利用PLC与变频器实现多速度控制毕业设计论文.docx
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利用PLC与变频器实现多速度控制毕业设计论文
题目:
利用PLC与变频器实现多速度控制
摘要
本文主要介绍了本人与本组同学研究和设计基于可编程控制器的变频调速系统的若干成果。
在本次的设计中,我主要学习了电子感应开关的电路设计,运算,校正,本文介绍了电子感应开关的原理及应用。
经过本次设计和研究,使我对所有器件有了新的认识,尤其对PLC有了更多的了解:
PLC是能进行行逻辑运算,顺序运算,计时,计数,和算术运算等操作指令,并能通过数字式或模拟式的输入输出,控制各种类型的机械或生产过程的工业计算机。
首先我们查阅各个器件的资料,先对其有个明确的认识,然后通过老师的指点明白了整个系统的大概工作原理框图后,通过学习资料与老师指点将硬件设备连接成功。
关键词:
PLC、变频器
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
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第1章设计综述
1.1课题研究的背景
众所周知,所有的生产机械、运输机械在传动时都需要调速。
首先,机械在起动时,根据不同的要求需要有不同的起动时间,这样就要求有不同的起动速度相配合;其次,机械在停止时,由于转动惯量的不等,所以自由停车时间也各不相同,为了达到人们所需求的停车时间,就必须在停车时采取一些调速措施,以满足对停车时间的要求;第三,机械在运行当中,根据不同的情况也要求进行调速。
如传送带在日常生产中是很常用的一种电力输送工具,但是往往要求传送带在检测到有物料时能够迅速的启动并运行,当物料运到相应的设备口时能准确的停止,对物料进行加工处理,期间传送带要根据加工要求以各种速度运行或者快速返回,最后还需要可靠停车。
传统的电动机一般有单一速度、双速、三速等,但是一个电机的各种速度值是固定的,使电动机在变速时会有明显的冲撞,因为它不能完成各种速度之间的无级变化。
当传感器检测到信号时电机启动或者停止往往有滞后现象,使物料不能按照指定的位置启、停,给生产带来了难以避免的误差。
PLC控制系统和传统的工业控制相比,它吸收了微电子技术和计算机技术的最新成果,得到了更新的发展。
PLC控制系统适用于各种普通的电动机,是以应用为中心、计算机技术为基础、辅助特定设备高质量的完成电动机对各种速度的要求。
而变频器可以很容易改变电动机的速度,且具有精度高、稳定性好、可靠性高、存储容量大、灵活性好等特点。
将变频器和PLC两者运用RS-485通讯使其相结合,可以充分发挥两者的忧点,具有良好的可扩展性和可维护性。
若把PLC程序中所需要的多种速度输出到变频器,然后通过变频器的参数变换实现迅速、可靠的对电动机多种速度控制,则可以解决传统电动机的速度单一和不能准确可靠启动、停止等问题和不足。
而在变频器和PLC之间运用RS-485通讯可以很容易和方便把两者相连接起来,而且RS-485还具有抗干扰能力强、传输速率高、传输距离远且造价低廉的优点。
变频器和PLC之间的组合,变频器在该系统中所起的作用就是对笼型异步电动机进行无级调速。
PLC在该系统中所起的作用是对系统进行自动控制。
只要计算出PLC所需要多种速度、大小、时间的要求和变频器的频率控制相结合就可以完成,如启动速度和时间,低速、高速、刹车时间等。
本课题即是在这种背景下,对电动机特性和变频器系统及PLC系统进行硬件及软件的研究、分析和设计,并给出一套完整的解决方案,实现对一台电动机的起动、停止、变速等多种速度要求。
1.2开发环境的介绍
本系统的开发环境由硬件环境与软件环境两部分组成。
其中硬件开发环境采用了亚龙YL——235A型光机电一体化实训考核装置。
它包含了三菱PLC主机、三菱变频器、皮带输送机部件、电动机、电源、按钮、气管、PLC编程线缆、计算机、键盘。
硬件开发环境见图1—1。
图1-1系统硬件开发环境
软件开发环境为对应的PLC编程环境。
它提供了一套完备的面向变频器和电动机的开发和调试工具,包含编程器、编译器、连接器、转换器、调试器。
配合变频器和电动机可以完善直接的在线调试。
软件开发环境主界面见图1-2。
图1-2PLC编程主界面
1.3课题的主要任务和论文的组织
课题研究的主要内容是以电脑和键盘对三菱PLC进行编程,通过RS-485连接三菱变频器,根据PLC和变频器的通信协议,用程序控制变频器工作;根据变频器的的多种频率变化改变电动机的多种速度控制;电动机通过联轴器和传送带轴相连使传送带实现正转、反转、起动、停止、加速、减速等多种速度变化。
