【正文】 的不同的分類 直 交變頻器 先將頻率固定的交流電通過整流電路“整流”成直流電，再通過逆變電路把直流電“逆變”成頻率任意的可調(diào)的三相交流電。電流型控制方式更適合于大容量變頻器。變頻調(diào)速能夠應(yīng)用在大部分的電機(jī)拖動場合，變頻應(yīng)用可以大大地提高工藝的高效性 (變速不依賴于機(jī)械部分 )，同時可以比原來的定速運(yùn)行電機(jī)更加節(jié)能。而對于采用了變頻器的交流調(diào)速系統(tǒng)來說，由于電動機(jī)的起 /停都是在低速區(qū)進(jìn)行而且加減速過 程都比較平緩，電動機(jī)的功耗和發(fā)熱較小，可以進(jìn)行較高頻度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)。這是因為對于直流電動機(jī)河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 19 來說，由于受電刷和換向環(huán)等因素的制約，無法進(jìn)行高速運(yùn)轉(zhuǎn)。而對于直流調(diào)速系統(tǒng)來說，則很難做到這一點(diǎn)。此外，由于異步電動機(jī)還具有對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，維護(hù)簡單等許多直流伺服電動機(jī)所不具備的有點(diǎn)，所以在許多需要進(jìn)行高速高精度控制的 應(yīng)用中這種高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)正在逐步替代直流伺服系統(tǒng)。后來的場效應(yīng)晶體管的出現(xiàn)和不斷提高，使得變頻器在各個方面更加成熟和穩(wěn)定的發(fā)展。 如果主磁通增大，從上式（ 38）可知，則 E1X 增大，而（ 39）中可知， E1X增大，勵磁電流 IM也增大，使得電動機(jī)的磁路飽和而引起勵磁電流發(fā)生畸變。載起動是很不利的。變頻器與交流電動機(jī)相配合，使交流傳動統(tǒng)具備了調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)行可靠性高的特點(diǎn)及良好的技術(shù)性能特別是在節(jié)約能源方面起到了很大的作用，變頻器的推廣應(yīng)用引起了人們的高度重視。表 和表 分別是 PLC1 和 PLC2 包含的所有模塊。表 是觸摸屏 TP270 的主要特征。我們設(shè)計的主導(dǎo)思想是盡量控制和引導(dǎo)用戶正確操作，在用戶界面上能很直觀的反映設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)。通過 PLC 以“變量”方式在操作單元和機(jī)械設(shè)備或過程之間進(jìn)行通訊。 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 27 圖 ： Protool 操作界面 圖 ：畫面名稱窗口 開機(jī)畫面設(shè)計 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 28 開機(jī)畫面設(shè)計是整個畫面系統(tǒng)的開始，當(dāng)觸摸屏上電以后，開始自檢，完成后進(jìn)入此畫面 。 在圖 中可以看到在 Protool 軟件上組態(tài)大拉機(jī)項目的 PLC1 和 PLC2 的文本顯示和畫面顯示。使用同樣的組態(tài)軟件來組態(tài)系列中的所有設(shè)備。根據(jù)銅大拉機(jī)設(shè)備的現(xiàn)場生產(chǎn)工藝需要，這里選擇了西門子 1 臺 6RA70 和 6 臺 6SE 系列的變頻器，分別用來控制主機(jī)，退火牽引，左、右收線和圈收 7 臺電動 機(jī) 的啟 /停，設(shè)定等，以達(dá)到控制要求。 TP270 觸摸屏 人機(jī)界面（ Human Machine Interface， HMI）產(chǎn)品，常被大家稱為“觸摸屏”，包含 HMI 硬件和相應(yīng)的專用畫面組態(tài)軟件，一般情況下，不同產(chǎn)家的 HMI 硬件使用不同的畫面編輯軟件，連接的主要設(shè)備種類是 PLC。硬件系統(tǒng)的設(shè)計是根據(jù)大拉機(jī)的具體情況而定的，以達(dá)到系統(tǒng)高的穩(wěn)定性，可靠性和操作簡單的目的。因而長期以來，在工農(nóng)業(yè)設(shè)備中占有始終處于絕對領(lǐng)先地位。 這是恒電壓頻率比的協(xié)調(diào)控制方式 (簡稱恒壓頻比 )，其機(jī)械特性曲線簇如圖 所示。對于直 流電機(jī)，勵磁繞組是獨(dú)立的，只要對電樞反映的補(bǔ)償合適，保持 φ m 不變是容易做到的 .在交流異步電機(jī)中，磁通是由定子和轉(zhuǎn)子磁勢合成產(chǎn)生的，怎樣才能保證磁通恒定呢 ? 電動機(jī)要求主磁通 φ m保持不變，不然影響電動機(jī)的性能。而要想實現(xiàn)逆變過程，這六個開關(guān)器件必須滿足以下要求： （ 1）能承受足夠大的電壓和電流； （ 2）允許長時間頻繁地接通和關(guān)斷； （ 3）接通和關(guān)斷的控制必須非常的方面。而在采用變頻器對異步電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動時，由于可以 將變頻器的輸出功率降至很低時起動，電動機(jī)的起動電流很小，因而，變頻器輸入端電源的容量也可以比較小。 此外，與采 用機(jī)械增速裝置的高速驅(qū)動系統(tǒng)相比，由于采用高速變頻器的高速驅(qū)動系統(tǒng)中并不存在異步電動機(jī)以外的機(jī)械裝置，其可靠性更好，而且保養(yǎng)和維修業(yè)更加簡單。