电气传动控制系统

电气传动控制系统 1 内容摘要内容摘要 随着自动化技术的飞速发展 电气传动控制系统也日新月异 电气传动控 制系统的概念从出现以来 电气传动控制系统又有了新的发展 电气传动控制系 统是近年来引起人们很大兴趣的一个领域 它的研究目标是用机器 通常为传动 控制系统 电脑等 尽可能地代替人的体力活动 并且争取在这些方面最终改善 并超出人的能力 其研究领域及应用范围十分广泛 例如 自动控制 人工智能 PLC 控制系统 智能机器人等等 电气传动控制系统的研究是通过他的原理及其 应用而为人类社会的进步作出贡献 关键词关键词 传动控制 自动控制 PLC 控制 智能控制 信息化 电气传动 数 字控制 电气传动控制系统 2 目录 内容摘要 2 前言 4 1 电气传动控制系统的研究与应用 6 1 1 电气传动自动控制系统优化设计方法研究概述 6 1 2 信息化时代的电气传动技术 8 1 3 交流传动在我国的应用和展望 12 2 电气传动控制与 PLC 控制系统的应用 14 2 1 利用 PLC 控制的自动配料系统 14 2 3 PLC 控制系统与智能化中央空调 19 3 电气传动控制系统在具体实际生活的应用 23 3 1 人工智能在电气传动中运用的进展 23 3 1 起重机电气传动的设计 24 3 2 电梯传动控制系统 27 4 电气传动控制系统的结论 32 5 参考文献 33 电气传动控制系统 3 前前 言言 电气传动控制系统通常由电动机 控制装置和信息装置 3 部分组成 电气传 动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态 位置 速度 加速 度等 实现电能 机械能的转换 达到优质 高产 低耗的目的 电气传动分成 不调速和调速两大类 调速又分交流调速和直流调速两种方式 不调速电动机直 接由电网供电 但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多地改 用调速传动以节约电能 节约 15 20 或更多 改善产品质量 提高产量 在 我国 60 的发电量是通过电动机消耗掉的 因此调速传动是一个重要行业 一直 得到国家重视 目前已有一定规模 近年来交流调速中最活跃 发展最快的就是变频调速技术 变频调速是交流 调速的基础和主干内容 上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易 从而造 就了一个庞大的电力行业 长期以来 交流电的频率一直是固定的 变频调速技 术的出现使频率变为可以充分利用的资源 我国电气传动产业始建于 1954 年 当时第一批该专业范围内的学生从各大 专院校毕业 同时在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公司 这就 是后来的天津电气传动设计研究所的前身 我国电气传动与变频调速技术的发展 简史见表 1 现在我国已有 200 家左右的公司 工厂和研究所从事变频调速技术 的工作 当前世界上正处于信息化的时代 而我国工业化尚未完成 以信息化带动工 业化是我们的重要任务 电气传动是工业化的重要基础 正如人体 信息技术好 比大脑和神经 生产机械好比四肢 电气传动则是牵动四肢运动的肌肉与骨骼 大脑再聪明 如果肌肉与骨骼不灵 人体也只能瘫痪 当然电气传动也要适合信 息化时代的需要而发展 信息化时代的电气传动技术包含三方面的主要内容 1 数字控制和数据通信成为电气传动控制的主要手段 2 电力电子变换器 是信息流与物质 能量流之间必需的接口 3 可控交流电气传动逐步取代直流传 动已经成为不争的事实 电气传动控制系统 4 1 电气传动控制系统 1 1 电气传动自动控制系统优化设计方法研究概述 电气传动系统又称电力拖动系统 是以电动机作为原动机的机械系统的总称 其 目的是为了通过对电动机合理的控制 实现生产机械的起动 停止 速度 位置调 节以及各种生产工艺的要求 随着技术的进步及社会对环保 节能要求的日渐 严格 电气传动系统在社会各方面的使用越来越广泛 如何优化 设计电气传动 系统 以实现更低廉的成本 更好的性能就具有十分重要的意义 近年来许多 新理论新策略应用于电气传动系统中 并获得了良好的效果 但对大部分系统而 言 其基本的闭环控制结构 利用调节器对控制对象进行校正以使系统符合要求 的方法基本未变 所以 我国电气传动系统设计领域的权威专家陈伯时教授总结 出的调节器的 工程设计方法 目前在实际设计中仍然是主流设计方法 如何 设计出优秀的调节器依然是电气传动系统优化设计的主要内容 因此借鉴了 工程设计方法 的基本思想 以电气传动系统的优化设计为目的 在现有的调 节器 工程设计方法 基础上 采用其采用少量典型系统 分步设计的基本设计 思路 以系统闭环幅频特性峰值 调节时间最小为最优化原则 分别针对典型 型系统研究出一套更能满足实际工程需要的设计方法 并总结出了 便于设计者使用的参数 性能指标值计算公式及图表 针对交流电机矢量控制 系统鲁棒性差的问题则进行了研究并提出了优化方案 利用 MATLAB 编程和 SIMULINK 仿真对所设计的系统进行验证 结果表明针对典型 型系统的设计 方法所设计出的系统性能指标及设计灵活性均好于 工程设计方法 针对典型 型系统的设计方法则是 工程设计方法 所未涉及而又实际需要的 故填补了 工程设计方法 