（控制科学与工程专业论文）铁路装矿系统平车机控制系统设计研究.pdf

独创性声明 1 1 1 1 11i iiir l l l lr lirr lliil 18 7 9 5 9 6 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期：量坚! ! ：茎：! p 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签名，2 冉叠导师c 签名，：) 翟恢日期出hs 叶 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 我国工业已经进入产业升级的重要关头，传统企业的人工劳动逐渐被机械 所替代，而机械的智能控制将是未来发展的重要趋势，也是影响我国产业化升 级的关键所在。港口是我国重点发展的产业，及时处理好港口装卸工艺系统的 规划和改进对港口发展有着重要的意义【l 】。对港口铁路装矿系统来说，目前装矿 工艺情况下，矿石通过放料装置后会在车箱内出现矿堆不平整现象，在车厢内 横向与纵向都有不同程度的偏载情况，不能满足铁路的货物运输规定要求。为 了达到要求，目前大多采用人工进行平车工作，这样做工作效率极低，同时也 对工人造成健康的影响。平车机的设计主要是通过控制机械手臂，对运输货物 进行搅拌，已达到不偏载。 一 本文首先介绍了平车机控制系统设计的背景，通过其功能和用途，阐述其 重要价值、影响及其意义，并详细阐述了工业控制和驱动技术中主要设备功能 及原理等，如变频器技术、变频调速原理、可编程控制器、工控网络、触摸屏 技术及原理等，通过对原理知识的积累，为后期的设计工作打下基础。其次， 重点分析平车机机构及工艺流程，同时结合提出的设计功能要求，如电机驱动 方式、控制多机构要求、状态监控、安全保护等，提出系统整体设计方案，针 对方案中的各个环节进行论证，设计主电路和驱动系统，详细说明变频器的计 算和选型、变频器调速系统设计、电机驱动方式的选择等，给出平车机的主电 路，并详细说明电路图的过程。最后讲解p l c 控制系统流程图、i o 接口电路及 控制系统原理、p l c 与变频器的通信设计、c p u 的选型等，列出数字量的输入 和输出量，以及软件设计，给出p l c 控制流程图，并对其进行详细的讲解，对 p l c 软件部分编程进行说明，同时结合触摸屏的设计功能要求，通过组态软件 w i n c cf l e x i b l e 的使用，完成对触摸屏工作界面的制作工作。 关键字：平车机；自动控制系统；p l c ；变频器；触摸屏 一_-_-_-i-_-i_-_-_ 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t o u ri n d u s t r yh a se n t e r e dac r i t i c a l j u n c t u r eo fi n d u s t r i a lu p g r a d i n g ，t h e t r a d i t i o n a lm a n u a ll a b o re n t e r p r i s e sg r a d u a l l yr e p l a c e db ym a c h i n e r y , a n dm e c h a n i c a l d e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tc o n t r o li sa ni m p o r t a n tt r e n di nt h ef u t u r e ，f o c u so nt h e d e v e l o p m e n to fc h i n a sp o r ti n d u s t r y ，p o r th a n d l i n gt e c h n o l o g yi nt i m et oh a n d l et h e p l a n n i n gs y s t e ma n di m p r o v et h ep o r td e v e l o p m e n th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e m i n i n gs y s t e mi n s t a l l e do nt h ep o r tr a i l ，t h ec u r r e n tp r o c e s su n d e rl o a d i n go r e ，o r e t h r o u g ht h ed i s c h a r g ed e v i c ei n s i d et h ec a rw i l la p p e a ri nt h ef o r m a t i o no fo r eh e a pi s n o