（计算机应用技术专业论文）干法速溶型水煤粉生产线的plc应用研究.pdf

论文题目：千法速溶型水煤粉生产线的p l c 应用研究 专业：计算机应用技术 硕士生：暴杰 指导教师：薛弘晔 摘要 水煤浆是2 0 世纪7 0 年代中期发展起来的一种煤基流体燃料，具有石油一样的流动 性和稳定性，可以泵送、雾化和稳定着火燃烧。燃烧效率高、污染物排放低，具有良好 的经济效益和环保效益，是中国洁净煤技术的重要分支。本文中提到的干法速溶型水煤 粉是将水煤浆的工艺更进一步，将水煤浆这种流态煤燃料制成固体粉状，使用时加水稀 释即可。制成的水煤粉除具有水煤浆原有的特点外，其运输更加方便，安全性更高，对 温度的依赖性更小，使用更加方便。 本文分析了水煤浆生产系统的工艺流程和特点，研究了生产线的电气控制方案，提 出了使用可编程控制器( p l c ) 进行生产线的控制方案，特别对干法水煤浆粉生产过程 中的配料控制进行了深入的分析研究和设计，并对配料控制提出了使用p i d 算法设计并 对其进行了仿真。经过实际运行证明，其是可行的，生产出的产品是合格的。 论文主要完成工作如下：第一，阐述了本课题的内容意义，详细介绍了干法速溶型 水煤粉的生产线的工艺流程和特点。第二，在充分介绍了p l c 技术，变频调速技术的 基础上，确定了本系统采用通用变频器三菱f r - a 5 4 0 ，对电机进行转速调节。采用德国 s i e m e n s 公司的s 7 3 0 0 系列p l c ，采用模块化的程序设计方法，减少了软件的开发和 维护。第三，实现了对开关量、模拟量的先进控制，并研究了p i d 控制算法，使用了 p i d 算法对配料系统进行控制，精度达到了生产的要求。第四，针对实际中可能出现的 错误进行了故障预处理分析。在这个项目中，作者参与了项目的设计工作，负责配料控 制程序的编制，并参与p l c 程序的编写及调试。 关键词：可编程控制器水煤粉p i d 控制 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：o nt h ea p p l i c a t i o no fp l ci nt h ep r o d u c es y s t e mo fc o a l w a t e rp o w d e r s p e c i a l t y：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y n a m e：b a oj i e i n s t r u c t o r ：x u eh o n g y e a b s t r a c t ( s i g n a t u 阳) 麴z 堡 ( s i g n a t u r e ) s i g n a t u r e l c o a lw a t e rm i x t u r ei san e wc o a lb a s e dl i q u i df u e la n da l s oc a l l e daf l o w i n gc o a l t h e c o a lw a t e rm i x t u r ei sc o n s i s t e do f6 5 7 0 o fc o a lp a r t i c l e s 2 9 3 4 o fw a t e ra n dl e s s t h a n1 o fc h e m i c a lw i t hac e r t a i nt e c h n i c a lp r e p a r a t i o n i th a ss i m i l a rf e a t u r ew i t hf u e lo i l a n dc a ns u b s t i t u t et of u e lo i li ns e v e r a lu t i l i z a t i o n sc w me n a b l e se a s i e rh a n d l i n g ，l i k eh e a v y o i l ，、) i ，i t l lc o n v e n i e n c ei ns t o r a g e ，t r a n s p o r t a t i o na n dc o m b u s t i o n ，w h i c hi ss i m i l a rt ot h eo i l c o m b u s t i o ne f f i c i e n c yr a t e i tc a nb et r a n s 嘶r e dt h r o u g hp u m p sa n db u r n e dw i ma t o m i z a t i o n s i m i l a rt ot h ef u e l c o a lw a t e rp o w d e ri st h eb e t t e r m e n to fc o a lw a t e rm i x t u r e t h e yh a v et h e $ a m ec h a r a c t e r i s t i c s ，m o r e o v e r , c o a lw a t e rp o w d e ri sm o r ec o n v e n i e n t ，m o r ee n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l y , l e s sa f f e c t e db yt e m p e r a t u r e t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ep r o