【正文】 第一章 緒論 課題研究的背景 近年來(lái)，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的深入發(fā)展，基于變頻器調(diào)速的控制系統(tǒng)在大中型自動(dòng)化生產(chǎn)中取得了廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際的工業(yè)控制領(lǐng)域中，一條生產(chǎn)流水線通常由多臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能否實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)的協(xié)調(diào)工作，直接關(guān)系到生產(chǎn)的可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量，如何實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的同步控制已成為研究熱點(diǎn)。作為配套的電氣控制環(huán)節(jié)則對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量起著關(guān)鍵的作用，目前以多種通訊方式作為中心控制元件的設(shè)備占有相當(dāng)大的比重，并以其精確的控制，穩(wěn)定的工作狀態(tài)占據(jù)了十分重要的地位。而在這些控制系統(tǒng)中核心問(wèn)題便是各動(dòng)力驅(qū)動(dòng)軸的同步運(yùn)行，及各電機(jī)的同步運(yùn)行。電機(jī)同步運(yùn)行的穩(wěn) 定性和可靠性對(duì)工業(yè)生產(chǎn)有重要的影響，特別是對(duì)造紙行業(yè)的安全運(yùn)行有著關(guān)鍵作用。而 PLC 通過(guò)多種通訊方式完成各個(gè)變頻器的控制，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的控制精度，實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)電機(jī)的同步調(diào)速。 本課題正是基于以上背景，提出了一種變頻調(diào)速器多電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，通過(guò) PLC 的多種通訊方式和變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)多電機(jī)的控制。變頻調(diào)速是電機(jī)調(diào)速的其中一種， 在交流調(diào)速技術(shù)中，變頻調(diào)速具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，并且它的調(diào)速性能與可靠性不斷完善，價(jià)格不斷降低，特別是變頻調(diào)速節(jié)電效果明顯，而且易于實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化，深受工業(yè)行業(yè)的青 睞。 1. 交流變頻調(diào)速的優(yōu)異特性 (1) 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。 (2) 調(diào)速范圍較大，精度高。 (3) 起動(dòng)電流低，對(duì)系統(tǒng)及電網(wǎng)無(wú)沖擊，節(jié)電效果明顯。 (4) 變頻器體積小，便于安裝、調(diào)試、維修簡(jiǎn)便。 (5) 易于實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化。 (6) 必須有專(zhuān)用的變頻電源，目前造價(jià)較高。 (7) 在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，低速段電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力大為降低。 2. 與其它調(diào)速方法的比較 交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種：變極調(diào)速、改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速。其中，變頻調(diào)速最具優(yōu)勢(shì)。 3. 合理應(yīng)用 交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)已得到廣泛應(yīng)用。美國(guó)有 60% 65%的發(fā)電量用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于有效地利用了變頻調(diào)速技術(shù)，僅工業(yè)傳動(dòng)用電就節(jié)約了15% 20%的電量。 采用變頻調(diào)速，一是根據(jù)要求調(diào)速用，二是節(jié)能。它主要基于下面幾個(gè)因素： (1) 變頻調(diào)速系統(tǒng)自身?yè)p耗小，工作效率高。 (2) 電機(jī)總是保持在低轉(zhuǎn)差率運(yùn)行狀態(tài)，減小轉(zhuǎn)子損耗。 (3) 可實(shí)現(xiàn)軟啟、制動(dòng)功能，減小啟動(dòng)電流沖擊。 總結(jié)：交 流變頻調(diào)速的方法是異步電機(jī)最有發(fā)展前途的調(diào)速方法。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，性能可靠、匹配完善、價(jià)格便宜的變頻器會(huì)不斷出現(xiàn)，這一技術(shù)會(huì)得到更為廣泛、普遍的應(yīng)用。目前，國(guó)外先進(jìn)國(guó)家的變頻技術(shù)正向小型化、高可靠性、抗公害、多功能、高性能等方向發(fā)展，我國(guó)也在加快發(fā)展步伐。 選用正確的控制方式對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)非常重要。查閱以前的設(shè)計(jì)方案，使用常規(guī)電器來(lái)搭建控制部分非常困難，同時(shí)因大量使用繼電器和時(shí)間繼電器又造成控制部分的可靠性降低和故障率升高，很少有一個(gè)很好地控制方式。因此，需要選擇更好地控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多電機(jī) 的同步控制。 ABB 可升級(jí)的 PLC AC500由于其抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，編程簡(jiǎn)單，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于各種工業(yè)控制領(lǐng)域。