【正文】 由各種嵌入式微控制器、可編程控制器、工業(yè)控制計算機、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)場總線技術(shù)、無線通信技術(shù)等）構(gòu)成；控制對象包括各種電動機、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象之間的信號（也包括相應(yīng)的反饋信號部分）匹配。 本文通過對大拉機控制系統(tǒng)的設(shè)計，涵蓋了目前基礎(chǔ)自動化和過程自動化中典型自動控制技術(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)控制計算機技術(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)模相對較小的自動化系統(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單、抗干擾能力強的特點，可以實現(xiàn)車間級的現(xiàn)場總線網(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、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)用戶程序進行邏輯、算術(shù)運算，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)容也不會改變，要等到下一周期的輸入采樣階段才能改變。任何時刻，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，這種編程語言形象直觀，容易掌握，不需要專門的計算機知識，便于廣大現(xiàn)場工程技術(shù) 人員掌握。用戶可根據(jù)控制對象的規(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)。它與被控制對象的硬件連接方式簡單、接線少，便于維護。 （ 3）設(shè)計安裝容易，維護工作量少。 PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域 PLC 已廣泛應(yīng)用國內(nèi)外的機械、冶金、化工、汽車、輕工等行業(yè)中。 PLC 的運動控制功能廣泛用于各種機械，例如金屬切削機床、金屬成形機械、裝配機械、機器人、電梯等場合。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。 與主電路相對應(yīng)，為主電路提供所需驅(qū)動信號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信號和參數(shù)設(shè)定值，并進行處理。數(shù)字指令信號 :來自 RS232C、 RS485(通常為選件 )的數(shù)字信號。信號檢測電路是將變頻器和電動機的工作狀態(tài)反饋至微處理器，并由微處理器進行處理后為各部分電路給出所需的控制信號和保護信號，以達到控制變頻器的輸出和為變頻器及電動機提供必要的保護的目的。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，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，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，轉(zhuǎn)子電流的相位幾乎改變了 1800，電動機處于發(fā)電機狀態(tài)。過高的直流電壓將使得各部分器件受 到損害。用于消耗電動機再生電能的電路，就是能耗制動電路。 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∈ [,]，取決于電動機的容量和工作情況。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。其特點是：控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求，己在產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 (磁場定向法 ),又稱 VC 控制 矢量控制變頻調(diào)速的做法是 :將異步電動 機在三相坐標(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)于直流電動機的勵磁電流； I t1 相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流 )，然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。 變頻器的干擾問題 變頻器的干擾主要分外部對變頻器的干擾和變頻器對外部的干擾。 （ 1）合理布線 對于通過感應(yīng)方式傳播的干擾信號，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現(xiàn)的。它們在工業(yè)控制中各有優(yōu)缺點，下面通過比較，詳細(xì)闡述變頻器控制系統(tǒng)的優(yōu)勢。通 過變頻器進行調(diào)速控制可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)上利用擋板和閥門進行的風(fēng)量、流量和揚程的控制，所以節(jié)能效果非常明顯。 同樣，在電動機的加速過程中可以通過改變變頻器的輸出頻率使電動機按照斜坡函數(shù)的規(guī)律進行加速，從而達到限制加速電流的目的。變頻調(diào)速系統(tǒng)的上述特點可以用于采用交流拖動系統(tǒng)的傳送帶和移動工作臺等以達到節(jié)能的目的。此外一些變頻器還具有直流制動功能，即在需要進行制動時，可以通過變頻器給電動機加一個直流電壓，并利用該電壓產(chǎn)生的電流進行制動。但是，對于異步電動機來說，由于不存在上述制約因素，理論講異步電動機的轉(zhuǎn)速可以達到相當(dāng)高的速度。在變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)中，變頻器和電動機是可以分離設(shè)置的。