的空白 在交流电机矢量控制系统中引入复合磁链观测器及双 层模糊控制器后 系统的鲁棒性及性能得到了提高 1 2 信息化时代的电气传动技术 当前世界上正处于信息化的时代 而我国工业化尚未完成 以信息化带动 工业化是我们的重要任务 电气传动是工业化的重要基础 正如人体 信息技 术好比大脑和神经 生产机械好比四肢 电气传动则是牵动四肢运动的肌肉与 骨骼 大脑再聪明 如果肌肉与骨骼不灵 人体也只能瘫痪 当然电气传动也 电气传动控制系统 5 要适合信息化时代的需要而发展 信息化时代的电气传动技术包含三方面的主 要内容 1 数字控制和数据通信成为电气传动控制的主要手段 2 电力电 子变换器是信息流与物质 能量流之间必需的接口 3 可控交流电气传动逐步 取代直流传动已经成为不争的事实 当前 世界这艘航船正行驶在信息化的海洋中 信息技术已成为推动 生产力发展的重要动力 我国在生产力特别是科学技术方面总体上虽然还比较 落后 但在党中央的英明领导下 正迎头赶上信息化的浪潮 信息产业及其应 用正在蓬勃发展 成为覆盖现代化建设全局的战略举措 然而 许多先进的工 业国家是在完成了工业化的历史任务后向信息化的时代迈进的 他们开发信息 产业具有雄厚的基础 而我国还是以农业为主的国家 根据去年第 5 次人口普 查的统计 乡村人口还占总人口的 63 91 我国的工业化尚未完成 基础工业还 比较薄弱 所以必须在发展信息化的同时 特别强调 以信息化带动工业化 才 能 发挥后发优势 实现社会生产力的跨越式发展 中共中央十五届五中全会 公报 所谓电气传动 是指用电动机把电能转换成机械能 去带动各种类型的生 产机械 交通车辆以及生活中需要运动的物品 自从人类发明并掌握各种机械 帮助自己劳动以来 就需要有推动机械的原动力 除人力本身外 最初使用的 是畜力 水力和风力 后来又发明了蒸汽机 柴油机 汽油机 19 世纪才发明 电动机 由于 1 电机的效率高 运转比较经济 2 电能的传输和分配比较 方便 3 电能容易控制 因此现在电气传动已经成为绝大部分机械的传动方 式 成为工业化的重要基础 在信息化浪潮中 信息技术带动着先进生产力的发展 这是无可争辩的事 实 因此 人们多热中于通信 计算机以及软件等行业 电气传动技术多少有 些受到冷淡 但必须注意的是 电气传动是工业化的重要基础 信息本身并不 能直接让机器转动 信息技术必须通过电气传动才能带动工业化 正如在人体 中 信息技术好比是大脑和神经 生产机械好比是四肢 电气传动则是牵动四 肢运动的肌肉与骨骼 大脑再聪明 如果肌肉和骨骼不灵 人体也只能是瘫痪 的 当然 电气传动技术也必须在信息技术的推动下 适应信息化时代的需要 而向前发展 才能真正成为以信息化带动工业化的关键环节 1 数字控制和数据通信成为电气传动控制的主要手段 最早的自动控制手段是机械控制 后来逐步让位于电气控制和电子控制 电气传动控制系统 6 近代的电气传动控制手段几乎都是电子控制 常用的电子控制方法有两种 模 拟控制和数字控制 自 20 世纪 70 年代以来 体积小 耗电少 成本低 速度 快 功能强 可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化 把电子控制推 上了一个崭新的阶段 以微处理器为核心的数字控制 简称微机数字控制 成 为现代电气传动系统控制器的主要形式 目前 常用的微处理器有 单片机 SCP 数字信号处理器 DSP 精简指令集计算机 RISC 和包含微处理器的高 级专用集成电路 ASIC 由于计算机除一般的计算功能外 还具有逻辑判断和数值运算的能力 因此 数字控制和模拟控制相比有两个突出的优点 1 数字控制器能够实现模拟控 制无法实现的各种比较复杂的控制策略 2 数字控制系统能够完成故障的自 诊断 提高诊断过程的智能化 2 电力电子变换器是信息流与物质 能量流之间必需的接口 电力电子技术是信息流与物质 能量流之间的重要纽带 如果没有电力电子 变换 没有弱电控制强电的接口 则信息始终就是信息 不可能真正用来控制 物质生产 现在 电力电子技术的发展正处于壮年期 新的电力电子器件和变 换技术仍在不断涌现出来 电力电子器件的发展已经经历过三个平台 1 晶闸管 SCR 2 GTR 和 GTO 3 IGBT 目前 市场上能够广泛供应的 IGBT 其电压和电流容量有限 一般只够中 小容量的低压电气传动使用 容量再大时 还得采用 GTO 而 GTO 的可靠性总是不能令人满意的 于是世界上很多电力电子企业和研究所都在努 力开发新型的高压功率开关器件 已经问世的有 IGCT IEGT 以及 3300 6000V 的 IGBT 等 可供中压 大容量电气传动使用 电力电子器件的进一步发展方向是 模块化和集成化 高频化 改善封装 采用新材料 如 SiC 等 在电力电子变换器中 用于控制直流电机的主要是由全控器件组成的斩波 器或 PWM 变换器 以及晶闸管相控整流器 用于控制交流电机的主要是变压变 频器 其中中 小容量的多为 PWM 变换器 常用的交流 PWM 控制技术有 1 基于正弦波对三角波脉宽调制的 SPWM 控制 2 基于消除指定次数谐波的 HEPWM 控制 3 基于电流滞环跟踪的 CHPWM 控制 4 电压空间矢量控制 SVPWM 控制 或称磁链轨迹跟踪控制 在以上 4 种 PWM 变换器中 前两种是以输出电压接近正弦波为控制目标的 