【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 動(dòng)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(jiǎn)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(lèi)、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(shí)，包括它的原理、功能特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)以及選型、發(fā)展?fàn)顩r等相關(guān)知識(shí)，最后還詳細(xì)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(jì)的內(nèi)容。根據(jù)多電機(jī)同步的發(fā)展現(xiàn)狀提出了多電機(jī)同步控制方案 ，研究了此種策略的設(shè)計(jì)方法。 第五章是系統(tǒng)通信的設(shè)計(jì)與調(diào)試。重點(diǎn)介紹了變頻器與 PLC， PLC 與上位機(jī)通訊的設(shè)計(jì)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(jì)等相關(guān)內(nèi)容。 第六章是監(jiān)控界 面設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容。包括人機(jī)界面的選型、編程軟件的選擇和系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)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(jìn)一步研究的問(wèn)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(jiǎn)單介紹了變頻調(diào)速技術(shù)和 PLC 技術(shù)，西門(mén)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的背景知識(shí)。闡述說(shuō)明了本文研究的內(nèi)容、方法和要實(shí)現(xiàn)的目的。 4 2 變頻調(diào)速技術(shù)分析與應(yīng)用 變頻調(diào)速技術(shù)近年來(lái)發(fā)展很快，變頻器在節(jié)約電能的同時(shí)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(shí)意義，而且現(xiàn)在越 來(lái)越多的工業(yè)控制場(chǎng)合選用 PLC 和變頻器用于電機(jī)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(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)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(yīng)用可分為用于傳動(dòng)調(diào)速和用于各種靜止電源兩大類(lèi)。變頻器的目的使用見(jiàn)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(lèi)。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(guò)逆變器變換成可變頻率交流，由此也稱(chēng)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(chēng)交交變頻器。目前以間接變頻器應(yīng)用較為廣泛。本文所述變頻器也屬于這一類(lèi)。 （ 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(gè)環(huán)節(jié)上實(shí)現(xiàn)，由控制電路協(xié)調(diào)配合，故結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便。由于裝置輸入 環(huán)節(jié)采用可控整流，當(dāng)?shù)皖l低壓運(yùn)行時(shí)，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(kāi)關(guān)頻率低輸出諧波成分大，當(dāng)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(shí)實(shí)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(dòng)機(jī) 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(shí)除裝置輸入功率因數(shù)高，又因采用高開(kāi)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(jiǎn)單，所用晶閘管元件少，但它要經(jīng)過(guò)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(kāi)關(guān)，采用電容強(qiáng)迫換流，電路結(jié)構(gòu)復(fù)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(wú)需中間直流環(huán)節(jié)，從而可提高整個(gè)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(shí)現(xiàn)電源自然換流，無(wú) 需專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)換流電路，簡(jiǎn)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(gè)反并聯(lián)的三相整流器、變頻器容量就由它們來(lái)分擔(dān)，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(jī)的無(wú)齒系傳動(dòng)、大型線(xiàn)繞異步電機(jī)的超同步雙饋調(diào)速，以及新型交流勵(lì)磁變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)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(xiàn)路構(gòu)成。如圖 所示。