桥式起重机变频调速控制系统设计论文(含中英文翻译)

前言桥式起重机作为物料搬运机械在整个国民经济中有着十分重要的地位，经过几十年的开展，我国桥式起重机制造厂和使用部门在设计、制造工艺、设备使用维修、管理方面，不断积累经验，不断改造，推动了桥式起重机的技术进步。但在实际使用中，传统桥式起重机的控制系统所采用交流绕线转子串电阻的方法进行启动和调速，继电—接触器控制，在工作环境差，工作任务重时，电动机以及所串连电阻烧损和断裂故障时有发生；继电—接触器控制系统可靠性差，操作复杂，故障率高；转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速不理想。所串连电阻长期发热，电能浪费大，效率低。要从根本上解决这些问题，只有彻底改变传统的控制方式。近年来，随着计算机技术和电力电子器件的迅猛开展，同时也带动电气传动和自动控制领域的开展。其中，具有代表性的交流变频调速装置和可编程控制器获得了广泛的应用，为PLC控制的变频调速技术在桥式起重机系统提供了有利条件。变频技术的运用使得起重机的整体特性得到较大提高，可以解决传统桥式起重机控制系统存在诸多的问题，变频调速以其可靠性好，高品质的调速性能、节能效益显著的特性在起重运输机械行业中具有广泛的开展前景。本次设计采用PLC和变频器技术，以PLC控制变频器，即以程序控制取代继电—接触器控制，控制变频器实现变频调速，设计出PLC控制的桥式起重机的变频调速系统，进而实现了起重机的半自动化控制。此系统特别适用于桥式起重机在恶劣条件下的工作情况，对改善桥式起重机的调速性能，提高工作效率和功率因数，减小起制动冲击以及增加起重机使用的平安可靠性是非常有益的。1绪论1.1桥式起重机电气传动技术的国内外开展概况电气调速控制的方法很多，对直流驱动来讲60年代采用发电机—电机系统。从控制电阻分级控制，到交磁放大控制，到可控硅SCR激磁控制，到主回路可控硅即晶闸管整流供电系统。随着电子技术的飞速开展，集成模块出现，计算机、微处理器应用，因此控制从分立组成模拟量控制开展至今天的数字量控制。从交流驱动来讲：常规的常采用绕线式电动机转子串电阻调速，为满足重物下放时的低速，一般依靠能耗制动、反接制动，后来还采用涡流制动，还有靠转子反响控制制动、反接制动、单相制动器抱闸松劲的所谓软制动，随着电子技术的开展，国内外开发研制变频调速，PLC可编程序控制器的应用控制系统的性能更加完美。目前国内外几种常用调速系统配置及其性能：l)DC-300直流驱动调速系统：GE公司DC-300，DC-2000是微处理器数字量控制的直流驱动调速系统，其控制功率从300HP到4000HP，并采用PLC对整机驱动系统实施故障诊断、检测、报警及控制。该驱动系统实施主回路SCR整流，其控制是给定模拟量通过数模转换成数字量，通过速度环、电流环到SCR移现触发的逻辑无环流的调速系统。可用测速反响或电压反响，对磁场弱磁，以实施恒功率控制。2)交流调速控制系统：对于起重机械来讲，交流驱动仍是国内普遍采用的方案而且多数停留在绕线式电机转子串电阻来调速。随着功率电子技术的开展，早在六十年代后期，国外就开始致力于晶闸管定子调压调速技术的开发研究。目前，该技术已进入了成熟稳定的开展应用阶段。日本安川电机制作所于1972年就正式定为VS系列，应用于起重机及轧机辅助设备的交流调速。法国、英国、德国等大电气公司亦在这方面展开了重点研制开发。借助电力电子技术、微电子技术的开展，由别离元件开展到大规模集成电路，从而实现控制部件的微型组件化、智能化、标准化、系列化，进而从模拟量控制开展到数字量控制。可编程序控制器PLC引入到交流电气传动系统后，使传动系统性能发生了质的变化。在桥式起重机实现了抓斗的自动控制和故障诊断、检测显示等，到达了新的技术高度。3)变频调速：变频调速技术是国际上各大电气公司在70年代末80年代投入全力研制、开发，也是国际国内这几年全力研制应用的目标与方向。这几年一些公司如德国SIEMENS，美国GE，日本三菱等推出全数字化的矢量控制技术，大功率的IGBT模块的出现使变频技术在起升机械、电梯等位能负载控制成为现实。目前，变频调速的控制方法有恒压频比控制，转差频率控制，矢量控制，直接转矩控制等。这些控制方法都得到了不同程度的应用，但其控制性能有一定的差异。直流电动机之所以与有良好的控制性能，其根本原因是当励磁电流恒定时，控制电枢电流的大小就能无时间滞后的控制瞬时转矩的大小。异步电动机产生瞬时转矩的原理虽然与直流电动机相同，但由于建立气隙磁场的励磁分量和电磁转矩所对应装置电流有功分量都应包含在定子电流中，无法直接将它们分开，在运行过程中，这两个分量有会互相影响。因此要控制异步电动机的瞬时转矩十分困难。像采用恒压频比控制、转差频率控制的变频调速系统由于是从控制电动机的平均转矩的角度出发来控制电动机的转速，因而难以获得较理想的动态性能，异步电动机在高精度调速系统和伺服系统中的应用受到限制。而矢量控制是从根本上解决了这个问题，使交流调速系统的应用范围迅速扩大。适用于通用的鼠笼式电动机，无速度传感器的矢量控制变频调速技术的应用，该技术使变频控制装置不再配套专用电机，而且可通过软件对一般的鼠笼式电机—矢量控制装置实施参数调整，进一步降低电气电机的投资而且维护保养方便。变频器使用PWM技术可严格地使输入电流正弦，即在下降过程各机械减速制动中，将动能和位能转化为电能反响电网，到达理想的节能指标，同时确保工况正常运行，上述开展己完成了产品系列化上市，对“变频”装置在技术上以及经济上与其他驱动装置竞争将有明显的优势。同时随着PLC系统的不断成熟与完善，以及大容量变频器在位能负载上的成功应用，变频调速系统必将成为未来调速市场的主流。1.2传统桥式起重机控制系统的特点和存在的问题桥式起重机作为物料搬运机械在整个国民经济中有着十分重要的地位，经过几十年的开展，我国桥式起重机制造厂和使用部门在设计、制造工艺、设备使用维修、管理方面，不断积累经验，不断改造，推动了桥式起重机的技术进步。但在实际使用中，结构开裂仍时有发生。究其原因是频繁的超负荷作业及过大的机械振动冲击所引起的机械疲劳。因此，除了机械上改良设计外，改善交流电气传动，减少起制动冲击，也是一个很重要的方面。由于传统桥式起重机的电控系统采用转子回路串接电阻进行有级调速，致使机械冲击频繁，振动剧烈，因此电气控制上应采用平滑的无级调速是解决问题的有效手段。传统的起重机驱动方案一般采用：〔1〕直接起动电动机；〔2〕改变电动机极对数调速；〔3〕转子串电阻调速；〔4〕涡流制动器调速；〔5〕可控硅串级调速；〔6〕直流调速。前四种方案均属有级调速，调速范围小，无法高速运行，只能在额定速度以下调速：起动电流大，对电网冲击大；常在额定速度下进行机械制动，对起重机的机构冲击大，制动闸瓦磨损严重；功率因数低，在空载或轻载时低于0.2~0.4，即使满载也低于0.75，线路损耗大。可控硅串级调速虽克服了上述缺点，实现了额定速度以下的无级调速，提高了功率因数，减少了起制动冲击，价格较低，但目前串级调速产品的控制技术仍停留在模拟阶段，尚未实现控制系统具有很好的调速性能和起制动性能，很好的保护功能及系统监控功能，所以有时采用直流电动机，而直流电动机制造工艺复杂，使用维护要求高，故障率高。由于传统桥式起重机的电控系统通常采用转子回路串接电阻进行有级调速，尽管起动性能与调速性能较交流鼠笼型电动机有很大改善，但由于采用有级调速，依然存在以下问题：1〕．控制档位较多时，控制电路复杂，系统的故障率较高；2〕．在换档时依然存在电流与转矩冲击，重载情况下尤为突出；3〕．低速定位时由于采用“倒拉反接制动”运行方式，转子中串入了较大电阻导致机械特性变得很软，低速定位困难；4〕．能量损耗大，特别是重载低速时的损耗尤其严重。1.3起重机调速技术的开展现状电动机的调速经过了很长时间的演变过程，一直以来人们在电动机的调速和转矩控制上做过了大量的研究，尝试过使用各种不同形式的调速方法，随着大功率和高开关频率的半导体器件的开发研制成功，以及计算机技术的普及应用，交流电动机的调速方式在近20年内取得了飞速开展，调速技术已经日趋成熟。根据异步电机的知识，电动机的转速可以用公式表示为：其中：—异步电动机的转速，单位为r/min；—定子的电源频率，单位为Hz；—电机的转速滑差率；—电机的极对数。由上面的公式，我们不难看出，要改变电机的速度，我们可以通过如下的方法：〔1〕改变极对数的调速；〔2〕改变转差率调速；〔3〕变频调速。