d u c ep r o c e s so fc o a lw a t e rp o w d e r t h ea p p l i c a t i o no f p i et ot h ec o n t r o li nt h ep r o d u c ep r o c e s so fc o a lw a t e rp o w d e ri sd e s e r i b e di nd e t a i li nt h i s p a p e r t h ec o n s t r u c t i o n , t h ei n t e g r a t i o nf u n c t i o na n dt h ed e s i g np r o c e s so ft h es y s t e ma r e a n a l y z e d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec o n t r o lp r o c e s sa n dr e a l i z a t i o np r o c e s s ，ac l e a rf l o w b yt h ep l cc o n t r o lp r o g r a mi si l l u s t r a t e d ，e s p e c i a l l yt h ec o n t r o li nt h em i xp r o c e s so f w a t e ra n d c o a l m o r e o v e ri ti n t r o d u c e sac o n t r o lm e t h o db a s e do nd i g i t a lp i dc o n t r o ls t r a t e g ) ri nt h e s y s t e mo fm i x t h ep i ec o n t r o ls y s t e mi sp r o v e dt ob es i m p l e ，e c o n o m i ca n dr e l i a b l eb y p r a c t i c e t h eo u t p u ti se l i g i b l e t h r o u g ha ni n s t a n c ep a r t i c i p a t e db ya u t h o ri nt h er e a l i t y , t h ea r t i c l eg a v eas y s t e m i c e x p l a n a t i o no nt h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f t h ep r o d u c es y s t e mo fc o a lw a t e rp o w d e r t h ec o n t e n ti n c l u d i n g ：t h ef i r s t , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h em e a n i n go ft h es u b j e c t sa n d s u m m a r i z e sc o a lw a t e rs l u r r y , c o a la s h , t h et e c h n o l o g yo fc o a la s ha n dt h ep r o c e s sa n d s p e c i a l t yo fp r o d u c e t h es e c o n d ，b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no ft h ec o n f i g u r a t i o ns o f h v a r e t e c h n o l o g y , p l ct e c h n o l o g ya n da cf r e q u e n c yc o n v e r s i o nf o rs p e e da d j u s t m e n tt e c h n o l o g y , t h r o u g ht h er e s e a r c ha n da n a l y s i s ，t h i ss y s t e ma d j u s t sg e n e r a lt r a n s d u c e rm i t s u b i s h if r a 5 4 0 t oc o n t r o lt h es p e e do fm o t o r , c o n s e q u e n t l ya c t u a l i z e st h ef h l lu s eo f e n e r g ya n dt h en e e do f p r o d u c t i o n b a s e do ns 7 3 0 0p l c sp r o g r a m m i n gs o f t w a r es t e p7 ，w h i c ha d o p t st h e m o d u l a r i z a t i o nm e t h o di np r o g r a m m i n gd e s i g n , c a nr e d u c et h es o r w a r ee x p l o i t a t i o na n d m a i n t e n a n c e 1 1 1 et l l i r d ，c o m et r u eo ft h