电气传动控制系统 7 第 3 种以输出正弦波电流为控制目标 第 4 种则以被控电机的旋转磁场接近圆 形为控制目标 显然第 4 种的效果最好 而且是直接控制功率器件的开关状态 算法简单 故应用最广 随着电力电子变换器的日益普及 谐波和无功电流给供电电网造成的 电力 公害 越来越值得重视 解决这个问题的办法有二 1 采用有源滤波和无功补 偿装置 2 开发 绿色 电力电子变换器 后者要求功率因数可控 各次谐波分 量小于国际和国家标准允许的限度 显然这是一种治本的办法 目前已经应用的绿色变换器有 双 PWM 交 直 交变换器 多单元串联的中 压变换器 多电平中压变换器等 受到普遍重视还在开发的有 交 交矩阵式变 换器 它具有输入电流和输出电压都接近正弦波 能量传输可逆 可省去直流 滤波电容等优点 但主电路略嫌复杂 如果能成功地开发出双向 IGBT 模块 则 结构可大为简化 3 可控交流电气传动逐步取代直流传动已经成为不争的事实 直流电气传动和交流电气传动在 19 世纪先后诞生 在 20 世纪大部分年代 里 鉴于直流传动具有优越的可控性能 高性能可调速传动一般都用直流电机 而约占电气传动总容量 80 的不变速传动则采用交流电机 这种分工在当时已成 为举世公认的格局 直到 20 世纪 70 年代 由于采用电力电子变换器的高效交 流变频传动开发成功 结构简单 成本低廉 工作可靠 维护方便 效率高 转动惯量小的交流笼型电机进入了可调速领域 一直被认为天经地义的交直流 传动按调速分工的格局终于被打破了 此后 交流调速传动主要沿着下述三个 方向发展和应用 1 一般性能的节能调速和工艺调速 2 高性能交流调速 系统 3 特大容量 极高转速的交流传动 交流电机主要分异步电机和同步电机两大类 异步电机调速传动种类繁多 以其转差功率的去向来区分有三大类 1 转差功率消耗型调速 如降电压 调速 绕线电机转子串电阻调速 2 转差功率回馈型调速 如绕线电机串 级调速 内馈斩波调速 双馈调速 3 转差功率不变型调速 如变压变频 调速 变极对数调速 各种调速方法各有其用途 目前应用最普遍的是笼型转 子电机变压变频调速 同步电机没有转差功率 故其调速只能是转差功率不变 恒等于 0 型的 只能靠变压变频调速 开关磁阻电机是一种特殊型式的同步 电机 有其独特的比较简单的调速方法 电气传动控制系统 8 1 3 交流传动在我国的应用和展望 一 我国变频技术应用现状 国内变频调速技术经过十多年的应用推广 得到了飞速发展 变频器己广泛应 用于国民经济的各个行业 促进了节能改造 极大地提高了我国工业电气传动 水平 但推进的力度 还不够 变频器应有的潜能还远没有充分发挥出来 1997 年统计全国需进行调速改造的变频器市 场大约有 1500 亿元人民币 不 包括后来新增的需调速设备 但到 2001 年 改造不到 10 包括高效节能电 机的使用在内 距离国家 电机系统节能计划 投资 500 亿元进行发展 的 要求相距甚远 这里有我国电网结构问题 耗能大 浪费多的电机设备多集中在 大型企业 主要是那些高压电风机与水泵上 据有关资料统计报道 我国风机 水泵 空气压缩机总数 大约 4200 万台 装机容量约 1 1 亿万千瓦 然而实 际情况大多是大马拉小车 无论轻载重 载都以一种恒速的方式运行 实际工作 效率只有 60 40 损耗电能占总发电量的 40 多数 情况 设备不能跟随工 作状况的变化及时调整运行设备的速度 造成电能浪费 生产成本提高 效益 降低 甚至造成环境污染 其原因包括技术 电网 资金和认识等问题 变频调速技术的应用和推广 在工业生产中无非是解决两大问题 一是节能 二 是改善生产过程 与此相对应的更多的是低压供电变频器的需求 除去低压供电 的小功率风机泵类以外 还有许多行业要求变频器不仅具有很好的速度控制精度 还要有快速的 精确的力矩控制性能 比如金属加工行业中的带材轧制过程 线 材轧机 拉丝机械 铣面 纵剪 复合加工 连铸连轧 酸洗 矫直 剪切等等 这些工艺过常常要求多台电机之间要有精确的速度配合 或是要求力矩能快速的 跟随负载的变化而变化 这些特性同时也是造纸行业 纺织印染行业 化纤行业 橡塑行业 印刷 包装 胶片制备和涂布等等行业所需要的 上述各类加工过程 其产品的质量和产量除和加工机械有关外 还依赖于电气传 电气传动控制系统 9 动设备以及电气系统的构成水平 还有一些对控制要求特殊的应用 比如提升机应用 提升机广泛的用于沿海沿江 的港口码头 集装箱集散地 工矿企业 电站航天造船等大型设备的安装场合 他不仅要有精确的速度控制特性 还要有极好的力矩控制特性 力矩控制的精确 度和响应快慢是衡量电气传动技术的重要指标 因为这一类纯位势负载的特性是 被提升物一旦离开地面便没有了依托 物体在悬空状态下的升降或停住完全靠电 气传动进行控制 起安全保护作用的抱闸的开闭必须精确控制 且传动必须能记 忆提升力矩 以配合抱闸的开闭实现无跳变的速度控制过程 避免溜车造成的损 害 有与此类似要求的应用场合还有电梯 立体仓库的物料运输机 高炉的卷扬 机等设备 满足这类应用场合要求的传动设备就不是简单的通用变频器能完成的 了 除要求电气设备的硬件有过硬的可靠性外 还要有特殊的专用软件 专门适 合这类负载的全部控制需要 提升过程中的速度力矩控制要求 力矩记忆 抱闸 控制 全程的速度力矩跟踪 校验 监视 岸机的稳定性监视和限制 在这类应 用中 