毕业设计（论文）-基于PLC控制的交流电动机的变频调速系统1.doc

目 录摘 要III第1章 前言11.1基于PLC控制的交流电动机变频调速技术的重要意义11.2 PLC控制的交流电动机变频调速系统简述21.3 PLC控制的交流电动机变频调速系统的发展与现状2第2章 系统硬件设计42.1瓦楞纸分切压痕机电气控制系统的工艺要求42.2系统的整体结构框图52.3 可编程控制器（PLC）简介62.3.1 PLC的基本特点62.3.2 PLC的基本结构82.3.3 PLC的工作原理92.2.4 PLC的分类102.3.5 PLC的接入方式112.4变频调速在控制系统中的运用122.4.1变频调速的发展及在调速系统中的应用122.4.2变频调速基本原理132.4.3 变频器的分类与特点142.4.4变频调速技术的发展现状172.4.5本设计中变频器与PLC通讯时的参数设置182.5 外围电路硬件设计192.5.1PLC和变频器的选型及外部接线192.5.2 位置信号采集及传感器的信号采集252.5.3 安全回路26第3章 系统的软件设计293.1 PLC编程说明293.2总体结构313.2.1 STEP7-Micro/Win32简介313.2.2系统的程序设计333.2.3 软件设计补充说明37总结45参考文献46致谢47基于PLC控制的交流电动机的变频调速系统摘 要交流异步电动机是工农业生产中最重要的拖动设备之一，因其结构简单、维修容易等优点而得到了广泛应用。而在现代工业生产中，有一些设备需要根据不同的工作环境，要调节到一个特定的转速。从而对交流异步电动机的速度提出了要求，希望能达到一台设备运行时，能根据不同材质的加工产品，实现运行速度的调节，并能稳定运行。传统交流电动机的调速系统是运用串电阻分级调速的方式，存在低速时带载能力差、能耗大以及有一定的电气冲击的特点。随着电力半导体的不断发展，20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并广泛应用，实现了对交流电动机的变频调速，从而使交流电机有更大的调速范围和良好的低速性能，实现交流电动机的平滑调速。为了实现在恶劣的工作环境中对电动机进行远程控制，引入PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）控制单元，实现了对变频调速系统的智能控制，使得该调速系统性能更加优越，满足了现代工业化生产的需要。瓦楞纸通常用作包装箱纸，是生产及生活中用量极大的纸产品。在生产自动化程度愈来愈高的今天，它的生产过程也早已实现了智能控制，其生产过程也采用了先进节能的控制技术。关键词：交流异步电动机,变频器, 可编程逻辑控制器,变频调速Based on PLC control ac motors Variable frequency speed regulation systemABSTRACTIn the industrial and agricultural manufacture, alternating current asynchronous motor is one of the most important driving equipments. It has got vast application for a simple framework and well maintain ability. But in modern industrial production, some equipment need according to different work environment, to adjust to a specific speed. For ac induction motor speed proposed requirements, Hope can achieve a equipment in operation, can according to different material processing products, the realization of operation speed regulation, and stable operation.Traditional ac motor speed control system is using the way of resistance, exist grading speed with load capacity difference speed, high power consumption and have the characteristics of electric shock. With the continuous development of power semiconductor, second half began in the 1980s, America, Japan, Germany, England and other developed countries has been put into market and VVVF inverter, realizing the widely application of ac motor, thus make the frequency control ac motor have greater speed range and excellent low-speed characteristics, realize ac motor smooth