基于plc的多台电机群控及监测系统的设计毕业论文(编辑修改稿)

基于plc的多台电机群控及监测系统的设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

了近 30年的发展之后，使传统的 PLC也具有了逻辑顺序控制、模拟量处理、回 路调节技术等三个功能。 可编程控制技求的发展趋势 随着 计 机算机科学的发展和工业自动化的愈 来愈高的需求，可编程控制技术 得到了飞速的发展。 仅仅将 PLC 理解为开关量控制的话，那就是一个错误的概 念了。 综合国外特别是欧洲及国内的发展动态，其发展趋势主要有以下几个方面 ： ⑴ 可编程控制技术的标准化 一种自动化产品的竞争力除表现在其技术上的个性外，更重要的还在于其 满足国际标准化的程度和水平。 标准化一方面保证了产品的出厂质量，另一方面也保证了各个厂家产品的互相兼容。 出厂检验时各可编程控制产品的厂家都有相应的技术标准作依据。 例如，美国有 NEMA 标准、日本有 JIS 标准、德国、奥地利有喧嚣标准。 按照基于 PLC 的多台电机群控及监测系统的设计 4 这些标准 ，各种型号的 PLC 产品对工业应用环境、抗干扰性等条目都给出了明确的规定。 但是，这些标准目前只能是统一区域性的产品，而不能实现全球的统一性。 在 PLC的发展过程中，特别是给工业自动化带来的困扰是，虽然 PLC 的基本语言梯形图和指令表分别是在接触器、继电器以及汇编语言的基础上建立起来的，但是各厂家无论是从语言结构、语言功能还是从语言表述 L 都有不同程度上的较大区别。 为了使各 PLC厂家的产品有一个共同的参考平面，制定了国际标准。 ⑵ 大型计算机特点的集成 传统的 PLC 仅凭单纯的逻辑顺序控制功能己远远不能适应当今 工业 控制 任务的需求，要处理一些复杂的任务，使控制系统具有较高的智能度，可编挡控制系统必须具备大型计算机的分析计算能力。 这种对大型计算机特点的集 合 主要表现在以下几个方面 ： ① 系统的高速响应性 这里有一个概念要澄清，那就是 ： 系统速度不是仅由 CPU 来决定，而且 还要考虑I/0 数据的传输速度 ， 当然 CPU 的速度起着决定性的作 ， 判断 CPL 的速度主要是看每条指令的执行时间。 如 Siemens S7 200 PLC 的每条逻辑 指 令的计算速度为 ，三菱的 FX 系列 的每条指令执行时间为从 ； 贝加菜 （ B＆ R）的 B＆ R20xx 的每条指令执行时间为。 要提高整个系统的速 度就要考虑 CPU 模块的多处理器结构。 1／ O 处理器主要负责独立于 CPU 的数据传输工作。 即双向口控制器主要负责网络及系统的管理。 可见一个模块上有三 个处理器，它们既互相独立，又相互关联（通过 DPR），从而使主 CPU 的资 源得到合理使用，同时又最大限度的提高整个系统的速度。 ② 定性的多任务分时操作系统 多任务分时操作系统来自于大型计算机，如 UINIX 机。 它可以将整个操 作界面分成 多 个分别具有不同优先权 的任务等级（ Task Class）。 其中优先 权 高 的 任务等级，有着较短的巡回扫描周期，而且每个任务等级可包含多个具体任务。 在这些任务中间可再细分其优先权的高低。 在这种操作系统的管理下，优先权高的任务等级总是被首先执行，剩余的时间里可执行优先权较低的任务等级。 这样一个操作系统使得可以将比较重要的任务定义任务等级高一些，如调节器（由用户定义），例外任务（ EXCEPTIO－ TASK，由系统定义），中断任务 （ INTERRUPT－ TASK，由系统定义），而一些较一般的任务可以 将其 任务等级 定义 得 低一些，如报警处理任务、 结果处理任务等。 这样整个控制系统便得到了优化，具有较好的实时性。 基于 PLC 的多台电机群控及监测系统的设计 5 ③ 编程语言高级化 一般来说 ，梯形图和指令表两种编程方式是比较常见 和习惯的。 因为这两种方式都有着明显的优点。 例如梯形图靠近电器线路比较直观。 而指令表是由汇编语言演绎过来的，比较靠近计算机硬件结构，然而，在控制思想日趋复杂的今天，用梯形图和指令表来表达就显得过于复杂和繁琐。 随着 C 语言、 FORTRAN、 PASCAL 等高级语言加入到 PLC 中去，使复杂思想 的表达就显得方便简洁得多了。 ④ 较大的应用程序存储空间 较高的 系统分析计算能力当然要求有足够的程序存储空间 ， 同时足够的程 序存储空间是系统具备较强的数据处理能力的先决条件。 应用程序存储空间的大小在某种意义上说明了其硬件系统的先进程度。 贝加菜 PCC 的内存容量为 100kB～ 16mB。 Siemens的 S7400 的内存容量为 4kB～ 16mB 等等。 ⑶ 系统的开放性和兼 容 性 开放性和兼容性是不可分割的而且是相辅相成的概念。 这里一方面是某一 产品和第三家同类产品在通信上的兼容程度，另一方面是指某系统尤其是软件上的开发平台对使用者有多大的开放程度。 当今可编程控制产品的种类繁多 加上自动化项目越来越大，致使常常在一个工程项目中出现不同厂家的产品做主从站的现象，这就要求每一厂家的产品族中，都要考虑到和其他厂家产品的兼容性问题。 另一方面，可编程控制器与工业控制机等其他装置的通信难易也体现了其开放性的特点。 除此之外，同一厂家产品族中的各系列产品兼容性也代表了可编程控制产品的水平。 ⑷ 通用性和专业化的结合 控制产品是通用的 ， 但是工业的每一领域都有其自己的特点。 怎样 才能使一个系统既具有通用性又具备专业化 ， 硬件系统的模块化 使 这一矛盾 得到 解决。 这样 一来 ，适合于某个行业或某些特殊 问题的专用模块就可以很容易地集成到通用系统中去。 常用的专用模块包括 ： 定位或 CNC 模块、温度测量模块、称重模块、电力 行业用的高速采样模块、网络接口模块等等。 ⑸ 可编程控制技术的智能化 提高一个系统的智能程度不仅提高系统的品质，在某种意义上也提高了系 统的可靠性。 其智能化发展的特点主要体现在如下几点 ： ① 开发环境的智能性 这包括可编程控制系统的自诊断功能、监控功能以及在线帮助等功能。 同时丰富的功能库也是判断一个系统智能性的重要依据。 ② 硬件的智能集成度 基于 PLC 的多台电机群控及监测系统的设计 6 现场总线的智能分布式结 构是突出的一点。 另外，多处理器技术（ MPU） 和智能外设技术（ I）并列于 CPU 的智能硬件也是不可忽略的发展趋向。 ③ 模糊逻辑和神经网络的应用 模糊逻辑的应用分为硬件和软件的实现，主要用于模糊调节技术，神经网络的应用有待于进一步发展。 ⑹ 可靠性与冗余 所谓冗余即容错，就是功能的备份、安全及可靠性的备份。 因为特定的环 境和条件要求自动化系统有较高的可靠性。 冗余基本上可以划分为 ： CPU 和电 源冗余、网络冗余，以及 1／ O 冗余三个层次。 同时冗余又可分双冗余和多冗余的结构。 但从根本上来讲，系统的可靠性 取决于系统 各单元的可靠程度。 要保证整个系统的可靠运行，首先要求系统各单元的质量要得到保证。 MTBF（平均无故障时间）是衡量产品质量的重要指 标。 纵观各著名厂商，其 PLC 产品都有不同程度的冗余功能，而且发展越来越 完善。 通过综上所述，我们可以了解到，用 PLC 编程逻辑控制器来表达 当今可编程控制系统，己经不再合适了。 因为在其中己融入了工业计算机和计算机集散系统的特点。 贝加莱公司于 1994 年首先提出了 “ PCC 可编程计算机 控制器（ Programmble Computer Controller） ” 的概念。 Siemens 提出了 PCS 过 程控制系统 （ Process Control System）的概念。 基于现场总线技术人们也提出了 FCS 现场总线控制系统 （ Field Bus Control of System） 的概念。 这些系统虽然名称 不同，侧重面不一，但系统的技术水平是近似的。 电机控制的现状与发展趋势 在现代社会中，电机的应用领域越来越广大，对电动机的控制方式也多种多样，有传统人工加仪表的控制方式，现代的自动控制方式，对电机控制主要是满足其各种性能指标的要求，如电机调速，就是这方面的例子，因电子技术的高速发展，促使电机调速逐 步从模拟化向数字化转变，特别是 PLC 的应用，使电机调速技术又进入到一个新的阶段。 智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。 本课题对各种电气控制系统进行分析、比较，最终决定采用 PLC 和软启动器 来实现本次设计的任务。 交流异步电机是电力拖动的主力电机，广泛应用于工业生产。 交流电机起动时，起动电流达额定电流的 7倍使 电 网 电 压骤降，影响其它用电设备的正常工作。 