基于PLC和变频器运料小车的控制系统设计

摘 要早期运料小车电气控制系统多为继电器接触器组成的复杂系统，这种系统存在设计周期长、体积大、成本高等缺陷，无数据处理和通信功能，必须有专人负责操作，将PLC应用到运料小车电气控制系统，可实现运料小车的自动化控制，降低系统的运行费用，PLC运料小车电气控制系统具有连线简单，控制速度快，可靠性和可维护性好，易于安装、维修和改造等优点。随着经济的发展，运料小车不断扩大到各个领域，从手动到自动，逐渐形成了机械化、自动化。运料小车是焦化厂及其它工业运料的主要设备之一，广泛应用于冶金、有色金属、煤矿等行业。早期运料小车电气控制系统多为“继电器接触器”组成的复杂系统，这种系统存在设计周期长、体积大、成本高等缺陷，几乎无数据处理和通信功能，必须有专人负责操作。本文将介绍一种先进控制系统来对焦化厂运料小车进行自动控制。此系统把PLC控制技术与变频器调速相结合，利用PLC控制变频器，再通过变频器优良的调速性能，可实现运料小车的自动化控制，降低系统的运行费用。此运料小车自动控制系统以可编程序控制器为核心。其中PLC在现场对变频调速系统进行控制，变频器按PLC的命令对小车电机进行变频调速控制，整个系统具有连线简单，控制速度快，精度高，稳定性、可靠性和可维护性好，安装、维修和改造方便等优点。【关键词】：运料小车控制系统；PLC；变频器目 录第一章 绪论11.1 课题的提出背景 11.2 运料小车的发展概况 2第二章 可编程控制器（PLC）概况32.1 PLC的定义32.2 PLC的发展32.3 PLC的特点42.4 PLC的基本组成及各部分作用42.5 PLC的选型72.6 PLC的应用领域72.7 PLC的使用注意事项8第三章 变频器的概况 103.1 变频器的主电路 113.2 变频器的控制电路 123.3 变频器的保护电路 123.4 变频器的分类和控制方式 133.5 变频器的使用注意事项 15第四章 运料小车控制系统设计 174.1 运料小车的系统介绍 174.2 运料小车控制系统图 184.3 I/O分配地址表 204.4运料小车的状态流程图 214.5运料小车的控制梯形图 22结束语25致谢26参考文献27前 言随着国民经济和科技的飞速发展，一个国家的自动化程度的高低，已经成为衡量一个国家发展水平的重要标志，而且在许多方面已经将它提高到决定性的高度，其中工业控制的水平又是反映自动化程度的关键。首先，由于焦化厂工艺流程的特点，这是一个生产环境很恶劣的地方，有很多对人体有害的灰尘、气体和液体，如各种苯的化合物，硫的化合物，煤气等。但焦化是一个很复杂很长的过程，需要对原料进行多次处理，这就需要有机电车对这些原料进行上料、运输、卸载，并且精准度要求也很高，如果由人在现场控制这些机电车，现场的恶劣环境对人体的伤害是很大的。其次，小车运料机电车属于中型机械设备，一般体积较大(如煤车的重量达2吨以上)，行走时惯性较大，运行轨道长度一般不小于50m,煤车按照生产工序的要求，需要处于一种“运行对正停车运行”很精确的往复行走状态。再者，焦炉生产处于露天工作环境，受天气的影响较大，加之车辆是在温度高、粉尘大、腐蚀性气体严重的恶劣环境中作业，车辆分散、活动频繁、运行时自身振动大，使系统的准确检测与定位控制难以保证，相互间信息联系不能及时可靠的传递。所以这就需要有一套稳定性很好的并且智能化程度高的自动化机电车来完成这些工作。怎么来稳定准确的控制这些电机车就是系统的关键。结合生产工艺的各种需要，应选择适合恶劣生产环境的PLC来控制运料小车的运行，使其脱离人工的控制，减少控制的误差，提高生产的效率与质量。可编程序控制器(PLC)是一种为工业环境下应用而设计的计算机，它应用微电子技术，按照用户编制的程序实现控制和数据处理的功能。由于其可靠性高、编程简单、易于维护而广泛应用于各种控制系统。本文将设计一种基于PLC和变频器的运料小车控制系统，根据对运输机械电气控制的分析，设计具有控制管理级和现场设备级的运料小车的PLC控制系统，具有操作简单，运行稳定可靠，工艺参数修改方便，自动化程度高，能节省大量人力、物力、财力，能使国内各行各业的运料环节节约大量资金，带来很好的经济效益。第一章 绪论1.1 课题的提出背景随着我国社会经济的迅猛发展，人民物质文化生活水平日益提高，随着工业自动化的普及和发展,控制器的需求量逐年增大。为了改变落后的生产状态,缓解日趋紧张的供求关系,我们研究了多功能天车。新中国成立特别是改革开放以来，我国社会主义现代化建设取得了举世瞩目的伟大成就。同时，必须清醒地看到，我国正处于并将长期处于社会主义初级阶段。全面建设小康社会，既面临难得的历史机遇，又面临一系列严峻的挑战。经济增长过度依赖能源资源消耗，环境污染严重；经济结构不合理，农业基础薄弱，高技术产业和现代服务业发展滞后；自主创新能力较弱，企业核心竞争力不强，经济效益有待提高。在扩大劳动就业、理顺分配关系、提供健康保障和确保国家安全等方面，有诸多困难和问题亟待解决。从国际上看，我国也将长期面临发达国家在经济、科技等方面占有优势的巨大压力。