基于USS协议的PLC与变频器的通信设计与研究 毕业设计论文

电气工程系毕业设计论文题 目 基于USS协议的PLC与变频器的通信设计专业名称电气自动化技术学生姓名张松鹤指导教师朱清智毕业时间2011-6-22 目 录摘 要1第1章 绪 论31.1 课题研究的背景31.2 课题的来源和意义41.3 本文研究内容和所做工作5第2章 PLC简介62.1 PLC的原理62.2 PLC的特点72.3 PLC的应用领域8第3章 通用变频器原理93.1 变频器的工作原理93.1.1 变频器的基本结构和原理93.1.2 交-直变换电路103.1.3 直-交变换电路113.1.4 能耗制动电路133.1.5 变频器的控制方式143.1.6 变频器的干扰问题153.2 变频器的类别163.2.1 根据变频环节的不同的分类163.2.2 根据主电路工作方式分类163.2.3 根据电压的调制方式分类173.3 变频调速控制系统的优势173.4 实现变频调速要解决的问题183.4.1 大功率开关器件是实现变频调速的必要条件203.4.2 变频变压203.5 变频调速的现实意义21第4章 控制系统的设计224.1 系统的硬件介绍224.1.1 S7-200 PLC224.1.2 TP270触摸屏234.1.3 变频器244.2 系统的界面设计254.2.1 Protool组态语言264.2.3 报警画面284.2.4 I/O点画面28第5章 系统通信设计和调试295.1 通信方式的选择295.2 PLC之间的通讯315.2.1 NETR（网络读）和NETW（网络写）指令315.2.2 通信程序的设计325.3 PLC与变频器的通讯345.3.1 USS协议345.3.2 USS通信数据格式和编程要求365.3.3 S7-200的接收和发送指令（XTM/RCV）385.3.4 设计通信程序385.4 通信参数设置455.4.1 PPI和MPI协议455.4.2 通信参数设置465.5 系统通信495.5.1 PLC之间的通信调试495.5.2 触摸屏与PLC的通信调试495.5.3 PLC和变频器的通信505.5.4 变频器、编码器和电动机的通信测试515.5.5 调试分析51第6章 结论52致 谢53参考文献54 河南工业职业技术学院毕业论文- 2 -摘 要目前，各种自动化技术手段并行发展、相互融合，为工业控制提供了多种可行的技术途径。可编程序控制器技术、工业控制计算机技术、分布式控制系统、数控系统、人机界面技术以及各种嵌入式控制器系统的快速发展进一步提升了工业自动化技术的发展水平。在工业自动化控制领域的发展过程中，变频器的使用越来越受人们的关注。但是变频调速具有一定的技术难度，人们需要一个慢慢了解和熟悉的过程。变频器的使用最主要的一个特点就是节能和降低成本，许多传统的耗能设备都要进行技术改造。所以变频调速技术的推广有着十分重要的现实意义。同时，随着PLC的不断发展，使得工业自动化控制更加的准确、方便、安全和可靠。把PLC和变频器结合起来一起对电机传动进行控制，实现远程监视网络控制系统。在实际工程中，有的企业已实现了全车间或全厂的综合自动化，即将不同厂家生产的可编程设备连接在单层或多层网络上，相互之间进行数据通信，实现分散控制和集中管理。因此，通信与网络已经成为控制系统不可缺少的重要组成部分，也是控制系统的设计和维护的重点和难点之一。在小型自动化控制系统中，USS协议通信是一种很成功的解决方案，能显示出具有硬件逻辑简单、抗干扰能力强的特点，可以实现车间级的现场总线网络控制。本文介绍了自动化控制技术的综合应用，将各种通用的自动化技术与实践优化结合，将SIEMENS公司的S7-200 PLC和变频器应用于铜大拉机的自动控制中，通过基于USS协议的RS485总线进行组网，进行PLC和变频器对电机的控制，其中PLC和变频器之间的通信设计最为关键。并且将其作了标准化的设计，可以应用于多个自动化控制系统中，大大节约了项目的开发时间和成本，在实际应用中取得了良好的效果。关键词：自动化控制，USS协议，变频器，PLC，通信IIAbstractRecently,many ways of automation technology develop together,which provides a series oftechnology solution for Industry Controlling.The development of thetechnology of Programmable Logic Controller,Industry Personal Computer,distribution Control System,HMI,EMCU upgrades industry automation technology. In the process of the industrial automation control development,the use of frequency onverter is gradually concerned.The use of frequency converter is difficult,we need some timeto understand it.The advantage of frequency converter is that it can reduce the power source andcost,many traditional equipments will be reconstructed at the technical problem.So thefrequency converter technology which