毕业设计（论文）-矿车变频牵引控制系统的PLC系统设计和组态设计.doc

兰州大学毕业设计说明书 1 摘 要 本设计主要完成矿 车变频牵引控制系统的 plc 系统设计和组态设计。 plc 系 统采用施耐德公司的 quantum 系列作为主控制器，完成对电动机、变频器等被控 对象的控制，可以实现对矿 车的监控，同时为了保证系统的可行性采用远程 i/o。组态设计使用组态王 完成，能够实现上位监控 功能。使用编程软件完成许多 控制功能让车前进、后退等等。 plc 程序设计借助于 concept 软件中的仿真器，不需要使用实际硬件，即可对 程序功能进行测试，可以减少现场调试的工作量。 关关键键词词：矿车牵引；plc；变频器;组态王 兰州大学毕业设计说明书 2 abstract this design mainly completes design the plc system and configuration of the frequency converter control system of the mineral car. the plc system takes quantum series of adopting which produced by schneider as the master controller, finishes the target of control the motor, frequency converter, etc. and realizes the control to the machine of the mineral car. at the same time, it takes the long range i/o for the dependability of the system. the configuration is designed and finished under the environment of kingview and can realize such functions as computers supervise and control, etc. the usage software completes many control functions to let the mineral car go forward, retreat.etc. depending on the artificial device in concept software we do not need to use the real hardware, which says that it can test the function of the procedure and reduce the debug in the field. keyword: mineral car traction;plc; frequency converter; kingview 兰州大学毕业设计说明书 3 目录 第第一一章章变变频频器器火火车车牵牵引引概概述述 .1 1.1 变变频频牵牵引引的的背背景景 .1 1 1. .2 2 本本次次毕毕业业设设计计要要求求 .1 1.2.1 内容 .1 1.2.2 功能 .2 第第二二章章 系系统统概概述述 .3 2.1 方方案案论论证证 .3 2.1.1 i/o 连接方式的选择 3 2.1.2plc 控制网的选择 .4 2.1.3 矿车装料过程控制方案的选择4 2.1.4 单、双缆的选择 6 2.1.5 变频器控制方式的选择 6 2.2 系系统统组组成成 .6 2.2.1 plc 系统.6 2.2.2 计算机监控系统 7 第第三三章章硬硬件件设设计计 .8 3 3. .1 1 轨轨道道开开关关设设计计 8 3 3. .2 2 三三相相异异步步电电动动机机 .8 3 3. .3 3 变变频频器器8 3 3. .4 4 编编码码器器 13 3 3. .5 5p pl lc c 设设计计 .15 3.5.1quamtum plc 选型 15 3.5.2 plc 模块接线 20 3.5.3 主从站连接 22 兰州大学毕业设计说明书 4 3 36 6 电电气气元元件件选选型型 23 3 37 7 硬硬件件原原理理图图（如如大大图图 1 或或附附录录一一示示） .24 第第四四章章 plc 程程序序设设计计 .26 4 4. .1 1concept2.5 简简介介26 4 4. .2 2 编编程程步步骤骤 .27 4.2.1 模块选型 27 4.2.2 地址分配 29 4.2.3 部分程序设计说明 .31 43 程程序序流流程程图图（附附录录二二） 33 44 程程序序梯梯形形图图（附附录录三三） 33 第第五五章章 上上位位组组态态设设计计 .34 5.1 组组态态软软件件介介绍绍 .34 5.1.1 组态软件的发展历史和定义 35 5.1.2 组态软件定义 35 5.2“组组态态王王”组组态态软软件件概概述述 36 5.2.1 组态王软件版本介绍 .36 5.2.2“组态王”软件的功能分析 .36 5.2.3 组态王软件的组成 .37 5.3“组组态态王王”设设计计.38 5.3.1 组态王中工程的建立 .39 5.3.2 变量统计及数据词典的建立 39 5.3.3 变量连接的建立 .40 5 5. .4 4 组组态态王王的的使使用用 41 设设计计总总结结 .47 参参考考文文献献 .48 英英文文翻翻译译 .49 兰州大学毕业设计说明书 5 致致谢谢 68 附附录录一一见见系系统统硬硬件件分分块块图图 .69 附附录录二二 .69 附附录录三三 .75 兰州大学毕业设计说明书 1 第一章变频器火车牵引概述 1.1 变频牵引的背景 变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。 