【文章內(nèi)容簡介】 統(tǒng)。變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，調(diào)速時，須調(diào)節(jié)定子電壓和頻率，在這種 情況下，機(jī)械特性基本上平行移動，而轉(zhuǎn)差率不變，它是當(dāng)前交流調(diào)速的主要發(fā)展方向。 本文研究了變頻調(diào)速技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用，并且根據(jù)原有的控制結(jié)構(gòu)，結(jié)合組態(tài)軟件和 PLC 技術(shù)，提出了一個改進(jìn)的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，并且采用此體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一個物料攪拌裝置的變頻調(diào)速系統(tǒng)。 論文首先對變頻器的內(nèi)部構(gòu)成結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，比較了電機(jī)調(diào)速的幾種類型，深入探討了變頻調(diào)速的原理和優(yōu)點(diǎn)，最后介紹了西門子公司的 MM(5SE92)變頻器。 論文接著對組態(tài)軟件技術(shù)進(jìn)行了綜述，探討了組態(tài)軟件的基本結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)以及數(shù)據(jù)處理流程。最后介紹了西門子公 司的基于 Windows 的組態(tài)軟件 Protool/pro。 然后介紹了 PLC(可編程程序控制器 )的基本組成、主要特點(diǎn)以及西門子公司的小型 PLC S7 200。 論文的最后是相關(guān)技術(shù)在物料攪拌裝置系統(tǒng)的應(yīng)用。討論了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、控制策畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）用紙 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 3 略以及硬件配置和軟件實(shí)現(xiàn)。 相關(guān)技術(shù)發(fā)展概況 交流調(diào)速的發(fā)展概況 交流變頻調(diào)速的優(yōu)越性早在 20 年代就已被人們所認(rèn)識，但受到器件的限制，未能推廣。 50 年代初，中小型感應(yīng)電動機(jī)多采用晶閘管調(diào)壓調(diào)速 ， 大中型繞線式感應(yīng)電動機(jī)采用晶閘管靜止型電氣串級調(diào)速系統(tǒng)。 70 年代發(fā)展起來的變頻調(diào)速， 比上述兩種調(diào)速方式效率更高，性能更好。 交流調(diào)速系統(tǒng)大致經(jīng)歷過以下幾個階段 ： (1)異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng) ： 調(diào)壓調(diào)速過去常用的方法是在定子回路中串入飽和電抗器，或在定子側(cè)加自耗銅材料，體積小，控制方便。用晶閘管功率變換器來完成饋送任務(wù)，這就構(gòu)成了由繞線異步電動機(jī)與晶閘管變換器共同組成的調(diào)壓器，通過控制觸發(fā)脈沖的相位角，便可控制加在負(fù)載上的電壓大小，很快成為交流調(diào)壓器的主要形式，但由于相位控制時，晶閘管導(dǎo)通后負(fù)載上獲得的電壓波形不是電網(wǎng)提供的完整的工頻電壓波形，因此產(chǎn)生了成分復(fù)雜的諧波。 (2)串級 調(diào)速系統(tǒng) ： 繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)串級調(diào)速是將轉(zhuǎn)差功率加以利用的一種經(jīng)濟(jì)、高效的調(diào)速方法，改變轉(zhuǎn)差率的傳統(tǒng)方法是在轉(zhuǎn)子回路中串入不同的電阻以獲得不同斜率的機(jī)械特性，從而實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。這種方法簡單方便，但是調(diào)速是有級的、不平滑，并且轉(zhuǎn)差功率消耗在電阻發(fā)熱上，效 率低，自大功率器件問世后，人們采用在轉(zhuǎn)子回路中串聯(lián)晶閘管功率變換器來完成饋送任務(wù)，這就構(gòu)成了由繞線異步電動機(jī)與晶閘管變換器共同組 成的晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)。由于晶閘管的逆變角的可以平滑連續(xù)的改變，使得電動機(jī)轉(zhuǎn)速也能平滑連續(xù)的調(diào)節(jié)。另外轉(zhuǎn)差功率又可以通過逆變 器回饋到交流電網(wǎng)，提高了效率。串級調(diào)速的缺點(diǎn)是功率因數(shù)較低，采用強(qiáng)迫換流、改進(jìn)型三相四線逆變器、逆變器的不對稱控制以及轉(zhuǎn)子直流回路加斬波器控制等，可以提高功率因數(shù)。