旋转磁场的速度与定子的极对数有关，定子绕组进行切换就可以改变极对数，从而改变转速。但是从低极对数〔高速〕变换到高极对数，电机的实际速度会大幅度下降，如果切换速度很快，电机将会经历一个发电阶段，从而在电机及机械装置上产生较大的反向转矩。改变磁极对数方式属于有极调速，调速范围小。目前，在起重机上已经很少应用这种方式。改变转差率调速是目前起重机上应用较多的调速方式，转子串电阻、定子调压调速等均为这种调速方式，尤其是转子串电阻调速方式更为普遍。该方式依赖绕线电机转子局部串不同阻值的金属电阻来消耗局部能量以到达调速效果，但在低速区具有稳定性差、出力缺乏的缺点，在重载下降时要有第三方制动即拖拽才能保证重载不溜钩，这种制动方式常有能耗制动、涡流制动、单相制动等。由于采用了第三方的拖拽对电机的冲击较大，在能耗和单相制动要对电机注入直流电流和不平衡电流，在频繁使用过程中会使电机的温度过高，影响电机的绝缘寿命，加速了电机的老化过程。在机械平稳方面也由于制动的冲击力使振动加剧，加速了机械疲劳过程。随着电气设备自动化控制要求及可靠性的不断提高，变频器在各行各业中的应用越来越广泛。国内起重机采用变频器进行调速控制大概是从20世纪90年代初期，由于其较于传统起重机控制方式具有显而易见的优势，因此很快被起重机广阔用户所接受。早期在起重机上应用的变频器多用于行走机构〔即大、小车运行机构〕，随着变频技术的不断开展，以及各变频器生产厂家对高性能变频器从软、硬件的不断开发，在起升机构的应用也逐渐增多。众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能，并且易于实现、便于控制，在很长一段历史时期内，一直处于调速领域的绝对优势地。然而，直流电机结构复杂，制造费时，对运行环境要求较高，电刷易于磨损，维护麻烦，这些问题极大限制了直流调速系统的应用，而交流电机在这方面存在显著的优势。交流电动机因其结构简单、巩固耐用、运行可靠、本钱低、易维护、可适合于大容量调速和恶劣环境工作等优点，在工业领域得到广泛的应用。随着变频器的开展，逐渐取代直流调速而成为调速领域的领跑者。随着自动化技术的不断开展，电子元件制造工艺的不断进步，变频调速控制在起重机械中必将会得到更为广泛的应用。1.4本课题的研究意义和主要内容本课题中以桥式起重机作为研究实体，由上可知，传统桥式起重机的控制系统主要采用交流绕线转子串电阻的方法进行启动和调速，继电—接触器控制，这种控制系统的主要缺点有：1)桥式起重机工作环境差，工作任务重，电动机以及所串连电阻烧损和断裂故障时有发生；2)继电—接触器控制系统可靠性差，操作复杂，故障率高；3)转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速不理想，所串连电阻长期发热，电能浪费大，效率低。要从根本上解决这些问题，只有彻底改变传统的控制方式。近年来，随着计算机技术和电力电子器件的迅猛开展，同时也带动电气传动和自动控制领域的开展。其中，具有代表性的交流变频调速装置和可编程控制器获得了广泛的应用，为PLC控制的变频调速技术在桥式起重机系统提供了有利条件。变频技术的运用使得起重机的整体特性得到较大提高，可以解决传统桥式起重机控制系统存在诸多的问题，变频调速以其可靠性好，高品质的调速性能、节能效益显著的特性在起重运输机械行业中具有广泛的开展前景。由于起重机行业的特殊性，变频调速系统的应用相对滞后。采用变频调速取代传统的桥式起重机控制系统是近才开始应用的新技术。无论是在起重机老产品还是新产品设计，变频调速都是优选方案。变频调速装置的先进性能特别适用于起重机的恶劣工况，对改善起重机的调速性能，提高工作效率和功率因数，减小起制动冲击以及增加起重机使用的平安可靠性是非常有益的。相比拟兴旺国家而言，我国的相关技术水平差距较大。主要技术难度表达在：对起重机对电控系统运行的稳定性和可靠性要求愈来愈高，起重机的起重量及运行速度等技术参数越来越大，起重机的自动化程度越来越高，起重机对管理和通讯的性能要求越来越严格。为此，有必要对桥式起重机电控系统的应用研究。由变频器构成的交流调速系统可取代直流调速系统，是随着计算机技术特别是大规模集成电路制造技术的不断开展的必然结果，符合起重机的开展趋势，适合开展大起重重量的起重机；提高工作速度、扩大调速范围；提高金属结构、机构和电气设备的可靠性和使用寿命；改善司机操作的条件，保证作业平安，提高自动化控制程度和扩大远距离控制系统的使用范围尤其是把它们应用到作业频繁的仓库堆垛起重机和环境恶劣的冶金起重机上。也符合起重机向大型化、高效率化、无保养化和节能化开展，向自动化、智能化、集成化和信息化开展的方向。2三相异步电动机的变频调速调速就是在一定的负载下，根据生产的需要人为地改变电动机的转速。这是生产机械经常向电动机提出的要求。调速性能的好坏往往影响到生产机械的工作效率和产品的质量。2.1电动机的调速指标1)调速范围电动机在额定负载(电流为额定值)情况下所能得到的最高转速与最低转速之比称为调速范围，用D表示，即2)调速方向调速方向指调速后的转速比原来的额定转速(根本转速)高还是低。假设比根本转速高，称为往上调，比根本转速低，称为往下调。3)调速的平滑性调速的平滑性由一定范围内能得到的转速级数来说明。级数越多，相邻两转速的差值越小，平滑性越好。如果转速只能跳跃式的调节，例如只能从3000r/min一下调节到1500r/min，在又调节到1000r/min等，两者之间的转速无法得到，这种调速称为有级调速。如果在一定的调速范围内的任何转速都可以得到那么称为无级调速。无级调速的平滑性当然就比有级调速好。平滑的程度可用相邻两转速之比来衡量，称为平滑系数，即越接近于1，平滑性越好。无级调速时=1，平滑性最好。4)调速的稳定性调速的稳定性是用来说明电动机在新的转速下运行时，负载变化而引起转速变化的程度，通常用静差率来表示。其定义为：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降-与理想空载转速之比，即s越小，稳定性越好。静差率与机械特性的硬度有关。机械特性的硬度的定义为越大，转矩变化时，变化的程度就越小，机械特性就越硬，静差率就越小，稳定性就越好。静差率还与理想空载转速的大小有关。例如两条平行的机械特性硬度相同，在静差率公式中的-相同，由于不同，他们的s就不同，大的，s小，小的，s就大。生产机械在调速时，为保持一定的稳定性会对静差率提出一定的要求。静差率还会对调速范围起到制约的作用，因为如果调速时所得到的最低转速下的s太大，那么该转速性太差，便难以满足生产机械的要求。5)调速的经济性这要由调速时的初期投资，调速后的电能消耗以及各种运行费用的多少来说明。6)调速时的允许负载电动机在各种不同转速下满载运行时，如果允许输出的功率相同，那么这种调速方法称为恒功率调速；如果允许输出的转矩相同，那么这种调速的方法称为恒转矩调速。不同的生产机械对此的要求往往不同。例如切削机床，要求精加工小切削量时，工件转速高，粗加工大切削时，工件转速低。因此，它希望电动机能具有恒功率调速的性能。另一类生产机械，例如起重机、卷扬机等那么要求电动机在各种转速下都能输出同样的转矩，因此，它希望电动机具有恒转矩调速的性能[1]。2.2变频调速的根本原理根据异步电机的知识，异步电机的转速公式为：其中：—异步电动机的转速，单位为r/min；—定子的电源频率，单位为Hz；—电机的转速滑差率；—电机的极对数。三相异步电动机的调速方法可分为两大类：一类是通过改变同步转速来改变转速，具体方法有变极调速(改变)和变频调速(改变)；另一类是通过改变转差率来实现调速，这就需要让电动机从固有特性上运行改为人为特性上运行，具体方法有变压调速(改变)，转子电路串电阻调速(改变)，等等。由上式可知，如果改变输入电机的电源频率，那么可相应改变电机的输出转速。在电动机调速时，一个重要的因素时希望保持每极磁通量为额定值不变。磁通太弱，没有充分利用电机的磁心，是一种浪费；假设要增大磁通，又会使磁通饱和，从而导致过大的励磁电流，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，所以只要对电枢反响的补偿适宜，保持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。