20 世纪 60 年代后半期开始， 电力电子器件从 scr(晶闸管)、gto(门极可关断晶闸管 )、bjt(双极型功率晶体管 )、 mosfet(金属氧化物场效应管 )、sit(静电感应晶体管 )、sith(静电感应晶闸管 )、 mgt(mos 控制晶体管)、mct(mos 控制品闸管 )发展到今天的 igbt(绝缘栅双极型晶 体管)、hvigbt(耐高压绝缘栅双极型晶闸管 )，器件的更新促使电力变换技术的不 断发展。20 世纪 70 年代开始，脉宽调制变压变频 (pwmvvvf)调速研究引起了人 们的高度重视。 电机交流变频调速技术是当今节电、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起制动性 能，高效率、高功率因数和节间效果，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。 而变频调速在工业节能中发挥着越来越大和不 可忽视作用。 1.2 本次毕业设计要求 本毕业设计取材于某控制系统工程实例。 我们依据火车牵引的工艺，绞车电 气牵引系统采用变频器作为牵引电机数字化调速装置，实现对绕线式132kw 交流 电机无级调速，变频器满足电机低速、重载、频繁启动要求。整个控制系统采用 plc 实现放矿牵引工艺的集中控制（包括供电、检测、液压、牵引） ，采用工控机 或人机界面形成上位机系统 。 1.2.1 内容 了解项目要求包括熟悉工艺条件及要求，了解控制要求，了解控制参数指标。 确定控制方案包括根据工艺条件及要求控制参数及指标，被控对象的特点确定难点。 确定整体控制方案包括：系统的功能、可靠性、维护性、操作性、成本、甲方技术 实力及经费力量、对技术难点的考虑、回路的考虑。系统的设计包括设计依据，控 制设计包括电器的选择、工艺设计、控制器设备及仪表的选择、电器图纸的设计、 材料表、外协加工、安装及缆线图，软件设计流程图结构设计，软件设计说明，具 体的编程设计，调试及修改完善，系统的安装调试及参数整定，操作说明书。本题 初步做法是：用 plc 控制矿车的各种工作状态。上位组态软件或人机界面与plc 连接，plc 再与车厢设置的远程 i/o 点或 plc 连接。plc 之间的相互连接则需要 兰州大学毕业设计说明书 2 布置现场总线如用以太网。这就要进行具体的选择。使用设置远程i/o 则要考虑 各个动作再设下接触器，在车的终点和起点位置要考虑减速、停车、过卷，还要考 虑由于是正反两个方向的牵引所以这三个动作要反过来再设置。整个过程是：启动 加速全速运行减速停车启动加速匀速运行放矿匀速运行（负 载变化）停止放矿再加速重载全速运行 减速，由轴编码器来传送电机的 信息，判断矿车行驶的快慢、距离等。 plc 输出所需状态给变频器改变电机的转 动，这就需要使用编程软件。工作手段分成自动手动和紧急处理。手动时在放矿点 和控制室均可单独实现放矿机和绞车的手动控制。紧急处理时在放矿点、控制室、 机房设置检修控制箱。设置若干紧急停车开关及检修电源控制箱。矿车的具体运转 状况可通过组态或人机界面来仿真现场工作。这样就可完成整个工作。包括： 控制系统主机的选型 ；设备及仪表的选择 ；硬件及软件设计 1.2.2 功能 根据火车的运行速度、放矿机与火车的相对位置、放矿机与车厢内矿石的相对 高度，实现全自动放矿及整个工作循环。要使用组态软件或人机界面与plc 进行 通讯。要充分考虑到电源、电机、变频器、轴 编码器、plc 控制、开关等。考虑 到多种突发事件，要使用声光报警。在考虑设置i/o 点时要收集所有的动作，包 括正反方向、高速、中速、低速、报警、 正常、维修、手动、自动等等。由变频 器控制电机的工作，编码器与电机轴相连，电机 转动的信息就传给了计数器模块， 编程软件将所需动作给 plc 再输出给变频器，从而控制电 机的动作，带动矿车前 进或后退。如图 1-1 所示的示意图。 要求实现： 全自动运行：火车启动 -加速-全速运行-减速-停车-启动-加速-匀速运行-放 矿-匀速运行（负载变化） -停止放矿-再加速-重载全速运行 -减速-停车 整个工作 循环全自动运行。在控制室通过监视系统全程监视； 手动运行：在放矿点和控制室均可单独实现放矿机和绞车的手动控制； 紧急处理：在放矿点、控制室、机房设置检修控制箱。设置若干紧急停车开关 及检修电源控制箱。 洞内 洞外 放矿机 矿车 图 1-1 放矿示意图 控制室 机柜 兰州大学毕业设计说明书 3 第二章 系统概述 在该系统中，为了有效的扩展控制系统的拓扑结构，采用schneider的远程 i/o技术(rio)。对变频调速采用端子控制 ,plc与变频器直接连接。 变频器外部端 子控制，使用 plc输出变频器所需的开关量 或模拟量信号控制变频器。此种控制方 案由于使用 plc与变频器直接连接，减少了用来进行数据传输和进行通讯的设备， 降低了成本，同时也减少了因为增加设备而带来的不稳定因素。 2.1 方案论证 2.1.1 i/o 连接方式的选择 i/o 连接可选择：本地 io，dio，rio，momentum i/o。 (1)本地 io 采用 quantum 背板扩展单元 140 xbe100 00 进行 i/o 扩展，两个单元和一条电缆即可实现， 支持本地及 远程分站，支持现存所有 i/o 模板，所有开关量和模拟量 i/o、高速记数模板 。支持所有电源，主机架失电将导致 cpu/分站关断，从机架 失电将不会导致 cpu/分站关断。 图 2-1 本地 io (2)分布的 i/o 可以降低系统实施费用 ；dio 网络可以分成多个部分，在每个 部分最多可以连接 32 个分站，每个部分最大距离为 450 米。