此外，起动频繁时，过大的起动电流使电机和线路过热，拖动设备也易受机械冲击；若减少起动次数，又常使电机长期空转，能耗大。 因 此，解决交流异步电机的起动问题，对改善电网质量 ，节省电能和线材，延长电机与设备寿命，有重大的意义。 基于 PLC 的多台电机群控及监测系统的设计 7 通常交流异步电机是长期工作制，起动后长期连续运行；即使是短时工作制或周期工作制。 多数电机的运行时间也超过数分钟，远比数秒钟的起动时间长得多。 因此 在具有集群电机的场合，如每台 电 机配一台容量相当的起动器，则起动器长期空闲，投资大，而效率极低。 这也是中小型电机起动设备难以推广应用的重要原因。 而如果用一台起动设备管理多台电机，实行交流电机起动的集中控制。 则可大大降低起动设备成本，减小体积，提高效益。 课题发展现状及前景展望 近些年来， PLC 在过程工业建 模与应用已成为国内外过程控制技术人员所关注的热门研究课题。 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，美国数字公司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 Controller（ PC）。 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），现在，仍常常将PLC 简称 PC。 PLC 的定义有许多种。 国际电工委员会（ IEC）对 PLC 的定义是 ： 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。 它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业 控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 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30~40%。 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。 在各个领域，小到一个简单的机电一体化设备、机床、大到整个生产线，大型的工程领域里，都存在 PLC 控制技术。 PLC 已不在是局限在逻辑上，应该理解成过程控制器，如西门子全集成自动化 TIA 的概念。 在整个自动化领 域， PLC 和传动是组成自动控制的两个非常重要的部分 .在主流 PLC 往大型化、集成化、多功能化、网络化发基于 PLC 的多台电机群控及监测系统的设计 8 展的同时，还有很多分支在并列发展。 我们还有很多单体化、一体化的设备，现在越来越微型化离散的控制也在同步进行。 比如西门子 S7200 功能强大， 1000 多块一个，原来是不能想象的。 为满足自动控制领域各层面的不同要求，微型机、小型机的发展也很有前景。 基于 PLC 的多台电机群控及监测系统的设计 9 第 2 章 电机启动控制方法 的分析 与比较 概述 异步电动机作为动力设备被广泛应用于现代工农业生产中。 例如，工业上各种机床、中小型轧钢设备、矿山采掘机械、输送机 、提升机、通风机、水泵等，都是三相异步电动机拖动的。 在农业方面，它被用于排灌、脱粒、磨粉和拖动其它农副产品的加工机械。 据统计，在电网的总负载中，动力负载约占 59%，而异步电动机则占总动力负载的 85%，由此可见，异步电动机是工农业生产中的主要原动机。 异步电动机之所以被广泛应用，是因为和其它各种电动机比较，它具有结构简单、制造方便、价格便宜、坚固耐用、运行可靠、效率较高等一系列优点。 但是也有一定的缺点，其调速性能较差，不如直流电动机，功率因数较低，不如同步电动机。 异步电机降压启动与控制方法 星 /三角转换启动控制 控制电路图如图 所示。 图 星 /三角转换主电路与控制回路 电路工作分析 ： ⑴ 合上电源开关 Q，按下起动按钮 SB2， KM KT、 KM3 线圈同时通电并自锁，电动机三相定子绕组联接成星形接入三相交流电源进行减压起动。 ⑵ 当电动机转速接近额定转速时，通电延时型时间继电器动作， KT 常闭触点断开， KM3 线圈断电释放。 基于 PLC 的多台电机群控及监测系统的设计 10 ⑶。