【正文】 中北大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書無級(jí)調(diào)速PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文1前言隨著現(xiàn)在社會(huì)科技的飛速發(fā)展，人們對(duì)生活各個(gè)方面品質(zhì)的要求也在不斷地提要，在速度運(yùn)行方面，人們要求速度調(diào)節(jié)范圍廣，而且平緩，無級(jí)調(diào)速以其獨(dú)特的優(yōu)勢贏得新科技的青睞，各種各樣的無級(jí)調(diào)速方式涌現(xiàn)出來。無級(jí)變速與過去定比變速不同，主要有三大類：電氣無級(jí)調(diào)速、流體無級(jí)調(diào)速和機(jī)械無級(jí)調(diào)速。其中電氣無級(jí)調(diào)速是以電磁流為介質(zhì)的一種調(diào)速方式，該種變速方式以電機(jī)調(diào)速為主體，主要分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。直流調(diào)速主要是通過改變電樞的外串電阻、電樞電壓或改變磁通量實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 其特點(diǎn)是調(diào)速范圍大，精度也較高，在過去，直流調(diào)速一直作為通過調(diào)節(jié)電機(jī)速度實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速的唯一手段，廣泛應(yīng)用于機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域，直流調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)特性，其調(diào)速范圍寬，力矩特性較硬。但其設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用成本高，維護(hù)和維修困難，不宜用于大功率場合，僅限于中小功率范圍，故現(xiàn)已逐步被交流調(diào)速所替代。交流調(diào)速主要是通過變極、調(diào)壓和變頻來進(jìn)行調(diào)速的[1]。 根據(jù)其調(diào)速原理有電磁滑差離合器調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、變頻調(diào)速、換向器電動(dòng)機(jī)、無換向器電動(dòng)機(jī)調(diào)速等。實(shí)際應(yīng)用最多的為變頻調(diào)速，即由功率半導(dǎo)體器件為主組成的變頻器得到變頻電源，向交流電動(dòng)機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。其特點(diǎn)是調(diào)速時(shí)平滑性好，效率高。低速時(shí)，特性靜關(guān)率較高，相對(duì)穩(wěn)定性好；調(diào)速范圍較大，精度高；起動(dòng)電流低，對(duì)系統(tǒng)及電網(wǎng)無沖擊，節(jié)電效果明顯；變頻器體積小，便于安裝、調(diào)試、維修簡便； 易于實(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)化；在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，低速段電動(dòng)機(jī)的過載能力大為降低。流體無級(jí)調(diào)速是利用流體作為傳動(dòng)介質(zhì)的一種調(diào)速方式。 按照其工作原理的不同分為：泵控調(diào)速、閥控調(diào)速、閥泵控聯(lián)合調(diào)速、調(diào)速型液力耦合器、液力變矩器。 閥控式是利用閥來改變流體進(jìn)出口流量進(jìn)行調(diào)速；泵控式是通過改變泵和馬達(dá)的有效工作容積來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，可細(xì)分為變量泵定量馬達(dá)、變量泵變量馬達(dá)、定量泵變量馬達(dá)3 類；閥泵控聯(lián)合調(diào)速是閥控和泵控兩類調(diào)速聯(lián)合應(yīng)用；調(diào)速型液力耦合器是通過改變噴嘴閥門的開度或改變導(dǎo)管的位置，以改變工作腔的充油量進(jìn)行調(diào)速；液力變矩器是通過改變?nèi)~片的角度、充油量或泵輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)速。流體無級(jí)變速傳動(dòng)具有運(yùn)動(dòng)慣性小，動(dòng)作靈敏，制動(dòng)迅速，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，易于實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，可以獲得很大的調(diào)速比，而且在大功率、高承載場合易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化及控制等優(yōu)點(diǎn)， 目前已廣泛用于汽車、農(nóng)林業(yè)機(jī)械、環(huán)保機(jī)械、礦山機(jī)械、工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、太空探測機(jī)械等領(lǐng)域[2]。機(jī)械無級(jí)變速傳動(dòng)機(jī)械無級(jí)變速器是利用固體作為中間介質(zhì)，作為一種通用傳動(dòng)裝置主要應(yīng)用于機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)工藝流程中用以改善機(jī)械的工作性能。 結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、傳動(dòng)效率高、恒功率特性好、操作與維修方便。利用PLC與變頻器的組合，實(shí)現(xiàn)以脈沖信號(hào)改變頻率，進(jìn)而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，即為其中的一種方式，同時(shí)設(shè)置監(jiān)控平臺(tái)，可使無極變頻調(diào)速的性能大大提高。 