ea d v a n c e dc o n t r o lo fs w i t c ha n ds i m u l a t o rt h r o u g h p r o g r a m m a t i ca p p l y i n g ，a n db a s e do nt h ea n a l y s i so fp i da r i t h m e t i c ，as y s t e mi sd e s i g n e db y m a k i n gu s e0 fp i dc o n t r o ls t r a t e g ya n da c h i e v e sn e e d e dp r e c i s i o n 1 1 1 ef o u r t h , t ot h ep o s s i b l e f a i l u r ea tw o r k , f a i l u r ep r e t r e a t m e n tm e a s u r ei sp r o v i d e dw i t hu s e ra tl a s t k e y w o r d s ：p l cw a t e rc o a lm i x t u r e t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技太学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名臻岳嗍良钳 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 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 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 糊一徘景壶撇：秒呼 0 缪年多月肜日 1 绪论 1 1 课题的研究背景及意义 1 绪论 水煤浆，是用6 5 - 7 0 的煤粉、2 9 - - - 3 4 的水及1 左右的微量化学添加剂制备而 成，是在“石油危机”背景下产生的“以煤代油”的煤基流体燃料。它能像油一样泵送、雾 化和稳定着火燃烧。水煤浆为煤水混合物，水煤浆的燃尽率高达9 5 左右，炉渣中含炭 量由燃煤的1 7 3 - 3 2 降到水煤浆的2 以下，其燃烧温度比煤粉低( 1 0 0 , - - - , 2 0 0 ) ，可 大大减少s 0 2 的析出和n o x 的生成；由于水煤浆含有3 5 左右的水份，燃烧时产生的 水蒸汽有脱硫作用，可使部分n o x 还原成n 2 ；对高硫煤种，可以方便地在水煤浆生产 过程中添加固硫剂，实现低s 0 2 的排放【1 1 ；水煤浆为雾化燃烧，燃烧率比散煤燃烧提高 2 0 以上，不仅节能，而且减少了对外污染物的排放量；水煤浆的制备、储运全封闭， 避免了煤炭装、储、运中的损失和带给环境的污染。从而充分体现了其环保节能的特点， 是一种洁净能源。 水煤浆的技术包括制备、储运、燃烧等关键技术，涉及煤化学、颗粒学、胶体与有 机化学及流变学等多门学科。水煤浆包括水煤浆制备、储运、燃烧等关键技术，是一项 涉及煤化学，颗粒学、胶体与有机化学及流变学等多门学科系统技术。其技术要求【2 j ： 第一，便于燃烧，水煤浆的含煤浓度要高，通常要求在6 2 - 7 0 。第二，为便于雾化的 和泵送，粘度要低，通常要求在1 0 0 ( 1 秒) 剪切率及常温下，表现粘度不高于6 0 0 - 1 2 0 0 毫帕秒。第三，防止在储贮、运输过程中产生沉淀，应有良好的稳定性，一般要求能静 置存放一个月不产生不可恢复硬沉淀。第四，提高煤炭的燃烧效率，其中煤粒应达到一 定细度，一般要求粒度上限为3 0 0 微米，其中小于2 0 0 微米( 7 4 微米) 的含量不少于 7 5 2 1 。使水煤浆能满足其中单项性能并不难，但要同时满足各项要求就会遇到许多困 难，因为有些性能之间是相互制约的。例如：要使水煤浆中含煤浓度高，就不能多用水； 水少了又会引起粘度高，流动性差；要流动性好，粘度就应低，但粘度低又会使稳定性 差，所以它的技术难度大。 在八十年代初期只有美国、瑞典掌握水煤浆的制备技术，而我国自1 9 8 2 年开始水 煤浆技术研究，由国家计委统一组成跨地区、跨行业的大型项目攻关组，经过2 0 多年 的开发研究和工业应用示范。从引进国外技术和设备至国内自行设计和制造全套设备， 在水煤浆的理论基础、制浆技术、添加剂技术、制浆设备、储装运技术、专用燃烧设备 和工程技术方面都取得了重大的突破。考虑到我国的能源结构和现实国情，政府正大力 鼓励水煤浆产业的发展，国家计委 c p u l 出 点 0 o 系统程序存用户程序存储电源 图2 1p l c 的结构 中央处理单元( c p u ) 中央处理单元( c p u ) 是p l c 的控制中枢。它按照p l c 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。 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 8 2 相关技术概况 存储器。 电源 p l c 的电源在整个系统中起着十分重要得作用。一般交流电压波动在1 0 ( 1 5 ) 范围t 9 1 ，可以不采取其它措施而将p l c 直接连接到交流电网上去。 输入输出元件( i o 模块) i o 模块是c p u 与现场i o 装置或其它外部设备之间的连接部件。将外部输入信号 变换成c p u 能接受的信号，或将c p u 的输出信号变换成需要的控制信号去驱动控制对 象，以确保整个系统正常工作。 