三相异步电动机每相电动势的有效值是：式中：—气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为V；—定子频率，单位为Hz；—定子每相绕组串联匝数；—定子基波绕组系数；—每极气隙磁通量，单位为Wb；由公式可知，只要控制好和，便可以控制磁通中不变，需要考虑基频(额定频率)以下和基频以上两种情况；1)基频以下调速当电源频率在基频以下调速时，电动机转速下降，但在调节电源频率的同时，必须同时调节电动机的定子电压，且始终保持常数，否那么电动机无法正常工作。这是因为三相异步电动机定子绕组相电压，当下降时，假设不变，那么必使电动机每极磁通增加，在电动机设计时，处于磁路磁化曲线的膝部，的增加将进入磁化曲线饱和段，使磁路饱和，电动机空载电流剧增，使电动机负载能力变小，而无法正常工作。为此，电动机在基频以下调速时，应使恒定不变。所以，在频率下调的同时应使电动机定子相电压随之下调，并使常数。可见，电动机额基频以下的调速为恒磁通调速，由于不变，调速过程中电磁转矩不变，属于恒转矩调速。2)基频以上调速当电源频率在基频以上调节时，电动机的定子相电压是不允许在额定相电压以上调节的，否那么会危及电动机的绝缘。所以，电源频率上调时，只能维持电动机定子相电压不变。于是，随着升高将下降，但上升，故属于恒功率调速。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，如图2-1所示。如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，那么电动机都能在温升容许的条件下长期运行，这时转矩根本上随磁通变化。在基频以下，属于“恒转矩调速”的调速，而在基频以上，根本上属于“恒功率调速”[2]。图2-1异步电动机变频调速控制特性Fig.2-1Variablefrequencyspeed-governingcontrolcharacteristicsofasynchronousmotor2.3三相异步电动机变频调速的机械特性2.3.1=常数时的变频调速机械特性下面来分析机械特性中的三个特殊点，并由此来决定机械特性。同步点：由，那么，下调，随之下降。最大转矩点：由c=常数，=常数，而临界转差率，临界转速降常数。因此，在不同频率下，最大转矩保持不变，且对应于最大转矩的转速降也不变。所以其机械特性根本上是平行的。但当下调过低时，因也很低，此时定子电阻上的压降已不能再忽略，而使、下降更严重，电动机的将变小。起动转矩点：电动机起动转矩。所以起动转矩随频率下降而增加。由此可画出=常数时，三相异步电动机变频调速特性如图2-2所示：图2-2三相异步电动机=常数变频调速机械特性Fig.2-2Mechanicalcharacteristicsofthree-phaseasynchronousmotor=constantvariableFrequencyspeed-governing2.3.2的变频调速机械特性同步点：由，那么，当调高时，随之上升。最大转矩点：由，当调高时，减小。起动转矩点：，当调高时，起动转矩大大减小。此时电动机机械特性如图2-3所示：图2-3时三相异步电动机变频调速机械特性Fig.2-3Mechanicalcharacteristicsofthree-phaseasynchronousmotorvariablefrequencyspeed-governing2.4变频器三相异步电动机变频调速所用的变频电源有两种，一种是变频机组，另一种是静止的变频装置变频器。前者由直流电动机和交流发电动机组成，调节直流电动机转速就能改变交流发电动机的频率，由于变频机组设备庞大，可靠性差。随着现代电力电子技术的飞速开展，静止式变频器已完全取代了早期的旋转变频机组。变频器的分类按变频的原理有交—交变频器和交—直—交变频器。前者是将频率固定的交流电源变换成频率连续可调的交流电源，其主要优点是没有中间环节，变换频率高，但其连续可调的频率范围较窄，一般在，故主要用于容量较大的低速拖动系统中。后者是将频率固定的交流电整流后变成直流，再经过逆变电路，把直流电逆变成频率连续可调的三相电流。由于把直流电逆变成交流电较易控制，因此在频率的调节范围、变频后电动机特性的改善等方面都具有明显的优势，目前使用最多的变频器均为交—直—交变频器。根据直流环节的储能方式不同，交—直—交变频器又分为电压型和电流型两种。电压型变频器是指变频器整流后是由电容来滤波，现在使用的交—直—交变频器大局部为电压型变频器。电流型变频器是指变频器整流后是由电感元件来滤波，目前少见。根据调压方式不同，交—直—交变频器又分成脉幅调制型和脉宽调制型两种。脉幅调制是指变频器输出电压大小是通过改变直流电压大小来实现的，常用PAM表示。这种调压方式很少使用。脉宽调制是指变频器输出电压大小是通过改变输出脉冲的占空比来实现的，常用PWM表示。目前使用最多的占空比按正弦规律变化的正弦脉宽调制，即SPWM方式。2.4.2变频器的主电路变频器的主电路包括整流电路、滤涉及限流电路、直流中间电路、逆变电路和能耗制动电路等局部组成，其中整流电路和逆变电路是很重要的两局部，下面简单介绍一下整流电路和逆变电路。1)．整流电路一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流电路按其控制方式，可以是直流电压源，也可以是直流电流源。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。此外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中有时还包括制动电阻以及其它辅助电路。2)．逆变电路逆变电路是变频器主要的局部之一。它是利用六个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中的主开关元器件的通与断，得到任意频率的三相交流电输出。由于逆变器的负载为异步电动机，属感性负载，无论电动机处于拖动状态还是发电制动状态，变频器功率因素总不会为1。因此，在直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量就靠这之间直流环节的储能元件来缓冲。它的主要作用是在控制电路的控制下，将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。2.4.3变频器的控制电路变频器控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个局部，是变频器的核心局部。控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣。控制电路的主要作用是完成对逆变器开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能。2.4.4交—直—交变频器这种变频器主要由整流调压、滤涉及逆变三局部组成，如图2-4所示。在此，仅对逆变器的工作原理作一介绍。图2-4交—直—交变频器Fig.2-4AC-DC-ACtransducer1)单相逆变电路图2-5为单相逆变电路原理图。当开关S1、S4同时闭合时，电压为正；开关S2、S3同时闭合时，电压为负。由于开关S1~S4的轮流通断，从而将直流电压逆变成了交流电压。可以看到在交流电变化的一个周期中，一个臂上的两个开关S1、S2交替导通，每个开关导通派的电角度。因此，交流电的频率可以通过改变开关通断的速度来调节，交流电压的幅值为直流电压幅值。a)主电路b)开关通断规律c)波形图图2-5单相逆变电路原理图a)maincircuitb)switchmakeandbreaklawc)oscillogramFig.2-5Single-phaseinvertschematiccircuit2)三相逆变电路图2-6为三相逆变电路原理图。图中开关S1~S6组成逆变电路。这6个开关交替的接通、关断，就可以在输出端获得一个相位互差的三相交流电压。当S1、S4闭合时，为正；当S2、S3闭合时，为负；当S3、S6闭合时，为正；当S5、S4闭合时，、、在相位上依次相差，各开关的接通、断开应符合一定的规律。由上可看出：各桥臂上的开关始终处于交替闭合、断开的状态；各相的开关顺序以各相的首端为准，互差电角度，如S3比S1滞后，S5比S3滞后。