而變頻器可以利用自己的制動回路將這部分能量以熱能消耗或回饋給供電電網(wǎng)，并形成電氣制動。而在采用變頻器的交流調(diào)速系統(tǒng)中，由于可以通過改變變頻器的輸出頻率使電動機(jī)按照斜坡函數(shù)的規(guī) 律進(jìn)行減速，并在電動機(jī)減速至低速范圍后再進(jìn)行相序切換，進(jìn)行相序切換時電動機(jī)的電流可以很小。根據(jù)拖動系統(tǒng)采用的調(diào)速電動機(jī)種類不同，電氣無級調(diào)速系統(tǒng)分為直流調(diào)速和交流調(diào)速兩種類型。 根據(jù)主電路工作方式分類 交 直 交變頻器可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器。 （ 2）加入電抗器 如圖 所示，在變頻器的輸入電流中，頻率較低的諧波分量（ 11次諧波等）所占的比重很高，他們除了可能干擾其他設(shè)備的正常運(yùn)行之外，還會消耗大量的無功功率， 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 16 LA 為交流電抗器，串聯(lián)在電源與變頻器的輸入側(cè)之間，其主要功能有： a) 提高功率因數(shù)（ ）； b) 削弱輸入電路中的浪涌電流對變頻器的沖擊； c) 削弱電源電壓不平衡的影響。然而在實際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，系統(tǒng)特性受電動機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動機(jī)控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實際的控制效果難以達(dá)到理想分析的河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 15 結(jié)果。 V/f 控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達(dá)到較高的控制性能，而且，在低頻時，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。 （ 2） RB 的功率 P 制動電阻 RB 是屬于短時間工作，所以比長期通電時的消耗功率要小。 （ 2）變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作狀態(tài) 電動機(jī)再生的電能經(jīng)圖 中的續(xù)流二極管（ VD7～ VD12）全波整流后反饋到直流電路，由于直流電路的電能無法回輸給電網(wǎng)，只有靠 C1 和 C2 吸收，盡管各個部分的電路還在繼續(xù)消耗電能，但 C C2 上仍有短時間的電荷堆積，形成“泵生電壓”，使得直流電壓升高。 圖 中 u r 為正弦調(diào)制波， u t 為等腰三角載波，每半周期內(nèi)所有三角波的極性均相同。 2）短路開關(guān) S 限流電阻 Rs 如果長期接在電路內(nèi)，會影響直流電壓 UD 和變頻器輸出電壓的大小。 （ 2）最大整流電流 Ｉ MAX = 2Ｉ N (3_2) 式中， Ｉ N為變頻器的額定電流。 變頻器的種類較多，但是工作原理類似，以交 直 交電壓型變頻器為例，簡要介紹其工作原理。指令信號有兩河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 10 種 :模擬指令信號 :0～ 10V的電壓指令信號或 4～ 20mA的電流指令信號 。逆變電路的輸出即為變頻器的輸出，它被用來實現(xiàn)對異步電動機(jī)的調(diào)速控制。 SIEMENS 的S7300/400 有閉環(huán)控制模塊、用于閉環(huán)控制的系統(tǒng)功能塊和閉環(huán)控制軟件包供用戶選用。 （ 6）功能完善、通用性強(qiáng)、體積小、能耗低、性能價格比高。一般 PLC 都具有自診斷、故障報等、故障種類顯示等功能，便于操作和維修人員檢查，可以較容易通過更換模塊插件來迅速排除故障。 編程簡單， PLC 最常用的編程語言是梯形圖語言。掃描周期一般為幾 ms 到幾十 ms。 PLC 的硬件 系統(tǒng)由中央處理單元、存儲器、輸入輸出電路等組成，軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)程序和用戶程序組成。因此，通信與網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分，也是控制系統(tǒng)的設(shè)計和維護(hù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一 。在工業(yè)控制中，交流電機(jī)的拖動控制越來越多地采用變頻器完成，而它也不僅僅作為一個單獨(dú)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而是隨著其不斷的智能化，可以同上位計算機(jī)之間可以通過各種通信方式結(jié)合成一個有機(jī)的整體。生產(chǎn)線能儲存大量的工藝文件，以便迅速調(diào)換產(chǎn)品，并能持續(xù)監(jiān)察和記錄產(chǎn)品質(zhì)量，對產(chǎn)品進(jìn)行全面的描述。 本文要闡述的是電線、電纜用銅線的拉拔設(shè)備的自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計。