基于现代控制技术的电机综合实训系统的研究和开发.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本课题是结合我院实验室的建设，利用现代p l c 、变频控制技术与传统继电 器控制技术以及电动机、计算机、s t e p 7 _ m i c r o 胛i nv 4 0 编程软件构建了一个 电机综合控制系统。 该系统可实现的功能有：电动机的继电器控制、p l c 控制、变频控制及其综 合控制。除继电器控制技术可单独控制电动机以外，其他的控制基本上是综合 性的。因为继电控制是基础，其他控制均离不开继电控制而独立工作具体地 讲，继电器单元和电动机单元配合完成电动机基本控制功能和机床电气控制功 能：继电器单元、p l c 单元和电动机单元配合完成p l c 改造功能；变频单元和电 动机单元配合完成变频调速功能；继电器单元、p l c 单元、变频单元和电动机单 元配合完成综合控制功能。 本文首先论述系统的设计方案及硬件系统的设计与选材，设计中考虑设备 的安全性、器件功能的实用性、样式的可选性及市场需求性等其次介绍了实 际应用软件s t e p 7 一嫩c r o l r i nv 4 o ，该软件是西门予公司专为s i m a t i cs 7 - 2 0 0 系列可编程序控制器研制开发的编程软件，它是基于冒i n d 阿s 的应用软件，功 能强大，既可用于开发用户程序，又可实时监控用户程序的执行状态。最后用 实际应用案例进行试验和分析，以便了解实际应用中遇到的问题，并采取相应 的改进措施。 目前，中高等职业院校及部分高校中注重实践教学的学院，对学生的技能 加强培养，以提高学生的实践能力和社会适应能力该设备的设计、制作必将 为我院的技能训练创造良好的条件，也为附近企事业单位的人才的培养创造机 会。就实际应用而言，具有较高的应用价值。 关键词：电动机、继电器、p l c 、变频器 m 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i ss u b j e c td e s i g n sa nc 伽币r e h e n s i v ee l e c t r i cm o t o rc o n t r 0 1 l i n g s y s t e mw h i c hu s e sp l ct e c h n i q u e ，f r e q u e n c yc o n t r o l l i n gt e c h n i q u ea n d t r a d i t i o n a lc o n t r o l l i n gt e c h n i q u eo ft h er e l a y i tc a na l s or e a l i z e o n l i n ed e b u g g i n gc o m b i n i n g- i t hc o m p u t e ra n dp r o g r 出口m b l es o f t w a r e s t e p 7 - m i c r o 朋i nv 4 o t h i ss y s t 伽c a ns i m p l yu s er e l a yt oc o n t r 0 1 t h em o t o r sn 埘n i n g i tc 锄a l s ou s er e l a y ，p l c 锄dv a r i a b l ef r e q u e n c yc 叽t r o l l i n gt e c h n i q u e c 唧r e h e n s i v e l yt oc o n t r 0 1肋t o r s r u n n i n g b e c a u s er e l a yi s i n d i s p e n s a b l ef o r r t o rc o n t r 0 1 ，p l c 锄d 、忸r i a b l ef r e q u e n c yc o n t r o l l i n g t e c h n i q u e a r eb a s e do nt h er e l a y c o n t r 0 1 1 i n gt e c h n i q u e s p e a k i n g c o n c r e t e l y ，r e l a ym a t c h e s _ i t hm o t o rc a na c c 唧1 i s hb a s i cm o t o rc o n t r 0 1 8 n d 瞻c h i n et o o lc o n t r 0 1 r e l a y8 n dp l c 毗t c h _ i t hm o t o rc a na c c 唧l i s h t h ei m p r o v e dc o n t r 0 1 1 i n gf u n c t i o n f r e q u e n c yc o n v e r s i o nm a t c h e sw i t h m o t o rc a na c c o m p l i s hs p e e d a n d - f r e q u e n c ya d j u s t i n gf u n c t i o n r e l a y ，p l j c a n df r e q u e n c yc o n v e r s i o nm a t c h - i t hm o t o rc 绷a c c 0 p l i s hc o m