tt h ep h e n o m e n o no fh o r i z o n t a la n dv e r t i c a li nt h ec o m p a r t m e n th a v ed i f f e r e n t d e g r e e s o fp a r t i a ll o a dc o n d i t i o n s ，c a nn o tm e e tr a i l w a yc a r g ot r a n s p o r t a t i o n r e q u i r e m e n t s f l a tc a rm a c h i n e sd e s i g n e dp r i m a r i l yb yc o n t r o l l i n gt h em e c h a n i c a l a r mt os t i rt h et r a n s p o r to f g o o d s ，h a sr e a c h e dt h en o r m a ll o a d t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ec o n t r o ls y s t e md e s i g nl e v e ld r i v i n gs k i l l sb a c k g r o u n d ， t h r o u g hi t sf u n c t i o na n dp u r p o s e , d e s c r i b e st h ei m p o r t a n tv a l u e ，a n di t ss i g n i f i c a n c e ， a n dd e s c r i b e di nd e t a i li nt h ei n d u s t r i a lc o n t r o la n dd r i v et e c h n o l o g yf u n c t i o n sa n d p r i n c i p l e so fm a j o re q u i p m e n ts u c ha si n v e r t e rt e c h n o l o g y , p r i n c i p l eo ff r e q u e n c y c o n t r o l ，p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r s ，i n d u s t r i a ln e t w o r k s ，s u c h a st o u c h s c r e e n t e c h n o l o g ya n dp r i n c i p l e ，t h ea c c u m u l a t i o no fk n o w l e d g et h r o u g ht h ep r i n c i p l ef o r l a t e rl a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g nw o r k s e c o n d l y , t h ef o c u so ff l a tc a ru n i t b o d i e sa n dp r o c e s s e s ，c o m b i n e dw i t ht h ep r o p o s e dd e s i g nf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ， s u c ha sm o t o rd r i v e ,c o n t r o lm u l t i - a g e n c yr e q u i r e m e n t s ，c o n d i t i o n m o n i t o r i n g ， s e c u r i t yp r o t e c t i o n , t h eo v e r a l ld e s i g no ft h es y s t e mp r o p o s e df o rt h ep r o g r a mi na l l a s p e c t sf e a s i b i l i t ys t u d i e s ，d e s i g nt h em a i nc i r c u i ta n dt h ed r i v es y s t e m ，d e t a i l so ft h e c a l c u l a t i o na n ds e l e c t i o no ft h ed r i v e ，t h ed r i v ec o n t r o ls y s t e md e s i g n ，c h o i c eo f m o