【正文】 善，價(jià)格不斷降低，特別是變頻調(diào)節(jié) 省 電效果明顯，而且易于實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化在調(diào)速性能方面可以和直流電力拖動(dòng)相媲美。該方法主要通過(guò)程序來(lái)控制 電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制。其原理是通過(guò) RS285 串行通信技術(shù)，把 PLC 和上位機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)他們之間的通信，利用 編程軟件，根據(jù)搭建好的硬件線路圖進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)所要實(shí)現(xiàn)的邏輯控制功能。 現(xiàn)在通用變頻器大都是采用二極管整流器和由全控開關(guān)器件 IGBT 或功率模塊組成的 PWM（脈寬調(diào)制 ） 逆變器，構(gòu)成交 直 交電壓源型變壓變頻器，他們已經(jīng)占據(jù)了全世界 到 500kV PLC 以其高可靠性、適應(yīng)性強(qiáng)和使用方便等突出優(yōu)點(diǎn)在自動(dòng)化控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛 。早期工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)于一些要求調(diào)速精度高的系統(tǒng)，采用了直流電動(dòng)機(jī)，但直流電動(dòng)機(jī)存在啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，換向電刷容易老化產(chǎn)生火花等問(wèn)題。 本設(shè)計(jì)將在 PLC 電控系統(tǒng)的基礎(chǔ) 上配合變頻調(diào)速裝置，運(yùn)用現(xiàn)在先進(jìn)的矢量控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)提升電機(jī)在不同時(shí)間階段運(yùn)行 在不同 速度 下 。 本科畢業(yè) 論文 基于 PLC 的電機(jī)控制 系統(tǒng)的研制 DEVELOPMENT OF THE MOTOR CONTROL SYSTEM BASED ON PLC 學(xué) 院 ： 電氣與信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 電氣 097 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2021 年 6 月 3 日 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) I 基于 PLC 的電機(jī)控制系統(tǒng) 的研 制 摘要 電動(dòng)機(jī)作為電力系統(tǒng)中的主要負(fù)載，電機(jī)用戶消耗了超過(guò) 1/2 的系統(tǒng)負(fù)荷，但從機(jī)電 能量轉(zhuǎn)化的角度來(lái)看，大多數(shù)電機(jī)的效率仍然偏低。 在實(shí)際的工程應(yīng)用中往往是根據(jù)工程項(xiàng)目的需要 ， 用 PLC 進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制 ， 利用變頻器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速和軟啟動(dòng)控制 ， 利用電氣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主電路的連接 ，三個(gè)系統(tǒng)要密切配合才能實(shí)現(xiàn)控制要求 。隨著工農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的 要求也不斷提高， 很多的生產(chǎn)過(guò)程中都要求電動(dòng)機(jī)能根據(jù)不同的工況，運(yùn)行在不同的速度。在特定的范圍內(nèi)，高性能價(jià)格比己成為新型 PLC 的最突出的特點(diǎn)。然后，再把直流電逆變成所需頻率的交流電，從而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 PLC（ 可編程控制器 ）的引入，使得控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度有了很大的提高，也對(duì)一些復(fù)雜的工作環(huán)境實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。在現(xiàn)在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，最為常見的是由 PLC 控制變頻器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。二十世紀(jì)七十年代后，隨著大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控 制 技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，交流調(diào)速系統(tǒng)逐步具備了寬的調(diào)速范圍、高的穩(wěn)速范圍、高的穩(wěn)速精度、快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，且實(shí)現(xiàn)了在四相限運(yùn)行的良好技術(shù)性能。此后，交流調(diào)速系統(tǒng)主要沿用下述兩個(gè)方向發(fā)展和應(yīng)用 。根據(jù)有關(guān)計(jì)算統(tǒng)計(jì)，由于風(fēng)機(jī)、水泵對(duì)調(diào)速范圍和動(dòng) 態(tài)性能的要求都不高只需要一般的調(diào)速性能就已足夠，那么換成交流調(diào)速系統(tǒng)后，每臺(tái)風(fēng)機(jī)、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(shù)發(fā)展以來(lái)，從理論上解決了交流調(diào)速系統(tǒng)在靜、動(dòng)態(tài)性能上與直流傳動(dòng)相媲美的問(wèn)題。