其中采用強(qiáng)迫換流方式可使用門極可關(guān)斷晶閘管 (GTO)構(gòu)成，這樣可以省去關(guān)斷晶閘管用的儲能電路，使逆變電路簡單、體積小。 (3)變頻調(diào)速系統(tǒng) :變頻調(diào)速具有高效率、寬范圍和高精度等特點(diǎn)，是運(yùn)用最廣、最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的種類很多，從 50 年代提出的電壓源型變頻器開始，相繼發(fā)展了電流源型、脈寬調(diào)制型等各種變頻 器。目前變頻調(diào) 速的主要方案有 :交一交變頻調(diào)速，交一直一交變頻調(diào)速，同步電動機(jī)自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)，正弦波脈寬調(diào)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）用紙 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 4 制 (SPWM)，矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速等，而且無速度傳感技術(shù)日益成熟，許多智能技術(shù)逐步滲透到其中，如模糊控制、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)控制等，與這些控制方式相結(jié)合，大大提高了變頻器調(diào)速系統(tǒng)的控制效果，這些變頻器調(diào)速技術(shù)的發(fā)展很大程度上依賴于大功率半導(dǎo)體器件的制造水平以及電力電子技術(shù)的發(fā)展水平。 80 年代中期隨著第三代電力半導(dǎo)體器件如門極可關(guān)斷晶閘管 GTO、絕緣柵雙極晶體管 IGBT 的相繼出現(xiàn)，交流變 頻調(diào)速技術(shù)得到了飛速發(fā)展。日、美、德、英等國家在結(jié)合現(xiàn)代微處理器控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、電機(jī)傳動技術(shù)的基礎(chǔ)上，相繼推出了一系列的變頻器，且不斷進(jìn)行更新?lián)Q代。這些高精度、多功能、智能化的變頻器將調(diào)速效率和精度提高到了前所未有的水平。 組態(tài)軟件發(fā)展概況 組態(tài)軟件是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)發(fā)展起來的。 50 年代雖然計(jì)算機(jī)開始涉足工業(yè)過程控制，但由于計(jì)算機(jī)技術(shù)人員缺乏工廠儀表和工業(yè)過程的知識，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)工業(yè)過程系統(tǒng)在各行業(yè)的推廣速度比較緩慢。 20 世紀(jì) 70 年代初，微處理器的出現(xiàn)，促進(jìn)了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)走向成熟。首先，微 處理器在提高計(jì)算能力的基礎(chǔ)上，大大降低了計(jì)算機(jī)的硬件成本，縮小了計(jì)算機(jī)的體積，很多從事控制儀表和原來一直就從事工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的公司先后推出了新型控制系統(tǒng)，其中具有代表性的是美國 Honeywell 公司于 1975 年推出的世界上第一套 DCS，即 TDC 2020。在隨后的 20 年中， DCS 及其計(jì)算機(jī)控制技術(shù)日趨成熟，并得到了廣泛應(yīng)用，市場發(fā)展迅速。但當(dāng)時的 DCS 軟件是專用和封閉的，且成本居高不下。 80 年代中后期，隨著個人計(jì)算機(jī)的普及和開放系統(tǒng) (Open System)概念的推廣，基于個人計(jì)算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng) 開始進(jìn)入市場并發(fā)展壯大。基于個人監(jiān)控系統(tǒng)呈現(xiàn)出智能化、小型化、網(wǎng)絡(luò)化、 PC 化的發(fā)展趨勢，并逐漸形成了各種標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、硬件規(guī)范。組態(tài)軟件在自動化系統(tǒng)的 “水平 ”和 “垂直 ”集成中起著橋梁和紐帶的作用，已成為自動化系統(tǒng)中的重要組成部分。計(jì)算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)開始進(jìn)入市場，為組態(tài)軟件提供了發(fā)展空間。目前自動化產(chǎn)品呈現(xiàn)出智能化、小型化、網(wǎng)絡(luò)化、 PC 化的發(fā)展趨勢，并逐漸形成了各種標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、硬件規(guī)范。