is popularized has a significant social meaning.At thesame time,with the development of PLC,the industry automation is become more precision、more convenience、safer and more credibility.PLC is together with transducer to control the engine,realizing the long-distance watch network control system.In the projects,the synthetical automation of the whole workshop or factory have come true n many enterprises.Some programmable equipments of different companies that linked in ingle layer or sevaral layers of network could communicate each orther,which can be controlled in distibution or in concentration.So,communication and nets have been important to controlling systems,and the difficulty and priority of the designing of automation systems.In small automation control system,communication based on USS protocal is a good.solution,which has simple hardware logic,good resistance of interferences.And in this way the field-can-controling of whole-workshop come true.This article discussed comprehensive application of automation control technology,combination of practices and many automation control technologies in common use,and that the S7-200 PLC and frequency converter of SIEMENS is applied to cupper block controling system.The PLC and frequency converter ontrol the engine,which is based on the USS consultation RS485 to make network.The design of the communication between PLC and frequency converter is the most important.The article troduces a standard design,which could be applied to a series of automation systems.It could ave the period and cost of the projects,which have gotten accomplishtion in a degree.Key words:Automation control,USS protocol,transducer,PLC,CommunicationIII.河南工业职业技术学院毕业论文第1章 绪论1.1 课题研究的背景在工业自动化控制领域的发展过程中，控制系统的发展经历了模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统(DCS:Distribution Control System)、现场总线控制系统(FCS:Field-bus Control System)。现场总线具有开放性、分散化和低成本的三大特征。它的出现使传统的自动控制系统产生了划时代的变革，网络化的操作系统开始流行，并发挥了巨大的作用。计算机及通信技术已经成为工业环境中大部分解决方案的核心部分，其在控制系统中的比重正在迅速增加。目前，在工业企业自动化技术应用中，自动化控制系统广义上按功能可分为三个层次，见图1.1，分别是基础自动化、过程自动化和管理自动化，核心是基础自动化和过程自动化。其中，基础自动化部分涵盖了常规意义上的自动控制系统的内容，过程自动化部分是基于信息化技术的自动化，管理自动化则是最上层的融合了控制技术、管理技术的综合自动化技术。本文要阐述的是电线、电缆用铜线的拉拔设备的自动化控制系统的设计。目前电线电缆专用设备中仅有很少部分是自动化的，在设备部件中，也似乎只有放线和收线装置，可使电缆的收线、放线以及调换线盘实现自动化。生产过程自动化的一种可能是将两道工序合并在一条生产线上。较高一级的自动化是自动化物流处理系统以及生产过程和生产线的控制系统。物流处理系统通过自动线盘搬运和信息加工使两道或两道以上的生产工序的生产过程协调一致，从而得到均衡的物料流动和机器的高利用率。该系统包括14个线盘搬运机器人，这些机器人在生产线（机群）、立体仓库和控制装置之间来回搬运线盘。