冷风机PLC电气控制系统设计讲解.docx
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冷风机PLC电气控制系统设计讲解
本科毕业设计
(200*届)
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摘要
本文介绍了一种利用PLC实现1台软启动器启动多台风机的启动控制方案,既节约投资又可很好地解决风机电机启动困难的问题。
大中型电机在直接起动时会产生很大的冲击电流,这一方面会引起电机的发热损坏,另一方面会对供电电网产生严重影响。
因此需要对电机的起动过程加以控制,主要目的是为了降低电机的起动电流。
以往为了减小电机的起动电流,常采取Y_一△起动、自耦变压器降压起动等措施,其设备简单、成本低,但这些方法的电压调节是非连续的,电机起动过程中仍存在较大的电流跳变和冲击现象,特别是对带轻载起动的水泵设备,冲击更为明显,且两者的起动设备又都属有触点设备,可靠性差。
采用微控制器作为控制核心的三相异步电动机软起动器,不但能有效降低电机起动电流,还具有软停止、节能运行以及实时监测和保护等多种可选功能。
关键词:
PLC;软启动;电动机
1问题的提出
1.1选题的意义
大多电力负荷均由异步电动机驱动,它的起动电流约为额定电流的5~7倍。
电动机容量越大,起动时冲击电流对电网及其负载冲击就越大。
所以大功率异步电动机需采用起动装置启动。
国内目前常用的有自耦变压器降压、串饱和电抗器和Y/△转换降压起动等,靠接触器切换电压实施启动降压,无法根本解决起动瞬时电流尖峰冲击;起动转矩不可调,起动中二次冲击电流对负载产生冲击转矩,当电网电压下降,可能造成电动机堵转;起动过程接触器带载切换,易造成触点的拉弧、损坏等方面问题。
全新的起动方式软起动:
软起动是采用软件控制方式来平滑起动电动机,它又分为两种:
一种是采用变频恒矩限流;另一种是采用智能软起动。
采用变频调速起动,起动时具有良好的静、动态性能,就是在低速情况下也能随意调节电动机转矩,能以恒转矩起动电动机,起动电流可以限制在150额定电流。
适用于较大起动转矩的负载,一般是大于50的场合,例如往复式空压机、离心分离机、带负载的输送机、破碎机、螺旋式或振动式给料机、活塞式泵、带飞轮冲压机。
变频器的输出与电网不是同相同序,因此,不能在变频器尚未与电机分离前,先合上旁路接触器,否则会烧坏变频器的执行器件,这样电机短时间内会经历一个全压—断电—全电压的再启动过程,对转速要求较高的场合,显然不能使用此方案。
采用变频器调速起动比智能软起动的投资费用高两倍甚至三倍。
采用智能软起动,起动时由于转矩是按电压比的平方减少,因此起动转矩很小。
软起动器有电流反馈,也可采用恒流起动,即在起动过程中保护起动电流不变,直到电动机接近同步转速。
与变频器相比,启动时在运行期间不存在谐波问题,适用于较小转矩的负载,一般是小于50的场合,例如旋转式空压机、离心式风机、离心泵、空载起动的输送机、各种空载起动的设备。
综合以上技术性能和经济性,在对调速无要求或要求不高的场合,对不同的启动要求,可灵活调整启动方案的电机,采用智能软起动仍是目前启动大、中型电机的能实际推广的主流设备。
1.2国内外软启动发展状况
我国软起动技术起步于上世纪80年代早期,目前生产电机启动器的厂家很多,先后也推出了多种品牌的软起动器。
但由于国内自主开发和生产的能力相对较弱,对国外产品的依赖还是很严重。
在技术上和可靠性上与国外同类产品尚有一定的差距。
所以在整个软起动器市场上,占据统治地位的还是国外产品,国内产品所占的份额还是很低。
目前市场上生产的软启动器主要以机械式和三相反并联晶闸管方式为主。
机械式启动器是目前使用比较广泛的启动方式,但它是有级起动,会产生二次冲击电流,启动电流仍然为标称电流的3~4倍,且有体积大、噪音大、维护费用高、无法适应恶劣环境等诸多弊端。
近三十年来,随着电力电子技术的发展,使无电弧开关和连续调节电流成为可能。
电力半导体开关器件具有无磨损、寿命长、功耗小等特点,结合现代控制理论及微机控制技术,为实现电机的软起动提供了全新的思路。
要突破传统的启动方式,是离不开电力电子技术和微机控制技术的发展的。