利用 ABB 可升級(jí)的 PLC AC500 的 CS31 總線、 Profibus DP 總線、和ProfiNET 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線等通訊方式實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)電機(jī)的同步控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，可以節(jié)約調(diào)整時(shí)間，增加設(shè)備的柔性，同時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。因此，利用 ABB 可升級(jí)的 PLC AC500 的 CS31 總線、 Profibus DP 總線、和 ProfiNET 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線等通訊方式實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)電機(jī)的同步控制。 方案選擇 要實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)的同步控制，可以有四種方案來(lái)選擇。 一、基于工業(yè)以太網(wǎng)和 PROFIBUSDP 的 PLC控制的調(diào)速系統(tǒng)。監(jiān)控級(jí)采用 Ether 作為通信網(wǎng)絡(luò)；現(xiàn)場(chǎng)級(jí)采用 PROFIBUSDP 作為通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)通訊方式完成各個(gè)變頻器的控制，增強(qiáng)了系統(tǒng)抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的控制精度，實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)電機(jī)的同步調(diào)速。 二、利用變頻器來(lái)拖動(dòng)多臺(tái)電機(jī)實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在變頻器的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，基本 型的變頻器都有一拖二甚至更高的功能，這樣就可以用變頻器來(lái)帶動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行從而實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的控制。使用這種方式，由于只用一臺(tái)變頻器，所以投資少，減少了額外的硬件，又降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本，同時(shí)最大限度的提高設(shè)備利用率，挖掘增效潛力。 三、在自動(dòng)化控制領(lǐng)域，隨著分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展，在工業(yè)上的分布式控制系統(tǒng)中，采用串行通信來(lái)達(dá)到遠(yuǎn)程信息交換的目的更簡(jiǎn)便。發(fā)展起來(lái)的 RS485是平衡傳送的電氣標(biāo)準(zhǔn)，在電氣指標(biāo)上有了大幅度的提高。由于其性能優(yōu)異，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組網(wǎng)容易，組網(wǎng)成本低廉， RS485總線標(biāo)準(zhǔn)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用 ，同時(shí)，在 RS485總線中采用的 MODBUS協(xié)議是公開(kāi)的通信協(xié)議，而且被很多的工控產(chǎn)品生產(chǎn)廠家支持，該協(xié)議已廣泛應(yīng)用于水利、水文、電力等行業(yè)設(shè)備及系統(tǒng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中。 四、 采用每臺(tái)電動(dòng)機(jī)各由一臺(tái)變頻器來(lái)控制的方式，那么這就要用到多臺(tái)交流變頻調(diào)速器，再利用 PLC來(lái)控制多臺(tái)變頻調(diào)速器，從而達(dá)到多電機(jī)控制的目的。采用這種方法，由于使用多臺(tái)變頻器，相較于第一種方案投資較大，但是適用于大規(guī)模生產(chǎn)線中電機(jī)數(shù)目較多，電機(jī)分布距離較遠(yuǎn)的情況，而且，用 PLC和變頻器搭建的程控系統(tǒng)，不但可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化管理和監(jiān)控，提高 了系統(tǒng)的可靠性和安全性，而且提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和工作效率。因此，該系統(tǒng)具有一定的工程應(yīng)用和推廣價(jià)值。 變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系： n =60 f（ 1s）／ p，（式中 n、 f、 s、 p 分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對(duì)數(shù)）；通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。變頻器就是基于上述原理采用交 直 交電源變換技術(shù)，電力電子、微電腦控制等技術(shù)于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。 變頻調(diào)速技術(shù)已深入我們生活的每個(gè)角落，變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方式包括 V/F、矢量控制 (VC)、直接轉(zhuǎn)矩控制 (DTC)等。 V/F 控制主要應(yīng)用在低成本、性能要求較低的場(chǎng)合 。而矢量控制的引入，則開(kāi)始了變頻調(diào)速系統(tǒng)在高性能場(chǎng)合的應(yīng)用。