t o rd r i v e ，f l a tc a ru n i ti sg i v e nt h em a i nc i r c u i t ，a n dad e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h e s c h e m a t i co ft h ep r o c e s s f i n a l l y , p l cc o n t r o ls y s t e mf l o wc h a r tt oe x p l a i n ，i 0 i n t e r f a c ec i r c u i ta n dc o n t r o ls y s t e mt h e o r y ，p l ca n df r e q u e n c yc o n v e r t e rd e s i g n ， c p us e l e c t i o n ，e t c ，l i s t e dd i g i t a li n p u ta n do u t p u t ，a n ds o f t w a r ed e s i g na n dp l c c o n t r o lf l o wc h a n ，a n di t sd e t a i l e de x p l a n a t i o no ft h ep l c p r o g r a m m i n gs o f t w a r e 武汉理工大学硕士学位论文 c o m p o n e n t s f i r ed e s c r i b e d ，c o m b i n e dw i t ht o u c h s c r e e nd e s i g nf u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t s ，t h r o u g ht h eu s eo fw i n c cf l e x i b l ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r et oc o m p l e t e w o r ko nt h et o u c hs c r e e ni n t e r f a c eo ft h ep r o d u c t i o n k e y w o r d s ：c l o s i n gm a c h i n e ；a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m ；p l c ；c o n v e r t e r ；t o u c hs c r e e n i i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第l 章绪论1 1 1 课题研究的背景与意义一1 1 2 本文主要研究内容2 本章小结2 第2 章工业控制与驱动技术3 2 1 变频调速技术3 2 1 1 变频调速原理3 2 1 2 变频器技术6 2 2p l c 技术9 2 2 1p l c 原理及其发展历程9 2 2 2s 7 2 0 0p l c 17 2 3 工控网络与触摸屏技术1 9 2 3 1 现场总线技术1 9 2 3 2p r o f i b u s 总线介绍2 1 2 3 3 触摸屏技术2 2 本章小结2 4 第3 章系统设计2 5 3 1 平车机概述及系统设计要求2 5 3 2 电气系统设计要求2 7 3 2 1 调速功能2 8 3 2 2 安全保护功能2 8 3 2 3 紧急情况处理及故障维护。2 9 3 2 4 显示功能3 0 3 3 系统总体设计方案3 0 本章小结3 2 第4 章主电路及驱动系统设计3 3 武汉理工大学硕士学位论文 4 1 驱动及控制要求3 3 4 2 驱动系统及主电路设计3 3 4 2 1 主电路原理3 3 4 2 2 装置的计算与选型3 4 4 2 - 3 变频器调速系统设计3 5 本章小结3 6 第5 章控制系统设计3 7 5 1p l c 系统设计3 7 5 2i o 接口电路及控制系统原理3 8 5 3 通信系统设计4 1 本章小结4 1 第6 章软件设计4 2 6 1p l c 软件设计4 2 6 1 1p l c 软件流程。4 3 6 1 2p l c 软件编程4 4 6 2 触摸屏软件设计4 7 6 2 1 触摸屏及设计功能要求4 7 6 2 2 功能设计4 8 本章小结。5 0 第7 章总结51 致谢。5 2 参考文献5 3 攻读硕士学位期间公开发表的论文。5 6 v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 铁矿石是我国国民经济发展的重要原材料。随着我国钢铁工业的发展，国 内的钢铁供应量已经严重不足，需要从巴西、澳大利亚、印度、南非等国家进 口铁矿石。