本文介紹了自動化控制技術(shù)的綜合應(yīng)用，將各種通用的自動化技術(shù)與實踐優(yōu)化結(jié)合，將 SIEMENS 公司的 S7200 PLC和變頻器應(yīng)用于銅大拉機(jī)的自動控制中，通過基于 USS 協(xié)議的 RS485 總線進(jìn)行組網(wǎng)，進(jìn)行 PLC和變頻器對電機(jī)的 控制，其中 PLC 和變頻器之間的通信設(shè)計最為關(guān)鍵。但是變頻調(diào)速具有一定的技術(shù)難度，人們需要一個慢慢了解和熟悉的過程。變頻器的使用最主要的一個特點(diǎn)就是節(jié)能和降低成本，許多傳統(tǒng)的耗能設(shè)備都要進(jìn)行技術(shù)改造。并且將其作了標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計，可以應(yīng)用于多個自動化控制系統(tǒng)中，大大節(jié)約了項目的開發(fā)時間和成本，在實際應(yīng)用中取得了良好的效果。目前電線電纜專用設(shè)備中僅有很少部分是自動化的，在設(shè)備部件中，也似乎只有放線和收線裝置，可使電纜的收線、放線以及調(diào)換線盤實現(xiàn)自動化。 課題的來源和意義 大拉機(jī)是銅加工生產(chǎn)中的咽喉設(shè)備。本文所作的研究就是在這樣的背景下利用 PLC 和變頻器對大拉機(jī)生產(chǎn)線實現(xiàn)自動化控制。 本文通過對大拉機(jī)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(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)。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階段 :輸入采樣 (處理 )、程序執(zhí)行和輸出刷新 (處理 )。 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。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(jī)知識，便于廣大現(xiàn)場工程技術(shù) 人員掌握。它與被控制對象的硬件連接方式簡單、接線少，便于維護(hù)。 PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域 PLC 已廣泛應(yīng)用國內(nèi)外的機(jī)械、冶金、化工、汽車、輕工等行業(yè)中。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)。 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。數(shù)字指令信號 :來自 RS232C、 RS485(通常為選件 )的數(shù)字信號。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。 （ 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。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。 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。過高的直流電壓將使得各部分器件受 到損害。 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(jī)的容量和工作情況。其特點(diǎn)是：控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，機(jī)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。 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。 LD 為直流電抗器，串聯(lián)在整流橋和濾波電容之間。 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。它們在工業(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。 同樣，在電動機(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。此外一些變頻器還具有直流制動功能，即在需要進(jìn)行制動時，可以通過變頻器給電動機(jī)加一個直流電壓，并利用該電壓產(chǎn)生的電流進(jìn)行制動。在變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)中，變頻器和電動機(jī)是可以分離設(shè)置的。一般來說，變頻器輸入端的容量只需為電動機(jī)輸出容量的 倍左右即可。 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。 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)。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。然而，在調(diào)速方面，三相交流異步電動機(jī)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(jī)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。 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(yùn)行速度和實 用性上都有很好的效果。考慮到現(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。 要實現(xiàn)變頻器控制電機(jī)，且與 P