近年來(lái)隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展及數(shù)字控制的普及，矢量控制的應(yīng)用已經(jīng)從高性能領(lǐng)域擴(kuò)展至通用驅(qū)動(dòng)及專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合，乃至變頻空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等家用電器。交流驅(qū)動(dòng)器已在工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)化出版設(shè)備、加工工具、傳輸設(shè)備、電梯、壓縮機(jī)、軋鋼、風(fēng)機(jī)泵類(lèi)、電動(dòng)汽車(chē)、起重設(shè)備及其它領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技 術(shù)的飛速發(fā)展，MCU 的處理能力愈加強(qiáng)大，處理速度不斷提升，變頻調(diào)速系統(tǒng)完全有能力處理復(fù)雜的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的觀測(cè)、控制算法，傳動(dòng)性能也因此達(dá)到前所未有的高度。而現(xiàn)在變頻驅(qū)動(dòng)主要使用 PWM 合成驅(qū)動(dòng)方式，這要求其控制器有很強(qiáng)的 PWM 生成能力。 變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)電效果 、 優(yōu)良的調(diào)速性能以及廣泛的適用性、系統(tǒng)的安全可靠性和延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命等優(yōu)點(diǎn)而成為現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。變頻調(diào)速技術(shù)涉及到電機(jī)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息與控制等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，變頻調(diào)速理論已經(jīng)形成較為完善科學(xué)體系，成為一門(mén)相對(duì)獨(dú) 立的學(xué)科。而相對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，變頻調(diào)速技術(shù)是一項(xiàng)陌生而新奇的技術(shù)，變頻器是一種高科技產(chǎn)品，是一種將交流電轉(zhuǎn)化為可變頻變壓運(yùn)行的電能轉(zhuǎn)換裝置，有工業(yè)維生素之稱(chēng)。變頻調(diào)速裝置通常由整流器、平波電抗器或?yàn)V波電容器、逆變器及控制電路組成。在中間直流電路中串接平波電抗器作儲(chǔ)能元件的稱(chēng)為電流型變頻器。中間直流回路并接濾波電容器作儲(chǔ)能元件的稱(chēng)為電壓型變頻器。整流器將輸入的工頻交流電變換成直流電，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)輸入至逆變器，逆變器將直流電流變換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的交流電輸入的電機(jī)。打個(gè)比方，變頻器就好比一個(gè)人的心臟，人 在運(yùn)動(dòng)時(shí)，心臟將劇烈跳動(dòng)，心率加快，供應(yīng)大量的血液給身體各器官；人在休息的時(shí)候，心臟將變緩，從而節(jié)約能耗。電動(dòng)機(jī)同樣也像一步操作中的機(jī)器心臟，其運(yùn)轉(zhuǎn)速度也需要根據(jù)其負(fù)荷大小來(lái)調(diào)整運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，而變頻器則是為其正常運(yùn)轉(zhuǎn)加上一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置。變頻器自 1964 年問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)歷 40 多年的發(fā)展，在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛應(yīng)用，目前在中國(guó)的空調(diào)、電梯、冶金、機(jī)械、電子、石化、造紙、紡織等行業(yè)有十分廣闊的應(yīng)用空間。 PLC 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程方便、性能優(yōu)越、靈活通用、使用方便、可靠性高、搞干擾能力強(qiáng)等到一系列優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。所以，掌握 PLC 技術(shù)是改造傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝和設(shè)備的重要途徑。 PLC— 即可編程控制器 (Programmable logicController), 是在繼電器控制和計(jì)算機(jī)控制的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的 ,并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心 ,把自動(dòng)化技術(shù) 、 計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)自動(dòng)控制裝置 。 PLC 技術(shù)自上世紀(jì) 70 年代被發(fā)明應(yīng)用以來(lái)，經(jīng)過(guò)不斷地創(chuàng)新發(fā)展，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各種生 產(chǎn)機(jī)械和生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制中，成為一種最重要 、 最普及 、 應(yīng)用場(chǎng)合最多的工業(yè)控制裝置，被公認(rèn)為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱（ PLC、 機(jī)器人 、 CAD/CAM）之一 。 PLC 控制技術(shù)之所以能夠發(fā)展如此迅速，除了工業(yè)自動(dòng)化的客觀需要外，主要是因?yàn)槠渚哂性S多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn) 。 能較好的解決工業(yè)領(lǐng)域中普遍關(guān)心的可靠 、安全靈活 、 方便 、 經(jīng)濟(jì)等諸多問(wèn)題 。 