编程器 编程器适用于用户程序的编制、编辑、调试检查和监视，还可以通过其键盘去调用 和显示p l c 的一些内部状态和系统参数。它通过通讯端口与c p u 联系，完成人机对话 连接。 外部设备 一般p l c 都配有盒式录音机、打印机、e p r o m 写入器、高分辨率屏幕彩色图形监 控系统等外部设备【l o l 。 ( 2 ) p l c 的工作原理 p l c 采用了一种不同于一般计算机的运行方式即扫描方式。 其工作过程是：当p l c 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、 用户程序执行和输出刷新三个阶段，如图2 2 所示。完成上述三个阶段称作一个扫描周 期。在整个运行期间，p l c 的c p u 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段【n j 。 l第n 个扫描周期 。 扫描周期 7 1 扫描周j 输出删新 7 1 用户程序执行 71 输出采样 个 图2 2 p l c 的工作过程 输入采样阶段 在输入采样阶段，p l c 以扫描方式依次读入所有输入状态和数据，并将它们存入f o 映象区中的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两 个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，i o 映象区中相应单元的状态和数据也不会 改变。因此如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保 证在任何情况下，该输入均能被读入。 9 西安科技大学硕士学位论文 用户程序执行阶段。 在用户程序执行阶段，p l c 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序。在扫描每 一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、 先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷 新该连辑线圈在系统r a m 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在i o 映象区 中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序 执行过程中，只有输入点在i o 映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和 软设备在i o 映象区或系统r a m 存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在 上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作 用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周 期才能对排在其上面的程序起作用。 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，p l c 就进入输出刷新阶段。在此期间，c p u 按照i o 映象 区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时 才是p l c 的真正输出。 其扫描周期包括自诊断、通讯等，如图2 3 所示。一个周期等于自诊断、通讯、输 入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间之和。 图2 3 p l c 的扫描周期 2 1 3 西门子s 7 3 0 0 简介 ( 1 ) 概述 西门子s 7 3 0 0 可编程序控制器是模块化小型p l c 系统，各种单独的模块之间可进 行广泛组合以用于扩展，能满足中等性能要求。 s 7 3 0 0 主要组成部分有：导轨、中央处理单元模板、接口模板( i m ) 、信号模板( s m ) 、 1 0 2 相关技术概况 功能模板( f m ) 等。s 7 3 0 0 组成如图2 4 所示。 中 电 央 sssssss 处 源mm m m mm m 理 器 图2 4 s 7 3 0 0 组成 负载电源模块( p s ) ：用于将s i m a t i cs 7 3 0 0 连接到1 2 0 2 3 0 v 交流电源，或 2 4 4 8 6 0 1 1 0 v 直流电源。 中央处理单元( c p u ) ：不同的c p u 有不同的性能，有的c p u 上集成有输n 输出 点，有的c p u 上集成有p r o p i b u s d p 通讯接口等。 信号模块( s m ) ：用于数字量和模拟量输入输出。 通讯处理器( c p ) ：用于连接网络和点对点连接 功能模块( f m ) ：用于高速计数，定位操作( 开环或闭环定位) 和闭环控制。 接口模块( i m ) ：用于多机架配置时连接主机架( c r ) 和扩展机架( e r ) 。s 7 3 0 0 通过分布式的主机架( c r ) 和3 个扩展机架( e r ) ，可以操作多达3 2 个模块。运行时 无需风扇。 ( 2 ) s 7 3 0 0 的类型标准型 温度范围从0 c 到6 0 c 1 1 2 1 。 环境条件扩展型：温度范围从2 5 到+ 6 0 更强的耐受振动和污染特性【1 2 】。 ( 3 ) s 7 3 0 0 的功能【1 2 1 s i m a t i cs 7 3 0 0 的大量功能支持和帮助用户进行编程、启动和维护。 