【正文】 由各種嵌入式微控制器、可編程控制器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、分布式控制系統(tǒng)、回路調(diào)節(jié)器、變頻器以及其他控制技術(shù)（如現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、無線通信技術(shù)等）構(gòu)成；控制對(duì)象包括各種電動(dòng)機(jī)、生產(chǎn)單元、生產(chǎn)過程等；過程通道完成控制裝置與控制對(duì)象之間的信號(hào)（也包括相應(yīng)的反饋信號(hào)部分）匹配。 本文通過對(duì)大拉機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，涵蓋了目前基礎(chǔ)自動(dòng)化和過程自動(dòng)化中典型自動(dòng)控制技術(shù)手段或裝置的應(yīng)用，包括可編程序控制器技術(shù)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)、變頻器技 術(shù)、觸摸屏技術(shù)及組態(tài)軟件技術(shù)。 在規(guī)模相對(duì)較小的自動(dòng)化系統(tǒng)中，由于 USS 協(xié)議是西門子公司一變頻器開發(fā)的通信協(xié)議，可支持變頻器同 PC 或 PLC 之間建立通信連接，因此 USS 協(xié)議通信是一種很 成功的解決方案，能顯示出具有硬件邏輯簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)車間級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)控制 。由于順序控制是 PLC 的主要功能，因此輸入端以開關(guān)量部件按鈕、繼電觸點(diǎn)、限位開關(guān)等為主，輸出端多為繼電器、電磁閥線圈和指示燈等，其工作過程總可分為三個(gè)階段 :輸入采樣 (處理 )、程序執(zhí)行和輸出刷新 (處理 )。在程序執(zhí)行階段， PLC 按河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 7 先左后右、先上后下順序，逐條執(zhí)行程序指令，從輸入映像 寄存器和輸出映像寄存器讀出有關(guān)元件的通斷狀態(tài)，根據(jù)用戶程序進(jìn)行邏輯、算術(shù)運(yùn)算，再將結(jié)果存入輸出映像寄存器中。 由 PLC 的工作過程可見， PLC 執(zhí)行程序時(shí)所用到的狀態(tài)值不是直接從輸入端獲得的，而是來源于輸入映像寄存器和輸出映像寄存器 .因此 PLC 在程序執(zhí)行階段，即使輸入發(fā)生變化，輸入映像寄存器的 內(nèi)容也不會(huì)改變，要等到下一周期的輸入采樣階段才能改變。任何時(shí)刻，它只能執(zhí)行一條指令，也就是說， PLC 是以“串行”方式工作。梯形圖與繼電器原理圖類似，這種編程語(yǔ)言形象直觀，容易掌握，不需要專門的計(jì)算機(jī)知識(shí)，便于廣大現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù) 人員掌握。用戶可根據(jù)控制對(duì)象的規(guī)模及控制要求，選擇合適的 PLC 產(chǎn)品，組成所需要的控制系統(tǒng)。它與被控制對(duì)象的硬件連接方式簡(jiǎn)單、接線少，便于維護(hù)。 （ 3）設(shè)計(jì)安裝容易，維護(hù)工作量少。 PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域 PLC 已廣泛應(yīng)用國(guó)內(nèi)外的機(jī)械、冶金、化工、汽車、輕工等行業(yè)中。 PLC 的運(yùn)動(dòng)控制功能廣泛用于各種機(jī)械，例如金屬切削機(jī)床、金屬成形機(jī)械、裝配機(jī)械、機(jī)器人、電梯等場(chǎng)合。其閉環(huán)控制功能已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于塑料擠壓成形、加熱爐、熱處理爐、鍋爐等設(shè)備，以及輕工、化工、機(jī)械、冶金、電力、建材等行業(yè)。變頻器的基本構(gòu)成如圖 所示，其主電路主要由整流電路、直流中間電路和逆變電路三部分以及有關(guān)的輔助電路組成。 與主電路相對(duì)應(yīng)，為主電路提供所需驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電路稱為變頻器的控制電路。它通過 A/D、 D/A 等接口電路接收各種檢測(cè)信號(hào)和參數(shù)設(shè)定值，并進(jìn)行處理。數(shù)字指令信號(hào) :來自 RS232C、 RS485(通常為選件 )的數(shù)字信號(hào)。信號(hào)檢測(cè)電路是將變頻器和電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)反饋至微處理器，并由微處理器進(jìn)行處理后為各部分電路給出所需的控制信號(hào)和保護(hù)信號(hào)，以達(dá)到控制變頻器的輸出和為變頻器及電動(dòng)機(jī)提供必要的保護(hù)的目的。