【正文】 善，價格不斷降低，特別是變頻調節(jié) 省 電效果明顯，而且易于實現過程自動化在調速性能方面可以和直流電力拖動相媲美。該方法主要通過程序來控制 電動機的變頻調速，從而實現了自動控制。其原理是通過 RS285 串行通信技術，把 PLC 和上位機連接，實現他們之間的通信，利用 編程軟件，根據搭建好的硬件線路圖進行編程，實現所要實現的邏輯控制功能。 現在通用變頻器大都是采用二極管整流器和由全控開關器件 IGBT 或功率模塊組成的 PWM（脈寬調制 ） 逆變器，構成交 直 交電壓源型變壓變頻器，他們已經占據了全世界 到 500kV PLC 以其高可靠性、適應性強和使用方便等突出優(yōu)點在自動化控制領域應用廣泛 。早期工業(yè)生產中，對于一些要求調速精度高的系統(tǒng)，采用了直流電動機，但直流電動機存在啟動轉矩小，換向電刷容易老化產生火花等問題。 本設計將在 PLC 電控系統(tǒng)的基礎 上配合變頻調速裝置，運用現在先進的矢量控制技術，實現提升電機在不同時間階段運行 在不同 速度 下 。 本科畢業(yè) 論文 基于 PLC 的電機控制 系統(tǒng)的研制 DEVELOPMENT OF THE MOTOR CONTROL SYSTEM BASED ON PLC 學 院 ： 電氣與信息工程學院 專業(yè)班級： 電氣 097 學生姓名： 指導教師： 2021 年 6 月 3 日 安徽理工大學畢業(yè)設計 I 基于 PLC 的電機控制系統(tǒng) 的研 制 摘要 電動機作為電力系統(tǒng)中的主要負載，電機用戶消耗了超過 1/2 的系統(tǒng)負荷，但從機電 能量轉化的角度來看，大多數電機的效率仍然偏低。 在實際的工程應用中往往是根據工程項目的需要 ， 用 PLC 進行編程實現復雜控制 ， 利用變頻器實現變頻調速和軟啟動控制 ， 利用電氣控制系統(tǒng)實現主電路的連接 ，三個系統(tǒng)要密切配合才能實現控制要求 。隨著工農業(yè)的不斷發(fā)展，對電動機運行的 要求也不斷提高， 很多的生產過程中都要求電動機能根據不同的工況，運行在不同的速度。在特定的范圍內，高性能價格比己成為新型 PLC 的最突出的特點。然后，再把直流電逆變成所需頻率的交流電，從而達到控制電動機轉速的目的。 PLC（ 可編程控制器 ）的引入，使得控制系統(tǒng)自動化程度有了很大的提高，也對一些復雜的工作環(huán)境實現遠程控制。在現在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，最為常見的是由 PLC 控制變頻器實現電動機的調速控制。二十世紀七十年代后，隨著大規(guī)模集成電路和計算機控 制 技術的發(fā)展，以及現代控制理論的應用，交流調速系統(tǒng)逐步具備了寬的調速范圍、高的穩(wěn)速范圍、高的穩(wěn)速精度、快的動態(tài)響應，且實現了在四相限運行的良好技術性能。此后，交流調速系統(tǒng)主要沿用下述兩個方向發(fā)展和應用 。根據有關計算統(tǒng)計，由于風機、水泵對調速范圍和動 態(tài)性能的要求都不高只需要一般的調速性能就已足夠，那么換成交流調速系統(tǒng)后，每臺風機、水泵平均約可節(jié)能 20%，這種節(jié)能效果是非?？捎^的。自七十年代矢量控制技術發(fā)展以來，從理論上解決了交流調速系統(tǒng)在靜、動態(tài)性能上與直流傳動相媲美的問題。今天的可編程控制器正在成為工業(yè)控制領域的主流控制設備，在世界各地發(fā)揮著越來越大的作用 。 PLC 與電氣控制發(fā)展的方向 從工業(yè)革命時期到現在電氣控制已經發(fā)展了一個相當長的時間，再發(fā)展也不會有什么突出的表現，而 PLC 技術的發(fā)展還處于一個不斷創(chuàng)新的階段，所以 PLC 的發(fā)展與電氣控制的發(fā)展已然成為一種主從關系，即 PLC 的發(fā)展帶 動電氣控制的發(fā)展，而未來PLC 的發(fā)展其中有兩個趨勢。比如 西門子 的 S7200 系列 PLC，最小的機種，體積僅為 609070 2mm ，相當于一個繼電器，但卻具有高速計數、斜坡、交替輸出及 16 位四則運算等能力，還具有可調電位器時間設定功能。 3. 預測發(fā)展前景 （ 1）增強抗干擾性 如 果 生產環(huán)境過于惡劣，或是電磁干擾異常強烈則也可造成 PLC 控制系統(tǒng)的運算或是控制錯誤，導致在某些生產環(huán)節(jié)出現錯誤而不能保證正常的生產運行，因此，提高 PLC 的可靠性是其未來發(fā)展的主要方向，其一方面要提高抗干擾能力同時在設計、安裝以及使用過程中引起重視，盡量減少對其造成負面影響。