计算机数字控制技术取代模拟控制技术已经成为当下的发展趋势。电机交流变频调速技术是当今改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和制动性能，高效率、高功率因数、节电效果、广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。深入了解交流传动与控制技术的走向，具有十分重要的意义.随着生产技术的不断革新，直流拖动的薄弱环节逐步的显露出来。由于换向器的存在，直流电机的维护量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到很大的限制。人们开始转向结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉的异步电动机。但是异步电动机的调速性能难以满足生产的需要。于是，从20世纪30年代开始，人们致力于交流调速技术的研究，可是进展非常缓慢。在相当长的时期内，直流调速一直以其优异的性能统治着电气传动领域。20世纪60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术、控制技术和微电子技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美。目前，交流调速已进入逐步代替直流调速的时代。变频器技术的另外一个层面是应用技术。多年来，国家经贸委一直同国家有关部门致力于变频器技术的开发及推广应用，在技术开发及技术改造方面给予了重点扶持，组织了变频调速技术的评测推荐工作，并把推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技术改造专项的重点投资方向，同时鼓励单位开展同贷同还方式，抓开发工程、抓示范工程、抓推广应用工程，还处理了风机、水泵节能中心，开展信息咨询和培训活动。19951997年，3年间我国风机、水泵变频调速技术改造投入资金3.5亿元，改造总容量达100万千瓦，可年节电7亿度，平均投资回收期约2年。据有关资料表明，我国变频调速技术应用已经取得了相当大的成绩，每年有数十亿元的销售额，说明我国的变频器应用已经非常广泛。从简单的手动控制到基于RS一485网络的多机控制，与计算机和PLC联网组成复杂的控制系统。变频器的作用是电气传动控制，其控制的复杂性、控制精度和动态响应都有很高的要求，已经完全取代了直流调速技术。近年来，变频器在功能上，利用先进的控制理论，开发出了诸如卷取、提升、主从等控制功能，使应用系统的构成更加方便和简洁，同时使变频器的应用技术提高到了一个新的水平。变频调速这一技术正越来越广泛的深入到各行各业中。它的节能、省力、易于构成自控系统的显著优势应用变频调速技术也是改造挖潜、增加效益的一条有效途径。尤其是在高能耗、低产出的设备较多的企业，采用变频调速装置将使企业获得巨大的经济利益，同时这也是国民经济可持续发展的需要。1.3.3组态软件组成软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。1. 主控窗口主控窗口是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括：定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。2. 设备窗口设备窗口是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。3. 用户窗口本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。4. 实时数据库实时数据库是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成一个有机的整体。在本窗口内所定义的不同类型和名称的变量，将作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。5. 运行策略本窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序(ifthen脚本程序)，选用各种功能构件，如：数据提取、历史曲线、定时器、配方操作、多媒体输出等。第二章 变频调速在物料搅拌中的硬件设计2.1可编程控制器PLC2.1.1PLC的定义 可编程控制器是在继电器控制技术和计算机控制技术的基础上为工业控制应用而设计制造并迅速发展起来的。早期的可编程控制器称做可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)它主要用来代替继电器实现逻辑运算、计数、定时等功能。