【文章內(nèi)容簡介】 圖 25 小車的正面 模型 圖 圖 26 小車的 底面 模型 圖 華北電力大學(xué)科 技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 3 硬件系統(tǒng)設(shè) 計(jì) 本設(shè)計(jì)的硬件 控制 系統(tǒng)主要包括 PLC、變頻器、電機(jī)、行程開關(guān)、電磁線圈、 報(bào)警鈴以及報(bào)警燈、電源等。 這些都是為了能夠更好滿足運(yùn)料小車運(yùn)行需求，需要對它們進(jìn)行一一的選型和分析設(shè)計(jì)。 PLC 的選型 目前國內(nèi)國外的 PLC 產(chǎn)品有幾百種型號，而且功能也日趨完善。 PLC 的 結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方法及價(jià)格等各不相同，使用場合也各有側(cè)重。因此，應(yīng)該合理的選擇 PLC，提高 PLC 在控制系統(tǒng)中的作用。 PLC 的選型可以從以下幾個(gè)方面考慮。 a 機(jī)型的選擇 選擇機(jī)型主要以滿足系統(tǒng)功能要求為宗旨，不要盲目的貪大 求全而造成不必要的投資以及設(shè)備資源的浪費(fèi)。機(jī)型的選擇可以從以下幾個(gè)方面考慮：在工藝過程比較固定，環(huán)境比較好的場合可以選用整體式結(jié)構(gòu)的 PLC；給予其他情況則最好選用模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC。因?yàn)槟K式結(jié)構(gòu)的 PLC 配置靈活，裝配和維修方便，也便于系統(tǒng)的擴(kuò)展。對于以開關(guān)量控制為主的以及帶少量模擬量控制的工程項(xiàng)目可以選用帶有 A/D,D/A 轉(zhuǎn)換的低檔機(jī)；而在應(yīng)用 PID 運(yùn)算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等控制比較復(fù)雜、控制功能要求比較全的工程項(xiàng)目則應(yīng)該選用高檔機(jī)。另外，對于大型的控制系統(tǒng)，應(yīng)該盡量做到機(jī)型統(tǒng)一。 b 硬件選擇與配置 1） 輸入 /輸出的選擇與配置 確定 I/O 點(diǎn)數(shù)，即確定 PLC 的控制規(guī)模。根據(jù)控制系統(tǒng)的要求確定所需的 I/O 點(diǎn)數(shù)，應(yīng)考慮到以后工藝和設(shè)備的改動或 I/O 點(diǎn)的損壞、故障等，一般應(yīng)預(yù)留 10%～ 20%的備用量 [2]， 實(shí)際訂貨時(shí)，還需根據(jù)制造廠商 PLC 的產(chǎn)品特點(diǎn)，對輸入輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行圓整 。同時(shí)應(yīng)考慮 PLC 提供的內(nèi)部繼電器和寄存器的數(shù)量，以節(jié)省 I/O 資源。 I/O 模塊有開關(guān)量、模擬量，還有特殊功能輸入 /輸出模塊，如定位、高速計(jì)數(shù)器輸入，脈沖捕捉等功能。 輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應(yīng)考慮信號電平、信號傳 輸距離、信號隔離、信號供電方式等應(yīng)用要求。對輸出模塊，應(yīng)考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價(jià)格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應(yīng)時(shí)間較長等特點(diǎn)；可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負(fù)荷場合，但價(jià)格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應(yīng)用要求應(yīng)一致?？筛鶕?jù)應(yīng)用要求，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應(yīng)用成本。 2） 存儲器類選擇 存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲單元的大小，因此程序 容量小于存儲器容量。設(shè)計(jì)階段，由于用華北電力大學(xué)科 技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 戶應(yīng)用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計(jì)階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計(jì)選型時(shí)能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。