speed. In order to attain the bad working environment of the remote control, introduce motor Programmable Controller, questions PLC (Programmable Logic Controller) control unit, realize the variable frequency speed regulation system of intelligent control, makes the speed regulation system performance more superior, meet the need of modern industrial production.Keywords：Asynchronous motor, transducer, Programmable Logic Controller, Frequency conversion50第1章 前言近年来，我国工农业的飞速发展对电能的需求越来越大，但煤炭、石油等燃料资源的相对短缺极大限制了电力资源的供应，抬升了电力价格。在这种情况下采用现实可行的节能技术，节约用电量、提高能效就成为当务之急。本次设计基于瓦楞纸分切压痕机的控制系统作为课题，对PLC控制的变频调速系统进行研究。1.1基于PLC控制的交流电动机变频调速技术的重要意义电机是工业生产中最重要的拖动设备之一，交流异步电机由于结构简单、维修容易等优点，被广泛应用于工农业及其他生产当中。但随着工农业的不断发展，对电动机运行的要求也不断提高，很多的生产过程中都要求电动机能根据不同的工况，运行在不同的速度。早期工业生产中，对于一些要求调速精度高的系统，采用了直流电动机，但直流电动机存在启动转矩小，换向电刷容易老化产生火花等问题。人们又根据交流电动机的运行特点，得出了传统的交流电动机调速方法，是利用转子回路串电阻分段控制的交流绕线式电机继电器接触器系统，设备陈旧、技术落后。而且这种控制方式存在着很多的问题:l)转子回路串接电阻，消耗电能，造成能源浪费。2)电阻分级切换，为有级调速，设备运行不平稳，容易引起电气及机械冲击。3)继电器、接触器频繁动作，电弧烧蚀触点，影响接触器使用寿命，维修成本较高。4)交流绕线异步电动机的滑环存在接触不良问题，容易引起设备事故。5)电动机依靠转子电阻获得的低速，其运行特性较软。上述问题使提升机运行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此，需研制更加安全可靠的控制系统，使可调速系统的运行有更好的可靠性和安全性。就计算机技术在工业现场应用情况而言，可编程控制器(PLC)是目前作为工业控制最理想的机型，它是采用计算机技术、按照事先编好并储存在计算机内部一段程序来完成设备的操作控制。采用PLC控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小，PLC技术己经广泛应用于各种控制系统。 本设计将在PLC电控系统的基础上配合变频调速装置，运用现在先进的矢量控制技术，适合和现在工业应用领域的绝大部分呢控制要求。1.2 PLC控制的交流电动机变频调速系统简述 所谓交流电动机的变频调速，是利用电动机转速的规律： （1-1）对电动机的速度进行调节。本次毕业设计选用的是交-直-交变频器，工作原理是，先通过半导体器件组成的整流电路，把三相电源转换成直流电。然后，再把直流电逆变成所需频率的交流电，从而达到控制电动机转速的目的。现在通用变频器大都是采用二极管整流器和由全控开关器件IGBT或功率模块组成的PWM（脉宽调制）逆变器，构成交-直-交电压源型变压变频器，他们已经占据了全世界0.5到500kVA中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。所谓“通用”，包含着两方面的含义:一是可以和通用的鼠笼型异步电动机配套使用；二是具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。图1.1所示是一种典型的数字控制通用变频器-异步电动机调速系统原理图。整流电路部分为增大转化效率采用的是二极管整流，由于二极管整流器不能为异步电动机的再生制动提供反向电流的通路，所以除特殊情况外，通用变频器一般采用电阻吸收制动能量。减速制动时，异步电动机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容充电，当中间直流回路的电压（统称泵生电压）升高到一定限制值时，通过泵升限制电路使开关VTb导通，将电动机释放出来的动能消耗在电阻Rb上。为了便于散热，制动电阻常作为附件单独安装在变频器的机箱外面。PLC（可编程逻辑控制器件）的引入，使得控制系统自动化程度有了很大的提高，也对一些复杂的工作环境实现远程控制。其原理是通过RS-285串行通信技术，把PLC和上位机连接 ，实现他们之间的通信，利用STEP_7-MicroWIN_V4_SP3编程软件，根据搭建好的硬件线路图进行编程，实现所要实现的逻辑控制功能。1.3 PLC控制的交流电动机变频调速系统的发展与现状随着电力电子技术和自动控制技术的日益发展，电动机的调速已经从继电气时代发展到今天的由变频器控制调速。且在工业各个领域中得到了极为广泛的应用。在现在工业自动化控制系统中，最为常见的是由PLC控制变频器实现电动机的调速控制。该方法主要通过程序来控制了电动机的变频调速，从而实现了自动控制。