国外,发达国家的电动机软起动产品主要是固态软起动装置——晶闸管软起动和兼作软起动的变频器。
在生产工艺兼有调速要求时,采用变频装置。
在没有调速要求使用的场合下,起动负载较轻时一般采用晶闸管软起动。
在重载或负载功率特别大的时候,才使用变频软起动。
晶闸管软起动装置是发达国家软起动的主流产品,各知名电气公司均有自己晶闸管软起动的品牌,在其功能上又各具特色。
例如GE公司生产的ASTAT智能电机软起动器;ABB公司生产的PST、PSTB系列电机软起动器;施耐德公司的ATS46软起动器;德国SIEMENS公司的3RW22SIKOSTART软起动器等等。
目前,国外对晶闸管三相交流调压电路的研究己经从对控制电压、控制电机电流的开环、闭环方式,发展到通过建立比较准确实用的数学模型,找到适用于三相交流调压电路电机负载的控制方法,从而使三相交流调压电路电机负载性能更优。
1.3问题的提出
风机是烧结行业的核心设备,其设备运行的好坏直接影响烧结厂的产量和产品质量。
某烧结车间冷却风机有四台110KW电机,采用直接启动方式,因风机负载的工作特性,风机启动电流大,启动时间长,对风机驱动电机及其控制设备都造成了非常大的冲击破坏作用。
常有电机因绝缘损坏而烧毁,电机控制主回路中的空开和接触器等也时有损坏。
为此,必须对风机的启动控制进行改造。
改直接启动为软启动,减少起动时对电网的冲击。
每台电动机如果都配备一台软启动器,成本较高。
且电动机起动完毕后,软启动器就无太大作用,考虑使用一台软启动器对多台电动机实现起动,并采用PLC(可编程程序器)配合实现控制过程,这样,可减少软启动器的数量,降低了投资成本。
达到了节能增效的效果。
设计采用一台软起动器对四台电动机实行起动工作的方案。
风机要按照1、2、3、4号的顺序起动。
采用一台软启动器进行起动,当1号风机完成起动,电动机转速达到额定转速,切换到直接运行方式,同时将软启动器退出,再按相同的方法依次起动2号、3号、4号风机。
每一台风机都具有单独停止功能,整个系统具有完整的指示和保护功能。
1.4控制要求
根据设计要求,利用PLC电气控制冷却风机的启动停止,达到工业计算机自动控制使用达到控制的作用。
因为有四台110W冷却风机设计要求为了减小电机启动时对电网的冲击而采用软启动器来实现,为减少成本,要实现系统中一台软启动器控制四台电机的顺序软启动。
在选择软启动器时,应该考虑到电机的额定功率,选择的软启动器的功率也应该与之相匹配。
在控制电机的软启动过程及工频运行能安全无误正常的工作,PLC不单单要保证正常工作,此外还要有很好的故障保护设计,故对PLC的设计要实现合理与稳定来控制整个系统的合理运作。
1.5设计内容
1.总体方案的确定
根据控制要求,确定总体方案。
2.正确选用电气控制元件和PLC
根据选用的输入输出设备的数目和电气特性,选择合适的PLC,要求进行电气元件的选用说明。
3.分配I/O点,画出I/O连线图
根据选用的输入输出设备,确定I/O端口。
依据输入输出设备和PLC的I/O端口分配关系,画出I/O连线图。
4.程序设计说明及过程分析
要求绘制控制系统流程图,详细进行程序设计过程的分析说明,设计简单、可靠的控制程序。
5.对系统工作原理进行分析,最后审查控制实现的可靠性
检查系统功能,完善控制程序。
2PLC简介
2.1PLC的概念及其历史
可编程序控制器(ProgrammableLogicController)是以微处理器为基础,综合了计算机技术与自动控制技术为一体的工业控制产品,是在硬接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的。
1985年1月,国际电工委员会(IEC)的可编程序控制器标准草案第2稿对可编程序控制器作了如下定义:
“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、和算术运算等操作指令,并通过数字式、模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备,都应按易于使工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。