铁矿石运输量的飞快增长对各大港口都是巨大的压力。港口为了提 高铁矿石的运输效率，不得不把研究重点放在提高资源配置来适应业务的发展 需求上来。所以，及时的处理好港口装卸工艺系统的规划和改进对港口发展有 着重要的意义。港口装卸工艺现代化是港口现代化的关键，是提高劳动生产率 的杠杆，是港口扩大再生产的重要手段。因此，改进装卸工艺是挖潜、革新、 改造的主要目标。 某码头公司铁路装矿系统目前拥有6 座装矿楼，其中6 座为混凝土结构4 座为钢结构，共配备6 条皮带机，8 个储料斗，8 套放料装置，8 套火车牵引装 置，7 条放料流程能够单独、同时作业，设计年生产能力3 0 0 0 余万吨，铁矿由 装车楼的皮带机送到料斗内，通过放料溜槽物料进入火车车皮内，放料装置下 方铁路配有静态轨道衡，对车皮内的重量进行称量，将误差控制在0 5 以内， 人工平车后火车牵引离道。 目前装矿工艺情况下，矿石通过放料装置后会在车箱内出现矿堆不平整现 象，在车厢内横向与纵向都有不同程度的偏载情况，不能满足铁路的货物运输 规定要求。现在采取人工平车的办法，对矿堆进行平整，以达到铁路运输的要 求。由于偏载情况的存在，为了尽量减少人工平车的工作量，给放料操作带来 了难度，大大降低了装矿作业的效率、限制了企业装矿能力的提高。 此次设计平车机械( 设备) 的目的是要求设计出一种平车机械( 设备) ，以 机械平车取代人工平车工艺，提高平车效率和平车质量，从而提高我公司火车 装矿的效率。 人工向工业化智能控制的迈进，对于当前国家提倡的工业生产产业化升级 战略有着重要意义【3 】；对企业的发展和生存，提高国际竞争力有着促进作用；进 一步提高对控制系统技术的研究和开发，对我国其他行业的工业化智能化改造 有着借鉴作用；在生产成本和人力资源上，进一步提高了综合使用价值，安全 武汉理工大学硕士学位论文 性得到巩固和完善【2 1 。 1 2 本文主要研究内容 平车机控制系统设计的主要目的是设计平车机控制系统软硬件，通过调试安 装，实现平车机的自动化操作，保证系统稳定运行；运用工业控制中的触摸屏 技术，设计人机交互界面，实现对整个系统的监控；采用变频器对整个系统中 的各大机构实现无级调速，保证各机构协调运作，提高工作效率。 平车机控制系统研究内容有研究变频调速技术，熟悉变频器的工作原理， 并掌握变频器在电机调速的具体应用；研究p r o f i b u s 总线技术，并掌握该技 术在p l c 、变频器、以及触摸屏通信的具体运用；根据研究目标，对设计系统 作出评价。 在设计过程中，拟解决的关键问题有平车机控制系统的软硬件设计，包括 p l c 系统，变频器系统及触摸屏监控系统的设计；同时对整个控制系统性能进 行调试运行，看是否满足现场工况要求，并且对作业效率进行评价。 为了完成设计题目，要积极开展调研，掌握平车机工况要求和实际数据； 设计平车机软硬件系统，通过安装调试，及时反馈信息；通过不断优化，实现 平车机各项性能指标；设计人机界面，完成触摸屏设计程序。了解平车机的工 作背景和各项基本参数，掌握第一手信息；设计控制系统，通过安装调试，进 行反馈；设计人机界面，实现远程控制。 本章小结 本章节，作为文中第一章，重点阐述了课题研究的重要意义，介绍课题背 景。同时，结合课题的研究内容，详细介绍了课题研究的具体内容、研究目标、 关键问题、技术路线等。 2 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章工业控制与驱动技术 2 1 变频调速技术 2 1 1 变频调速原理 ( 1 ) 变频调速发展历程 1 8 世纪，t 萨维利、t - 纽可门和j 瓦特发明第一台蒸汽机，这项发明成为工 业发展的转折点，成为工业发展赖以生存的动力源。等到电能以及电动机的研 制成功，这标志着工业的发展进入永动机时代，历史的车轮将快速前进。电能 在发生、传输、分配、控制以及转化为了为其他能量，同时使用它的便利性， 使得电动机在当时的工业时代得到了普遍的使用。工业领域使用的电动机种类 繁多，除了部分微特的电动机以外，常规的电动机根据其工作原理可以分为三 大类：直流电动机、交流同步电动机以及交流异步电动机。其中交流异步电动 机应用最为广泛，主要原因在于其结构简单、价格低廉、工作可靠、维护容易 等优尉1 2 1 。 如何让电动机按照人类的意愿进行能量的转换，成为当时发展的主要课题。 最直接的办法就是提供适当的电源，然后接通开关让电动机转动起来，这种方 式最为简单，但如何控制速度成为了关键，因为转速是由电动机及其负载的固 有特性决定。然而在现实使用中通常需要改变运行时固定的速度，由此可见交 流异步电动机的调速问题显得尤为重要。 因为直流调速具有控制能力强、可靠性高、噪声低、控制电路简单等优点， 使得其在早期的电机调速领域中占据主要的地位，交流电动机的调速效果不管 在静态方面还是在动态方面都远远不足。但直流电机驱动能力有限，在大功率 场合运用方面越来越显现出不足，而交流电机在大功率场合比直流电机更具优 越性及潜力。