ABB 公司具有标准的产品系列和专用软件 在世界各国的海港 集装箱码 头 应用极其普遍 小容量的应用场合也有其他品牌在使用 比如安川公司的产 品 特殊应用中的另一大类是张力控制 张力控制的只要应用对象是卷取机 卷取机是卷取各种成品或半成品的生产机械 设备 一般都是处于生产线最后一道工序 卷取设备的机械和电气性能 直 接影响着成品或半成品的质量 因之是关键性设备之一 同时卷取的过程还 与前几道工序之间 有密切的联系 例如速度的同步性 速度的精度 速度的 稳定性等 而卷取的工艺过程又有它的特殊性 为此无论机械设备 电气控 制 传动系统等都是比较复杂的 卷取的失误 在最后一道工序中产生废品 肯定会造成前功尽弃的局面 所以他也是关键性设备 卷取设备投资较贵的是 电气传动控制系统 10 电气传动控制系统 他必须结合被卷取的物料特性 厚薄程度 物料强度 延伸率弹性变形量 物料的允许公差 卷取物料的直径变动量 重量 卷取速 度等诸多因素综合考虑 对不同行业 不同物料的卷取有各种不同的控制方法和 于段 既要保证卷取的质量又要尽可能减少设备的投资 二 交流变频调速器的类型 采用变频的方法 作为交流异步机的供电电源 实现对电机的转速控制 达到节 能或改善工艺的目的 大约已有 40 年的历史了 随着电力电子技术和微电子技 术的展 变频器的理论和产品水平也在飞快的发展 从 60 年代末到 90 年代 变 频器的控制方法经历了几次大的发展变化 大概经历了三个阶段 每一个阶段 技术上都有一个突破性的进展 推出一个更先进的控制原理 每一类都有很大的 应用市场 延续至今 形成三类控制原理并存的局面 第一类是 70 年代以恒压频比控制方式为理论基础的变频调速 它可以做成转速 开环变频调速方式 也可以做成转速闭环调速方式 转速开环变频调速系统在恒 压频比控制的基础上 为了改善电机的低速力矩特性 增加了变频器低频段的电 压补偿的协调控制 为了改善电机的速度特性的硬度 增加了转差补偿控制 虽然其结构简单 成本较低 但调速系统静 动态性能不高 为了改善性能 继开环系统的基础上 软件里加入了 PI 型转速调节器 力图使转速无静差 改善稳态性能 在动态过程中 转速调节器饱和 系统能以最大转矩 Tm 加减 速 保证了在允许条件下的快速性 加减速的平滑性 系统也容易稳定 然而 这类基本型转差频率控制是从异步电机稳态等值电路和稳态转矩公式出发的 保持磁通恒定 的结论只在稳态情况下成立 电流调节器只控制了定子 电流的 幅值 并未控制其相位 其动态性与理想的闭环控制指标仍存在一定的差距 这类变频器常用于风机 水泵类节能型调速系统或对速度的动态指标要求不高的 简单机械传动上 电气传动控制系统 11 第二类矢量控制型变频器出现于 80 年代 它是基于 感应电机磁场定向控制原理 和矢量系的 坐标变换 原理 经 过不断改进和完善 形成的一类高性能的矢量控制变频调速系统 其基本思想 是通过矢量变换和磁场定向 实现定子电流转矩分量与励磁分量的解耦 得到 类似直流电机的动态数学模型 然后模拟直流电机进行控制 获得良好的静 动态性能 继而出现的转差型矢量控制 进一步简化系统结构 使之进一步 实用化 虽然理论上采用直接转子磁链定向最为理想 但是由于转子磁链直接检 测相当困难 只能利用转子磁链模型进行磁场定向 而电机运行状态的变化以 及参数的变化势必会影响转子磁链模型的精确性 进而影响系统的静 动态性 能 为了使磁场定向准确且对电机参数变化不敏感 可以通过参数辨识 参数 自适应等方法 提高系统的鲁棒性 由于这类变频器采用了矢量控制技术 依靠计算机的快速数据处理能力 将一个 连续的电流量经过坐标变换分解成无数对离散的 空间上互相垂直的两个电流分 量 按 照磁场和其正交的电流乘积就是转矩这一原理 将定子电流分解成建 立磁场的励磁分量和与磁场正交的产生转矩的转矩分量 然后分别进行各自的 闭环控制 就象直流电动机可以分别对励磁和电枢电流进行控制一样 从而使 得普通的交流电动机得到如同直流电动机的控制规律和动态性能 矢量控制变频 器已广泛的应用到工业领域的各个行业中了 从控制角度看 矢量控制的变换机理需要用测速元件 以测量转子的瞬时状态来 确定转子磁链的位置 从应用角度看 要提高传动系统的控制精度 就需要精确 测量转子的转速 构成速度闭环控制 但速度传感器安装要求高 机械调试工 作量大 由于场地及空间的限制 有些装置不允许安装速度传感器 于是近 些年 许多公司纷纷推出无速度传感器的高性能交流调速系统 它正能弥补这些 不足之处 无速度传感器的初始方法是实时检测定子电压和电流 再依据电机 电气传动控制系统 12 模型对转速直接进行估算 用估算的值作为内部速度反馈量 完成高精度的速 度控制 因此提高转速估算精度是该系统的关键 第三类是采用目前最先进的变 频控制理论 DTC 构成的交流传动 DTC 变频器由 ABB 公司于上世纪 90 年代推出 它的控制思路简单明了 控制性能卓越 几乎达到了交流异步电机调速的完美程 度 很快深入到工业应用的各个领域 它摈弃了大量的矢量控制中坐标系变换的计算 直接以电机的磁场和力矩为目标 进行控制 系统原理简单明确 理论和实践都证明了异步电动机接受了变频器馈入的 SPWM 电压后 在定子绕 组中得到的是连续的正弦电流 且三相正弦电流在三相定子绕组中会产生圆形 的旋转磁场 从而产生恒定的电磁转矩 反过来 如果用跟踪圆形旋转磁场的 