交流调速系统的发展与应用领域，直流电气传动和交流电气传动在十九世纪先后诞生。在二十世纪的大部分年代里，鉴于直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速传动都采用直流电动机，而约占电气传动总容量80%的不变速传动则采用交流电动机，这种状况在一段时期内已成为一种举世公认的格局。二十世纪七十年代后，随着大规模集成电路和计算机控技术的发展，以及现代控制理论的应用，交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应，且实现了在四相限运行的良好技术性能。它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调节电效果明显，而且易于实现过程自动化在调速性能方面可以和直流电力拖动相媲美。目前交流调速技术在工业发达国家已得到广泛应用。例如在通用变频器方面，针对中、低压应用领域的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的高开关频率使得高性能的变频器成为了可能，而在以后出现的只能功率模块（IPM），更加简化了通用变频器的设计。此后，交流调速系统主要沿用下述两个方向发展和应用。（1）一般性能的节能调速。在过去大量的所谓不变速交流传动中，风机、水泵等机械总容量几乎占工业电气传动总容量的一半，其中有不少的场合并不是不需要调速，只是因为过去交流电机本身不具备调速性能，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，许多电能因此白白的浪费掉了。如果把这些设备的控制系统换成交流调速系统，就能节省消耗在挡板和阀门上的能量。根据有关计算统计，由于风机、水泵对调速范围和动态性能的要求都不高只需要一般的调速性能就已足够，那么换成交流调速系统后，每台风机、水泵平均约可节能20%，这种节能效果是非常可观的。（2）高性能交流调速系统。许多在工艺上就需要调速的生产机械，过去多用直流传动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、转动惯量小、效率高，如果改成交流调速传动，显然能够带来不少的效益。见图1.2 利用PLC控制变频调速的瓦楞纸分切机。交流调速系统的国内外研究现状近年来随着电力电子技术和微电子技术迅猛发展以及现代控制理论和计算机控制技术的应用，交流调速领域发展非常迅速，交流传动技术取得了突破性进展，获得了许多创造性成果。自七十年代矢量控制技术发展以来，从理论上解决了交流调速系统在静、动态性能上与直流传动相媲美的问题。 图1.2 瓦楞纸分切机 第2章 系统硬件设计 瓦楞纸通常用作包装箱纸，是生产及生活中用量极大的纸产品。图2.1所示是瓦楞纸生产工艺示意图。整个工艺过程分为开卷、压痕、涂胶、烘干、分切等工序。从图中可以看出，分切压痕机是瓦楞纸生产过程中的重要设备。除了以上所述工序外，分切压痕机还设有磨刀功能。 图2.1 瓦楞纸生产工艺流程图2.1瓦楞纸分切压痕机电气控制系统的工艺要求 压痕机的线速度要求与送来纸板的的速度保持一致，即与主轴开卷机轴的线速度相等，由于开卷机的速度是可调的，所以压痕辊有变频器控制。根据开卷机的速度调整范围，要求压痕轴的速度范围为01500r/min，主轴的速度由测速机检测，输出电压的范围为010V。 分切装置上有四片分切刀片，如图2.2所示，刀片位置可根据要求调整。刀片的速度应根据纸板的速度变化而变化，所以分切装置的驱动也采用变频器驱动，但又有最低转速和最高转速的限制，根据主轴速度的上、下限要求就可以确定刀片的速度范畴为3001200r/min。 分切装置上的刀片在分切一段时间变钝后，磨刀装置应对刀片进行磨削锐化，以保持分切刀片的锐利。分切刀片由锐利变钝的时间与分切装置的转速及切削纸板的多少有 图2.2 分切装置示意图 关，因此每次磨刀的时间间隔应与分切装置的速度保持一定关联。磨刀时间与粗设的摸到时间由PLC上的模拟量电位器设定，设定刀片每次磨削的时间范围为50001000ms，磨刀时间间隔为500010000ms。磨刀片装置上的四片磨刀砂轮由不同的电磁阀控制，分别对四片刀片磨削，磨刀要求有手动与自动两种控制方式。手动时，按一次磨刀按钮进行一次磨刀操作；自动时，分切只要运行，PLC便根据粗设的磨刀间隔时间和根据刀片的速度微调的间隔时间，自动地进行磨刀操作。每个刀片的磨刀装置都可以人为地设定为工作及停止状态。 生产过程中会发生纸板跑偏现象，横向移动装置应随时自动地进行跟踪纠偏，它也可以手动横向移动进行纠偏，用两个光电开关作为纠偏的位置检测，用两个行程开关进行限制横向移动的行程范围。2.2系统的整体结构框图本设计中我们用P L C实现各种故障保护和对继电器I/O口触点的控制，大大节约了人力物力财力，使系统变得安全可靠。来自系统各部分的保护信号能够直接引入到 P L C中， P L C将其处理后分为立即施闸、电气制动和报警三类，根据不同故障控制闸控系统 ， 控制光报警系统报警，并送监视器显示故障类型。由保护 P L C根据系统的安全要求，构成软件安全回路。还将由测速发电机信号经软件计算后处理成电动机运行速度，进行后备速度保护。基于PLC控制的交流电动机变频调速控制系统由动力装置、变频器、操作台和控制监视系统组成，本次设计的逻辑框图如下，图2.3所示。各部分功能如下。 动力装置：包括两台主电机、一台辅助电动机、电源模块、制动器和底座，完成瓦楞纸分切机的生产要求。