【文章內(nèi)容簡介】 1U U 定子電壓 O mf 頻率 f 圖 基頻以上調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的變頻 調(diào)速控制特性 13 圖 控制系統(tǒng)原理圖 本部分采用的是變頻調(diào)速，利用變頻器控制三相交流變頻電 機(jī)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)控。其中電路中各器件的工作原理作如下簡介。 ABB ACS550 變頻器： ACS550 變頻器安裝于一個(gè)拼裝柜內(nèi)，門上裝有控制盤安裝組件及狀態(tài)指示燈，柜體內(nèi)配置了電源輸入熔斷隔離開關(guān)，含快速 ACS550 變頻器安裝于一個(gè)拼裝柜內(nèi)，門上裝有控制盤安裝組件及狀態(tài)指示燈，柜體內(nèi)配置了電源輸入熔斷隔離開關(guān)，含快速熔斷器，并配有操 縱手柄，具有隔離和短路保護(hù)雙重功能；同時(shí)還配置進(jìn)線接觸器，控制邏輯回路等所需的設(shè)備，以利于系統(tǒng)更安全、可靠的運(yùn)行柄，具有隔離和短路保護(hù)雙重功能；同時(shí)還配置進(jìn)線接 觸器控制邏輯回路等所需的設(shè)備 ， 以利 于 系統(tǒng)更安全、可靠的運(yùn)行 。 ABB ACS550 變頻器的調(diào)速： ACS550 是 ABB 公司標(biāo)準(zhǔn)型的無傳感器矢量控制全數(shù)字交流變頻器，它能夠沒有光碼盤或測速電機(jī)的反饋的條件下，精確控制任何標(biāo)準(zhǔn)鼠籠電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩。 ACS550 標(biāo)準(zhǔn)變頻器模塊從 至 110KW 所有功率范圍都是IGBT 功率模塊，并且在變頻器內(nèi)部設(shè)置了直 流擺式電抗器（ ）或進(jìn)線電抗器 (45KW110KW)，從而有效地抑制了高次諧波對(duì)電網(wǎng)的影響； ACS550 緊湊型的設(shè)計(jì)已經(jīng)標(biāo)配了適用于第一及第二環(huán)境的 RFI濾波器，而無需任何額外的外部濾波器就可滿足 EMC標(biāo)準(zhǔn)； ACS550 還內(nèi)置了使用 RS485協(xié)議的 Modbus接口，可以很方便地與 PLC或計(jì)算機(jī)通訊。同時(shí) ACS550內(nèi)部還可以安裝三種類型的可選模塊： I/O 擴(kuò)展模塊、現(xiàn)場總線適配器、脈沖編碼器接口模塊等。在大多數(shù)應(yīng)用中， ACS550所具有的磁通制動(dòng)功能可以滿足系統(tǒng)快速停車的應(yīng)用需要；如果系 統(tǒng)需要頻繁起制動(dòng)或長時(shí)間制動(dòng)，ACS550 也可內(nèi)置制動(dòng)斬波器（可選）和制動(dòng)電阻以實(shí)現(xiàn)有效的制動(dòng)功率。 ACS550 變 14 頻器滿足多種應(yīng)用要求，從最簡單的到最復(fù)雜要求的應(yīng)用。 斷路器 F01： 作用是用來進(jìn)行電能的分配，給變頻器配電，將變頻器與交流母線進(jìn)行接通與切斷。對(duì)電動(dòng)機(jī)、變頻器等下屬電路進(jìn)行保護(hù)，具有過載、短路、欠電壓的等保護(hù)功能，是配電電路的保護(hù)器件。在本控制系統(tǒng)中交流母線的三相電通過斷路器 F01配送給變頻器供變頻器工作和電量控制轉(zhuǎn)換。在變頻器、電機(jī)所在回路出現(xiàn)上述故障時(shí)斷路器 F01 將自動(dòng)切斷供電電路，從而起到 了對(duì)所在電路的保護(hù)作用。 風(fēng)扇電機(jī) ： 用于傳動(dòng)點(diǎn)拖動(dòng)的電機(jī)降溫的，防止電動(dòng)機(jī)因工作功率過高產(chǎn)生熱量過多不能及時(shí)散掉而燒壞電機(jī)。一般電機(jī)自身帶有散熱用的風(fēng)扇，在電機(jī)工作功率不大時(shí)，其自身風(fēng)扇就能滿足散熱要求，不需外加風(fēng)機(jī)幫助散熱。在本系統(tǒng)中，電機(jī)的功率較大，本身風(fēng)扇不能滿足散熱要求，所以借助外部風(fēng)機(jī)來幫助散熱。 對(duì)電機(jī)之間同步控制，有些情況下采用無線傳感器控制方式，這種方式方便性能好，但對(duì)于本系統(tǒng)性價(jià)比不高 [10]。 不少電機(jī)的速度控制都采用 并行同步控制方式，即將每個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的電動(dòng)機(jī)都作為一個(gè)獨(dú)立地速度控制對(duì)象來對(duì)待 ，這樣就可以通過控制每個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)速度，使每個(gè)電動(dòng)機(jī)都工作在自己的設(shè)定速度上，彼此不相互影響，各自速度都收速度參考值控制 [11]。 