【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 上進(jìn)行設(shè)定，操作較為簡(jiǎn)單控制方式靈活。但同一個(gè) MB+網(wǎng)上所接變頻器數(shù)量是有限的，而且需要在變頻器上安裝通訊卡。 端子控制 ：功能實(shí)現(xiàn)較為靈活，不需要安裝通訊卡，直接在控制端子上實(shí)現(xiàn)?？刂屏康慕o定 可以用模擬量給定，也可以用數(shù)字量給定。 本設(shè)計(jì)選擇 端子控制 。 系統(tǒng)組成 該控制系統(tǒng)是由上位監(jiān)控系統(tǒng)和下 位 PLC 控制系統(tǒng)二部分組成的，上位監(jiān)控系統(tǒng)位于 控 制 室，可實(shí)時(shí)監(jiān)控 牽引 設(shè)備的運(yùn)動(dòng)狀況。下位 PLC 采用的是 Quantum系列可編程控制器。 用變頻器來(lái)控制礦車(chē)的動(dòng)作，主要控制放料時(shí)的啟停，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、運(yùn)行、停止等。 PLC 系統(tǒng) 可編程序控制器定名為 Programmable Logic Controller（ PLC），現(xiàn)在，仍將PLC 簡(jiǎn)稱 PC。 PLC 的定義是：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存貯器，用來(lái)在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì) 數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。上世紀(jì) 80年代至 90年代中期，是 PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長(zhǎng)率一直保持為 30~40%。在這時(shí)期， PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高， PLC逐漸進(jìn)入過(guò)程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過(guò)程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的 DCS系統(tǒng)。 PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等 特點(diǎn)。 PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，是無(wú)法取代的。 蘭州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 7 PLC 的可靠性是很高的，施耐德公司 Quantum 系列 PLC 高性能、高可靠、兼容性、易于升級(jí)、系統(tǒng)開(kāi)放。適用于過(guò)程控制、高速機(jī)器控、基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用、變電站自動(dòng)化。其背板靈活， 能支持所有電源組合、 CPU 種類、智能模板。 模塊可在任意槽 與槽位無(wú)關(guān) 。能提供廣泛的多種層次及協(xié)議的通訊能力 、 超大系統(tǒng)容量 的優(yōu)點(diǎn)適合做此設(shè)計(jì)。使用各模塊來(lái)控制系統(tǒng)更有條理，方便檢查和控制。 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) 上位機(jī)終端電阻監(jiān)控畫(huà)面洞外（主站）洞內(nèi)（從站） 圖 25 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) 上位機(jī)與 PLC上的 CPU模塊相連，使用 Modbus Plus (簡(jiǎn)稱 MB + ) 網(wǎng) ， 是Schneider 公司推出的一種專為工廠級(jí)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)局域網(wǎng) ,主要為其 PLC 產(chǎn)品提供一種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 。 MB +網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程遍程、與操作員接口連接等功能 。 具有故障自診斷功能 ,使網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和恢復(fù)更加容易 。網(wǎng)絡(luò)為模塊式結(jié)構(gòu) ,可根據(jù)實(shí)際要求配置成樹(shù)形、星形、環(huán)形 。網(wǎng)絡(luò)具有良好的開(kāi)放性 ,有利于網(wǎng)絡(luò)的管理 。 Modicon TSX Quantum 系列 PLC 是 Schneider 電氣公司的一種大型 PLC 控制系統(tǒng) ,該系列產(chǎn)品采用模塊式結(jié)構(gòu) ,為在不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用提供了穩(wěn)定可靠的平臺(tái) 。 不僅具有先進(jìn)的通信和輸入輸出能力 ,而且集成了多個(gè)控制功能 ,系統(tǒng)具有可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)、高抗干擾的 I/ O 處理元件、硬件配置的靈活性和可擴(kuò)展性 。 系統(tǒng)構(gòu)成包括處理器、網(wǎng)絡(luò)模塊、輸入輸出模塊和相關(guān)外部設(shè)備 ,支持多種通信協(xié)議 ,MB + 網(wǎng)絡(luò)是其應(yīng)用最廣泛的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 。 蘭州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 8 第三 章 硬件設(shè)計(jì) 軌道開(kāi)關(guān) 設(shè)計(jì) 在礦車(chē)軌道上安裝行程開(kāi)關(guān)來(lái) 確定礦車(chē)的工作狀態(tài)，在洞外安裝后停車(chē)行程開(kāi)關(guān)、 后減速行程開(kāi)關(guān) 、 后過(guò)卷行程開(kāi)關(guān)。在洞內(nèi)安裝前停車(chē)行程開(kāi)關(guān) 、 前過(guò)卷行程開(kāi)關(guān) 、 前減速行程開(kāi)關(guān) 、 放料開(kāi)始行程開(kāi)關(guān)、放料結(jié)束行程開(kāi)關(guān)。