PLC变频调速控制在风机中的应用.doc

学号 学号 常常 州州 大大 学学 毕毕业业设设计计 论论文文 2012 届 届 题题 目目 学学 生生 学学 院院 专业班级专业班级 校内指导教师校内指导教师 专业技术职务专业技术职务 校外指导老师校外指导老师 专业技术职务专业技术职务 二二 一二年六月一二年六月 I PLC 变频调速控制在风机中的应用变频调速控制在风机中的应用 摘要 摘要 论文首先介绍了风机的基本信息和现状 风机调速方案的种类 以及变 频调速技术的发展现状及其优势 PLC 的发展概况等 目前 许多通风系统都 存在一定问题 井下气压维持恒定十分重要 而对风机应用变频调速系统 则 可使电机根据现场的压力情况 随时调节转速 使电机能够持续高效率运行 维持气压的稳定 并对危险状况及时做出报警 可以看出 变频调速的广泛应 用无疑具有重要的意义 本系统将 PLC 与变频器有机地结合起来 采用以气压压力为主控参数 实 现对变频器频率的有效调节 从而控制风机的速度 使风机通风高效 安全 并且控制系统具有故障报警 及时中断等功能特点 为通风系统的节技术改造 提供一条新途径 最后 通过组态软件的设计 对其进行一个简单的模拟 使 得效果更为直观 关键词 关键词 风机 PLC 变频器 组态软件 II PLC frequency control to control the fan Abstract The paper first introduces the basic information and status of the fan the type of fan speed control program as well as the current development of frequency control technology and its advantages the development overviewof PLC At present many ventilation system have some problems and how to maintain the pressure constantly is very important The fan variable frequency speed control system can enable the motor according to the pressure of the scene to adjust the speed at any time also it can allow the motor sustained efficient operation maintain the stability of the pressure and alarm the dangerous conditions in time It can be seen that extensive use of frequency control is having an important significance The system combined with PLC and inverter using air pressure as the main control parameters can adjust the inverter frequency effectively to control the fan speed Then it can make the fan ventilation efficient and safe The control system also has a failure alarm and timely interrupt features It provides a new way for the technological transformation of the ventilation system Finally by the design of configuration software design conduct a simple simulation to make the effect more intuitive Key words centrifugal fan PLC inverter configuration software III 目目 录录 摘要 目录 1 绪论 1 1 1 风机的基本信息及现状 1 1 2 变频调速技术的基本信息及国内市场 1 1 3 PLC 的发展现状 2 1 4 本文主要研究内容 3 2 风机调速方案的分析与选择 4 2 1 风机调速的重要性 4 2 2 风机的各种调速方案及其特点 4 2 3 变频调速技术的优势 5 3 变频调速原理及性能研究 7 3 1 变频调速技术的特点 7 3 2 变频调速的基本原理 7 3 3 变频器的结构及各部分功能 8 3 4 变频器对交流电动机的控制方式 8 3 4 1 U F 控制方式 8 3 4 2 空间电压矢量控制方式 10 3 4 3 矢量控制方式 10 3 4 4 直接转矩控制方式 10 3 5 变频器的选型和容量的确定 10 4 PLC 的基本原理与组态软件的应用 13 4 1 PLC 可编程控制器的概述 13 4 2 PLC 的工作原理及选型 14 4 2 1 工作原理 14 4 2 2 PLC 选型 14 4 