其中圖（ a）電路可控整流器進(jìn)線(xiàn)側(cè)接入了足夠大濾波電感使輸出電流近似方波 ，稱(chēng)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(dāng)正組工作在整流狀態(tài)時(shí)，反組封鎖。負(fù)載上電壓為上（＋）下（－）。當(dāng)反組處于整流狀態(tài)而正組封鎖時(shí)， 0u 為上（－）下（＋）；兩組交替工作就使負(fù)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(dòng) 機(jī)供電 (電壓、頻率可調(diào) )的主電路提供控制信號(hào)的回路，稱(chēng)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(yùn)算電路、豐電路的電壓、電流檢測(cè)電路，電動(dòng)機(jī)的速度檢測(cè)電路，將運(yùn)算電路的控制信號(hào)進(jìn)行放大的驅(qū)動(dòng)電路，以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的保護(hù)電路。 圖 變頻器控制電路 7 在圖 點(diǎn)劃線(xiàn)內(nèi)，無(wú)速度檢測(cè)電路，為開(kāi)環(huán)控制。在控制電路增加了速度檢 測(cè)電路，即增加速度指令，可以對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行控制更精確的閉環(huán)控制。 （ 1） 運(yùn)算電路 將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測(cè)電路的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆 變器的輸出電壓、頻率。 （ 2） 電壓、電流檢測(cè)電路 與主回路電位隔離檢測(cè)電壓、電流等。 （ 3） 驅(qū)動(dòng)電路 為驅(qū)動(dòng)主電路器件的電路。它與控制電路隔離使豐電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。 （ 4） I/0 輸入輸出電路 為了變頻器更好人機(jī)交互，變頻器具有多種輸入信號(hào)的輸入 (比如運(yùn)行、多段速度運(yùn)行等 )信號(hào)，還有各種內(nèi)部參數(shù)的輸出 (比如電流、頻率、保護(hù)動(dòng)作驅(qū)動(dòng)等 )信號(hào)。 （ 5） 速度檢測(cè)電路山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 以裝在異步電動(dòng)軸機(jī)上的速度檢測(cè)器 (TG、 PLG 等 )的信號(hào)為速度信號(hào)，送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動(dòng)機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。 （ 6） 保護(hù)電路 檢測(cè)主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過(guò)載或過(guò)電壓等異常時(shí)，為了防止逆變器和異步電動(dòng)機(jī)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(hù)電路，可分為逆變器保護(hù)和異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)兩種，表 為保護(hù)功能一覽。 表 保護(hù)功能一覽 ： 保護(hù)對(duì)象 保護(hù)功能 逆變器保護(hù) 瞬時(shí)過(guò)電流保護(hù) 過(guò)載保護(hù) 再生過(guò)電壓保護(hù) 瞬時(shí)停電保護(hù) 接地過(guò)電流保護(hù) 冷卻風(fēng)機(jī)保護(hù) 異步電動(dòng)機(jī)保護(hù) 過(guò)載保護(hù) 超頻 (超速 )保護(hù) 其它保護(hù) 防止失速過(guò)電流 防止失速再生過(guò)電壓 負(fù)載 的分類(lèi) 變頻器的選擇對(duì)于控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行是非常關(guān)鍵的。選擇變頻器時(shí)必須要充分了解變頻器所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載特性。電動(dòng)機(jī)的功率與負(fù)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(jī)械負(fù)載分為三種類(lèi)型見(jiàn)圖 。 圖 負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性 a)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 b)恒功率負(fù)載 c)平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載 （ 1） 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載（ T 為定值）如圖，負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T 與轉(zhuǎn)速無(wú)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(fù)載 恒功率調(diào)速包含兩種含義： ① 負(fù)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(fù)載在轉(zhuǎn)速變化時(shí)需要電動(dòng)機(jī)提供的功率為恒定。 ② 電動(dòng)機(jī)具有輸出恒功率能力，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的電壓隨著頻率的增加而升高時(shí)，若電動(dòng)機(jī)的電壓己經(jīng)達(dá)到電動(dòng)機(jī)的額定電壓，繼續(xù)增加電壓有可能破壞電動(dòng)機(jī)的絕 緣。為此，在電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定電壓以后，即使頻率增加仍維持電動(dòng)機(jī)電壓不變。