P L C变频调速模块操作台监控系统380v电源速度传感器M测速发电机切刀位置传感器TG 图 2.3 PLC控制的变频调速控制系统逻辑框图变频调速器：是动力装置的能量供给单元，通过它可将输入工频电能转换成频率可调的电能提供给交流电动机，以达到控制交流电动机转速的目的。从而实现不同纸质的加工工艺要求，满足了现代工业生产的需求。操作台：设有完成生产功能的所有控制开关器件，能对生产设备进行远程控制，且能够和监控系统配合控制，使得系统的运行更加稳定可靠。2.3 可编程控制器（PLC）简介 可编程控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。它面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。PLC控制技术代表着当前程序控制的先进水平，PLC装置已成为自动化系统的基本装置。2.3.1 PLC的基本特点PLC的诞生给工业控制带来革命性的飞跃,与传统的继电器控制相比有着突出的特点.第一,灵活性、通用性强。继电器控制系统如果工艺要求稍有变化,控制电路必须随之作相应的变动,所有布线和控制柜极有可能重新设计,耗时且费力然而是利用存储在机内的程序实现各种控制功能的。因此当工艺过程改变时,只需修改程序即可,外部接线改动极小,甚至可以不必改动,其灵活性和通用性是继电器控制电路无法比拟的。第二,可靠性高,抗干扰能力强继电器控制系统中,由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象是不可避免的,大大降低了系统的可靠性。而在控制系统中,大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的,加之在硬件和软件方面都采取了强有力的措施,使产品具有极高的可靠性和抗干扰能力可以直接安装在工业现场稳定地工作。PLC在硬件方面采取电磁屏蔽、光电隔离、多级滤波等措施在软件方面采取警戒时钟、故障诊断、自动恢复等措施,并利用后备电池对程序和数据进行保护,因此被称为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”。第三,编程简单,使用方便。PLC采用面向过程,面向问题的“自然语言”编程方式,直观易懂,主要采用梯形图和语句表编写程序,使得广大电气技术人员更容易接纳和理解。同时设计人员也可根据自己的喜好和实际应用的要求选择其他编程语言。标准是编程语言的标准,除了梯形图!语句表之外,还存在顺序流程图!结构化文本和功能块图三种编程语言的表达方式。一个程序的不同部分可用任何一种语言来描述,支持复杂的顺序操作功能处理以及数据结构。第四,功能强大,可扩展。的主要功能包括开关量的逻辑控制、模拟量控制部分还具备控制或模糊控制功能、数字量智能控制、数据采集和监控、通信、联网及集散控制等功能。PLC的功能扩展也极为方便,硬件配置相当灵活,根据控制要求的改变,可以随时变动特殊功能单元的种类和个数,再相应修改用户程序就可以达到变换和增加控制功能的目的。 PLC以原有的继电器、逻辑运算、顺序控制为基础逐步发展起来的。与继电器控制系统相比较,它以软器件代替了硬器件,以软触点代替了硬触点,以软接线代替了硬接线,从而使其器件、触点的寿命达数万甚至十万小时,而改变接线的速度则极为迅速。它是由计算机简化而来的，又有着诸多自身独特的优势。如下所述：1. 系列化各大生产公司一般都有小型、中型、大型三种系列产品.2.多处理器一般小型机是单处理器系统中型机是双处理器系统,包括位处理器和字处理器大型机则为多处理器系统,由字处理器!位处理器和浮点处理器等组成.3.较大的存储能力4.很强的I/O口5.智能外围接口6.网络化 PLC可连成功能很强的网络系统,一般有低速网络和高速网络两种。这两类网络可级连,网上可兼容不同类型的和计算机,从而组成控制范围很大的局域网络。7.紧凑及高可靠性8. 通俗化的编程语言和丰富的指令目前常用的有三种编程语言：1）顺序控制用的梯形图用以进行逻辑运算,完成时间上的顺序控制2）适用于数值控制的系统流程图,具有算术运算、比较、滤波等功能；3）类似汇编语言的指令表。2.3.2 PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图2.4所示： a. 中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 b、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 C、电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去 图2.4 PLC的基本结构图2.3.3 PLC的工作原理PLC一般采用循环扫描的工作方式。PLC上电后,执行系统程序规定的任务,周而复始地扫描并执行用户程序。完成一次扫描所用的时间称为扫描周期。一次循环过程可归纳为五个阶段,循环扫描过程为公共处理执行用户程序扫描周期计算输入输出刷新外设端口服务-公共处理。1.公共处理在公共处理阶段,要进行复位监视定时器、硬件检查、用户内存检查等操作。若有异常情况,故障显示灯亮,判断并显示故障的性质。若属于一般性故障,则只报警,但不需要停机,可等待处理。2.执行用户程序执行用户程序阶段,逐条解释和执行用户程序,其所需的全部信息都是从映像寄存器中读取的.映像寄存器包括输入映像寄存器和元件映像寄存器。输入映像寄存器存储着输入继电器的通断状态,输入继电器接通为1,断开为0。元件映像寄存器存储着输出继电器、各种辅助继电器等的状态,同样用和表示它们的通断状态。