【文章內(nèi)容簡介】 70年代前，在需要調(diào)速拖動的場合幾乎全部采用直流電動機(jī)，但其制造和維護(hù)十分繁雜。 變頻調(diào)速技術(shù)是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的。 20 世紀(jì) 70 年代，大功率晶體管 (GTR)的開發(fā)成功，為變頻器技術(shù)的開發(fā)、發(fā)展和普及奠定了基礎(chǔ)， 80 年代又進(jìn)一步開發(fā)成功了絕緣柵雙極晶體管粗 (GBT)，其工作頻率比 GTR 提高了一個數(shù)量級，從而使變頻調(diào)速技術(shù)又向前邁進(jìn)了一步。變頻控 制理論方面經(jīng)歷了V/F 控制到矢量控制技術(shù)，使異步電動機(jī)變頻后的機(jī)械特性達(dá)到了可以和直流電動機(jī)變壓后的機(jī)械特性相媲美的程度。變頻器的類型有多種，按電能轉(zhuǎn)換的情況可分為交流 交流變頻器和交流 直流 交流變頻器兩種。其中，交流 直流 交流是目前中小型異步電動機(jī)變頻調(diào)速電源的主要形式，它不 像 交流 交流變頻器那樣直接將工頻電源轉(zhuǎn)變成所需頻率的電源，而是把工頻交流市電先經(jīng)整流變成直流，然后再通過逆變器把直流電轉(zhuǎn)變成所需頻率的交流電。 近年來高電壓、大電流的 SCR、 GTO、 IGBT、 IGGT 以及智能模塊 IPM 等器件的生產(chǎn) 以及并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。在大功率交一交變頻器調(diào)速技術(shù)方面，法國阿爾斯通己能提供單機(jī)容量達(dá) 30000KW 的電氣傳動設(shè)備用于船舶推進(jìn)系統(tǒng)，意大利 ABB 公司提供了單機(jī)容量為 6000OKW 的設(shè)備用于抽水蓄能電站，日本富士 BJT 變頻器最大單機(jī)容量可達(dá) 700KVA。 在現(xiàn)代自動化控制理論領(lǐng)域中，以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)，融入模糊控制、專家控制、神經(jīng)控制等新的控制理論，為高性能變頻調(diào)速提供了理論基礎(chǔ) 。16 位、32位高速微處理器以及信號處理器 (DSP)和專用集成電路技術(shù)的快 速發(fā)展，為變頻調(diào)速的高精度、多功能提供了手段。 變頻調(diào)速技術(shù)主要向著兩個方向發(fā)展 ： 一是實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)、高效率、無諧波干擾，研制具有良好電磁兼容性能的“綠色電器” ； 二是向變頻器應(yīng)用的深度和廣度發(fā)展。隨著變流器應(yīng)用領(lǐng)域深度和廣度的不斷開拓，變頻調(diào)速技術(shù)將越來越清楚地展示它在一個國家國民經(jīng)濟(jì)中的重要性 。 12 可以預(yù)料 ， 現(xiàn)代控制理論和人工智能技術(shù)在變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用和推廣將賦予它更強(qiáng)的生命力和更高的技術(shù)含量 。 其發(fā)展方向具有如下幾項(xiàng) ： (1)實(shí)現(xiàn)高水平的控制 ； (2)開發(fā)清潔電能的變流器 ； (3)縮小裝置的尺寸 ； (4)高速度的數(shù)字控制 ； (5)模擬與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (CAD)技術(shù)。 變頻器應(yīng)用現(xiàn)狀及前景 國內(nèi)已經(jīng)有較多的變頻器生產(chǎn)廠，但大部分的產(chǎn)品都是 V/F 控制和電壓空間矢量控制變頻器，使用在調(diào)速精度和動態(tài)性能要求不高的負(fù)載上應(yīng)該沒有問題。工業(yè)應(yīng)用中絕大部分都是這種負(fù)載，變頻器在這種場合應(yīng)用最重要的要求是可靠性，國產(chǎn)變頻器占國內(nèi)市場份額不高，主要原因是產(chǎn)品品質(zhì)不過硬。 V/F 控制和電壓空間矢量控制變頻器比矢量控制變頻器從技術(shù)上來看要簡單得多，由于國內(nèi)廠家大部分都是手工作坊式的生產(chǎn)，工藝欠佳，檢測手段有限，品質(zhì)的一致性 和穩(wěn)定性難以保證 。 