重点研究内容主要有:
·电动机调速机械特性和调速原理;
·变频器基本形式和调速原理;
·PLC的特点和工作原理;
·PLC和变频器之间的连接方法和通信协议;
第2章变频器与PLC技术概要
2.1变频器概述
一、变频器的组成
异步电动机用变频器调速运转时通常由变频器主电路给异步电动机提供调压调频电源,此电源输出的电压或电流及频率,由控制回路的控制指令进行控制。
而控制指令则根据外部的运转指令进行运算获得。
对于需要更精密速度或快速响应的场合,运算还应包含由变频器主电路和传动系统检测出来的信号和保护电路信号,即防止因变频器主电路的过电压、过电流引起的损坏外,还应保护异步电动机及传动系统等。
1、主电路
给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分,称为主电路。
主电路由三部分构成,将工频电源变换为直流功率的“整流器”,吸收在整流和逆变时产生的电压脉动的“平波回路”,以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
另外,异步电动机需要制动时,有时要附加“转动回路”。
2、控制回路
给异步电动机供电(电压、频率可调)的主电路提供控制信号的回路,称为控制电路。
控制电路由以下电路组成,频率、电压的“运算电路”,主电路的“电压/电流检测电路”,电动机的“速度检测电路”,将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”,以及逆变器和电动机的“保护电路”。
二、变频原理
在交—直—交变频调速系统中,变频器有3种主要结构形式。
1、用可控整流器调压如图2-1,这种装置结构简单,控制方便。
但是,由于输入环节采用可控整流器,当电压或转速调得较低时,电网端的功率因数较低;输出环节多采用由功率开关元件组成的三相六拍逆变器(每周换流6次),输出的谐波较大,这是该种调压控制方法的缺点。
图2-1整流电流
2、用不可控整流器整流,斩波器调压如图2-2,这种调压控制方法是在主回路增设的斩波器上用脉宽调压,而整流环节采用二极管不可控整流器。
这样显然多增加了一个功率环节,但输入功率因数高,克服了前种方法的一个缺点,而逆变器输出信号的谐波仍较大。
图2-2斩波调压
3、用不可控整流器整流,PWM型逆变器调压如图2-3,在这种控制方法中,由于采用不可控整流器整流,故输入功率因数高;采用PWM型逆变器则输出谐波可以减少。
这样,前两种调压控制方法中存在的缺点问题都解决了。
采用可控关断的全控式功率开关元件以后,开关频率才得以大大提高,逆变器的输出波形几乎是正弦波,因此成为当前被采用的一种调压控制方法。
图2-3PWM调压
1、多速度控制功能工作时能保证在整个频率范围内实现精确的转矩控制。
2、快速响应功能变频器采用了单片机控制,特别是采用了高速数字信号处理器(DSP),其计算速度快,转速调整响应快,因此在提升设备中应用,对防止“滑落”很有效。
3、AVR功能保证了高启动转矩的实现当线电压下降时,使用AVR(自动电压调整)功能,可以维持高启动转矩。
4、电动机参数自动调整功能变频器与电动机参数调整的步骤自动进行,从
而简便了使用操作,因此可以更有效也更易于实现强力运行。
5、模糊逻辑加、减功能此功能根据电动机负载和制动要求自动地计算出最佳加速/减速时间,这就省掉了试机并避免了出错,负载固定时在某一电压下电动机的电流达最小,当电流最小时,功率最小,自动追踪最小的电压。
6、降低能源消耗,自动节能运行功能变频器会自动地选择操作参数,使电
动机在满足负载转矩要求的情况下以最小电流运行,这就使之与传统变频器相比,更能降低能源消耗。
7、多段转速功能内装速度设定和定时器设定功能,因而能进行7段转速特性曲线运转(能选择连续、继续、保持最终值),对各种速度,都用任意加速时间、旋转方向、运转时间。
8、内装PI或PID调节功能。
9、由于采用SVPWM控制和高工作频率的IGBT、IPM,其输出电流波形大为改善,而且消耗电流大为降低。
2.2PLC概述
1、PLC的扫描
用户程序通过编程器输入并存放在PLC的用户存储器中,当PLC运行时,用户程序中有众多的操作需要去执行,但CPU是不能同时执行多个操作的,它只能按分时操作原理工作,即每一时刻只执行一个操作。
由于CPU的运算处理速度很高,使得外部出现的结构从宏观上看好像是同时完成的。
这种按分时原则、顺序执行程序的各种操作的过程称为CPU对程序的扫描。
执行一次扫描的时间称为扫描周期。
当PLC投入运行时,它首先执行系统程序和CPU自检等工作,然后开始顺序执行用户程序。
PLC的用户程序由若干条指令(语句)组成,这些指令在存储器中是按步序号的顺序排列的。