存儲器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量 I/O點(diǎn)數(shù)的 10～ 15 倍，加上模擬 I/O 點(diǎn)數(shù)的 100 倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（ 16 位為一個(gè)字），另外再按此數(shù)的 25%考慮余量。由于計(jì)算機(jī)集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲器的價(jià)格已下降，因此，為保證應(yīng)用項(xiàng)目的正常投運(yùn)，一般要求 PLC 的存儲器容量，按 256 個(gè) I/O 點(diǎn)至少選8K 存儲器選擇。需要復(fù)雜控制功能時(shí)，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲器。 3） 電源的選擇 PLC 的供電電源，除了引進(jìn)設(shè)備時(shí)同時(shí)引進(jìn) PLC 應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設(shè)計(jì)和選用外，一般 PLC 的供電電源應(yīng)設(shè)計(jì)選用 220VAC 電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應(yīng)用場合，應(yīng)采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。如果 PLC 本身帶有可使用電源時(shí)，應(yīng)核對提供的電流是否滿足應(yīng)用要求，否則應(yīng)設(shè)計(jì)外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入PLC，對輸入和輸出信號的隔離是必要的，有時(shí)也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。 如果電源的干 擾特別嚴(yán)重，可以選擇安裝一個(gè)變比為 1:1 的隔離變壓器來減少干擾。 4） 處理速度 PLC 采用掃描方式工作。從實(shí)時(shí)性要求來看，處理速度應(yīng)越快越好，如果信號持續(xù)時(shí)間小于掃描時(shí)間，則 PLC 將掃描不到該信號，造成信號數(shù)據(jù)的丟失。處理速度與用戶程序的長度、 CPU 處理速度、軟件質(zhì)量等有關(guān)。目前， PLC 接點(diǎn)的響應(yīng)快、速度高，每條二進(jìn)制指令執(zhí)行時(shí)間約 ～ ，因此能適應(yīng)控制要求高、相應(yīng)要求快的應(yīng)用需要。掃描周期（處理器掃描周期）應(yīng)滿足：小型 PLC 的掃描時(shí)間不大于 ；大中型 PLC 的掃描時(shí)間不大于 。 5） 經(jīng)濟(jì)性的考慮 選擇 PLC 時(shí)，應(yīng)考慮性能價(jià)格比?？紤]經(jīng)濟(jì)性時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮應(yīng)用的可擴(kuò)展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進(jìn)行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品 [3]。輸入輸出點(diǎn)數(shù)對價(jià)格有直接影響。每增加一塊輸入輸出 的 卡件就需增加一定的費(fèi)用。當(dāng)點(diǎn)數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應(yīng)的存儲器容量、機(jī)架、母板等也要相應(yīng)增加，因此，點(diǎn)數(shù)的增加對 CPU 選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時(shí)應(yīng)充分考慮，使整個(gè)控制系統(tǒng)有較合理的性能價(jià)格比。 綜合以上的選型要求和原則，考慮到 本系統(tǒng)屬于小型的控制系統(tǒng)，其輸入 輸出數(shù)量分別為 17/8，不需要高的控制精度，在滿足系統(tǒng)要求的功能的情況下，選擇小型的 S7200PLC。