電源模塊： 電源模塊是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應(yīng)器，其特點(diǎn)是可為 專用集成電路 （ ASIC）、 數(shù)字信號(hào) 處理器 (DSP)、 微處理器 、存儲(chǔ)器、現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 及其他數(shù)字或模擬負(fù)載提供供電。模塊式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)甚多，因此 模塊電源 廣泛用于交換設(shè)備、 接入設(shè)備 、移動(dòng)通訊、 微波通訊 以及光傳輸、 路由器 等通信領(lǐng)域和汽車電子、航空航天等。 本設(shè)計(jì)中涉及到給通訊適配器 NPBA12 供電，在參考其使用參數(shù)的情況下，設(shè)計(jì)中選用的電源模塊型號(hào)為 MAF150220S24。 PLC 與變頻器連接 的 硬件電路 PLC 與變頻器之間存在兩種控制方式。 第一 ， 硬接線的方式 ， 即模擬量控制或數(shù)字量控制， 變頻器自帶的 DI,DO,AI,AO口子與 PLC的 DI,DO,AI,AO通過線連接起來。實(shí)現(xiàn)方法大體就是通過編程控制 PLC 的 DO 模塊輸出，為變頻器提供一對(duì)干觸點(diǎn)（無源觸點(diǎn)），再用這對(duì)干觸點(diǎn)來驅(qū)動(dòng)變頻器的啟動(dòng)，停止或者電動(dòng)等。然后 PLC的 AO模塊輸出 420mA等模擬信號(hào)連接到變頻器的 AI口子實(shí)現(xiàn)一個(gè)模擬給定控制變頻器輸出頻率達(dá)到調(diào)速的目的。變頻器的 DO 口子可以輸出一些如運(yùn)行、故障等狀 態(tài)信號(hào)接入PLC的 DI模塊，當(dāng)然也有變頻器的 AO口子輸出如變頻器的頻率、溫度、電流等 420mA模擬信號(hào)進(jìn)入 PLC 的 AI 模塊；第二 ， 通訊的方式 ， 而通訊的方式呢現(xiàn)在最常見的是ProfibusDP 的方式。這需要變頻器支持這種通訊方式，一般是需要附加訂一個(gè) DP通訊板（硬件）安裝在變頻器上面，當(dāng)然也有通訊板外置然后通過光纖與變頻器的控 15 制單元連接的如 ABB 的 NPBA12通訊模塊。 PLC 與變頻器之間連接好 DP 通訊線纜，其他不需要任何硬連接的線了。那么接下來的工作就是通過 PLC編程來控制變頻器了。采用方式一這種機(jī)械的 硬件方式實(shí)現(xiàn)各傳動(dòng)點(diǎn)速度的同步控制，存在各方面的問題：首先，這種方式其動(dòng)力只來源于一臺(tái)總電動(dòng)機(jī)，其次機(jī)械的東西在運(yùn)行時(shí)考慮到結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，該方式會(huì)給靈活性帶來限制，最后就是這種硬件方式的連接會(huì)使系統(tǒng)整個(gè)的使用壽命受到影響 [12]。 本次設(shè)計(jì)采用的是通訊控制方式，因?yàn)槟M量控制或數(shù)字量控制 通過 PLC開關(guān)量啟動(dòng)變頻器，通過模擬量信號(hào)控制變頻器輸出頻率。此方法 優(yōu) 點(diǎn)是編程簡單，缺點(diǎn)是硬件投入比較貴。 通訊控制 通過通訊模式控制變頻器啟停以及頻率給定，此方法是編程復(fù)雜，不同變頻器的通訊格式不一樣。 如原理圖所示，本部分包括 SIMATIC S7300 PLC， ABB ACS550變頻器， ProfibusDP網(wǎng)，以及 PLC的 CPU 與信號(hào)模塊。 斷路器 F04 控制 PLC的電源模塊與電網(wǎng)之間的供電通斷，選擇接入一相交流電。 PLC 的 CPU 模塊選用 3152DP，其自帶總線接入接口，無需接轉(zhuǎn)換模塊。 圖 硬件電路概圖 圖中 PLC 與八臺(tái)變頻器之間通過 ProfibusDP 網(wǎng)連接在一起， PLC 與變頻器之間采用通訊控制變頻器與總線之間有一個(gè)通訊適配器 ABB ACS550變頻器， PLC則選用 SIMATIC S7300PLC。 各器件模塊詳細(xì)介紹如下。 S7300PLC： 德國西門子公司的可編程控制器 （ PLC） 繼 S5 系列后 ,90 年代初又研制出 S7 系列 ,并獲得巨大成功 [13]。 S7 系列在功能和使用上比Ｓ 5 系列有了很多改進(jìn) ,性能價(jià)值比更優(yōu) ,它主要包括 S7200、 S7300、 S7400三種產(chǎn)品。 其中 SIMATIC S7300PLC 是一種通用型的 PLC，滿足中、小規(guī)模的控制要 求，適用于自動(dòng)化工程的 16 各種場合，尤其是在生產(chǎn)制造工程中的應(yīng)用 [12]。 模塊化、無排風(fēng)結(jié)構(gòu)、易于實(shí)現(xiàn)分布式的配置以及用戶易于掌握等特點(diǎn) ，使得 S7300 在很多工業(yè)行業(yè)中實(shí)施各種控制任務(wù)，成為一種既經(jīng)濟(jì)又符合實(shí)際的解決方案。 