随着技术的发展，这种装置除了逻辑控制的范围，还增加了算术运算、数据处理、通信与联网等各种强大的功能，因此，现在这种装置被称做可编程控制器(Programmable Controller，简称PC)。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，仍将可编程控制器简称为PLC。尽管PLC问世时间不长，但发展迅速。目前这种以微处理器为核心，集自动化技术、计算机技术、通信技术为一体的控制器已被广泛应用于自动化控制的各个领域。为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA为其做了如下定义：“PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/出模块控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是执行PC功能，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。1987年国际电工委员会IEC通过了对它的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或者模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备都按照易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。2.1.2 PLC的组成及各部分的作用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，基本构成为： （1）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。 （2） 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。 （3）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。 （4）输入输出接口电路、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。 、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。2.2变频调速的基本原理2.2.1变频器的基本结构变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。简言之，变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。实现电机的变速运行的设备。变频器实际上就是一个整流逆变器。它首先是将交流电变为直流电，然后用电子元件对直流电进行开关变为交流电。一般功率较大的变频器用可控硅，并设一个可调频率的装置，使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数，使得转数在一定的范围内可调。如图2.1所示，变频器一般由整流电路、直流中间电路、逆变电路、控制电路等几大部分构成。图2.1 变频器的结构构成其中控制电路完成对主电路的控制，整流电将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。 1.整流电路 它与单相或三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。目前大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。2.中间电路 在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。有以下三种作用：a.使脉动的直流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用。b.通过开关电源为各个控制线路供电。c.配置滤波或制动装置以提高变频器性能。3.逆变电路将固定的直流电压变换成可变电压和频率的交流电压。以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。控制电路 控制电路有：给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。它将信号传送给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接收来自这些部分的信号。（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。