【正文】 56 倍，這個(gè)電流值將大大增加電機(jī)繞組的電應(yīng)力并產(chǎn)生熱量，從而降低電機(jī)的壽命。而在采用變頻器對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，由于可以 將變頻器的輸出功率降至很低時(shí)起動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流很小，因而，變頻器輸入端電源的容量也可以比較小。一般來(lái)說(shuō)，變頻器輸入端的容量只需為電動(dòng)機(jī)輸出容量的 倍左右即可。這也說(shuō)明變頻器也可以同時(shí)起到減壓起動(dòng)器的作用。 隨著控制理論、交流調(diào)速理論和電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器技術(shù)也得到了充分地重視和發(fā)展，目前，由高性能變頻器和專用的異步電動(dòng)機(jī)組成的控制系統(tǒng)在性能上己經(jīng)達(dá)到和超過(guò)了直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)。此外，由于異步電動(dòng)機(jī)還具有對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，維護(hù)簡(jiǎn)單等許多直流伺服電動(dòng)機(jī)所不具備的有點(diǎn)，所以在許多需要進(jìn)行高速高精度控制的 應(yīng)用中這種高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)正在逐步替代直流伺服系統(tǒng)。而且由于高性能的變頻器的外部接口功能也非常豐富，可以將其作為自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)部件使用，構(gòu)成所需的自動(dòng)控制系統(tǒng)。 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 20 大功率開(kāi)關(guān)器件是實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的必要條件 在變頻器中，逆變橋是變頻器的關(guān)鍵部分，它由六個(gè)開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成。逆變過(guò)程就是這六個(gè)開(kāi)關(guān)器件按一定的規(guī)律不停的導(dǎo)通和截止的過(guò)程。而要想實(shí)現(xiàn)逆變過(guò)程，這六個(gè)開(kāi)關(guān)器件必須滿足以下要求： （ 1）能承受足夠大的電壓和電流； （ 2）允許長(zhǎng)時(shí)間頻繁地接通和關(guān)斷； （ 3）接通和關(guān)斷的控制必須非常的方面。 但 是由于大功率開(kāi)關(guān)器件發(fā)展的限制，一直都無(wú)法進(jìn)行逆變過(guò)程。直到 20 世紀(jì) 60 年代，隨著晶閘管（ SCR）功率的不斷增大，才使得變頻器調(diào)速成為了可能。直到 20 世紀(jì) 70年代，大功率晶體管（ GTR）的問(wèn)世，變頻調(diào)速才普及。后來(lái)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的出現(xiàn)和不斷提高，使得變頻器在各個(gè)方面更加成熟和穩(wěn)定的發(fā)展。 變頻變壓 在電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，一個(gè)重要的因素是希望保持每極磁通量φ m 為不變額定值。磁通太弱，沒(méi)有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi) 。磁通太大，又會(huì)使鐵芯飽和，從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電機(jī)。對(duì)于直 流電機(jī)，勵(lì)磁繞組是獨(dú)立的，只要對(duì)電樞反映的補(bǔ)償合適，保持 φ m 不變是容易做到的 .在交流異步電機(jī)中，磁通是由定子和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)合成產(chǎn)生的，怎樣才能保證磁通恒定呢 ? 電動(dòng)機(jī)要求主磁通 φ m保持不變，不然影響電動(dòng)機(jī)的性能。 φ m = E1X ? （ 38） 式中， φ m為主磁通； E1X 、 fX 為一相定子繞組電動(dòng)勢(shì)和頻率； KE 為比例常數(shù)； N 為一相繞組的匝數(shù)。 E1X = ?IMZM = ─ IM(RM+jXM) （ 39） 式中， IM 為激磁電流； RM為激磁阻抗； XM 為激磁電抗。 Te =CTφ mIM cosψ （ 310） 式中， Te 為電磁轉(zhuǎn)距； IMcosψ為電流有功分量； CT為比例系數(shù)。 如果主磁通增大，從上式（ 38）可知，則 E1X 增大，而（ 39）中可知， E1X增大，勵(lì)磁電流 IM也增大，使得電動(dòng)機(jī)的磁路飽和而引起勵(lì)磁電流發(fā)生畸變。 如果主磁通減少，從（ 310）可知電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距也跟著減少。 