基于plc控制的变频调速在物料搅拌中的应用

基于plc控制的变频调速在物料搅拌中的应用内容摘要：

统。 变压变频调速系统中，调速时，须调节定子电压和频率，在这种 情况下，机械特性基本上平行移动，而转差率不变，它是当前交流调速的主要发展方向。 本文研究了变频调速技术在生产中的应用，并且根据原有的控制结构，结合组态软件和 PLC 技术，提出了一个改进的系统控制结构，并且采用此体系结构实现了一个物料搅拌装置的变频调速系统。 论文首先对变频器的内部构成结构进行了详细的介绍，比较了电机调速的几种类型，深入探讨了变频调速的原理和优点，最后介绍了西门子公司的 MM(5SE92)变频器。 论文接着对组态软件技术进行了综述，探讨了组态软件的基本结构、特点以及数据处理流程。 最后介绍了西门子公 司的基于 Windows 的组态软件 Protool/pro。 然后介绍了 PLC(可编程程序控制器 )的基本组成、主要特点以及西门子公司的小型 PLC S7 200。 论文的最后是相关技术在物料搅拌装置系统的应用。 讨论了系统的体系结构、控制策毕业论文（设计）用纸 佳木斯大学教务处 3 略以及硬件配置和软件实现。 相关技术发展概况 交流调速的发展概况 交流变频调速的优越性早在 20 年代就已被人们所认识，但受到器件的限制，未能推广。 50 年代初，中小型感应电动机多采用晶闸管调压调速 ， 大中型绕线式感应电动机采用晶闸管静止型电气串级调速系统。 70 年代发展起来的变频调速， 比上述两种调速方式效率更高，性能更好。 交流调速系统大致经历过以下几个阶段 ： (1)异步电动机调压调速系统 ： 调压调速过去常用的方法是在定子回路中串入饱和电抗器，或在定子侧加自耗铜材料，体积小，控制方便。 用晶闸管功率变换器来完成馈送任务，这就构成了由绕线异步电动机与晶闸管变换器共同组成的调压器，通过控制触发脉冲的相位角，便可控制加在负载上的电压大小，很快成为交流调压器的主要形式，但由于相位控制时，晶闸管导通后负载上获得的电压波形不是电网提供的完整的工频电压波形，因此产生了成分复杂的谐波。 (2)串级 调速系统 ： 绕线转子异步电动机串级调速是将转差功率加以利用的一种经济、高效的调速方法，改变转差率的传统方法是在转子回路中串入不同的电阻以获得不同斜率的机械特性，从而实现速度的调节。 这种方法简单方便，但是调速是有级的、不平滑，并且转差功率消耗在电阻发热上，效 率低，自大功率器件问世后，人们采用在转子回路中串联晶闸管功率变换器来完成馈送任务，这就构成了由绕线异步电动机与晶闸管变换器共同组 成的晶闸管串级调速系统。 由于晶闸管的逆变角的可以平滑连续的改变，使得电动机转速也能平滑连续的调节。 另外转差功率又可以通过逆变 器回馈到交流电网，提高了效率。 串级调速的缺点是功率因数较低，采用强迫换流、改进型三相四线逆变器、逆变器的不对称控制以及转子直流回路加斩波器控制等，可以提高功率因数。 其中采用强迫换流方式可使用门极可关断晶闸管 (GTO)构成，这样可以省去关断晶闸管用的储能电路，使逆变电路简单、体积小。 (3)变频调速系统 :变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是运用最广、最有发展前途的调速方式。 交流电机变频调速系统的种类很多，从 50 年代提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型、脉宽调制型等各种变频 器。 目前变频调 速的主要方案有 :交一交变频调速，交一直一交变频调速，同步电动机自控式变频调速系统，正弦波脉宽调毕业论文（设计）用纸 佳木斯大学教务处 4 制 (SPWM)，矢量控制、直接转矩控制变频调速等，而且无速度传感技术日益成熟，许多智能技术逐步渗透到其中，如模糊控制、专家系统、神经网络、自适应控制等，与这些控制方式相结合，大大提高了变频器调速系统的控制效果，这些变频器调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平以及电力电子技术的发展水平。 80 年代中期随着第三代电力半导体器件如门极可关断晶闸管 GTO、绝缘栅双极晶体管 IGBT 的相继出现，交流变 频调速技术得到了飞速发展。 日、美、德、英等国家在结合现代微处理器控制技术、电力电子技术、电机传动技术的基础上，相继推出了一系列的变频器，且不断进行更新换代。 这些高精度、多功能、智能化的变频器将调速效率和精度提高到了前所未有的水平。 