p r e h e n s i y e t o rc o n t r 0 1 1 i n gf u n c t i o n t h i sp a p e rf i r s t l yd i s c u s s e st h ed e s i g n i n gp r o g r e s sa n d t h e h a r d a r e ss e l e c t i o ft h es y s t e 皿e q u i p p 口埘】t s s a f e t y ，c 唧o n e n t s f u n c t i o n ，c o n f i g u r a t i o na n dm a r k e td e m a n d i n ga r e8 l lt a k e ni n t ot h e d e s i g n i n ga c c o u n t s e c o n d l y ， i ti n t r o i 如c e st h ea p p l i c a t i o no ft h e s t e p 7 _ m i c r o w i nv 4 o s o f t w a r e ， i t saw i n d 佣s _ b a s e d a p p l i c a t i o n s o f t - a r e _ i t hg r e a tf u n c t i o n f o rb o t hu s e r 8p r o g r 锄d e s i g n i n ga i l d r e a l t i m ec h e c k i n gf o rt h ep r o g r 锄sr u n n i n gs t a t e f i n a l l y ，t h i sp a p e r a n 8 1 y s e ss 伽ee x p e r i m e n t 8 t i o ne x 唧1 ei no r d e rt of i n dt h ep r o b l 鲫sa n d m a k ei m p r o v e m e n t n 佣，m o r ea n dm o r ec 0 1 1 e g e sp a ya t t e n t i o nt os t u d e n t s p r a c t i c a l v 山东大学硕士学位论文 t e c h n i c a la b i l i t y t h i ss y s t e m 可i l lc r e a t eag o o dc o n d i t i o nt oi 皿p r o v e t h es t u d e n t sp r a c t i c a lt e c h n i q u es ot h e yc a nb e r ec o p e t e n tf o r s o c i e t y t h es y s t e mc a na l s oo f f e rt r a i n i n gf o rt h o s e 霄h oh a v e 舶r k e d s ot h a t ， i th a sh u g ea p p l i c a t i o nv a l u e k e y - o r d ：e l e c t r i c t o r ，r e l a y ，p l c ，f r e q u e n c yc o n v e r t e r 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：猃查塞日期：兰堕：墨兰p 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 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 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：俭查塞导师签名：堑垫丝日期：兰翌乞丝 山东大学硕士学位论文 第一章课题背景 1 1 现有电机综合实训系统的状况 电动机广泛应用于各行各业，其控制将有利于电动机性能的发挥。电动机 应用的广泛性使电机控制成为电气工作人员的主要任务，也成为电工技能考核 的一项重要指标。我国上世纪9 0 年代前后的电工技能训练设备多是自主研发的， 根据技能训练的要求做成基本的实验台，配有简单的电源、线路板和相应的器 材，进行基本的电工技能训练。这些设备结构简单、使用方便，能够实现传统 的电机继电器控制。但外观不美观、保护性差、有较大的安全隐患。近年来， 我国已有专门生产电工实验实训设备的生产厂家出现，他们生产的实训设备功 能较全、美观大方，但多以试验为主，不利于提高学生的手脑并用能力，而且 造价高。很多学校苦于经费不足，满足不了学生锻炼机会均等的要求，不利于 学校实验、实训条件的改善。 我院的实践条件同样存在上述问题，但为了给学校注入更强的生命力，我 院在注重理论教学的同时，加大对学生实践应用能力的培养力度。无论是电类 还是机电类专业的学生，均要求掌握中或高级维修电工的基本技能。现有的电 工技能训练装置，是上世纪末的产品，己远落后于现代的发展水平，虽然增加 了机床电气实训装置、p l c 实验装置，但工位数量少，训练力度不足等，离要达 到电工技能训练的要求还有相当的差距 现在我院发展较快，一方面学生数量增加，另一方面新知识和社会发展的 需要，使原有的电工实训内容和设备不能满足现有教学条件的要求。