礦車(chē)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程是：加速、勻速、減速、 前 停車(chē)、 前過(guò)卷、反向啟動(dòng)、加速、勻速、開(kāi)始放料、電機(jī)的啟?？刂品帕稀⒔Y(jié)束放料，在該過(guò)程中加速勻速可用軟件來(lái)控制變頻器的工作使礦車(chē)按預(yù)期的指令工作，碰到減速開(kāi)關(guān)時(shí)減速，碰到放料開(kāi)始和放料結(jié)束行程開(kāi)關(guān)時(shí)開(kāi)始放料和結(jié)束放料。 洞內(nèi) 洞外 軌道 前過(guò)卷 前停車(chē) 前減速 放料開(kāi)始 放料結(jié)束 后減速 后停車(chē) 后過(guò)卷 圖 31 軌道結(jié)構(gòu)圖 三相異步電動(dòng)機(jī) 異步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡(jiǎn)稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變化，調(diào)速范圍寬，無(wú)論是高速還是低速時(shí)效率都較高，在采取一定的技術(shù)措施后能實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能，可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美。因此現(xiàn)在應(yīng)用面很廣。 根據(jù)本 次設(shè)計(jì)要求及設(shè)備的需要使用一個(gè) 110KW 的異步電動(dòng)機(jī)。 變頻器 近 20 年來(lái) , 隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展 , 交流調(diào)速技術(shù)也得到迅速的發(fā)展 , 特別是變頻調(diào)速 , 大有取代直流調(diào)速之勢(shì)。 蘭州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 9 變頻器可以分為 4 個(gè)主要部分： 1．整流器 它與單相獲三相交流電源相連接，產(chǎn)生脈動(dòng)的支流電壓。整流器有兩種基本類型，可控的和不可控的。 2．中間電路 它有以下 3 種類型： 1）將整流電壓變換成支流電流 2）使脈動(dòng)的支流電壓變得穩(wěn)定或平滑，供逆變器使用 3）將整流后固定的支流電壓變 換成可變的支流電壓 3．逆變器 它產(chǎn)生馬達(dá)電壓的頻率。另外，一些逆變器還可以將固定的支流電壓變換成可變的交流電壓。 4．控制電路 它將信號(hào)傳給整流器、中間電路和逆變器，同時(shí)它也接受來(lái)自這些部分的信號(hào)。具體被控制的部分取決于各個(gè)變頻器的設(shè)計(jì)。變頻器都是由控制電路利用信號(hào)來(lái)開(kāi)關(guān)逆變器的半導(dǎo)器件，這是所有變頻器的共同點(diǎn)。變頻器可以依據(jù)控制輸出電壓的開(kāi)關(guān)模式來(lái)分類 。 變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開(kāi)關(guān)方式分類，可以分為 PAM 控制變頻器、 PWM 控制變頻器和高載 頻 PWM 控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為 V/f 控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。 變頻調(diào)速裝置主要有兩大類 ；① 一類是矢量控制的變頻調(diào)速裝置 , 高精度、高性能 , 可以和直流調(diào)速相媲美 , 但其控制技術(shù)復(fù)雜 , 價(jià)格高 , 因而應(yīng)用還不廣泛 ；② 另一類是通用變頻調(diào)速裝置 , 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 , 效率高、功率因數(shù)高 , 應(yīng)用廣泛 , 其中尤以脈寬調(diào)制 (PWM)變頻調(diào)速裝置最為普遍 , 一般僅作開(kāi)環(huán)和在調(diào)速要求不高的場(chǎng)合使用 。 對(duì)于異步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速，必須具備能夠同時(shí)控制電壓幅值和頻率的交流電源，而電網(wǎng)提供的是恒壓恒頻的電源，因此應(yīng)該配置變壓變頻器，又稱 VVVF（ Variable Voltage Variable Frequency）裝置。最早的 VVVF 裝置是旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組，即由直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)交流同步發(fā)電機(jī)，調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就能控制交流發(fā)電機(jī)輸出電壓和頻率。自從電力電子器件獲得廣泛應(yīng)用以后，旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組已經(jīng)無(wú)例外地讓位給靜止式的變壓變頻器了。 從整體結(jié)構(gòu)上看，電力電子變壓變頻器可分為交 直 交和交 交兩大類。 交 直 交變 壓變頻器先將工頻交流電源通過(guò)整流器變換成直流，再通過(guò)逆變蘭州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 10 器變換成可控頻率和電壓的交流，如圖 32。 圖 32 交 直 交（間接）變壓變頻器 由于這類變壓變頻器在恒頻交流電源和變頻交流輸出之間有一個(gè) “ 中間直流環(huán)節(jié) ” ，所以又稱間接式的變壓變頻器。 具體的整流和逆變電路種類很多，當(dāng)前應(yīng)用最廣的是由二極管組成不控整流器和由功率開(kāi)關(guān)器件（ PMOSFET， IGBT等）組成的脈寬調(diào)制（ PWM）逆變器，簡(jiǎn)稱PWM 變壓變頻器，如圖 33。 圖 33 交 直 交 PWM 變壓變頻器 PWM 變壓變頻器的應(yīng)用之所以如 此廣泛，是由于它具有如下的一系列優(yōu)點(diǎn)： （ 1）在主電路整流和逆變兩個(gè)單元中，只有逆變單元可控，通過(guò)它同時(shí)調(diào)節(jié)電壓和頻率，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。采用全控型的功率開(kāi)關(guān)器件，只通過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓脈沖進(jìn)行控制，電路也簡(jiǎn)單，效率高。 （ 2）輸出電壓波形雖是一系列的 PWM波，但由于采用了恰當(dāng)?shù)?PWM控制技術(shù)，正弦基波的比重較大，影響電機(jī)運(yùn)行的低次諧波受到很大的抑制，因而轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，提高了系統(tǒng)的調(diào)速范圍和穩(wěn)態(tài)性能。 （ 3）逆變器同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)頻，動(dòng)態(tài)響應(yīng)不受中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)的影響，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能也得以提高。 蘭州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 11 （ 4）采用不可控的二極 管整流器，電源側(cè)功率因素較高，且不受逆變輸出電壓大小的影響。 交 交變壓變頻器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，它只有一個(gè)變換環(huán)節(jié)，把恒壓恒頻（ CVCF）的交流電源直接變換成 VVVF 輸出，因此又稱直接式變壓變頻器。有時(shí)為了突出其變頻功能，也稱作周波變換器（ Cycloconveter）。 圖 34 交 交（直接）變壓變頻器 常用的交 交變壓變頻器輸出的每一相都是一個(gè)由正、反兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路。也 就是說(shuō)，每一相都相當(dāng)于一套直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的反并聯(lián)可逆線路，如 圖 35。 圖 35 交 交變壓變頻器 每一相的可逆線路 (2) 變頻器工作原理 交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式 為 ： 60 (1 )fsnp ?? 式中 n ——— 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速； f ——— 異步電動(dòng)機(jī)的頻率； s ——— 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率； p ——— 電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。 由式可知，轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 成正比，只要改變頻率 f 即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，蘭州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 12 當(dāng)頻率 f 在 0～ 50Hz 的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段 。 從總體控制結(jié)構(gòu)上看 ,兩者都采用轉(zhuǎn)矩和磁鏈分別控制 ,轉(zhuǎn)矩控制環(huán) (或電流的轉(zhuǎn)矩分量環(huán) )都處于轉(zhuǎn)速環(huán)的內(nèi)環(huán) ,可以抑制磁鏈變化對(duì)轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的影響 ,從而使轉(zhuǎn)速和磁鏈子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 了近似的解耦。因此兩種系統(tǒng)都能獲得較高的靜、動(dòng)態(tài)性能。 (3) 變頻器容量選擇 選擇變頻器的容量一般應(yīng)以 KVA 數(shù)為單位，但由于交流電動(dòng)機(jī)的額定電壓為某一固定值，相應(yīng)的變頻器開(kāi)關(guān)元件的耐壓值也就確定了，開(kāi)關(guān)元件的工作電流就成為影響變頻器容量的唯一參數(shù)，這樣變頻器容量的選擇就可以轉(zhuǎn)化為其電流的選擇。實(shí)用中一般是根據(jù)電動(dòng)機(jī)的電流情況來(lái)確定變頻器的額定電流。 在本系統(tǒng)中異步電機(jī)的額定電壓為交流 380V ，額定功率為 132KW ，那么開(kāi)關(guān)元件的工作電流為： 132 2 1 0 .7 2 9 5 13 8 0 3KW ? （A） 通過(guò)查閱變頻器技術(shù)資料我們選擇額定電流為 245A 的變頻器。 最終選擇 型號(hào)為 ATV61HC13N4 的變頻器。 ATV61 變頻器有許多可配置的邏輯與模擬輸入 / 輸出 見(jiàn)下圖 變頻器的結(jié)構(gòu) ，以便針對(duì)應(yīng)用情況來(lái)優(yōu)化變頻器。為了提高控制系統(tǒng)的性能，變頻器支持 Modbus 與 CANopen 協(xié)議并作為標(biāo)準(zhǔn)。 ATV61 變頻器也支持大 多數(shù)工業(yè)通信總線。 圖 36 變頻器的結(jié)構(gòu)圖 蘭州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 13 對(duì)變頻器輸入的指令對(duì) PLC 而言是輸出的，而對(duì)變頻器輸出的指令對(duì) PLC 來(lái)說(shuō)是輸入的， 急停正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)這三個(gè)指令對(duì)變頻器是輸入指令，由 PLC 發(fā)出該指令控制 PLC 工作，接在變頻器的數(shù)字量輸入上， 如下圖 所示： 急停 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) ＡＡＡ 圖 37 變頻器 輸入信號(hào) 接線圖 故障信號(hào) 是由變頻器 輸出 給 PLC 的 ， 接在變頻器的數(shù)字量輸出上，由下圖所示： 故障 急停 運(yùn)行 R1A R1C R1B R2A R2C 圖 38 變頻器 輸出信號(hào) 接線 圖 編碼器 根據(jù)檢測(cè)原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，可分為增量式、絕對(duì)式以及混合式三種。 （ 1） 增量式編碼器 增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖 A、 B 和 Z 相； A、 B兩組脈沖相位差 90186。，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而 Z 相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。其缺點(diǎn)是無(wú)法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位LI1 LI2 LI3 +24V ATV61