交 直 交電壓型變頻器是中小容量、通用型變頻器的主要形式，其主電路如圖 所示。在中、小容量的變頻器中，整流器件采用不可控的整流二極管，如圖 中的 VD1～ VD6，其導(dǎo)通順序是 VD1河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 11 → VD2→ VD3→ VD4→ VD5→ VD6。 （ 1）濾波電路 由于受到電解電容的電容量和耐壓能力的限制，濾波電路通常由若干個(gè)電容器并聯(lián)成一組，如 中所示， C1和 C2。 1）限流電阻 Rs 變頻器在接入電源之前，濾波電容上的直流電壓 UD = 0。所以，當(dāng)直流電壓 UD 增大到一定程度時(shí)，把短路開關(guān) S 接通 ，限流電阻 Rs就短路了。當(dāng)正弦值為最大值時(shí)，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔則較大。 逆變器件的選擇 : （ 1）截止?fàn)顟B(tài)下的擊穿電壓 UCEX =2DMAX （ 33） 式中， UMAX 為直流電壓的最大值。當(dāng)同步轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子電流的相位幾乎改變了 1800，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。過高的直流電壓將使得各部分器件受 到損害。用于消耗電動(dòng)機(jī)再生電能的電路，就是能耗制動(dòng)電路。 P ≥ AU 2 D ? RB （ 36） 式中， UD 為直流電壓； a 為選用系數(shù)，取值范圍一般 a∈ [,]，取決于電動(dòng)機(jī)的容量和工作情況。在交流變頻器中常用的非智能控制方式有 V/f 協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。其特點(diǎn)是：控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，己在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 (磁場(chǎng)定向法 ),又稱 VC 控制 矢量控制變頻調(diào)速的做法是 :將異步電動(dòng) 機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流 I a、 I b、 I c 通過三相一二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流 I a I b1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流 I mI t1(I m1 相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流； I t1 相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流 )，然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。 變頻器的干擾問題 變頻器的干擾主要分外部對(duì)變頻器的干擾和變頻器對(duì)外部的干擾。 （ 1）合理布線 對(duì)于通過感應(yīng)方式傳播的干擾信號(hào)，可以通過合理布線的方式來削弱。 LD 為直流電抗器，串聯(lián)在整流橋和濾波電容之間。 交變頻器 不通過中間直流環(huán)節(jié)而把電網(wǎng)頻率的交 流電直接變換成不同頻率的交流電，僅用一次變換就實(shí)現(xiàn)變頻。 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 17 在電壓型變頻器中，逆變電路所需要的支流電壓是由整流電路或者斬波電路輸出，通過直流中間電 路的電容進(jìn)行濾波平滑后產(chǎn)生的，在逆變電路中被變換為所需頻率的交流電壓。 根據(jù)電壓的調(diào)制方式分類 （ SPWM）變頻器 電壓的大小是通過調(diào)節(jié)脈沖寬度與脈沖占空比來實(shí)現(xiàn)的。它們?cè)诠I(yè)控制中各有優(yōu)缺點(diǎn)，下面通過比較，詳細(xì)闡述變頻器控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。通 過變頻器進(jìn)行調(diào)速控制可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)上利用擋板和閥門進(jìn)行的風(fēng)量、流量和揚(yáng)程的控制，所以節(jié)能效果非常明顯。 同樣，在電動(dòng)機(jī)的加速過程中可以通過改變變頻器的輸出頻率使電動(dòng)機(jī)按照斜坡函數(shù)的規(guī)律進(jìn)行加速，從而達(dá)到限制加速電流的目的。變頻調(diào)速系統(tǒng)的上述特點(diǎn)可以用于采用交流拖動(dòng)系統(tǒng)的傳送帶和移動(dòng)工作臺(tái)等以達(dá)到節(jié)能的目的。此外一些變頻器還具有直流制動(dòng)功能，即在需要進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，可以通過變頻器給電動(dòng)機(jī)加一個(gè)直流電壓，并利用該電壓產(chǎn)生的電流進(jìn)行制動(dòng)。