【文章內(nèi)容簡介】 動化管理和監(jiān)控，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，全文共分為六章。 第一章為緒論。簡單介紹了課題研究的背景以及方案的選擇和相關(guān)技術(shù)的介紹。 第二章介紹了變頻調(diào)速技術(shù)的原理、分類、控制方式以及變頻器的選擇等內(nèi)容。 第三章介紹了可編程控制器的有關(guān)知識，包括它的原理、功能特點、結(jié)構(gòu)以及選型、發(fā)展狀況等相關(guān)知識，最后還詳細介紹了本系統(tǒng)所要采用的 SIEMENS S7200 PLC 等有關(guān)內(nèi)容。 第四章是系 統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容。根據(jù)多電機同步的發(fā)展現(xiàn)狀提出了多電機同步控制方案 ，研究了此種策略的設(shè)計方法。 第五章是系統(tǒng)通信的設(shè)計與調(diào)試。重點介紹了變頻器與 PLC， PLC 與上位機通訊的設(shè)計內(nèi)容與調(diào)試。包括通信協(xié)議的選定、協(xié)議內(nèi)容以及程序設(shè)計等相關(guān)內(nèi)容。 第六章是監(jiān)控界 面設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容。包括人機界面的選型、編程軟件的選擇和系統(tǒng)界面設(shè)計等。 最后總結(jié)本論文所做的主要工作，并提出一些今后需要進一步研究的問題和方向。 本章小結(jié) 本章闡述了論文研究的課題的背景意義，以及方案的選擇，簡單介紹了變頻調(diào)速技術(shù)和 PLC 技術(shù)，西門工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的背景知識。闡述說明了本文研究的內(nèi)容、方法和要實現(xiàn)的目的。 4 2 變頻調(diào)速技術(shù)分析與應用 變頻調(diào)速技術(shù)近年來發(fā)展很快，變頻器在節(jié)約電能的同時可以減少排放、降低能耗，理解并掌握變頻器的控制具有十分重要的現(xiàn)實意義，而且現(xiàn)在越 來越多的工業(yè)控制場合選用 PLC 和變頻器用于電機的調(diào)速控制。 變頻器的選擇 變頻器是把工頻電源（ 50Hz 或 60Hz）變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設(shè)備。變頻器的基本構(gòu)成如圖 所示，其主電路主要由整流電路、直流中間電路和逆變電路三部分以及有關(guān)的輔助電路組成。 圖 變頻器的基本結(jié)構(gòu)框圖 使用變頻器的目的 變頻器應用可分為用于傳動調(diào)速和用于各種靜止電源兩大類。變頻器的目的使用見表 。 變頻器的 原理 變頻器可分為間接變頻器和直接變頻器兩大類。間接變頻器先將工頻交流電源整流成電壓大小可控的直流，再經(jīng)過逆變器變換成可變頻率交流，由此也稱交直 交變頻器；直接變頻器則將工頻交流一次性變換成可變頻率交流，故可稱交交變頻器。目前以間接變頻器應用較為廣泛。本文所述變頻器也屬于這一類。 （ 1） 交 直 交變頻器 按照電壓、頻率的控制方式，交 直 交變頻器有三種結(jié)構(gòu)形式： ① 可控整流器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻方式。如圖 （ a） 所示：其調(diào)壓與調(diào)頻功能分別在兩個環(huán)節(jié)上實現(xiàn)，由控制電路協(xié)調(diào)配合，故結(jié)構(gòu)簡單、控制方便。由于裝置輸入 環(huán)節(jié)采用可控整流，當?shù)皖l低壓運行時，移相觸發(fā)角 u 很大，致使輸入功率因數(shù)低下，此外逆變器多用晶閘管型 2 階梯波，每周換流 2 次的逆變器，器件開關(guān)頻率低輸出諧波成分大，當然，可控器件如 IGBT 的出現(xiàn)使得 PWM 控制成為可能，可以大大的改善其工作性能，但成本較高。 ② 不控整流器整流、斬波器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻方式。如圖 （ b） 所示：由于采用二極管整流 ,使輸入功率因數(shù)提高。由于輸出逆變環(huán)節(jié)功率器件采用晶閘管，仍有輸出諧波成分大的弊病。 ③ 不控整流器整流、脈寬調(diào)制型 （ PWM） 逆變器同時實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)頻方式。整流電路 中間直流電路 逆變電路 電動機 控制電路 可控頻率的交流 工頻交流電源 5 如圖 （ c）所示 ： 此時除裝置輸入功率因數(shù)高，又因采用高開關(guān)頻率的逆變器，輸出諧波很小，性能優(yōu)良。 圖 交 直 交變頻器結(jié)構(gòu)圖 （ 2） 交 交變頻器 交 直 交變頻器控制簡單，所用晶閘管元件少，但它要經(jīng)過兩次能量轉(zhuǎn)換損耗比較大，而且大部分變頻器都用不可控器件作逆變開關(guān)，采用電容強迫換流，電路結(jié)構(gòu)復雜。交 交變頻器可直接將電網(wǎng)頻率交流變成頻率可調(diào)交流，無需中間直流環(huán)節(jié)，從而可提高整個變頻裝置的變換效率。又由于交 交變頻器中晶閘管可利用交流電網(wǎng)實現(xiàn)電源自然換流，無 需專門設(shè)計換流電路，簡化了變流器結(jié)構(gòu)。再由于這種變頻器基本單元是由三相可逆整流裝置所構(gòu)成、每相裝置均為兩個反并聯(lián)的三相整流器、變頻器容量就由它們來分擔，因此在不采用元件串、并聯(lián)的條件下，可將交 交變頻器容量做得很大，使這種變頻器在大容量低速同步電機的無齒系傳動、大型線繞異步電機的超同步雙饋調(diào)速，以及新型交流勵磁變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中得到了相當廣泛的應用。 交 交變頻器輸出的每一相都是由兩組晶閘管可控整流器反并聯(lián)的可逆線路構(gòu)成。如圖 所示。其中圖（ a）電路可控整流器進線側(cè)接入了足夠大濾波電感使輸出電流近似方波 ，稱電流源型；圖（ b）兩組整流器直接反并聯(lián) ,構(gòu)成電壓源型電路。當正組工作在整流狀態(tài)時，反組封鎖。負載上電壓為上（＋）下（－）。當反組處于整流狀態(tài)而正組封鎖時， 0u 為上（－）下（＋）；兩組交替工作就使負載上得到交流電壓，如圖（ c）所示 ,其輸出頻率即為兩組整流器的交替工作切換頻率。由于交 交變頻器輸出的交流電壓是經(jīng)晶閘管整流后獲得，晶閘管利用了電網(wǎng)電壓換流，其輸出頻率不能高于電網(wǎng)頻率。通常最高輸出頻率被限制為電網(wǎng)頻率的 1/31/2。 可控整流 逆變 不控整流 斬波器 逆變 不控整流 PVM 逆變 AC DC AC AC 調(diào)壓 調(diào)頻 AC DC DC AC 調(diào)壓 調(diào)頻 AC DC AC 50HZ 50HZ 50HZ f f f 調(diào)壓調(diào)頻 、 a） b） c） 6 圖 交 交變頻器原理圖 變頻器 的控制電路 給異步電動 機供電 (電壓、頻率可調(diào) )的主電路提供控制信號的回路，稱為控制電路。如圖 所示，控制電路由以下電路組成：頻率、電壓的運算電路、豐電路的電壓、電流檢測電路，電動機的速度檢測電路，將運算電路的控制信號進行放大的驅(qū)動電路，以及逆變器和電動機的保護電路。 圖 變頻器控制電路 7 在圖 點劃線內(nèi)，無速度檢測電路，為開環(huán)控制。在控制電路增加了速度檢 測電路，即增加速度指令，可以對異步電動機的速度進行控制更精確的閉環(huán)控制。 （ 1） 運算電路 將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆 變器的輸出電壓、頻率。 （ 2） 電壓、電流檢測電路 與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。 （ 3） 驅(qū)動電路 為驅(qū)動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使豐電路器件導通、關(guān)斷。 （ 4） I/0 輸入輸出電路 為了變頻器更好人機交互，變頻器具有多種輸入信號的輸入 (比如運行、多段速度運行等 )信號，還有各種內(nèi)部參數(shù)的輸出 (比如電流、頻率、保護動作驅(qū)動等 )信號。 （ 5） 速度檢測電路山東大學碩士學位論文 以裝在異步電動軸機上的速度檢測器 (TG、 PLG 等 )的信號為速度信號，送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉(zhuǎn)。 （ 6） 保護電路 檢測主電路的電壓、電流等，當發(fā)生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。逆變器控制電路中的保護電路，可分為逆變器保護和異步電動機保護兩種，表 為保護功能一覽。 表 保護功能一覽 ： 保護對象 保護功能 逆變器保護 瞬時過電流保護 過載保護 再生過電壓保護 瞬時停電保護 接地過電流保護 冷卻風機保護 異步電動機保護 過載保護 超頻 (超速 )保護 其它保護 防止失速過電流 防止失速再生過電壓 負載 的分類 變頻器的選擇對于控制系統(tǒng)的正常運行是非常關(guān)鍵的。選擇變頻器時必須要充分了解變頻器所驅(qū)動的負載特性。電動機的功率與負載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的積成比例為： 1000 9550T TnP ??? （ ） 式中 P— 功率 (kW)； 8 T— 轉(zhuǎn)矩 (N m)； ω — 角速度 (rad/s)； N— 轉(zhuǎn)速 (r/min)。 根據(jù)轉(zhuǎn)矩 T 與轉(zhuǎn)速 n 的關(guān)系，通常將生產(chǎn)機械負載分為三種類型見圖 。 圖 負載轉(zhuǎn)矩特性 a)恒轉(zhuǎn)矩負載 b)恒功率負載 c)平方轉(zhuǎn)矩負載 （ 1） 恒轉(zhuǎn)矩負載 恒轉(zhuǎn)矩負載（ T 為定值）如圖，負載轉(zhuǎn)矩 T 與轉(zhuǎn)速無關(guān)，任何轉(zhuǎn)速下 T 總保持恒定或基本恒定，即使轉(zhuǎn)速變化，轉(zhuǎn)矩也不大變化。 （ 2） 恒功率負載 恒功率調(diào)速包含兩種含義： ① 負載具有恒功率的轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速特性，恒功率的轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速特性指的是負載在轉(zhuǎn)速變化時需要電動機提供的功率為恒定。 ② 電動機具有輸出恒功率能力，當電動機的電壓隨著頻率的增加而升高時，若電動機的電壓己經(jīng)達到電動機的額定電壓，繼續(xù)增加電壓有可能破壞電動機的絕 緣。為此，在電動機達到額定電壓以后，即使頻率增加仍維持電動機電壓不變。這樣電動機所能輸出的功率由電動機的額定電壓和額定電流的乘積所決定，不隨頻率的變化而變化，即具有恒功率特性。 （ 3） 平方轉(zhuǎn)矩負載 平方轉(zhuǎn)矩負載（ T/n2 為定值 )如圖，即隨著轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)矩也變小。隨著轉(zhuǎn)速減小，轉(zhuǎn)矩按轉(zhuǎn)速的二次方減小。這種負載所需的功率與速度的三次方成正比。 變頻器的選型 在交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計中，在保證系統(tǒng)指標的前提下，應以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、技術(shù)成熟、維護工作量小為目標來選擇最佳的系統(tǒng)配置，應克服追求高新技術(shù) 的系統(tǒng)配置，減少造成投資高、維護工作量大、復雜的技術(shù)儲備型設(shè)計。