方法来控制定子绕组输入端的脉宽调制电压 形成反馈 闭环控制 那么效果 会比输入 SPWM 电压更好 这就是 电压空间矢量控制 思想 亦称 磁 链跟踪控制 DTC 控制着眼于定子侧的磁链为被控对象 极大的简化了矢量控 制中的坐标变换计算 某一时刻的电压空间矢量决定了该时刻的磁链空间矢量 每一个磁链空间矢量都要根据前一个矢量的位置单独计算 由此形成的 PWM 输出 就时时刻刻反映着电机的实际力矩 因为数据从采集到运算完输出 仅经过 25 微妙 所以变频器的力矩可以快速的跟随负载的变化而变化 始终保持转速为给 定值 PWM 脉冲经过优化后在取控制逆变桥 进一步改善了速度控制过程中的指 标 精确的电机模型直接输出电机速度值 作为反馈量 使交流异步机调速系统 也具有象直流机一样的双闭环调节过程 使交流调速达到了目前的最高控制水平 现在各厂商为了适应市场的需求 都在不断完善产品的控制性能和规格容量 其 中 ABB 公司的变频调速产品在控制原理方面涵盖了上面提到的三个类别 有性能 最好的 DTC 控制的 有现在市场大量存在的无传感器磁通矢量控制的 还有恒压 电气传动控制系统 13 频比控制的 他们被分别定义为工业应用级 标准应用级 OEM 应用级和一般机 械配套级 根据不同的系列 功率可以从 0 12KW 大到 2 7MW 电压可以从 220V 三相到 4160V 三相 其性能几乎可以满足当前工业应用中绝大多数的需求 此外 还有一些国外知名品牌 虽然没有 DTC 变频器 但矢量控制型变频器应用 的范围也是很大的 2 电气传动控制与 PLC 控制系统的应用 2 1 利用 PLC 控制的自动配料系统 1 1 基于 PLC 控制的自动配料系统通过在配料系统中引入数据自动采集 监控 以及变频 组态技术 建立以 PLC 为控制核心的自动配料系统 能够实现对配 料成分进行精确计量的同时 为最终产品的生产效率与质量提供了保障 作为精细化工生产过程中最为重要的工业环节 配料工序的效率直接决定了 产品的品质与质量 传统工艺下的配料工序不仅效率低下 且通过人工配料的 操作方式精度极其有限 因而严重制约了最终产品的质量 可编程控制器 PLC 的核心微处理器 通过将计算机技术与传统的继电器控制 系统有机结合起来 能够实现高度灵活 高可靠性的工业控制 为了进一步提 高设备的自动化程度 越来越多的企业将 PLC 技术应用于其工厂设备中 通过 对原有配料系统的技术改造 引入配料系统的数据自动采集 监控以及变频 组态技术完善并改进自动配料系统机构 1 在此基础上 实现了称重 配比 流量控制以及故障检测与报警的自动化 结合友好人机控制界面 在对配料成 分进行精确计量的同时 为最终产品的生产效率与质量提供了保障 1 自动配料系统的主要功能模块及其原理 本文的研究对象将通过采取 PLC 以及变频调速技术 结合组态软件技术对传统 的配料系统进行技术升级 这里 传统的模拟控制方式将被数字处理的方式所 取代 封闭式鼠笼电机由可编程控制器控制变频器进行拖动 2 通过组态软件 电气传动控制系统 14 技术定制系统的控制平台 并控制原辅料经过传送带进入配料系统 1 1 电子皮带秤及其称重原理 在配料系统中 电子皮带秤将通过皮带将系统需要的物料进行称重 并按 照预先设定的比率与流量 将其运送到相应的功能模块 电子电子皮带秤是配 料系统的主要组成部分 不仅能够用于各种规则物体的称重 同时也能够实现 对散装配料的传输与称重 为电子皮带秤的基本结构原理图 由图我们可以看出 物料在其上的传输方 向是自左向右 依次经过落料区 称重去以及出料区 由于皮带自身也存在一 定重量 这样在称重传感器上就会有一个预加载的力 在未加入任何物料的时 候 称重传感器上的预加载以及配重块与皮带作用于称重托辊上的力相互平衡 这样 便形成了电子皮带秤的称重零点 所有的称重任务均是在此基础上进行 的 1 2 流量控制的实现 流量控制就是通过控制在一定时间内经皮带运送的物料总量 其一般计算方式 为流经皮带的物料总量与时间的比值 实际上 电子皮带秤通过脉冲信号来对 物料进行流量的采样 由计算机设定的计数器会定时采样 并测算物料所经过 的距离 通过这一程序 我们可以得到流量的瞬时值 在确定了瞬时流量以及系统对流量的设定值后 根据这两者之间的差额 系统 需要对速度进行适当控制调节 在实际控制中 我们多采用已在工业控制中得 到广泛应用的 PID 算法进行调节控制 PID 控制是指通过比例 微积分的算法控 制来操控流量的控制过程 电气传动自动控制系统优化设计方法研究 2 PLC 的工作原理及其应用 2 1 PLC 的工作原理 PLC 是一种专业用于工业控制的微型计算机系统 与一般的计算机系统类似 PLC 也是由中央存储器 CPU 存储器 电源 输入输出元件 编程器以及外设 电气传动控制系统 15 等部分组成 一般将 PLC 的运行过程大体分为输入采样 用户程序执行以及输 出刷新三个阶段 在 PLC 的运行过程中 其 CPU 会控制系统重复执行由此三阶 段组成的运行周期 在输入的采用阶段 PLC 将所输入状态以及数据通过扫描的 方式一次读取 然后将其存入 I O 映象区中 当进入用户程序的执行阶段后 PLC 将按照一定的顺序依次扫描并读取用户程序 并根据其逻辑运算的结果 对 输入点在 I O 映象区以外的存储数据进行刷新 此后 PLC 进入输出刷新阶段 该阶段里 PLC 