因此，从2 0 世纪3 0 年代起，科学家们在交流变频器上加大研究 力度，最后发展交流变频调速是实现控制的最好方式【9 】。 交流变频调速技术能在较大的范围内进行无级调速，显示出优良的静态性 能指标，不过因为技术条件的限制，并未能得到社会的认可。2 0 世纪6 0 年代 以后，特别是7 0 年代以来，随着新型自关断电力电子器件以及智能功率集成电 武汉理工大学硕士学位论文 路的问世，现代控制理论的发展和计算机技术的应用，新的控制策略不断涌现， 使得交流调速技术得到迅猛发展并得到广泛应用。交流调速以其显著的节电效 果，优良的调速性能以及广泛的适用性逐步取代直流调速的地位，逐渐成为电 机调速发展的主流方向【，j 。 ( 2 ) 变频调速的控制方式及控制系统介绍 变频器的功用是将频率固定的( 通常为5 0 h z 的) 交流电( 三相或单相) 变 成频率连续可调( 多数为0 - 4 0 0 h z ) 的三相交流电【3 9 1 。 由电机的转速公式可知：n 。= 6 0 f p ；其中n 。为旋转磁场的转速通常称 为同步转速f 为电源的频率；p 为旋转磁场的磁极对数。 当频率f 连续可调时( 一般p 为定数) ，电动机的同步转速也连续可调。又 因为异步电动机的转子转速总是比同步转速略低一些，所以，当同步转速连续 可调时，异步电动机转子的转速也是连续可调的。变频调速就是通过改变f ( 电 源的频率) 来使电动机调速的。变频调速有基频以土及基频一下两种控制方式。 基频以下的协调控制方式。当定子绕组交流电的频率从基频开始向下降的 时候，为了使得主磁通保持不变，感应电动势需要成比例的进行下调，根据电 机原理可知，在负载没有改变的条件下，保持和主磁通的不变，电磁转矩也要 保持不变，这样就可以得到恒转矩的调速特性。因此，基频以下的调速控制可 以看做是近似恒转矩协调控制方式。上面所说的是电机理论分析，实际的情况 是感应电动势我们无法进行测量，所以能够进行测量的只有电动机定子绕组的 外加电压。如果找到了基频以下调节频率时相应的调节电压就可以实现恒转矩 控制的规律，这就成为解决问题的重中之重。在交流异步电机中，但定子电流 的频率较高的时候，感应电动势也会随着增高，如果忽略了定子绕组阻抗上的 电压降，就可以获得恒压频比控制方式。当然这种前提是不成立的，但定子电 压可以直接测量和直接控制这个优势是我们不能放弃的，所以在实际的使用中， 我们会考虑电压补偿的方法，在变频器中，通常把这种补偿叫做转矩提升，转 矩的提升可以使得低速下的转矩过载的功能提高1 5 倍，使得起动和低速运行的 各项指标得到很大的提高l j 门。 另外一种就是基频以上恒功率的控制方式。当我们定子绕组的交流电的频 率从基频开始，向上进行提升的时候，电动机的电压受到了限制，频率的提高 可以带动电机转速的提高，但电压值不能上升，此时加到定子绕组的电压只有 保持额定不变。这种情况下，由电动机原理的相关公式我们可以得出，频率越 高，磁通就越低，电磁转矩就小。在这种条件下，就能够达成，转速高，转矩 4 武汉理工大学硕士学位论文 低，但转速和转矩的乘积接近保持不变。 交流异步电动机的变频调速不仅包括我们上一节说说的两种控制方式，还 有其他的控制方式，比如说转差频率控制方式。通过控制电子电流从而达到主 磁通为固定值，电磁转矩和转差的频率成正比例。由此我们可以看出，控制转 差频率，即可完成对电磁转矩的调节。这种控制方式还有个优点，就是它在进 行磁通补充之后，可以不使用速度传感器，也能够完成转速较高，精度较好的 调节。 电流限制控制方式主要在电动机处于重量很高的负载形势下。但我们使用 外部负载过重，又比如负载突然有较大的增幅的时候，电动机的转差频率就会 陡然升高，从而导致变频器发生断开，保护电路。为了消除这种情形，我们采 用了电流限制方式来进行控制。这种调节可以使得电动机出现一个转高值，不 管外部的负载多重，我们的变频器不会断开，同时能够实现机械的物理特性。 二次方电压及频率控制方式的使用面较籼仅仅在风机、发电机等转矩和 转速的二次方形成正比例的负载。 矢量控制方式从实际上说是对变频调速控制系统的补充和完善。因为交流 异步电动机的相关特性，矢量控制可以建立在电动机参数的数学模型上，能够 获取较好的控制准确度以及系统的稳定功能。 直接转矩控制就是利用空间电压矢量p w m ，然后借助磁链和转矩的调节控 制，通过逆变器的开关来进行完成。 根据交流异步电动机的原理可以知道，从定子传人转子的电磁功率巴分为 两部分：一部分是机械功率己融= ( 1 一s ) 只，主要用于拖动负载；另一部分是传 输给转子电路的转差功率只= 观。从能量转换的角度来看，转差功率的处理方 式是评价调速系统效率高低的关键所在，因此变频调速系统可以根据转差功率 的处理方式分为下列三种类型鲻j ： 转差功率消耗型调速系统，这种类型的调速系统将转差功率全部以热能的 形式消耗在转子回路中，效率最低，而且由于是通过增加转差功率的消耗来降 低转速的，因此转速越低其效率越低。