2 3 EM235 模拟量模块 15 4 3 模数转换模块 16 4 4 PID 控制器原理 17 4 5 组态软件概述 18 5 变频调速系统的设计 20 5 1 系统的设计功能 20 5 2 系统结构和方案 20 5 2 1 主回路连接 21 5 2 2 PLC 和变频器之间的控制连接 22 5 2 3 参数检测 23 5 2 4 PLC 和上位机之间的连接 23 IV 5 3 系统流程图 23 5 4 系统程序设计 24 5 4 1 I O 分配表 24 5 4 2 主程序 24 5 4 3 模拟量计算程序 24 5 4 4 系统运行程序 25 5 4 5 报警程序 26 5 5 PID 参数设置 27 6 风机恒压控制效果的简单组态设计 32 6 1 建立风机恒压的工程 32 6 2 控制效果的组态画面的设计与编辑 32 6 3 构造工程的数据库 33 6 4 定义风机恒压控制的动画连接 34 6 5 整体工程的命令语言编写与模拟调试 38 7 结束语 40 参 考 文 献 41 致 谢 42 常州大学本科生毕业论文 第 1 页 共 42 页 1 1 绪论绪论 1 11 1 风机的基本信息及现状风机的基本信息及现状 风机是火力发电厂重要的辅助设备之一 锅炉的四大风机 送风机 引风机 一 次风机或排粉风机 烟气再循环风机 的总耗电量约占机组发电量的 2 左右 随着 风电机组容量的提高 电站锅炉风机的容量也在不断增大 如国产 200MW 机组 风 机的总功率达 6440kW 其中 送风机两台 2500kW 引风机两台 2500kW 排粉风 机总功率 1440kW 占机组容量的 3 以上 因此 提高风机的运行效率对降低厂 用电率具有重要的作用 我国电站风机已普遍采用了高效离心式风机 但实际运行效 率并不高 其主要原因之一是风机的调速性能差 二是运行点远离风机的最高效率点 我国现行的火电设计规程 DL5000 2000 规定 燃煤锅炉的送 引风机的风量裕度分别 为 5 和 5 10 风压裕度分别为 10 和 10 15 这是因为在设计过程中 很 难准确地计算出管网的阻力 并考虑到长期运行过程中可能发生的各种问题 通常总 是把系统的最大风量和风压裕度作为选择风机型号的设计值 但风机的型号和系列是 有限的 往往在选用不到合适的风机型号时 只好往大机号上靠 这样 电站锅炉送 引风机的风量和风压裕度达 20 30 是比较常见的 电站锅炉风机的风量与风压裕 度以及机组的调峰运行导致风机的运行工况点与设计高效点相便宜 从而使风机的运 行效率大幅下降 1 21 2 变频调速技术的基本信息及国内市场变频调速技术的基本信息及国内市场 变频调速技术是应交流电机无级调速的需要而产生 与传统的交流调速系统相比 具有如下优点 易实现对电动机的调速控制以及电动机的正反转切换 可以实现大范 围内高速连续调速控制 可以进行高频度的起停运转 适用于各种工作环境 组成高 性能的控制系统等 应用变频调速可以使风机根据工况需求而调节转速 始终运行在 高效状态 变频调速以其优越的调速性能和良好的节能效果而在锅炉风机调速应用上 有着巨大的潜力 变频技术的核心设备是变频器 变频器是通过控制电力半导体器件以一定时序通 断 将电压和频率固定不变的交流电源变换为电压或频率可变交流电的装置 变频器 可以被看作是一个频率可调的电源 对于已经在恒速运行状态下的异步电机 只需在 电网电源和现有异步电机之间接入变频器和相应的设备 就可以利用变频器实现异步 电机的调速控制 而无需对现有电机本身和系统本身进行大的设备改造 既便于安装 调试 又节省成本 还可以增加电动机的调速范围 提高电动机的运行效率 对交流异步电机应用变频调速 除了具有良好的调速性能外 还具有节能的优点 在交流电变频过程中还会串入电抗器 改善了功率因数 变频设备的使用还避免了直 接启动造成的对电动机的损坏和对电网产生的冲击 保护了设备并延长了设备的使用 寿命 目前 在我国构建节约型和谐社会的宏观政策下 节能型产品的研究和开发正 日益受到关注 电力能源是国家工业生产的命脉 是关系国民经济发展的重要基础 开发高效节能的用电设备会产生巨大的经济效益和社会效益 具有十分重要的意义 常州大学本科生毕业论文 第 3 页 共 42 页 在众多的电能消耗用户中 交流异步电机因其结构简单 坚固耐用 运行可靠 价格 低廉等诸多 常州大学本科生毕业论文 第 2 页 共 42 页 优点得到了广泛的应用 并且已经成为电力系统中主要的用电设备 所以交流异步电 动机节能技术的开发具有巨大的经济效益和广阔的应用前景 在交流异步电动机中 高压电动机是电能消耗的主要方面 因此高压电动机的节 能问题显得尤为重要 统计数据表明 目前我国的高压电机中 3kV 和 10kV 电压等 级大约只占高压电机的 5 而大约 95 的高压电机是 6kV 电压等级 在耗电量方 面 尽管低压电机的数量庞大 为高压电机的几十倍 但其耗电量却只占工业用电的 5 8 而高压电机的耗电量则占到了工业用电的 53 尤其是用于大型风机水泵驱 动的高压大功率异步电动机 其单台容量大 能耗高 而且普遍采用挡板和阀门控制 流量和压力使电动机工作在恒转速状态 造成了电能资源的巨大浪费 我国对能源的 需求量大 是能耗大国 但能源储备却不足 而当前的工业生产状态对能源的利用率 较低 提高能源的利用率有重要意义和广阔前景 在 2003 年我国的电力消耗总量中 动力电能消耗占 60 70 而在总容量为 5 8 