由以上分析可知，通过6个开关的交替工作可以得到三相交流电，只要调节开关的通断速度就可以调节电频率。a)主电路b)开关通断规律c)波形图图2-6三相逆变电路原理图a)maincircuitb)switchmakeandbreaklawc)oscillogramFig.2-6Priciplediagramofthree-phaseinvertingcircuit3)电压型交—直—交变频器的滤波器采用大容量的电容器。对逆变器来说，其直流电源的阻抗(包括滤波器)远小于逆变器的阻抗，故可将逆变器前面局部看作恒压源，其直流输出电压稳定不变。因此，经过逆变器切换后输出的交流电压波形接近于矩形波。图2-7为简单三相电压逆变器的主电路(不包括换流)图。假设每一个晶闸管的导通角为，且晶闸管按VT1、VT2、…、VT6的顺序触发导通，各触发信号彼此相位差为，换流瞬时完成，那么在任何瞬间，每个臂上只有一个VT导通，而三个臂上各有一个VF导通。该电路波形如图2-8所示。可见它是一个方段矩形组成的三相交流波形。图2-7三相桥式逆变电路主电路Fig.2-7Three-phasebridgetypemaincircuit图2-8三相逆变器输出电压波形图Fig.2-8Three-phaseinverteroutputvoltageoscillogram图2-7中与晶闸管VT反并联的二极管VD的作用是：在该晶闸管由截至转为导通时，给负载电流提供一条通路，通过二极管将无功能量反响给滤波电容。该电路结构简单，应用比拟广泛，其缺点是：电源侧功率因数低，因存在较大的滤波环节，故动态响应较慢。2.4.5脉宽调制型(PWM)变频器1)在一般的交直交变频器供电的变压、变频调速中，为获得变频调速所要求的变频与变压的协调控制，整流器必须是可控整流，这样在变频调速时要同时控制整流器和逆变器，这就带来一系列的问题。首先是主电路中有两个可控功率环节，这样使系统比拟复杂；第二由于中间环节存在动态元件，使系统的动态响应缓慢；第三由于整流器是可控的，使控电电源的功率因数随变频装置输出频率的降低而变差，并产生高次谐波电源；第四逆变器输出为六拍阶梯波交变电压，在拖动电动机中形成较多的各次谐波，从而产生较大的脉动转矩，影响电动机的稳定工作，低速时尤为严重。为解决上述问题，采用脉冲宽度调制(PWM)控制方式。图2-9为PWM逆变器示意图，在该逆变器电路中，同时进行输出电压幅值与频率的控制，满足变频调速对电压与频率协调控制的要求。这样，首先使主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构；第二使用了不可控整流器，使电网功率因数与逆变器输出电压的大小无关而接近1；第三逆变器在调节的同时实现调压，而与中间直流环节的元件参数无关，加快了系统的动态响应；第四可获得比常规六拍阶梯波更好的输出电压波形，能抑制或消除低次谐波，使负载电动机可在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉冲小，大大扩展了拖动系统的调速范围，提高了系统性能。图2-9PWM逆变器组成Fig.2-9PWMinverterstructurediagram2)脉宽调制器的根本工作原理脉宽调制是将输出电压分解成很多的脉冲，调频时控制脉冲的宽度和脉冲间的间隔时间就可控制输出电压的幅值，如图2-10所示。从图中可以看到，脉冲的宽度越大，脉冲的间隔越小，输出电压的平均值就越大。为了说明、和电压平均值之间的关系，我们引入了占空比的概念。所谓占空比是指脉冲宽度与一个脉冲周期比值，用表示，即。因此，可以说输出电压的平均值与占空比成正比，调节电压输出就可以演化为调节脉冲的宽度，所以称为脉宽调制。图2-10a为调制前的波形，电压周期为，图2-10b为调制后的波形，电压周期为。与a图相比，b图的电压周期增大(也就是说频率降低)，电压脉冲的幅值不变，仍为，而占空比那么减小，故平均电压降低。a)调制前的波形b)调制后的波形图2-10脉宽调制的输出电压a)modulatelatewaveformb)modulaterearwaveformFig.2-10TheoutputvoltageofthePWM由于变频器的输出是正弦交流电，即输出电压的幅值是按正弦波规律变化，因此在一个周期内的占空比也必须是变化的，也就是说在正弦波的幅值局部，取大一些，在正弦波到达零处，取小一些，如图2-11所示。可以看到这种脉宽调制，其占空比是按正弦规律变化的，故这种调制方法叫正弦波脉宽调制，即SPWM。图2-11正弦波脉宽调制的输出电压Fig.2-11TheoutputvoltageoftheSPWMSPWM的脉冲系统中，各脉冲的宽度t1和脉冲的间隔t2都是变化的。为了说明其调制原理，见图2-12PWM逆变器简单原理图，图中V1~V6为绝缘栅双极晶体管，由他们的交替切换来获得交流信号的输出。当V1导通时，在A相负载上得到的电压与V2导通时在A相负载上得到的电压方向相反。因此，V1、V2的轮流导通就可得到A相交流电压的正、负半周。同时，其他管子的导通亦可得到三相交流电的B相和C相。在变频器中，V1、V2的导通、截止是由调制波和载波的交点来决定的。在这里，把希望得到的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到期望的PWM波形。图2-12PWM逆变器简单原理图Fig.2-12PriciplediagramofPWMinverter3)单极性SPWM在单极性的调制方式中，调制波为正弦波载波为单极性的等三角形，即调制波为正半周时，载波为正极性的三角波，调制波为负半周时，载波为负极性的三角波，如图2-1所示(仅画出了正半周)。V1、V2的导通、关断条件可用表2-3表示(以A相为例)。表2-1单极性SPWM调制规律Tab.2-1UnipolaritySPWMmodulatelaw正半周V1导通V2截止正半周V1关断V2截止负半周V2导通V1截止负半周V2关断V1截止a当<时，逆变管V1、V2导通，决定了SPWM系列脉冲的宽度；当<时，逆变管V1、V2截止，决定了SPWM系列脉冲的间隔宽度。图2-13单极性SPWM调制Fig.2-13UnipolaritySPWMmodulation假设降低调制波的幅值，见图2-13中的，各段脉冲的宽度将变窄，从而使输出电压的幅值也相应减少。b每半个周期内逆变桥同一桥臂的两个逆变管中，只有一个按规律时通时断地工作，另一个那么完全截止。而在另一个周期内，两个管子的工作情况正好相反，于是流经负载的电流为正负交替的交变电流了。由此可见，单极性SPWM逆变器的输出交流电压和频率均可由调制波电压来控制。只要改变的幅值，就改变了输出电压的大小；而改变的频率，输出电压的频率也随之改变。由于控制对象只有一个，所以控制电路相对要简单一些图2-14双极性SPWM调制波形Fig.2-14BipolaritySPWMmodulationwaveform4)双极性脉宽调制假设调制波信号与载波信号均为双极性信号，即在的半个周期内，三角形载波是在正、负两个方向变化的，称为双极性脉宽调制，这种调制方法是目前使用最多的方法。在双极性SPWM方法中，所用的调制信号未可变频变幅的三相对称普通正弦波、、，其载波信号为双极性三角波，如图2-14a所示。现仍以A相为例，说明双极性脉宽调制原理。a双极性SPWM调制规律：不分正、负半周，>时，V1导通，V2截止，输出为正，即为的正脉冲宽度；<时，V2导通，V1截止，输出为负，即为的负脉冲宽度，见图2-14b同理可画出、的输出波形，见图2-14c与图2-14d。b调制波和载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉冲系列也是双极性的，如图2-14b所示。由于线电压=-，所以线电压的脉冲是单极性的，如图1-12e所示。c逆变桥在工作时，同一桥臂的两只管子不停地交替导通、关断。而流过负载的电流是按现电压规律的交变电流[3]。3桥式起重机变频调速控制系统总体方案设计和部件选型3.1概述桥式起重机拖动系统的构成桥式起重机俗称行车，是工矿企业中应用得十分广泛的一种起重机。其运行机构由三个根本独立的拖动系统构成：1)大车拖动系统拖动整台起重机顺着车间作“横向”运动(以操作者的坐标为准)。2)小车拖动系统拖动吊钩及重物顺着桥架作“纵向”运动。3)吊钩拖动系统拖动重物作吊起或放下的上、下运动。