为了抓住机遇、迎接挑战，我们需要进行多方面的努力，包括统筹全局发展，深化体制改革，健全民主法制，加强社会管理等。与此同时，我们比以往任何时候都更加需要紧紧依靠科技进步和创新，带动生产力质的飞跃，推动经济社会的全面、协调、可持续发展。进入21世纪，我国作为一个发展中大国，加快科学技术发展、缩小与发达国家的差距，还需要较长时期的艰苦努力，同时也有着诸多有利条件。中华民族拥有5000年的文明史，中华文化博大精深、兼容并蓄，更有利于形成独特的创新文化。只要我们增强民族自信心，贯彻落实科学发展观，深入实施科教兴国战略和人才强国战略，奋起直追、迎头赶上，经过15年乃至更长时间坚韧不拔的艰苦奋斗，就一定能够创造出无愧于时代的辉煌科技成就。科技工作的指导方针是：自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来。自主创新，就是从增强国家创新能力出发，加强原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新。重点跨越，就是坚持有所为、有所不为，选择具有一定基础和优势、关系国计民生和国家安全的关键领域，集中力量、重点突破，实现跨越式发展。支撑发展，就是从现实的紧迫需求出发，着力突破重大关键、共性技术，支撑经济社会的持续协调发展。引领未来，就是着眼长远，超前部署前沿技术和基础研究，创造新的市场需求，培育新兴产业，引领未来经济社会的发展。这一方针是我国半个多世纪科技发展实践经验的概括总结，是面向未来、实现中华民族伟大复兴的重要抉择。要把提高自主创新能力摆在全部科技工作的突出位置。在对外开放条件下推进社会主义现代化建设，必须认真学习和充分借鉴人类一切优秀文明成果。改革开放20多年来，我国引进了大量技术和装备，对提高产业技术水平、促进经济发展起到了重要作用。但是，必须清醒地看到，只引进而不注重技术的消化吸收和再创新，势必削弱自主研究开发的能力，拉大与世界先进水平的差距。总之，必须把提高自主创新能力作为国家战略，贯彻到现代化建设的各个方面，贯彻到各个产业、行业和地区，大幅度提高国家竞争力。我国科学技术发展的总体目标是：自主创新能力显著增强，科技促进经济社会发展和保障国家安全的能力显著增强，为全面建设小康社会提供强有力的支撑；基础科学和前沿技术研究综合实力显著增强，取得一批在世界具有重大影响的科学技术成果，进入创新型国家行列，为在本世纪中叶成为世界科技强国奠定基础，形成比较完善的中国特色国家创新体系。企业现代化生产规模的不断扩大和深化，使得生产物的输送成为生产物流系统中的一个重要环节。运料小车自动控制正是用来实现输送生产物的控制系统，随着PLC的发展，国外生产线上的运输控制系统非常广泛的采用该控制系统，而且有些制造厂还开发研制了出了专用的逻辑处理控制芯片，我国的大部分工控企业的运料小车自动控制系统都是从国外引进的，成本高，为了满足现代化生产流通的需要，让PLC技术与自动化技术相结合，充分的利用到我国的工控企业生产线上，让该系统在各种环境下都能够工作，而且成本低，易控制，安全可靠，效率高。1.2 运料小车的发展概况由于PLC的不断发展和革新，使得生产线的运输控制也将得到不断的改善和生产率的不断提高，运料小车控制经历了以下几个阶段： （1）手动控制：在20世纪60年代末70年代初期，便有一些工业生产采用PLC来实现运料小车的控制，但是由于当时的技术还不够成熟，只能够用手动的方式来控制机器，而且早期运料小车控制系统多为继电器一接触器组成的复杂系统，这种系统存在设计周期长、体积大、成本高等缺陷，几乎无数据处理和通信功能，必须有专人负责操作。 （2）自动控制：在20世纪80年代，由于计算机的价格下降，这时的大型工控企业将PLC充分的与计算机相结合，通过机器人技术，自动化设备终于实现了PLC在运料小车控制系统在自动方面的应用。 （3）全自动控制：现阶段，由于PLC技术的向高性能 高速度、大容量发展大型PLC大多采用多CPU结构，不断向高性能、高速度和大容量方向发展。将PLC运用到运料小车控制系统，可实现运料小车的全自动控制，降低系统的运行费用。PLC运料小车自动控制系统具有连线简单控制速度快，精度高，可靠性和可维护性好，维修和改造方便等优点。第二章可编程控制器（PLC）概况2.1 PLC的定义PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。” 2.2 PLC 的发展1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，并公开招标提出十项标准:(1)编程方便，现场可修改程序；(2)维修方便，采用模块化结构；(3)可靠性高于继电器控制装置；(4)体积小于继电器控制装置；(5)数据可直接送入管理计算机；(6)成本可与继电器控制装置竞争；(7)输入可以是交流115V；(8)输出为交流115V, 2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；(9)在扩展时，原系统只要很小变更；(10)用户程序存储器容量至少能扩展到4K。