（4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。（5）保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。2.2.2变频调速的工作原理一、异步电动机概述1.异步电动机旋转原理异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用产生的。（1） 磁场以n 0转速顺时针旋转，转子绕组切割磁力线，产生转子 电流（2） 通电的转子绕组相对磁场运动，产生电磁力（3） 电磁力使转子绕组以转速n旋转，方向与磁场旋转方向相同2.旋转磁场的产生旋转磁场实际上是三个交变磁场合成的结果。这三个交变磁场应满足：（1） 在空间位置上互差2/3 rad电度角。这一点，由定子三相绕组的布置来保证（2） 在时间上互差2/3 rad相位角（或1/3周期）。这一点，由通入的三相交变电流来保3.电动机转速产生转子电流的必要条件是转子绕组切割定子磁场的磁力线。因此，转子的转速n必须低于定子磁场的转速n0，两者之差称为转差:nn0n转差与定子磁场转速（常称为同步转速）之比，称为转差率：sn0-nN / n0同步转速n0由下式决定：n060f / p式中，f为输入电流的频率，p为旋转磁场的极对数。由此可得转子的转速：n60f（1s）/ p二.异步电动机调速由转速n60 f（1s）/ p可知异步电动机调速有以下几方法：1. 改变磁极对数p （变极调速）定子磁场的极对数取决于定子绕组的结构。所以，要改变p，必须将定子绕组制为可以换接成两种磁极对数的特殊形式。通常一套绕组只能换接成两种磁极对数。变极调速的主要优点是设备简单、操作方便、机械特性较硬、效率高、既适用于恒转矩调速，又适用于恒功率调速；其缺点是：有极调速，且极数有限，因而只适用于不需平滑调速的场合。2. 改变转差率s （变转差率调速） 以改变转差率为目的调速方法有：定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速、串极调速等。(1)定子调压调速当负载转矩一定时，随着电机定子电压的降低，主磁通减少，转子感应电动势减少，转子电流减少，转子受到的电磁力减少，转差率s增大，转速减小，从而达到速度调节的目；同理，定子电压升高，转速增加。调压调速的优点是调速平滑，采用闭环系统时，机械特性较硬，调速范围较宽，缺点是低速时，转差功率损耗较大，功率因素低，电流大，效率低。调压调速既非恒转矩调速，也非恒功率调速，比较适合于风机泵类特性的负载。(2)转子变电阻调速当定子电压一定时，电机主磁通不变，若减小定子电阻，则转子电流增大，转子受到的电磁力增大，转差率减小，转速降低；同理增大定子电阻，转速增加。转子变电阻调速的优点是设备和线路简单，投资不高，但其机械特性较软，调速范围受到一定限制，且低速时转差功率损耗较大，效率低，经济效益差。目前，转子变电阻调速只在一些调速要求不高的场合采用。(3)电磁转差离合器调速异步电动机电磁转差离合器调速系统以恒定转速运转的异步电动机为原动机，通过改变电磁转差离合器的励磁电流进行速度调节。电磁转差离合器由电枢和磁极两部分组成，二者之间没有机械的联系，均可自由旋转。离合器的电枢与异步电动机转子轴相连并以恒速旋转，磁极与工作机械相连。电磁转差离合器的工作原理是：如果磁极内励磁电流为零，电枢与磁极间没有任何电磁联系，磁极与工作机械静止不动，相当于负载被“脱离”；如果磁极内通入直流励磁电流，磁极即产生磁场，电枢由于被异步电动机拖动旋转，因而电枢与磁极间有相对运动而在电枢绕组中产生电流，并产生力矩，磁极将沿着电枢的运转方向而旋转，此时负载相当于被“合上”，调节磁极内通入的直流励磁电流，就可调节转速。电磁转差离合器调速的优点是控制简单，运行可靠，能平滑调速，采用闭环控制后可扩大调速范围，运用于通风类或恒转矩类负载；其缺点是低速时损耗大，效率低。(4)串极调速前面介绍的定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速均存在着转差功率损耗较大、效率低的问题，是很大的浪费。如何能够将消耗于转子电阻上的功率利用起来，同时又能提高调速性能？串极调速就是在这样的指导思想下提出的。串极调速的基本思想是将转子中的转差功率通过变换装置加以利用，以提高设备的效率。串极调速的工作原理实际上是在转子回路中引入了一个与转子绕组感应电动势频率相同的可控的附加电动势，通过控制这个附加电动势的大小，来改变转子电流的大小，从而改变转速。串极调速具有机械特性比较硬、调速平滑、损耗小、效率高等优点，便于向大容量发展，但它也存在着功率因素较低的缺点。3改变频率f （变频调速）当极对数p不变时，电动机转子转速与定子电源频率成正比，因此，连续的改变供电电源的频率，就可以连续平滑的调节电动机的转速。