过程控制系统由可编程序控制器和工业计算机组成，通过可编程序控制器对生产线的运行进行控制；通过工业计算机跟踪生产的现实情况，对生产和产品质量进行管理；该系统还可通过屏幕实现人机对话。采用过程控制系统可使生产线的效率和产品质量达到最佳化，而不受操作者的技术水平和能力的影响。生产线能储存大量的工艺文件，以便迅速调换产品，并能持续监察和记录产品质量，对产品进行全面的描述。1.2 课题的来源和意义大拉机是铜加工生产中的咽喉设备。十几年来国产拉丝机水平有了稳步的提高，并已系列化除拉线速度尚有一定差距外，连续退火、快速换模、双盘收线、拉丝鼓轮等离子喷涂等先进技术已得到应用。近几年来，国外拉丝机虽然没有突破性的进展，最高拉线速度也已稳定，但在结构上也有一些值得借鉴的改进。例如一些大拉机采用浸没式乳浊液润滑系统，提高铜线的表面质量，延长鼓轮和模具的寿命；改进大拉连续退火装置中导轮和退火轮的布置，简化导线路径，降低操作高度，便于穿线和维护保养；主齿轮箱采用标准化的模块结构，可以根据用户订货要求组合成不同拉制道数的拉丝机。在拉丝机系列中，巨拉机和微细线拉丝机由于需求量小，发展缓慢，差距较大。随着计算机技术、自动控制技术和通讯技术的综合发展，出现了新型、通用的自动化控制装置PLC。控制技术和变频调速技术在工业设备控制中大量推广，变频控制开始在直进式拉丝机中大量使用，系统并可借助PLC来实现拉丝速度、品种设定、过程闭环控制、定长控制等功能。在工业控制中，交流电机的拖动控制越来越多地采用变频器完成，而它也不仅仅作为一个单独的执行机构，而是随着其不断的智能化，可以同上位计算机之间可以通过各种通信方式结合成一个有机的整体。本文所作的研究就是在这样的背景下利用PLC和变频器对大拉机生产线实现自动化控制。大拉机的工艺流程如图1.1所示。1.3 本文研究内容和所做工作自动控制技术在工业领域中的应用即工业控制自动化技术应用技术，对企业生产过程有明显的提升作用，提高了工业生产产品的质量、数量和生产设备的效率，改善了劳动条件，先进的控制技术手段还极大地提高了人们对社会生产的预测及决策能力。自动控制技术应用系统是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统，它一般由控制装置和被控对象构成，如图1.3所示。其中，控制装置可由各种嵌入式微控制器、可编程控制器、工业控制计算机、分布式控制系统、回路调节器、变频器以及其他控制技术（如现场总线技术、无线通信技术等）构成；控制对象包括各种电动机、生产单元、生产过程等；过程通道完成控制装置与控制对象之间的信号（也包括相应的反馈信号部分）匹配。同时，随着计算机控制迅速地被推广和普及，相当多的企业已经在大量地使用各式各样的可编程设备，如工业控制计算机、PLC、变频器、机器人、数控机床、柔性制造系统等。有的企业已实现了全车间或全厂的综合自动化，即将不同厂家生产的可编程设备连接在单层或多层网络上，相互之间进行数据通信，实现分散控制和集中管理。因此，通信与网络已经成为控制系统不可缺少的重要组成部分，也是控制系统的设计和维护的重点和难点之一。本文通过对大拉机控制系统的设计，涵盖了目前基础自动化和过程自动化中典型自动控制技术手段或装置的应用，包括可编程序控制器技术、工业控制计算机技术、变频器技术、触摸屏技术及组态软件技术。并且重点对PLC和变频器的通信作了很完整的研究，将通信程序作了标准化设计。该设计主要是针对小型自动化控制系统所作的一种控制方案，有一定的适用价值，缩短了项目开发的周期。设计的主要思路是基于USS协议，实现SIEMENS S7-200 PLC对变频调速装置的控制，上位机采用SIEMENS TP270触摸屏及Protool组态语言。在规模相对较小的自动化系统中，由于USS协议是西门子公司一变频器开发的通信协议，可支持变频器同PC或PLC之间建立通信连接，因此USS协议通信是一种很成功的解决方案，能显示出具有硬件逻辑简单、抗干扰能力强的特点，可以实现车间级的现场总线网络控制。 第2章 PLC简介2.1 PLC的原理可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称为PLC，是20世纪60年代末逐步发展起来的一种以计算机技术为基础的新型工业控制装置，专门为工业环境应用而设计制造的计算机。近几年来，PLC技术在各种工业过程控制、生产自动线控制及各类机电一体化设备控制中得到了极为广泛的应用，成为工业自动化领域中的一项十分重要的应用技术。PLC的硬件系统由中央处理单元、存储器、输入输出电路等组成，软件系统由系统程序和用户程序组成。由于顺序控制是PLC的主要功能，因此输入端以开关量部件按钮、继电触点、限位开关等为主，输出端多为继电器、电磁阀线圈和指示灯等，其工作过程总可分为三个阶段:输入采样(处理)、程序执行和输出刷新(处理)。图2.1是PLC控制系统图。PLC采用循环扫描的工作方式。在输入采样阶段，PLC以扫描方式顺序读入所有输入端的通断状态，并将此状态存入输入映像寄存器。在程序执行阶段，PLC按先左后右、先上后下顺序，逐条执行程序指令，从输入映像寄存器和输出映像寄存器读出有关元件的通断状态，根据用户程序进行逻辑、算术运算，再将结果存入输出映像寄存器中。在输出刷新阶段，PLC将输出映像寄存器的通断状态转存到输出锁存器，向外输出控制信号，去驱动用户输出设备。上面三个阶段的工作过程称为一个扫描周期，然后PLC又重新执行上述过程，周而复始地进行。扫描周期一般为几ms到几十ms。由PLC的工作过程可见，PLC执行程序时所用到的状态值不是直接从输入端获得的，而是来源于输入映像寄存器和输出映像寄存器.因此PLC在程序执行阶段，即使输入发生变化，输入映像寄存器的内容也不会改变，要等到下一周期的输入采样阶段才能改变。