会通过 CPU 将 I O 映象区内部对应的状态数据对所有的输出锁存 电路进行刷性 然后通过输出电路驱动相应的外设执行输出结果 3 基于 PLC 控制的配料工艺原理 为了保证系统能正常有序的运行 必须对各执行设备的运行状况进行实时 监测与控制 即系统必须能够在要求的时间内及时作出相应并完成控制模块所 规定的工作 4 因而 配料系统工作的准确运行不仅与 PLC 系统的逻辑信号处 理的正确性相关 同时也有赖于其输出结果的准确性 系统的工艺现场设备包括电子皮带秤体 速度传感器 驱动电动机 传感器 电机的控制变频器 电磁阀以及三菱可编程控制器及其扩展模块等 系统通过 PLC 对关键部位 如电机 电磁阀以及变频器等对象信息进行采集统计 经过系 统输入 处理 输出 将信息通过上级监控机 并对其进行必要的分析与处理 通过输出控制信号控制调频调试系统的工作 完成对系统的监控及对监控对象 的运行控制 将 PLC 输出的数字量信号作为对变频器的控制输入信号 变频器在接收到来自 PLC 信号后根据其内容调整电机转速的大小 并将其工作状态信息通过反馈渠道 传送至 PLC 一旦系统发生故障 则传感器将收集到的故障信息传送到 PLC 及上 级监控系统 由其项变频器发送电机的自我保护功能指令 在精细化工生产过程的重要功能模块 即自动配料系统 此系统以 PLC 为其 控制核心 通过其对皮带电动机以及变频器的控制 能够实现工艺过程的精细 化以及控制过程的数字化 不仅有利于最终产品的质量控制 同时也实现了企 业能源与原料资源的节省 电气传动控制系统 16 2 3 PLC 控制系统与智能化中央空调 可编程控制器由于其在工业控制方面的应用意义日趋明显 并在发电 化 工 电子等行业工艺设备的电气控制方面得到了广泛的应用 它具有功能强大 使用可靠 维修简单等许多优点 并且在很多地方已逐步取代了继电器电路的逻 辑控制 与此同时 智能化中央空调也正被广泛地应用 在将其俩双双结合的情况 下 不仅促进了科技的发展 也提高了人民生活水平 随着我国经济的不断发展 社会高度信息化 新的高科技技术不断应用到各 个方面中 使得智能化已成为一种发展的必然趋势 智能化也往往是从设备自动 化系统开始 本文主要针对我们本次的毕业设计 智能化小型中央空调 阐述 PL C 控制设计与智能化中央空调 冷冻站 系统的关系 1 1 系统及工艺简介 现介绍如下 我们本次的设计中有两套中央空调系统 由三台冷却水泵 三 台冷冻水泵 一台冷却塔风机 两台冷水机组等主要设备组成两套制冷系统 因 系统小 冷却塔功率大 实验室要求等 本系统较一般两套制冷系统不同的是两 台冷水机组却只选择一个冷却塔 经计算核定 这并不影响其效果 其中冷水机 组是由设备生产厂成套供应的 根据本次设计的实验室要求 我们选择了 2 5 匹 全封闭式压缩机冷水机组 它一般是根据空气调节原理及规律等由微处理器自动 控制 冷水机组由压缩机 冷凝器与蒸发器组成 压缩机把制冷剂压缩 压缩后 的制冷机进入冷凝器 被冷却水冷却后 变成液体 析出的热量由冷却水带走 并在冷却塔里排入大气 液体制冷剂由冷凝器进入蒸发器蒸发吸收热量 使冷冻 水降温 然后冷冻水进入冷风机盘管吸收空气中的热量 如此循环不已 把室 内的热量带出 达到降低环境温度的目的 因此 中央空调冷冻系统的工艺控制 要求为 1 测量冷冻水供回水温度及流量 从而计算空调实际的冷负荷 根据实际的 冷负荷来决定冷水机组的开启台数 达到最佳节能状态 电气传动控制系统 17 2 各设备的程序联动 启动 冷却塔风机 冷却水泵 冷冻水泵 冷水 机组 停止 冷水机组 冷冻水泵 冷却水泵 冷却塔风机 当其中一台 冷却水泵 冷冻水泵出现故障时 备用冷却水泵 冷冻水泵会自动投入工作 3 测量冷冻水系统供回水管的压差 P P1 P2 控制其旁通阀 TV 的开口度 使其维持压差 4 因我们本次设计的实验室的目的是为给同学们更形象生动的学习理解中央 空调系统 所以设计过程中 我们还会考虑到在合适并重要的位置处装上便于观 察制冷剂或水流情况的窥视镜 1 2 PLC 原理及应用 中央空调冷冻系统的控制有 3 种控制方式 早期的继电器控制系统 直接数 字式控制器 DDC 以及 PLC 可编程序控制器 控制系统 继电器控制系统由于故障 率高 系统复杂 功耗高等明显的缺点已逐渐被人们所淘汰 直接数字式控制器 DDC 虽然在智能化方面有了很大的发展 但由于 DDC 其本身的抗干扰能力问题和 分级分步式结构的局限性而限制了其应用范围 相反 PLC 控制系统以其运行可 靠 使用与维护均很方便 抗干扰能力强 适合新型高速网络结构这些显著的优 点使其逐步得到广泛的应用 可编程控制器是计算机家族中的一员 于上个世纪中后叶被发明后 在机床 各种流水线的输送机械 发电 化工 电子等行业工艺设备的电气控制方面得 到了广泛的应用 早期的可编程控制器被称作可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller 即简称为 PLC PLC 具有功能强大 使用可靠 维修简便等许多优点 对于传统的继电器电路 来说 它难以实现复杂逻辑功能的和数字式控制 而且要实现一定规模的逻辑控 制功能不仅设计繁琐 难以实现升级 并易发故障 维修复杂 现在已被大中型 设备的控制系统所抛弃 而 PLC 正被广泛的应用并且已逐步取代了继电器电路的 逻辑控制 