今天的可編程控制器正在成為工業(yè)控制領域的主流控制設備，在世界各地發(fā)揮著越來越大的作用。 從工業(yè)革命時期到現在電氣控制已經發(fā)展了一個相當長的時間，再發(fā)展也不會有什么突出的表現，而 PLC 技術的發(fā)展還處于一個不斷創(chuàng)新的階段，所以 PLC 的發(fā)展與電氣控制的發(fā)展已然成為一種主從關系，即 PLC 的發(fā)展帶動電氣控制的發(fā)展，而未來PLC 的發(fā)展其中有兩個趨勢。 PLC 已不再是早期那種只能進行開關量邏輯運算的產品了，而是具有越來越強的模擬量處理能力，以及其他過去只有在計算機上才能具有的高級處理能力，如浮點數運算， PID調節(jié)，溫度控制，精確定位，步進驅動，報表統(tǒng)計等。 目前用于火電系統(tǒng)控制系統(tǒng)的 DCS 雖技術日益成熟但近年來其發(fā)展日趨緩慢， PLC 的數 字化、智能化控制得到進一步的發(fā)展和應用，因此其近年來在火電廠的應用日益廣泛。一些新興行業(yè)的運用以及新能源產生、儲存和基礎設施建設的需要，無疑給 PLC 帶來了巨大的機遇。 課題 研究設計的目的和意義 電機是工業(yè)生產中最重要的拖動設備之一，交流異步電機由于結構簡單、維修容易等優(yōu)點，被廣泛應用于工農業(yè)及其他生產當中。而且這種控制方式存在著很多的問題 : （ 1） 轉子回路串接電阻，消耗電能，造成能源浪費。 （ 5） 電動機依靠轉子電阻獲得的低速，其運行特性較軟。采用 PLC 控制，硬件簡潔、軟件靈活性強、調試方便、維護量小， PLC 技術己經廣泛應用于各種控制系統(tǒng)。它采用可以編制程序的存儲 器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數核算數計算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各類的機械或生產過程。 的硬件發(fā)展 （ 1）采用新的先進的微處理器和電子技術達到快速的掃描時間。 （ 5）包括輸入 /輸出模塊和端子的結構設計改進，使端子更加集成。 的軟件進展 （ 1） PLC 引入了面向對象的編程工具，并根據國際電工委員會的 IEC611313的標準形成了多種語言。 （ 5）診斷和錯誤檢測功能 是從簡單的系統(tǒng)控制器的過賬診斷擴大到對所控制的機器和設備的過程診斷。 可靠性包括產品的有效性和可維修性。 PLC 的易操作性表現在下列三個方面： （ 1）操作方便。采用語句表 編程時，由于編程語句是功能的縮寫，便于記憶，并且與梯形圖有一一對應的關系，所以有利于編程人員的編程操作。 PLC 所具有的自診斷功能對維修人員的技術要求降低。 PLC 的擴展靈 活性是指可以根據應用的規(guī)模不斷擴大，即進行容量的擴展、功能的擴展、應用和控制范圍的擴展。主要是由中央處理（ CPU）模塊、編程器、電源模塊、存儲器模塊和專門設計的輸入輸出接口電路等組成。 CPU 通過數據總線、地址總線和控制總線與存儲單元、輸入 /輸出接口電路相連接。 （ 3）監(jiān)測和診斷電源、 PLC 內部電路的工作狀態(tài)和用戶編程過程中的語法錯誤。 （ 1）系統(tǒng)存儲器。用戶程序存儲區(qū)存放針對具體控制任務，用規(guī)定的 PLC 編程語言編寫的控制程序。用戶數據存儲區(qū)包括輸入數據映像 區(qū)、輸出數據映像區(qū)、定時器、計算器的預置值和當前值的數據區(qū)，以及存放中間結果的緩沖區(qū)等。由于實際生產 過程中產生的輸入信號多種多樣，信號電平各不相同，而 PLC 所能處理的信號只能是標準電平，因此必須通過輸入模塊講這些此信號轉換成 CPU 能夠接受和處理得標準電平信號。在數字量 I/O 模塊中廣泛采用由發(fā)光二極管和光電三極管組成的光耦合器，在模擬模塊中通常采用隔 離放大器。和輸入模塊相同，與輸出模塊相接的負載所需的控制信號可以是數字量、模擬量、直流信號、交流信號等，因此，同樣需要根據負載安徽理工大學畢業(yè)設計 12 性質選擇合適的輸出模塊。為了防止在外部電源發(fā)生故障的情況下， PLC 內部程序和數據等重要信息的丟失， PLC 用鋰電池做停電時的后備電源。PLC 對用戶程序的執(zhí)行 是以循環(huán)掃描方式進行。 PLC 采用循環(huán)掃描控制程序的工作方式，即在 PLC 的工作過程中，如果某一個軟繼電器的線圈接通，該 縣權的所有動合觸點和動斷觸點，并不一定都會立即動作，只有 CPU 掃描到該觸點時才會動作。 