同理，暂存在输出映像寄存器中的内容，等到一个循环周期结束，才输送给输出锁存器。所以，全部输入、输出状态的改变需要一个扫描周期。PLC是以扫描方式循环、连续、顺序地逐条执行程序。任何时刻，它只能执行一条指令，也就是说，PLC是以“串行”方式工作。PLC的这种串行方式可避免继电器控制系统中触点竞争和时序失配的问题。2.2 PLC的特点PLC的高可靠性和强抗干扰性，平均无故障时间一般可达35万小时，而且PLC的环境适应 性也很能强，这是PLC得到广泛应用的重要原因之一。编程简单，PLC最常用的编程语言是梯形图语言。梯形图与继电器原理图类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识，便于广大现场工程技术人员掌握。当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便灵活。在大型PLC中还有高级编程语言以满足各种不同控制对象和不同使用人员的需要。通用性强，各个PLC的生产厂家都有其各种系列化的产品、各种模块供用户选择。用户可根据控制对象的规模及控制要求，选择合适的PLC产品，组成所需要的控制系统。在进行应用设计时，一般不再需要用户制作其它任何附加装置，从而使设计工作简化。体积小、结构紧凑、安装维修方便，PLC体积小，重量轻，便于安装。一般PLC都具有自诊断、故障报等、故障种类显示等功能，便于操作和维修人员检查，可以较容易通过更换模块插件来迅速排除故障。它与被控制对象的硬件连接方式简单、接线少，便于维护。归纳起来，PLC的特点有：（1）可靠性高、抗干扰能力强，而且PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施。（2）编程简单、使用方便目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。一些PLC还根据具体问题设计了如步进梯形指令等，进一步简化了编程。（3）设计安装容易，维护工作量少。（4）适用于恶劣的工业环境，采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。（5）与外部设备连接方便，采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子功能适合于多种电气规格。（6）功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。2.3 PLC的应用领域PLC已广泛应用国内外的机械、冶金、化工、汽车、轻工等行业中。随着其性能价格比的不断提高，应用范围不断扩大，主要有以下几个方面：(1)开关量逻辑控制PLC最基本的功能是逻辑运算、计时、计数等，可实现逻辑控制，常常用来取代传统的继电器控制系统。PLC对一些机床、机械手的控制、生产自动线的控制都属于这一类应用。 (2)运动控制PLC使用专用的指令或运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，可以实现单轴、双轴、3轴和多轴联动的位置控制，使运动控制与顺序控制功能有机结合在一起。PLC的运动控制功能广泛用于各种机械，例如金属切削机床、金属成形机械、装配机械、机器人、电梯等场合。(3)闭环过程控制闭环过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量I/O模块，实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换与D/A转换，并对模拟量实行闭环PID（比例-积分-微分）控制。SIEMENS的S7-300/400有闭环控制模块、用于闭环控制的系统功能块和闭环控制软件包供用户选用。其闭环控制功能已经广泛地应用于塑料挤压成形、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。(4)数据处理现代的PLC具有整数四则运算、矩阵运算、函数运算、字逻辑运算、求反、循环、移位、浮点数运算等运算功能，和数据传送、转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，也可以用通信功能传送到别的智能装置，或者将它们打印制表。第3章 通用变频器原理3.1 变频器的工作原理3.1.1 变频器的基本结构和原理变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。变频器的基本构成如图3.1所示，其主电路主要由整流电路、直流中间电路和逆变电路三部分以及有关的辅助电路组成。其中整流电路将电网的交流电源进行整流后给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路是变频器的最主要的部分之一。它的主要作用是在控制电路的控制下将直流中间电路输出的直流电压(电流)转换为具有所需频率的交流电压(电流)。逆变电路的输出即为变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。与主电路相对应，为主电路提供所需驱动信号的电路称为变频器的控制电路。控制电路的主要作用是根据事先确定的变频器控制方式，产生进行V/f或电流控制时所需要的各种门极驱动信号或基极驱动信号。此外，变频器的控制电路还包括对电流、电压、电动机速度进行检测的信号检测电路，为变频器和电动机提供保护的保护电路，对外接口电路和对数字操作盒的控制电路。变频器主控制电路的中心是一个高性能的微处理器，并配以PROM、RAM、ASIC芯片和其它必要的周边电路。