高速的指令处理：0 6 - - , 0 1 s 的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开 辟了全新的应用领域。 浮点数运算：用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算。 方便用户的参数赋值：一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进行参数赋 值，这样就节省了入门和培训的费用。 人机界面( h m i ) ：方便的人机界面服务已经集成在s 7 3 0 0 操作系统内。因此人 机对话的编程要求大大减少。s i m a t i c 人机界面( h m i ) 从s 7 3 0 0 中取得数据，s 7 3 0 0 按用户指定的刷新速度传送这些数据。s 7 3 0 0 操作系统自动地处理数据的传送。 诊断功能：c p u 的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和 特殊系统事件( 例如：超时，模块更换，等等) 。 口令保护：多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允 西安科技大学硕士学位论文 许的复制和修改。 操作方式选择开关：操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就 不能改变操作方式。这样就防止非法删除或改写用户程序【1 5 1 。 ( 4 ) s 7 3 0 0 的通讯 方便用户的s t e p 7 的用户界面提供了通讯组态功能，这使得组态非常容易、简单。 s i cs 7 3 0 0 具有多种不同的通讯接口： 多种通讯处理器用来连接a s i 接口、和工业以太网总线系统。 串行通讯处理器用来连接点到点的通讯系统。 多点接口( m p i ) 集成在c p u 中，用于同时连接编程器、p c 机、人机界面系统 及其他s i m a t i c $ 7 m 7 c 7 等自动化控制系统。 c p u 支持下列通讯类型： 过程通讯 通过总线( a s i 或p r o f i b u s ) 对i o 模块周期寻址( 过程映象交换) 数据通讯 在自动控制系统之间或人机界面( h m i ) 和几个自动控制系统之间，数据通讯会周 期地进行或被用户程序或功能块调用【l 5 1 。 ( 5 ) p l c 的编程语言 p l c 与微机一样，是以指令程序的形式进行工作的，各种型号的p l c 一般均以梯 形图语言为主，同时也兼顾一些其它形式的编程语言。 梯形图( l a d ) 梯形图是一种图形编程语言，是面向控制过程的一种“自然语言”，它延用继电器的 触点、线圈、串并联等术语和图形符号，同时也增加了一些继电器控制系统中没有的特 殊符号，以便扩充p l c 的控制功能。梯形图语言比较形象、直观，对于熟悉继电器表 达方式的电气技术人员来说，不需要学习更深的计算机知识，极易被接受，因此在p l c 编程语言中应用最多。 指令语句表( s t l ) 指令语句用助记符来表达p l c 的各种控制功能，一般与梯形图语言一一对应。它 类似于计算机的汇编语言，但比汇编语言通俗易懂，因此也是应用很广泛的一种编程语 言。指令语句通常由地址、操作码和操作数( 器件编号) 三部分组成。这种编程语言可 使用简易编程器编程，编程设备简单、逻辑紧凑，连接范围不受限制，但比较抽象，一 般与梯形图语言配合使用，互为补充。 逻辑功能图( f b d ) 这种编程语言基本上延用了半导体逻辑电路的逻辑方块图形式。对于每一种功能都 使用一个运算方块，其运算功能由方块内的符号确定。常用“与”、“或”、“非”等逻辑功 1 2 2 相关技术概况 宣i i 暑暑暑i i 皇皇葺暑i i 宣i i i i i i i 暑暑i i i i i i i 宣i 置宣审宣i i 宣葺暑暑置暑暑置i i 宣i 皇昌暑暑暑暑宣暑宣言i 昌i 宣i 宣i i li 宣宣宣宣宣宣宣暑宣暑宣昌宣皇 能表达控制逻辑。采用这种编程语言对于熟悉逻辑电路和只有逻辑代数基础的技术人员 来说，是非常方便的。 2 2 交流变频调速系统 在工业中所使用的大部分电机为感应式交流电机，感应式交流电机的旋转速度近似 地取决于电机的极数和频率。电机的极数是固定不变的( 为2 的倍数，例如极数为2 ，4 ， 6 ) ，不是一个连续的数值，所以一般不适合通过改变电机的极数来调整电机的速度。变 频调速是通过改变电动机供电电源频率进行调速的一种方法，频率在电机的外面调节后 再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。近年来，随着电力电子技术、 微电子技术、电动机和控制理论的飞速发展，交流电动机调速系统有了很大的提高，变 频调速技术已经趋于成熟，用晶闸管或全控型器件组成逆变器，容量从几十瓦到几十千 瓦的异步电动机变频调速系统大量投入到工业、商业等领域中应用。因此，以控制频率 为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。 2 2 1 变频调速的原理 当在三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压时，便产生一个旋转磁场，其 速度由定子电压的频率所决定。当磁场旋转时，位于该磁场中的转子绕组将切割磁力线， 并在转子绕组中产生相应的感应电动势和感应电流，而此感应电流又将受到旋转磁场的 作用而产生电磁力，电磁力对转轴形成电磁转矩，使转子跟随旋转磁场旋转。当将三相 异步电动机绕组的任意两相进行交换时，所产生的旋转磁场的方向将发生改变，电动机 的转向也随之发生改变【1 4 1 。 ( 1 ) 异步电动机的转速 异步电动机定子磁场的转速被称为异步电动机的同步转速，由电动机的磁极对数和 电源频率所决定： ：6 0 f , ( 一z 1 ) ，厶= 一 k 1 ， ” p 式中： ：电动机的同步转速 石：供电电源频率( h z ) p ： 电动机定子磁极对数 由于异步电动机的转速总是小于其同步转速，所以异步电机的实际转速可由下式给 出： 式中 6 0 f ( 1 - s ) 刀= 一 p 1 3 ( 2 2 ) 西安科技大学硕士学位论文 n ：电动机实际转速 8 ：转差率 由式( 2 2 ) 可知，改变参数石、s 中的任意一个就可以改变电动机的转速，就可对异 步电动机进行调速控制。当频率f 在o 5 0 h z 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常 宽，因此，可以通过改变该电源的频率来实现对异步电动机的调速控制。从某种意义上 说，变频器就是一个可以任意改变频率的交流电源【1 5 j ( 2 ) 变频调速的原理 电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通量。m 为额定值不变。磁通太 弱，没有充分利用电机的磁通，是一种浪费；若要增大磁通，又会使磁通饱和，从而导 致过大励磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。对于直流电机来说，励磁系统是 独立的，所以只要对电枢反应的补偿合适，保持f m 不变是很容易做到的。在交流异步 电机中，磁通是定子和转子合成产生的。 三相异步电机定子每相电动势的有效值 乓：= 4 4 4 f , n , 峨l 屯 ( 2 3 ) 式中 e ：气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为v 行：定子频率，单位h z ： m ：定子每相绕组串联匝数； k 。：基波绕组系数； e ： 每极气隙磁通量，单位为w b 由公式( 2 3 ) 可知，只要控制好e g 和f 便可以控制磁通不变f m 。调速时，需要考虑 基频( 额定频率) 以下和基频以上两种情况。 ( 1 ) 基频以下调速 采用恒定的电动势。由式( 2 3 ) 可知，要保持f m 不变，但频率从额定值不向下调 节时，必须同时降低e g o 然而绕组中的感应电动势是难以控制的，当电动势较高时，可 以忽略定子绕组漏磁阻抗压降，认为定子相电压= e ，则得每= 常数。 。 低频时，和如都较小，定子阻抗压降所占的份量都比较显著，不能忽略。这时， 可以人为的把电压抬高一些，以便近似的补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比 控制特性为b 线，无补偿的为a 线。如图2 5 所示。 ( 2 ) 基频以上调速 在基频以上调速时，频率可以从z 往上增高，但电压磁通与频率成反比的降低， 相当于直流电机弱磁升速的情况。 把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得到异步电动机的变频调速控制特性， 1 4 2 相关技术概况 如图2 6 所示。如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，则电动机都能在温升容许的 条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。在基频以下，属于“恒转矩调速”，而在 基频以上，基本上属于“恒功率调速【1 6 1 。 2 2 2 变频器 u i ( 定子相电) u i n 图2 5 恒压频比控制特性 图2 6 异步电动机变频调速控制特性 变频调速器也称变频器，全称为变频变压调速器v w f i ( v a r i a b l ev o l t a g e & v a r i a b l e r f r e q u e n c yi n v e t r e r ) ，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1 1 6 1 。它采用大功率晶体管g t r 作为功率元件，以单片机为核心进行控制， 采用s p w m 正弦脉宽调制方式，是电力电子与计算机控制相结合的机电一体化产品。 ( 1 ) 变频器的结构1 1 变频器是把工频电源( 5 0 h z 或6 0 h z ) 变换成各种频率的交流电源，以实现电机的 变速运行的设备，变频器结构如图2 7 所示图中控制电路完成对主电路的控制，整流电 路将交流电变换成直流电，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 1 5 西安科技大学硕士学位论文 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c p u 以及一些相应的电路。【1 8 】 图2 7 变频器结构图 整流器 整流器与单相或三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。 中间电路 中间电路有以下三种作用： 第一：使脉动的直流电压变得稳定和平滑，供变频器使用。 第二：通过开关电源为各个控制电路供电。 第三：可以配置滤波或制动装置，以提高变频器性能。 逆变器 将固定的直流电压变换成可变电压或频率的交流电压。 控制电路 将信号传送给整流器、中间电路和逆变器，同时也接受来自这些设备的信号。其主 要组成部分是：输出驱动电路、操作控制电路。主要功能是： 第一：利用信号来开关逆变器的半导体器件。 