亿千瓦的电动机总容量中 带变频控制的 电动机容量只有不到 2000 千瓦 据分析 在我国具有节能潜力的电机负载容量至少 有 1 8 亿千瓦 由此可见 变频调速技术在电力行业有着巨大的发展潜力 尤其是在 高压大功率变频调速技术领域 具有巨大的应用市场和广阔的发展空间 1 31 3 PLCPLC 的发展现状的发展现状 随着 PLC 技术的发展以及应用领域不断扩大 它将在今后的工业自动化行业中 扮演越来越重要的角色 在未来的工业生产中 PLC 技术和机器人 CAD CAM 将成 为实现工业生产自动化的三大支柱 目前 可编程控制器技术正在朝以下几个主要方向发展 1 大型网络化 网络化和强通信能力是 PLC 发展的一个主要方面 向上与工业计算机 以太网等相连以完成控制任务 向下与多个智能装置相连 控制系统朝着 DCS 方向 发展 2 多功能 连续推出了多种智能模块以使用特殊功能的需要 如模拟量输入输出 通信 控制 回路控制 机械运动控制 中断技术等 这些智能模块以为处理器为基础 其 CPU 与 PLC 的 CPU 并行工作 占用主机 CPU 时间少 有利于提高 PLC 扫描速度 和完成特殊的控制任务 3 高可靠性 兼容性 随着人们越来越重视现代控制系统的可靠性和兼容性 自诊断技 术 容错 技术 冗余技术等被广泛应用到可编程控制器中 系统的可靠性与兼容性得 到很大提高 4 编程语言向高级语言发展 PLC 编程语言在原有梯形图语言 J 程序功能块和指 令表语言基础上 推出了可运行与计算机 windows 环境下 友好界面的梯形图和语句 表两种形式的编程 调试 诊断等功能 SIMAI IC 则使用 VC 等高级语言进行编 程 体现了面向未来的特征 常州大学本科生毕业论文 第 3 页 共 42 页 1 41 4 本文主要本文主要研究内容研究内容 本文主要研究结合了 PLC 的变频调速在风机中的应用 首先 介绍了变频调速的 发展及理论及高压变频在风机中的应用 阐述了风机负载采用变频调速的优越性和必 要性 并详细介绍了 PLC 的结构功能及发展应用状况 建立了基于 PLC 控制的变频调 速系统 其中包括 PLC 变频器 风机等设备选型 PLC 程序设计以及系统运行状况 等 第一章介绍了风机的基本信息及现状 变频调速技术的研究和发展现状 PLC 发 展概况以及本次设计的主要工作 第二章分析了风机调速的所有方案 并指出变频调速技术的优势 第三章叙述了变频调速系统的原理及性能研究 其中包括其发展现状 基本原理 结构以及对交流电动机的控制方式 选型和容量等 第四章介绍了 PLC 的基本原理及应用 主要从对其工作原理 选型 扩展模块 PID 控制器 以及组态软件进行了描述 第五章对变频调速系统进行了设计 其中包括系统设计流程图 模拟量计算公式 IO 分配表 系统主程序部分 模拟量计算程序 系统运行程序 报警程序 PID 运算 截图等 第 6 章对系统进行了组态的设计 包含其主画面 变量定义 命令语言等 第 7 章对全文进行总结 常州大学本科生毕业论文 第 3 页 共 42 页 常州大学本科生毕业论文 第 4 页 共 42 页 2 风机调速方案的分析与选择风机调速方案的分析与选择 2 12 1 风机调速的重要性风机调速的重要性 随着信息时代的高速发展 环保 节水 节能已不再是区域性话题 据国家有关 部门统计 在工程中以风机 泵类为代表的负载约占到占全国耗电量的 30 40 所 以量大面广的泵类机械是我国节能的重点领域之一 在工程中对于风机 水泵这类平 方减转矩负载 即随着转速的降低 负载转矩按速度的平方成比例地减少 其 40 50 的 电能都消耗在调节风门 阀门及管网的压力降上 又由于需用流量常有变化或工程设 计的裕量较大等原因造成机泵的实际总效率通常很低 所以在工程设计中如能很好地 解决平方减转矩负载的节能问题 对于提升系统的整体节能潜力具有重要的意义 而矿井通风机是保证矿井安全生产的关键设备 也是煤炭生产的主要耗能设备之 一 10 在进行矿井通风设施设计时 应当选用性能稳定 工作效率高 安全可靠运转 的通风设备 煤炭生产过程中 由于矿井自然条件 生产的开拓布局 开采范围 开采强度等 不断变化 各时期所需的风量 负压不同 致使风机的实际运行工况点偏离风机的额 定高效工况点 有时甚至风机不能正常工作 因此 必须根据不同类型矿井及矿井不 同时期的通风要求 合理选择通风设备 对于服务期限较长的矿井 如果前后期风量 负压变化较大 通常是分期选择风机或电机 以满足矿井生产的通风所求 对于服务 期限较短的矿井 选用一种安全 可靠 高效率下作的风机并根据矿井所需要的风量 和负压适时调节风机运行的工况点 显得尤为重要 2 22 2 风机的各种调速方案及其特点风机的各种调速方案及其特点 离心风机调速的方法很多 如异步电机的变级调速 绕线式电机的转子串电阻调 速 电磁转差离合器调速 可控硅变频变压调速 异步电动机机组串级反馈调速 调 速型液力耦合器调速等等 应根据现场具体情况 经过技术经济比较 选择适合本矿 条件的调速方法 11 异步电机的变级调速 属于有级调速 一般用于小型电机中 大功率电机中采用 时 需要大电流引线组合 工艺较复杂 绕线式电机的转子串电阻调速 属于有级调速 技术较简单 但电阻式耗能器件 节能效果差 电磁转差离合器调速 传递功率较小 调速范围只是额定转速的 Error Error NoNo bookmarkbookmark namename given given 80 