ProfibusDP： ProfibusDP 的 DP 即 Decentralized Periphery。用于自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)控制設(shè)備與分布式 I/O的通信 [14]。 它具有高速低成本的優(yōu)點(diǎn)。 PROFIBUS–DP 協(xié)議還明確規(guī)定了用戶數(shù)據(jù)怎樣在總線各站之間傳遞，但用戶數(shù)據(jù)的含義是在PROFIBUS 行規(guī)中具體說明的。另外，行規(guī)還具體規(guī)定了 PROFIBUS－ DP 如何用于應(yīng)用領(lǐng)域。使用行規(guī)可使不同廠商所生產(chǎn)的不同設(shè)備互換使用，而工 廠操作人員毋須關(guān)心兩者之間的差異。 PLC 的模塊電路 電路 數(shù)字量輸入模塊 原理圖如下。本部分電路包括 SIMATIC S7300 的三個(gè)數(shù)字量輸入模塊、一個(gè)電源模塊。 電源模塊 MAF用來給三個(gè)數(shù)字量輸入模塊所接的開關(guān)供電。 圖 數(shù)字模塊 1 本數(shù)字輸入模塊主要負(fù)責(zé)電機(jī) 1到電機(jī) 3 的起動(dòng)、停止、加減速等控制，即真空、網(wǎng)部和主壓三個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的控制。為 16個(gè)輸入點(diǎn)的數(shù)字輸入模塊。 17 圖 數(shù)字模塊 2 本數(shù)字輸入模塊主要負(fù)責(zé)控制一烘、二烘、大缸三個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟停、加減速、爬行操作控制。 與 SM01一樣，為 16點(diǎn)輸入的數(shù)字輸入模塊。 圖 數(shù)字模塊 3 本數(shù)字輸入模塊 SM03 與 SM0 SM02 一樣，為 16 點(diǎn)輸入的數(shù)字輸入模塊，用來控制壓光、卷取兩個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟停、加減速、爬行操作的控制。下面對(duì)數(shù)字輸入模塊功能做詳細(xì)介紹。 本系統(tǒng)一共包括八臺(tái)電機(jī)，每臺(tái)電機(jī)包涵啟動(dòng) 、 停止 、 加速 、 減速 、爬行五種 操作，使用 PLC的開關(guān)量控制電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)這些功能，故 共 需要 40個(gè)輸入點(diǎn)。在此 選用 3個(gè) 16點(diǎn)輸入的數(shù)字輸入模塊 來滿足 控制功能的需要。各選用模塊具體介紹如下。 PLC 數(shù)字量輸入模塊：這里選用 SIMATIC S7300 系列的數(shù)字輸入模塊，型號(hào)為6ES7 3211BH500AA0。 數(shù)字輸入模塊用來實(shí)現(xiàn) PLC 與數(shù)字量過程信號(hào)的連接，把從過程發(fā)送來的外部數(shù)字信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成 PLC內(nèi)部信號(hào)電平，用于連接工業(yè)現(xiàn)場的標(biāo)準(zhǔn) 18 開關(guān)和兩線接近開關(guān)（ BERO）。 系統(tǒng) PLC模擬量輸出與數(shù)字量輸出模塊原理圖 如圖 、圖 所示 。 圖 數(shù)字輸出模塊 本模塊 SM04 為 8 點(diǎn)輸出數(shù)字輸出模塊，在不考慮裕量的情況下是滿足控制要求的。八點(diǎn)輸出接八個(gè)繼電器線圈，用來控制八個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的風(fēng)扇電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的同步啟動(dòng)與停止。 圖 模擬輸出模塊 本模塊 SM05 為八點(diǎn)輸出的模擬輸出模塊，用來外接八個(gè)數(shù)顯表，顯示八臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，方便人工直觀觀察控制各傳動(dòng)點(diǎn)的轉(zhuǎn)速。下面對(duì)著兩模塊做詳細(xì)介紹。 圖中包括 PLC的數(shù)字輸出模塊與模擬輸出模塊?？紤]到八臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速需要通過數(shù)顯表顯示出來，此處選用一個(gè) 8點(diǎn)輸出的模擬輸出模塊，用來連接數(shù)顯表，顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速。