可以使用 rr85 中继 兰州大学毕业设计说明书 4 器进行网络扩展，最多可以连接三个 rr85 中继器，最大分站数为 64 个，传输距 离达到 1800 米。如果传输距离超过 1800 米，可以使用 fr85 光纤模块。两个光纤 模块之间如采用 50um 光纤时电缆通讯距离可达 2km，总计距离可达 8 km，采用 62.5u 或者 100um 光纤电缆时 通讯距离可达 3km，总计距离可达 12km。 图 2-2 分布的 i/o (3)远程 i/o 能覆盖大范围的物理区域 ；rio 结构基于 s908 的 i/o 联网，传输 介质为同轴电缆， rio 最多可有 31 个分站。每个 rio 分站，最多 64 个字输入， 64 个字输出。此字数限制包括了离散量和模拟量。 rio 不带中继器的传输距离为 4572 米（15000 英尺） ，如使用光纤中继器，网络总长能到13 公里。 (4)momentum i/o 在极小的空间集成 io 与接线端子，价格极佳，易于分布， 仅 5cm 深。支持多种网络标准 :modbus plus、interbus-s、profibus dp。 本系统采用远程 i/o(rio)，可以实现无扰操作，火车无论在洞内还是洞外都 可实时监测和控制，从而提高了控制的精度 。 2.1.2plc 控制网的选择 方案1使用上位机和plc、远程i/o组成的控制网。 远程i/o之间用电缆连接。 图 2-3 方案一控制网 方案 2 使用人机界面和 plc 构成的网络， plc 之间用以太网通讯。 上位机 r i o r i o plc 人机界面 plc1 兰州大学毕业设计说明书 5 图 2-4 方案二控制网 第二种方案使用的以太网通讯复杂， 最后选第一种方案。 2.1.3 矿车装料过程控制方案的选择 1、火车以较低速缓慢、平稳的速度 进行装矿。 火车在前停车动作结束后开始以较低速后退，直到碰到开始装料行程开关由上 位机或放矿点的放料大小控制火车以一个装料速度后退。同时轴编码器和放矿点 plc 进行对火车的速度进行监测。 此方案主要由连接在电机转子轴上的轴编码器产生的脉冲进行监测，转子每转 一周会产生 1000 个脉冲，轴编码器产生的脉冲数由高速计数模块来计量，高速计 数模块所计的数据送入 plc 的 cpu，同时放矿点的远程 io 会送来相应的监测数据， cpu 对这两个数据会进行实时地处理、运算，然后由其将处理好的数据转换成一个 模拟电压信号，而该电压信号对应变频器调节电机转速的频率信号，再由该频率信 号产生一个合适的电机转速信号，最后经变频器控制电机以该速度带动十节车厢缓 慢、平稳的装矿，直到十节车厢均装满后火车开始重载加速到一定的速度驶出洞外。 其中在装矿环节我们设置了诸如前减速、前停车、前过卷、到装矿位、装料结束、 后减速、后停车、后过卷等行程开关，从而保证了火车在行进过程中更安全的监测， 使火车在行进过程中得到了有力的安全保障。 此方案在实际工程设计中涉及到较多的算法，使得工程不易实现或实现起来比 较困难，对设计人员来说设计的控制精度及响应时间等要求较高。同时该方案在实 际工程中控制精度比理论设计要低，当火车的速度过高或与放矿点控制不匹配时操 作不但麻烦而且可能造成事故。 2、火车以走 -停-走-停的循环方式装矿。 该方案就是火车在前停车动作结束开始反向启动，启动后火车开始以较低速行 驶，目的是在碰到开始装料位开关火车就能安全、准确的停车开始装矿。我们依据 实际车厢的长度及相邻两节车厢间的跨度将车厢分为六等份，每一等份与相邻两节 车厢间的跨距相同，均为 1 米。车厢到 “开始放矿”位时，计数模块计数到设定 值后将该数据送往变频器中，变频器控制带动车厢的电机也可以使车停止（此时假 如计数未到而外部给控制器一个开关量信号火车也将会停车） ，然后开始给该节车 厢的第一“等份”装。 当该部分车厢装满后，控制火车的控制器会接收到一个“放矿到位”的开关 量信号，控制器再次控制变频器向后继续退一米的距离,同时计数器也开始计数； 当计数器计到 1000 个脉冲时，火车后退的位置正好是1 米，也就是正处于装矿的 plc2 兰州大学毕业设计说明书 6 位置，同时， plc 也将会接收到外部另一个 “接受放矿”的开关量信号，火车也可 以停车（在停车装矿时火车将会被控制停止不动，直到接收到外部控制信号才会使 火车向后运动） 。 如此循环直到将本节车厢全部装满，然后火车会驶过两节车厢中间的空位开始 下一节车厢的装载，如此延续直到十节车厢均装满后，火车启动后会碰到轨道上的 “装料结束”行程开关，火车开始重载加速到一定的速度驶出洞外。从而可保证每 节车厢都能装满且不会因过载而造成堵轨等事故。 在本设计中我们采用第二种方案，第一种方案比第二种方案要多许多数据处理 及运算和保护，从设计的简单、易维护、经济来比较，方案二较适合本系统。 2.1.4 单、双缆的选择 本系统采用远程 i/o(rio),主站和分站之间通过电缆实现连接 ,连接方式有两 种:单缆连接和双缆连接，单线连接方式是主站和分站之间用一根电缆连接 ,可以 节约成本。双线连接方式是主站和分站之间用两根电缆连接 。最终选择 单缆连接。 2.1.5 变频器控制方式的选择 变频器控制方式分为：总线控制与端子控制。 总线控制方式：通过 mb+网对变频器进行控制，具体参数在上位机上进行设 定，操作较为简单控制方式灵活。但同一个mb+网上所接变频器数量是有限的， 而且需要在变频器上安装通讯卡。 端子控制：功能实现较为灵活，不需要安装通讯卡，直接在控制端子上实现。 控制量的给定 可以用模拟量给定，也可以用数字量给定。 本设计选择端子控制。 2.2 系统组成 该控制系统是由上位监控系统和下位plc 控制系统二部分组成的，上位监控系 统位于控制室，可实时监控 牵引设备的运动状况。