设备数量 增多、功能增强和科技含量增加是我们对实训设备的要求，资金的不足又对我 院的发展起到了相当大的限制作用，自己设计制作电机实训设备对改善办学条 件较为有利。 通过电机综合实训系统的研发，带动教师参加到新技术改革中来，同时改善 学校的办学条件，为学生提供良好的训练场所，增加学生接触实际的机会研 发一套性能完善、成本低廉、能满足教学实训要求的电机综合实训系统，具有 一定的实际意义和市场前景。 1 2 电机综合实训系统研发的目的 现代高校，特别是工程技术类高校培养人才的目标是：既能从事理论研究， 山东大学硕士学位论文 第二章设计方案 2 1 系统设计的基本指导思想 设计宗旨主要解决以下几方面问题： 1 解决高校经费不足的问题 现代高校在注重理论教学的同时，又注重学生技能的培养技能培养是与 实践教学密切相关的，学校组织的实验、实训等是实践教学的重要环节。但多 数高校的实践教学条件较差，满足不了实践教学的需要。像我院，特别注重实 践教学，现有的设备跟不上时代的发展，购置较先进的设备又需要大量的经费， 还不适合我院的需要。针对该现状，研发电机综合控制系统。既可将较先进的 设备和技术引入实践教学，又解决了经费不足的问题 2 在实验室环境下帮助学生建立实际的现场观 电气技术人员需要的人才不仅有较厚的理论基础，而且要有较高的实践技 能；既能分析问题，又要在现场解决问题，这是理论学习和实验不能解决的。 研发电机综合控制系统的目的，是将控制现场搬到实验室，从基本的实践环节 做起，逐步提高，让学生了解现场的实际，不仅建立软件的应用观念，也有硬 件的实际操作，为综合能力的培养打下坚实的基础 3 建立一个满足学生技能实践学习需要的良好学习环境 现代学生的独立意识很强，学校的教学安排满足不了他们的需要有的学生 注重理论的研究，在现有课程学习之余，选修大量其他的课程；有的学生注重 多种能力的培养，参与一些社会活动；有的同学注重实际需要，极力与社会需 求接轨，想学习更多的新技术。为增加学生参与新技术的需要，建立一个良好 的现场实践环境，在满足相关专业教学的同时，适当开放实验室，为其他专业 的学生提供学习的机会也是非常必要的 2 2 系统要求 一实训系统的基本要求 实训系统由柜体、电源箱、实验扳、实验器件、工具箱等部分组成。 1 柜体：牢固耐用、外观整齐美观、占地面积小。 2 电源箱：安全可靠、实用性好 4 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 断路器控制总电源输入 ( 2 ) 三相电压仪表指示。 ( 3 ) 继电器控制负载电源接通。 ( 4 ) 过载、断路、漏电、急停保护。 ( 5 ) 短路报警。 ( 6 ) 单相两极、三极和三相四极插座 ( 7 ) 开关电源。 3 实验扳：方便固定元器件、安全性好。 4 实验器件：符合现代发展要求、性能良好、安全实用。 5 工具箱：方便、耐用、美观大方、占地面积小。 二功能要求 1 电机控制要求 ( 1 ) 实现三相异步电动机的正反转控制。 ( 2 ) 实现三相异步电动机的自动往返控制 ( 3 ) 实现三相异步电动机的能耗制动控制。 ( 4 ) 实现三相异步电动机的星一三角降压控制。 ( 5 ) 实现三相异步电动机的顺序控制。 ( 6 ) 电机控制的其他开发需要。 2 机床电气要求 ( 1 ) x 6 2 w 型万能铣床的电气控制 ( 2 ) t 6 8 卧式镗床的电气控制 ( 3 ) z 3 0 4 0 摇臂钻床的电气控制。 3 p l c 改造要求 ( 1 ) p l j c 改造三相电动机控制线路。 ( 2 ) 机床电路p l c 改造。 4 变频控制要求 ( 1 ) 电动机正反转控制。 ( 2 ) 电动机调速控制 ( 3 ) 与p l c 联机控制。 5 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 多台电动机的控制 2 。3 系统总体方案选择 电机综合实训系统在控制功能和复杂性方面应该说是中小型系统，但是它本 身还有许多功能扩展的问题，所以在综合考虑成本和实现难易程度以及操作实 用性等各方面后，决定选择电动机、继电器、p l c 、变频器加上位计算机的控 制总体方案。 一系统的结构 图2 1 系统总体构造 二系统功能的实现 ( 1 ) 继电器单元和电动机单元配合完成电动机基本控制功能和机床电气控 制功能； ( 2 ) 继电器单元、p l c 单元和电动机单元配合完成p l c 改造功能； ( 3 ) 变频单元和电动机单元配合完成变频调速功能； ( 4 ) 继电器单元、p l c 单元、变频单元和电动机单元配合完成综合控制功 能。 2 4 电机综合实训系统的特色 1 继电器控制实现较传统的控制功能 在工业、农业、交通运输等部门中，广泛使用着各种生产机械，它们大都 6 山东大学硕士学位论文 以电动机作为动力电动机是通过某种自动控制方式来进行控制的，最常见的 是继电接触器控制方式，又称电气控制。 电气控制线路是把各种有触点的接触器、继电器、按钮、行程开关等电器元 件，用导线按一定方式连接起来组成的控制线路它的作用是：实现对电力拖 动系统的启动、调速、反转和制动等运行性能的控制，实现对拖动系统的保护， 满足生产工艺要求，实现生产过程自动化其特点是：线路简单，设计、安装、 调整、维修方便，便于掌握，价格低廉，运行可靠。因此，电气控制线路在各 种生产机械的电气控制领域中得到广泛的应用。 虽然生产设备和加工工艺各异，所要求的控制线路也多种多样、千差万别。 但是，无论哪一种控制线路，都是由基本控制环节组合而成。鉴于继电器控制 的基础性、实用性等原因，必须要通过基础的训练，使学生掌握基本的控制环 节，为以后的学习、工作奠定基础。 