同樣是 V/F 控制的變頻器，國外的產(chǎn)品比國內(nèi)的產(chǎn)品品質(zhì)要好這可 能是生產(chǎn)工藝方面的差距。差距最大的是半導(dǎo)體功率器件的制造業(yè) ，至今，在國內(nèi)這仍是一個空白 。 變頻器技術(shù)的另外一個層面是應(yīng)用技術(shù)。多年來，國家經(jīng)貿(mào)委一直會同國家有關(guān)部門致力于變頻器技術(shù)的開發(fā)及推廣應(yīng)用，在技術(shù)開發(fā)及技術(shù)改造方面給予了重點(diǎn)扶持，組織了變頻調(diào)速技術(shù)的評測推薦工作。據(jù)有關(guān)資料表明，我國變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)取得了相當(dāng)大的成績，每年有數(shù)十億元的銷售額，說明我國的變頻器應(yīng)用己非常廣泛從簡單的手動控制到基于 RS485 網(wǎng)絡(luò)的多機(jī)控制 ，與計(jì)算機(jī)和 PLC 聯(lián)網(wǎng)組成復(fù)雜的控制系統(tǒng)。在大型綜合自動化系統(tǒng)，先進(jìn)控制與優(yōu)化技術(shù)，大型成套專用系統(tǒng)，如連鑄連軋生產(chǎn)線、高速造紙生產(chǎn)線、電纜光纖生產(chǎn)線、化纖生產(chǎn)線、建材生產(chǎn)線等，變頻器的作用是電氣傳動控制，其控制的復(fù)雜性、控制精度和動態(tài)響應(yīng)都有很高的要求，已經(jīng)完全取代了直流調(diào)速技術(shù)。近年來，變頻器在功能上，利用先進(jìn)的控制理論，開發(fā)出了諸如卷取、提升、主從等控制功能，使應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)成更加方便和容易，使變頻器的應(yīng)用技術(shù)提高到一個新的水平 [6]。 13 第 4 章 組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng) 軟件 簡介 概述 組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng) 軟件 ，是新型的工業(yè) 自動控制系統(tǒng) ，它以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。 組態(tài)王軟件是一種通用的工業(yè) 監(jiān)控軟件，它融過程控制設(shè)計(jì)、現(xiàn)場操作以及工廠資源管 理于一體，將一個企業(yè)內(nèi)部的各種生產(chǎn)系統(tǒng)和應(yīng)用以及信息交流匯集在一起，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化管理。它基于 Microsoft Windows XP/NT/2021 操作系統(tǒng)，用戶可以在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的所有層次的各個位置上都可以及時獲得系統(tǒng)的實(shí)時信息。采用組態(tài)王軟件開發(fā)工業(yè)監(jiān)控工程，可以極大地增強(qiáng)用戶生產(chǎn)控制能力、提高工廠的生產(chǎn)力和效率、提高產(chǎn)品的質(zhì)量、減少成本及原材料的消耗。它適用于從單一設(shè)備的生產(chǎn)運(yùn)營管理和故障診斷，到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分布式大型集中監(jiān)控管理系統(tǒng)的開發(fā) +。 組態(tài)王軟件結(jié)構(gòu) 由工程管理器、工程瀏覽器及運(yùn)行系統(tǒng)三部分構(gòu)成。 工程管理器： 工程管理器用于新工程的創(chuàng)建和已有工程的管理，對已有工程進(jìn)行搜索、添加、備份、恢復(fù)以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)詞典的導(dǎo)入和導(dǎo)出等功能。 