用户程序的执行是按顺序扫描工作方式完成的。
在没有中断或跳转控制的情况下,CPU从第一条指令开始,顺序逐条地执行用户程序,直到用户程序结束。
每扫描完一次程序就构成一个扫描周期,然后再返回第一条指令开始新的一轮扫描,PLC就是这样周而复始地重复上述的扫描周期。
顺序扫描的工作方式简单直观,它为PLC的可靠运行提供了非常有用的保证。
一方面,所扫描到的指令被执行后,其结果马上就可以被将要扫描到的指令所利用。
另一方面,通过自诊断,检查CPU模块内部的硬件是否正常;通过CPU设置的监控定时器,判断每次扫描是否超过规定时间,从而避免了因CPU内部故障使程序执行进入死循环而造成的影响。
第三方面,通过通信功能,使PLC与编程器、上位计机或别的带微处理器的智能装置进行通信,响应编程器键入的命令,更新编程器的显示内容。
2、PLC的工作过程
PLC是在系统软件的控制和指挥下,采用循环顺序扫描的方式工作的,其工作过程就是程序的执行过程,它分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
1)输入采样阶段。
在输入采样阶段,PLC用扫描方式,把所有输入端的外部输入信号的通/断状态一次写入到输入映像寄存器中,此时,输入映像寄存器被刷新。
接着进入程序执行阶段,在程序执行阶段或输出阶段,输入映像寄存器与外界隔离,即使外部输入信号的状态发生了变化,输入映像寄存器的内容也不会随之改变。
输入信号变化了的状态,只能在下一个扫描周期的输入采样阶段才被读入。
换句话说,在输入采样阶段采样结束之后,无论输入信号如何变化,输入映像寄存器的内容保持不变,直到下一个扫描周期的输入采样阶段,才重新写入新的内容。
2)程序执行阶段。
在程序执行阶段,PLC逐条解释和执行程序。
若是梯形图程序,则按先上后下、先左后右的顺序进行扫描(执行)。
若遇到跳转指令,则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。
在顺序执行程序时,所需要的输入状态有输入映像寄存器读出,所需要的其他软元件的状态从元件映像寄存器中读出,而将执行时由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达两个扫描周期。
PLC总的响应延迟时间一般只有几十ms,对于一般的系统是无关紧要的。
要求
输入输出信号之间的滞后时间尽量短的系统,可以选用扫描速度快的PLC或采取其他措施。
2.2.1PLC的特点
1、编程方法简单易学梯形图是使用得最多的PLC的编程语言,其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似,梯形图语言形象直观,易学易懂。
2、功能强,性能价格比高
一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件,有很强的功能,可以实现非常复杂的控制功能。
可以通过通信联网,实现分散控制,集中管理。
3、硬件配套齐全,用户使用方便,适应性强PLC产品已经标准化、系列化、模块化,配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用,用户能灵活方便地进行系统配置,组成不同功能、不同规模的系统。
硬件配置确定后,通过修改用户程序,就可以方便快速地适应工艺条件的变化。
4、可靠性高,抗干扰能力强PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器,仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件,接线可减少到继电器控制系统的十分之一到百分之一,因触点接触不良造成的故障大为减少。
PLC使用了一系列硬件和软件抗干扰措施,具有很强的抗干扰能力,平均无故障时间达到数万小时以上。
5、系统的设计、安装、调试工作量少PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件,使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
6、维修工作量小、维修方便PLC的故障率很低,具有完善的自诊断和显示功能。
PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时,可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息方便地查明故障的原因,用更换模块的方法迅速地排除故障。