其主要特點(diǎn)如下 : 可靠性高 、 抗干擾能力強(qiáng) 可靠性高 、 抗干擾能力強(qiáng)是 PLC 最重要的特點(diǎn)之一 。 PLC 的無(wú)故障時(shí)間平均可達(dá)幾十萬(wàn)小時(shí) 。 硬件方面，輸入 、 輸出通道采用光電隔離，有效的抑制了外部干擾源對(duì) PLC 的影響；供電電源及線路采用多種形式的濾波，從而消除或抑制高頻干擾 。 軟件方面， PLC 采用掃描工作方式，減少了由于外界環(huán)境干擾引起故障，使用監(jiān)控定時(shí)器用于監(jiān)視執(zhí)行用戶程序的專(zhuān)用運(yùn)算處理器的延遲，保證在程序出錯(cuò)和程序調(diào)試時(shí)，避免因程序出錯(cuò)而出現(xiàn)死循環(huán) 。 應(yīng)用靈活 、 編程方便 、 操作簡(jiǎn)單 模塊化的設(shè)計(jì)方式，使用戶能根據(jù)自己控制系統(tǒng)的大小 、 工藝流程和控制要求等選擇自己所需的極管擊穿等原因造成短路，這一故障通過(guò)在分線盤(pán)測(cè)得的數(shù)據(jù)可直接判斷，處理方法是到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行 確認(rèn)測(cè)量 。 另一類(lèi)是比較常見(jiàn)的斷路故障，有可能有以下原因造成的：電纜被破壞造成斷路 、 轉(zhuǎn)轍機(jī)接插件接觸不良 、 轉(zhuǎn)轍機(jī)自動(dòng)開(kāi)閉器接點(diǎn)接觸不良 、 移位接觸器接觸不良 、 配線斷或各種端子接觸不良 。查找具體故障點(diǎn)時(shí)，用電壓法進(jìn)行查找 。 本系統(tǒng)主要用的是 ABB可升級(jí)的 AC500系列 PLC, ABB可升級(jí)的 PLC AC500的 通訊方式主要分為以下三種： CS31總線、 Profibus DP總線、和 ProfiNET實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線等。 CS31現(xiàn)場(chǎng)總線 CS31現(xiàn)場(chǎng)總線從 1989年研發(fā)至今，一直起著承先啟后的作用。通過(guò)這個(gè)總線，把前后多套系統(tǒng)有機(jī)的聯(lián)系在一起。 CS31總線便于設(shè)置和通訊簡(jiǎn)單，總線的連接只需通過(guò)三個(gè)連接端子來(lái)實(shí)現(xiàn)，省去其他總線所需的額外連接成本。 AC500控制系統(tǒng)的 COM1口集成了 CS31主站功能。 CS31總線是一種點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的 RS485串行通訊。每個(gè)通訊系統(tǒng)由一個(gè)主站和最大 31個(gè)從站組成。通訊距離不加中繼為 500米，加中繼最大可達(dá)到 20xx米，總線帶有自診斷功能。通訊介質(zhì)為：屏蔽雙絞線。 PROFIBUSDP現(xiàn)場(chǎng)總線 PROFIBUSDP 使用了 ISO/OSI 通信標(biāo)準(zhǔn)中的第一及第二層（即物理層和數(shù)據(jù) 鏈路層）和用戶接口。這種精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)確保高速數(shù)據(jù)傳輸。直接數(shù)據(jù)鏈路映像程序（ DDLM）提供對(duì)第二層的訪問(wèn) [3～ 5]。在用戶接口中規(guī)定了 PROFIBUSDP 設(shè)備的應(yīng)用功能，以及各類(lèi)型的系統(tǒng)和設(shè)備的行為特性。這種為高速傳輸用戶數(shù)據(jù)而優(yōu)化的 PROFIBUSDP 協(xié)議特別適用于可編程控制器與現(xiàn)場(chǎng)級(jí)分散的 I/O設(shè)備之間的通信。 ProfiNET實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線 最近幾年，工業(yè)以太網(wǎng)正在滲透到工業(yè)控制中來(lái)，其發(fā)展趨勢(shì)表明，工業(yè)以太網(wǎng)將占據(jù)自動(dòng)控制系統(tǒng) 中層、上層的通信網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)通信技術(shù)以其協(xié)議簡(jiǎn)單、開(kāi)放、穩(wěn)定性和可靠性好而獲得了全球的技術(shù)支持，且具有以下優(yōu)點(diǎn)：通信速率高、成本低廉、軟硬件資源豐富、可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?、易于與 Inter連接，能實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的信息無(wú)縫集成。 1． 4論文的研究?jī)?nèi)容 本論文主要討論了一種變頻調(diào)速器多電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化管理和監(jiān)控，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，全文共分為六章。 第一章為緒論。簡(jiǎn)單介紹了課題研究的背景以及方案的選擇和相關(guān)技術(shù)的介紹。 第二章介紹了變頻調(diào)速技術(shù)的原理、分類(lèi)、控制方式以及變頻器的選擇等內(nèi)容。 第三章介紹了可編程控制器的有關(guān)知識(shí)，包括它的原理、功能特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)以及選型、發(fā)展?fàn)顩r等相關(guān)知識(shí)，最后還詳細(xì)介紹了本系統(tǒng)所要采用的 SIEMENS S7— 200 PLC等有關(guān)內(nèi)容。 第四章是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容。根據(jù)多電機(jī)同步的發(fā)展現(xiàn)狀提出了多電機(jī)同步控制方案，介紹了模糊 PID控制理論，提出來(lái)一種基于模糊 PID補(bǔ)償器的多電機(jī)同步控制策略，研究了此種策略的設(shè)計(jì)方法。 第五章是系統(tǒng)通信的設(shè)計(jì)與調(diào)試。重點(diǎn)介紹了變頻器與 PLC， PLC與上位機(jī)通訊的設(shè)計(jì)內(nèi)容 與調(diào)試。包括通信協(xié)議的選定、協(xié)議內(nèi)容以及程序設(shè)計(jì)等相關(guān)內(nèi)容。 第六章是監(jiān)控界面設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容。包