然而此类调速系统结构简单，价格成本 低，因此在小容量场合仍具有一定的应用价值，此类调速系统常见的调速方法 包括：降压调速、转差离合器调速和转子串电阻调速。 转差功率回馈型调速系统，除转子铜损之外，大部分转差功率在转子侧通 过变流装置回馈给电网，而且转速越低回馈的功率越多。这类调速系统中，扣 除变流装置的损耗，大部分转差功率最终转化成为有用功率，显然效率比较高， 5 武汉理工大学硕士学位论文 常见的绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速均属于这类调速系统。 转差功率不变型调速系统，这类系统中无论转速高低，转差功率的消耗基 本不变，因此效率最高，变极对数调速和变压变频调速都属于这类调速。但由 于变极对数调速是有级调速，应用受到限制，因此变压变频调速的应用最为广 泛【1 4 】。 2 1 2 变频器技术 ( 1 ) 变频器用途与分类 变频器是一种用于交流电动机进行变频调速的设备或装置，通过电网获得 的固定电压固定频率的交流电，转换为变化后的电压以及频率的交流电，电动 机定子绕组获得了这个新的电压新的频率交流电，完成了对交流电动机的无级 调速f 7 】o ， 变频器有多种类型，分类方式也多种，下面介绍两种分类的方式： 图2 1 变频器分类图 如果说按照用途来分类的话，变频器还存在着通用和专用的区分，通用和节 能的区分。 6 武汉理工大学硕士学位论文 通用型的变频器大多数是使用在了生产机械的调速上。为什么这样说? 原因 主要是因为生产机械等大型设备对调速的性能和指标要求往往很苛刻或者说严 格。比如调速的范围有多大、静态特性要求、动态的特性以及跟随的指标。为 了确保产品的高质量，通用类型的变频器务必要保证变频后，也就是新的电压 和频率能够使得电动机的机械特性，达到生产工艺各个环节的需要。通用型的 变频器功能和用途还有很多，控制的技术也很强大。先不谈我们平常说的压频 比调控，还可以进行平方电压频率控制、矢量控制、张力控制、p i d 控制等等。 通用型的变频器不仅仅从主观上大幅度的提高了变频器的潜力，同时把实际工 作的经验以及技术全部灌入软件的使用上来，从而实现其可靠性、可用性、可 维护性。这三项性能获得了提升。 ( 2 ) 常用变频器介绍 常用便脾气主要是目的性很明确的针对使用。比如对方是风力发电机、升降 机、吊车等专用的器材，这类使用较多。 节能变频器相对来讲，对控制对象调整速度需求不是很高，因此，他的控制 方式方法比较单调，基本上都是使用压频比来掌控，当然如有了一些必须的功 能，就可以了，这可减少了不少成本。 交交变频器，通常也被称作直接变频器。它可以实现工频直接转换成能够 变化的频率和电压，同时可以控制调节的交流电。交直。交变频器则是先要把工 频的交流电，进行整流，转换成直流电，然后通过滤波等过程，最后把直流电 逆变成了交流电。两种方式结果一样，但过程，以及采用的方式截然不同。下 面是交交变频器和交。直交变频器的示意图如图所示： 交流交流 图2 2 交交变频器图2 3 交直交变频器 这两个变频器的主要特点各有不同。从换能方式上讲，交交变频器能够一 次换能，这样的效率很高，而交直交变频器则是二次换能，效率相对较低( 有 7 武汉理工大学硕士学位论文 了方便，下面简称为前者、后者) ；换流方式中，前者是电网电压环流，后者是 强迫环流，或者说负载换流；装置元器件的数量，前者比较多，后者较少；从 元件的利用效率上讲，前者是低于后者的；调频范围是个很重要的参照数据， 前者输出的最高频率达到电网的3 0 一5 0 ，后者则可以达到频率调节范围很 宽；电网功率因数对比中，前者比较低，后者，如果可控整流，则低频低压时， 功率因数较低，反之，则很高；前者在适用上，主要用于低速的大功率，后者 主要用于各种电机拖动的设备、稳压稳频的电源以及不停电的电源。 交直交变频器是实际应用中最为常见的一种变频器，它从结构上讲主要有 主电路、控制电路，中间直流环节、逆变器、整流器构成了主电科4 0 1 。 整流器，通常大家也会叫做网侧变流器，它的主要用途是将三相或者单相 交流电，整流成直流电。整流电路又分成了可控和不可控整流电路，前面的对 比我们知道，可控和不可控整流的最大区别在于功率因数，前者比较低，后者 比较高。 一 逆变器，又叫做负载侧的交流器。我们在书本上见到的利用六个半导体组 成的三相桥式逆变电路，就是我们最为常见的一种结构形式。我们可以通过调 整控制变频器的主开关等器件的导通和断开，从而可以获得我们需要的任意一 个频率的三相交流电输出。 异步电动机是属于电感性负载，也就是说，不管电机的工作状态时如何，功 率因数总不能为1 。这也就是告诉我们，中间直流环节和异步电动机之间有着无 用功的传递。而中间直流环节的储能元器件就是起到了无用功能量的缓冲。 控制电路的组成主要由以下电路及信号，运算电路、控制信号的输入输出、 驱动电路以及检测。