1969年，美国数字公司(DEC)研制出了第一台可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。这种新型的工业控制装置简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长，很快在美国其它工业领域推广使用。随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有了第五代PLC产品。2.3 PLC的特点(1)可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。(2)配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。(3)易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。(4)系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。(5)体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。2.4 PLC的基本组成及各部分作用PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一的。如图下图所示， PLC硬件的基本结构图所示：编程器中央处理单元（CPU）输入电路输出电路系统程序存储区用户程序存储区电源1、中央处理单元(CPU)：CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务:(1) 接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；(2) 诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误;(3) 用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来;(4) PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作;(5) 将用户程序的执行结果送至输出端。现代PLC使用的CPU主要有以下几种: (1)通用微处理器，如8080, 8088, Z80A, 8085等。通用微处理器的价格便宜，通用性强，还可以借用微机成熟的实时操作系统、丰富的软硬件资源。(2) 单片机，如8051等。单片机由于集成度高、体积小、价格低和可扩充性好，很适合在小型PLC上使用，也广泛地用于PLC的智能UO模块。(3) 位片式微处理器，如AMD2900系列等。位片式微处理器是独立于微型机的另一分支。它主要追求运算速度快，它以4位为一片。用几个位片级联，可以组成任意字长的微处理器。改变微程序存储器的内容，可以改变计算机的指令系统。位片式结构可以使用多个微处理器，将控制任务划分为若干个可以并行处理的部分，几个微处理器同时进行处理。这种高运算速度与可以适应用户需要的指令系统相结合，很适合于以顺序扫描方式工作的PLC使用。2、存储器根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种:(1)系统程序存储器:和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM.(2)用户程序存储器:用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。由于RAM掉电会丢失数据，因此使用RAM作用户程序存储器的PLC，都有后备电池(铿电池)保护RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入EPROM.目前较先进的PLC(如欧姆龙公司的CPMIA型PLC)采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需用后备电池保护。(3)工作数据存储器:工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。元件映象寄存器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来存放A/0转换得到的数字和数学运算的结果等。根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可保持数据的存储器区域称为数据保持区。3、1/0单元I/0单元也称为I/0模块。PLC通过I/0单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备的执行元件.4、电源部分PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V, +12V, +24V的直流电源，使PLC能正常工作。