PLC在执行用户程序时所需的外部输入信息,不是直接从输入端读取的,而是从输入映像寄存器中读取的。在每个扫描周期的I/O刷新阶段,CPU从PLC输入端读取一次信息并存入输入映像寄存器中。在此后的一个扫描周期中,尽管PLC输入端的状态可能发生过变化,但输入映像寄存器中的数据也保持不变。同样,所需的输出继电器或其他编程元件的状态信息,是从元件映像寄存器中读取的。在执行用户程序过程中,根据用户程序给出的逻辑关系进行逻辑运算,运算结果再写入元件映像寄存器中。可见,在一个扫描周期中元件映像寄存器中的内容是可变的。3.扫描周期的计算在扫描周期的计算阶段,若预先设定了扫描周期的值,则进入等待,直至达到该设定值时扫描再往下进行若扫描周期设为不定时,则要进行扫描周期的计算。4.I/O刷新在I/O刷新阶段,主要作两件事情.(1)读各输入点的状态从输入电路中读取各输入点的状态并将此状态写入输入映像寄存器中,也就是刷新输入映像寄存器的内容自此输入映像寄存器就与外界隔离,无论输入信号的状态怎样变化,输入映像寄存器的内容都保持不变,一直到下一个扫描周期的I/O刷新阶段,才会写进新内容.(2)读输出元件映像寄存器中的状态将对应输出继电器的元件映像寄存器的状态传送到输出锁存器电路中,再经输出电路的隔离和功率放大送到的输出端,驱动外部执行元件动作。5.外设口服务在外设口服务阶段,完成与外设口连接的外围设备如编程器或通信适配器的通信处理。完成上述各阶段的处理后,又返回公共处理阶段,周而复始的进行扫描。2.2.4 PLC的分类 PLC一般可按控制规模和结构形式分类 一、按PLC得控制规模分类按PLC的控制规模分类，PLC可分为小型机、中型机、大型机。通常小型机的控制点数小于256点，用户程序存储器的容量小于8K字。小型机常用于单机控制和小型控制场合，在通信网络中常作从站。例如，西门子公司的S7-200PLC属于小型机。小型机中，控制点数小于64点的为超小型机或微型PLC。中型机的控制点数一般在256点到2048点范围内，用户程序存储器的容量小于50K字。中型机控制点数较多、控制功能强，常用于中型控制场合，在通信网络中可做主站也可做从站。例如，西门子公司的S7-300PLC就属于中型机。大型机的控制点数在2048点以上，用户程序存储器的容量达50K字以上。大型机控制点数多、功能很强、运算速度很快，常用于大型控制场合，在通信网络中常作主站。例如，西门子公司的S7-400PLC就属于大型机。以上分类没有十分严格的界限，随着PLC技术的飞速发展，这些界限会发生变更。二、按PLC得结构形式分类PLC按结构形式可分为整体式、模块式和叠装式三类。 （1）整体式PLC 整体式PLC是将电源、CPU、I/O部件集中在一个机箱内。其结构紧凑、体积小、价格低。一般小型PLC采用这种结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O和电源。扩展单元内只有I/O和电源。整体式PLC一般配备有特殊功能单元，如模拟单元、位置控制单元等，使PLC的功能得以扩展。例如，美国GE公司的GE-I/J系列PLC为整体式结构。（2）模块式PLC 模块式结构是将PLC各部分分成若干个单独的模块，如电源模块、CPU模块、I/O模块和各种功能模块。模块式PLC由机架和各种模块组成。模块插在机架内的插座上。模块式PLC配置灵活，装配方便，便于扩展和维修。一般大、中型PLC宜采用模块式结构，例如，西门子公司的S7-300PLC、S7-400PLC采用模块式结构形式。有的小型PLC也采用这种结构。（3）叠装式PLC 将整装式和模块式结合起来，成为叠装式PLC。它除了基本单元外还有扩展模块和特殊功能模块，配置比较方便。叠装式PLC集整体式PLC和模块式PLC优点于一身，它结构紧凑、体积小、配置灵活、安装方便。西门子公司的S7-200PLC就是叠装式结构形式。2.3.5 PLC的接入方式电力线通信技术，英文简称PLC，是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。该技术是把载有信息的高频加载于电流，然后用电线传输，接受信息的调制解调器再把高频从电流中分离出来，并传送到计算机或电话上，以实现信息传递。该技术在不需要重新布线的基础上，在现有电线上实现数据、语音和视频等多业务的承载，也就是实现四网合一。终端用户只要插上电源插头，就可以实现因特网接入。PLC利用1.6M到30M频带范围传输信号。在发送时，利用GMSK或OFDM调制技术将用户数据进行调制，然后在电力线上进行传输；在接收端，先经过滤波器将调制信号滤出，再经过解调，就可得到原通信信号。目前可达到的通信速率依具体设备不同在4.5M45M之间。PLC设备分为局端和调制解调器，局端负责与内部PLC调制解调器的通信和与外部网络的连接。在通信时，来自用户的数据进入调制解调器调制后，通过用户的配电线路传输到局端设备，局端将信号解调出来，再转到外部的Internet。2.4变频调速在控制系统中的运用2.4.1变频调速的发展及在调速系统中的应用传统调速系统中，直流调速以其控制容易，调速精度高等特点长期占据了主导地位，但是由于结构复杂，过流能力不强，环境适应差，难以实现高速度化等原因，一直限制了其应用范围的进一步扩大。相比较而言，交流异步电机具有环境适应能力强、过流能力大、牢固耐用、结构简单、容易维护及价格低廉等优点，但异步电机的调速性能难以满足生产要求。随着电力电子器件的产生和控制理论的飞速发展，现代控制理论越来越多的应用到交流调速系统中，使得交流调速性能可以和直流调速相媲美、相竞争，交流调速系统的应用领域不断扩大。