下位 plc 采用的是 quantum 系 列可编程控制器。 用变频器来控制矿车的动作，主要控制放料时的启停，电机的 正反转、运行、停止等。 2.2.1 plc 系统 可编程序控制器定名为 programmable logic controller（plc） ，现在，仍 将 plc 简称 pc。 plc 的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统， 专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行 逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟 兰州大学毕业设计说明书 7 的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备， 都应按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设计。上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 plc 发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。 在这时期，plc 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到 大幅度提高， plc 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处 于统治地位的 dcs 系统。plc 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗 干扰能力强、编程简单等特点。 plc 在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位， 在可预见的将来，是无法取代的。 plc 的可靠性是很高的，施耐德公司 quantum 系列 plc 高性能、高可靠、兼 容性、易于升级、系统开放。适用于过程控制、高速机器控、基础设施应用、变电 站自动化。其背板灵活， 能支持所有电源组合、 cpu 种类、智能模板。 模块可在 任意槽与槽位无关。能提供广泛的多种层次及协议的通讯能力 、超大系统容量 的 优点适合做此设计。使用各模块来控制系统更有条理，方便检查和控制。 2.2.2 计算机监控系统 上位机 终端电阻 监控画面 洞外 （主站） 洞内 （从站） 图 2-5 计算机监控系统 上位机与plc上的cpu模块相连，使用 modbus plus (简称mb + ) 网，是 schneider 公司推出的一种专为工厂级应用而设计的工业局域网,主要为其plc 产品提供一种网络通信协议 。mb +网可实现数据采集和远程遍程、与操作员接口连 接等功能。具有故障自诊断功能 ,使网络的维护和恢复更加容易 ;网络为模块式结 构,可根据实际要求配置成树形、星形、环形 ;网络具有良好的开放性 ,有利于网络 的管理。modicon tsx quantum 系列plc 是schneider 电气公司的一种大型 plc 兰州大学毕业设计说明书 8 控制系统,该系列产品采用模块式结构 ,为在不同的工业现场使用提供了稳定可靠的 平台。不仅具有先进的通信和输入输出能力 ,而且集成了多个控制功能 ,系统具有 可靠性高、稳定性强、高抗干扰的 i/ o 处理元件、硬件配置的灵活性和可扩展性 。 系统构成包括处理器、网络模块、输入输出模块和相关外部设备,支持多种通信协 议,mb + 网络是其应用最广泛的一种网络技术 。 第三章硬件设计 3.1 轨道开关设计 在矿车轨道上安装行程开关来确定矿车的工作状态，在洞外安装后停车行程 开关、后减速行程开关 、后过卷行程开关。在洞内安装前停车行程开关 、前过卷 行程开关、前减速行程开关 、放料开始行程开关、放料结束行程开关。矿车的运动 过程是：加速、匀速、减速、 前停车、前过卷、反向启动、加速、匀速、开始放料、 电机的启停控制放料、结束放料，在该过程中加速匀速可用软件来控制变频器的工 作使矿车按预期的指令工作，碰到减速开关时减速，碰到放料开始和放料结束行程 开关时开始放料和结束放料。 洞内 洞外 轨道 前过卷 前停车 前减速 放料开始 放料结束 后减速 后停车 后过卷 图 3-1 轨道结构图 3.2 三相异步电动机 异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功 率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定 的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在应用面很广。 兰州大学毕业设计说明书 9 根据本次设计要求及设备的需要使用一个132kw 的异步电动机。 3.3 变频器 近20 年来, 随着电力电子技术、微电子技术、微机控制技术及现代控制理论 的发展, 交流调速技术也得到迅速的发展 , 特别是变频调速 , 大有取代直流调速 之势。 变频器可以分为 4 个主要部分： 1整流器 它与单相获三相交流电源相连接，产生脉动的支流电压。整流器有两种基本类 型，可控的和不可控的。 2中间电路 它有以下 3 种类型： 1）将整流电压变换成支流电流 2）使脉动的支流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用 3）将整流后固定的支流电压变换成可变的支流电压 3逆变器 它产生马达电压的频率。另外，一些逆变器还可以将固定的支流电压变换成可 变的交流电压。 