2 p l j c 控制为新技术的开发利用提供机会 可编程控制器作为一种通用的工业控制器，它可用于所有的工业领域。当前 国内外已经广泛的将可编程控制器成功地应用到机械、冶金、石油、化工、纺 织、交通、电力、军事等各个领域，并取得了可观的技术济济效益。而且它还 代表当今电气控制技术的世界先进水平，它已与数控技术、c a d c 删技术、工 业机器人技术并列为工业自动化技术的四大支柱。 可编程控制器以体积小功能强大所著称，它不但可以很容易地完成顺序逻 辑、运动控制、定时控制、计数控制、数字运算、数据处理等功能，而且可以 通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产 过程的自动控制。特别是现在，由于信息、网络时代的到来，扩展了p l c 的功 能，使它具有很强的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业。由于p l c 应用的发展性、广泛性等原因，通过p l c 的训练，使学生掌握p l c 相关知识和 技能，为今后的实际应用打下基础。 3 变频器控制是适应新型控制的需要 变频技术最初的目的主要是节能，但是随着电力电子技术、微电子技术和控 制理论的发展，电力半导体器件及微处理器的性能不断提高，变频驱动技术也 得到了显著发展。随着各种复杂控制技术在变频器技术中的应用，变频器的性 能得到不断提高，应用范围也越来越广。目前变频器不但在传统的电力拖动系 7 山东大学硕士学位论文 统中得到了广泛的应用，而且几乎已经扩展到了工业生产的所有领域，并且在 空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛应用。 与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流 拖动系统有许多优点，如节能，实现对现有电动机的调速控制，实现电动机的 正反转切换，进行高频度的起停运转，可以进行电气制动，可对电动机进行高 速驱动，易适应各种工作环境，可实现一台变频器对多台电动机进行调速控制， 电源功率因数高，所需电源容量小，可以组成高性能的控制系统等等由此可 见，变频技术越来越得到广泛的应用，通过对变频技术的实际训练，让学生了 解并应用变频知识是今后适应社会的一个切入点。 4 综合控制是现代控制发展的趋势 大多设备的控制技术都不会是单一控制技术的应用，变频、p l c 、继电器等 的综合应用技术将会得到更多更快的发展。通过综合知识应用的训练，提高学 生整体的设计、制作等综合应用能力。 5 系统的可扩展性为培养学生的设计制造等综合能力提供条件 通过系统的可扩展性，让学生练习自我设计、制作，为步入社会后进行设备 改造、新产品的开发研究提供帮助 山东大学硕士学位论文 第三章硬件系统设计 3 1 外部构造设计 该系统主要由电源、继电器单元、p l c 单元、变频器单元、电动机单元等组 成。电源部分供该系统各部分所用，主要由断路器、接触器、按钮、电压表、 插座等组成；继电器单元主要由断路器、熔断器、交流接触器、热继电器、时 间继电器、行程开关等组成，配合电动机单元实现电动机、机床电路的基本控 制功能及其扩展功能；p l j c 单元主要由主机、开关电源、继电器、p c p p i 电缆 等组成，配合电动机单元、p c 机通过s t e p 7 实现电动机、机床电路的控制和改 造；变频器单元由变频器、断路器等组成，配合电动机单元实现电动机的调速 控制 根据功能要求和各单元相互之间的关系，将外部构造设计如下： 图3 1 系统总体构造 一电源 考虑到电源的安全性和系统对电源的要求，基本电源设计如下图： 9 山东大学硕士学位论文 图3 2 电源部分示意图 p el l l 2l 3n 斗 i 一 s a 叶j l 耳；r 卜+ 一 x矗x十乒矗 k m i e 尹s b l e 举b 2 、 _ il d j k m i i i i i i ii 、，、 图3 3 电源部分电气原理图 二继电器部分 根据所作项目的具体内容，可适当调整熔断器、继电器等的数量，以满足实 际需要 i o 山东大学硕士学位论文 固园园园圃园园园园 圆圆圆固固囤 囡园园园固园团囡 嘧| |x t 三p l c 部分 图3 4 继电器部分平面图 根据学生实训中容易出现的问题，以及p l c 较易损坏的特点，对其外部构 造进行改造，可对p l c 进行适当的保护，以利于设备利用率的提高，同时节约 后期较昂贵的设备维修费用。 一一一一一_ 一一一一一一 ooo ooo oo o o o o oo o oo oi i ln 4o j0 3 3 2 i o o 毒o 石3 i 一瓴71 i h ， nl la c 四变频器部分 图3 5p l j c 保护示意图 考虑到该部分易受外界影响，须单独设立电源，有条件时可对其进行屏蔽， 并对其所用导线进行单独配备。 山东大学硕士学位论文 囡 二二j 【二 图3 6 变频器外形图 3 2 电动机、p i c 、变频器的选择 一电动机的选择 设计综合控制系统，首先根据电力拖动系统的要求选择电动机选择电动 机时，要考虑电动机的类型、数量、结构形式及容量、额定电压、额定转速等 要求。 电动机选择的基本原则是： 电动机的机械特性应满足生产机械提出的要求，要与负载特性相适应，以 保证加工过程中运行稳定并具有一定调速范围与良好的起动、制动性能 工作过程中电动机容量能得到充分利用 电动机的结构形式应满足机械设计提出的安装要求，并能适应周围环境工 作条件 应该强调，在满足设计要求情况下优先考虑采用结构简单、价格便宜、使用 维护方便的三相异步电动机。 