异步电动机变频调速具有调速范围广、调速平滑性能好、机械特性较硬的优点，可以方便的实现恒转矩或恒功率调速，整个调速特性与直流电动机调压调速和弱磁调速十分相似，并可与直流调速相比美2.3变频器的电气控制原理图1、变频器的主回路电压型变频器主电路包括：整流电路、中间直流电路、逆变电路三部分组，交-直-交型变频器结构见附图1(1)整流电路：VD1VD6组成三相不可控整流桥，220V系列采用单相全波整流桥电路；380V系列采用桥式全波整流电路。(2)中间滤波电路：整流后的电压为脉动电压，必须加以滤波；滤波电容CF除滤波作用外，还在整流与逆变之间起去耦作用、消除干扰、提高功率因素，由于该大电容储存能量，在断电的短时间内电容两端存在高压电，因而要在电容充分放电后才可进行操作。（3）限流电路：由于储能电容较大，接入电源时电容两端电压为零，因而在上电瞬间滤波电容CF的充电电流很大，过大的电流会损坏整流桥二极管，为保护整流桥上电瞬间将充电电阻RL串入直流母线中以限制充电电流，当CF充电到一定程度时由开关SL将RL短路。（4）逆变电路：逆变管V1V6组成逆变桥将直流电逆变成频率、幅值都可调的交流电，是变频器的核心部分。常用逆变模块有：GTR、BJT、GTO、IGBT、IGCT等，一般都采用模块化结构有2单元、4单元、6单元（5）续流二极管D1D6：其主要作用为：1）电机绕组为感性具有无功分量，VD1VD7为无功电流返回到直流电源提供通道2）当电机处于制动状态时，再生电流通过VD1VD7返回直流电路。3）V1V6进行逆变过程是同一桥臂两个逆变管不停地交替导通和截止，在换相过程中也需要D1D6提供通路。（6）缓冲电路由于逆变管V1V6每次由导通切换到截止状态的瞬间，C极和E极间的电压将由近乎0V上升到直流电压值UD，这过高的电压增长率可能会损坏逆变管，吸收电容的作用便是降低V1V6关断时的电压增长率。（7）制动单元电机在减速时转子的转速将可能超过此时的同步转速（n=60f/P）而处于再生制动（发电）状态，拖动系统的动能将反馈到直流电路中使直流母线（滤波电容两端）电压UD不断上升（即所说的泵升电压），这样变频器将会产生过压保护，甚至可能损坏变频器，因而需将反馈能量消耗掉，制动电阻就是用来消耗这部分能量的。制动单元由开关管与驱动电路构成，其功能是用来控制流经RB的放电电流IB。图2.2 变频器的电气控制原理图第三章 变频调速在物料搅拌系统的软件设计3.1系统的整体设计3.1.1用户需求分析 （1）系统要求用户能够直观浏览现场的工艺流程； （2）要求用户能够在PC界面上启动和停止现场驱动皮带的电机； （3）电机运行频率可以由用户根据生产的需要自行设置，电机具有自行速度调节功能； （4）变频器的故障信号能够及时反映在操作界面上； （5）物料仓内有无物料状态检测，能够提示用户； （6）打开和关闭物料仓的电磁阀； （7）电机实时转速显示功能。3.1.2系统结构一般说来，PLC控制系统有以下3种类型：1PLC构成的单机系统这种系统的被控对象往往是一台机器或一条生产流水线。被控对象的控制是山一台PLC来实现的。它一般不需要与其他的PLC或汁算机进行通信。但设计者还要考虑将来是否有联网的需要，如果有，应当选择具有通信功能的PLC。 2PLC构成的集中控制系统 这种系统的被控对象通常是数台机器或流水线构成，就是用一台PLC控制多台被控设备。该控制系统多用于各种对象所处的地理位置比较近，且相互之间的动作有一定联系的场合。由于采用一台PLC控制，因此各被控对象之间的数据、状态不需要另外的通信线路。但是，当某一个对象的控制程序需要改变时，必须停运PLC，其他的控制对象也必须停止运行。这是集中控制系统的最大的缺点。对于大型的集中控制系统，通常采用冗余系统克服上述缺点。3PLC构成的分布式控制系统 分布式控制系统又称为分散控制系统，即每一个控制对象设置一台PLC，各台 PLC之间可通过信号传递进行内部连锁、响应和发令等，或由上位机通过数据通信总线进行通信。这类系统的被控对象比较多，他们分布在一个较大区域内，相互之间的距离较远，而且各被控对象之间要求经常的交换数据和信息。分散控制系统多用于多台机械生产线的控制，各生产线之间有数据连接。山于各控制对象都山自己的PLC控制，当某一台PLC停运时，不需要停运其他的PLC。 图3.1 硬件系统框图3.2 PLC程序设计3.2.1变频调速的控制流程图1. 工艺流程的分析2. （1） 首先根据混合物料A 和物料B 的比例给电子皮带秤中的称重传感器和电磁流量计一个给料信号。 （2）接通各个电气设备的电源后, 电气设备开始工作, 其中搅拌电机一直带动搅拌器工作。 （3） 物料A 输送到变频调速电机M1所带动的传送带上, 通过M1带动的传送带把物料A 送到带有称重传感器P的电子皮带称上, 然后由带有恒速电机的电子皮带秤将物料A 输送到搅拌器中去。 （4）变频调速电机M1的转速大小由电子皮带秤所带的称重传感器所反馈的4 20 mA 电流信号通过PLC 中的A /D和D /A 模块把反馈信号传送到变频器中去, 通过这一反馈信号让变频器来调节M 1电机的转速, 以达到调节物料A 的给料量的目的。 （5）在输送物料A 的同时打开电磁阀, 物料B开始向搅拌器中输送。 （6） 通过电磁流量计带有的流量传感器Q 与给定值比较向PLC 反馈一个4 20 mA 的电流信号, 通过PLC中的A /D和D /A 模块把信号传送到带有伺服电机M3的电动调节阀中, 通过这一信号控制伺服电机转动来调节电动调节阀的开度, 以达到调节物料B 进料大小的目的。 （7） 将物料A 和物料B 输送到搅拌器中后对其进行搅拌。2. 控制流程 控制过程电气设备的启动顺序为：首先启动搅拌电机M4，然后打开电磁阀，接通物料A的输送电机M1、电子皮带秤、电动调节阀、电磁流量计及PLC的电源。 通过电子皮带秤和电磁流量计的反馈信号适时的调节M1电机和电动调节阀，以控制物料A和物料B的输送量。物料搅拌系统控制装置如图所示： 图3.1物料搅拌控制系统装置3.2.2变频调速在物料搅拌中的PLC程序设计1. PLC选定根据系统的要求，保证操作人员的现场控制能力，设计“手动”和“自动”两种控制方式，并用一个方式转换开关供控制方式转换。本次选用S7-200 CPU 224 PLC，研制了一套符合搅拌系统生成工艺要求的PLC控制装置。充分利用PLC本身资源，大大减少设备故障率和设备的占地面积，充分发挥系统的高性能。2.I/O地址分配表按系统的要求，系统控制开关按钮包括手动/自动转换开关、急停按钮、手动下料、输送开关和复位按钮等。为便于整个工艺流程操作管理的集中，在自动控制时，设计了既可在现场进行近地“启动”与“停止”的方式，也可远地进行“启动”与“停止”，共有四个按钮。此外，还包括手动送料A、手动送料B、手动搅拌等输入信号、系统输入共八个输入端子。系统输入包括下料阀、调节阀、变频电机等共七个输出端子。因此选用S7-200 CPU 224 PLC，本机共有14输入端子，10输出端子。根据控制方案及设备要求，建立所有现场控制元件与PLC编程元件的地址分配表。如表3-1所示：输入/输出元件地址分配表输入输出控制元件编程地址控制元件编程地址手动/自动转换I0.0变频电动机Q0.0急停按钮I0.1恒速电动机Q0.1启动循环I0.2搅拌电动机Q0.2停止循环I0.3继电器Q0.3手动送料AI0.4下料阀Q0.4手动送料BI0.5调节阀Q0.5手动搅拌I0.6模块故障报警Q0.6复位按钮I0.7 表3-1 I/O分配表3.PLC外部接线图PLC外部接线图如图3.3所示图3.3 PLC外部接线图出状态时，启动电源，打开Y1阀，使液体A进入，当液体A到达中限位时关闭阀Y1；再打开Y2阀，使液体B进入，当液体B到达中限位时，关闭阀Y2；然后启动电动机开始搅拌，定时器延时60秒后，电机停止搅拌到达下限位，阀Y4关闭，操作完毕。循环此过程。网络3的程序实现了变频电动机M1的转动。第四章 硬件系统设计 根据控制方案的要求物料A和物料B要用到S7-200的PID控制指令。下面分别对物料A和物料B的控制方式进行设计。 PID控制就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量来进行控制。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时、控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这是应用PID控制技术最为方便。即使我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合采用PID控制技术。 控制系统一般包括开环控制系统和闭环控制系统，开环控制系统是指被控对象输出对控制器的输出没有影响，在这中控制系统不依赖将被控制量反送回来已形成任何的闭环回路。闭环控制系统的特点是系统被控对象会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环，闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反则称为负反馈；若极性相同则成为正反馈。一般控制系统均采用负反馈，又称为负反馈控制系统。可见，闭环控制系统性能远优于开环控制系统。 本设计变频电机M1的控制可采用闭环控制系统，其控制框图如图4.5所示。 PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。他是根据被控过程的特性，确定PID控制器的比例参数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有如下两类： 一理论计算整定法.