課題相關(guān)技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 可編程控制器可編程控制器簡稱——PLC是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)發(fā)展而來的一種新型工業(yè)控制裝置。它具有結(jié)構(gòu)簡單、編程方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于工業(yè)過程和位置的自動(dòng)控制中[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，可編程控制器是工業(yè)自動(dòng)化裝置中應(yīng)用最多的一種設(shè)備。專家認(rèn)為，可編程控制器將成為今后工業(yè)控制的主要手段和重要的基礎(chǔ)設(shè)備之一，PLC、機(jī)器人、CAD/CAM將成為工業(yè)生產(chǎn)的三大支柱。PLC是在繼電器控制邏輯基礎(chǔ)上，與3C(Computer,Control,Communication)技術(shù)相結(jié)合，不斷發(fā)展完善的。目前已從小規(guī)模單機(jī)順序控制，發(fā)展到包括過程控制、位置控制等場合的所有控制領(lǐng)域。自動(dòng)化系統(tǒng)中所使用的各種類型PLC，有的是集中安裝在控制室，有的是分散安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場的各單機(jī)設(shè)備上，雖然它們大多處在強(qiáng)電電路和強(qiáng)電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中，但PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境而設(shè)計(jì)的控制裝置，在設(shè)計(jì)和制造過程中采用了多層次抗干擾和精選元件措施，故具有較強(qiáng)的適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境的能力、運(yùn)行穩(wěn)定性和較高的可靠性，因此一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工業(yè)環(huán)境使用。高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。從PLC的機(jī)外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低[4]。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性[5]。長期以來，plc始終處于工業(yè)控制自動(dòng)化領(lǐng)域的主戰(zhàn)場，為各種各樣的自動(dòng)化控制設(shè)備提供非?？煽康目刂品桨福cdcs和工業(yè)pc形成了三足鼎立之勢。同時(shí)，plc也承受著來自其它技術(shù)產(chǎn)品的沖擊，尤其是工業(yè)pc所帶來的沖擊。目前，全世界plc生產(chǎn)廠家約200家，生產(chǎn)300多種產(chǎn)品。國內(nèi)plc市場仍以國外產(chǎn)品為主，如siemens、modicon、ab、omron、三菱、ge的產(chǎn)品。經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)plc生產(chǎn)廠家約有三十家，但都沒有形成頗具規(guī)模的生產(chǎn)能力和名牌產(chǎn)品，可以說plc在我國尚未形成制造產(chǎn)業(yè)化[6]。在plc應(yīng)用方面，我國是很活躍的，應(yīng)用的行業(yè)也很廣。專家估計(jì)，2000年plc的國內(nèi)市場銷量為1520萬套（其中進(jìn)口占90%左右），約2535億元人民幣，年增長率約為12%。預(yù)計(jì)到2005年全國plc需求量將達(dá)到25萬套左右，約3545億元人民幣。微型化、網(wǎng)絡(luò)化、pc化和開放性是plc未來發(fā)展的主要方向。在基于plc自動(dòng)化的早期，plc體積大而且價(jià)格昂貴。但在最近幾年，微型plc（小于32 i/o）已經(jīng)出現(xiàn)，價(jià)格只有幾百歐元。隨著軟plc（soft plc）控制組態(tài)軟件的進(jìn)一步完善和發(fā)展，安裝有軟plc組態(tài)軟件和pcbased控制的市場份額將逐步得到增長[7]。當(dāng)前，過程控制領(lǐng)域最大的發(fā)展趨勢之一就是Ethernet技術(shù)的擴(kuò)展，plc也不例外?，F(xiàn)在越來越多的plc供應(yīng)商開始提供Ethernet接口?？梢韵嘈?，plc將繼續(xù)向開放式控制系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)移，尤其是基于工業(yè)pc的控制系統(tǒng)。目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)。 變頻器變頻器主要用于交流電動(dòng)機(jī)（異步電機(jī)或同步電機(jī)）轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，是公認(rèn)的交流電動(dòng)機(jī)最理想、最有前途的調(diào)速方案，除了具有卓越的調(diào)速性能之外，變頻器還有顯著的節(jié)能作用，是企業(yè)技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想調(diào)速裝置[8]。自上世紀(jì)80年代被引進(jìn)中國以來，變頻器作為節(jié)能應(yīng)用與速度工藝控制中越來越重要的自動(dòng)化設(shè)備，得到了快速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。變頻器產(chǎn)生的最初用途是速度控制，但目前在國內(nèi)應(yīng)用較多的是節(jié)能。中國是能耗大國，能源利用率很低，而能源儲(chǔ)備不足。在2003年的中國電力消耗中，60—70％為動(dòng)力電，只有不到2000萬千瓦的電動(dòng)機(jī)是帶變頻控制的。據(jù)分析，在中國，帶變動(dòng)負(fù)載、。