1 正确选择电动机容量是电动机选择中的关键问题。 由于生产机械拖动负载的变化，散热条件的不同，准确选择电动机额定功 率是个多因素、较为复杂的过程，不但需要一定的理论分析为依据，还需要 经过试验校准。 电动机容量计算的基本步骤：首先根据生产机械计算出负载功率p l ，然后 根据p l 预选电动机，最后校验预选电动机的过载能力和启动能力。 首先要根据机械对转速( 最高、最低) 和转矩( 起动、连续及过载) 的要求，确 定机械要求的最大输入功率( 即电动机的额定功率最小值) 输入功率为 卢刀9 5 5 0 _ 一( 3 一1 ) 一；一一变频器一 ：i；ii-! 山东大学硕士学位论文 式中严机械要求的输入功率( k w ) ；疗_ 机械转速( r m i n ) ，最大输入功率 计算时，机械转速取电动机的额定转速：产机械的最大转矩( n 皿) ，转矩为 设备在起动、连续运行、过载或最高速等状态下的最大连续转矩。 根据负载各段情况，计算电动机平均功率 = 等筹产 ( 3 2 ) 其次，预选电动机额定功率 最( 1 卜1 6 ) 匕广一( 3 3 ) 其发热校验法有： ( 1 ) 平均损耗法 首先，根据预选电动机的效率曲线，计算出电动机带各段负载对对应的损耗 功率只，尼“忆然后计算平均损耗功率 2 繁竽 ( 3 4 ) 只要电动机带负载时的实际平均损耗功率户0 ，小于或等于其额定损耗伟 即碥则电动机运行时实际达到的稳态温升r ，不会超过其额定温开r ， 即r ，r * 电动机的发热条件得到充分利用。 ( 2 ) 等效电流法 假定不变损耗和电阻均为常数，则电动机各段负载时的损耗与对应的电动机 电流平方成正比，由下式得等效电流 气= ( 3 5 ) 只要磊扛5 b ，则电动机的发热校验通过。 ( 3 ) 等效转矩法 假定不变损耗、电阻、主磁通及电动机的功率因数为常数，则电动机带各段 负载时的电流与其对应的电磁转矩成正比，其电磁转矩为 毛= 再磊茅 只要死矗珞，则电动机的发热校验通过。 ( 4 ) 等效功率法 ( 3 6 ) 山东大学硕士学位论文 假定不变损耗、电阻、主磁通及电动机的功率因数为常数，则电动机带各段 负载时的转矩与其对应的输出功率成正比，其等效功率为 匕= ( 3 7 ) 只要心。5 p 则电动机的发热校验通过 最后，校验预选电动机的过载能力和启动能力。 为适应负载波动，电动机必须有一定的过载能力。只要预选电动机的最大转 矩霸大于负载的最大转矩z ，即磊 霸，则过载能力满足要求。 考虑到电网电压下降时会使转矩成平方的下降，应对电动机的最大转矩进行 修正，即最大转矩乘以o 8 5 2 后进行过载校验。即o 8 5 2 z k 。 当电动机为鼠笼式电动机时，还须校验其启动能力。一般要求启动转矩应大 于1 1 倍的负载转矩，即 j j 取 2 电动机种类的选择 选择电动机种类应在满足生产机械对拖动性能的要求下，优先选用结构简 单、运行可靠、维护方便、价格便宜的电动机。电动机种类选择时应考虑的主 要内容有： ( 1 ) 电动机的机械特性应与所拖动生产机械的机械特性相匹配； ( 2 ) 电动机的调速性能( 调速范围、调速的平滑性、经济性) 应该满足生产机 械的要求。对调速性能的要求在很大程度上决定了电动机的种类、调速方法以 及相应的控制方法； ( 3 ) 电动机的启动性能应满足生产机械对电功机启动性能的要求，电动机的 启动性能主要是启动转矩的大小，同时还应注意电网容量对电动机启动电流的 限制； ( 4 ) 电源种类在满足性能的前提下应优先采用交流电动机； ( 5 ) 经济性。一是电动机及其相关设备( 如：启动设备、调速设备等) 的经济 性；二是电动机拖动系统运行的经济性，主要是要效率高，节省电能 目前，各种形式异步电动机在我国应用非常广泛，用电量约占总发电量的 6 0 ，因此提高异步电动机运行效率所产生的经济效益和社会效益是巨大的 在选用电动机时，以上几个方面都应考虑到并迸行综合分析以确定出最终方案。 3 电动机结构形式的选择 山东大学硕士学位论文 电动机的安装方式有卧式和立式两种，卧式安装时电动机的转轴处于水平位 置，立式安装时转轴则为垂直地面的位置。两种安装方式的电动机使用的轴承 不同，一般情况下采用卧式安装。 为了保证电动机能够在其工作环境中长期安全运行，必须根据实际环境条件 合理地选择电动机的防护方式。电动机的外壳防护方式有开启式、防护式、封 闭式和防爆式几种 4 电动机额定电压的选择 电动机的电压等级、相数、频率都要与供电电源一致。因此，电动机的额定 电压应根据其运行场所的供电电网的电压等级来确定。 我国的交流供电电源，低压通常为3 8 0 v ，高压通常为3 k v 、6 k v 和1 0 k v 。中 等功率( 约2 0 0 k w ) 以下的交流电动机，额定电压一般为3 8 0 v ，大功率的交流电 动机，额定电压一般为3 k v 或6 k v ；额定功率为1 0 0 0 k w 以上的电动机，额定电 压可以是1 0 k v 。需要说明的是，笼式异步电动机在采用y - 降压启动时，应选 用额定电压为3 8 0 v 、接法的电动机。 5 电动机额定转速的选择 对电动机本身来说，额定功率相同的电动机，额定转速越高，体积就越小， 造价就越低，效率也越高，转速较高的异步电动机功率功率因数比较高，所以 选用额定转速较高的电动机，从电动机角度看是合理的。但是，如果生产机械 要求的转速较低，那么选用较高转速的电动机时，就需要增加套传动比较高、 体积较大的减速传动装置。