”通常把PLC认为是由等效的继电器、定时器、计数器等元件组成的装置。
在全世界上百个可编程序控制器制造厂中,有几家举足轻重的公司。
它们是美国ROCKWELL自动化公司所属的A-B公司、GE-FANUC公司,德国的西门子公司和总部设在法国的施耐得自动化公司,日本的三菱公司和欧姆龙公司。
这几家公司控制着全世界80%以上的可编程序控制器市场。
它们的系列产品有其技术广度和深度,从微型可编程序控制器到有上万个I/O点的大型可编程序控制器应有尽有。
可编程序控制器的推广在我国得到了迅猛的发展,可编程序控制器已经大量应用在引进设备和国产设备中,我国不少厂家引进或研制了一批可编程序控制器,各行各业也涌现出大批应用可编程序控制器改造设备的成果,机械行业生产的设备越来越多地采用可编程序控制器作控制装置。
了解可编程序控制器的工作原理,具备设计、调试和维护可编程序控制器控制系统的能力,已经成为现代工业对电气技术人员和工科学生的基本要求。
2.2PLC的主要特点
1.可靠性高
PLC的MTBF(MeanTimeBetweenFailures)平均故障间隔时间一般在40000-50000h以上,三菱、西门子、ABB、松下等微小型PLC可达10万h以上,而且均有完善的自诊断功能,判断故障迅速,便于维护。
2.模块化组合灵活
可编程控制器是系列化产品,通常采用模块结构来完成不同的任务组合。
I/0点数从8^8192点,有多种机型、多种功能模板可灵活组合,结构形式也是多样的。
3.功能强,性能价格比高
PLC应用微电子技术和微计算机,简单型式都具有逻辑、定时、计数等顺序控制功能。
基本型式再加上模拟I/0、基本算术运算、通信能力等。
复杂型式除了具有基本型式的功能外,还具有扩展的计算能力、多级终端机制、智能I/O、PID调节、过程监视、网络通信能力、远程I/0、多处理器和高速数据处理能力。
一台可编程序控制器可以同时控制几台设备,也可以通过联网通信,实现分散控制,集中管理。
4.编程方便
PLC适用针对工业控制的梯形图、功能块图、指令表和顺序功能表图(SFC)编程,不需要太多的计算机编程知识。
新的编程工作站配有综合的软件工具包,并可在任何兼容的个人计算机上编程。
5.适应工业环境,可靠性高,抗干扰能力强
PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作,能在强电磁干扰环境下可靠工作。
6.安装、维修简单
与计算机系统相比,PLC安装不需要特殊机房和严格的屏蔽。
使用时只要各种器件连接无误,系统便可正常工作。
各个模件上带有运行和故障指示装置,便于查找故障,大多数模件可以带电插拔,模件可更换,使用户可以在最短的时间内查出故障并排除,最大限度地压缩故障停机时间,使生产迅速恢复。
一些PLC外壳由可在不良工作环境下工作的合金组成,结构简单,上面带有散热槽,在高温下,该外壳不像塑料制品那样变形,还可抗无线电频率(RF高频)电磁干扰、防火等。
7.运行速度快
随着微处理器的应用,PLC的运行速度增快,使它更符合处理高速度复杂的控制任务。
8.总价格低
PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低,虽然软件价格占的比重有所增加,但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。
另外,采用PLC还可以大大缩短设计、编程和投产周期,使总价格进一步降低。
2.3PLC的最新发张趋势
现代可编程序控制器的发展有两个主要趋势:
其一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展:
其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展。
1.大型网络化
主要是朝DCS方向发展,使其具有DCS系统的一些功能。
网络化和通信能力强是PLC发展的一个重要方面,向下可将多个PLC,I/0框架相连;向上可与工业计算机、以太网、MAP网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。
2.多功能