組態(tài)軟件作為個人計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，比 PLC 監(jiān)控的硬件系統(tǒng)具有更為廣闊的發(fā)展空間。這是因?yàn)?，第一，很?DCS 和 PLC 廠家主動公開通信協(xié)議，加入 “PLC監(jiān)控 ”的陣營。目前，幾乎所有的 PLC 和一半以上的 DCS 都使用 PLC 作為操作站。第二，由于 PLC 監(jiān)控大大降低了系統(tǒng)成本，使得市場空間得以擴(kuò)大，從無人值守的遠(yuǎn)程監(jiān)視 (如防盜報警、江河汛情監(jiān)視、環(huán)境監(jiān)控、電信線路監(jiān)控、交通管制與監(jiān)控、 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）用紙 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 5 礦井報警等 )、數(shù)據(jù)采集與計(jì)量 (如居民水電氣表的自動抄表、鐵道信號采集與記錄等 )、數(shù)據(jù)分析 (如汽車和機(jī)車自動測試、機(jī)組和設(shè)備參數(shù)測試、醫(yī)療化驗(yàn)儀器設(shè)備實(shí)時數(shù)據(jù)采集、虛擬儀器、生產(chǎn)線產(chǎn)品質(zhì)量抽檢等 )到過程控制，幾乎無處不用。第三，各類智能儀表、調(diào)節(jié)器和 PLC 可與組態(tài)軟件構(gòu)筑完整的低成本自動化系統(tǒng)，具有廣闊的市場空間。第四，各類嵌入式系統(tǒng)和現(xiàn)場總線的異軍突起，把組態(tài)軟件推到了自動化系統(tǒng)主力軍的位置，組態(tài)軟件越來越成為工業(yè)自動化系統(tǒng)中的靈魂。 國際上比較有名的監(jiān)控組態(tài)軟件如表 11 所示 : 表 11 組態(tài)軟件概況圖 公司名稱 產(chǎn)品名稱 國別 公司名稱 產(chǎn)品名稱 國別 Intellution FIX, iFIX 美國 Rockwell RSView32 美國 Wonderware Intouch 美國 信肯通 Think Ho 美國 Nema Soft Paragon Paragon TNT 美國 National Instruments LabView 美國 TA engineering AIMAX 美國 Iconics Genesis 美國 通用電氣 Cimplicity 美國 PC soft WizCon 以色列 西門子 Wincc 德國 Citech Citech 澳大利亞 PLC 技術(shù)的發(fā)展概況 第一臺可編程控制器 (以下簡稱 PLC)的設(shè)計(jì)規(guī)范是美國通用汽車公司提出的。當(dāng)時的目的是要求設(shè)計(jì)一種新的控制裝置以取代繼電器盤，在保留了 繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂。操作方便、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，同時具有現(xiàn)代化生產(chǎn)線所要求的時間響應(yīng)快、控制精度高、可靠性好、控制程序可隨工藝改變、易于與計(jì)算機(jī)接口、維修方便等諸多高品質(zhì)與功能。這一設(shè)想提出后，美國數(shù)字設(shè)備公司 (DEC)于 1969 年研制成第一臺 PLC，型號為 PDP14，投入通用汽車公司的生產(chǎn)線控制中，取得了令人滿意的效果，從此開創(chuàng)了PLC 的新紀(jì)元。 在短時間內(nèi)， PLC 在其他工業(yè)部門也得到應(yīng)用。到 70 年代初，食品、金屬和制造等工業(yè)部門相繼使用 PLC 代替繼電器控制設(shè)備，邁出了其實(shí)用化階段的 第一步。 70 年代中期，由于大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，使 8 位微處理器和位片處理器相繼問世，使可編程控制技米產(chǎn)生了飛躍。在邏輯運(yùn)算功能的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)值運(yùn)算。閉環(huán)控制，提高了運(yùn)算速度，擴(kuò)大了輸入輸出規(guī)模。在這個時期，日本、西德 (原 )和法國相繼研制出畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）用紙 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 6 自己的 PLC，我國在 1974 年也開始研制。 70 年代末由于超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，使 PLC 向大規(guī)模、高速性能方向發(fā)展，形成了多種系列化產(chǎn)品。這時面向工程技術(shù)人員的編程語言發(fā)展成熟，出現(xiàn)了工藝人員使用的圖形語言。在功能上 PLC 已可以代替某些模擬控制裝置和 小型機(jī)的 DDC 系統(tǒng)。 