因此，在选择电动机的额定转速时，应综合考虑电 动机和生产机械两方面的因素来确定。 综上所述，我在选择电动机时，考虑了电动机的类型、数量、结构形式及实 验所需容量、额定电压、额定转速等要求。根据我院实训的要求，选择了应用 范围较广的鼠笼式异步电动机，额定电压为3 8 0 v ，额定功率约为7 5 呷的y 8 0 1 - 4 、 y 接法，y 8 0 1 - 4 、接法，1 f d 8 0 地_ 4 2 、双速和w p 8 0 卜4 变频电机等类型。 二p l c 的选择 在p l c 系统设计时，首先应确定控制方案，接下来就是p l c 的设计选型。工 艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。p l c 及有关设备应是集成的、 标准的，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， 山东大学硕士学位论文 所选用p l c 应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，p l c 的系统硬件、 软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， 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p l c 的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的p l c 和设计相应的控 制系统。 1 机型的选择 p l j c 机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护 使用最方便以及性能价格比的最优化机型。 ( 1 ) p l c 的类型 p l c 按结构分为整体型和模块型两类；按应用环境分为现场安装和控制室安 装两类；按c p 【j 字长分为l 位、4 位、8 位、1 6 位、3 2 位、6 4 位等。从应用角 度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。 整体型p l c 的i o 点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统； 模块型p l c 提供多种i 0 卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系 统的i o 点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。 ( 2 ) 输入输出模块的选择 输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。对输入模块，应考虑信号电 平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求对输出模块，应考 虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、 寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功 率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流 输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。 可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低 应用成本。 ( 3 ) 电源的选择 p l c 的供电电源，除了引进设备时同时引进p l c 应根据产品说明书要求设计 和选用外，一般p l c 的供电电源应设计选用2 2 0 v a c 电源，与国内电网电压一致。 重要的应用场合，应采用不问断电源或稳压电源供电。 1 6 山东大学硕士学位论文 如果p l c 本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否 则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入p l c ，对输入和输 出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离 ( 4 ) 存储器的选择 由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，保证应用项目的正 常投运，一般要求p l c 的存储器容量，按2 5 6 个i o 点至少选8 k 存储器选择。 需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。 ( 5 ) 冗余功能的选择 控制单元的冗余和i o 接口单元的冗余。 2 输入输出( i 0 ) 点数的估算 i 0 点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加 1 0 2 0 9 6 的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。 3 存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是 存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。 