近年来，电力电子技术的发展和DSP微处理器的推出，更为高性能交流调速系统的实现奠定了基础，目前己经进入了实用化阶段，作为众多调速方案之一的变频调速，其发展不超过40年，却取得了长足的进步，变频调速以其节能和可平滑调速，调速范围宽等优点得到了广泛的应用22。交流电动机变频调速控制技术大体经历了以下几个发展阶段。第一个阶段为电压/频率(U/f)恒定控制，这种控制方法在低频时定子电压较低，定子漏抗压降所占的份量不能忽略，因此需要人为地把电压抬高一些，用以补偿定子压降，负载不同时需要补偿的定子压降值也不一样，在控制软件中备有不同斜率的补偿特性，以便用户选择。第二个阶段是矢量变换控制，它的方法是模拟直流电动机的控制特点来进行交流电动机的控制，通过电机统一理论和坐标变换理论，把交流电动机定子电流分解成磁场定向坐标的磁场电流分量和与之相垂直的坐标转矩电流分量，把固定的坐标系变换为旋转坐标系后，交流量的控制变为直流量的控制，于是等同于直流电动机。第三个阶段为直接转矩控制，也叫直接自控，它避开了矢量控制中的两次坐标变换及求矢量模与相角的复杂计算工作，直接在定子坐标系上计算电动机的转矩与磁通，使转矩响应时间控制在一拍以内，且无超调，控制性能更好。交流电动机控制系统的硬件由模拟技术转向数字技术，全数字变频技术应用于交流电动机控制。制动减速段速度调节采用低频发电制动方式，将系统的动能反馈给电网，与动力制动减速相比，不仅调速性能好，而且节能效果显著。采用矢量控制技术零速起动转矩达150%，确保带负载时的启动与运行特性，输出频率跟随给定频率，并且频率与电流值可准确指示出来。从而使传动系统获得高精度、高可靠性。采用直接转矩控制可改善低频特性，普通变频器虽然可以输出较低的频率，但输出力矩小，特性较软，采用特殊的软件编程，改善低频特性，即使在输出0Hz的情况下，也能输出200%的负载力矩，达到了在整个运行过程都能输出满足负载要求的力矩。完全避免了带负载时难以启动的现象。电动机使用变频调速控制具有下列优点:(l)调速平滑、调速范围大。通过控制器的控制，变频器的输出频率可以连续调节，实现无级调速，使电动机起动电流小、动负荷小、调速平滑而无冲击。(2)调速精度高。电动机在自然特性上运转时的外特性硬，转速随负载变化小。(3)动态品质好。可使电动机的起动、制动、反转和调速过程的时间降至最少，具有良好的动态品质。(4)易实现电动机的换向，当频率降低至零后即可反向开车，采用控制器改变相序即可实现反转，因此可在四象限内平滑的过渡。(5)节电效果显著。变频调速比转子回路串接电阻的调速方法节约电能20%40%。2.4.2变频调速基本原理异步电机的VVVF调速系统一般简称变频调速系统。由于在变频调速时转差功率不变，在各种异步电机调速系统中效率较高，同时性能也最好，故是交流调速的主要发展方向。交流调速系统的控制量最基本上是转矩、速度、位置，根据不同的用途适当组合可构成各种闭环系统。对电机的调速有两个方向的能力，线面进行分析：1 .基频以下的恒磁通变频调速 这是考虑从基频(电动机额定频率AN)向下调速的情况，为了保持电动机的负载能力， 应保持气隙主磁通m不变， 这就要求降 低供电频率的同时降低感应电动势，保持E1/ f1 = 常数， 即保持电动势和频率之比为常数进行控制。 这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。 但是，E1难于检测和直接控制。当El和f1值较高时，定子的漏阻抗压降相对比较小，如果忽略不计，则可以近似的保持定子相电压U1和频率f1的比值为常数即可。这就是恒压频比，是近似的恒磁通控制。当频率较低时，U1和E1都变小， 定子漏阻抗压降(主要是定子电阻压降)不能再忽略,这种情况下，可以适当的提高定子电压以补偿定子电阻压降的影响,使气隙磁通基本保持不变 。2 .基频以上的弱磁变频调速 这是考虑由基频开始向上调速的情况，频率由额定值.f1n向上增大，但电压U1受额定电 压U1N的限制不能再升高，只能保持U1 =U1n不变。必然会使主磁通随着f1的上升而减小，相当于直流电动机弱磁调速的情况，属于近似的恒功率调速方式。 综合两种情况，异步电动机变频调速的基本控制方式如图2.5所示，为恒转矩区和恒功率区，低频调速时通过电压补偿的方式来保持恒转矩。 图2.5 异步电动机变频调速时的控制特性2.4.3 变频器的分类与特点（1）普通变频器的分类特点对交流电机实现变频调速的装置称为变频调速器，其功能是将电网提供的电压与频率固定不变的交流电变换为可变电压和频率VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）的交流电，实现对电机的无级调速。变频器有交交变频器、交直交变频器两大类，如图2.6所示。交交变频器没有明显的中间滤波环节，电网提供的交流电被直接变成可调频率与电压的交流电，又称直接变频器。交直交变频器是先把电网提供的交流电转换为直流电，经中间滤波后，再进行逆变，而转变为变频变压的交流电，故称为间接变频器。直接变频器只需进行一次能量的变换，所以变换的效率高，工作可靠，但频率的变化范围有限，多用于低频大容量的调速。间接变频器需进行2次电能的逆变换、所以变换效率低，但频率变换范围大。 （a） （b）图2.6 两种类型的变频器（a）交交变频器；（b）交直交变频器按中间滤波环节是电容性的还是电感性的，可将交直交变频器划分为电压源型和电流源型。图2.7为电压源型变频器的主电路结构形式，图2.8为电流源型变频器的主电路结构形式。图2.6电压型变频器中，因采用电容滤波，故输出电压波形是规则的。