3.1.2桥式起重机的负荷特点和对拖动系统的要求1)负荷特点各拖动系统得负荷转矩都与“阻力”和回转半径的乘积成正比：=(3-1)在大车和小车拖动系统中，是摩擦力，而在吊钩拖动系统中，是被吊物和吊钩的重力。由式3-1可知，负载转矩的大小与速度无关，因而具有“恒转矩”的特点。2)对拖动系统的要求大车和小车对拖动系统的要求较为一般，这里重点介绍对吊钩拖动系统的要求。a在全调速范围内，电动机的有效转矩线应是恒转矩的；b起动时，除上述负载转矩外，还必须克服静摩擦力。所以，拖动系统应有足够大的启动转矩；c重物下降时，除空钩和极轻负载外，在绝大多数情况下，都是依靠自身的重力而下降的。为了克服重物因重力加速度而不断加速，电动机必须产生足够的制动转矩，使重物在所需转速下平稳下降；d重物在空中停住的前后，不能发生“溜钩”。原拖动系统的主电路原拖动系统的主电路如图3-1所示，其主要特点是：1)选用电动机大多采用绕线转子异步电动机；2)调速方法在电动机的转子回路内串人五段外接电阻R1~R5(也有七段或更多)，由接触器KM1~KM4的状态来决定串入电阻的多少，从而调整电动机的转速上下；3)制动方法采用电磁制动器进行机械制动。图3-1原拖动系统的主电路Fig.3-1Maincircuitoforiginaldrivingsystem3.2采用变频调速的根本考虑3.2.1主拖动系统1)电动机选型a大车与小车用电动机可选用普通的笼型转子异步电动机；b吊钩用电动机由于要求较高，应选用变频专用的笼型转子异步电动机；2)制动方法采用再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的方法。a首先，通过变频调速系统的再生制动和直流制动把运动中的大车、小车或吊钩迅速而准确地将转速降为0(使它们停住)；b对于吊钩，常常需要重物在半空中停留一段时间(如重物在空中平移时)，而变频调速系统虽然能使重物停住，但因容易受到外界因素的干扰(如在平移过程中常易出现的瞬间断电)，可靠性较差。因此，利用电磁制动器进行机械制动仍然是必须的。3.2.2对电动机运行状态的分析大车与小车拖动系统的运行状况与普通负载无异，本节只分析吊钩拖动系统的各种运行状态。1)空钩(包括极轻负载)运行由于吊钩的机械系统采用了蜗轮蜗杆减速，具有自锁功能，故空钩时的负载转矩主要由摩擦阻力构成。a上升运行重物的上升，完全是电动机正向转矩作用的结果。这时，电动机的旋转方向与转矩方向相同，电动机处于电动状态，其机械特性在第I象限，工作点如图3-2中的A点(高速)与B点(低速)所示。b下降运行由于蜗轮蜗杆自锁的原因，空钩及轻载时是无法靠自重放钩的，故下降运行只能通过反接电源来实现。电动机的旋转方向仍与转矩方向相同，但方向反了，其机械特性在第3象限，工作点如图3-2中的C点(高速)与D点(低速)所示。图3-2不同状态下电动机的工作点Fig.3-2Operatingpointofelectricmotorunderdifferentconditions2)重载运行负载加重时，工作点将右移。a上升运行工作点右移至点和点。b下降运行工作点右移至第4象限，如图3-2中的点(高速)与点(低速)所示。这时，由于重力加速度的原因，电动机的旋转速度将超过同步转速而进入再生制动状态。电动机的旋转方向是反转(下降)的，但其转矩的方向却与旋转方向相反，是正方向的，其作用是防止重物不断下降，故重量相同的重物在下降时构成的负载转矩比上升时小。3.2.3变频调速系统的控制要求桥式起重机拖动系统的控制动作包括：大车的左、右行及速度档次；小车的前、后行及速度档次；吊钩的升、降及速度档次等。所用这些，都可以通过可编程控制器(PLC)进行无触点控制。桥式起重机控制系统中需要引起注意的是关于防止溜钩的控制。在电磁制动器抱住之前和松开之后的瞬间，极易发生重物由停住状态下滑的现象，称为溜钩。防止溜钩的控制需要注意的关键问题是：1)电磁制动器在通电到松开(或从断电到抱住)之间是需要时间的，约0.6s(视型号和大小而定)。因此，变频器如过早停止输出，将容易溜钩；2)变频器必须防止在电磁制动器抱住得情况下输出较高频率，以免发生因“过流”而跳闸的误动作。为此，具体控制方法如下：1)重物停住的控制过程如图3-3所示：图3-3重物停住的控制过程Fig.3-3Controlprocessofheavyitemanchorsa设定一个“停止起始频率”，当变频器的工作频率下降到时，变频器将输出一个“频率到达信号”。发出制动电磁铁断电指令；b设定一个的维持时间，的长短应略大于制动电磁铁从开始释放到完全抱住所需要的时间；c变频器将工作频率下降至0。2)重物升降的控制过程a设定一个“升降起始频率”，当变频器的工作频率上升到时，将暂停上升。为了确保当制动电磁铁松开后，变频器已能控制重物的升降到不会溜钩，所以，在工作频率达的同时，变频器将开始检测电流，并设定检测电流所需时间；b当变频器确认已经有足够大的输出电流时，将发出一个“松开指令”，使制动电磁铁开始通电；c设定一个的维持时间，的长短应略大于制动电磁铁从通电到完全松开所需要的时间；d变频器将工作频率上升至所需频率。上述过程如图3-4所示：图3-4重物升降的控制过程Fig.3-4Controlprocessofheavyitemfluctuation3)变频器的零速全转矩功能和直流强励磁功能为了有效地防止溜钩，某些新型变频器设置了一些独特的制动功能，如：a零速全转矩功能变频器可以在速度为0的状态下，保持电动机有足够大的转矩，且不需要速度反响装置。这一功能保证了吊钩由升降状态降速为0时，电动机能够使重物在空中停止，直到电磁制动器将轴抱住为止，从而防止了溜钩。b启动前的直流强励磁功能变频器可以在启动前自动进行直流强励磁。使电动机有足够大的转矩(可达额定转矩的200%)维持重物在空中的停住状态，以保证电磁制动器在释放过程中不会溜钩[4]。桥式起重机采用变频调速的优点1)工作可靠性显著提高主要有以下几个方面：a消除了电动机的薄弱环节由于用笼型转子异步电动机取代了绕线转子异步电动机，从而消除了电刷和滑环等薄弱环节。b制动电磁铁的寿命可大大延长原拖动系统是在运动的状态下进行抱闸的，采用变频调速后，可以在根本停住的状下进行抱闸，闸皮的磨损情况将大为改善；c操作手柄不再易损原系统的操作手柄因受力较大，属于易损件。采用变频调速后，操作手柄的受力将很小，不易损坏；d控制系统的故障率大为下降原系统是十分复杂的接触继电器系统进行控制的，故障率较高。采用了变频调速系统后，控制系统可大大简化，可靠性大为提高。2)节能效果十分可观绕线转子异步电动机在低速运行时，转子回路的外接电阻内将消耗大量电能。采用了变频调速系统后，非但外接电阻内消耗的大量电能可以完全节约，并且在吊钩放下重物时，还可以将重物释放的位能反响给电源。3)调速质量明显提高采用了变频调速系统后，调速比可达1：50以上，调速精度达1%。且调速平稳，能够长时间低速运行，具有很高的定位精度和运行效率。4)可简化传动链由于可以进行无级调速，从而在机械上省去了非标设计的减速箱，使传动链结构简单，设计标准化。3.3桥式起重机变频调速控制系统本次设计是为125/15t桥式起重机设计一套变频调速系统，在设计中，其大、小车运行机构及提升机构均采用变频调速，并应用可编程序控制器(PLC)进行信号协调和逻辑控制。系统结构如图3-1所示：图3-5系统结构Fig.3-5Systemblockdiagram3.3.1主要技术规格1)起重量a主起升125t；b副起升15t；2)起升速度a主起升1.8/0.18m/min；b副起升7.23/0.723m/min；3)运行速度a大车23.5/4m/min；b小车12.3/3m/min；3.3.2对调速系统的主要技术要求1)主、副起升机构的调速比为1:10；大车运行机构的调速比为1:6；小车运行机构的调速比为1:4。2)系统在整个调速范围内，从空载到满载，必须做到工作正常、运行平稳。各机构正、反向工作的转换时间应小于2s。3)起升机构在不同负载下，各档转速在切换时无冲击现象；额定载荷时各档次切换时的溜钩距离不得超过额定上升速度的1/65。4)起升机构应保证能起吊1.25倍额定载荷的重物，能在空中停住，且不溜钩。5)从全速运行到完全停住的制动时间：起升机构不大于2s；大车不大于3s；小车不大于2s。3.3.3系统配置及选型1)电动机的选型大、小车选用普通电机，提升机构那么选用YTSP系列变频调速专用电机，其主要特点如下：a对定、转子槽形和定子绕组的分布作了特殊考虑可抑制高次谐波的影响。