這樣電動(dòng)機(jī)所能輸出的功率由電動(dòng)機(jī)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(fù)載 平方轉(zhuǎn)矩負(fù)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(fù)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(jì)中，在保證系統(tǒng)指標(biāo)的前提下，應(yīng)以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、技術(shù)成熟、維護(hù)工作量小為目標(biāo)來(lái)選擇最佳的系統(tǒng)配置，應(yīng)克服追求高新技術(shù) 的系統(tǒng)配置，減少造成投資高、維護(hù)工作量大、復(fù)雜的技術(shù)儲(chǔ)備型設(shè)計(jì)。在工程擴(kuò)建和技術(shù)改造中選用變頻裝置的原則是，根據(jù)負(fù)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(biāo)前提下盡可能減少工程投資。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可按照以下原則設(shè)計(jì)以保證高的性能價(jià)格比： （ 1） 按負(fù)載類(lèi)型選擇調(diào)速裝置。 負(fù)載變化時(shí)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(fù)載希望靜態(tài)速度誤差越小，機(jī)械特性越硬越好。但也存在某些負(fù)載要求較軟的機(jī)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(chē)、電梯等負(fù)載，當(dāng)負(fù)載超重時(shí)為安全起見(jiàn)要求其速度自動(dòng)地慢下來(lái)。 （ 2） 考慮調(diào)速經(jīng)濟(jì) 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(lèi)型的調(diào)速裝置，如風(fēng)機(jī)、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(dòng)轉(zhuǎn)矩大或調(diào)速特性要求高的場(chǎng)合，應(yīng)選用矢量或直接轉(zhuǎn)矩控制型變頻器。在某些要求測(cè)量運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備扭力矩的場(chǎng)合，選直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻器就非常合適，因?yàn)樵擃?lèi)型變頻器可以直接測(cè)出其輸出的轉(zhuǎn)矩作為測(cè)量參數(shù)輸出。另一方面應(yīng)考慮設(shè)備性能價(jià)格比，在價(jià)格相近時(shí)應(yīng)選擇性能更優(yōu)異的變頻器。還應(yīng)考慮調(diào)速系統(tǒng)的 故障率，包括電動(dòng)機(jī)本身、生產(chǎn)機(jī)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(guò)調(diào)速裝置本身價(jià)格的若干倍。在選擇變頻器型號(hào)時(shí)，應(yīng)充分考慮變頻器的性能和可靠性，單純考慮變頻器價(jià)格是片面的。 變頻器容量計(jì)算 （ 1）根據(jù)電動(dòng)機(jī)電流選擇變頻器容量變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速，在電機(jī)的容量確定并選定其型號(hào)以后，通常應(yīng)根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定電流來(lái)選擇變頻器，或者根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的電流值（最大值）來(lái)選擇變頻器。 （ 2）容量選擇注意事項(xiàng) ①并聯(lián)追加投入起用一臺(tái)變頻器使多臺(tái)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如果所有電動(dòng)機(jī)同時(shí)起 動(dòng)加速可按如前所述選擇容量。但是對(duì)于一小部分電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)開(kāi)起后再追加投入其他電動(dòng)機(jī)起動(dòng)場(chǎng)合，此時(shí)變頻器的電壓、頻率已經(jīng)上升，追加投入的電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生大的起動(dòng)電流。因此，變頻器容量與同時(shí)起動(dòng)時(shí)相比需要大些。 ②大過(guò)載容量根據(jù)負(fù)載的種類(lèi)往往需要過(guò)載容量大的變頻器，但通用變頻器過(guò)載容量通常多為 125%,60s或 150%,60s,需要超過(guò)此值的過(guò)載容量時(shí)必須增大變頻器的容量。 ③輕載電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際負(fù)載比電動(dòng)機(jī)的額定輸出功率小時(shí)，多認(rèn)為可選擇與實(shí)際相稱(chēng)的變頻器容量。但是對(duì)于通用變頻器，即使實(shí)際負(fù)載小，使用比按電動(dòng)機(jī) 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(mén)子 MM420 型變頻器，并且選用專(zhuān)門(mén)的變頻調(diào)速電機(jī)。 西門(mén)子 M420變頻器性能介紹 通用型西門(mén)子 M420系列變頻器采用先進(jìn)磁通矢量控制方式，實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)自動(dòng)調(diào)整功能，調(diào)速比可達(dá) l： 120(0． 560Hz)。可拆卸風(fēng)扇和接線(xiàn)端子，維護(hù)方便。柔性 PWM，實(shí)現(xiàn)更低噪音運(yùn)行。內(nèi)置 RS485通信口，可插擴(kuò)展卡符合全世界主要通信標(biāo)準(zhǔn)。 PID等各種功能適合各種應(yīng)用場(chǎng)合。 功能特點(diǎn)