今天的可編程控制器正在成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備，在世界各地發(fā)揮著越來(lái)越大的作用 。 PLC 與電氣控制發(fā)展的方向 從工業(yè)革命時(shí)期到現(xiàn)在電氣控制已經(jīng)發(fā)展了一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，再發(fā)展也不會(huì)有什么突出的表現(xiàn)，而 PLC 技術(shù)的發(fā)展還處于一個(gè)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(guān)系，即 PLC 的發(fā)展帶 動(dòng)電氣控制的發(fā)展，而未來(lái)PLC 的發(fā)展其中有兩個(gè)趨勢(shì)。比如 西門子 的 S7200 系列 PLC，最小的機(jī)種，體積僅為 609070 2mm ，相當(dāng)于一個(gè)繼電器，但卻具有高速計(jì)數(shù)、斜坡、交替輸出及 16 位四則運(yùn)算等能力，還具有可調(diào)電位器時(shí)間設(shè)定功能。 3. 預(yù)測(cè)發(fā)展前景 （ 1）增強(qiáng)抗干擾性 如 果 生產(chǎn)環(huán)境過(guò)于惡劣，或是電磁干擾異常強(qiáng)烈則也可造成 PLC 控制系統(tǒng)的運(yùn)算或是控制錯(cuò)誤，導(dǎo)致在某些生產(chǎn)環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯(cuò)誤而不能保證正常的生產(chǎn)運(yùn)行，因此，提高 PLC 的可靠性是其未來(lái)發(fā)展的主要方向，其一方面要提高抗干擾能力同時(shí)在設(shè)計(jì)、安裝以及使用過(guò)程中引起重視，盡量減少對(duì)其造成負(fù)面影響。今天的可編程控制器正在成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備，在世界各地發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。 從工業(yè)革命時(shí)期到現(xiàn)在電氣控制已經(jīng)發(fā)展了一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，再發(fā)展也不會(huì)有什么突出的表現(xiàn)，而 PLC 技術(shù)的發(fā)展還處于一個(gè)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(guān)系，即 PLC 的發(fā)展帶動(dòng)電氣控制的發(fā)展，而未來(lái)PLC 的發(fā)展其中有兩個(gè)趨勢(shì)。 PLC 已不再是早期那種只能進(jìn)行開關(guān)量邏輯運(yùn)算的產(chǎn)品了，而是具有越來(lái)越強(qiáng)的模擬量處理能力，以及其他過(guò)去只有在計(jì)算機(jī)上才能具有的高級(jí)處理能力，如浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算， PID調(diào)節(jié)，溫度控制，精確定位，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)，報(bào)表統(tǒng)計(jì)等。 目前用于火電系統(tǒng)控制系統(tǒng)的 DCS 雖技術(shù)日益成熟但近年來(lái)其發(fā)展日趨緩慢， PLC 的數(shù) 字化、智能化控制得到進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用，因此其近年來(lái)在火電廠的應(yīng)用日益廣泛。一些新興行業(yè)的運(yùn)用以及新能源產(chǎn)生、儲(chǔ)存和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需要，無(wú)疑給 PLC 帶來(lái)了巨大的機(jī)遇。 課題 研究設(shè)計(jì)的目的和意義 電機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中最重要的拖動(dòng)設(shè)備之一，交流異步電機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修容易等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)及其他生產(chǎn)當(dāng)中。而且這種控制方式存在著很多的問(wèn)題 : （ 1） 轉(zhuǎn)子回路串接電阻，消耗電能，造成能源浪費(fèi)。 （ 5） 電動(dòng)機(jī)依靠轉(zhuǎn)子電阻獲得的低速，其運(yùn)行特性較軟。采用 PLC 控制，硬件簡(jiǎn)潔、軟件靈活性強(qiáng)、調(diào)試方便、維護(hù)量小， PLC 技術(shù)己經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)。它采用可以編制程序的存儲(chǔ) 器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)核算數(shù)計(jì)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各類的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。 的硬件發(fā)展 （ 1）采用新的先進(jìn)的微處理器和電子技術(shù)達(dá)到快速的掃描時(shí)間。 （ 5）包括輸入 /輸出模塊和端子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)，使端子更加集成。 