设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的， 需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采 用存储器容量的估算来替代。 存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式， 大体上都是按数字量i o 点数的1 0 1 5 倍，加上模拟i o 点数的1 0 0 倍，以此 数为内存的总字数( 1 6 位为一个字) ，另外再按此数的2 5 考虑余量。 4 控制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速 度等特性的选择。 ( 1 ) 运算功能 简单p l c 的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通p l c 的运算功能 还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等； 大型p l c 中还有模拟量的p i d 运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现， 目前在p l c 中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具 有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的 1 7 山东大学硕士学位论文 功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多 数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较， 当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和p i d 运算等。要显 示数据时需要译码和编码等运算 ( 2 ) 控制功能 控制功能包括p i d 控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据 控制要求确定。p l c 主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或 多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所 需的控制功能，提高p l j c 的处理速度和节省存储器容量。例如采用p i d 控制单 元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、a s c 码转换单元等。 ( 3 ) 通信功能 大中型p l c 系统应支持多种现场总线和标准通信协议( 如t c p i p ) ，需要 时应能与工厂管理网( t c p i p ) 相连接通信协议应符合i s o i e e e 通信标准， 应是开放的通信网络。 p l c 系统的通信接口应包括串行和并行通信接口( r s 2 3 2 c 4 2 2 a 4 2 3 4 8 5 ) 、 r 1 0 通信口、工业以太网、常用d c s 接口等；大中型眦通信总线( 含接口设备 和电缆) 应l ：l 冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实 际要求。 p l j c 系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1 胁p s ，通信负荷不大 于6 嘿。p l c 系统的通信网络主要形式有下列几种形式：1 ) p c 为主站，多台同 型号p l c 为从站，组成简易p i j c 网络；2 ) l 台p l c 为主站，其他同型号眦为 从站，构成主从式p l c 网络；3 ) p l c 网络通过特定网络接口连接到大型d c s 中 作为d c s 的子网；4 ) 专用p l c 网络( 各厂商的专用p l c 通信网络) 为减轻c p u 通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能 的( 如点对点、现场总线、工业以太网) 通信处理器 ( 4 ) 编程功能 离线编程方式：p l c 和编程器公用一个c p u ，编程器在编程模式时，c p u 只 为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行 模式，c p u 对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本， 但使用和调试不方便。在线编程方式：c p u 和编程器有各自的c p u ，主机c p u 负 山东大学硕士学位论文 继电器输出的过载能力强及现在应用的广泛性等特点，选择了c p u 2 2 4 ) ( p 型整体 式结构p l c 。该眦为数字量1 4 输入、1 0 输出，模拟量2 输入、l 输出 三变频器的选择 在设计变频调速系统的设备选择过程中，电动机和变频器的选择是核心。变 频调速系统中选用标准笼型电动机较为普遍，但由于变频器的性能和电动机自 身运行状况的改变等原因，对通用标准电动机容量的选择产生了不可忽视的影 响。变频器不仅型式多样，而且容量范围很大，需根据负载特性和生产现场的 具体要求，选择合适的电动机和变频器，这对系统运行的经济性、稳定性和可 靠性起着至关重要的作用。 