為使主磁通 IM不變，（ 38）式可變?yōu)椋? E1X ∕ fx = mKEN =Cφ m （ 311） 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 21 從（ 311）式中可知，要使得 φ m 不變，則 E1X 和 fx 要同步增加和減少。即E1X ∕ fx =Δ E1X ∕ Δ fx ， C = ，要保持電機(jī)磁通恒定，必須使定子電壓隨定子頻率成正比變化，這種 E1X 和 fx的配合變化稱為恒磁通變頻調(diào)速中的協(xié)調(diào)控制，也就是說(shuō)變頻的同時(shí)也要變壓 。 這是恒電壓頻率比的協(xié)調(diào)控制方式 (簡(jiǎn)稱恒壓頻比 )，其機(jī)械特性曲線簇如圖 所示。由圖可見(jiàn)，從同步轉(zhuǎn)速 (M=0)到最大轉(zhuǎn)矩 (Max)的特性可近似看作是線性關(guān)系，且線性段基本平行，類似于直流電機(jī)的 調(diào)壓特性。 但最大轉(zhuǎn)矩 Max 卻隨 fx 下降而減少，這是因?yàn)?fx 高時(shí)， E1X 數(shù)值較大，定子阻抗壓降的比例很小， fx 低時(shí)， E1X 數(shù)值較小，定子阻抗壓降所占的分量就比較顯著。所以φ m小很多， Max 就很小。載起動(dòng)是很不利的。這對(duì)于滿載或過(guò)載起動(dòng)是很不利的，而對(duì)于風(fēng)機(jī)水泵類機(jī)械負(fù)載還是合適的。 圖 ：變頻調(diào)速機(jī)械特性 V/f 控制就是這樣一種控制方式，改變頻率的同時(shí)控制逆變器的輸出電壓，使電機(jī)磁保持一定，在廣范圍內(nèi)調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)的效率，功率因數(shù)不下降，因?yàn)槭强刂齐妷号c頻率比，因而稱為 V/f 控制。 變頻調(diào)速的 現(xiàn)實(shí)意義 自從 19 世紀(jì) 80 年代發(fā)明了三相交流異步電動(dòng)機(jī)以來(lái)，由于其轉(zhuǎn)子回路內(nèi)的電流不必外部通入，轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單堅(jiān)固、易于維護(hù)。因而長(zhǎng)期以來(lái)，在工農(nóng)業(yè)設(shè)備中占有始終處于絕對(duì)領(lǐng)先地位。然而，在調(diào)速方面，三相交流異步電動(dòng)機(jī)竟長(zhǎng)期處于“低能兒”狀態(tài)，因此，現(xiàn)實(shí)三相交流異步電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，成為河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 22 人們新的研究方向。在電力拖動(dòng)領(lǐng)域，解決好三相交流異步電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速具有十分重要的意義： 、工藝水平以及工作效率等，提高產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量； ，減少金屬的 耗用量； ，采用調(diào)速的方法，節(jié)電率可達(dá)到（ 20～ 60） %。近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步、企業(yè)自動(dòng)化程度的提高，對(duì)機(jī)械設(shè)備的要求不僅僅是性穩(wěn)定、操作方便，還應(yīng)該盡可能地節(jié)約能源。變頻器與交流電動(dòng)機(jī)相配合，使交流傳動(dòng)統(tǒng)具備了調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)行可靠性高的特點(diǎn)及良好的技術(shù)性能特別是在節(jié)約能源方面起到了很大的作用，變頻器的推廣應(yīng)用引起了人們的高度重視。 第 4 章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)核心是 PLC 控制部分，包括接受觸摸屏傳送的邏輯點(diǎn)和數(shù)據(jù)，兩個(gè)PLC 的數(shù)據(jù)交換，傳送數(shù)據(jù)對(duì)變頻器 實(shí)現(xiàn)控制。該控制系統(tǒng)結(jié)合了 Siemenz 公司提供的 S7200 的控制方案和以往項(xiàng)目的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案而設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)通信圖見(jiàn)第 5 章。該項(xiàng)目在小型自動(dòng)化項(xiàng)目中是比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，因此次方案能實(shí)現(xiàn)要求比較高的控制。硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是根據(jù)大拉機(jī)的具體情況而定的，以達(dá)到系統(tǒng)高的穩(wěn)定性，可靠性和操作簡(jiǎn)單的目的。 