第二：提供操作变频器的各种控制信号。 第三：监视变频器的工作状态，提供保护功能。 ( 2 ) 变频器的控制方式 低压通用变频器输出电压为3 8 0 - 6 5 0 v ，输出功率为0 7 5 - 4 0 0 k w ，工作频率为0 4 0 0 h z ，它的主电路都采用交一直一交电路，控制方式经历了以下四代i l 卅： u f = c 的正弦脉宽调制( s p w m ) 控制方式 特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的 平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由 于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外， 其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且 1 6 2 相关技术概况 系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高， 低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研 究出矢量控制变频调速。 电压空间矢量( s v p w m ) 控制方式 它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为 目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后 又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除 低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制 电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。 矢量控( v c ) 方式 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流i a ，i b ，i c ， 通过三相一二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流i a l ，i b l ，再通过按转子磁 场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流i m l ，i t l ( i m l 相当于直流电动 机的励磁电流；i t l 相当于与转矩成正比的电枢电流) ，然后模仿直流电动机的控制方法， 求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质 是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控 制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或 解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链 难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所 用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。 直接转矩控制( d t c ) 方式 直接转矩控制方式是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机 的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中 的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解祸而简化交流电动机 的数学模型。 矩阵式交交控制方式 v v v f 变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交一直一交变频中的一种。其 共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不 能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交一交变频应运而生。由于矩阵 式交一交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现 功率因数为l ，输入电流为正弦且能四象限运行。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着 众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被 控制量来实现。 ( 3 ) 变频器的控制算法 1 7 西安科技大学硕士学位论文 随着电力半导体器件和微型计算机控制技术的迅速发展，促进了电力变频技术新的 突破性发展，7 0 年代后期发展起来的脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 技术 成了现在最常用的变频器功率开关器件的控制策略。p w m 控制利用了采样控制理论中 的一个重要结论。冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相 同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果相同，指环节的输出响应波形基本相同。 