组态软件发展概况 组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的。 50 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。 20 世纪 70 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，其中具有代表性的是美国 Honeywell 公司于 1975 年推出的世界上第一套 DCS，即 TDC 2020。 在随后的 20 年中， DCS 及其计算机控制技术日趋成熟，并得到了广泛应用，市场发展迅速。 但当时的 DCS 软件是专用和封闭的，且成本居高不下。 80 年代中后期，随着个人计算机的普及和开放系统 (Open System)概念的推广，基于个人计算机的监控系统 开始进入市场并发展壮大。 基于个人监控系统呈现出智能化、小型化、网络化、 PC 化的发展趋势，并逐渐形成了各种标准的网络结构、硬件规范。 组态软件在自动化系统的 “水平 ”和 “垂直 ”集成中起着桥梁和纽带的作用，已成为自动化系统中的重要组成部分。 计算机的监控系统开始进入市场，为组态软件提供了发展空间。 目前自动化产品呈现出智能化、小型化、网络化、 PC 化的发展趋势，并逐渐形成了各种标准的网络结构、硬件规范。 组态软件作为个人计算机监控系统的重要组成部分，比 PLC 监控的硬件系统具有更为广阔的发展空间。 这是因为，第一，很多 DCS 和 PLC 厂家主动公开通信协议，加入 “PLC监控 ”的阵营。 目前，几乎所有的 PLC 和一半以上的 DCS 都使用 PLC 作为操作站。 第二，由于 PLC 监控大大降低了系统成本，使得市场空间得以扩大，从无人值守的远程监视 (如防盗报警、江河汛情监视、环境监控、电信线路监控、交通管制与监控、 毕业论文（设计）用纸 佳木斯大学教务处 5 矿井报警等 )、数据采集与计量 (如居民水电气表的自动抄表、铁道信号采集与记录等 )、数据分析 (如汽车和机车自动测试、机组和设备参数测试、医疗化验仪器设备实时数据采集、虚拟仪器、生产线产品质量抽检等 )到过程控制，几乎无处不用。 第三，各类智能仪表、调节器和 PLC 可与组态软件构筑完整的低成本自动化系统，具有广阔的市场空间。 第四，各类嵌入式系统和现场总线的异军突起，把组态软件推到了自动化系统主力军的位置，组态软件越来越成为工业自动化系统中的灵魂。 国际上比较有名的监控组态软件如表 11 所示 : 表 11 组态软件概况图 公司名称 产品名称 国别 公司名称 产品名称 国别 Intellution FIX, iFIX 美国 Rockwell RSView32 美国 Wonderware Intouch 美国 信肯通 Think Ho 美国 Nema Soft Paragon Paragon TNT 美国 National Instruments LabView 美国 TA engineering AIMAX 美国 Iconics Genesis 美国 通用电气 Cimplicity 美国 PC soft WizCon 以色列 西门子 Wincc 德国 Citech Citech 澳大利亚 PLC 技术的发展概况 第一台可编程控制器 (以下简称 PLC)的设计规范是美国通用汽车公司提出的。 当时的目的是要求设计一种新的控制装置以取代继电器盘，在保留了 继电器控制系统的简单易懂。 操作方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代化生产线所要求的时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多高品质与功能。 这一设想提出后，美国数字设备公司 (DEC)于 1969 年研制成第一台 PLC，型号为 PDP14，投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了令人满意的效果，从此开创了PLC 的新纪元。 在短时间内， PLC 在其他工业部门也得到应用。 到 70 年代初，食品、金属和制造等工业部门相继使用 PLC 代替继电器控制设备，迈出了其实用化阶段的 第一步。 70 年代中期，由于大规模集成电路的出现，使 8 位微处理器和位片处理器相继问世，使可编程控制技米产生了飞跃。 在逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算。 闭环控制，提高了运算速度，扩大了输入输出规模。 在这个时期，日本、西德 (原 )和法国相继研制出毕业论文（设计）用纸 佳木斯大学教务处 6 自己的 PLC，我国在 1974 年也开始研制。 70 年代末由于超大规模集成电路的出现，使 PLC 向大规模、高速性能方向发展，形成了多种系列化产品。 这时面向工程技术人员的编程语言发展成熟，出现了工艺人员使用的图形语言。 在功能上 PLC 已可以代替某些模拟控制装置和 小型机的 DDC 系统。 进入八九十年代后， PLC 的软硬件功能进一步得到加强， PLC 已发展成为一种可提供诸多功能的成熟的控制系统，能与其他设备通信，生成报表，调度产出，可诊断自身故障及机器故障。 这些改进使 PLC 符合今天对高质量高产出的要求。 尽管 PLC 功能越来越强，但它仍然保留了先前的简单与易于使用的特点。 PLC 未来的发展不仅依赖于对新产品的开发，还在于 PLC 与其他工业控制设备和工厂管理技术的综合。 无疑， PLC 将在今后的工业自动化中扮演重要角色。 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 PLC 朝以下几个方向发展 ： (1)大型网络化 :主要朝 DCS 方向发展，网络化和强通信能力是 PLC 发展的一个主要的方面，向下与多个智能装置相连，向上与工业计算机、以太网等相连构成特殊的控制任务。 (2)多功能 ： 为了适应特殊功能的需要，连续推出多种智能模块，如模拟量模输入输出、回路控制、通信控制、机械运动控制、高速技术、中断输入等。 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 时间很少，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、好兼容性 :由于现代控制系统的可靠性和兼容性日渐受到人们的重视，一些公司强自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中。 推出了高可靠的冗余系统。 (4)编程语言向高级语言发展 ： PLC 的编程语言在原有梯形图语言、顺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，界面友好的强劲的梯形图和语句表两种形式的编程、调试、诊断等功能。 SIMATIC 则使用 C/C++等高级语言进行编程，体现了面向未来的种种特征。 毕业论文（设计）用纸 佳木斯大学教务处 7 第 2 章 变频调速原理 变频器的基本结构 变频器的基本结构见 图 21 整 流 器 逆 变 器A CD C控 制 电 路控 制 电 路运 行 指 令高 频A C 图 21 变频器结构图 变频器的主电路 (1)电力电子开关器件 电力半导体器件已经历了以晶闸管为代表的分立器件，以可关断晶闸管 (GTO)，巨型晶体管 (GTR)，功率 MOSFET、绝缘栅双极晶体管 (IGBT )为代表的功率集成器件 (PID )，以智能化功率集成电路 (SPIC )，高压功率集成电路 (HVIC)为代表的功率集成电路 (PIC)等三个发展时期。 从晶闸管靠换相电流过零关断的半控器件发展到 PID, PIC 通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导 通与关断的全控器件。 在器件的控制模式上，从电流型控制模式及发展到电压型控制模式，不仅大大降低了门极 (栅极 )的控制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换速度，从而使器件的工作频率不断提高。 在器件结构上，从分立器件发展到由分立器件组合成功率变换电路的初级模块，继而将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在一起的复杂模块。 (2)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毕业论文（设计）用纸 佳木斯大学教务处 8 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。 逆变电路 逆变电路是变频器主要的部分之一。 它是利用六个半导。