【正文】 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 22 表 32 電動(dòng)機(jī)性能參數(shù) 電動(dòng)機(jī) 規(guī)格(/kW) 數(shù)量(臺(tái) ) 型號(hào) 額定電流(/A) 額定電壓(/V) 轉(zhuǎn)速(r/min) 二輥軋車 電動(dòng)機(jī) 11 2臺(tái) 。如 果 適用型號(hào)有數(shù)種，應(yīng)綜合考慮電機(jī)和傳動(dòng)裝置 的尺寸、重量、價(jià)格和傳動(dòng)比，選擇出較佳型號(hào) 的電動(dòng)機(jī) ，并記錄下主要性能參數(shù)。 衡量電動(dòng)機(jī)的選擇是否妥當(dāng)，是看選擇過程中是否滿足生產(chǎn)機(jī)械所提出的有關(guān)機(jī)械特性的要求，其功率是否能被充分利用，電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)型式是否適合周圍環(huán)境的條件。 (4)電動(dòng)機(jī)的選型 選 擇電動(dòng)機(jī)的種類時(shí)，首先考慮電動(dòng)機(jī)的性能必須滿足生產(chǎn)機(jī)械的要求；其次，盡量?jī)?yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的電動(dòng)機(jī)。設(shè)計(jì)經(jīng)常選用同步轉(zhuǎn)速為 1500 和 1000r/min 的電動(dòng)機(jī)，其滿載轉(zhuǎn)速可查電動(dòng)機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)。 (2)電動(dòng)機(jī)的功率選擇 標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)的容量以額定功率表示，所選的電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)不小于所需工作機(jī)要求的功率 P，工作機(jī)要求的電動(dòng)機(jī)功率 P 可以由式 (36)計(jì)算 [18] P=P1/η (36) P——電動(dòng)機(jī)功率 P1——機(jī) 械傳動(dòng)軸上的功率 η——機(jī)械總效率，一般主運(yùn)動(dòng)為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)床 η=；主運(yùn)動(dòng)為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)床 η=(結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的取大值，復(fù)雜的取小值 ) 取 η= 設(shè) 機(jī)械傳動(dòng)軸上的功率 為 P1為 6 kW。為 B 級(jí)絕緣。 生產(chǎn)單位一般用三相交流電源，如無特殊要求通常采用 Y 系列三相交 流異步電動(dòng)機(jī)。以 CPU 自帶的 RS485 通訊口作為 PLC 與上位機(jī) 的 通訊端口。 S7200 的模擬量擴(kuò)展模塊中 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)均為 12 位 。模擬量 I/O 模塊的主要任務(wù)就是實(shí)現(xiàn) A/D(模擬量輸入 )轉(zhuǎn)換或 D/A 轉(zhuǎn)換 (模擬量輸出 )。帶正負(fù)號(hào)的電流或電壓在 A/D 轉(zhuǎn)換后用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示。 在工業(yè)控制中，某些輸入量 (例如壓力、溫度、流量、轉(zhuǎn)速等 )是模擬量，某些執(zhí)行機(jī)構(gòu) (例如電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和變頻器等 )要求 PLC 輸出模擬信號(hào)， 而 PLC 只能處理數(shù)字量。 本設(shè)計(jì)采用西門子公司的 S7200 系列的 PLC 作為本控制系統(tǒng)的核心控制器，所選的 CPU 型號(hào)為 CPU226。有 PID 控制器，具有 PID 自整定的功能 。有 5 種模擬量輸入 /輸出模塊， 本機(jī)具有 24點(diǎn)輸入， 16 點(diǎn)輸出，共 40 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn) 。 (2)S7200PLC CPU226 的 技術(shù)參數(shù) S7200PLC CPU226 是 S7200PLC 中功能最強(qiáng)，速度最高的 PLC。使用唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 20 范圍可覆蓋從替代繼電器的簡(jiǎn)單控制到復(fù)雜的自動(dòng)控制，應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域。 S7200 系列的硬件配置就像模塊式PLC 那樣靈活，因?yàn)樗幕締卧捎谜w式結(jié)構(gòu)，又具有比模塊式 PLC 更高的性能價(jià)格比。 