當(dāng)用一臺變 頻器同時驅(qū)動多臺電動機時，若驅(qū)動對象為同步電動機，所有的電動機將會以同一速度 (同步轉(zhuǎn)數(shù) )運轉(zhuǎn)，而當(dāng)驅(qū)動對象為容量和負(fù)載都不相同的異步電動機時，則由于轉(zhuǎn)差的原因，各電動機之間會存在一定的速度差。一般來說，變頻器輸入端的容量只需為電動機輸出容量的 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，可以將其作為自動控制系統(tǒng)中的一個部件使用，構(gòu)成所需的自動控制系統(tǒng)。 但 是由于大功率開關(guān)器件發(fā)展的限制，一直都無法進行逆變過程。 變頻變壓 在電動機調(diào)速時，一個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勢和頻率； 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）可知電動機的輸出轉(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，類似于直流電機的 調(diào)壓特性。這對于滿載或過載起動是很不利的，而對于風(fēng)機水泵類機械負(fù)載還是合適的。然而，在調(diào)速方面，三相交流異步電動機竟長期處于“低能兒”狀態(tài)，因此，現(xiàn)實三相交流異步電動機無級調(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 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和數(shù)據(jù)，兩個PLC 的數(shù)據(jù)交換，傳送數(shù)據(jù)對變頻器 實現(xiàn)控制。 系統(tǒng)的硬件介紹 S7200 PLC 由于工廠現(xiàn)場的環(huán)境比較惡劣，溫度、灰塵、電磁干擾對控制系統(tǒng)都會產(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、運行速度和實 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 系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能?？紤]到現(xiàn)場實際的環(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)，它們填補了 SIMATIC HMI 產(chǎn)品在低端領(lǐng)域的空缺。 要實現(xiàn)變頻器控制電機，且與 PLC 之間實現(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，點動值 P448 設(shè)定為 5%，點動； 端子 9，設(shè)定值 22，啟動； 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，視電機溫度傳感器具體情況而定，同時調(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； P703 設(shè)定值 4，參數(shù)控制字長； P701 設(shè)定值 38400，波特率； ，地址（從站地址）； 、 ，設(shè)定值 3 33，報警字送 PLC； 電機參數(shù)： P101，電機電壓； P102，電機電流； P104，功率參數(shù)； P105，電機功率； P107，電機頻率； P108，電機轉(zhuǎn)速； P462，上升時間； P464，下降時間。下面是關(guān)于 Protool 語言如何編輯畫面和幾個主要的界面規(guī)劃設(shè)計。無論為哪個設(shè)備創(chuàng)建項目， ProTool 總是提供相同的、類似的擁護界面。變量值寫入 PLC 上的存儲區(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項目組 態(tài)的窗口，右邊顯示的各個畫面的名稱。 報警畫面 報警畫面主要顯示系統(tǒng)運行出錯是可能出現(xiàn)的錯誤形式，并且根據(jù)客戶要求將變頻器的報警采集并顯示在報警畫面上，可根據(jù)報警的 情況不同做出相應(yīng)的動作。 值得注意的是在組態(tài)，下載或調(diào)試時，在 protool 和 S7200 上將地址和波特率必須設(shè)置一致。圖 為 ProTool 給大拉機項目組態(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 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，并且該大拉機是運往尼日利亞的，所以此項目在上位機界面設(shè)計上下了很大的工夫，要求有中英文兩種語言的界面，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，覆蓋所有與自動化檢測，自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護設(shè)備等等，如：沖壓機床、磨床、印刷機械、橡膠化工機 械、中央空調(diào)、電梯控制、運動系統(tǒng)。 下面是選用兩個 PLC 的模塊清單。該項目在小型自動化項目中是比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，因此次方案能實現(xiàn)要求比較高的控制。近年來，隨著科技的進步、企業(yè)自動化程度的提高，對機械設(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)實意義 自從 19 世紀(jì) 80 年代發(fā)明了三相交流異步電動機以來，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)極為簡單堅固、易于維護。所以φ m小很多， Max 就很小。即E1X ∕ fx =Δ E1X ∕ Δ fx ， C = ，要保持電機磁通恒定，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