b电磁负荷设计考虑了一定的裕度，既能保证电机在高频时的过载能力，又能在低频时有恒转矩的输出。c使用F级绝缘系统，在高次谐波作用下仍可保证可靠绝缘。d采用独特的冷却结构，使用单独的轴流风机强迫通风，从而保证了电机在低速恒转矩运行时温升不超过允许值。e能承受160%额定转矩、历时1min的过载；堵转转矩大于额定转矩的1.25倍。f可安装旋转编码器等速度反响器件，实现闭环运行。2)变频器的选型某些公司已有针对起重机的专用变频器，但价格昂贵。本次设计选用的是安川VS-616G5系列变频器，该变频器具有如下特点：a有全程磁通矢量控制。在1Hz的低频下，即使无速度反响环节，也能提供150%额定转矩的启动转矩。如增加速度反响环节，可以做到零速控制(即使在零速下也有150%额定转矩输出)。b可配备制动单元，实现四象限运行，而且动态响应好。c在全速范围内具有恒转矩特性。无速度反响时，速比为1000:1，控制精度为0.2%；有速度反响时，速比达1000:1，控制精度为0.02%，完全满足要求。综合上述，选定各传动机构的配置见表3-1。表3-1变频调速系统的配置Tab.3-1Frequencyconversionvelocitymodulationsystemconfiguration变频器VS-616G5的容量/kW电机型号〔容量/kW〕备注主起升机构55YTSP280M-8(45)变频电机带旋转编码器副起升机构30YTSP200M-6(22)变频电机带旋转编码器大车22YZ160M-6(7.52)普通电机小车7.5YZ160L-8(7.5)普通电机3.3.4系统介绍1)大、小车运行机构见表3-1，小车由单台电动机拖动，并由单独得变频器供电；大车为双梁结构，分别用两台7.5kW的电动机拖动，由一台功率较大的变频器22kW供电。大、小车变频器都预置V/F控制方式，不带旋转编码器。2)主、副起升机构主、副起升机构都采用变频电机并装有旋转编码器。变频器附有PG—B2速度反响控制卡并预置为电流矢量控制方式。主、副起升机构的系统根本相同，3)制动单元与制动电阻本系统对于重物下降时电动机再生电能，采用由变频器直流回路内接入制动单元和制动电阻消耗掉的方式。针对桥式起重机的主、副起升机构起、制动频繁，要求制动转矩较大，以及下降时处于制动状态的持续时间较长等特点，因此：a制动单元应加大一个档次，以便允许有较大的制动电流，缩短制动过程；b制动电阻的额定功率应加大一倍。4)溜钩的防止本系统中，由于变频器具有零速下的转矩控制功能，故只需通过PLC和变频器之间信号的适当配合，即可圆满解决溜钩问题。4可编程序控制器4.1概述可编程控制器的产生随着社会的开展，科技的进步，新的控制器件及其控制系统不断的涌现。1968年美国通用汽车公司(GM)公开招标研制功能更强，使用更方便，价格廉价，可靠性更高的新型控制器。一年后美国数字设备公司(DEC)根据GM公司的招标要求，研制成功世界上第一台可编程序控制器，型号PDP-14，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功。这就较好地把继电接触控制简单易懂，使用方便、价格低等优点与计算机功能完善、灵活性强、通用性好的优点结合起来，并将继电接触控制的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想逐步变成为现实。当时人们把第一台可编程控制器叫做可编程序逻辑控制器PLC，只是用来取代继电接触控制，仅有执行继电器逻辑、定时、记数等较少的功能。20世纪70年代中期出现了微处理器和微型计算机，人们把微型计算机应用到可编程控制器中，使得它兼有计算机的一些功能，不但用逻辑编程取代了硬连线逻辑，还增加了运算、数据传送与处理及对模拟量进行控制等功能，使之真正成为一种电子计算机工业控制设备。1980年美国电气制造协会(NationElectricalManufactorersAssociation简称NEMA)把这种新的控制设备正式命名为可编程程序控制器(ProgrammableController简称PC)。但为了与个人计算机的专称PC相区别，故常常把可编程序控制器简称为PLC，1987年美国电气制造协会给出的可编程序控制器的定义为：可编程序控制器是一种带有指令存储和数字或模拟I/O接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、记数和算术运算功能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置。随着科学技术的进步和可编程序控制器的不断开展，功能不断增强，其定义也会发生变化。可编程序控制器的主要功能近年来PLC把自动化技术、计算机和通信技术融为一体。它可完成以下主要功能：1)逻辑控制PLC具有逻辑运算功能，它设置有“与”、“或”、“非”等逻辑指令，能够描述继电器触点的串联、并联、串并联、并串联等各种连接。因此它可以代替继电器进行组合逻辑与顺序逻辑控制。2)定时控制PLC具有定时控制功能。它为用户提供了假设干个定时器并设置了定时指令。定时值可由用户在编程时设定，并能在运行中被读出与修改，使用灵活，操作方便。3)记数控制PLC还具有记数功能。它为用户提供了假设干个计数器并设置了计数指令。计数值可由用户在编程时设定，并可在运行中被读出或修改，使用与操作都很灵活方便。4)步进控制PLC能完成步进控制功能。步进控制是指在完成一道工序以后，再进行下一步工序，也就是顺序控制。PLC为用户提供了假设干个移位存放器，或者直接有步进指令，可用于步进控制，编程与使用很方便。5)A/D、D/A转换有些PLC还具有“模数”(A/D)转换和“数模”(D/A)转换功能，能完成对模拟量的控制和调节。6)数据处理有的PLC还具有数据处理能力，并具有并行运算指令，能进行数据并行传送、比拟和逻辑运算，BCD码的加、减、乘、除等运算，还能进行字“与”、字“或”、字“异或”、求反、逻辑移位、算术移位、数据检索、比拟、数制转换等操作，并可对数据存储器进行间接寻址，与打印机相连而打印出程序和有关数据及梯形图。7)通信与联网有些PLC采用了通讯技术，可以进行远程I/O控制，多台PLC之间可以进行同位链接，还可以与计算机进行上位链接，接受计算机的指令，并将执行结果告诉计算机。由一台计算机和假设干台PLC可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以完成较大规模的复杂的控制。8)对控制系统监控PLC配置有较强的监控功能它能记忆某些异常情况，或当发生异常情况时自动终止运行。在控制系统中，操作人员通过监空命令可以监视有关局部的运行状态，可以调整定时或记数等设定值，因而调试、使用和维护方便。可以预料，随着科学技术的不断开展，PLC的功能也会不断拓宽和增强。由此可见，可编程序控制器的应用场合是很广泛的。可用于开关逻辑控制；定时和记数控制；闭环控制；机械加工数字控制；机器人控制；多级网络控制等。PLC的主要优点1)编程简单PLC的设计者在设计PLC时已充分考虑到使用者的习惯和技术水平及用户的方便，构成一个实际的PLC控制系统一般不需要很多配套的外围设备；PLC的根本指令不多；常用于编程的梯形图与传统的继电接触控制线路图有许多相似之处；编程器的使用简便；对程序进行增减、修改和运行监视很方便。因此对编制程序的步骤和方法，容易理解和掌握，只要具有一定文化水平和电气知识，都可以在较短的时间内学会。2)可靠性高PLC是专门为工业控制而设计的，在设计与制造过程中均采用了诸如屏蔽、滤波、隔离、无触点、精选元器件等多层次有效的抗干扰措施，因此可靠性很高，其平均故障时间间隔为2万小时以上。此外，PLC还具有很强的自诊断功能，可以迅速方便地检查判断出故障，缩短检修时间。PLC可靠性高的原因在后面还会作较具体的介绍。3)通用性好PLC品种多，档次也多，可由各种组件灵活组合成不同的控制系统，以满足不同的控制要求。同一台PLC只能改变软件那么可实现控制不同对象或不同的控制要求。在构成不同的PLC的控制系统时，只需在PLC的输入输出端子上接上不同的相应的输入输出信号，PLC就能接收输入信号和输出控制信号。可见，PLC的通用性好。4)功能强PLC具有很强的功能，能进行逻辑、定时、计数和步进等控制，能完成A/D与D/A转换、数据处理和通信联网等功能。