PLC 在 RUN 狀態(tài)時，執(zhí)行一次圖 23 所示的掃描操作所需的時間稱為掃描周期，其典型值 為 1~100ms。 PLC 上電后，首先進行系統(tǒng)初始化，清除內部繼電器區(qū)，復位定時器等。在每個通信信息處理掃描階段，進行 PLC 之間、 PLC 與計算機之間及 PLC 與其他帶微處理器的智能裝置通信，在多處理器系統(tǒng)中， CPU 還要與數字處理器交換信息。編程器是人機交互的設備，用戶可以進行程序的編制、編輯、調試和監(jiān)視等。 安徽理工大學畢業(yè)設計 15 （ 5）執(zhí)行用戶程序。 PLC 在運行狀態(tài)下，每一個掃描周期都要進行輸入、輸出信息處理。 CPU 有 STOP 方式和 RUN 方式兩個操作方式。在此階段，順序讀入所有輸入端子的通斷狀態(tài)，并將讀入的信息存入內存中所對應的映像寄存器。 （ 2）用戶程序執(zhí)行階段。對每 個器件來說，器件映像寄存器中所寄存的內容，會隨著程序執(zhí)行過程而變化。它主要由定子、轉子和它們之間的氣隙構成。 定子由鐵心、繞組與機座三部分組成。 三相交流異步電動機工作原理 旋轉磁場 的產生 將三相異步電動機的三相定子繞組接成星形，并且繞組在空間相差 120176。 以兩極電動機即 22p? 為例說明，如圖 31(a)所示，對稱的三相繞組 U1U V1VW1W2 假設為集中繞組，三相 繞組接成星形，并通以三相對稱電流 Ai 、 Bi 、 Ci ，如圖 31(b)、（ c）所示。利用右手螺旋定則可確定在 0t?? 瞬間由三相電流所產生的合成磁場方向，如圖 31（ d）所示?？梢姾铣纱艌龇较蛞暂^ 0t?? 時按順時針方向轉過 90176。 AiBiCi2??32?2? t?iU 1U 2V 1V 2W 1W 2( a )W 1U 1U 2W 2 V 2V 1AiBiCi( b )( c )W 2V 1U 1U 2V 2W 1W 2V 1V 2W 1W 2V 1V 2W 1W 2V 1V 2W 1W 2V 1V 2W 1U 1U 2U 1U 2U 1U 2U 1U 2( d ) ( e )( f ) ( g ) ( h )O 圖 31 兩極定子繞組的旋轉磁場 （ a）簡化的三相繞組分布圖；（ b）按星形連接的三相繞組接通三相電源； （ c）三相對稱電流波形圖；（ d）～（ h）兩極繞組的旋轉磁場 綜上所述，在三相交流電動機定子上布置有結構完全相同在空間位置各相差 120176。如果任意調換電動機兩相繞組所接的交流電源的相序，即 A 相交流電仍接 U 相繞組，將 B 相交流電改接 W 相繞組， C 相交流電接 V 相繞組，則合成磁場的旋轉方向已經變?yōu)槟鏁r針旋轉。故在兩極電動機中旋轉磁場的轉速等于三相交流電的變化速度，即 116 0 3 0 0 0 m inn f r?? 。 （ 2）當轉子轉速 n 增加時， 1nn? 開始下降，故轉子中的感應電動勢和電流下降。 我們將旋轉磁場的 同步轉速 和電動機轉子轉速之差與旋轉磁場的同步轉速之比稱為 轉差率 ，用 s 表示，描述轉子轉速與旋轉磁場轉速相差的程 度。 （ 3）電動機在額定工作狀態(tài)下運行時，對于中小型異步電動機而言，轉差率 s 為~。 sTmsmToon1nNnNT mT T ?ABCmnsT 圖 32 三相交流異步電動機機械特性圖 在機械特性圖中，存在兩個工作區(qū)：穩(wěn)定運行區(qū)和不穩(wěn)定運行區(qū)。按照啟動方式不同，它可以分為直接啟動和降壓啟動。因此，降壓啟動僅適用于空載或輕載啟動 。 （ 4） 長動與點動混合控制：如果電動機既要點動控制，又要連續(xù)運轉控制，那么安徽理工大學畢業(yè)設計 20 可以結合一下，采用三個按鈕和自鎖觸點，實現點動與長動運轉控制。電動機啟動時，接成 Y 形，加在每相定子繞組上的啟動電壓只有三角形接法的，啟動電流為三角形接法的 1/3，啟動轉矩也只有 三角形接法的 1/3。任意改變電源的相序時，電動機的旋轉方向就會隨之改變，即要改變三相異步電動機轉動方向，只要 把接到三相異步電動機的三相交流電源線中的任意兩相對調， 即可以實現反轉。 制動，就 是給電動機一個與轉動方向相反的轉矩使它迅速停轉（或限制其轉速）。 （ 1） 反接制動 控制 的方法 異步電動機反接制動有兩種，一種方法是在負載轉矩作用下使電動機反轉的倒拉反轉反接制動，但它不能準確停車；另一種方法是依靠改變三相異步電動機定子繞組中三相電源的相序產生制動力矩，迫使電動機迅速停轉。應用較多的有變壓器橋式整流單向運轉能耗制動