因此國家大力提倡節(jié)能措施，并著重推薦了變頻調(diào)速技術(shù)[9]。應(yīng)用變頻調(diào)速，可以大大提高電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制精度，使電機(jī)在最節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。以風(fēng)機(jī)水泵為例，根據(jù)流體力學(xué)原理，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。當(dāng)所需風(fēng)量減少，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，其功率按轉(zhuǎn)速的三次方下降。因此，精確調(diào)速的節(jié)電效果非?？捎^。與此類似，許多變動(dòng)負(fù)載電機(jī)一般按最大需求來生產(chǎn)電動(dòng)機(jī)的容量，故設(shè)計(jì)裕量偏大。而在實(shí)際運(yùn)行中，輕載運(yùn)行的時(shí)間所占比例卻非常高[10]。如采用變頻調(diào)速，可大大提高輕載運(yùn)行時(shí)的工作效率。因此，變動(dòng)負(fù)載的節(jié)能潛力巨大。 作為節(jié)能目的，變頻器廣泛應(yīng)用于各行業(yè)。以電力行業(yè)為例，由于中國大面積缺電，電力投資將持續(xù)增長，同時(shí)，國家電改方案對(duì)電廠的成本控制提出了要求，降低內(nèi)部電耗成為電廠關(guān)注焦點(diǎn)，因此變頻器在電力行業(yè)有著巨大的發(fā)展?jié)摿Γ绕涫歉邏鹤冾l器和大功率變頻器[11]。目前，中國的設(shè)備控制水平與發(fā)達(dá)國家相比還比較低，制造工藝和效率都不高，因此提高設(shè)備控制水平至關(guān)重要。由于變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，在許多需要精確速度控制的應(yīng)用中，變頻器正在發(fā)揮著提升工藝質(zhì)量和生產(chǎn)效率的顯著作用。除了工業(yè)相關(guān)行業(yè)，在普通家庭中，節(jié)約電費(fèi)、提高家電性能、保護(hù)環(huán)境等受到越來越多的關(guān)注，變頻家電成為變頻器的另一個(gè)廣闊市場和應(yīng)用趨勢。帶有變頻控制的冰箱、洗衣機(jī)、家用空調(diào)等，在節(jié)電、減小電壓沖擊、降低噪音、提高控制精度等方面有很大的優(yōu)勢[12]。國內(nèi)已經(jīng)有較多的變頻器生產(chǎn)廠，但大部分的產(chǎn)品都是V／F控制和電壓空間矢量控制變頻器，使用在調(diào)速精度和動(dòng)態(tài)性能要求不高的負(fù)載上應(yīng)該沒有問題。工業(yè)應(yīng)用中絕大部分都是這種負(fù)載，變頻器在這種場合應(yīng)用最重要的要求是可靠性，國產(chǎn)變頻器占國內(nèi)市場份額不高的主要原因是產(chǎn)品品質(zhì)不過硬。V／F控制和電壓空間矢量控制變頻器比矢量控制變頻器從技術(shù)上來看要簡單得多，由于國內(nèi)廠家大部分都是手工作坊式的生產(chǎn)，工藝欠佳，檢測手段有限，品質(zhì)的一致性和穩(wěn)定性難以保證。同樣是V／F控制的變頻器，國外的產(chǎn)品比國內(nèi)的產(chǎn)品品質(zhì)要好，這可能是生產(chǎn)工藝方面的差距。差距最大的是半導(dǎo)體功率器件的制造業(yè)，至今在國內(nèi)這仍是一個(gè)空白[13]。變頻器技術(shù)的另外一個(gè)層面是應(yīng)用技術(shù)。多年來，國家經(jīng)貿(mào)委一直會(huì)同國家有關(guān)部門致力于變頻器技術(shù)的開發(fā)及推廣應(yīng)用，在技術(shù)開發(fā)及技術(shù)改造方面給予了重點(diǎn)扶持，組織了變頻調(diào)速技術(shù)的評(píng)測推薦工作，并把推廣應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)作為風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能技改專項(xiàng)的重點(diǎn)投資方向，同時(shí)鼓勵(lì)單位開展同貸同還方式，抓開發(fā)、抓示范工程、抓推廣應(yīng)用，還處理了風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能中心，開展信息咨詢和培訓(xùn)。1995—1997年，3年間我國風(fēng)機(jī)、改造總?cè)萘窟_(dá)100萬千瓦，可年節(jié)電7億度，平均投資回收期約2年。據(jù)有關(guān)資料表明，我國變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)取得了相當(dāng)大的成績，每年有數(shù)十億元的銷售額，說明我國的變頻器應(yīng)用已非常廣泛。從簡單的手動(dòng)控制到基于RS一485網(wǎng)絡(luò)的多機(jī)控制，與計(jì)算機(jī)和PLC聯(lián)網(wǎng)組成復(fù)雜的控制系統(tǒng)。在大型綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，先進(jìn)控制與優(yōu)化技術(shù)，大型成套專用系統(tǒng)，如連鑄連軋生產(chǎn)線、高速造紙生產(chǎn)線、電纜光纖生產(chǎn)線、化纖生產(chǎn)線、建材生產(chǎn)線等，變頻器的作用是電氣傳動(dòng)控制，其控制的復(fù)雜性、控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)都有很高的要求，已經(jīng)完全取代了直流調(diào)速技術(shù)。近年來，變頻器在功能上，利用先進(jìn)的控制理論，開發(fā)出了諸如卷取、提升、主從等控制功能，使應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)成更加方便和容易，使變頻器的應(yīng)用技術(shù)提高到一個(gè)新的水平[14]。變頻調(diào)速這一技術(shù)正越來越廣泛的深入到行業(yè)中。它的節(jié)能、省力、易于構(gòu)成自控系統(tǒng)的顯著優(yōu)勢應(yīng)用變頻