它通过A/D、D/A等接口电路接收各种检测信号和参数设定值，并进行处理。它主要完成以下任务:(1)输入信号的处理;输入信号包括频率(速度)指令信号和运行、停止、正转、反转的操作控制信号。指令信号有两种:模拟指令信号:010V的电压指令信号或420mA的电流指令信号;数字指令信号:来自RS232C、RS-485(通常为选件)的数字信号。本系统中PLC输入变频器的信号为420mA模拟指令信号，此信号经过A/D变换器转变为数字信号后送入微处理器。(2)加减速速率调节功能:(3)运算处理等。主电路驱动电路是为变频器逆变电路的换流器件提供驱动信号。信号检测电路是将变频器和电动机的工作状态反馈至微处理器，并由微处理器进行处理后为各部分电路给出所需的控制信号和保护信号，以达到控制变频器的输出和为变频器及电动机提供必要的保护的目的。而保护电路是由微处理器来判断变频器本身或系统是否出现了异常，异常时则进行各种必要的处理，包括停止变频器的输出。变频器的保护功能包括对变频器的输出，对驱动电动机的保护和对系统的保护三个方面的内容。变频器的种类较多，但是工作原理类似，以交-直-交电压型变频器为例，简要介绍其工作原理。交-直-交电压型变频器是中小容量、通用型变频器的主要形式，其主电路如图3.2所示。它由交-直变换电路、直-交变换电路和能耗制动电路组成。3.1.2 交-直变换电路交-直变换电路就是整流和滤波电路，其任务就是把电源的三相交流电变换成平稳的直流电，其结构如图3.2中的交-直变换电路所示。1.整流电路在SPWM变频器中，大多数采用桥式全波整流电路。在中、小容量的变频器中，整流器件采用不可控的整流二极管，如图3.2中的VD1VD6，其导通顺序是VD1VD2VD3VD4VD5VD6。但对这些整流器件有一定的选择原则：（1）最大反向电压RM =2M (3_1)式中，M为电源线电压的振幅值。即当电源电压为380V时，RM =2380V=1073V，则选择RM=1200V。（2）最大整流电流MAX = 2N (3_2) 式中，N为变频器的额定电流。2.滤波限流电路（1）滤波电路由于受到电解电容的电容量和耐压能力的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，如3.2中所示，C1和C2。因为电解电容有较大的离散性，故电容C1和C2的电容量不会完全相等，这样使得它们承受的电压C1和C2不相等。为了是C1和C2相等，在C1和C2的旁边个并联一个阻值相等的均压电阻Rc1和Rc2。（2）限流电路图3.2中，串接在整流桥和滤波电容之间，由一个限流电阻Rs和一个短路开关S组成。1）限流电阻Rs变频器在接入电源之前，滤波电容上的直流电压UD = 0。当变频器刚接入电源的瞬间，将有一个很大的冲击电流经整流桥流向滤波电容，使得整流桥可能因此受到损坏，同时，也可能使得电源瞬间电压明显下降，形成干扰。限流电阻S就可起到削弱该冲击电流而串接在整流桥和滤波电容之间。2）短路开关S限流电阻Rs如果长期接在电路内，会影响直流电压UD和变频器输出电压的大小。所以，当直流电压UD增大到一定程度时，把短路开关S接通，限流电阻Rs就短路了。3.1.3 直-交变换电路三相逆变桥的功能就是把直流电变换成频率可调的三相交流电，其基本结构由逆变电路和续流电路组成。1.逆变电路在图3.2中，有开关器件V1V6组成逆变桥，V1V6的工作接受控制电路中的SPWM调制信号控制，把直流电压逆变成三相交流电。SPWM是指在进行脉宽调制时，使得脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则较大。这样的电压脉冲系列可以使得负载电流中的谐波成分大为减少，故称为正弦波脉宽调制（SPWM）。SPWM脉冲系列中，各脉冲的宽度以及相互间的间隔宽度是由正弦波（基准波或调制波）和等腰三角波（载波）的交点来决定的，以单极性SPWM法为例，如图3.3所示。图3.3中u r为正弦调制波，u t为等腰三角载波，每半周期内所有三角波的极性均相同。逆变器件的选择:（1）截止状态下的击穿电压UCEX =2DMAX （3-3）式中，UMAX为直流电压的最大值。（2）集电极最大电流ICM = 2IMAX （3-4）式中, UMAX为输出电流的最大值。2.续流电路由图3.2可知，续流电路由VD7VD12构成，其功能是：（1）为电动机绕组的无功电流返回直流电路时提供通路；（2）当频率下降、从而同步转速下降时，为电动机的再生电能反馈至直流电路提供通路；（3）为电路的寄生电感在逆变过程中释放能量提供通路。3.1.4 能耗制动电路1.能耗制动电路的作用（1）电动机的工作状态在频率刚减少的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电动机的转子转速未变。当同步转速低于转子转速时，转子电流的相位几乎改变了1800，电动机处于发电机状态。与此同时，电动机轴上的转距变成了制动转距，使得电动机的转速迅速下降。从电动机的角度来看，处于再生制动状态。（2）变频调速系统的工作状态电动机再生的电能经图3.2中的续流二极管（VD7VD12）全波整流后反馈到直流电路，由于直流电路的电能无法回输给电网，只有靠C1和C2吸收，尽管各个部分的电路还在继续消耗电能，但C1、C2上仍有短时间的电荷堆积，形成“泵生电压”，使得直流电压升高。过高的直流电压将使得各部分器件受到损害。因此，当直流电压超过一定值时，就要求提供一条放电回路，将再生的电能消耗掉。所以，从变频调速系统的角度看，拖动系统在转速下降时减少的动能，由电动机“再生”电能后，在变频器的直流电路中被消耗掉了。总的来说，是通过消耗能量而获得制动转距的，属于能耗制动状态。用于消耗电动机再生电能的电路，就是能耗制动电路。