系統(tǒng)的硬件介紹 S7200 PLC 由于工廠現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境比較惡劣，溫度、灰塵、電磁干擾對(duì)控制系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生極大的影響，選用西門子 PLC 能很好的解決這些問(wèn)題，在環(huán)境適應(yīng)性、運(yùn)行速度和實(shí) 用性上都有很好的效果。經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)要完成的任務(wù)進(jìn)行分析，選用定貨號(hào)為6ES72162BD220XB0 的 S7200 PLC。 下面是選用兩個(gè) PLC 的模塊清單。表 和表 分別是 PLC1 和 PLC2 包含的所有模塊。 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 23 S7200 系列在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡(jiǎn)單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)化檢測(cè)，自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等，如：沖壓機(jī)床、磨床、印刷機(jī)械、橡膠化工機(jī) 械、中央空調(diào)、電梯控制、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。 TP270 觸摸屏 人機(jī)界面（ Human Machine Interface， HMI）產(chǎn)品，常被大家稱為“觸摸屏”，包含 HMI 硬件和相應(yīng)的專用畫(huà)面組態(tài)軟件，一般情況下，不同產(chǎn)家的 HMI 硬件使用不同的畫(huà)面編輯軟件，連接的主要設(shè)備種類是 PLC。考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的環(huán)境條件，選用西門子公司生產(chǎn)的 TP270 觸摸屏。很多廠家生產(chǎn)的觸摸屏在對(duì)低溫環(huán)境的適應(yīng)性上明顯不足，溫度在零度以下的時(shí)候，觸摸屏按鍵的感應(yīng)度經(jīng)常失效，兼容性上， TP270 優(yōu)勢(shì)明顯，可以和許多廠家的 PLC 兼容，通 訊協(xié)議按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議制定，支持 MPI/PROFIBUSDP 協(xié)議，抗干擾能力強(qiáng)，在復(fù)雜的電氣控制柜內(nèi)，能避免由于電磁干擾產(chǎn)生的影響。 TP270 和 S7200 同為 SIEMENS 公司的產(chǎn)品，通訊速度快，通訊方式相互兼容，整個(gè)控制方面處理起來(lái)快速、方便。表 是觸摸屏 TP270 的主要特征。 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 24 表 觸摸屏 TP270 特性表 觸摸屏 TP270 代表了低端操作單元新系列的產(chǎn)品，該系列中的設(shè)備是基于革新后 Windows CE 操作系統(tǒng)，它們填補(bǔ)了 SIMATIC HMI 產(chǎn)品在低端領(lǐng)域的空缺。 TP270可與有的 SIMATIC S7 CPU 一起操作，其設(shè)計(jì)易于機(jī)器操作和監(jiān)控，對(duì)要監(jiān)控的機(jī)器或系統(tǒng)供了逼真的圖形表示，使用范圍包括機(jī)器和設(shè)備結(jié)構(gòu)，以及包裝和電子工業(yè)， TP270 系允許將自己創(chuàng)建的圖形、數(shù)字照片和掃描的畫(huà)面集成到項(xiàng)目中。 變頻器 近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，生產(chǎn)工藝的改及半導(dǎo)體器件價(jià)格的降低，變頻調(diào)速越來(lái)越被工業(yè)上所采用。根據(jù)銅大拉機(jī)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝需要，這里選擇了西門子 1 臺(tái) 6RA70 和 6 臺(tái) 6SE 系列的變頻器，分別用來(lái)控制主機(jī)，退火牽引，左、右收線和圈收 7 臺(tái)電動(dòng) 機(jī) 的啟 /停，設(shè)定等，以達(dá)到控制要求。 要實(shí)現(xiàn)變頻器控制電機(jī)，且與 PLC 之間實(shí)現(xiàn) USS 通訊，就需要設(shè)置變頻器的參數(shù)，下面列出了一些參數(shù)的意義： 端子 7，設(shè)定值 18，急停； 端子 8，設(shè)定值 20，點(diǎn)動(dòng)值 P448 設(shè)定為 5%，點(diǎn)動(dòng)； 端子 9，設(shè)定值 22，啟動(dòng)； 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 25 端子 15，設(shè)定值 11，主給定； 端子 1 20，設(shè)定值 148，轉(zhuǎn)速顯示； 端子 2 20，設(shè)定值 148，速度反饋； P130，設(shè)定值 11，編碼器反饋； P151，編碼器脈沖數(shù)； P131 端子 2 30，設(shè)定值 0 或 3，視電機(jī)溫度傳感器具體情況而定，同時(shí)調(diào)整 P380、 P381 參數(shù)； P368 設(shè)定值 4， USS 通訊； P702 設(shè)定值 4，過(guò)程控制字長(zhǎng)； P703 設(shè)定值 4，參數(shù)控制字長(zhǎng)； P701 設(shè)定值 38400，波特率； ，地址（從站地址）； 、 ，設(shè)定值 3 33，報(bào)警字送 PLC； 電機(jī)參數(shù)： P101，電機(jī)電壓； P102，電機(jī)電流； P104，功率參數(shù)； P105，電機(jī)功率； P107，電機(jī)頻率； P108，電機(jī)轉(zhuǎn)速； P462，上升時(shí)間； P464，下降時(shí)間。 