随着科学技术不断的飞跃发展 PLC 也不断得到完善和强大 同时它 电气传动控制系统 18 的功能也大大超过了逻辑控制的范围 如联网通信功能和自诊断功能等 因此今 天这种装置被我们称作可编程控制器 不过我们还是习惯简称这种装置为 PLC 2 PLC 的体系结构 2 1 PLC 结构图 PLC 实质上是一种被专用于工业控制的计算机 其硬件结构和微机是基本一致的 如图 2 1 1 所示 图 2 1 1 PLC 硬件的基本结构 PLC 主要是模块式的 包含 CPU 模块 I O 模块等 PLC 一端接传感器 另一端接 执行器 从传感器得到的数据经 PLC 读 运算等处理下达给执行器 执行器动作 PLC 相当于 继电器的作用 其好处是可靠性高 自动化程度高 可进行网络化 等 2 2 PLC 的选型及设置 电气传动控制系统 19 为了满足以上所介绍的空调工艺要求 整个控制系统需要可编程序控制器的输入 输出点分别是 112 点和 32 点 其中模拟量输入 输出为 6 点和 4 点 根据 PLC 的 I O 原理使用原则 即留出一定的 I O 点以做扩展时使用 以及系统设计中实 际所需的 I O 点数 选用华光电子工业有限公司的 SU 5 B 型 主机 SU 5 B 输入模块 U 25N U 01AD 输出模块 U 05T U 01DA 这种机型的 I O 点数为 256 点 有 RS 422 通讯端口 其编程指令有 143 条 并配有相应的编程 软件 S 62P 不仅可以通过手持编程器对其编程 而且可以通过 PC 机对其进行 编程输入 该软件还能在 PLC 运行时监控其运行状况 2 3 软件设计 制冷系统的启动 停止是用于制冷系统的手动启动 停止控制 也可以通过温 度设定 依据冷负荷的需要自动开启制冷系统 每台设备均设有自动 手动 备 用三种运行状态 自动用于联锁集中控制 手动用于调试或检修 备用状态用于 热备用 三台水泵二工一备 其中备用泵循环轮换 提高设备的保养率 各台设 备按工艺要求顺序自动启动 停止时 采用每台设备启动后经 15s 左右延时 再 启动下一台设备 一是考虑水泵稳定运行有个过程 二是避免数台电动机同时启 动 冲击变压器 影响供电质量 为提高中央空调系统的经济性 可靠性及可维护性 需采用控制产品对中央 空调系统的各个设备进行控制 早期的中央空调控制器多为就地式专用控制器和 DDC 控制器 它们具有控制功能简单 不易联网及信息集成度不高等缺点 随着 计算机技术 控制技术和网络技术的发展 现在的中央空调系统都倾向于采用先 进 实用 可靠的可编程控制器 PLC 来进行控制 5 系统的设计和应用总结 由于整个实验室正在逐步筹划和建设的过程中 许多设计还处于探讨之中 众多功能还未付诸实施 现在本文就系统改造实现情况作简单介绍 本文的系统调试应分为两步 设 备电气控制系统调试和中心网络系统调试 我们就已完成的设备电气控制系统设 电气传动控制系统 20 计 调试及使用情况作一下说明 针对实验室的要求 要求电气系统运行稳定 感温精确度高 维护方便寿命长 并能联网进行管理 除此之外在实际使用中系 统的故障报警部分设计还不够完善 许多功能还未开发 本文经过对设备状况和 同学们对中央空调学习认识的调研 本文认为可采用三菱公司的 A 系列 PLC 作为 设备的控制系统核心 它不仅具备普通 PLC 可编程控制器的各种优点 而且能够 利用以太网网络模块 B2 B5 组建 MELSECNET 网络 最终达到建成先进的分布 式控制系统 既实现各种设备之间的联网 实现远程控制和管理 当然系统基本达到了设计的要求 它不仅具备基本逻辑控制功能 还具有联 网通信功能和管理功能等 另外相对与老的控制系统 它工作稳定 故障率低 并能进行系统自动报警 操作及维护十分简便 维修综合成本 待机时间等 大 大降低 在智能化中央空调冷冻系统中 采用 PLC 控制系统是切实可行的 中央空调 冷冻系统用 PLC 控制可以有效地保证其工作稳定 可靠 便于维护 且性能价格 比高 同时以 PLC 为核心的高可靠的监控系统实现了对空调主机的控制及两台 主机之间的协调控制 具有先进 可靠 经济 灵活等显著特点 3 电气传动控制系统在具体实际生活的应用 3 1 人工智能在电气传动中运用的进展 人工智能控制技术一直没能取代古典控制方法 但随着现代控制理论的发展 控制器设计的常规技术正逐渐被广泛使用的人工智能软件技术 人工神经网络 模糊控制 模糊神经网络 遗传算法等 所替代 这些方法的共同特点是 都需 要不同数量和类型的必须的描述系统和特性的 a priori 知识 由于这些方 法具有很多优势 因此工业界强烈希望开发 生产使用这些方法的系统 但又 希望该系统实现简单 性能优异 由于控制简单 直流传动在过去得到了广泛的使用 但由于它们众所周知的 电气传动控制系统 21 限制以及 DSP 技术的进步 直流传动正逐渐被高性能的交流传动所取代 但最 近 许多厂商也推出了一些改进的直流驱动产品 但都没有使用人工智能技术 具信使用人工智能的直流传动技术能得到进一步的提高 高性能的交流传动瞬态转矩的控制性能类似于他励直流电机的控制性能 现 有两种高性能交流传动的控制方法 矢量控制 VC 和直接转矩控制 DTC 矢量 控制是德国的研究人员在二十多年前提出的 现在已经比较成熟 并已广泛应 用 很多生产厂商都推出了他们的矢量控制交流传动产品 最近又大量推出了 