2.能耗制动电路的构成从图3.2中知，RB为制动电阻，用于将电动机的饿再生电能转换成热量而消耗掉。其选择原则如下：（1）RB的阻值RB的阻值大小一般以使制动电流不超过变频器额定电流的一半为宜，即IRB=UD RB IN / 2RB2UD / IN （3-5）式中IN为变频器的额定电流；UD为直流电压。（2）RB的功率P制动电阻RB是属于短时间工作，所以比长期通电时的消耗功率要小。P AU 2 D RB （3-6）式中，UD为直流电压；a为选用系数，取值范围一般a0.3,0.5，取决于电动机的容量和工作情况。通常，电动机容量较少、制动时间短时取小值，反之取较大值。当电动机的再生制动状态属于正常工状态时，取a=1.0。3.1.5 变频器的控制方式作为变频调速系统的核心-变频器的性能越来越成为调速性能优劣的决定因素，除了变频器本身制造工艺的“先天”条件外，对变频器采用什么样的控制方式也是非常重要的。在交流变频器中常用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。1.v/f控制即u/f=c，正弦脉宽调制(SPWM)控制方式。v/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。V/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。其特点是：控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，己在产业的各个领域得到广泛应用。这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，故造成输出最大转矩减小。2.转差频率控制转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在v/f控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。3.矢量控制(磁场定向法),又称VC控制矢量控制变频调速的做法是:将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流I a、I b、I c通过三相一二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流I a1、I b1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流I m1、I t1(I m1相当于直流电动机的励磁电流；I t1相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。3.1.6 变频器的干扰问题变频器的干扰主要分外部对变频器的干扰和变频器对外部的干扰。1.外部对变频器的干扰当供电电网内有容量较大的其他的换流设备时，容易使电网中的电压出现缺口现象，这样使得变频器的输入侧的整流电路有可能因出现较大的反向回复电压而受到损坏。2.变频器对外部的干扰由于变频器的主回路的非线形（进行开关动作），变频器本身就是一个谐波干扰源，而其周边控制回路却是小能量、弱信号回路，极易遭受其他装置产生的干扰，这样就容易造成变频器自身和周边设备无法正常的工作。因此，变频器在安装使用时，必须对控制回路采取抗干扰措施。3.抗干扰措施（1）合理布线对于通过感应方式传播的干扰信号，可以通过合理布线的方式来削弱。具体方法如下：a) 其他设备的电源线和信号线应尽量远离变频器的输入、输出线，相距的距离至少达到导体直径的40倍，这样干扰程度才不是很明显。b) 其他设备的电源线和信号线应避免和变频器的输入、输出线平行；c) 所有的电源线和信号线都要尽量屏蔽。（2）加入电抗器如图3.4所示，在变频器的输入电流中，频率较低的谐波分量（5、7、9、11次谐波等）所占的比重很高，他们除了可能干扰其他设备的正常运行之外，还会消耗大量的无功功率，LA为交流电抗器，串联在电源与变频器的输入侧之间，其主要功能有：a) 提高功率因数（0.75-0.85）；b) 削弱输入电路中的浪涌电流对变频器的冲击；c) 削弱电源电压不平衡的影响。LD为直流电抗器，串联在整流桥和滤波电容之间。其主要功能就是削弱输入电流中的高次谐波成分，提高功率因数可达0.95。（3）加入滤波器在变频器的输入和输出电路中，除了上述低次谐波成分外，还有许多频率很高的谐波，为了防止它们以各种方式把自己的能量传播出去，形成对其他设备的信号干扰，可在输入或输出部分加入电感或电容滤波器，削弱频率较高的谐波分量。3.2 变频器的类别3.2.1 根据变频环节的不同的分类1.交-直-交变频器先将频率固定的交流电通过整流电路“整流”成直流电，再通过逆变电路把直流电“逆变”成频率任意的可调的三相交流电。2.交-交变频器不通过中间直流环节而把电网频率的交流电直接变换成不同频率的交流电，仅用一次变换就实现变频。交-交变频器与交-直-交变频器相比，有以下优点：（1）只有一次变流，提高了变流效率；（2）低频时，输出接近正弦波。主要缺点：（1）接线复杂，使用的晶闸管较多；（2）受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低；（3）采用相控方式，功率因数较低。3.2.2 根据主电路工作方式分类交-直-交变频器可以分为电压型变频器和电流型变频器。1.电压型变频器在电压型变频器中，逆变电路所需要的支流电压是由整流电路或者斩波电路输出，通过直流中间电路的电容进行滤波平滑后产生的，在逆变电路中被变换为所需频率的交流电压。在电压型变频器中，还需要有专用的放电电路，防止由于能量回馈给电容时直流电压上升，使变流器件因电压过高而被损坏。