85 低转速时 损耗较大 效率较低 可控硅变频变压调速 具有功率因数高 不引起电源畸变 调速范围大 效率高 是交流调速中比较理想的调速方法 只是用于大功率的产品规格不齐全 异步电机机组串级反馈调速 不论是机械反馈还是电气反馈 均需直流电机 使 调速装置变得复杂 使用维护不便 调速型液力偶合器调速 是一种依靠工作液体传递动力的机械调速装置 安装在 电机与风机之间 在启动风机时 先轻载启动电机 然后逐步启动大惯量的离心风机 常州大学本科生毕业论文 第 3 页 共 42 页 启 常州大学本科生毕业论文 第 5 页 共 42 页 动平稳 可靠 启动性能好 对矿井电网系统影响较小 运行安全可靠 操作简单易 行 日常维护少 调速范围宽 但由于存在转差率 有部分能量损失 适用于中小型 设备中 2 32 3 变频调速技术的优势变频调速技术的优势 当前 PLC 已经成为电气控制系统中应用最为广泛的核心装置 它不仅能实现复杂 的逻辑控制 还能完成各种顺序或定时的闭环控制功能 并且可靠性高 稳定性好 抗干扰能力强 在恶劣环境下长时间 不间断的运行 且编程简单 维护方便 并配 有各类通讯接口与模块处理 可方便各级连接 因此基于 PLC 的变频调速系统具有广 泛的应用前景 风机是将电动机的轴功率转变为流体的设备 过去很少采用转速控制的方法 多 是由鼠笼式异步电机拖动进行恒速运转 当需要改变流量时 调节节流阀和挡板 这 种方法虽然控制简单 但节能较差 不经济 动态跟踪性能也很差 变频调速节能是 相对于阀门调节而言 采用变频调速器后 将阀门全开 通过改变电机电源频率的方 法来改变电机转速 由流体力学可知 流量 Q 与转速 n 的一次方成正比 风压 H 与转 速 n 的平方成正比 功率 P 与转速 n 的立方成正比 调节风机流量时 可通过转速 进行调节 此时风机轴输出功率与转速的立方成正比 当需求流量或风量下降时 调节转速可以节约大量能源 例如 当需求流量或风 量减少 1 2 时 通过变频调速 从理论上讲 仅需要额定功率的 12 5 即可节约 87 5 的能源 如采用传统的调节风门挡板开度大小的方式调节风量 虽然也可相应降 低能耗 但风机长期工作在额定转速状态下 能量有相当部分损失在挡板上 因此 其节能效果明显不如变频调速控制系统 13 变频的第一功效即是节能 电机系统在设计过程中都留有一定的余量 变频器通 过降低电机转速减少输出功耗 实现 按需供能 变频器用于风机 泵类等 可达到 50 的节能率 用于其他工艺要求调速的负载 也可获得 10 至 40 的节能效果 除此 之外 变频调速在风机系统中还具有其它的优势 15 1 变频调速可以有效地减小冲击电流 降低电机启停过程对电网和工艺管网的冲击 标准电机用工频电源直接起动时 通常起动电流为电机额定电流的 6 7 倍 电机 最大起动转矩也可以达到额定转矩的 1 5 2 5 倍左右 但是交流变频器驱动的电机 其起动及加速特性由于受到变频器过电流能力制约 其加速时的电流将保持在额定电 流的 150 有时 120 以下 并且可以方便地实现电机的软启动和软停功能 因而可 以有效地减少电动机在起动 停止时对电网的冲击 改善电源容量裕度 尤其是电动 机容量大 而变压器容量相对较小时 这种效果更加明显 并且由于交流变频器驱动 时的平均加速转矩比工频电源直接起动时的要小 而且比较平稳 将有效降低电机启 停过程对工艺管网的冲击 2 变频调速可以方便地实现电动机的正 反向运行 由于变频器都具有正 反向输入端子 因此 电动机的正 反向运行不需要主回 常州大学本科生毕业论文 第 9 页 共 42 页 路交流接触器之间交替切换 减少故障维修 减轻工人的劳动强度 此功能对于一些 空冷风机几乎是一个必须的功能 而且还经常要求风机在正转停止后快速制动进入反 转 常州大学本科生毕业论文 第 10 页 共 42 页 3 采用变频器控制电机的转速 取消挡板调节 降低了设备的故障率与设备运行与 维护费用 采用变频调节后 由于通过调节电机转速实现节能 在负荷率较低时 电机 风 机转速也降低 主设备及相应辅助设备如轴承等磨损较前减轻 维护周期可加长 设 备运行寿命延长 并且变频改造后风门开度可达 100 运行中不承受压力 可显著减 少风门的维护量 变频器运行中 只需定期对变频器除尘 不用停机 保证了生产的 连续性 随着生产的需要 调节风机的转速 进而调节风机风量 既满足生产工艺的 要求 工作强度又大大降低 采用变频技术调速后 减少了机械磨损 维护工作量降 低 检修费用下降 4 电机将在低于额定转速的状态下运行 减少了噪声对环境的影响 5 电机将具有更完善的保护 与原来旧系统相比较 变频器具有过流 短路 过压 欠压 缺相 过热等多项 保护功能 更完善地保护了电机 6 安装时可不破坏原有的配电设施 具有工变频切换 保证生产的连续性 7 网侧功率因数提高 原电机直接由工频驱动时 满载时功率因数为 0 85 左右 实际运行功率因数远低 于 0 8 采用变频调速系统后 电源侧的功率因数可提高到 0 9 以上 无需无功补偿装 置就能大大的减少无功功率 满足电网要求 可进一步节约上游设备的运行费用 8 电机使用寿命延长 采用变频调速装置后 可对电机实现软启动 启动时电流不超过电机额定电流的 1 2 倍 对电网无任何冲击 电机使用寿命延长 在整个运行范围内 电机可保证运行平 稳 损耗减小 温升正常 风机启动时的噪音和启动电流非常小 无任何异常振动和 噪音 9 操作简单 运行方便 