進(jìn)入八九十年代后， PLC 的軟硬件功能進(jìn)一步得到加強(qiáng)， PLC 已發(fā)展成為一種可提供諸多功能的成熟的控制系統(tǒng)，能與其他設(shè)備通信，生成報表，調(diào)度產(chǎn)出，可診斷自身故障及機(jī)器故障。這些改進(jìn)使 PLC 符合今天對高質(zhì)量高產(chǎn)出的要求。盡管 PLC 功能越來越強(qiáng)，但它仍然保留了先前的簡單與易于使用的特點(diǎn)。 PLC 未來的發(fā)展不僅依賴于對新產(chǎn)品的開發(fā)，還在于 PLC 與其他工業(yè)控制設(shè)備和工廠管理技術(shù)的綜合。無疑， PLC 將在今后的工業(yè)自動化中扮演重要角色。在未來的工業(yè)生產(chǎn)中， PLC 技術(shù)和機(jī)器人、 CAD/CAM 將成 為實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的三大支柱。 目前 PLC 朝以下幾個方向發(fā)展 ： (1)大型網(wǎng)絡(luò)化 :主要朝 DCS 方向發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化和強(qiáng)通信能力是 PLC 發(fā)展的一個主要的方面，向下與多個智能裝置相連，向上與工業(yè)計(jì)算機(jī)、以太網(wǎng)等相連構(gòu)成特殊的控制任務(wù)。 (2)多功能 ： 為了適應(yīng)特殊功能的需要，連續(xù)推出多種智能模塊，如模擬量模輸入輸出、回路控制、通信控制、機(jī)械運(yùn)動控制、高速技術(shù)、中斷輸入等。這些智能模塊以為處理器為基礎(chǔ)，其 CPU 與 PLC 的 CPU 并行工作，占用主機(jī) CPU 時間很少，有利于提高 PLC 掃描速度和完成特殊的控制任務(wù)。 (3)高可靠性、好兼容性 :由于現(xiàn)代控制系統(tǒng)的可靠性和兼容性日漸受到人們的重視，一些公司強(qiáng)自診斷技術(shù)、冗余技術(shù)、容錯技術(shù)廣泛應(yīng)用到現(xiàn)有產(chǎn)品中。推出了高可靠的冗余系統(tǒng)。 (4)編程語言向高級語言發(fā)展 ： PLC 的編程語言在原有梯形圖語言、順序功能塊和指令表語言基礎(chǔ)上，推出了可運(yùn)行與計(jì)算機(jī) windows 環(huán)境下，界面友好的強(qiáng)勁的梯形圖和語句表兩種形式的編程、調(diào)試、診斷等功能。 SIMATIC 則使用 C/C++等高級語言進(jìn)行編程，體現(xiàn)了面向未來的種種特征。 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）用紙 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 7 第 2 章 變頻調(diào)速原理 變頻器的基本結(jié)構(gòu) 變頻器的基本結(jié)構(gòu)見 圖 21 整 流 器 逆 變 器A CD C控 制 電 路控 制 電 路運(yùn) 行 指 令高 頻A C 圖 21 變頻器結(jié)構(gòu)圖 變頻器的主電路 (1)電力電子開關(guān)器件 電力半導(dǎo)體器件已經(jīng)歷了以晶閘管為代表的分立器件，以可關(guān)斷晶閘管 (GTO)，巨型晶體管 (GTR)，功率 MOSFET、絕緣柵雙極晶體管 (IGBT )為代表的功率集成器件 (PID )，以智能化功率集成電路 (SPIC )，高壓功率集成電路 (HVIC)為代表的功率集成電路 (PIC)等三個發(fā)展時期。從晶閘管靠換相電流過零關(guān)斷的半控器件發(fā)展到 PID, PIC 通過門極或柵極控制脈沖可實(shí)現(xiàn)器件導(dǎo) 通與關(guān)斷的全控器件。在器件的控制模式上，從電流型控制模式及發(fā)展到電壓型控制模式，不僅大大降低了門極 (柵極 )的控制功率，而且大大提高了器件導(dǎo)通與關(guān)斷的轉(zhuǎn)換速度，從而使器件的工作頻率不斷提高。在器件結(jié)構(gòu)上，從分立器件發(fā)展到由分立器件組合成功率變換電路的初級模塊，繼而將功率變換電路與觸發(fā)控制電路、緩沖電路、檢測電路等組合在一起的復(fù)雜模塊。 (2)整流電路 一般的三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成。它的主要作用是對工頻的外部電源進(jìn)行整流，并給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。整流電路按其控制方式 ，可以是直流電壓源，也可以是直流電流源。直流中間電路的作用是對整流電路的輸出進(jìn)行畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）用紙 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 8 平滑，以保證逆變電路和控制電源能夠得到質(zhì)量較高的直流電源。此外，由于電動機(jī)制動的需要，在直流中間電路中有時還包括制動電阻以及其它輔助電路。 逆變電路 逆變電路是變頻器主要的部分之一。它是利用六個半導(dǎo)