但是，對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)來說，由于不存在上述制約因素，理論講異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到相當(dāng)高的速度。在變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)中，變頻器和電動(dòng)機(jī)是可以分離設(shè)置的。當(dāng)用一臺(tái)變 頻器同時(shí)驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)時(shí)，若驅(qū)動(dòng)對(duì)象為同步電動(dòng)機(jī)，所有的電動(dòng)機(jī)將會(huì)以同一速度 (同步轉(zhuǎn)數(shù) )運(yùn)轉(zhuǎn)，而當(dāng)驅(qū)動(dòng)對(duì)象為容量和負(fù)載都不相同的異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，則由于轉(zhuǎn)差的原因，各電動(dòng)機(jī)之間會(huì)存在一定的速度差。一般來說，變頻器輸入端的容量只需為電動(dòng)機(jī)輸出容量的 倍左右即可。而且由于高性能的變頻器的外部接口功能也非常豐富，可以將其作為自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)部件使用，構(gòu)成所需的自動(dòng)控制系統(tǒng)。 但 是由于大功率開關(guān)器件發(fā)展的限制，一直都無法進(jìn)行逆變過程。 變頻變壓 在電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，一個(gè)重要的因素是希望保持每極磁通量φ m 為不變額定值。 φ m = E1X ? （ 38） 式中， φ m為主磁通； E1X 、 fX 為一相定子繞組電動(dòng)勢(shì)和頻率； KE 為比例常數(shù)； N 為一相繞組的匝數(shù)。 如果主磁通減少，從（ 310）可知電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距也跟著減少。由圖可見，從同步轉(zhuǎn)速 (M=0)到最大轉(zhuǎn)矩 (Max)的特性可近似看作是線性關(guān)系，且線性段基本平行，類似于直流電機(jī)的 調(diào)壓特性。這對(duì)于滿載或過載起動(dòng)是很不利的，而對(duì)于風(fēng)機(jī)水泵類機(jī)械負(fù)載還是合適的。然而，在調(diào)速方面，三相交流異步電動(dòng)機(jī)竟長(zhǎng)期處于“低能兒”狀態(tài)，因此，現(xiàn)實(shí)三相交流異步電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速，成為河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 22 人們新的研究方向。 第 4 章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)核心是 PLC 控制部分，包括接受觸摸屏傳送的邏輯點(diǎn)和數(shù)據(jù)，兩個(gè)PLC 的數(shù)據(jù)交換，傳送數(shù)據(jù)對(duì)變頻器 實(shí)現(xiàn)控制。 系統(tǒng)的硬件介紹 S7200 PLC 由于工廠現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境比較惡劣，溫度、灰塵、電磁干擾對(duì)控制系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生極大的影響，選用西門子 PLC 能很好的解決這些問題，在環(huán)境適應(yīng)性、運(yùn)行速度和實(shí) 用性上都有很好的效果。 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 23 S7200 系列在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的環(huán)境條件，選用西門子公司生產(chǎn)的 TP270 觸摸屏。 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 24 表 觸摸屏 TP270 特性表 觸摸屏 TP270 代表了低端操作單元新系列的產(chǎn)品，該系列中的設(shè)備是基于革新后 Windows CE 操作系統(tǒng)，它們填補(bǔ)了 SIMATIC HMI 產(chǎn)品在低端領(lǐng)域的空缺。 