电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的CPU，通常电源封装到机壳内部;对于模块式PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。5、扩展接口扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。6、编程器编程器的作用是提供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二级管或其他显示管件组成。智能型的编程器又称为图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRL图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。还可以利用PC作为编程器，PLC生产厂家配有相应的编程软件，使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的互相转换。程序被下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。现在很多PLC已不再提供编程器，而是提供微机编程软件了，并且配有相应的通信连接电缆。2.5 系统PLC的选型PLC与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。PLC有许多I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其他一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。I/O点数选择的内容如下：定义PLC的I/O点数，包括开关量的I/O点数、数字量的I/O点数、模拟量的I/O点数以及特殊功能模块。根据系统的需要，确定系统输入输出设备的数量。1、输入点（设备）的数量 小车自动控制系统的运行，需要设置启动开关、手/自动转换开关以及停车开关，手动开关是便于对系统的检测与维修，当手动有效时，小车应可以在低速度下行驶。小车速度改变信号的输入点(SQ3SQ6点)，本系统采用行程开关向PLC发出信号以此来控制变频器的频率变化。监控机对小车的位置监控是通过接收旋转编码器的输出信号来实现的。旋转编码器是一种光电式旋转测量装置，它将被测的角位移直接转换成数字信号（高速脉冲信号）。因此可将旋转编码器的输出脉冲信号直接输入给PLC，利用PLC的高速计数器对其脉冲信号进行计数，以获得测量结果。变频器的异常输出端子Y2、Y3、Y4和Y5是额定值为DC24V/50mA的集电极开路输出，符合FX2N可编程控制器对输入信号的要求，因此可以将它们与可编程控制器的输入端直接相连，作为变频器的异常信号输入到PLC，经过PLC故障处理子程序进行异常处理。因此，由PLC组成的控制系统共有17个输入信号。其中有2个位置检测输入信号，11开关输入信号，4个变频器异常输入信号。2、输出点（设备）的数量控制变频器的抱闸工作、正反向运行、复位、停止及高低速选择，需要6点开关量输出，为了指示电机的运行状态，如左行、右行、报警等，设置8个输出指示信号，此外，还需要给变频器一个故障信号输入，PLC检测到系统有故障时让变频器停止工作。PLC的选型主要依据控制所需输入/输出点数和用户程序的长度来确定。考虑到系统今后的功能扩展，留有一定余量，本系统选用了功能齐全而且可靠性高的三菱FX2N48MR，这样共有24输入点，输出点24点。可以满足输入、输出的要求，并且还有一定的余量。2.6 PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。(1)开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。(2)模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。(3)运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。(4)过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。(5)数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。(6)通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2.7 PLC使用注意事项虽然PLC具有很高的可靠性，并且有很强的抗干扰能力，但在过于恶劣的环境或安装使用不当等情况下，都有可能引起PLC内部信息的破坏而导致控制混乱，甚至造成内部元件损坏。为了提高PLC系统运行的可靠性，使用时应注意以下几个方面的问题。I/O设备及电动设备的电源线应分开连接，以避免过强的噪声和过大的电源波动引起PLC的CPU工作异常。输入（出）线尽可能的远离输出（入）线、高压线及电机等干扰。