很適合于在機(jī)電一體化產(chǎn)品中使用， DC輸入型內(nèi)裝的 DC24V電源可作為傳感器的輔助電源。本 設(shè)計(jì) 選用S7200PLC CPU226，是微型 PLC。 PLC 按工作周期方式周而復(fù)始地循環(huán)工作，完成對(duì)被控對(duì)象的控制作用。 (3)第三個(gè)過程 — 輸出掃描在執(zhí)行完用戶所有程序后， PLC 將輸出映象區(qū)中的內(nèi)容同時(shí)送入到輸出鎖存器中 (稱輸出刷新 )，然后由鎖存器經(jīng)功率放大后去驅(qū)動(dòng)繼電器的線圈，最后使輸出端子上的信號(hào)變?yōu)楸敬喂ぷ髦芷谶\(yùn)行結(jié)果的實(shí)際輸出。 由此可見，一般輸入映像區(qū)中的內(nèi)容只有在輸入掃描階段才會(huì)被刷新，但在有些 PLC 控制中，這個(gè)區(qū)內(nèi)的內(nèi)容在程序執(zhí)行過程中也允許每隔一定的時(shí)間定時(shí)被刷新一次，以取得更為實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 19 PLC 對(duì)用戶程序的執(zhí)行主要按三個(gè)掃描過程進(jìn)行 : (1)第一過程 — 輸入 掃描在這個(gè)過程中， PLC 按掃描方式讀入該 PLC 所有端子上的輸入信號(hào) (可能有的端子上并沒有接輸入信號(hào)，它也作輸入 )，并將這些輸入信號(hào)存入輸入映像區(qū)。如果程序的每一條指令執(zhí)行的足夠快，整個(gè)程序的長(zhǎng)度有限，使得每執(zhí)行一次程序占用的時(shí)間足夠短，這個(gè)時(shí)間短到足以保證變量條件不變。某些 PLC 可以 為輸入電路和外部電子檢測(cè)裝置 (如接近開關(guān) )提供 24V直流電源，驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直流電源一般由用戶提供。 (7)電源 PLC 使用 220V交流電源或 24V直流電源。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求編出的控制程序通過一定方式輸入到可編程控制器內(nèi)，并經(jīng)調(diào)試修改后成為可執(zhí)行的控制程序。使用擴(kuò)展接口模板還可對(duì)系統(tǒng)中的 I/O模板地址進(jìn)行設(shè)定，從而根據(jù)需要方便地修改硬件地址。 (5)擴(kuò)展接口 當(dāng)用一個(gè)中心單元不能滿足所要求的控制任務(wù)時(shí)，就要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò) 展。通過這些通信接口可以與監(jiān)視器、打印機(jī)、其它可編程控制器和計(jì)算機(jī)相連。輸出部分主要完成阻抗匹配、功率放大和波形矯正等功能，以便向被控對(duì)象提供正常工作所需要的模擬控制信號(hào)。 模擬 I/O 接口實(shí)現(xiàn)可編程控制器與 I/O 裝置之間的模擬信號(hào)的連接。在 PLC 的工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，開辟有元件映象寄存器和數(shù)據(jù)表。 ③ 工作數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)器 :工作數(shù)據(jù)是經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。 ② 用戶程序存儲(chǔ)器 :用戶根據(jù)控制功能要求而編制的應(yīng)用程序稱為用戶程序 。 (2)存儲(chǔ)器 PLC 的存儲(chǔ)器根據(jù)其在系統(tǒng)中的作用，可以把它們分為以下 3種 : ① 系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器 :和各種計(jì)算機(jī)一樣， PLC 也有其固定的監(jiān)控程序、解釋程序，它們決定了 PLC 的功能，稱為系統(tǒng)程序，系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器就是用來存放這部分程序的。 PLC 各組成部分的作用 (1)中央處理單元 (CPU) CPU 模塊相當(dāng)于大腦和心臟，它是 PLC 的運(yùn)算、控制中心。 CPU 底板與擴(kuò)展底板之間通過電纜連接，距離一般不 超過 10m。 組合式 PLC 將 CPU 單元、輸入單元、輸出單元、智能 I/O 單元、通信單元等分別做成相應(yīng)的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過底板上的總線相互聯(lián)系。另外還有獨(dú)立的 I/O 擴(kuò)展單元與主機(jī)配合使用。 按結(jié)構(gòu)形式的不同， PLC 可分為整體式和組合式兩類。 (7)體積小，能耗低 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 17 的基本組成 和 工作原理 PLC 實(shí)質(zhì)上是一種專用的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它具有比一般計(jì)算機(jī)更強(qiáng)的與工業(yè)過程相連的接口，具有更適宜于控制要求的編程語言。 