2.电流型变频器在电流型变频器中，整流电路给出直流电，并通过中间电路的电抗进行滤波后使电流平滑输出，在逆变电路中，被变换为所需频率的交流电流提供给电动机。电流型控制方式更适合于大容量变频器。3.2.3 根据电压的调制方式分类1.正弦脉宽调制（SPWM）变频器电压的大小是通过调节脉冲宽度与脉冲占空比来实现的。2.脉幅调制（PAM）变频器电压的大小是通过调节直流电压幅值来实现的。3.3 变频调速控制系统的优势在现代的工业调速控制装置中，为了满足各种工作速度的要求，目前常用的调速传动方法有:机械式有级调速传动、电气和机械配合的有级调速、电气无级调速。根据拖动系统采用的调速电动机种类不同，电气无级调速系统分为直流调速和交流调速两种类型。它们在工业控制中各有优缺点，下面通过比较，详细阐述变频器控制系统的优势。与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点，如节能，容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围内的高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动，可以适应各种工作环境，可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制，电源功率大，所需电源容量小，可以组成高性能的控制系统等等。在许多情况下，使用变频器的目的是节能，尤其是对于在石化和钢铁行业中大量使用的风扇、鼓风机和泵类负载来说。变频调速能够应用在大部分的电机拖动场合，变频应用可以大大地提高工艺的高效性(变速不依赖于机械部分)，同时可以比原来的定速运行电机更加节能。通过变频器进行调速控制可以代替传统上利用挡板和阀门进行的风量、流量和扬程的控制，所以节能效果非常明显。因为以节能为目的的调速运转对电动机的调速范围和精度要求不高，所以通常采用在价格方面比较经济的通用性变频器。此外，对在电网电源下运行的电动机进行正反转切换时，如果在电动机尚未停止时就进行相序的切换，电动机内将会由于相序的改变而流过大于起动电流的电流，有烧毁电动机的危险，所以通常必须等电动机完全停下来之后才能够进行换相操作。而在采用变频器的交流调速系统中，由于可以通过改变变频器的输出频率使电动机按照斜坡函数的规律进行减速，并在电动机减速至低速范围后再进行相序切换，进行相序切换时电动机的电流可以很小。同样，在电动机的加速过程中可以通过改变变频器的输出频率使电动机按照斜坡函数的规律进行加速，从而达到限制加速电流的目的。因此，在利用变频器进行调速控制时更容易和其他设备一起构成自动控制系统。对于利用普通的电网电源运行的交流拖动系统来说，由于电动机的起动电流较大并存在着与起动时间成正比的功率损耗，所以不能使电动机进行高频度的起/停运转。而对于采用了变频器的交流调速系统来说，由于电动机的起/停都是在低速区进行而且加减速过程都比较平缓，电动机的功耗和发热较小，可以进行较高频度的起停运转。变频调速系统的上述特点可以用于采用交流拖动系统的传送带和移动工作台等以达到节能的目的。这是因为，在利用异步电动机进行恒速驱动的传送带以及移动工作台中，电动机通常一直处于工作状态，而采用变频器进行调速控制后，由于可以使电动机进行高频度的起停运转，可以使传送带或移动工作台只是在有货物活工件时运行，而在没有货物或工件时停止运行，从而达到节能的目的。由于在变频器驱动系统中电动机的调速控制是通过改变变频器的输出频率进行的，当把变频器的输出频率降至电动机的实际转速所对应的频率以下时，负载的机械能将被转换为电能，并被回馈到变频器。而变频器可以利用自己的制动回路将这部分能量以热能消耗或回馈给供电电网，并形成电气制动。此外一些变频器还具有直流制动功能，即在需要进行制动时，可以通过变频器给电动机加一个直流电压，并利用该电压产生的电流进行制动。3.4 实现变频调速要解决的问题三相交流异步电动机从19世纪80年代发明后，人们就已经知道其转速：n =( 60f p )(1 s) （3-7）式中，n为每分钟的转速；f为交流电的频率；p为磁极的对数；s为转差率。高速驱动是变频器调速控制的最重要的优点之一。这是因为对于直流电动机来说，由于受电刷和换向环等因素的制约，无法进行高速运转。但是，对于异步电动机来说，由于不存在上述制约因素，理论讲异步电动机的转速可以达到相当高的速度。目前高频变频器的输出频率己经可以达到300kHZ，所以当利用这种高速变频器对二极异步电动机进行驱动时，可以得到高达18000or/min的高速。而且随着变频器技术的发展，高频变频器的输出频率也在不断提高，因此进行更高速度的驱动也将成为可能。此外，与采用机械增速装置的高速驱动系统相比，由于采用高速变频器的高速驱动系统中并不存在异步电动机以外的机械装置，其可靠性更好，而且保养和维修业更加简单。在变频器调速控制系统中，变频器和电动机是可以分离设置的。因此，通过和各种不同的异步电动机的适当组合，可以得到适用于各种工作环境的交流调速系统，而对变频器本身并没有特殊要求。由于变频器本身对外部来说可以看作是一个可以进行调频调压的交流电源，可以用一台变频器同时驱动多台异步电动机或同步电动机，从而达到节约设备投资的目的。而对于直流调速系统来说，则很难做到这一点。当用一台变频器同时驱动多台电动机时，若驱动对象为同步电动机，所有的电动机将会以同一速度(同步转数)运转，而当驱动对象为容量和负载都不相同的异步电动机时，则由于转差的原因，各电动机之间会存在一定的速度差。因为变频器是通过交流-直流-交流的电源转换后对异步电动机进行驱动的，所以电源的功率因数不受电动机功率因数的影响，几乎为定值。