它主要依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的的计算数据未必可以直接使用，还必须经过工程实际进行调整和修改。 二是工程整定法。它主要依据工程经验，直接在控制系统试样中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛应用。PID控制器的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。这三种方法各有其特点，其中共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的的控制器参数，都需要在实际中进行最后的整定与完善。 现在一般采用临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：1)、首先与选择一个足够短的采样周期让系统工作。2)、仅加入比列控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期。3)、在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。PID控制器的主要优点 PID控制器成为应用最广泛的控制器，它具有以下优点：PID算法蕴含了动态控制过程中过去、现在、将来的主要信息，而且其配置几乎最优。其中，比列（P）代表了当前的信息，起纠正偏差的作用，是过程反应迅速。微分（D）在信号变化时有超前控制作用，代表将来的信息。在过程开始是强迫过程进行，过称结束时减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，加快系统的过渡过程。积分（I）代表了过去积累的信息，他能消除静差，改善系统的静态特性。此三种作用配合得当，可是动态过程快速、平稳、准确，收到良好的效果。PID控制适应性好，有较强的鲁棒性，对各种工业应用场合，都可以在不同的程度上应用。特别适于“一阶惯性环节+纯滞后”和“二阶惯性环节+纯滞后”的过程控制对象。PID算法简单明了，各控制参数相对较为独立，参加的选定较为简单，形成了完整的设计和参数调整方法，很容易为工程技术人员所掌握。PID控制根据不同的控制要求，针对自身的缺陷进行了不少改进，形成了一些列改进的PID算法。例如，为了克服微分带来的高频干扰的滤波PID控制，为了克服大偏差是出现饱和超调的PID积分分离控制，为了补偿控制对象非线性因素的可变增益PID控制等。这些改进算法在一些应用场合取得了很好的效果。同时当今智能控制理论的发展，又形成了许多智能PID控制方法。PID算法PLC的PID控制器设计是以连续系统PID控制规律为基础，经采样将其数字化写成离散形式PID控制方程，再根据离散方程进行控制程序设计。典型的PID算法包括3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PID运算，算法如下：Mn=Kc*（SPn-PVn）+Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx+Kc*（Td/Ts） *（PVn-1-PVn）比例项Kc*（SPn-PVn）：能及时地产生与偏差（SPn-PVn）成正比的调节作用，比例系数Kc越大，比例调节作用越强，系统的静态稳定精度越高，但Kc过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。积分项Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx：与偏差有关，只要偏差不为0，PID控制的输出就会因积分作用而不断变化，直到偏差消失，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，给系统的动态稳定带来不良影响，很少单独使用。积分时间常数Ti增大，积分作用越强，消除稳态误差的速度减慢。微分项Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）：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Td增大时，超调量减少，动态性能得到改善，但Td过大，系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、D中的一种或两种控制类型。如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。