逆变器的开关控制和频率控制主要是由控制电路来完成， 同时对整流器的电压进行了控制，使得电压和频率两种控制方式和谐进行完成 我们所要实现的各项功能。 p a w 和p w m 型调节方式主要是调节逆变器输出电压和频率，确保电动机 主磁通的稳定。 p a w 方式，也叫做脉冲幅值调节，它是利用直流电压的峰值来完成对电压 的调节。对于这些变频器，逆变器的主要功能在于调节输出频率，但是输出的 电压调节作用则是通过相控整流器，或者说直流斩波来完成。两种方式使用起 来效果不同，相控的整流器调节电压的同时，网侧的功率因数会伴随这变化的 程度从而降低。直流斩波的方式，功率因数不会去考虑谐波的干扰，功率因数 几乎在l 左右。 武汉理工大学硕士学位论文 p w m 方式口引，也叫做脉冲宽度调节。这种方式会使得功率因数升高，主要 是因为它采用了不可控二极管进行了整流。变频器的输出频率和输出电压都是 通过逆变器按照p w m 的方式方法来完成。下面我们以p w m 变压型变频器为例， 结构如图： 小湖2 骓谲凝 图2 4p w m 变压变频器结构图 p w m 变压变频器硬件上只需要能够发出正负脉冲，所以其主电路结构远比 交一交变压变频器简单。逆变电路既可以实现变压又可以实现变频，因此整流 电路可以采用不可控二极管整流电路，不但简化了电路结构，同时电源侧功率 因数提高且不受逆变电路输出电压影响，变频器的电压响应速度也不受中间直 流环节的影响。通过p w m 控制方式的适当选择，可以改善波形，降低输出谐波， 电动机的转矩脉动也相应减小，系统的调速范围和稳态性能得到提高。总之， 系统的稳态和动态性能得以明显改善，这也是这一结构取得广泛应用的原因【l 们。 2 2p l c 技术 2 2 1p l c 原理及其发展历程 ( 1 ) p l c 发展历程 在1 9 3 0 年左右，继电器、按钮、开关等元器件形成了各自的系列【3 1 1 ，功能 齐全。而这些传统的继电器接触器控制系统在社会生产中广泛的被应用，占据 了当时的全部分量，完成了各种复杂同时也很艰巨的控制工作。当然，这种控 制方式很复杂，它需要成千个控制电路，需要很多的线路去连接，按照这些电 器需要很多的控制柜，并占据很大的空间；从另外一个角度上讲，这些有触点 的电器工作的效率十分低，在这种反复操作，频率很快的条件下，它们的使用 寿命非常短，经常会产生一些故障，有的甚至导致灾难，使得生产系统十分不 9 武汉理工大学硕士学位论文 稳定，这严重干扰了正常的生产活动，限制了发展；再有一点，那就是如果工 艺流程需要进行更改，那么控制柜的元器件和接线要进行改动，这种改造的工 期漫长，费用和成本都相当高，有的厂家干脆直接买新的，把就得丢弃【l5 1 。 直接促成这一新的元器件产生的是在1 9 6 8 年，当时的美国最大的汽车制造 厂家，美国通用汽车公司，为了实现多品种、小批量、不断翻新汽车品牌型号 的战略目的，它们像社会公开招标，研制一种新型的、通用的工业控制器，需 要比原先传统的继电器接触器控制系统更加可靠、可控，同时要求速度。 1 9 6 9 年，美国的数字设备制造公司根据上述公司的要求，第一个研制成功， 型号为p d p 1 4 的可编程控制器，并成功取得试验的胜利。从1 9 6 9 年至今，可 编程控制器( p l c ) 经历了四个重要的发展阶段。 从一位机开房，只具有单一的逻辑控制功能，到不仅全面使用了1 6 位、3 2 位高性能微处理器。精简了指令系统，同时在一台p l c 中可以配备2 个及2 个 以上的微处理器，可以多通道处理。在这一阶段，生产许多内置微处理器的智 能模块，这推动了第四代的p l c 具备了逻辑控制功能、过程控制功能、运动控 制功能、数据控制功能等，成为了一款真正名副其实的多功能产品【3 3 】。 p l c 的成功出事，使得当时的各大强国争先发展该技术。1 9 7 1 年日本引进 该技术后，很快就发明了本土第一台p l c d s c 8 。西欧部分国家也开始研究可编 程控制器。我国起步于7 4 年，三年后就已经在工业上应用。截止到现在，市面 上大家熟知的有德国的西门子、日本安川、美国g e 、日本的三菱、o m r o n 等。 由于p l c 具有很优秀的性能，所以其在工业控制中的应用非常广泛，占据 了很大的市场。尤其在工业化比较发达的国家里，不仅适用在工业部门，涉及 到现在的楼宇自动化、公用事业、建筑、家庭、测试设备、生产设备、医疗、 农业等等，当然随着可编程控制器的功能不断强化，性能不断提高，其在使用 领域也不断地扩充，主要应用在以下几个方面【1 6 j ： 开关量的逻辑控制。这项功能是p l c 的基本性能之一，也是我们以前经常 使用的继电器触发器控制系统的功能。它利用了逻辑变量“与或非”，可以实现 许多的触点和电路的串联和并联。在机床控制、运输带、包装机械中有着广泛 的应用。 模拟量以及数字量的控制。在我们的生产生活中，需要对许多物理量进行 观测和测试，比如温度、压力等等，对于这些连续变化的物理量进行处理和控 制。