7、体积小,能耗低对于复杂的控制系统,使用PLC后,可以减少大量的中间继电器和时间继电器,小型PLC的体积仅相当于几个继电器的大小,因此可将开关柜的体积缩小到原来的12~110。
PLC控制系统的配线比继电器控制系统的少得多,故可以省下大量的配线和附件,减少很多安装接线工时,加上开关柜体积的缩小,可以节省大量的费用。
2.2.2PLC控制的优点
一、高可靠性
1、所有的I/O接口电路均采用光电隔离,使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。
2、各输入端均采用R-C滤波器,其滤波时间常数一般为10~20ms。
3、各模块均采用屏蔽措施,以防止辐射干扰。
4、采用性能优良的开关电源。
5、对采用的器件进行严格的筛选。
6、良好的自诊断功能,一旦电源或其他软、硬件发生异常情况,CPU立即采用有效措施,以防止故障扩大。
7、大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
二、丰富的I/O接口模块
PLC针对不同的工业现场信号,如:
交流或直流;开关量或模拟量;电压或电流;脉冲或电位;强电或弱电等。
有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备,如:
按钮;行程开关;接近开关;传感器及变送器;电磁线圈;控制阀等直接连接。
另外为了提高操作性能,它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络,它还有多种通讯联网的接口模块,等等。
三、采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要,除了单元式的小型PLC以外,绝大多数PLC均采用模块化结构。
PLC的各个部件,包括CPU,电源,I/O等均采用模块化设计,由机架及电缆将各模块连接起来,系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
4、编程简单易学
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式,对使用者来说,不需要具备计算机的专门知识,因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
五、安装简单,维修方便
PLC不需要专门的机房,可以在各种工业环境下直接运行。
使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接,即可投入运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置,便于用户了解运行情况和查找故障。
由于采用模块化结构,因此一旦某模块发生故障,用户可以通过更换模块的方法,使系统迅速恢复运行。
2.3异步电动机调速
2.3.1变频调速方法
从异步电动机的转速关系式N=(1-S)N0=60F1/P(1-S)可知,若要改变异步电动机转速,可以有以下3种方法:
1、改变电动机的极对数p,以改变电动机的同步转速N0从而达到调速的目的。
这种调速方法称为变极调速;
2、改变电动机的转差率S,可采取的方法很多,如对笼型异步电动机,改变定子电压及电磁型调速、绕线转子异步电动机改变转子电阻或电动势等;
3、改变异步电动机的电源频率F1,以改变N0进行调速,称为变频调速。
从异步电动机的转速关系式N=(1-S)N0=60F1/P(1-S)可知,
2.3.2变频调速控制的特点
从异步电动机的转速关系式N=(1-S)N0=60F1/P(1-S)可知,只要平滑地调节异步电动机的供电频率F1,就可以平滑调节异步电动机的同步转速N0,从而实现一般电动机的无级调速,从机械特性分析,其调速性能比调磁极对数与转差率好得多,近似直流电动机调压的机械特性。
改变笼型异步电动机的供电频率,也就是改变电动机的同步转数n。
从而可以实现调速,这就是变频调速的基本工作原理。
实现变频调速的关键是如何获得一个单独向感应电动机供电的经济可靠的电源。
目前在变频调速系统中广泛采用的是静止变频装置。
它是利用大功率半导体器件,先将50HZ的工频电源经整流器整流成直流,然后再经逆变器换成频率与电压均可调节的变频电压输出给受控感应电动机,这种系统称为交—直—交变频系统。
当然也可以将三相50HZ的工频电源直接经三相变频器转成变频电压而输出给电动机,这种系统称为交—交变频系统。
一、基频以下恒磁通(恒转矩)变频调速
恒磁通变频调速实质上就是调速时要保证电动机的电磁转矩恒定不变。
这是因为电磁转矩与磁通是成正比的。