的軟件進(jìn)展 （ 1） PLC 引入了面向?qū)ο蟮木幊坦ぞ撸⒏鶕?jù)國(guó)際電工委員會(huì)的 IEC611313的標(biāo)準(zhǔn)形成了多種語(yǔ)言。 （ 5）診斷和錯(cuò)誤檢測(cè)功能 是從簡(jiǎn)單的系統(tǒng)控制器的過(guò)賬診斷擴(kuò)大到對(duì)所控制的機(jī)器和設(shè)備的過(guò)程診斷。 可靠性包括產(chǎn)品的有效性和可維修性。 PLC 的易操作性表現(xiàn)在下列三個(gè)方面： （ 1）操作方便。采用語(yǔ)句表 編程時(shí)，由于編程語(yǔ)句是功能的縮寫，便于記憶，并且與梯形圖有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)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(duì)維修人員的技術(shù)要求降低。 PLC 的擴(kuò)展靈 活性是指可以根據(jù)應(yīng)用的規(guī)模不斷擴(kuò)大，即進(jìn)行容量的擴(kuò)展、功能的擴(kuò)展、應(yīng)用和控制范圍的擴(kuò)展。主要是由中央處理（ CPU）模塊、編程器、電源模塊、存儲(chǔ)器模塊和專門設(shè)計(jì)的輸入輸出接口電路等組成。 CPU 通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲(chǔ)單元、輸入 /輸出接口電路相連接。 （ 3）監(jiān)測(cè)和診斷電源、 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和用戶編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。 （ 1）系統(tǒng)存儲(chǔ)器。用戶程序存儲(chǔ)區(qū)存放針對(duì)具體控制任務(wù)，用規(guī)定的 PLC 編程語(yǔ)言編寫的控制程序。用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)包括輸入數(shù)據(jù)映像 區(qū)、輸出數(shù)據(jù)映像區(qū)、定時(shí)器、計(jì)算器的預(yù)置值和當(dāng)前值的數(shù)據(jù)區(qū)，以及存放中間結(jié)果的緩沖區(qū)等。由于實(shí)際生產(chǎn) 過(guò)程中產(chǎn)生的輸入信號(hào)多種多樣，信號(hào)電平各不相同，而 PLC 所能處理的信號(hào)只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，因此必須通過(guò)輸入模塊講這些此信號(hào)轉(zhuǎn)換成 CPU 能夠接受和處理得標(biāo)準(zhǔn)電平信號(hào)。在數(shù)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(fù)載所需的控制信號(hào)可以是數(shù)字量、模擬量、直流信號(hào)、交流信號(hào)等，因此，同樣需要根據(jù)負(fù)載安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 性質(zhì)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(nèi)部程序和數(shù)據(jù)等重要信息的丟失， PLC 用鋰電池做停電時(shí)的后備電源。PLC 對(duì)用戶程序的執(zhí)行 是以循環(huán)掃描方式進(jìn)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(guò)程中，如果某一個(gè)軟繼電器的線圈接通，該 縣權(quán)的所有動(dòng)合觸點(diǎn)和動(dòng)斷觸點(diǎn)，并不一定都會(huì)立即動(dòng)作，只有 CPU 掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作。 PLC 在 RUN 狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行一次圖 23 所示的掃描操作所需的時(shí)間稱為掃描周期，其典型值 為 1~100ms。 PLC 上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，清除內(nèi)部繼電器區(qū)，復(fù)位定時(shí)器等。在每個(gè)通信信息處理掃描階段，進(jìn)行 PLC 之間、 PLC 與計(jì)算機(jī)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(shù)字處理器交換信息。編程器是人機(jī)交互的設(shè)備，用戶可以進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視等。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 （ 5）執(zhí)行用戶程序。 PLC 在運(yùn)行狀態(tài)下，每一個(gè)掃描周期都要進(jìn)行輸入、輸出信息處理。 CPU 有 STOP 方式和 RUN 方式兩個(gè)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(nèi)存中所對(duì)應(yīng)的映像寄存器。 （ 2）用戶程序執(zhí)行階段。對(duì)每 個(gè)器件來(lái)說(shuō)，器件映像寄存器中所寄存的內(nèi)容，會(huì)隨著程序執(zhí)行過(guò)程而變化。它主要由定子、轉(zhuǎn)子和它們之間的氣隙構(gòu)成。 定子由鐵心、繞組與機(jī)座三部分組成。 三相交流異步電動(dòng)機(jī)工作原理 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 的產(chǎn)生 將三相異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)即 22p? 