随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出现,使PLC控制领域更加宽广。
3.高可靠性
由于控制系统的可靠性日益受到人们的重视,一些公司已将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中,推出了高可靠性的冗余系统,并采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。
例如西门子公司57400系列PLC即使在恶劣、不稳定的工作环境下,坚固、全密封的模板依然可正常工作,在操作运行过程中模板还可热插拔。
2.4PLC的工作原理
在继电器控制电路中,当某些梯级同时满足导通条件时,这些梯级中的继电器线圈会同时通电,这是一种并行的工作方式。
PLC是采用循环扫描的工作方式,在PLC执行用户程序时,CPU对梯形图自上而下、自左向右地逐次进行扫描,程序的执行是按语句排列的先后顺序进行的,是一种串行的工作方式,不会出现多个线圈同时改变状态的情况,这样有利于避免触点竞争和时序失配的问题。
PLC上电后首先进行初始化:
I/0、内部辅助、特殊辅助、辅助记忆继电器区域清零;定时器预置;识别扩展单元。
然后进入循环扫描工作过程,扫描过程如图2-1所示。
这个工作过程分为内部处理、外设端口服务、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。
全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。
内部处理阶段:
CPU都要进行复位监视定时器、硬件检查、用户内存检查等操作。
通信操作服务阶段:
PLC与一些智能模块通信,响应编程器键入的命令,更新编程器的显示内容等。
当PLC处于停止(STOP)状态时
只进行内部处理和外设端口服务操作等内容。
在PLC处于运行(RUN)状态时从内部处理、外设端口服务、程序输入、程序执行、程序输出,一直循环扫描工作。
图2-1PLC工作扫描流程图
1.输入处理阶段
输入处理也叫输入采样。
在此阶段,PLC以扫描方式读入所有输入端子的通断状态,并将读入的信息存入内存中所对应的映像寄存器,在此输入映像寄存器被刷新,接着进入程序执行阶段。
自此输入映像寄存器就与外界隔离,即使输入信号发生变化其映像寄存器的内容也不发生变化,只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息,也就是说,各输入映像寄存器的状态要保持一个扫描周期不变。
2.程序执行阶段
在程序执行阶段,根据梯形图程序先左后右、先上后下的扫描原则,PLC逐句扫描执行用户程序,遇到跳转指令,则根据转移条件来决定程序的走向。
从用户程序涉及到输入输出状态时,PLC从输入映像寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态,从输出映像寄存器中读出对应映像寄存器的当前状态,根据用户程序进行逻辑运算,运算结果再存入有关器件寄存器中。
对每个器件而言,器件映像寄存器中所寄存的内容会随着程序执行过程而变化。
执行用户程序阶段的扫描时间是影响扫描周期时间长短的主要因素,而且不是固定的,其原因主要取决于以下几方面因素:
①用户程序中所用语句条数的多少。
②每条指令的执行时间不同。
③程序中有改变程序流向的指令。
3.输出刷新阶段
程序执行完以后,将所有输出继电器的元件映像寄存器的状态传送到相应的输出锁存电路中,通过隔离电路,驱动功率放大电路,使输出端子向外界输出控制信号,形成PLC的实际输出,驱动相应外设。
2.5PLC的基本结构
可编程序控制器主要是由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。
1.CPU模块
CPU模块主要是由微处理器(CPU芯片)和存储器组成。
在可编程序控制器控制系统中,CPU模块相当于人的大脑和心脏。
它不断地采集输入信号,执行用户程序,刷新系统的输出;存储器用来储存程序和数据。
2.I/O模块
输入模块和输出模块简称为I/O模块,它们是系统的眼、耳、手、脚,是联系外部现场和CPU模块的桥梁。