信号线应该尽量使用屏蔽电缆。PLC的各单元的地线相连，接地线应用专用的，其直径应在2mm以上，且不能和其他设备共用，更不能接到建筑物的大型金属结构上。PLC要求环境温度应该在055。安装时不能把发热量大的元件放在PLC下面，并且周围应该有足够的通风散热空间。安装PLC的控制柜应当远离有强烈振动和冲击场所，尤其是连续、频繁的振动。必要时可以采取相应措施来减轻振动和冲击的影响，以免造成接线或插件的松动。不宜把PLC安装在有大量污染物（如灰尘、油烟、铁粉等）、腐蚀性气体和可燃性气体的场所，尤其是有腐蚀性气体的地方，易造成元件及印刷线路板的腐蚀。第三章变频器的概述异步电动机用变频器调速运转时的结构图如图3-1所示。通常由变频器主电路（IGBT、BJT、或GTO做逆变元件）给异步电动机提供调压调频电源。此电源输出的电压或电源及频率，由控制回路指令进行控制。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就，还应保护异步电动机及传动系统等。图3-1 变频器的构成 图3-2 典型的电压型逆变器一例3.1 变频器的主电路给异步电动机提供调速调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。图4-2示出了典型的电压逆变器的例子，其住电路由三部分构成，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，有时需附加“制动回路”。1、整流器 最近大量使用的是二极管的变流器，如图4-2所示，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。2、平波回路在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路的构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波电路。3、逆变器同整流器相反，逆变器的作用是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，根据PWM控制信号使6个开关器件导通、关断，就可以得到三相频率相同的交流输出。4、制动电路异步电动机在再生制动区域使用时（转差率为负），再生能量储存于平波回路电容器中，使直流电压升高。一般说来，由机械系统（含电动机）惯量积蓄的能量比电容能储存的能量大，需要快速制动时，可用逆变器向电源反馈或设置制动回路（开关和电阻）把再生功率消耗掉，以免直流电路电压升高。3.2 变频器的控制电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。如图3-1所示，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”，将运算电路的控制回路信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”。在图3-1点划线内，仅以控制A部分构成控制电路时，无速度检测电路，为开环控制。在控制电路B部分增加了速度检测电路，即增加了速度指令，可以对异步电动机的速度进行控制更精确的闭环控制。控制电路主要包括：1、运算电路将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。2、电压/电流检测电路与主回路电位隔离，检测电压、电流等。3、驱动电路为驱动主电路器件的电路。它使主电路器件导通、关断。4、速度检测电路以装在异步电动机轴上的速度检测器（TG、PLG等）的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。5、保护电路检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。3.3 变频器的保护电路1、逆变器保护(1)瞬时过电流保护。由于逆变器负载侧短路等，流过逆变器器件的电流达到异常值（超过容许值）时，瞬时停止逆变器运转，切断电流。变流器的输出电流达到异常值，也同样停止逆变器运转。(2)过载保护。逆变器输出电流超过额定值，且持续通达规定的时间以上，为了防止逆变器期间、线路等损坏要停止运转。恰当的保护需要反时限特性，采用热继电器或者电子热保护（使用电子电路）。过负载是由于负载的GD（惯性）过大或因负载过大使电机堵转而产生的。(3)再生过电压保护。采用逆变器使电动机快速时，由于再生功率直流电路电压将升高，有时超过容许值。可以采取停止逆变器运转或快速减速的办法，防止过电压。(4)瞬时停电保护。对于数毫秒以内的瞬时停电，控制电路工作正常。但瞬时停电时间在10s以上时，通常会使控制电路误动作，主电路也不能供电，所以检出后使逆变器停止工作。(5)接地过电流保护。逆变器负载侧接地设计，为了保护逆变器，有时要有接地过电流保护功能。但为了确保人身安全，需要装设漏电断路器。(6)冷却风机异常。有冷却风机的装置，当风机异常时装置内的温度将上升。