4控制电路 它将信号传给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接受来自这些部分的信号。 具体被控制的部分取决于各个变频器的设计。变频器都是由控制电路利用信号来开 关逆变器的半导器件，这是所有变频器的共同点。变频器可以依据控制输出电压的 开关模式来分类 。 变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器 和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为pam 控制变频器、 pwm 控制变 频器和高载频 pwm 控制变频器；按照工作原理分类，可以分为v/f 控制变频器、 转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、 高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。 变频调速装置主要有两大类 ；一类是矢量控制的变频调速装置 , 高精度、 高性能, 可以和直流调速相媲美 , 但其控制技术复杂 , 价格高, 因而应用还不广 泛；另一类是通用变频调速装置 , 结构简单, 效率高、功率因数高 , 应用广泛, 其中尤以脉宽调制 (pwm)变频调速装置最为普遍 , 一般仅作开环和在调速要求不高 的场合使用。 对于异步电机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流 电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称 兰州大学毕业设计说明书 10 vvvf（variable voltage variable frequency）装置。最早的 vvvf 装置是旋转 变频机组，即由直流电动机拖动交流同步发电机，调节直流电动机的转速就能控制 交流发电机输出电压和频率。自从电力电子器件获得广泛应用以后，旋转变频机组 已经无例外地让位给静止式的变压变频器了。 从整体结构上看，电力电子变压变频器可分为交 -直-交和交-交两大类。 交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器 变换成可控频率和电压的交流，如图3-2。 图 3-2 交-直-交（间接）变压变频器 由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流 环节” ，所以又称间接式的变压变频器。 具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控整流器 和由功率开关器件（ p-mosfet，igbt 等）组成的脉宽调制（ pwm）逆变器，简称 pwm 变压变频器，如图 3-3。 图 3-3 交-直-交 pwm 变压变频器 pwm 变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点： （1）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电 压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制， 兰州大学毕业设计说明书 11 电路也简单，效率高。 （2）输出电压波形虽是一系列的 pwm 波，但由于采用了恰当的 pwm 控制技术， 正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小， 提高了系统的调速范围和稳态性能。 （3）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影 响，系统的动态性能也得以提高。 （4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电压 大小的影响。 交-交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频 （cvcf）的交流电源直接变换成 vvvf 输出，因此又称直接式变压变频器。有时为 了突出其变频功能，也称作周波变换器（ cycloconveter） 。 图 3-4 交-交（直接）变压变频器 常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置 反并联的可逆线路。也 就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可 逆线路，如图 3-5。 图 3-5 交-交变压变频器每一相的可逆线路 (2) 变频器工作原理 兰州大学毕业设计说明书 12 交流电动机的同步转速表达式 为： 60 (1)fs n p 式中 异步电动机的转速；n 异步电动机的频率；f 电动机转差率；s 电动机极对数。p 由式可知，转速与频率成正比，只要改变频率即可改变电动机的转速，nff 当频率在 050hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通f 过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。 从总体控制结构上看 ,两者都采用转矩和磁链分别控制 ,转矩控制环 (或电流的 转矩分量环)都处于转速环的内环 ,可以抑制磁链变化对转速子系统的影响 ,从而使 转速和磁链子系统实现了近似的解耦。因此两种系统都能获得较高的静、动态性能。 (3) 变频器容量选择 选择变频器的容量一般应以数为单位，但由于交流电动机的额定电压为某kva 一固定值，相应的变频器开关元件的耐压值也就确定了，开关元件的工作电流就成 为影响变频器容量的唯一参数，这样变频器容量的选择就可以转化为其电流的选择。 实用中一般是根据电动机的电流情况来确定变频器的额定电流。 在本系统中异步电机的额定电压为交流380，额定功率为 132，那么开vkw 关元件的工作电流为： 132 210.72951 380 3 kw （a） 通过查阅变频器技术资料我们选择额定电流为245的变频器。 最终选择型a 号为 atv61hc13n4 的变频器。 atv61 变频器有许多可配置的逻辑与模拟输入 / 输出见下图变频器的结构 ， 以便针对应用情况来优化变频器。为了提高控制系统的性能，变频器支持modbus 与canopen 协议并作为标准。 atv61 变频器也支持大多数工业通信总线。 兰州大学毕业设计说明书 13 图 3-6 变频器的结构图 对变频器输入的指令对 plc 而言是输出的，而对变频器输出的指令对plc 来说是输入的， 急停正转和反转这三个指令对变频器是输入指令，由plc 发出该 指令控制 plc 工作，接在变频器的数字量输入上， 如下图所示： 急停 正转 反转 图 3-7 变频器输入信号接线图 故障信号是由变频器输出给 plc 的，接在变频器的数字量输出上，由下图所 示： 故障 急停 运行 r1a r1c r1b r2a r2c li1 li2 li3 +24v atv61hc13n4 兰州大学毕业设计说明书 14 图 3-8 变频器输出信号接线图 3.4 编码器 根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方 法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。 （1）增量式编码器 增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲a、b 和 z 相； a、b 两组脉冲相位差 90，从而可方便地判断出旋转方向，而z 相为每转一个脉 冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上， 抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位 置信息。 （2）绝对式编码器 绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心 码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关 系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对 应每一码道有一光敏组件；当码盘处于不同位置时，各光敏组件根据受光照与否转 换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的 任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就 越高，对于一个具有 n 位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有n 条码道。目前 国内已有 16 位的绝对编码器产品。 绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。 绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对 编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用 二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是： 可以直接读出角度坐标的绝对值； 没有累积误差； 电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就 是说精度取决于位数，目前有 10 位、14 位等多种。 （3） 混合式绝对值编码器 混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝 对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。 atv61hc13n4 兰州大学毕业设计说明书 15 光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光 电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠,接 口数字化等优点。 （4） 增量式旋转编码器原理 由于我们所用的是增量式旋转编码器，所以对其工作原理进行详细介绍。增量 式旋转编码器通过内部两个光敏接受管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其 角度码盘角度位移量增加（正方向）或减少（负方向） 。在接合数字电路特别是单 片机后，增量式旋转编码器在角度测量和角速度测量较绝对式旋转编码器更具有廉 价和简易的优势。 下面对增量式旋转编码器的内部工作原理进行论述。a,b 两点对应两个光敏接 受管，a,b 两点间距为 s2,角度码盘的光栅间距分别为 s0 和 s1。 当角度码盘以某个速度匀速转动时，那么 可知输出波形图中的 s0：s1：s2 比 值与实际图的 s0：s1：s2 比值相同，同理角度码盘以其它的速度匀速转动时，输 出波形图中的 s0：s1：s2 比值与实际图的 s0：s1：s2 比值仍相同。