输入模块用来接收和采集输入信号,输入信号有两类:
一类是从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号;另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的模拟量输入信号。
可编程序控制器通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器,可编程序控制器控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。
CPU模块的工作电压一般是5V,而可编程序控制器的输入/输出信号电压一般较高,如直流24V和交流220V。
从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件,或使可编程序控制器不能正常工作。
在I/O模块中,用光电耦合器、光电可控硅、小型继电器等器件来隔离外部输入电路和负载,I/O模块除了传递信号外,还有电平转换与隔离的作用。
3.编程器
编程器除了用来输入和编辑用户程序外,还可以用来监视可编程序控制器运行时各种编程元件的工作状态。
4.电源
可编程序控制器使用220V交流电源或24V直流电源。
可编程序控制器内部的直流稳压电源为各模块内的电路供电。
某些可编程序控制器可以为输入电路和外部电子检测装置(如接近开关)提供24V直流电源,驱动现场执行机构的直流电源一般由用户提供。
2.6PLC的I/O滞后现象
由于PLC是扫描工作过程,在程序执行阶段即使输入发生了变化,输入状态映像寄存器的内容也不会变化,要等到下一周期的输入处理阶段才能改变。
暂存在输出映像寄存器中的输出信号,等到一个循环周期结束,CPU集中将这些输出信号全部输送给输出锁存器。
由此可以看出,全部输入输出状态的改变需要一个扫描周期。
换言之,输入输出的状态保持一个扫描周期。
扫描周期越长,滞后现象越严重。
一般扫描周期只有十几毫秒到几十毫秒,因此对一般工业控制设备或者对输入信号变化较慢的系统来说,这种滞后现象是完全允许的。
若要输出对输入作出快速响应的场合,则可采取相应的措施如选用高速CPU提高扫描速度,采用快速响应模块、高速计数模块以及不同的中断处理等措施来尽量减少滞后时间。
影响I/0滞后的主要原因有:
输入滤波器对信号的延迟;输出继电器的动作延迟;程序设计不当的附加影响等[2]。
2.7PLC编程语言的国际标准
现代的可编程序控制器一般备有多种编程语言,供拥护选择,不同厂家的可编程序控制器的编程语言有较大的区别,用户不得不学习多种编程语言。
IEC(国际电工委员会)于1994年5月公布可编程序控制器标准(IEC1131),该标准由以下5部分组成:
通用信息,设备与测试要求,可编程序控制器的编程语言,用户指南与通信。
其中的第三部分(IEC1131-3)是可编程序控制器的编程语言标准。
IEC1131-3标准使用户在使用新的可编程序控制器时,可以减少重新培训的时间;对于厂家,使用标准将减少产品开发的时间,可以投入更多的精力去满足用户的特殊要求。
IEC1131-3详细地说明了句法、语义和下述5种编程语言的表达方式:
1、顺序功能图(Sequentialfunctionchart);
2、梯形图(Ladderdiagram)
3、功能块图(Functionblockdiagram)
4、指令表(Instructionlist)
5、结构文本(Structured)
标准语言中有两种图形语言------梯形图(LD)和功能块图(FBD),还有两种文字语言------指令表(IL)和结构文本(ST),可以认为顺序功能图(SFC)是一种结构块控制程序流程图。
梯形图(LD)
梯形图是使用得最多的可编程序控制器图形语言编程语言。
梯形图与继电器控制系统恶毒电路图很相似,具有直观易懂的优点,很容易被工厂熟悉继电器控制的电气人员掌握,特别使用于开关逻辑控制。
有时把梯形图称为电路或者程序,把梯形图的设计叫做编程。
(a)错误的梯形图(b)正确的梯形图
图2-2梯形图的特点
梯形图的特点
可编程序控制器梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称,如:
输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等等,但是它们不是真实的物理继电器(即硬件继电器),而是在软件中使用的编程元件。
每一编程元件与可编程序控制器存储器中元件映像寄存器的一个存储单元相对应。
该存储单元如果为“1”状态,则表示梯形图中对应编程元件的线圈“通电”,其常开触点接通,常闭触点断开,以后我们称这种状态是该编程元件为“1”状态,或者称该编程元件ON。
如果该存储单元为“0”状态,对应的编程元件的线圈和触点的状态与上述的相反,称该编程元件为“0”状态,对应的编程元件的线圈和触点的状态与上述的相反,称该编程元件为“0”状态,或称该编程元件OFF。
梯形图两侧的垂直公共线称为公共母线。
在分析梯形图的逻辑关系时,为了借用继电器电路图的分析方法,可以左右两侧母线之间有一个左正右负的直流电源电压,这一方向与执行用户程序时的逻辑运算的顺序是一致的。
某些可编程序控制器的梯形图去掉了右边的垂直线。
根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系,求出与图中各线圈对应的编程元件的ON/OFF状态,称为梯形图的逻辑解算。
逻辑解算是按梯形图中从上到下、从左到右的顺序进行的。
解算的结果,马上可以被后面的逻辑解算所利用。
逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值,而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。
梯形图中各编程元件的常开触点和常闭触点均可以无限多次地使用。
3软启动的简介
3.1异步电动机概述
1.异步电动机是如何转动起来的
异步电动机定子上有三相对称的交流绕组,三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时,将在电机气隙空间产生旋转磁场;转子绕组的导体处于旋转磁场中;转子导体切割磁力线,并产生感应电势,判断感应电势方向。
转子导体通过端环自成闭路,并通过感应电流。
感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力,判断电磁力的方向。
电磁力作用在转子上将产生电磁转矩,并驱动转子旋转。
根据以上电磁感应原理,异步电动机也叫感应电动机。
2.转差,转差率(为什么叫异步电动机?
)
切割磁力线是产生转子感应电流和电磁转矩的必要条件。
转子必须与旋转磁场保持一定的速度差,才可能切割磁力线。
旋转磁场的转速用n1表示,称为同步转速;转子的实际转速用n表示,转差Δn=n1-n。
转差率:
S=(n1-n)/n1
转差率是异步电动机的一个基本变量,在分析异步电动机运行时有着重要的地位。
起动瞬间,n=0,s=1理想空载运行时:
n=n1,s=0作为电动机运行时,s的范围在0---1之间。
转差率一般很小,如s=0.03。
制动运行时,电磁转矩方向与转速方向相反,即n1与n反向,s>1发电运行时,n高于同步转速n1,s<0.根据转差率可以区分异步电动机运行状态。
3.2异步电动机全压直接启动的危害
从三相异步电动机固有机械特性的分析中知道,如果在额定电压直接起动三相异步电动机,由于最初起动瞬间主磁通约减少到额定值的一半,功率因数又很低,造成了起动电流相当大而起动转矩并不大的结果。
以普通鼠笼式三相异步电动机为例,起动电流:
IS=KIIN=(4-7)IN,起动转矩:
TS=KTTN=(0.9-1.3)TN。
再看对供电变压器的影响,整个交流电网的容量相对于单个的三相异步电动机来讲是非常大的。
但是具体到直接供电的变压器来讲,容量却是有限的。
配电变压器的容量是按其供电的负载总容量设置的,正常运行条件下,变压器由于电流不超过额定电流,其输出电压比较稳定,电压变化率在允许的范围之内。
三相异步电动机起动时,变压器提供较大的起动电流,会使变压器输出电压下降。
若变压器额定容量相对很大、电动机额定功率相对很小时,短时起动
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