可通过计算机远程给定风量或压力等参数 实现智能调节 10 适应电网电压波动能力强 工作电压范围宽 采用变频调速装置后 当电网电压在 15 10 之间波动时 系统仍可正常运行 实践证明 变频改造具有显著的节电效果 是一种理想的调速控制方式 既提高 了设备效率 又满足了生产工艺要求 并且还大大减少了设备维护 维修费用 另外 当采用变频调速时 由于变频装置内的直流电抗器能很好的改善功率因数 也可以为 电网节约容量 直接和间接经济效益十分明显 16 常州大学本科生毕业论文 第 9 页 共 42 页 3 3 变频调速原理及性能研究变频调速原理及性能研究 3 3 1 1 变频调速技术的变频调速技术的特点特点 20 世纪 60 年代以前 直流调速以其优良的控制性能在传动领域中占据着主导地位 但随着社会生产力及技术的发展 直流传动系统的缺点逐步显现 60 年代以后 随着 电力电子技术的发展 半导体变流技术应用到交流调速系统中 特别是大规模集成电 路和计算机控制技术的发展 以及现代控制理论的应用 使交流调速技术得到迅猛发 展 交流调速得到日益广泛的应用 并成为电气传动领域发展的主流方向 变频调速技术的特点 1 在功率器件方面 近年来 高压 大电流的 IGBT 等功率开关器件性能参数的提高 以及串并联技术的应用 使高电压 大功率变频器产品的研制 生产及应成为现实 2 在微电子技术方面 高速微处理器以及 DSP 和专用集成电路技术的快速发展 为实 现变频器高精度 多功能化提供了硬件手段 3 在控制理论方面 许多新的控制理论出现 如 矢量控制 磁通控制 转矩控制 智 能控制等 为研制高性能变频器的发展提供了相关理论基础 4 在产品化生产方面 基础工业和各种制造业设备技术的高速发展 促进了变频器相关 配套件的社会化 专业化生产 3 3 2 2 变频调速的变频调速的基本原理基本原理 异步电动机是电力 化工等生产企业最主要的动力设备 作为高能耗设备 其输 出功率不能随负荷按比例变化 大部分只能通过挡板或阀门的开度来调节 而电动机 消耗的能量变化不大 从而造成很大的能量损耗 近年来 随着变频器生产技术的成 熟以及变频器应用范围的日益广泛 使用变频器对电动机电源进行技术改造成为各企 业节能降耗 提高效率的重要手段 n 60 f 1 s p 1 式中n 异步电动机的转速 f 异步电动机的频率 s 电动机转差率 p 电动机极对数 由式 1 可知 转速 n 与频率 f 成正比 只要改变频率 f 即可改变电动机的转速 当频率 f 在 0 50Hz 的范围内变化时 电动机转速调节范围非常宽 变频调速就是通 过改变电动机电源频率实现速度调节的 变频器主要采用交 直 交方式 先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源 然后再把直流电源转换成频率 电压均可控制的交流电源以供给电动机 变频器的电 路一般由整流 中间直流环节 逆变和控制 4 个部分组成 整流部分为三相桥式不可 控整流器 逆变部分为 IGBT 三相桥式逆变器 且输出为 PWM 波形 中间直流环节为 滤波 直流储能和缓冲无功功率 常州大学本科生毕业论文 第 10 页 共 42 页 3 33 3 变频器的结构及各部分功能变频器的结构及各部分功能 变频器的基本结构主要有主电路 控制电路 操作显示电路 保护电路四部分 4 各部分的主要功能 1 主电路 给异步电动机提供调频调压电源的电力变换部分称为主电路 主电路包 括整流器 直流中间电路和逆变器 整流器由全波整流桥组成 其作用是把工频交流 电变换成直流电源 整流器的输入端接有压敏电阻网路 保护变频器免受浪涌过电压 及大气过电压冲击而损坏 由于逆变器的负载为异步电动机 属于感性负载 因此在 直流中间电路和电动机之间总会有无功功率变换 这种无功能量要靠直流中间电路的 储能元件 电容器或电感器来缓冲 另外 直流中间电路对整流器的输出进行滤波 以减小直流电压或电流的波动 在直流电路里设有限流电路 以保护整流桥免受冲击 电流作用而损坏 制动电阻式为了满足异步电动机制动需要而设置的 逆变器与整流 器的作用相反 是将直流电源变换成频率和电压都任意可调的三相交流电源 逆变器 的常见结构式由 6 个功率开关器件组成的三相桥式逆变电路 它们的工作状态受控于 控制电路 2 控制电路 控制电路由运算放大电路 检测电路 控制信号的输入 输出电路 驱动电路等构成 一般采用微机进行全数字控制 主要靠软件完成各种功能 3 操作显示电路 这部分电路用于运行操作 参数设置 运行状态显示和故障显示 等 4 保护电路 这部分电路用于变频器本身保护及电动机保护等 3 43 4 变频器对交流电动机的控制方式变频器对交流电动机的控制方式 变频器的主要工作原理是通过将电力电子技术 自动控制技术和计算机技术的结 合 获得所需的交流电输出 14 且输出交流电的电压可变 频率可调 对定子频率大 小的控制是使异步电动机获得平稳调速的关键 而由于变频器主电路拓扑结构和控制 电机方式的多样化 决定了有着多样化的控制方式 基本控制方式有 U F 控制方式 空间电压矢量控制方式 矢量控制方式 直接转矩控制方式等四种 3 4 13 4 1 U FU F 控制方式控制方式 U F 控制是最基本的控制方式 三相异步电动机定子每相电动势的有效值的计算 式为 E1 4 44f1N1 m 1 式中 E1为定子每相气隙磁通感应电动势的均方根值 f1为定子频率 N1为定子 每相绕组有效匝数 m 