4.1、物料A的控制方式: 物料A是固态物料，从料斗下来落到传送带1上，传送带1是由变频电机M1驱动的，当物料A下落到电子皮带秤上时，通过给电子皮带秤上的压力传感器确定一个物料量数值，然后通过物料下落到电子皮带秤上秤得的数据与给定数值进行比较得到一个给料信号，然后将这个给料信号传送到PLC的A/D模拟量模块中，通过PLC的D/A模拟量模块来给给料电机上的变频器一个控制信号，通过这个控制信号来调节电机的转速，从而控制物料A的给了的大小。最后由电子皮带秤将物料A输送到搅拌器中。变频调速电机M1的转速大小由电子皮带秤所带的秤重传感器所反馈的420mA电流信号通过PLC中的A/D和D/A模块把反馈信号送到变频器中去，通过这一反馈信号让变频器来调节M1电机的转速，已达到调节物料A的给料量的目的。调速电机M1的控制方式可选用闭环控制方式，控制结构框图如图4.4所示： 图4.5 变频电机M1控制框图其硬件接线图如图4.5所示： 本系统采用PLC的PID控制功能实现对变频电机M1转速的实时控制。 4.2、物料B的控制方式 原料B是液体，打开电磁阀，原料B开始进料到搅拌机中，其料量的多少通过电磁流量计中的流量传感器Q来测量。在测量时通过给流量计传感器一个给定值（给定值由物料A和物料B的比例来定）和测量值进行比较，将比较结果传输到PLC的A/D模拟量模块中去，再通过PLC的D/A模拟量模块将控制信号传到电动调节阀中，通过控制信号来控制电动调节阀的开度，从而达到控制物料B的进量大小。 图4.6 变频电机M1接线图对原料B的控制主要通过对电动调节阀的控制来实现，其控制框图如图4.7 图4.7电动调节阀控制框图该控制构成闭环控制系统，同物料A的控制模式一样也采用PLC的PID控制方式实现对物料B量的实时控制。电动调节阀与PLC的连接方式见图4.8所示： 4.3、PLC控制系统设计 根据系统的要求，保证操作人员的现场控制能力，设计“手动”和“自动”两种控制方式装换。本次选用S7-200CPU224 PLC,研制了一套符合搅拌系统生产工艺要求的PLC控制装置。充分利用PLC本身资源，大大减少设备故障和设备的占地面积，充分发挥系统的高性能。 图4.8 电动调节阀与PLC的连接 按系统的要求，系统控制开关按钮包括手动/自动装换开关、急停按钮、手动下料和输送开关等。为便于整个工艺流程操作管理的集中，在自动控制时，设计了即可在现场进行近地“启动”与“停止”，共有4个按钮。此外，还包括手动送料A、手动送料B、手动搅拌等输入信号、系统输入共9个输入端子。系统输出包括下料阀、调节阀、变频电机等共6个输出端子。因此选用S7-200CPU224PLC,本机共有14个输入/10个输出端子，考虑以后技术升级或者扩展需要，同时还需要增加A/D、D/A转换模块，为此选用的EM231是4模拟量输入模块，EM232是2模拟量输出模块。根据控制方案及设备要求，建立所有现场控制元件的地址分配表。输入/输出元件端口分配表见表1。控制元件编程地址控制元件编程地址手动/自动装换I0.0变频电机M1Q0.0急停按钮I0.1恒速电机M2Q0.1启动循环I0.2搅拌电机M3Q0.2停止循环I0.3下料阀Q0.3手动送料AI0.4调节阀Q0.4手动送料BI0.5出料阀Q0.5手动搅拌I0.6故障报警Q0.6停止按钮I0.7显示控制端口A0Q0.7显示控制端口A1Q1.0显示控制端口A2Q1.1 表1 输入/输出元件端口分配表PLC 外部接线图PLC外部接线图如图4.9所示。 图4.9 PLC外部接线图第五章 监控系统设计5.1监控系统结构1 系统结构框图本文结合监控热点，不仅对物料搅拌进行远程监控，同时结合工业现场电气设备，将监控系统设计成一个实时监视、协调及控制的一个集成系统。监控系统结构如图所图5.1.监控系统结构图 2 系统结构组成(1) 上位机层工厂管理员一般不在工业现场，无法对现场各种情况进行了解。设计上位机层有利于管理员实现对整个配电系统中用电设备的配电管理和综合数据管理浏览现场实时工况画面或进行如使用权限、系统配置等高级设置。通信网络中主要包含主机RS232接口、仪器仪表中RS485接口及网卡。通过通信网络可以把现场的配电和控制设备与上位机连接起来，实现监控系统的网络化要求。(2) 前端机层基于PLC/MCGS的搅拌系统研究为满足监控系统智能化要求，有利于现场工作人员更直接、更集中地控制和管理用电设备，设计了前端机层。它相当于中层管理，是本监控系统的核心部分。前端机选用触摸屏电脑。从计算机与人组成的人机系统来讲，触摸屏是一种交互式输入设备，用户只需用手指或光笔点击触摸屏的内容即可控制计算机的运行。因此，具有操作简单，应用灵活等特点，提高了用户使用的积极性。 (3) 智能控制层为满足监控系统分散化的要求，设计了智能控制层。它是系统的底层控制层，负责系统的最基本的数据采集和控制。智能控制层由AI仪表、PLC和单片机三种现场控制器组成，分别对各种不同的用电设备进行监控，实现工业现场电量、非电量参