系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì) 軟件界面是系統(tǒng)功能的體現(xiàn)，此項(xiàng)目的上位機(jī)是西門子觸摸屏 TP270，其編程語(yǔ)言是 Protool?？紤]到本系統(tǒng)操作人員大多數(shù)是一線工人，并且該大拉機(jī)是運(yùn)往尼日利亞的，所以此項(xiàng)目在上位機(jī)界面設(shè)計(jì)上下了很大的工夫，要求有中英文兩種語(yǔ)言的界面，在力求做到美觀大方的基礎(chǔ)上，更加適合廣大工人操作。我們?cè)O(shè)計(jì)的主導(dǎo)思想是盡量控制和引導(dǎo)用戶正確操作，在用戶界面上能很直觀的反映設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)。下面是關(guān)于 Protool 語(yǔ)言如何編輯畫(huà)面和幾個(gè)主要的界面規(guī)劃設(shè)計(jì)。 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 26 Protool 組態(tài)語(yǔ)言 Protool 組態(tài)圖形語(yǔ)言是 SIEMENS 公司 HMI 語(yǔ)言，在該項(xiàng)目中用來(lái)組態(tài)觸摸屏TP270 的畫(huà)面。 ProTool 是用于整個(gè) SIMATIC HMI 系列的創(chuàng)新的組態(tài)軟件包。使用同樣的組態(tài)軟件來(lái)組態(tài)系列中的所有設(shè)備。無(wú)論為哪個(gè)設(shè)備創(chuàng)建項(xiàng)目， ProTool 總是提供相同的、類似的擁護(hù)界面。 在實(shí)際工程上，利用 Protool 組態(tài)的上位機(jī)可以操作和監(jiān)視機(jī)械設(shè)備或過(guò)程。為此，要根據(jù)需要盡量精確地把設(shè)備或過(guò)程映射在操作單元上。通過(guò) PLC 以“變量”方式在操作單元和機(jī)械設(shè)備或過(guò)程之間進(jìn)行通訊。變量值寫(xiě)入 PLC 上的存儲(chǔ)區(qū)域（地址）， 由操作單元從該區(qū)域讀取。 ProTool 用于基于 Windows 的系統(tǒng)，在該銅大拉機(jī)的控制系統(tǒng)中，有兩個(gè)S7200PLC，一個(gè) TP270 觸摸屏，并連接在主 PLC（ PLC1）上，因此，將 PLC2 上要顯示的變量要傳輸?shù)?PLC1 上來(lái)，然后在將觸摸屏與 PLC1 進(jìn)行變量連接，以顯示大拉機(jī)的控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到通信和實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制。圖 為 ProTool 給大拉機(jī)項(xiàng)目組態(tài)畫(huà)面的操作界面。 在圖 中可以看到在 Protool 軟件上組態(tài)大拉機(jī)項(xiàng)目的 PLC1 和 PLC2 的文本顯示和畫(huà)面顯示。圖 所示窗口是為大拉機(jī)項(xiàng)目組 態(tài)的窗口，右邊顯示的各個(gè)畫(huà)面的名稱。編輯好畫(huà)面后，其中的文本域和動(dòng)態(tài)對(duì)象需要與 PLC 中的變量實(shí)行變量連接。 值得注意的是在組態(tài)，下載或調(diào)試時(shí)，在 protool 和 S7200 上將地址和波特率必須設(shè)置一致。 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 27 圖 ： Protool 操作界面 圖 ：畫(huà)面名稱窗口 開(kāi)機(jī)畫(huà)面設(shè)計(jì) 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 28 開(kāi)機(jī)畫(huà)面設(shè)計(jì)是整個(gè)畫(huà)面系統(tǒng)的開(kāi)始，當(dāng)觸摸屏上電以后，開(kāi)始自檢，完成后進(jìn)入此畫(huà)面 。 報(bào)警畫(huà)面 報(bào)警畫(huà)面主要顯示系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)是可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤形式，并且根據(jù)客戶要求將變頻器的報(bào)警采集并顯示在報(bào)警畫(huà)面上，可根據(jù)報(bào)警的 情況不同做出相應(yīng)的動(dòng)作。變