PLC 的梯形圖程序也很容易 掌握。為了削弱和消除干擾對(duì)系統(tǒng)的影響， PLC 采取了很多硬件和軟件措施，以切斷干擾進(jìn)入 PLC 的途徑。硬件配置確定后，可以通過修改用戶程序，方便快速地適應(yīng)工藝條件的變化 [16]。 PLC 的輸入 /輸出可以直接與 AC220V 或 DC24V 的強(qiáng)電信號(hào)相接，它還具有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，可以直接驅(qū)動(dòng)一般的電磁閥和交流接觸器的線圈。 (2)硬件配套齊全，用戶使用方便 PLC 配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶只是確定 PLC 的硬件配置和設(shè)計(jì)外部接線圖而已。梯形圖語言的電路符號(hào)和表達(dá)方式與繼電器電路原理圖相當(dāng)接近，只用 PLC的開關(guān)量邏輯控制指令就可以實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。 PLC 還借鑒微型計(jì)算機(jī)的高級(jí)語言，采用極易為工廠電氣人員掌握的梯形圖編程語言 [14][15]。 1969 年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司 (DEC)研制出了世界上 第一臺(tái) PLC。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算數(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。由于制動(dòng)電阻的工作不是連續(xù)長(zhǎng)期工作，因此其功率可以大大小于通電時(shí)消耗的功率。采用能耗制動(dòng)方式通過制動(dòng)單元將再生能量消耗在制動(dòng)電阻上，成本較低而且具有良好的使用效果。 變頻器制動(dòng)電阻參數(shù)的計(jì)算 由于絲光機(jī)傳動(dòng)裝置運(yùn)行過程中慣性較大，所以變頻調(diào)速裝置應(yīng)具有制動(dòng)功能。 考慮到電機(jī)性能上的差異及機(jī)械負(fù)載的不同，變頻器容量應(yīng)是電機(jī)容量的 12倍。 按連續(xù)恒負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的變頻器容量 (KVA)的計(jì)算式計(jì)算 : 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 15 φcosη≥ MCN kPP (32) 3103≥ MMCN IUkP (33) MCN kII ≥ (34) 式中 :PM—— 負(fù)載所要求的電動(dòng)機(jī)的軸輸出功率； η —— 電動(dòng)機(jī)的效率 (通常約 )； cosφ —— 電動(dòng)機(jī)的功卒因數(shù) (通常約 )； UM—— 電動(dòng)機(jī)電壓 (V)； IM—— 電動(dòng)機(jī)電流 (A)，工頻電源時(shí)的電流； k—— 電流波形的修正系數(shù)，對(duì) PWM 方式，取 k=； PCN—— 變頻器的額定容量 (KVA)； ICN—— 變頻器的額定電流 (A)。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)己使用或己選定的電動(dòng)機(jī)，需要選配相應(yīng)的變頻器 [12]。在變頻調(diào)速的情況下，供電頻率是變化的，電機(jī)的實(shí)際輸出也會(huì)變化。 (3)容量選擇 常規(guī)設(shè)計(jì)的交流電動(dòng)機(jī)，通常都是在額定頻率、額定電壓下工作的。 ⑤ 完善的保護(hù)功能 VS616G5 型變頻器具有電機(jī)保護(hù)、變頻器過載、瞬間過電流、電壓下降、過電壓、輸入缺相等保護(hù)功能。 ② 操作設(shè)置簡(jiǎn)單 ③ 多種控制功能以滿足各種機(jī)械需要 。 速度控制精度 :土 %(士 %不帶 PG)。這種變頻器不僅考慮了 V/f 控制，而且還實(shí)現(xiàn)了矢量控制，通過其本身的自動(dòng)調(diào)諧功能與無速度傳感器電流矢量控制，很容易得到高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與較高的調(diào)速范圍。應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大 。 容量不斷擴(kuò)大 、 結(jié)構(gòu)的小型化 、 多功能和智能化 、 電力電子器件和控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，使變頻器向多功能化和高性能化方向發(fā)展。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 14 (1)通用變頻器概況 上個(gè)世紀(jì) 80 年代初，通用變頻器實(shí)現(xiàn)了商品化。本設(shè)計(jì)沒有采用專用變頻器，而是選用了通用變頻器，通過合理的配置、設(shè)計(jì)和編程，同樣可以達(dá)到專用變頻器的控制效果。