机电一体化专业毕业论文--PLC与变频器的调速.doc

江苏徐州机电工程高等职业学校06届高职毕业设计（论文） 第15页一 、课题背景 随着科技的进步，工业生产中的自动化程度越来越高。电机的使用也越来越普遍。由于普通直流电机结构的局限性，从而使交流电机的得到了生产中的大量运用。交流电机中三相异步电机凭借它诸多优点更是广泛的应用在生产过程中！然而电机调速问题日趋重要。三相异步电机的调速有变级调速，改变转差率调速和变频调速。变级调速是有极调速，转速不能连续变化，并不能满足各种生产的需要。改变转差率调速有消耗能量多，不经济等缺点。而变频器有调速范围大，机械特性硬，转速可以平滑改变等优点。使其在生产过程中得到了广泛的运用！二、课题概述 通过变频器控制三相异步电机的转速。再通过PLC控制变频器的通与断从而能够控制电机的启停，正反转和运行的时间。变频器电机的调速方式有很多种，可以通过变频器调速面板基本操作，控制端口开关操作，模拟信号操作和多段固定频率操作。运用PLC可以控制变频器的开关量的输入与否来控制了变频器，最终实现的对电机转速的调整。PLC的应用可以实现自动化的控制。避免看人的手动操作，实现了生产过程的自动化！三 PLC（可编程控制器）3.1 PLC简介 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。” 3.2 PLC基础知识 PLC的发展历程 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。3.3 PLC的特点 3.3.1 可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 3.3.2 配套齐全，功能完善，适用性强 PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 3.3.3 易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 3.3.4 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 3.3.5 体积小，重量轻，能耗低 以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 3.4 PLC的构成 从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 3.4.1 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中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 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。 在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。 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，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 3.4.2 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IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 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。 3.4.3 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）。 3.4.4 底板或机架 大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。整体式PLC组成示意图3.5 PLC的应用领域 目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。 3.5.1开关量的逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 3.5.2模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 3.5.3运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 3.5.4过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 3.5.5数据处理 现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 3.5.6通信及联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。 3.6 PLC的国内外状况 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable ,是世界上公认的第一台PLC. 限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。 20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。 3.7 PLC未来展望 21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用四、 PLC的选择4.1 选择要求 在制造业和过程工业中，除了以模拟量为被控对象的反馈控制外，还存在着大量的以开关量（数字量）为主的逻辑顺序控制，这一点在以改变几何形状和机械性能为特征的制造业中，尤为突出。它要求控制系统按照逻辑条件和一定的顺序、时序产生控制动作，并能够对来自现场的大量开关量、脉冲、计时、计数及模拟量的越限报警等数字信号进行监视和处理。这些工作在早期由继电-接触器电路来实现的，其缺点是体积庞大、故障率高、功耗大、不易维护、不易改造和升级等。而目前，PLC控制器的程序存储容量多以MB为单位，随着超大规模集成电路技术的发展，微处理器的性能大幅提高，指令执行速度达到微妙级，从而极大提高了PLC的数据处理能力，高档的PLC可以进行复杂的浮点数运算，并增加了许多特殊功能，如高速计数、脉宽雕制变换、PID闭环控制、定位控制等，从而在以模拟量为主的过程控制领域也占有了一席之地，在一定程度上具备了组建DCS系统的能力。