图2.7(a)结构靠调节晶闸管整流器的控制角进行调压，逆变器只进行调频。图2.7(b)结构则使用不可控整流接入电网，在通过斩波器进行调压，逆变器调频。图2.7(a)、图2.7(b)两种结构的共同特点在都有专门的调压环节调整输出电压的幅值，因此，从最后的输出波形看，它们同属于脉冲幅度调制（PAM）方式。图2.7(c)结构是目前通用变频器最常见的主电路形式，由不可控整流器接入电网，整流之后不调节电压幅值就送入逆变器，由逆变器同时完成调频调压，因其电压幅值不可变，逆变器依靠改变电压输出脉冲的宽度来完成调压，所以称为脉冲宽度调制(PWM)方式。图2.7(b)、图2.7(c)两种结构因采用不可控整流，功率因数高，图2.7(a)结构由采用可控整流，电压波形不完整，谐波的无功功率使得输入端因数降低。图2.7(a)、图2.7(b)两种结构可互相独立地调压、调频，但系统动态响应慢，图2.7(c)结构则动态响应快，且功率因数高，独具优势。图2.8电流型变频器主电路结构中，在整流器与逆变器之间起干扰及无功能量缓冲作用的滤波器件是电感，因此电流型变频器的输出电流波形比较规则。图2.8(a)方案用可控整流器调节电压和电流的大小，用逆变器实现变频，该方案输出电流波形中谐波分量太大，影响了电机的低速性能，因此，对电流型变频器可以采用图2.8(b)所示的二重化结构。二重化结构中，上下2套变频器的输出方波电流频率一致，但相位错开一定的角度，输出时，将2套变频器的输出电流通过变频器（或直接）叠加，叠加之后输出的交流电流将成为多阶梯的波形，更接近于正弦波，有利于抑制低速运行时的转矩脉动，扩大运行范围。多套变频器的叠加称为多重化，但重数越多，控制电路越复杂，越难于实现。图2.7 交直交电压型变频器的结构形成（a）可控整流器调压、六拍逆变器变频；（b）二极管整流斩波器调压、六拍逆变器变频；（c）二极管整流、PWM逆变器调压调频。在交直交变频器中，脉宽调制（PWM）型变频器和正弦波脉宽调制（SPWM）变频器是当前变频器的主要形式，M1350型磨床数控砂轮成型系统中采用的是脉宽调制（PWM）型变频器。（a）（b）图2.8 交直交电流变频器的结构形式（a）可控整流器调压、六拍逆变器变频；（b）二重化结构。（2）脉宽调制（PWM）型变频器图2.9为脉宽调制（PWM）型变频器的示意图，其整流部分采用的是不可控整流桥，它的输出电压经电容滤波后形成恒定的直流电压，逆变部分的主体是6只功率开关器件VT1VT6，这些功率器件可选用功率晶体管GTR、功率场效应晶体管MOSFET、绝缘门极晶体管IGBT等，只要按一定规则控制VT1VT6的导通或断开，逆变器的输出侧即可获得一系列恒幅、调宽的交流电压，实现了变频变压。变频变压的协调控制均在逆变环节中完成。图2.9 PWM交直交电流变频器示意图2.4.4变频调速技术的发展现状 从80年代初通用变频器问世以来，经过近20年，通用变频器更新换代了五次:第一代是80年代初模拟式通用变频器，第二代是80年代中期数字式通用变频器;第三代是90年代初智能型通用变频器:第四代是90年代中期的多功能型通用变频器，最近研制上市第五代集中通用变频器。 通用变频器的发展情况可以从几个方面来说明: 1 .通用变频器的应用范围不断扩大 通用变频器不仅在工业各个行业广泛应用，其应用范围不断扩大，产品正向三个方面发展变化:其一，向无需调整便能得到最佳运行的多功能与高性能型变频器方向发展;其二，向通过简单控制就能运行的小型及操作方便的变频器方向发展;其三，向大容量、高起动转矩及具有环境保护功能的变频器方向发展。 2 .通用变频器使用的功率器件不断更新换代 通用变频器对功率晶体管的基本要求是:能承受足够大的电压和电流;允许长时间频繁地接通和关断;接通和关断的控制必须十分方便。 在 80年代初只有大功率晶体管 (GTR)能够满足上述基本要求条件，后来随着工作频率比G T R提高了一个数量级的绝缘栅双极晶体管 (IGBT)的出现，使变频调速技术又迈向了一步。目前，中小容量的新系列变频器中的逆变部分，已基本被IGBT垄断了。时至90年代末又出现了一种新型半导体开关器件集成门极换流晶闸管 IGCT( integrated gate commutated thyristor) ，该器件是GTO和IGBT相互取长补短的结果，非常适合于中压 (1 KV -10 KV)开关电路，现在己有系列产品。 3 .通用变频器的控制技术性能达到了直流电机调速水平 通用变频器再80年代初采用的控制技术是V/f PWM控制方式，90年代初又出现了矢量控制的通用变频器。矢量控制技术的实用化，使异步电动机变频后的机械特性达到了可以和直流电动机变压后的机械特性相媲美的程度。 如英国的CT公司的VECTOR系列变频器采用磁通矢量控制技术，其性能达到了直流电机调速的水平。 在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频的性能最好，调速范围广，可进行无级调速，运行效果好，采用变频器，对笼型异步电动机进行控制，由于使用方便，可靠性高，并且经济效益明显，所以逐步得到推广。 目前国外变频调速技术发展较快，性能也非常好，在各行各业中得到了广泛的应用，如日本富士、瑞典 ABB 、德国西门子等变频调速系统应用领域非常广泛。国内变频调速技术发展较慢，产品性能较差，很难满足连续化工生产的需求，而且无法实现闭环自 动控制。因此国内使用单位主要以进口为主，很少使用国内生产的产品。2.4.5本设计中变频器与PLC通讯时的参数设置MM440变频器与S7-200PLC实现USS通讯需要设置的参数。