如果角度 码 盘做变速运动，把它看成为多个运动周期（在下面定义）的组合，那么每个运动 周期中输出波形图中的 s0：s1：s2 比值与实际图的 s0：s1：s2 比值仍相同。 通 过输出波形图可知每个运动周期的时序为 顺时针运动： a b 逆时针运动： a b 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 我们把当前的 a,b 输出值保存起来，与下一个 a,b 输出值做比较，就可以轻 易的得出角度码盘的运动方向。 如果光栅格 s0 等于 s1 时，也就是 s0 和 s1 弧度夹角相同，且 s2 等于 s0 的 1/2，那么可得到此次角度码盘运动位移角度为s0 弧度夹角的 1/2，除以所消毫 的时间，就得到此次角度码盘运动位移角速度。 s0 等于 s1 时，且 s2 等于 s0 的 1/2 时，1/4 个运动周期就可以得到运动方向 位和位移角度，如果 s0 不等于 s1，s2 不等于 s0 的 1/2，那么要 1 个运动周期才 可以得到运动方向位和位移角度了。 兰州大学毕业设计说明书 16 图 3-9 编码器原理图 决定选择编码器的型号为 ：e6b2-cwz6c 3.5plc 设计 modicon quantum 自动化平台以其卓越性能、全系列、兼容的控制产品为控制 需求提供最恰当的解决方案。由于它提供的是按系统要求配置的模块化结构，因此 能在中至大型控制系统配置 quantum 自动化平台， 能够满足最高性能的应用要求。 3.5.1quamtum plc 选型 i/o 点数的选择 ,要在满足控制要求的前提下力争使用的i/o 点数少，但必须 留有一定的余量。通常 i/o 点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，在 加 10%15%的余量来确定的。洞内洞外 i/o 点如下表所示： 表 3-1：洞内开关量输入和输出 编编 号号名名 称称模模 式式描描 述述 1 前停车行程开关 2 前过卷行程开关 3 前减速行程开关 4 放料开始行程开关 5 放料结束行程开关 6 运行按钮 7 停车按钮 8 正常/慢动选择开关 9 选择前进按钮 10 选择后退按钮 11 方向解除按钮 12 急停按钮 13 联络/自由选择开关 14 高速 15 中速 16 低速 三向选择开关 17 慢进按钮 18 慢退按钮 19 放料到位 输 入 继电器 兰州大学毕业设计说明书 17 表 3-2：洞外开关量输入和输出 20 报警指示灯 21 运行指示灯 22 停车指示灯 23 前进指示灯 24 后退指示灯 25 慢进指示灯 26 慢退指示灯 27 前停车指示灯 28 后停车指示灯 29 前过卷指示灯 30 后过卷指示灯 31 电铃小范围报警 32 蜂鸣器大范围报警 33 即将开车 输 出 指示灯 34 放料（来自放矿系统）继电器 编编 号号名名 称称模模 式式描描 述述 1 自动/手动选择开关 2 急停按钮 3 后停车行程开关 4 后减速行程开关 5 后过卷行程开关 6 后过卷复位按钮 7 前过卷复位按钮 8 运行按钮 9 停车按钮 10 正常/慢动选择开关 11 方向解除按钮 12 上位/本地选择开关 13 选择前进按钮 14 选择后退按钮 15 联络/自由选择开关 16 高速 17 中速 输 入 三向选择开关 兰州大学毕业设计说明书 18 plc 的选择主要从 plc 的机型、容量、 i/o 模块、电源模块、特殊功能模块、 通信联网能力等方面加以综合考虑。 plc 机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠，维护方便的前提下， 力争最佳的性价比。 plc 主要有整体式和模块式两种结构形式。整体式plc 的每 一个 i/o 点的平均价格比模块式的便宜，且体积较小，一般用于系统工艺过程较为 固定的小型控制系统中；而模块式的plc 的功能扩展灵活方便，在 i/o 点数、输 入点数与输出点数的比例、 i/o 模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般 用于较大的系统。由于本系统要求plc 有较强可扩展性、方便的可维护性、 i/o 18 低速 19 慢进按钮 20 慢退按钮 21 变频器运行继电器 22 变频器故障继电器 23 变频器急停继电器 24 安全回路按钮 25 变频输入电源接触器 26 变频输出电源接触器 27 变频正转继电器 28 变频反转继电器 29 变频器急停继电器 30 报警指示灯 31 运行指示灯 32 停车指示灯 33 前进指示灯 34 后退指示灯 35 慢进指示灯 36 慢退指示灯 37 前停车指示灯 38 后停车指示灯 39 前过卷指示灯 40 后过卷指示灯 41 电铃小范围报警 42 蜂鸣器大范围报警 43 即将开车 输 出 指示灯 兰州大学毕业设计说明书 19 模块的比例差距大等因素，故选择模块式plc。 plc 系统的安装方式分为集中式、远程i/o 式以及多台 plc 联网分布式。集中 式不需要设备驱动远程 i/o 硬件，系统反应快、成本底；远程i/o 式使用于大型 系统，系统的装备分布范围很广，远程i/o 可以分散安装在现场装置附近，联线 短，但需要增设驱动器和远程 i/o 电源；多台 plc 联网的分布式使用于多台设备 分别独立控制，有要互相联系的场合，可以选择用小型plc，但必须要附加通信 模块。由于本系统较大且设备分布广 ，故选择 plc 远程 i/o 式安装方式。 相应的功能要求，一般小型 plc 具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只须 开关量控制的设备都可以满足。