要實(shí)現(xiàn)變頻器控制電機(jī)，且與 PLC 之間實(shí)現(xiàn) USS 通訊，就需要設(shè)置變頻器的參數(shù)，下面列出了一些參數(shù)的意義： 端子 7，設(shè)定值 18，急停； 端子 8，設(shè)定值 20，點(diǎn)動(dòng)值 P448 設(shè)定為 5%，點(diǎn)動(dòng)； 端子 9，設(shè)定值 22，啟動(dòng)； 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 25 端子 15，設(shè)定值 11，主給定； 端子 1 20，設(shè)定值 148，轉(zhuǎn)速顯示； 端子 2 20，設(shè)定值 148，速度反饋； P130，設(shè)定值 11，編碼器反饋； P151，編碼器脈沖數(shù)； P131 端子 2 30，設(shè)定值 0 或 3，視電機(jī)溫度傳感器具體情況而定，同時(shí)調(diào)整 P380、 P381 參數(shù)； P368 設(shè)定值 4， USS 通訊； P702 設(shè)定值 4，過程控制字長(zhǎng)； P703 設(shè)定值 4，參數(shù)控制字長(zhǎng)； P701 設(shè)定值 38400，波特率； ，地址（從站地址）； 、 ，設(shè)定值 3 33，報(bào)警字送 PLC； 電機(jī)參數(shù)： P101，電機(jī)電壓； P102，電機(jī)電流； P104，功率參數(shù)； P105，電機(jī)功率； P107，電機(jī)頻率； P108，電機(jī)轉(zhuǎn)速； P462，上升時(shí)間； P464，下降時(shí)間。下面是關(guān)于 Protool 語(yǔ)言如何編輯畫面和幾個(gè)主要的界面規(guī)劃設(shè)計(jì)。無論為哪個(gè)設(shè)備創(chuàng)建項(xiàng)目， ProTool 總是提供相同的、類似的擁護(hù)界面。變量值寫入 PLC 上的存儲(chǔ)區(qū)域（地址）， 由操作單元從該區(qū)域讀取。圖 所示窗口是為大拉機(jī)項(xiàng)目組 態(tài)的窗口，右邊顯示的各個(gè)畫面的名稱。 報(bào)警畫面 報(bào)警畫面主要顯示系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)是可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤形式，并且根據(jù)客戶要求將變頻器的報(bào)警采集并顯示在報(bào)警畫面上，可根據(jù)報(bào)警的 情況不同做出相應(yīng)的動(dòng)作。 值得注意的是在組態(tài)，下載或調(diào)試時(shí)，在 protool 和 S7200 上將地址和波特率必須設(shè)置一致。圖 為 ProTool 給大拉機(jī)項(xiàng)目組態(tài)畫面的操作界面。為此，要根據(jù)需要盡量精確地把設(shè)備或過程映射在操作單元上。 ProTool 是用于整個(gè) SIMATIC HMI 系列的創(chuàng)新的組態(tài)軟件包?？紤]到本系統(tǒng)操作人員大多數(shù)是一線工人，并且該大拉機(jī)是運(yùn)往尼日利亞的，所以此項(xiàng)目在上位機(jī)界面設(shè)計(jì)上下了很大的工夫，要求有中英文兩種語(yǔ)言的界面，在力求做到美觀大方的基礎(chǔ)上，更加適合廣大工人操作。 變頻器 近年來，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，生產(chǎn)工藝的改及半導(dǎo)體器件價(jià)格的降低，變頻調(diào)速越來越被工業(yè)上所采用。 TP270 和 S7200 同為 SIEMENS 公司的產(chǎn)品，通訊速度快，通訊方式相互兼容，整個(gè)控制方面處理起來快速、方便。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)化檢測(cè)，自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等，如：沖壓機(jī)床、磨床、印刷機(jī)械、橡膠化工機(jī) 械、中央空調(diào)、電梯控制、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。 下面是選用兩個(gè) PLC 的模塊清單。該項(xiàng)目在小型自動(dòng)化項(xiàng)目中是比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，因此次方案能實(shí)現(xiàn)要求比較高的控制。近年來，隨著科技的進(jìn)步、企業(yè)自動(dòng)化程度的提高，對(duì)機(jī)械設(shè)備的要求不僅僅是性穩(wěn)定、操作方便，還應(yīng)該盡可能地節(jié)約能源。 變頻調(diào)速的 現(xiàn)實(shí)意義 自從 19 世紀(jì) 80 年代發(fā)明了三相交流異步電動(dòng)機(jī)以來，由于其轉(zhuǎn)子回路內(nèi)的電流不必外部通入，轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單堅(jiān)固、易于維護(hù)。所以φ m小很多， Max 就很小。即E1X ∕ fx =Δ E1X ∕ Δ fx ， C = ，要保持電機(jī)磁通恒定，必須使定子電壓隨定子頻率成正比變化，這種 E1X 和 fx的配合變化稱為恒磁通變頻調(diào)速中的協(xié)調(diào)控制，也就是說變頻的同時(shí)也要變壓 。 Te =CTφ mIM cosψ （ 310） 式中， Te 為電磁轉(zhuǎn)距； IMcosψ為電流有功分量； CT為比