根据负载特性和生产现场的具体要求，选择型式适应，容量适合，价格合理 的变频器。通用交频器的选择包括变频器的型式选择和容量选择两个方面。 1 变频器的型式选择 ( 1 ) 根据通用变频器控制方式可分为四种类型：，恒定控制( 分普通功能 型和具有转矩控制功能的高性能型) ；转差频率控制；矢量控制( 分不带速度反 馈型和带速度反馈型) ；直接转矩控制变频器控制方式的选择要根据生产机械 的类型、调速范围、静态速度精度、起动转矩的要求，然后决定选用那种控制 方式的变频器最合适。所谓合适是既要满足工艺和生产的基本条件和要求，又 要经济实用。对于风机、泵类等负载，对调速低于额定频率以下且负载转矩较 小，在过载能力方面要求又较低，对转速精度没有什么要求时。选择价廉的普 通功能型，控制变频器对于恒转矩类负载，在转速精度及动态性能等方面 要求一般不高或有较高静态转速要求的机械，例如挤压机、搅拌机、起重机的 提升机构和提升机等，采用具有转矩控制功能的高性能，控制变频器则较为 合理。因为这种变频器低速转矩大，静态机械特性硬度大，不伯负载冲击，具 有挖掘机特性为了实现大调速比的恒转矩调速，常采用加大变频器容量的办 法。对于要求变频器调速对电动机速度变化响应速度快的负载，如轧钢机、生 产线设备、机床主轴等，选用转差频率控制的变频器较为合理对于低速时要 求有较硬的机械特性，并要求有一定的调速精度，在动态方面无较高要求的负 载，可选用不带速度反馈的矢量控制型通用变频器；对于某些对调速精度及动 态性能方面都有较高要求，以及要求高精度同步运行的负载，可选用带速度反 山东大学硕士学位论文 馈的矢量控制型通用变频器。要求控制系统具有良好的动态、静态性能例如 电力机车、交流伺服系统、电梯、起重机等领域，可选用具有直接转矩控制功 能的专用变频器。矢量控制方式只能对应一台变频器驱动一台电动机，一台变 频器驱动多台电动机时，只能选择v f 控制模式，不能用矢量控制模式 ( 2 ) 按照变频器内部直流电源的性质分为两种类型。电流型变频器属于1 2 0 0 导电型，适用于频繁急加减速的大容量电动机的传动控制，并且主电路不需要 附加任何设备就可实现电动机的再生发电制动；电压型变频器属于1 8 0 0 导电型， 适用于多台电动机并联运行的传动控制，但需要在电源侧附加反并联逆变器， 才可实现电动机的再生发电制动。 ( 3 ) 按照安装形式不同可分为4 种类型，可根据受控电动机功率及现场安 装条件选用合适类型。第一种是固定式( 壁挂式) ，功率多在3 7 k w 以下；第二种 是书本型，功率为o 2 3 7 k w ，占用空间相对较小，安装时可紧密排列；第三种 是装机装柜型，功率为4 5 2 0 0 娜，需要附加电路及整体固定壳体，体积较为 庞大，占用空间相对较大；第四种为柜型，控制功率为4 5 1 5 0 0 妍，除具备装 机装柜型特点外，与之比较占用空间更大。 ( 4 ) 从变频器的电压等级来看，有单相2 3 0 v a c ，也有三相a c 2 0 8 2 3 0 v 、 3 8 0 4 6 0 v 、5 0 0 5 7 5 v 、6 6 0 6 9 0 v 等级，应根据电动机的额定电压选择。 ( 5 ) 变频器的防护常见有i p l 0 、i p 2 0 、i p 3 0 、i p 4 0 等级，分别能防止妒5 0 珊、 妒1 2 眦、庐2 5 咖、妒1 岫固体物进入。根据变频器使用不同场所选择相应的防 护等级，以防止鼠害、异物等进入 ( 6 ) 从调速范围及精度而言，变频器f c ( 频率控制) ，调速范围l ：2 5 ；v c ( 矢 量控制) ，调速范围l ：1 0 0 1 ：1 0 0 0 ，一般选用f c 方式即可满足生产要求。 ( 7 ) 从变频器的最高输出频率来看，有5 0 h z 6 0 h z 、1 2 0 h z 、2 4 0 h z 或更高， 应根据电动机的调速最大值进行选择。变频器选型时，应兼顾上述各点要求， 根据负载特性和生产现场的情况正确选择合适的型式。 2 交频器的容量选择 变频器的容量选择的基本原则是负载电流不超过变频器额定电流。大多数变 频器容量可从三个角度表述：额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后 两项，由变频器生产厂家生产的电动机标准给出，使用时会随变频器输出电压 而降低，都很难确切表达变频器的能力。又由于变频的过载能力没有电动机过 山东大学硕士学位论文 得到的实际转矩之比确定 ( 2 ) 把工频电网运转中的电动机切换到变频器运转时，电动机必须在完全 停止以后，方可切换到变频器侧重新起动。否则会产生过大的电流冲击和转矩 冲击，导致供电系统跳闸和设备损坏。但有些设备从电网切换到变频器时又不 允许完全停止，此时必须选择备有相应控带l 装置的变频器，使电动机未停止就 能切换到交频器侧，即切离电网后，变频器与电动机同步后，再输出功率。 4 变频器选择的注意事项 ( 1 ) 变频器功率值与电动机功率值相当时最合适，以利变频器高效率运转。 ( 2 ) 在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时，变频器的功率要尽 可能接近电动机的功率，且应略大于电动机的功率 ( 3 ) 当电动机频繁起动、制动或处于重载起动且较频繁工作时，可选取大 一级的变频器，以利用变频器长期、安全地运行。 ( 4 ) 经测试，电动机实际功率确实有富余，可以考虑选用功率小于电动机 功率的变频器，但要注意瞬时峰值电流