此外，当用电网电源对异步电动机进行驱动时，电动机的起动电流为额定电流的5-6倍，这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量，从而降低电机的寿命。而在采用变频器对异步电动机进行驱动时，由于可以将变频器的输出功率降至很低时起动，电动机的起动电流很小，因而，变频器输入端电源的容量也可以比较小。一般来说，变频器输入端的容量只需为电动机输出容量的1.5倍左右即可。这也说明变频器也可以同时起到减压起动器的作用。随着控制理论、交流调速理论和电子技术的发展，变频器技术也得到了充分地重视和发展，目前，由高性能变频器和专用的异步电动机组成的控制系统在性能上己经达到和超过了直流电动机伺服系统。此外，由于异步电动机还具有对环境适应能力强，维护简单等许多直流伺服电动机所不具备的有点，所以在许多需要进行高速高精度控制的应用中这种高性能的交流调速系统正在逐步替代直流伺服系统。而且由于高性能的变频器的外部接口功能也非常丰富，可以将其作为自动控制系统中的一个部件使用，构成所需的自动控制系统。3.4.1 大功率开关器件是实现变频调速的必要条件在变频器中，逆变桥是变频器的关键部分，它由六个开关器件构成。逆变过程就是这六个开关器件按一定的规律不停的导通和截止的过程。而要想实现逆变过程，这六个开关器件必须满足以下要求：（1）能承受足够大的电压和电流；（2）允许长时间频繁地接通和关断；（3）接通和关断的控制必须非常的方面。但是由于大功率开关器件发展的限制，一直都无法进行逆变过程。直到20世纪60年代，随着晶闸管（SCR）功率的不断增大，才使得变频器调速成为了可能。直到20世纪70年代，大功率晶体管（GTR）的问世，变频调速才普及。后来的场效应晶体管的出现和不断提高，使得变频器在各个方面更加成熟和稳定的发展。3.4.2 变频变压在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通量m为不变额定值。磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费;磁通太大，又会使铁芯饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。对于直流电机，励磁绕组是独立的，只要对电枢反映的补偿合适，保持m不变是容易做到的.在交流异步电机中，磁通是由定子和转子磁势合成产生的，怎样才能保证磁通恒定呢?电动机要求主磁通m保持不变，不然影响电动机的性能。m = E1X 4.44KEfXN （3-8）式中，m为主磁通；E1X 、fX为一相定子绕组电动势和频率；KE为比例常数；N为一相绕组的匝数。E1X = IMZM = IM(RM+jXM) （3-9）式中，IM为激磁电流；RM为激磁阻抗；XM为激磁电抗。Te =CTmIM cos （3-10）式中，Te为电磁转距；IMcos为电流有功分量；CT为比例系数。如果主磁通增大，从上式（3-8）可知，则E1X增大，而（3-9）中可知，E1X增大，励磁电流IM也增大，使得电动机的磁路饱和而引起励磁电流发生畸变。如果主磁通减少，从（3-10）可知电动机的输出转距也跟着减少。为使主磁通IM不变，（3-8）式可变为：E1X fx = 4.44mKEN =Cm （3-11）从（3-11）式中可知，要使得m不变，则E1X和fx要同步增加和减少。即E1X fx =E1X fx ，C = 4.44KEN，要保持电机磁通恒定，必须使定子电压随定子频率成正比变化，这种E1X和 fx的配合变化称为恒磁通变频调速中的协调控制，也就是说变频的同时也要变压。这是恒电压频率比的协调控制方式(简称恒压频比)，其机械特性曲线簇如图3.6所示。由图可见，从同步转速(M=0)到最大转矩(Max)的特性可近似看作是线性关系，且线性段基本平行，类似于直流电机的调压特性。但最大转矩Max却随fx下降而减少，这是因为fx高时，E1X数值较大，定子阻抗压降的比例很小，fx低时，E1X数值较小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著。所以m小很多，Max就很小。载起动是很不利的。这对于满载或过载起动是很不利的，而对于风机水泵类机械负载还是合适的。图3.5：变频调速机械特性V/f控制就是这样一种控制方式，改变频率的同时控制逆变器的输出电压，使电机磁保持一定，在广范围内调速运转电机的效率，功率因数不下降，因为是控制电压与频率比，因而称为V/f控制。3.5 变频调速的现实意义自从19世纪80年代发明了三相交流异步电动机以来，由于其转子回路内的电流不必外部通入，转子的结构极为简单坚固、易于维护。因而长期以来，在工农业设备中占有始终处于绝对领先地位。然而，在调速方面，三相交流异步电动机竟长期处于“低能儿”状态，因此，现实三相交流异步电动机无级调速，成为人们新的研究方向。在电力拖动领域，解决好三相交流异步电动机无级调速具有十分重要的意义：1.可以大大提高工农业生产设备的加工精度、工艺水平以及工作效率等，提高产品质量和数量；2.可以大大减少生产机械的体积和重量，减少金属的耗用量；3.对于风机和泵类负载，采用调速的方法，节电率可达到（2060）%。近年来，随着科技的进步、企业自动化程度的提高，对机械设备的要求不仅仅是性稳定、操作方便，还应该尽可能地节约能源。变频器与交流电动机相配合，使交流传动统具备了调速范围宽、稳速精度高、动态响应快、运行可靠性高的特点及良好的技术性能特别是在节约能源方面起到了很大的作用，变频器的推广应用引起了人们的高度重视。第4章 控制系统的设计控制系统核心是PLC控制部分，包括接受触摸屏传送的逻辑点和数据，两个PLC的数据交换，传送数据对变频器实现控制。该控制系统结合