P0700： 设置 P07000 = 5，即控制源来自 COM Link 上的 USS 通信 P1000： 设置 P10000 = 5，即设定源来自 COM Link 上的 USS 通信 P2009： 决定是否对 COM Link 上的 USS 通信设定值规格化，即设定值将是运转频率的百分比形式，还是绝对频率值= 0 不规格化 USS 通信设定值，即设定为变频器中的频率设定范围的百分比形式。 1 对 USS 通信设定值进行规格化，即设定值为绝对的频率数值。 P2010： 设置 COM Link 上的 USS 通信速率。根据 S7-200 通信口的限制，支持的通信波特率有：= 4 2400 bit/s 5 4800 bit/s 6 9600 bit/s 7 19200 bit/s 8 38400 bit/s 9 57600 bit/s 12 115200 bit/s 2.5 外围电路硬件设计2.5.1PLC和变频器的选型及外部接线一、PLC的选型。通过对控制系统要求的分析可知，系统共需开关量输入点14个，开关量输出点8个。选CPU224可以满足要求。系统还需要1路模拟量输入和两路模拟量输出，选DM231四路模拟量输入模块一块及EM232两路模拟量输出模块一块。 图2.10（a）主电路图 图2.10（b） 电器控制电路图2.10（c）PLC接线图表2.1 PLC的IO口分配I0.0纠偏工作选择I1.2刀片一手动磨刀I0.1左边检测光电开关I1.3刀片二手动磨刀I0.2右边检测光电开关I1.4刀片三手动磨刀I0.3左边限位开关I1.5刀片四手动磨刀I0.4右面限位开关Q0.0分切装置横向电动机正转I0.5磨刀方式选择Q0.2分切装置横向电动机反转I0.6磨刀一工作状态选择Q0.4刀片一磨刀操作I0.7磨刀二工作状态选择Q0.5刀片二磨刀操作I1.0磨刀三工作状态选择Q0.6刀片三磨刀操作I1.1磨刀四工作状态选择Q0.7刀片四磨刀操作系统主电路、继电器接触器电路与PLC的接线图如图2.10所示。其中，图2.10（a）主电路中，M1为分切装置的横向移动电动机，由接触器KM1及KM2控制其正反向运行。KM1及KM2既可以由PLC的输出点Q0.0及Q0.2驱动，也可以由手动按钮SB9及SB10控制。电动机M2及M3分别为压痕电动机及分切电动机，它们由变频器供电。电动机的转速由PLC的模拟量输出控制。而变频器的电源由接触器KM3及KM4控制，KM3及KM4的通断可见图2.10（b）电器控制电路。图2.10（c）为PLC接线图，除了电源连接外，表2.1还给出了PLC的输入输出端口分配。二、变频器的选择。在变频调速领域，异步电机的控制方式多种多样，但从转矩的响应性和过渡特性来看，变频调速的控制方式分为以下几种:U/F控制U/F控制是交流电机最简单的一种控制方法，通过控制过程中始终保持U/F为常数，来保证转子磁通的恒定。然而U/F控制是一种开环的控制方式，速度动态特性较差，电机转矩利用率低，控制参数(如加/减速度等)还需要根据负载的不同来进行相应的调整，特别是低速时由于定子电阻和逆变器等器件开关延时的存在，系统可能会发生不稳定现象。这种控制方式多用于调速精度不高的场所。转差频率控制转差频率控制是检测异步电动机的转速，对转差频率采取闭环控制。与U/F控制相比，调速精度要求较高，且系统容易稳定，即能在宽广的调速范围内，将电动机的转矩、功率因数及效率控制在最佳状态。但是采用此法的电动机调速系统只能是单机运行，同时转差频率控制未能实施对电机瞬时转矩的闭环控制，尽管这种系统的静态精度较高，但由于快速性较差，故适用于对响应的快速性要求不高的系统。矢量控制矢量控制是一种建立在转子磁链定向的基础上，通过一系列的坐标变换，实现电机定子电流转矩分量和磁通分量的解藕的控制方法，可以将作为控制对象的感应电机当作直流电机来进行控制，实现对瞬时转矩的控制。目前，实用中多采用转差频率矢量控制，由于其没有实现直接磁通的闭环控制，无需检测出磁通，因而容易实现。但是其控制器的设计在某种程度上依赖于电机的参数，为了减少控制上对电机参数的敏感性，已经提出了许多参数辨识、参数补偿和参数自适应方案，收到了较好的效果。直接转矩控制直接转矩控制(DTC)也是一种转矩闭环控制方法，其克服了坐标变换和解祸运算的复杂性，直接对转矩进行控制，通过转矩误差、磁通控制误差，按一定的原则选择逆变器开关状态，控制施加在定子端的三相电压，调节电机的转速和输出功率，达到控制电机转速的目的。由于DTC直接着眼于转矩控制，对转子参数变化表现为状态干扰而非参数干扰，DTC方法比矢量控制方法具有较高的鲁棒性。但是DTC也存在不足之处，其最大的困难就在于低速性能不理想。异步电动机用变频器传动的方块图，如图2.11所示，变频器由变流器、平滑电路、逆变器、控制器四大部分组成，变流器将交流电变为直流电，平滑电路将此直流电平滑后，由逆变器将它变换为频率可调的交流电，向电动机提供电压、电流和频率。整流器平滑电路逆变器控制器电源M图2.11变频器的基本结构在本次的设计系统中，采用了东莞市顺景源印刷机械有限公司的压痕机、分切机电动机参数进行设计，压痕机的电动机功率为11kw，分切机的电动机功率为3kw，考虑到与PLC的配合，以及能够满足电动机的性能要求，设计选用了德国西门子的MM440变频器，对点生产进行调频调速。调速原理如下异步电动机定子对称的三相绕组中通入对称的三相交流电，在电机气隙内会产生一个旋转磁场，其旋转速度为同步转速 （2-1）式中定子绕组电源频率;P电机磁极对数。异步电动机转差率 （2-2）则异步电动机转速 （2-3）由上式可知，异步电动机调速方法有如下几种a.变同步转