为每极磁通量 1 基频以下调速 在基频以下 采用恒磁通控制方式 这种方式可以充分利用电动机铁心并发挥电 动机产生转矩的能力 若要保持 m 不变 当频率 f1从额定值 f1N向下调节时 必须同 时降低 E1 即保持电动势频率之比为恒值 然而 绕组中的感应电动势是难以直接控 制的 当电动势值较高时 可以忽略定子电阻和漏磁感抗压降 而认为定子相电压 常州大学本科生毕业论文 第 9 页 共 42 页 U1 E1则得 U1 E1 常值 这是恒压频比的控制方式 其控制特性如图 3 1 所示 图图 3 1 恒压频比控制特性恒压频比控制特性 低频时 U1和 E1都较小 定子电阻和漏磁感抗压降所占分量较大 可以适度抬高定子 相电压 U1 以补偿定子压降 这种方式称作低频补偿或转矩提升 2 基频以上调速 在基频以上调速时 频率从 f1N 向上升高 但定子电压 U1却不可能超过额定电压 U1N 只能保持 U1 U1N 使磁通与频率成反比地下降 使得感应电机工作在弱磁状态 把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起 如图 3 2 所示 如果电动机 在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值 即都能在允许温升长期运行 则转 矩基本上随磁通变化而变化 按照电力拖动原理 在基频以下 磁通恒定 转矩也恒 定 属于恒转矩性质 而在基频以上 转速升高时磁通减小 转矩也随着降低 基本 上属于恒功率调速 常州大学本科生毕业论文 第 9 页 共 42 页 图图 3 2 变压变频调速的控制特性变压变频调速的控制特性 常州大学本科生毕业论文 第 11 页 共 42 页 3 4 23 4 2 空间电压矢量控制方式空间电压矢量控制方式 空间电压矢量控制又称 SVPWM 控制 空间电压矢量控制的原理是控制电动机的 气隙磁通 减小低频时异步电动机的转矩脉动 因为电压矢量的积分是磁通矢量 所 以它在实质上是磁通轨迹控制 选择电压间矢量空间矢量 使磁通的轨迹在圆周上以 内切多边形替代圆 这就是磁通轨迹控制 通常有六边形磁通轨迹控制和圆形轨迹控 制 它可用于普通的 PWM 控制 可进行开环或闭环控制 因此比 U F 控制性能高 能基本满足 0 50Hz 使用频率段的性能要求 适用于一般在传动精度较低的拖动设备 上上 SVPWM 控制有其明显的特点 它的优点是十分适合于电平数较少的情况 特别 是两电平和三电平的情况 但缺点是当电平数超过五个时 控制计算将变得十分复杂 因此对与多电平串联型高压变频器来说 SVPWM 并不十分适合 3 4 33 4 3 矢量控制方式矢量控制方式 矢量控制又称 VC 控制 矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机 定子电流矢量 根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制 从而达到控制异步电动机转矩的目的 具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产 生磁场的电流分量 励磁电流 和产生转矩的电流分量 转矩电流 分别加以控制 并同时控制两分量间的幅值和相位 即控制定子电流矢量 所以称这种控制方式称为 矢量控制方式 把交流电机的定子电流分解为励磁分量和转矩分量 用来分别控制磁 通和转矩 就可获得和直流电机相仿的高动态性能 矢量控制理论的产生使交流电机 的调速技术获得了突破性的进展 矢量控制有对于转矩的控制是连续平滑的 有较宽 的调速范围 然而 转子磁链的准确观测是一个技术难题 系统特性受电机参数影响 较大 在模拟直流电动机控制过程中所用 矢量旋转变换比较复杂 3 4 43 4 4 直接转矩控制方式直接转矩控制方式 直接转矩控制又称 DTC 控制 直接转矩控制的特征是控制定子磁链 其基本原理 是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型 通过检测到的定子电压 电流 直接在定子坐标系下计算与控制电动机的磁链和转矩 获得转矩的高动态性能 省掉 了矢量旋转坐标等复杂变换和计算 也不需要模仿直流电动机的控制 从而也不需要 为解耦而简化交流电动机的数学模型 而只需关心电磁转矩的大 小 观测定子磁链 只需知道定子电阻就可以了 矢量控制技术中控制性能易受参数影响的问题在直接转 矩控制中大大减少了 其控制思想是 通过控制定子磁链走走停停 起到控制转矩的 作用 直流转矩控制系统转矩响应迅速 控制在一拍以内 且无超调 是一种具有高 静动态性能的交流调速方法 直接转矩控制系统的缺点是转矩 bang bang 控制 调速范 围不够宽 有脉动等 常州大学本科生毕业论文 第 9 页 共 42 页 3 53 5 变频器的选型和容量的确定变频器的选型和容量的确定 本系统选用的是西门子全新一代标准变频器MicroMaster440功能强大 应用广泛 常州大学本科生毕业论文 第 11 页 共 42 页 它采用高性能的矢量控制技术 提供低速高转矩输出和良好的动态特性 同时具备超 强的过载能力 以满足广泛的应用场合 在电机的容量确定并选定其型号后 接下来就要确定变频器的容量 确定变频器 容量的主要依据是输出电流 其原则为 变频器的输出额定电流应大于或等于电机的 额定电流 但在连续的变动负载或断续负载中 因电动机允许有短时间的过载 