如果磁通太弱,铁心利用不充分,同样的转子电流下,电磁转矩就小,电动机的负载能力下降,要想负载能力恒定就得加大转子电流,这就会引起电动机过电流发热而烧毁;如果磁通太强,电动机会出于过励磁状态,使励磁电流过大,同样会引起电动机过电流发热。
所以变频调速一定要保持磁通恒定。
从上式可知,每极磁通φ1的值是由E1和F1共同决定,对E1和F1进行适当控制,就可以使气隙磁通φ1保持额定值不变。
由于14.44N1F对某一电动机来讲是一个固定常数,所以只要保持E1F1为常数,即保持电动势与频率之比为常数进行控制。
当E1和F1的值较高时,定子的漏阻抗压降相对比较小,如忽略不计,即可认为U1和E1是相等,这就是恒压频比控制方程式:
U1/F1=常数
当频率较低时,U1和E1都变得小,此时定子电流却基本不变,所以定子的阻抗压降,特别是电阻压降,相对此时的U1来说是不能忽略的。
可以在低速时人为地提高定子相电压U1以补偿定子的阻抗压降的影响,使气隙磁通φ1保持额定值基本不变。
笼型异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率提供电源,即所谓变频器(VVVF)调速控制。
二、基频以上恒功率(恒电压)变频调速
恒功率变频调速又称为弱磁通变频调速。
这是考虑有基频F1N开始向上调速的情况,频率有额定值F1N向上增大,如果按照U1/F1常数规律控制,电压也必须由额定值U1N向上增大,但实际上电压U1受额定电压U1N的限制不能再升高,只能保持U1=U1N不变。
根据公式φ≈U1/4.44F1N1分析主磁通φ1随着F1的上升而应减小,这与直流电动机弱磁调速的情况一样,属于近似的恒功率调速方式。
证明如下
在F1>F1N、U1>U1N时,E1=4.44F1N1φ1
可见,随F1升高,即转速升高,Ω1增大,主磁通φ1必须相应下降,才能保持电压恒定,而电磁转矩越低这样T1与Ω1可以近似为乘积不变,PN=T*Ω1≈常数,随着转速的提高,要使电压恒定,磁通就自然下降,当转子电流变时,其电磁转矩就会减小,而电磁功率却保持恒定不变,其控制条件为E2/F1≈常数。
变频调速平滑性好,效率高,机械特性硬调速范围广,只要控制端电压随频率变化的规律,可以适用不同负载特性的要求。
第3章RS—485串行通讯
3.1RS—485串行通讯的特点
1、RS-485的电气特性:
逻辑“1”以两线间的电压差为+(2~6)V表示;逻辑“0”以两线间的电压差为-(2~6)V表示。
接口信号电平较低,就不易损坏接口电路的芯片,且该电平与TTL电平兼容,可方便与TTL电路连接。
2、RS-485的数据最高传输速率为10MBps。
3、RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗共模干扰能力增强,即抗噪声干扰性好。
4、RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺,实际上可达3000米。
RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。
即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。
因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性,长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。
因为RS-485接口组成的半双工网络一般只需二根连线,所以RS-485接口均采用屏蔽双绞线传输。
RS-485接口连接器采用DB-9的9芯插头座,与智能终端RS-485接口采用DB-9(孔),与键盘连接的键盘接口RS-485采用DB-9(针)。
3.2RS—485串行接口标准
一、平衡传输
RS-485数据信号采用差分传输方式,也称作平衡传输,它使用一对双绞线,将其中一线定义为A,另一线定义为B。
通常情况下,发送驱动器A、B之间的正电平在+2~+6V,是一个逻辑状态,负电平在-2V~-6V,是另一个逻辑状态。
另有一个信号地C,在RS-485中还有一“使能”端,“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。
当“使能”端起作用时,发送驱动器处于高阻状态,称作“第三态”,即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。
二、RS-485电气规定
RS-485采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。
RS
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