而且PLC技术开展很快，功能不断增强，应用领域会更广。5)使用方便PLC体积小，重量轻，便于安装。PLC编程简单，编程器使用简便。PLC自诊断能力强，能判断和显示出自身故障，使操作人员检查判断故障方便迅速，而且接线少，维修时只需更换插入式模块，维护方便。修改程序和监视运行状态也容易。6)设计、施工和调试周期短PLC在许多方面是以软件编程来取代硬件接线，用PLC构成的控制系统比拟简单，编程容易，安装使用方便，目前的PLC已商品化，硬件软件较齐全，为模块化积木式结构，不需要很多配套的外围设备和大量的复杂的接线，程序调试修改也很方便。因此可大大缩短PLC控制系统的设计、施工和投产周期。从上述PLC的功能特点可见，PLC控制系统比传统的继电接触控制系统具有许多优点，在许多方面可以取代继电接触控制。但是PLC也有其缺点：目前价格还比拟高；工作速度比计算机慢；使用中档和高档PLC，要求使用者具有相当的计算机知识；PLC制造厂家和PLC品种类型很多，而指令系统和使用方法不尽相同，这给用户带来不便。4.2PLC的应用与开展自从美国研制出世界第一台PLC以后，日本、德国、法国等工业兴旺国家相继研制出各自的PLC。20世纪70年代中期在PLC中引入了微机技术、使PLC的功能不断增强，质量不断提高，应用日益广泛。目前PLC已广泛应用于汽车制造、石油、化工、冶金、轻工、机械、电力等各行各业，实现逻辑、步进、数字、机器人、模拟量等的自动控制，有人认为PLC已成为工业控制领域中占主导地位的根底自动化设备。据资料介绍，美国一家公司曾经对美国石油化工、冶金、食品、制药、机械等行业400多个工厂企业进行调查的结果说明，PLC的需求量占各类自动化仪表或自动化控制设备之首，有82%的厂家使用PLC。1971年日本从美国引进PLC技术，很快就研制出日本第一台DSC-8型PLC，早在1984年日本就有30多个PLC的生产厂家，产品60种以上。西欧在1973年已研制出他们的第一台PLC，并且开展很快，年销售增长率在20%以上。目前世界上众多PLC制造厂家中，比拟著名的几个大公司有美国AB公司、歌德公司、德州仪器公司、通用电气公司，德国的西门子公司，日本的三菱、东芝、富士和立石公司等。他们的产品控制着世界上大局部的PLC市场。PLC技术已成为工业自动化三大技术(PLC技术、机器人、计算机辅助设计与分析)支柱之一。我国研制与应用PLC起步较晚，1973年开始研制，1977年开始应用，20世纪80年代初期以前开展较慢，20世纪80年代随着成套设备或专用设备引进了不少PLC，例如宝钢一期工程整个生产线上就使用了数百台的PLC，二期工程将使用更多的PLC。近几年来国外PLC产品大量进入我国市场，我国已有许多单位在消化吸收引进PLC技术的根底上，仿制或研制PLC产品。20世纪80年代中后期，我国开发应用PLC技术开展迅速，例如资料介绍东风汽车公司装备系统从1986年起，全面采用PLC对老设备进行更新改造，至1991年止一共改造设备1000多台，并取得了明显的经济效益。1995年广州第二电梯厂，已把PLC成功地应用于技术要求复杂的高层电梯控制上，并已投入批量生产。广东佛山市中联陶瓷窑炉、陶瓷输送线等生产线和其它自动控制生产设备上。从近几年召开的学术会议及有关文献介绍可见，我国研制尤其是应用PLC技术日益广泛，更加成熟。目前PLC开展方向主要是朝着小型化、廉价化、标准化、系列化、智能化、高速化、大容量化、网络化方向开展，这将使PLC功能更强，可靠性更高，使用更方便，适用面更广[5]。4.3PLC的系统组成PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统根本相同。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式。整体式PLC是将中央处理器(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的I/O扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，I/O单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能工//0单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相连.装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过lom无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配合与组合。它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。1)中央处理单元(CPU)中央处理单元一般由控制器、运算器和存放器组成，这些电路都集成在一个芯片内，CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接。它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务：a接收并存储从编程器输入的用户程序和数据：b诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误：c用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据存放器保存起来；dPLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作；e将用户程序的执行结果送至输出端。2)存储器根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种：a系统程序存储器和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这局部程序的。系统程序是不能有用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM.b用户程序存储器用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中，由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。由于RAM掉电会失去数据，因此使用RAM作用户存储器的PLC，都用后备电池保护RAM，以免电源掉电时，失去用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写于EPROM。目前较先进的PLC采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会失去，不需要后备电池保护。c工作数据存储器工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这局部数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储区中，开辟有元件映像存放器和数据表。元件映像存放器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器。计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来在存放A/D转换得到的数字和数字运算的结果等。根据需要，局部数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可以保持数据的存储器区域称为数据保持区。3)I/O单元I/O单元也称为I/O模块。PLC通过I/O单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入映像存放器。运行时CPU从输入映像存放器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像存放器。输出映像存放器由输出点对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备的执行元件。