而且 这种过载的时间经常超过变频器一般允许的一分钟 故应考虑选择变频器的额定电流 大于或等于电动机运行过程中的最大电流 5 电动机的型号确定后 其额定电流可以从制造商提供的样本中查到 或者 也可 从电机的输出功率由下式计算 2 cos3UIP 式中 P 为额定输出功率 KW U 为额定电压 KV I 为额定电流 A 为电机效率 为功率因数 cos S7 200PLC 作为核心控制部件 它有总线访问权 可以读取或改写变频器的状 态 控制软起动器的运行状态 从而达到控制和监视设备运行状态的目的 系统采用 总线式拓扑结构 两台变频器采用总线接插件连入总线 S7 200 选用 S7 222CPU 软 件采用 WIN3 2 采用西门子 Profibus 屏蔽电缆及 9 针 D 形网络连接头 利用 S7 222 的自由通信口功能 即 RS485 通信口 由用户程序实现 USS 协议与两台 MM430 变频 器通信 在硬件连接完毕后 需要对两台 MM430 变频器的通信参数进行设置 如表 1 所示 常州大学本科生毕业论文 第 12 页 共 42 页 表表 1 变频器参数的设定变频器参数的设定 参数号参数值说明 Fr P01 P02 P03 P05 P08 P15 P16 P18 P32 P33 P34 35 39 40 13 10 10 FF 20 1 200 50 2 170 10 23 130 5 5 固定频率 1 第一加速时间 第一加速时间 频率范围 v f 方式 DC 提升水平 变频器起停正反转控制方式 电动机运行最大频率 电动机运行基本频率 多段速率加速连动运行 固定频率 2 固定频率 3 固定频率 4 固定频率 5 第 2 加速时间设定 第二减速时间设定 常州大学本科生毕业论文 第 13 页 共 42 页 4 4 PLCPLC 的基本原理与组态软件的应用的基本原理与组态软件的应用 4 14 1 PLCPLC 可编程控制器可编程控制器的概述的概述 PLC 即可编程控制器 Programmable logic Controller 是指以计算机技术为基础的 新型工业控制装置 在 1987 年国际电工委员会 International Electrical Committee 颁 布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义 PLC 英文全称 Programmable Logic Controller 中文全称为可编程逻辑控制器 定 义是 一种数字运算操作的电子系统 专为在工业环境应用而设计的 它采用一类可 编程的存储器 用于其内部存储程序 执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数与算术 操作等面向用户的指令 并通过数字或模拟式输入 输出控制各种类型的机械或生产过 程 PLC 是可编程逻辑电路 也是一种和硬件结合很紧密的语言 在半导体方面有很 重要的应用 可以说有半导体的地方就有 PLC PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置 它采用 可以编制程序的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺序运算 计时 计数和 算术运算等操作的指令 并能通过数字式或模拟式的输入和输出 控制各种类型的机 械或生产过程 PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体 易于扩展其功能的原则而设计 1 CPU 的构成 CPU 是 PLC 的核心 起神经中枢的作用 每套 PLC 至少有一个 CPU 它按 PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据 用扫描的方式采集由现场输入装 置送来的状态或数据 并存入规定的寄存器中 同时 诊断电源和 PLC 内部电路的工 作状态和编程过程 CPU 主要由运算器 控制器 寄存器及实现它们之间联系的数据 控制及状态总 线构成 CPU 单元还包括外围芯片 总线接口及有关电路 内存主要用于存储程序及 数据 是 PLC 不可缺少的组成单元 CPU 速度和内存容量是 PLC 的重要参数 它们决定着 PLC 的工作速度 I O 数量 及软件容量等 因此限制着控制规模 2 I O 模块 PLC 与电气回路的接口 是通过输入输出部分 I O 完成的 I O 模块集成了 PLC 的 I O 电路 其输入暂存器反映输入信号状态 输出点反映输出锁存器状态 输 入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统 输出模块相反 I O 分为开关量输入 DI 开关量输出 DO 模拟量输入 AI 模拟量输出 AO 等模块 常用的 I O 分类如下 开关量 按电压水平分 有 220VAC 110VAC 24VDC 按隔离方式分 有继电 器隔离和晶体管隔离 模拟量 按信号类型分 有电流型 4 20mA 0 20mA 电压型 0 10V 0 5V 10 10V 等 按精度分 有 12bit 14bit 16bit 等 除了上述通用 I O 外 还有特殊 I O 模块 如热电阻 热电偶 脉冲等模块 常州大学本科生毕业论文 第 14 页 共 42 页 按 I O 点数确定模块规格及数量 I O 模块可多可少 