对于以开关量为主，带有少量模拟量控制的系统， 可选用能带 a/d 和 d/a 转换单元，具有加减运算、数据传输功能的增强型抵挡 plc。对于控制复杂，要求实现 pid 运算、闭环控制、通信网络等功能，可视控制 规模大小及复杂程度，选用中档和高档plc。但是中档和高档 plc 一般用于大规 模过程控制和集散控制系统等场合。 响应速度的要求， plc 是为工业自动化设计的通用控制器，如果要跨范围使用 plc，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该考虑plc 的响应速度，可 选用具有高速 i/o 处理功能的 plc，或快速响应模块和中断输入模块的 plc 等。 (1) 电源模块的选择 电源模块的选择仅对于模块式 plc 而言，对于整体式不存在电源模块的选择。 电源模块的选择主要考虑电源输出额定电流和电压输入额定电压。电源额定电流必 须大于 cpu 模块、i/o 模块和其他特殊模块等消耗电流的总和，同时要考虑今后 i/o 模块的扩展等因素；电源输入电压一般根据现场的实际需要而定。 (2) cpu 模块的选择 用户程序所需的存储容量的大小不仅于plc 系统有关，而且还与功能实现的方 法、程序编写水平有关。 plc 的 i/o 点数的多少，在很大程度上反映了plc 系统 的功能要求，因此可在 i/o 点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加 20%30%的的余量。 存储容量（字节） =开关量 i/o 点数*10+模拟量 i/o 通道数*100 (3) 模拟量模块的选择 模拟量 i/o 的主要功能是数据转换，并与 plc 总线相连，同时为了安全也有电 器隔离功能。本系统只涉及到了模拟量输出， 模拟量输入（ a/d）模块是将现场由 传感器产生的连续的模拟量信号转换为plc 内部可以接受的数字量；模拟量输出 （d/a）模块是将 plc 内部的数字量转换为模拟量信号输出。 系统中是将速度信号 传给矿车，让矿车根据程序设定好的速度行走。 (4) 开关量 i/o 模块的选择 开关量输入模块是用来接受现场来得开关量信号，将信号转化为plc 接受的 兰州大学毕业设计说明书 20 低压信号，并实现 plc 内、外信号的隔离。选择时主要考虑应考虑以下几个方面： 输入信号的类型及电压等级，开关量输入模块有，直流输入、交流输入和交流/ 直流输入三种类型。选择时主要根据现场输入信号和周围环境等因素考虑。直流输 入模块的延时较短，还可以直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接；交流 输入模块的的可靠性好，使用于恶劣环境下。输入接线方式,开关量输入模块接线 方式有汇点式和分组式，汇点式的开关量输入模块所有输入点共用一个公共端 （com） ；而分组式的开关量输入分为若干组，每一组（几个公共点）有一个公共端， 各组之间是分隔的。分组式的开关量的价格高于汇总式的，如果输入信号之间不需 要隔离，一般选用汇点式的。 开关量输出模块是将 plc 内部低电压信号，转换成驱动外部输出设备的开关信 号，并实现内外信号的电器隔离。输出方式，开关量输出有继电器输出、晶闸管输 出和晶体管输出三种方式。继电器输出的价格便宜，即可以用于驱动交流负载，有 可以驱动直流负载，而且适用的电压大小范围较宽、导通压降小，同时承受瞬时过 电压和过电流的能力强，但属于有点元件，动作速度慢（驱动感性负载时，触点动 作频率不的超过 1hz） 、寿命较短、可靠性较差、只能用于不平凡通断的场合。 该模块在洞内外都有，洞内有开关量输入和输出模块，洞外也有开关量输入和 输出模块，选型时要分别选择开关量输入和输出。 （5）计数模块的选择 计数模块采用高速计数，在电机轴上安有轴编码器，把电机转动一圈的脉冲数 传给计数器模块，通过 plc 的程序控制变频器，变频器再控制电机的转速，从而达 到控制矿车速度的目的。 （6）联网模块的选择 由于使用单缆连接主从站所以选型时选单电缆连接的联网模块。 plc 的选型如下表 表 3-3：plc 选型表 站站号号型型号号描描述述 数数 量量 140 cps 211 00 电源, 115/230 vac, 可累加, 8a 1 140 cpu 434 12 cpu 486,4m 用户逻辑,2mb,1mb+ 1 140 crp 931 00 rio 处理器接口, s908 head, 单电缆 1 140 ddi 353 00 开关量 dc 输入,32 点,24vdc,4 组隔离 1 140 ddo 353 00 开关量 dc 输出,32 点, 24vdc ，4 组隔离 1 140 ehc 105 00 高速计数模块 , 35khz24 vdc, 5 通道 1 主站 140 avo 020 00 模拟量输出,4 通道, 24vdc, 通道隔离 1 兰州大学毕业设计说明书 21 140 xbp 010 00 背板, 10 槽 1 140 cps 211 00 电源, 115/230 vac, 可累加, 8a 1 140 cra 931 00 rio 站适配器, s908 rio, 单电缆 1 140 ddi 353 00 开关量 dc 输入,32 点,24vdc,4 组隔离 1 140 ddo 353 00 开关量 dc 输出,32 点, 24vdc ，4 组隔离 1 从站 140 xbp 004 00 背板, 4 槽 1 通信 电缆 ma-0185-100 远程电缆 tap 接头 分支器 1 3.5.2 plc 模块接线 （1）开关量输入模块 140 ddi 353 00 共有 32 个输入点分为四组，每 8 个输入点为一组。 i/o 逻 辑为漏(sink),接线时要外加 24v