其中 CPU226 型有 24 路輸入點(diǎn)， 16 路輸出點(diǎn)， 2 個(gè)擴(kuò)展模塊， 248 路數(shù)字量 I/O 點(diǎn)， 35 路模擬量 I/O 點(diǎn)。存儲器為 24576 字節(jié)， 6 個(gè)計(jì)數(shù)器， 2 路 RS485 串行通信接口。 編程軟件為 STEP7Micro/WIN32。 PLC 的接線圖 華北電力大學(xué)科 技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 考慮到以上的 PLC 的選型，為了便于后續(xù)的程序編制和仿真，需要設(shè)計(jì)出明 圖 31 PLC的接線圖 確的接線圖，本設(shè)計(jì)的接線圖如圖 所示。其中 SB SB SB3 是控制按鈕，而 SQ1SQ14是分布在運(yùn)動軌跡上的行程開關(guān)。 L1L4 是指裝料和卸料出的狀態(tài)指示燈，其中 L4 是急停情況下的紅色指示燈，其他三個(gè)是綠色的信號燈。 B 是報(bào)警鈴，而 KM1 是電磁繼電器的線圈，用來控制運(yùn)料小車車門的關(guān)閉。 KM2 和 KM3 是變頻器的高低速控制繼電器的線圈，通過他們的交替通電，實(shí)現(xiàn)小車的加速與減速運(yùn)動。 變頻器的選型 變頻器的選擇主要需要考慮一下幾個(gè)方面： 1） 變頻器及被控制的電機(jī) [4]。電機(jī)的磁極對數(shù)一般不多于 2 為宜，否則變頻器的容量應(yīng)該適當(dāng)增大 。 為減少主電源穩(wěn)壓器干擾 ,在中間電路或變頻器輸入電路中增加電抗器 ,或安裝前置隔離變壓器。一般當(dāng)電機(jī)與變頻器距離超過 50m 時(shí) ,應(yīng)在它們中間串入電抗器、濾波器或采用屏蔽防護(hù)電纜。 2） 變頻器箱體結(jié)構(gòu)的選用 。主要考慮變頻器的工作環(huán)境，如溫度、濕度、粉塵、酸堿度等因素。常見的變頻器結(jié)構(gòu)有 敞開型、封閉型和密閉型三種。敞開型主要 可裝在電控箱內(nèi)或電氣室內(nèi)的屏、盤、架上 ， 尤其適于多臺變頻器集中使用時(shí)選用 ,但環(huán)境條件要求較高。 封閉型 適于一般用途 ,可有少量粉塵或少許溫度、濕度的場合。 密閉型則可適應(yīng)與環(huán)境差的場合。 華北電力大學(xué)科 技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 3） 容量 的選擇。 變頻器容量選定過程 ， 實(shí)際上是一個(gè)變頻器與電機(jī)的最佳匹配過程 ，最常見、也較安全的是使變頻器的容量大于或等于電機(jī)的額定功率 ， 但實(shí)際匹配中要考慮電機(jī)的實(shí)際功率與額定功率相差多少 ， 通常都是設(shè)備所選能力偏大 ， 而實(shí)際需要的能力小 ，因此按電機(jī)的實(shí)際功率選擇變頻器是合理的 ， 避免選用的變頻器過大 ， 使投資增大。對于輕負(fù)載類 ， 變頻器電流一般應(yīng)按 (In 為電動機(jī)額定電流 )來選擇 ， 或按廠家在產(chǎn)品中標(biāo)明的與變頻器的輸出功率額定值相配套的最大電機(jī)功率來選擇。 4） 控制方式。目前 常見的有兩種，一種是早期的 V/F 控制，另外 一種就是現(xiàn)在的矢量控制。這兩種控制方式的主要區(qū)別在于：第一，控制精度。矢量控制是閉環(huán)控制，因此，控制精度較高，而 V/F 控制屬于開環(huán)控制，其控制精度相對于矢量控制來講，要低一些。第二，就是低頻扭矩。這主要看負(fù)載的慣性，如果負(fù)載的慣性較大，而且需要長期低頻運(yùn)轉(zhuǎn)的話，就要選用矢量控制的變頻器，所謂的低頻，一般是指小于等于 10Hz。 本設(shè)計(jì)中所采用的電機(jī)較小， 控制精度要求不高，所以可采用 V/F 控制的容量較小的變頻器。由于小車只在兩種速度下運(yùn)行，對變頻器變頻的要求也不高。選擇一款 380V 通用變頻器，其具體參數(shù)如表所示 。 表 31 變頻器的參數(shù) 項(xiàng)目名稱 HDI 控制方式 SPWM 輸入電源 380V 電源： 330~440V； 220V 電源： 170~240 五位數(shù)碼顯示 及狀態(tài)指示燈 顯示頻率、電流、轉(zhuǎn)速、電壓、計(jì)數(shù)器、溫度、正反轉(zhuǎn)狀態(tài)、故障等。 通信控制 RS485 操作溫度 10~40℃ 濕度 0~95%相對濕度（不結(jié)露） 振動 以下 頻功率控制 范圍 ~ 精度 數(shù)字式： %（ 10~40℃）；模擬式： %（ 25177。 10℃） 設(shè)定解析度 數(shù)字式： ；模擬式：最大操作頻率的 1‰ 輸出解析度 鍵盤設(shè)定方式 可直接以← ∧∨ 設(shè)定 模擬設(shè)定方式 外部電壓 05V， 010V， 4— 20mA， 0— 20mA。 