4)电源局部PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V，+12V，+24V的直流电源，使PLC能正常工作，电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的CPU，通常电源封装到机壳内部：对于模块式PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。5)扩展接口扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与根本单元相连，使PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。6)通信接口为了实现“人一机”或“机一机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的PLC或计算机相连。当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印；当与监视器(CRT)相连时，可将过程图像显示出来；当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或连成网路，实现更大规模的控制；当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合性控制。7)编程器编程器的作用是提供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将体形图转化为机器语言助记符后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二级管或其他显示管件组成。智能型的编程器又称为图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRT图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。还可以利用PC作为编程器，PLC生产厂家配有相应的编程软件，使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，井可以实现不同编程语言的互相转换。程序被下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。现在已有些PLC不再提供编程器，而且提供微机编程软件了，并且配有相应的通信连接电缆[6]。4.4PLC的工作原理PLC的工作原理、运行方式与传统的继电器、接触器构成的控制系统是不相同的。继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点〔包括其常开或常闭触点〕在继电器控制线路上都会立即同时动作。PLC的CPU那么采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点〔包括其常开或常闭触点〕不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ｍｓ以上，PLC采用的是不同于一般微型计算机的运行方式一扫描技术，PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ｍｓ。PLC的扫描工作过程一般分为3个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新3个阶段。完成上述3个阶段称作1个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述3个阶段。1)．输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/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描出刷新阶段。在这2个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的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，那么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。2)．用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序〔梯形图〕。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，刷新该逻辑线圈在系统RAM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。3)．输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进人输出刷新阶段。在此期间，CPU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PLC的真正输出。至此，PLC完成了1个工作周期。4.5PLC抗干扰分析随着科学技术的开展，PLC在工业控制中的应用越来越广泛。PLC控制系统的可靠性直接影响到工业企业的平安生产和经济运行，系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。自动化系统中所使用的各种类型PLC，有的是集中安装在控制室，有的是安装在生产现场和各电机设备上，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。要提高PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家用提高设备的抗干扰能力；另一方面，要求工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。4.5.1干扰源及干扰一般分类影响PLC控制系统的干扰源与一般影响工业控制设备的干扰源一样，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，这些电荷剧烈移动的部位就是噪声源，即干扰源。干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声干扰模式和噪声的波形性质的不同划分。其中：按噪声产生的原因不同，分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等；按噪声的波形、性质不同，分为持续噪声、偶发噪声等；按噪声干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。共模干扰和差模干扰是一种比拟常用的分类方法。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态(同方向)电压迭加所形成。共模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的配电器供电室，变送器输出信号的共模电压普遍较高，有的可高达130V以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏(这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因)，这种共模干扰可为直流、亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种将直接叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。4.5.2PLC控制系统中电磁干扰的主要来源1)来自空间的辐射干扰

空间的辐射电磁场(EMI)主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电播送、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。假设PLC系统置于所射频场内，就会受到辐射干扰，其影响主要通过两条路径：一是直接对PLC内部的辐射，由电路感应产生干扰；二是对PLC通信内网络的辐射，由通信线路的感应引入干扰。辐射干