无速度传感器的矢量控制产品 尽管在高性能驱动产品中使用 AI 技术会极大地 提高产品的性能 可是到目前为止只有两个厂家在他们的产品中使用了人工智 能 AI 控制器 直接转矩控制是大约在十五年前由德国和日本的研究人员提出 的 在过去十年中得到大量的研究 现在 ABB 公司已向市场推出了直接转矩控 制的传动产品 使得人们对直接转矩控制的研究兴趣增加 将来在直接转矩控 制中将会用到人工智能技术 并将完全地不需要常规的电机数学模型了 人工智能控制器可分为监督 非监督或增强学习型三种 常规的监督学习型 神经网络控制器的拓朴结构和学习算法已经定型 这就给这种结构的控制器增 加了限制 使得计算时间过长 常规非人工智能学习算法的应用效果不好 采 用自适应神经网络和试探法就能克服这些困难 加快学习过程的收敛速度 常 规模糊控制器的规则初值和模糊规则表是既定 a priori 型 这就使得调整 困难 当系统得不到 a priori 既定 信息时 整个系统就不能正常工作 而应用自适应 AI 控制器 例如使用自适应模糊神经控制器就能克服这些困难 并且用 DSP 比较容易实现这些控制器 常规模糊逻辑控制器的设计经常使用尝试法 需要 a priori 信息 如运 用自适应智能控制器就不需要 a priori a priroi 规则库和隶属函数 信 息 值得注意的是 与常规非自适应智能控制器相反 它根据输入信号更新它 的 参数 换句话说 它对变化的输入信号具有适应性 自适应控制器分两类 间接和直接控制器 间接自适应人工智能控制器有一个实时辩识模型 用于控 制器的设计 间接控制器在每个采样周期需要采样控制对象的输入和输出信号 辩识器和控制器有很多形式 而直接 AI 控制器用特性表来实现对控制对象的控 制 这个特性表由两个连续采样周期间的误差的变化量构成 用来控制电流响 电气传动控制系统 22 应 如用模糊逻辑控制器 最简单的应用可能是标量因子的运用 这种方法用现 在的非自适应驱动器很容易实现 因而对工业界具有很大的吸引力 用改变隶 属函数形状的方法可实现相似的效果 这种运用也可能通过改变规则来实现 如用直接 AI 控制器来实现 就是自适应控制器 它在每个采样瞬间先使用上一 个采样周期采用的规则 如果得不到满意的特性 就用新的规则替代 从而得 到满意的特性 总而言之 当采用自适应模糊神经控制器 规则库和隶属函数在模糊化和反模 糊化过程中能够自动地实时确定 有很多方法来实现这个过程 但主要的目标 是使用系统技术实现稳定的解 并且找到最简单的拓朴结构配置 自学习迅速 收敛快速 三 人工智能在电气传动控制中的运用 这一部分主要讨论人工智能在交直流传动中运用的进展 值得指出的是这是一 个广阔的领域 在过去二年中 研究活动极快的增长 本文只是概括一下人工 智能在电气传动中的运用这一领域的进展 不可能覆盖研究的每一个可能领域 AI 控制器在直流传动中运用的大多数研究集中于模糊逻辑应用 在人工神经网 络和其它智能控制的研究还很少 下面主要讨论模糊 神经元和模糊神经元和 模糊神经元控制器在交直流传动中的应用 3 1 起重机电气传动的设计 1 起重机电气传动 起重机对电气传动的要求有 调速 平稳或快速起制动 纠偏 保持同步 机 构间的动作协调 吊重止摆等 其中调速常作为重要要求 一般起重机的调速性能是较差的 当需要准确停车时 司机只能采取 点车 的操纵方法 如果 点车 次数很多 不但增加了司机的劳动强度 而且由于 电器接电次数和电动机起动次数增加 而使电器 电动机工作年限大为缩短 事故增多 维修量增大 有的起重机对准确停车要求较高 必须实行调速才能满足停准要求 有的起重 电气传动控制系统 23 机要采用程序控制 数控 遥控等 这些技术的应用 往往必须在实现了调速 要求后 才有可能 由于起重机调速绝大多数需在运行过程中进行 而且变化次数较多 故机械变 速一般不太合适 大多数需采用电气调速 电气调速分为二大类 直流调速和 交流调速 直流调速有以下三种方案 固定电压供电的直流串激电动机 改变外串电阻和 接法的直流调速 可控电压供电的直流发电机 电动机的直流调速 可控电 压供电的晶闸管供电 直流电动机系统的直流调速 直流调速具有过载能力大 调速比大 起制动性能好 适合频繁的起制动 事 故率低等优点 缺点是系统结构复杂 价格昂贵 需要直流电源等 交流调速分为三大类 变频 变极 变转差率 调频调速技术目前已大量地应用到起重机的无级调速作业当中 电子变压变频 调速系统的主体 变频器已有系列产品供货 变极调速目前主要应用在葫芦式起重机的鼠笼型双绕组变极电动机上 采用改 变电机极对数来实现调速 变转差率调速方式较多 如改变绕线异步电动机外串电阻法 转子晶闸管脉冲 调速法等 除了上述调速以外还有双电机调速 液力推动器调速 动力制动调速 转子脉 冲调速 蜗流制动器调速 定子调压调速等等 2 起重机的自动控制 可编程序控制器 程序控制装置一般由电子数字控制系统组成 其程序自动 控制功能主要由可编程序控制器来实现 电气传动控制系统 24 自动定位装置 起重机的自动定位一般是根据被控对象的使用环境 精度要 求来确定装置的结构形式 自动定位装置通常使用各种检测元件与继电接触器 或可编程序控制器 相互配合达到自动定位的目的 大车运行机构的纠偏和电气同步 纠偏分为人为纠偏和自动纠偏 人为纠偏 是当偏斜超过一定值后 偏斜信号发生器发出信号 司机断开