在工程擴建和技術(shù)改造中選用變頻裝置的原則是，根據(jù)負載及工藝條件確定變頻裝置的控制算法，在保證系統(tǒng)的技術(shù)指標前提下盡可能減少工程投資。根據(jù)實際運行經(jīng)驗可按照以下原則設(shè)計以保證高的性能價格比： （ 1） 按負載類型選擇調(diào)速裝置。 負載變化時通常希望速度變化越小，系統(tǒng)工作越穩(wěn)定越好，所以大多數(shù)負載希望靜態(tài)速度誤差越小，機械特性越硬越好。但也存在某些負載要求較軟的機械特性功率 轉(zhuǎn)矩 功率轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速 a） 功率 轉(zhuǎn)矩 功率轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速 b） 功率 轉(zhuǎn)矩 功率轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速 c） 9 如電車、電梯等負載，當負載超重時為安全起見要求其速度自動地慢下來。 （ 2） 考慮調(diào)速經(jīng)濟 性，優(yōu)先考慮設(shè)備投資，從兩方面考慮。 一方面在符合系統(tǒng)調(diào)速要求條件下選擇合適類型的調(diào)速裝置，如風機、水泵等的一般性節(jié)能調(diào)速尚可考慮選用一般的 v/f 型 SPMW（正弦脈寬調(diào)制）通用型變頻器，毋需選擇矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器。在要求啟動轉(zhuǎn)矩大或調(diào)速特性要求高的場合，應選用矢量或直接轉(zhuǎn)矩控制型變頻器。在某些要求測量運轉(zhuǎn)設(shè)備扭力矩的場合，選直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻器就非常合適，因為該類型變頻器可以直接測出其輸出的轉(zhuǎn)矩作為測量參數(shù)輸出。另一方面應考慮設(shè)備性能價格比，在價格相近時應選擇性能更優(yōu)異的變頻器。還應考慮調(diào)速系統(tǒng)的 故障率，包括電動機本身、生產(chǎn)機械因調(diào)速系統(tǒng)故障而停工、修理，由此引起的損失往往超過調(diào)速裝置本身價格的若干倍。在選擇變頻器型號時，應充分考慮變頻器的性能和可靠性，單純考慮變頻器價格是片面的。 變頻器容量計算 （ 1）根據(jù)電動機電流選擇變頻器容量變頻器驅(qū)動異步電動機調(diào)速，在電機的容量確定并選定其型號以后，通常應根據(jù)電動機的額定電流來選擇變頻器，或者根據(jù)異步電動機實際運行中的電流值（最大值）來選擇變頻器。 （ 2）容量選擇注意事項 ①并聯(lián)追加投入起用一臺變頻器使多臺電動機并聯(lián)運轉(zhuǎn)時，如果所有電動機同時起 動加速可按如前所述選擇容量。但是對于一小部分電動機電動機開起后再追加投入其他電動機起動場合，此時變頻器的電壓、頻率已經(jīng)上升，追加投入的電動機將產(chǎn)生大的起動電流。因此，變頻器容量與同時起動時相比需要大些。 ②大過載容量根據(jù)負載的種類往往需要過載容量大的變頻器，但通用變頻器過載容量通常多為 125%,60s或 150%,60s,需要超過此值的過載容量時必須增大變頻器的容量。 ③輕載電動機電動機的實際負載比電動機的額定輸出功率小時，多認為可選擇與實際相稱的變頻器容量。但是對于通用變頻器，即使實際負載小，使用比按電動機 額定功率選擇的變頻器容量小的變頻器并不理想。根據(jù)系統(tǒng)綜合考慮因素，選擇西門子 MM420 型變頻器，并且選用專門的變頻調(diào)速電機。 西門子 M420變頻器性能介紹 通用型西門子 M420系列變頻器采用先進磁通矢量控制方式，實現(xiàn)在線自動調(diào)整功能，調(diào)速比可達 l： 120(0． 560Hz)?？刹鹦讹L扇和接線端子，維護方便。柔性 PWM，實現(xiàn)更低噪音運行。內(nèi)置 RS485通信口，可插擴展卡符合全世界主要通信標準。 PID等各種功能適合各種應用場合。 功能特點