但其最大数受 CPU 所能管 理的基本配置的能力 即受最大的底板或机架槽数限制 3 电源模块 PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源 同时 有的还为 输入电路提供 24V 的工作电源 电源输入类型有 交流电源 220VAC 或 110VAC 直流电源 常用的为 24VDC 4 4 4 2 2 PLPLC C 的工作原理及选型的工作原理及选型 4 2 14 2 1 工作原理工作原理 PLC 采用循环扫描工作方式 这个工作过程一般包括 5 个阶段 内部处理 与编 程器的通信处理 输入扫描 执行用户程序 输出处理 其工作过程如图 3 2 所示 图 3 1 中当 PLC 方式开关置于 RUN 运行 是 执行所有阶段 当方式开关置于 STOP 停止 时 不执行后三个阶段 此时可进行通信处理 如对 PLC 联机或离线 编程 4 2 24 2 2 PLCPLC 选型选型 S7 200 系列 PLC 是一类小型可编程逻辑控制器 由于其具有紧凑的设计 良好的 扩展性 低廉的价格和强大的指令系统 使得它能近乎完美地满足小规模的控制要求 2 另外 丰富的 CPU 类型和电压等级使其在解决用户的自动化问题时 具有很强的 适用性 它的应用领域极为广泛 覆盖所有与自动检测 自动化控制有关的工业及民 用领域 包括各种机床 机械 电力设施 民用设施 环境保护设备等等 S7 200 系 列有 CPU221 CPU222 CPU224 CPU226 等多种型号 本文选用了 CPU224 型号 PLC CPU 224 集成 14 输入 10 输出共 24 个数字量 I O 点 可连接 7 个扩展模块 最大 扩展至 168 路数字量 I O 点或 35 路模拟量 I O 点 13K 字节程序和数据存储空间 集 成两路模拟量输入 10bit DC10V 一路模拟量输出 10bit DC0 10V 或 0 20MA 有两个 RS485 通信口 高速脉冲输出频率提高到 100kHz 高速计数器频率提高到 200kHz 有 PID 自整定功能 这种新型的 CPU 增强了 S7 200 在运行控制 过程控制 位置控制 数据监视和采集 远程终端应用 以及通信方面的功能 1 常州大学本科生毕业论文 第 15 页 共 42 页 图图 4 1 CPU224 外部电路接线外部电路接线 4 2 34 2 3 EM235EM235 模拟量模块模拟量模块 EM235 模拟量扩展模块提供了 4 输入模拟量输入通道 2 输出模拟量输出通道 具有 12 位的分辨率 且具有多种输入 输出信号范围 其内部集成了 D A 转换器 放 大器等多种功能的电路 可用于复杂的控制场合 a EM235 外部电路接线 常州大学本科生毕业论文 第 16 页 共 42 页 图图 4 2 EM235 外部电路接线外部电路接线 EM235 是最常用的模拟量模块 它实现了 4 路模拟量输入输出功能 图 5 是 EM235 的外部电路接线图 7 对于 EM235 模块上标注为 A B C D 的四路模拟量 输入接口 可分别接入标准电压和电流信号 接线方式如下 对于电压信号 按照正 负极直接接入 X 和 X RX 端则悬空 对于电流信号 将 RX 和 X 短接后接入电流 输入信号 未连接传感器的通道要将 X 和 X 短接 以免受到外部电路干扰 下部 端子为一路模拟量输出的 3 个接线端子 MO VO IO 其中 MO 为数字接地接口 VO 为电压输出接口 IO 为电流输出接口 若为电压负载 则将负载接入 MO VO 接 口 若为电流负载 则将负载接入 MO IO 接口 b EM235 的安装及使用 EM235 的安装使用过程一般如下 1 根据输入信号的类型和变化范围设置 DIP 开关 完成模块的配置 需要的时 候还需对 EM235 进行校准 模拟量输入模块使用前应进行输入校准 其实出厂前已经进行了输入校准 如果 OFFSET 和 GAIN 电位器已被重新调整 需要重新进行输入校准 其步骤如下 A 切断模块电源 选择需要的输入范围 B 接通 CPU 和模块电源 使模块稳定 15 分钟 C 用一个变送器 一个电压源或一个电流源 将零值信号加到一个输入端 D 读取适当的输入通道在 CPU 中的测量值 E 调节 OFFSET 偏置 电位计 直到读数为零 或所需要的数字数据值 F 将一个满刻度值信号接到输入端子中的一个 读出送到 CPU 的值 G 调节 GAIN 增益 电位计 直到读数为 32000 或所需要的数字数据值 H 必要时 重复偏置和增益校准过程 2 硬件接线工作 接线的时候传感器的线路尽可能的短 而且使用双绞线 3 确定模块安装进入系统的位置 并由安装位置确定模块的编号 安装完毕后 将模块自带的接线排插入主机上的扩展总线接口 4 在主机上安装一定的存储单元 便于主机对模拟量与数字量转换后的数据处 理 c EM235 的工作程序 1 设置初始化程序 在该子程序中完成采样次数的预制及采样和单元清零的工 作 为开始工作做好准备 2 设置模块检测子程序 该子程序检查模块的连接正确性及模块工作的正确性 3 设置子程序完成采样及相关的计算工作 4 工程所需的有关该模拟量的处理程序 5 处理后模拟量的输出工作 常州大学本科生毕业论文 第 9 页 共 42 页 4 34 3 模数转换模块模数转换模块 模数转换模块分为A D转换模块和D A转换模块 PLC模拟量处理功能主要通过模