工程瀏覽器： 工程瀏覽器是一個工程開發(fā)設(shè)計(jì)工具，用于創(chuàng)建監(jiān)控畫面、監(jiān)控的設(shè)備及相關(guān)變量、動畫鏈接、命令語言以及設(shè)定運(yùn)行系統(tǒng)配置等的系統(tǒng)組態(tài)工具。 運(yùn)行系統(tǒng)： 工程運(yùn)行界面，從采集設(shè)備中獲得通訊數(shù)據(jù)，并依據(jù)工程瀏覽器的動畫設(shè)計(jì)顯示動態(tài)畫面，實(shí)現(xiàn)人與控制設(shè)備的交互操作。 特點(diǎn) 它具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期 短等優(yōu)點(diǎn)。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的實(shí)時監(jiān)測與控制，且在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動畫。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實(shí)現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 組態(tài)軟件 也為試 驗(yàn)者提供了可 14 視化監(jiān)控畫面，有利于試驗(yàn)者實(shí)時現(xiàn)場監(jiān)控。而且，它能充分利用 Windows的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，并以動畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報警窗口、實(shí)時趨勢 曲線 等，可便利的生成各種報表。它還具有豐富的 設(shè)備驅(qū)動程序 和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù) 鏈接功能。 建立工程的一般步驟 通常情況下，建立一個應(yīng)用工程大致可分為以下幾個步驟： 第一步：創(chuàng)建新工程 為工程創(chuàng)建一個目錄用來存放與工程相關(guān)的文件。 第二步：定義硬件設(shè)備并添加工程變量 添加工程中需要的硬件設(shè)備和工程中使用的變量，包括內(nèi)存變量和 I/O 變量。 第三步：制作圖形畫面并定義動畫連接 按照實(shí)際工程的要求繪制監(jiān)控畫面并使靜態(tài)畫面隨著過程控制對象產(chǎn)生動態(tài)效果。 第四步：編寫命令語言 通過腳本程序的編寫以完成較復(fù)雜的操作上位控制。 第五步：進(jìn)行運(yùn)行系統(tǒng)的配置 對運(yùn)行系統(tǒng)、報警、歷史數(shù)據(jù)記錄、 網(wǎng)絡(luò)、用戶等進(jìn)行設(shè)置，是系統(tǒng)完成用于現(xiàn)場前的必備工作。 第六步：保存工程并運(yùn)行 完成以上步驟后，一個可以拿到現(xiàn)場運(yùn)行的工程就制作完成了。 實(shí)踐 ： (1)圖形界面的設(shè)計(jì) (2)構(gòu)造數(shù)據(jù)庫 (3)建立動畫連接 (4)運(yùn)行和調(diào)試 : 15 (1)實(shí)驗(yàn)全部用軟件來實(shí)現(xiàn) ,只需利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)就可完成自動控制系統(tǒng)課程的實(shí)驗(yàn) ,從而大大減少購置儀器的經(jīng)費(fèi)。 (2)該系統(tǒng)是中文界面 ,具有 人機(jī)界面 友好、結(jié)果可視化的優(yōu)點(diǎn)。對用戶而言 ,操作簡單易學(xué)且編程簡單 ,參數(shù)輸入與修改靈活 ,具有多次或重復(fù)仿真運(yùn)行的控制能力 ,可以實(shí)時地顯示參數(shù)變化前后系統(tǒng)的特性曲線 ,能很直觀地顯示控制系統(tǒng)的實(shí)時趨勢曲線 ,這些很強(qiáng)的交互能力使其在自動控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)揮理想的效果。 應(yīng)用程序 過程中要考慮以下三個方面 ： (1)圖形 ,是用抽象的圖形畫面來模擬實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場和相應(yīng)的 工控 設(shè)備。 (2)數(shù)據(jù) ,就是創(chuàng)建一個具體的數(shù)據(jù)庫 ,并用此數(shù)據(jù)庫中的變量描述工控對象的各種屬性 ,比如水位、流量等。 (3)連接 ,就是畫面上的圖素以怎樣的動畫來模擬現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行 ,以及怎樣讓操作者輸入控制設(shè)備的指令。 16 第 5 章 水位 控制 系統(tǒng)的組成 系統(tǒng)硬件 1．牛頓模塊 牛頓模塊具有組態(tài)簡單、采集的信號穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、編程容易等眾多優(yōu)點(diǎn)，它被廣泛地應(yīng)用于需要數(shù)據(jù)采集的場合。每一單一的牛頓模塊都是地址可編程的，它使用 01FF兩位地址代碼，因此，一條 RS485 總線上可以同時使用 255 個牛頓模塊，如果 RS485 總線上掛接的都是 ND7017 的話，意味著整個系統(tǒng)可以完成 255x8=2040 路模擬信號的采集。當(dāng)然牛頓模塊不僅僅是模數(shù)轉(zhuǎn)模塊，還有： 數(shù)字 IO模塊 DO 輸出模塊 測頻計(jì)數(shù)模塊 熱電偶測量模塊 熱電阻測量模塊 協(xié)議轉(zhuǎn)換模 塊 協(xié)議中繼模塊 嵌入式控制模塊 無線通訊模塊 正是由于模塊的多樣性才使得構(gòu)筑系統(tǒng)時更加容易。實(shí)際上，在一般情況下用戶無需進(jìn)行硬件開發(fā)，只是選擇合適的模塊和變送器就行了，用戶的更多工作是在開發(fā)自己單位或部門所需的軟件。對于一般單位，軟件可以通過組態(tài)實(shí)現(xiàn)，而對于特殊的需要則必須進(jìn)行專項(xiàng)的軟件開發(fā)。牛頓模塊采用的是多址 RS485 總線，它需要上位機(jī)提供 RS485 通訊鏈路。上位 PC機(jī)實(shí)現(xiàn) RS485 的方式不一樣，主要有： RS232/RS485 將 RS232 轉(zhuǎn)換成 RS485， RS485 接口卡， USB/RS485將 USB轉(zhuǎn)換成 RS485。無論是哪一種轉(zhuǎn)換，都有相應(yīng)的牛頓模塊可供選擇，無需用戶自行開發(fā) [20]。 i7017 8 通道模擬量輸入模塊 ： i7017 共有 8 路差分輸入，模塊為 16 位分辨率，高達(dá) 的通訊速率，主要用于工業(yè)現(xiàn)場或其它分布式數(shù)據(jù)采集。 i7017 采用簡單易操作的軟件校準(zhǔn)，用戶可方便地進(jìn)行零點(diǎn)和滿量程校準(zhǔn)。 采集模塊采用 RS485 通訊網(wǎng)路，將分散的現(xiàn)場數(shù)據(jù)點(diǎn)的模擬量經(jīng) AD 變換傳輸?shù)街鳈C(jī)或由 PC控制遠(yuǎn)程主站點(diǎn)。 它具有獨(dú)特的雙看門狗安全設(shè)計(jì)，即軟件看門狗和硬件看門狗組成。模塊萬一出現(xiàn) 程序飛跑時，可瞬間重新開機(jī)。 17 每個采集模塊可與主控計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行軟件看門狗互鎖，萬一主控計(jì)算機(jī)死機(jī)，所有的輸出模塊就進(jìn)入預(yù)設(shè)的安全狀態(tài)，符合工業(yè)的安全要求。 RS485 通訊網(wǎng)路如因故障或斷線，主控計(jì)算機(jī)和模塊間將無法互鎖無法通訊時，也會啟動軟件看門狗。軟件看門狗的設(shè)計(jì)非常巧妙，使用方便，可大幅增加系統(tǒng)安全性 。 主要參數(shù) 如表 51 所示： 表 51 i7017主要參數(shù)表 通 道 8路差動 、 6路差動 +2 路單端 ( 跳線選擇 ) 分 辨 率 16位 輸入類型 mV, V , mA (接 125Ω 外電阻 ) 輸入范圍 177。 150mV, 177。 500mV , 177。 1V, 177。 5V, 177。 10V 和 177。 20mA 采樣速率 10 次 /秒 (total) 帶 寬 Hz 精 度 177。 % 零點(diǎn)漂移 177。20μV/℃ 滿程量漂移 177。 25ppm/℃ CMR 50/60 Hz 86 dB min NMR 50/6