為例說(shuō)明，如圖 31(a)所示，對(duì)稱的三相繞組 U1U V1VW1W2 假設(shè)為集中繞組，三相 繞組接成星形，并通以三相對(duì)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(chǎn)生的合成磁場(chǎng)方向，如圖 31（ d）所示?？梢姾铣纱艌?chǎng)方向以較 0t?? 時(shí)按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò) 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(zhuǎn)磁場(chǎng) （ a）簡(jiǎn)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(duì)稱電流波形圖；（ d）～（ h）兩極繞組的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 綜上所述，在三相交流電動(dòng)機(jī)定子上布置有結(jié)構(gòu)完全相同在空間位置各相差 120176。如果任意調(diào)換電動(dòng)機(jī)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(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向已經(jīng)變?yōu)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)。故在兩極電動(dòng)機(jī)中旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)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(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 增加時(shí)， 1nn? 開始下降，故轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流下降。 我們將旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的 同步轉(zhuǎn)速 和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速之比稱為 轉(zhuǎn)差率 ，用 s 表示，描述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速相差的程 度。 （ 3）電動(dòng)機(jī)在額定工作狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，對(duì)于中小型異步電動(dòng)機(jī)而言，轉(zhuǎn)差率 s 為~。 sTmsmToon1nNnNT mT T ?ABCmnsT 圖 32 三相交流異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性圖 在機(jī)械特性圖中，存在兩個(gè)工作區(qū)：穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)和不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)。按照啟動(dòng)方式不同，它可以分為直接啟動(dòng)和降壓?jiǎn)?dòng)。因此，降壓?jiǎn)?dòng)僅適用于空載或輕載啟動(dòng) 。 （ 4） 長(zhǎng)動(dòng)與點(diǎn)動(dòng)混合控制：如果電動(dòng)機(jī)既要點(diǎn)動(dòng)控制，又要連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)控制，那么安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 可以結(jié)合一下，采用三個(gè)按鈕和自鎖觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)與長(zhǎng)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)控制。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，接成 Y 形，加在每相定子繞組上的啟動(dòng)電壓只有三角形接法的，啟動(dòng)電流為三角形接法的 1/3，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也只有 三角形接法的 1/3。任意改變電源的相序時(shí)，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向就會(huì)隨之改變，即要改變?nèi)喈惒诫妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，只要 把接到三相異步電動(dòng)機(jī)的三相交流電源線中的任意兩相對(duì)調(diào)， 即可以實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)。 制動(dòng)，就 是給電動(dòng)機(jī)一個(gè)與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的轉(zhuǎn)矩使它迅速停轉(zhuǎn)（或限制其轉(zhuǎn)速）。 （ 1） 反接制動(dòng) 控制 的方法 異步電動(dòng)機(jī)反接制動(dòng)有兩種，一種方法是在負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用下使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)的倒拉反轉(zhuǎn)反接制動(dòng)，但它不能準(zhǔn)確停車；另一種方法是依靠改變?nèi)喈惒诫妱?dòng)機(jī)定子繞組中三相電源的相序產(chǎn)生制動(dòng)力矩，迫使電動(dòng)機(jī)迅速停轉(zhuǎn)。應(yīng)用較多的有變壓器橋式整流單向運(yùn)轉(zhuǎn)能耗制動(dòng)