我们现在经常说的过程控制，就是对这些模拟量进行的闭环控制。可编程 控制器利用其中的模拟量模块，可以实现数模直接的转化。这里我们可以举例， l o 武汉理工大学硕士学位论文 看下西门子的e m 2 3 5 模块提供的2 路和4 路模拟量的输入和输出。 数据处理，进入i t 时代，可编程控制器融入了处理器的各项功能，能够进 行数字运算、排序、查表等功能，在办公环境中应用广泛。 通信和联网。可编程控制器的通信不仅有p l c 之间的通信，还有何主机之 间，变频器之间等等。p l c 和计算机联网可构成一个局部网络，构成了分布式 控制系统。 监控，可编程控制器具有自我检查以及通信的功能，能够有效的保证p l c 能够勘察到各个系统部门的工作运行状态，多系统运行进行控制，同时可以对 非正常情况进行报警，记录以及中断，可以有效的保证系统的安全。 运动控制，可编程控制器可以利用自身具备的运动控制模块，完成直线或 圆周运动的位置、速度进行控制。这项功能在机器人、电梯等能够经常使用。 ( 2 ) p l c 定义和分类 2 0 世纪8 0 年代，国际电工委员会( i e c ) 的p l c 标准草案第二稿对p l c 作出了如下的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工 业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运 算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，边通过数字式、模拟式 的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备， 都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”美国 电气制造协会也对p l c 作定义：“可编程控制器是一种带有指令存储器和数字或 模拟i o 接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和算术运算功能， 用于控制及其或生产过程的自动控制装置。 这种解释强调了p l c 是一种进行数字运算操作的电子控制系统。它其实也 是计算机的一种，不过它的产生式专门为了工业环境下使用而创作出来的工业 控制计算机。 p l c 的产品品种各异，而且市场的使用类别也很多，不管是从价格上，还 是和外形上都有许多不同之处。 按照硬件结构来分类，p l c 可以划分为单体式、模块式、叠装式。单体式 是指其基本结构的元器件如电源、c p u 、存储器以及部分i o 接口都在一个机柜 里，这种结构具有结构紧凑、体积小、价格较低。厂家为了最大化的满足不同 客户的要求，这种单体式的结构还可以在外部扩展单元，以及专门使用的功能 武汉理工大学硕士学位论文 单元等，可以通过石永红电缆进行相互的连接；模块式p l c 是从其使用功能上 将各个组成的部分划分，如c p u 模块、电源模块、i o 接口模块等，它采用了 堆积木的方式进行组合。这种p l c 的基本组成包括框架、模块、以及各种需要 使用的功能模块。它的使用价格较高，不过，其配置因为是模块搭配，所以灵 活性较强，维护起来比较方便。这种方式同样也可以根据用户的不同需求进行 功能模块的搭配使用；叠装式就是以上两种的集合体，利用电缆来进行连接， 组成一个长方体，不仅灵活了配置，同时减少了体积，一举多得。 按照i o 点数来分类，i o 的点数多和少，这是和p l c 的功能有很大关系的。 点数越多说明其功能越强大，反之，点数少则说明功能较弱。一般点数少于6 4 ， 我们称其为超小型p l c ；点数在2 5 6 以下的为小型p l c ，一般超小型和小型合 并为一类，均称为小型p l c 。这种规模适合小规模的开关量的控制，它可以用 来进行条件控制、定时控制、顺序控制等。现在我们在使用的大多数小型都具 备了算术运算、浮点运算等功能，可以适合更多用户的要求。点数在2 5 6 以上， 2 0 4 8 以下的叫做中型p l c ，中型的p l c 具有很强的数字计算功能，它的指令系 统内容更加丰富，在它的模块中，可以使用p i d 调节、整数与浮点数运算等； 点数在2 0 4 8 以上，则为大型p l c ，大型的功能更加完善，不仅有数据处理、模 拟量调节、通信等功能，而且还可以进行中断、智能、远程控制。日常中，超 过8 1 9 2 的，我们就称其为超大型了。 按照地域范围分类，p l c 按照其发展的地域来看，有三个派系，美国派、 日本派、欧洲派。这样划分虽然有点牵强，但具有实际的参考意义。美国的技 术发展和欧洲的技术发展是相互独立的，两者之间存在明显的差异。而日本， 是从美国引进的新技术，然后根据自己的需求进行开发和利用的，日本主要生 产的是小型p l c ，日本和美国的技术十分相近。随着用户的需求越来越相近， 各类技