其它功能 頻率下限，啟動頻率，停車頻率、三個(gè)跳躍頻率可分別設(shè)定 華北電力大學(xué)科 技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 續(xù)表 31 一一般控制 加減速控制 4 段加減速時(shí)間（ 秒）任意選擇 V/F 曲線 可任意設(shè)定 V/F 曲線 轉(zhuǎn)矩控制 可設(shè)定轉(zhuǎn)矩提升，最大 %啟動轉(zhuǎn)矩在 時(shí)可達(dá) 150% 多功能輸入端 6 個(gè)多功能輸入端，實(shí)現(xiàn) 8 段速控制，程序運(yùn)行， 4 段加減速切換， UP、 DOWN 機(jī)能、計(jì)數(shù)器，外部急停等功能 多功能輸出端 有 5 個(gè)多功能輸出端，實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)中、零速、計(jì)數(shù)器、外部異常、程序運(yùn)行等指示及報(bào)警 其它功能 自動電壓穩(wěn)壓（ AVR）、減速停止或自由停止、直流剎車，自動復(fù)位再起動，頻率跟蹤， PLC 程序控制、橫動控制、載波可調(diào)，最高達(dá) 20KHz 等 保保護(hù)功能 過載保護(hù) 電子電驛保護(hù)馬達(dá) 驅(qū)動器（恒轉(zhuǎn)矩 150%/1 分鐘，風(fēng)機(jī)類 120%/1 分鐘） FUSE 熔斷保護(hù) FUSE 熔斷，馬達(dá)停止 過電壓 220V 線：直流電 壓＞ 400V； 380V 線：直流電壓＞ 800V 不足電壓 220V 線：直流電壓＜ 200V； 380V 線：直流電壓＜ 400V 瞬間停電再起動 瞬停后可以頻率跟蹤方式再起動 失速防止 加 /減速運(yùn)轉(zhuǎn)中失速防止 輸出端短路 電子線路保護(hù) 其它功能 散熱片過熱保護(hù)，反轉(zhuǎn)限制，開機(jī)后直接起動及故障復(fù)歸之功能，參數(shù)鎖定等。 電動機(jī)的選擇 本設(shè)計(jì)中，運(yùn)料小車的電機(jī)選擇也是一個(gè)很重要的方面。由于在小車的自動運(yùn)行過程中，小車要經(jīng)過多次的加減速問題，因此在選擇電動機(jī)的時(shí)候，要注意對啟停性能方面的側(cè)重要求 。 正確選用電動機(jī)的基本原則 為了更好的達(dá)到運(yùn)料小車在運(yùn)行過程中的功率要求，在選擇電動機(jī)的時(shí)候，要根據(jù)電源電壓、使用條件、拖動對象選擇電動機(jī)，要求電源電壓與電動機(jī)額定電壓相符。并且還華北電力大學(xué)科 技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 要考慮到安裝地點(diǎn)和工作環(huán)境 ， 選擇 各種 型式的電動機(jī) 1) 首先根據(jù)工作情況的要求，確定電壓的的大小，選擇高壓的 380V，還是選擇低壓的 220V。 2） 電動機(jī)的機(jī)械特性、啟動、制動、調(diào)速及其它控制性能應(yīng)滿足機(jī)械特性和生產(chǎn)工藝過程的要求，電動機(jī)工作過程中對電源供電質(zhì)量的影響（如電壓波動、 諧波 干擾等），應(yīng)在容許的范圍內(nèi) ； 3） 按預(yù)定的工作制、冷卻方法基輔在情況所確定的電動機(jī)功率，電動機(jī)的溫升應(yīng)在限定的范圍內(nèi)； 4） 根據(jù)環(huán)境條件、運(yùn)行條件、安裝方式、傳動方式，選定電動機(jī)的結(jié)構(gòu)、安裝、防護(hù)形式，保證電動機(jī)可靠工作； 5） 綜合考慮一次投資 以及 運(yùn)行費(fèi)用，整個(gè)驅(qū)動系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、合理、可靠和安全。 小型異步電動機(jī)的 選擇 由于本設(shè)計(jì)中的運(yùn)料小車結(jié)構(gòu)比較小，因此在選擇電動機(jī)的時(shí)候，首先要考慮的就是選擇結(jié)構(gòu)比較小的電動機(jī)，因此在該設(shè)計(jì)中，選擇 結(jié)構(gòu) 比較小的異步電動機(jī)。 在控制上，由于小車需要載著物料不斷的自行移動，因此，在電源控制上選擇由電纜輸送的電源控制方法。 由于運(yùn)料小車主要是在變頻器的控制下，基于 PLC 進(jìn)行速度的控制，因此對電動機(jī)的速度 變化方面的 要求不是很高 ，關(guān)注點(diǎn)主要集中在結(jié)構(gòu)和功率的方面。 小型三相異步電動機(jī)，通常包括 H80315MM 的電機(jī)，其產(chǎn)量大、用途廣，在電網(wǎng)的總負(fù)荷中，它的用電量為 40%左右。六十年