此外，PLC的通信功能和远程I/O能力非常强大，可以组建成分布式通信网络系统。在组成结构上，PLC具有一体化结构和模块式结构两种模式。一体化结构的PLC追求功能的完善，性能的提高，体积越来越小，有利于安装。而模块式结构的PLC则利用单一功能的各种模块拼装成一台完整的PLC，用户在设计自己的PLC控制系统时拥有极大的灵活性，并使设备的性价比达到最优。同时，模块式结构也有利于系统的维护、换代和升级，并使系统的扩展能力大大加强。 可编程控制器的产生是基于工业控制的需要，是面向工业控制领域的专用设备，归纳为以下几点：1. 可靠性高，抗干扰能力强2. 灵活性强，控制系统具有良好的柔性。3. 通用性强，使用方便4. 功能强，适应面广5. 编程方法简单，容易掌握6. PLC控制系统的设计、安装、调试、维护方便7. 体积小、重量轻、功耗低 综上所述，设计用德国西门子S7-200型编程器。4.2 PLC的选型 一般选择PLC型号可以从对输入/输出点、存储容量、I/O响应时间、输出负载的特点、在线和离线编程等方面考虑。 4.2.1 PLC容量的选择首先对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O，以及这些I/O点的性质。I/O点的性质主要指它们是直流信号还是交流信号，它们的电源电压，以及输出是用继电器还是晶体管或是可控硅型。然后要对用户存储器容量进行估算。用户程序所需内存容量受到内存利用率、开关量输入/输出点数、模拟量输入/输出点数和用户编程水平等几个主要因素的影响。4.2.2 PLC机型的选择（1）功能方面 所有PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力完成控制任务。如对PLC与PLC、PLC与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通信要求；或对PLC的计算速度、用户程序容量等有特殊要求等。（2）价格方面不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O点数相当的PLC的价格能相差40%以上。因此，在使用PLC较多的情况下，价格比是一个重要的因素。（3）售后服务用户应考虑相关的技术支持，统一型号以方便维护，系统改造、升级等因素。PLC主机选定后，如果控制系统需要，则相应的配套模块也就选定了。如模拟量单元、显示设定单元、位置控制单元或热电偶单元等。（西门子200PLC）五 变频器的选择 西门子MM440的变频器具有很高的运行可靠性和功能的多样性。采用脉冲频率可选的专用脉宽调制技术，可使电动机低噪声运行。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护 西门子MM440变频器 （变频器输入） （变频器输出） （变频器与三相异步电机）西门子MM440单机实验电路图西门子变频器MM440通用参数5.1 交流电动机及其转速控制 从发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的，在我国是50Hz。交流电动机的同步转速 N1=60f1/p （5.1）式5.1中，N1为同步转速，单位是r/min；f1为定子电流频率，单位是Hz；p为电动机的磁极对数。异步电机转速 N= N1（1S）=60f1（1S）/p （5.2）式5.2中，S为异步电动机的转差率，S=（ N1N）/ N1。 以上两个式子说明，无论是同步电动机还是异步电动机，转速都与送人电动机的电流频率f成正比例变化，也就是说，改变电源频率可以方便地改变电动机的运行速度，也就是说变频对于交流电动机的调速来说是十分合适的。但是，从交流电动机诞生到变频器出现的近百年里，交流变频调速却一直只是人们的理想。在那个期间，交流异步电动机的调速主要采用变极调速及改变转差率调速。其中变极是改变定子绕组的接线以改变电动机的磁极对数的调速方法。这是一种有极调速，转速智能成倍地变化，是不连续的变化，而且制造工艺限制了电动机磁极对数种类的增加。改变转差率调速有转子调电路串电阻速、串极调速、改变定子电压调速等多种方法。其中，转子串电阻调速的调速范围不算小，但是实际应用中由于串入的电阻越大，转差率越大，转子铜损耗就也大，很不经济。而且串入的电阻越大，转速越不稳定。它是一种有极调速。串极调速的功率因数低。调压调速会使损耗增加。长期以来，电力拖动领域中要求平滑调速的场合一直是直流电机占据着统治地位。这是因为变频调速的关键设备，可调节频率的交流电源的制造是十分困难的。 这种局面随着通用变频器的诞生而发生了根本的变化。 变频器诞生以来，交流调速技术日益普及。变频器是一个新型高科技点在产品，它广泛应用于交流电动机的调速控制，变频调速的优点有：调速范围大；电源频率可以连续调节，转速可以平滑改变；变频时，电源电压按照不同频律变化，不仅可以实现恒转矩调速，还可以实现恒功率调速，以适应不同负载的要求。交流电动机以其结构简单，坚固耐用及变频器带来了良好的调速性能，这已经在调速应用中占据了主导地位。 5.2 变频器的基本工作原理及分类 5.2.1变频器的工作原理 变频器的主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，中间滤波电路以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。a.整流器（将恒压恒频的交流电变换为直流电）最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。b.中间滤波环节（对整流后的电压或电流进行滤波）将整流后的电压或电流进行滤波，减小电压和电流的波动。c.逆变器（将直流电变换成频率和电压都可调的交流电）同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个晶体管导通、关断就可以得到三相交流输出。6个晶体管导通或截止的规律是：（1）每个晶体管连续导通或截止半个周期；（2）任一个时刻都有3个晶体管导通；（3）每隔60相位角换流一次，换流发生在同一臂上。 实验一：面板基本操作控制 运用变频器自带的操作面板，对主要参数（最低频率，最高频率，点动正反向频率，点动斜坡上升下降时间等）的设定最终来控制电机的运行。实验二：端口开关操作运行控制 先对基本参数设定，做到一个约定的开关量接口控制方式。再将变频器的开关量端口与额外的开关连接。分别用四个开关控制电机的连续正反向运行，点动正反向运行。实验三：模拟量操作运行控制 先对基本参数设定，做到一个约定的模拟量控制方式。再将变频器的模拟量接口与模拟信号发生器(电位器）连接。控