其中，改變電源頻率可實(shí)現(xiàn)交流異步電動(dòng)機(jī)的平滑無級(jí)調(diào)速，這就是變頻調(diào)速。 變頻調(diào)速基本原理 由電機(jī)學(xué)知識(shí)可知，交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為 pfsn 60)1(= (31) 式中 n—— 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 (r/min)； s—— 轉(zhuǎn)差率 ； p—— 電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù) ； f—— 電源頻率 Hz。 (4)速度檢測(cè)回路 在異步電動(dòng)機(jī)軸上裝上轉(zhuǎn)速檢測(cè)器 (TG、 PG等 )檢測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)并送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動(dòng)機(jī)按指令轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。 (3)驅(qū)動(dòng)回路 為驅(qū)動(dòng)主回路功率開關(guān)器件的回路。 (1)運(yùn)算回路 將外部的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測(cè)回路的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，決定變頻器的輸出電壓、頻率 。 控制回路向變頻器主回路提供各種控制信號(hào)，如圖 31 所示。它的主要作用是在控制電路的控制下，將整流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn) 換為頻率和電壓都可以任意調(diào)節(jié)的交流電源。 (3)逆變器 逆變器是變頻器的主要部分之一。 (2)濾波電路 在整流器整流后的直流電壓中，含有六倍電源頻率的脈動(dòng)電壓，此外，逆變器回路產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓波動(dòng)。它的主要作用是把工頻電源變換為直流 電源，供給逆變電路和控制電路所需。交流電源經(jīng)整流、濾波后變成直流電源，控制回路有規(guī)則地控制逆變器的導(dǎo)通與截止，使之向異步電動(dòng)機(jī)輸出電壓和頻率可變的電源，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。 變頻器的基本 原理 見圖 31。 (5)適應(yīng)和改善環(huán)境 對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，并且對(duì)環(huán)境引起的 危害小，是變頻傳動(dòng)的又一個(gè)特點(diǎn)。 (4)設(shè)備的合理化 高性能的調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交流化，逐步取代直流電動(dòng)機(jī)，以克服直流電動(dòng)機(jī)電刷、換向器難于維護(hù)的困難。適應(yīng)生產(chǎn)工藝的多方面要求質(zhì)量的例子很多，變頻器可以通過提供：加工對(duì)象的最佳速度 ； 平滑的加 /減速 。在預(yù)定位置的準(zhǔn)確停車，對(duì)減小間歇時(shí)間來說是十分必要的。但實(shí)際上不可能如此，因?yàn)樯a(chǎn)機(jī)械的輕載運(yùn)行使很常見的一種工況，這時(shí)，采用變頻器傳動(dòng)，適當(dāng)?shù)奶岣咿D(zhuǎn)速 (超過電網(wǎng)頻率 )，則很容易提高生產(chǎn)率。其運(yùn)行速度被異步電動(dòng)機(jī)的額定速度所限制。 ③ 原有設(shè)備的增速運(yùn)轉(zhuǎn) 各類搬運(yùn)機(jī)械、金屬加工機(jī)械等的運(yùn)行速度往往直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量?？刹捎脙啥?(或多斷 )速度運(yùn)行。其中以風(fēng)機(jī)和泵類機(jī)械的節(jié)能效果最顯著。檢測(cè)落布是否越位，若未越位，則等待，直到落布越位，落布電機(jī)運(yùn)行，落布，最后進(jìn)行卷裝，完成工作流程 [7]。 冷水輥運(yùn)行 ， 檢測(cè)冷水輥是否越位，若未越位，則等待，直到冷水輥越位，冷水輥運(yùn)行。檢測(cè) 3軋車是否越位，若未越位， 等待 ，直至 3軋車越位， 布鋏 主傳動(dòng)運(yùn)行，延時(shí) 10 秒， 4軋輥運(yùn)行，軋輥越位時(shí) 4軋車運(yùn)行 ，到蒸洗箱進(jìn)行蒸洗。延時(shí) 60 秒，檢測(cè) 2直輥是否越位，若 60秒內(nèi) 2直輥未越位，則故障報(bào)警，停車制動(dòng)，結(jié)束工作，由工作人員排除故障。根據(jù)生產(chǎn)需要，設(shè)定 各個(gè)設(shè)備轉(zhuǎn)速值。由于變頻調(diào)速是通過改變電動(dòng)機(jī)定子 供電