根据这个原理，可以用一系列等幅而不等宽的脉冲来近似正弦波，且脉冲的宽度按正弦 规律变化，这种方法称为s p w m ( s i n u s o i d a l p w m ) 。s p w m 各脉冲的宽度和间隔可以 准确计算出来，按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的 s p w m 波形。但这种计算很繁琐，较为常用的方法是采用调制的方法。 正弦波脉宽调制原理：正弦波脉宽调制分为单极性和双极性脉宽调制，它使每一输 出矩形脉冲的面积与对应的正弦波电压面积成正比，如图2 8 1 1 9 1 所示。 晰删? 。一。 必州。_ 图2 8 正弦波脉宽调制波形【”】 把正弦基波作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制即可得 到$ p w m 波形。通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度线性 关系，且左右对称，当它与正弦波调制信号相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件 的通断，就可以得到宽度正比于正弦波幅值的脉冲，这正好符合s p w m 控制的要求。 这正好符合s p w m 的控制的要求。 正弦基波电压峰值为，频率为z 。三角载波电压峰值为频率为石 tt，f， 则幅值比m = u 吖， 频率比n = 以 u 撇js 幅值比称为调制比，频率比称为载波比。用生成的s p w m 波控制逆变器开关器件 的通断，可得到等幅且脉冲宽度按正弦规律变化的矩形脉冲列输出电压。正弦调制波的 频率f s 即是逆变器的输出频率f ，改变f s 便可改变f o 三角载波的幅值为恒定，因而改 变正弦调制波的幅值就改变了矩形脉冲的面积，由此实现输出电压幅值的改变。通用变 频器对负载的输出波形都采用双极性脉宽调制波形( s p w m ) ，这种波形不仅可以大幅 度提高变频器的效率，还使变频器输出区别于正常正弦波，产生许多特殊作用【1 4 】。 1 8 2 相关技术概况 2 2 3 三菱f r - a 5 4 0 系列变频器 三菱f r - a 5 4 0 变频器的功率范围：0 4 3 1 5 k w ( 3 相3 8 0 v ) ，采用先进磁通矢量控 制方式，实现在线自动调整功能。随机附带一个简易操作面板( f r - d u 0 4 )，也可使 用选件f r - p u 0 4 ( l c d 显示带菜单功能) 。可拆卸式的风扇和接线端子，使维护更为 方便。超低噪音运行( 采用柔性p w m 方式) 。内置r s - 4 8 5 ，也可通过插卡实现c c - l i n k ， d e v i c e n e tt m ，p r o f i b u sd p 和m o d b u sp l u s 联网。操作简单，有参数拷贝功能：参数组 自选功能，用户可自己选择读写的参数组。内置p i d 控制、工频切换顺序、停电减速停 止控制等新功能。这类产品功能很强，性价比高；具有高可靠性。 ( 1 ) 三菱f r - a 5 4 0 系列变频器具有以下的功能特点【2 0 】 用磁通矢量控制技术。在无速度传感器的开环控制下调速范围为l ：1 2 0 ；采用速 度传感器的闭环控制下，调速范围为1 ：1 0 0 0 。低速旋转时转矩均匀。 用s p w m 原理和智能功率模块( i p m ) ，使变频器输出功率更好，噪声更低，抗 干扰性能更强。 停电时减速停止功能，内置p i d 控制功能，变频i 频切换功能和顺序控制功能。 符合国际标准的现场总线通信功能。 具有过电流、过载、过电压、欠电压、接地过电流、输出短路、失速防止等保护。 风扇端子和控制端子的安装与维修简便。 附设累计功率监视及累计运行时间监视功能【l 川。 ( 2 ) 三菱f r - a 5 4 0 系列变频器的技术特性 表2 1f r - a 5 4 0 变频器技术参数0 2 0 l 变频调速技术是近十几年来迅速发展起来的比以往任何调速方法更加优越的新技 术，具有节能效果明显、调速曲线平滑、调速过程简单、安全可靠、保护功能齐全、起 动性能优越、自动化程度高等特点，被应用到工业生产控制过程中的任何场合，显著的 节能效果也给众多的企业带来了巨大的经济效益，特别是近几年来随着i g b t 功率元件 1 9 西安科技大学硕士学位论文 和d s p 微处理系统在变频器中的应用，变频器本身己非常成熟，使得变频调速技术的 优越性更加突出，传动效率越来越高，使用越来越方便，可靠性也得到了进一步的提高。 变频器已形成了与电机相配合的不同功率、不同用途的系列化产品，具有多种速度切换、 加减速时间的外部设定、v f 曲线设定、转距升高调整、输出频率上、下限幅、频率跳 跃等功能；具有各种接口，能与计算机、可编程序控制器及自动化仪表联机，并具有远 程控制的功能。目前产品已经广泛地应用于石油、石化、钢铁、冶金、矿山、机械、纺 织、建筑、造纸等行业。 2 3 组态软件技术 组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的。2 0 世纪5 0 年代虽然计算机 开始涉足工业过程控制，但由于计算机技术人员缺乏工厂仪表和工业过程的知识，导致 计算机工业过程系统在各行业的推广速度比较缓慢。2 0 世纪7 0 年代初，微处理器的出 现，促进了计算机控制技术走向成熟。首先，微处理器在提高计算能力的基础上，大大 降低了计算机的硬件成本，缩小了计算机的体积，很多从事控制仪表和原来一直就从事 工业控制计算机的公司先后推出了新型控制系统。在随后的2 0 年中，d c s 及计算机控 制技术日趋成熟，并得到了广泛