同時(shí)為控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇電機(jī)擁有相同的散熱效果，此處選用一 19 個(gè) 8點(diǎn)輸出的數(shù)字輸出模塊， 接入八個(gè)繼電器，用來 控制風(fēng)扇電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的同步啟動(dòng)與停止，但風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速卻不受驅(qū)動(dòng) 電機(jī)影響 。各模塊的原理介紹如下。 數(shù)字量輸出模塊：數(shù)字量輸出模塊用于從控制器向過程變量輸出數(shù)字信號(hào)，吧S7300的內(nèi)部信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成過程所要求的外部信號(hào)電平，用于連接電磁閥、接觸器、小功率電機(jī)、燈和電機(jī)啟動(dòng)器。在與低漏電流的電路一同使用時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可以斷開，不會(huì)發(fā)出假的 ON 狀態(tài)信號(hào)。當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，輸出可以直接驅(qū)動(dòng)，但大電流負(fù)載，需要經(jīng)過中間繼電器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，用中間繼電器的觸點(diǎn)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力與工作可靠性，通常也都采用光耦合隔離的措施，同時(shí)還設(shè)計(jì)有各種濾波電路等。這里參考系統(tǒng)要求選用型號(hào)為 6ES7 3221HF010AA0的數(shù)字量輸出模塊。 模擬量輸出模塊：模擬量輸出模塊將 PLC 的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成過程所需要的模擬信號(hào)，用于連接模擬量執(zhí)行器，對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。 本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中模擬量輸出模塊選用型號(hào)為 6ES7 3325HF000AB0。 數(shù)顯表：本設(shè)計(jì)選用數(shù)顯表為 HLP2B80， 數(shù)顯表是一種用于顯示的電子儀表，目前在各行各業(yè)均有應(yīng)用，因?yàn)槠滹@示數(shù)據(jù)精確而且一目了然，所以在很多場合下已經(jīng)代替了指針式儀表。應(yīng)用范圍：配電箱，工業(yè)自動(dòng)化，自動(dòng)化變電站，樓宇自動(dòng)化。由于要顯示驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，故系統(tǒng)中 需要使用到數(shù)顯表。依據(jù)造紙機(jī)系統(tǒng)的要求此處選用型號(hào)為 HLP2B80的數(shù)顯表，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，能很好滿足要求。 20 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 軟件 設(shè)計(jì)的 介紹 Step7 軟件 內(nèi)容 本系統(tǒng) 依靠 Protel 完成硬件原理圖的繪制，而軟件部分，使 用軟件 Step7 完成對(duì) S7300PLC的編程和 ProfibusDP網(wǎng)的組態(tài)以及通訊配置。 STEP 7 編程 軟件用于 西門子 系列工控產(chǎn)品包括 SIMATIC S M C7 和基于 PC的 Win AC 的編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置，是 SIMATIC 工業(yè)軟件的重要組成部分 。具有 硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通訊 組態(tài) 、編程、測試、啟動(dòng)和維護(hù)、文件建檔、運(yùn)行和診斷功能等 。本次設(shè)計(jì)使用到的是 Step7 版本 ，使用其強(qiáng)大功完成對(duì)本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) PLC和變頻器控制系統(tǒng)采用了 Profibus— DP現(xiàn)場總線控制模式后，不但整個(gè)系統(tǒng)接線簡單，而且運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡便，反饋的信息全面，可實(shí)時(shí)掌握電機(jī)的各種狀態(tài)信息，可根據(jù)現(xiàn)場的