因此采用风机热继电器或器件散热片传感器，检出异常后停止逆变器。2、异步电动机的保护(1)过载保护。过载检出装置与逆变器保护共用，但考虑低速运转的过热时，在异步电动机内埋入温度检出器，或者利用装在逆变器内的电子热保护来检出过热。动作频繁时，可以考虑减轻电动机负载、增加电动机及逆变器容量等。(2)超频（超速）保护。逆变器的输出频率或者异步电动机的速度超过规定值时，逆变器停止运转。3、其他保护 (1)防止失速过电流。急加速时，如果异步电动机跟踪迟缓，则过电流保护电路动作，运转就不能继续进行（失速），所以，在负载电流 减小之前要进行控制，抑制频率上升或使频率下降。对于 恒速运转中的过电流，也进行同样的控制。(2)防止失速再生电压。减速时产生的再生能量使主电路直流电压上升，为了防止再生过电压保护电路动作，在直流电压下降之前要进行控制，抑制频率下降，防止失速再生过压。3.4 变频器的分类和控制方式变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。变频器中常用的控制方式：1、非智能控制方式在交流变频器中使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。(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) 矢量控制矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在d、q、0坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种PWM波，达到各种不同的控制目的。例如形成开关次数最少的PWM波以减少开关损耗。目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。基于转差频率的矢量控制方式与转差频率控制方式两者的定常特性一致，但是基于转差频率的矢量控制还要经过坐标变换对电动机定子电流的相位进行控制，使之满足一定的条件，以消除转矩电流过渡过程中的波动。因此，基于转差频率的矢量控制方式比转差频率控制方式在输出特性方面能得到很大的改善。但是，这种控制方式属于闭环控制方式，需要在电动机上安装速度传感器，因此，应用范围受到限制。无速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控制，然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速以达到控制励磁电流和转矩电流的目的。这种控制方式调速范围宽，启动转矩大，工作可靠，操作方便，但计算比较复杂，一般需要专门的处理器来进行计算，因此，实时性不是太理想，控制精度受到计算精度的影响。(4) 直接转矩控制直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩，对于多拖动具有负荷平衡功能。(5) 最优控制最优控制在实际中的应用根据要求的不同而有所不同，可以根据最优控制的理论对某一个控制要求进行个别参数的最优化。例如在高压变频器的控制应用中，就成功的采用了时间分段控制和相位平移控制两种策略，以实现一定条件下的电压最优波形。(6)其他非智能控制方式在实际应用中，还有一些非智能控制方式在变频器的控制中得以实现，例如自适应控制、滑模变结构控制、差频控制、环流控制、频率控制等。2、智能控制方式智能控制方式主要有神经网络控制、模糊控制、专家系统、学习控制等。在变频器的控制中采用智能控制方式在具体应用中有一些成功的范例。(1) 神经网络控制神经网络控制方式应用在变频器的控制中，一般是进行比较复杂的系统控制，这时对于系统的模型了解甚少，因此神经网络既要完成系统辨识的功能，又要进行控制。而且神经网络控制方式可以同时控制多个变频器，因此在多个变频器级联时进行控制比较适合。但是神经网络的层数太多或者算法过于复杂都会在具体应用中带来不少实际困难。(2) 模糊控制模糊控制算法用于控制变频器的电压和频率，使电动机的升速时间得到控制，以避免升速过快对电机使用寿命的影响以及升速过慢影响工作效率。模糊控制的关键在于论域、隶属度以及模糊级别的划分，这种控制方式尤其适用于多输入单输出的控制系统。(3) 专家系统专家系统是利用所谓“专家”的经验进行控制的一种控制方式，因此，专家系统中一般要建立一个专家库，存放一定的专家信息，另外还要有推理机制，以便于根据已知信息寻求理想的控制结果。专家库与推理机制的设计是尤为重要的，关系着专家系统控制的优劣。应用专家系统既可以控制变频器的电压，又可以控制其电流。(4) 学习控制学习控制主要是用于重复性的输入，而规则的PWM信号(例如中心调制PWM)恰好满足这个条件，因此学习控制也可用于变频器的控制中。学习控制不需要了解太多的系统信息，但是需要12个学习周期，因此快速性相对较差，而且，学习控制的算法中有时需要实现超前环节，这用模拟器件是无法实现的，同时，学习控制还涉及到一个稳定性的问题，在应用时要特别注意。3、变频器控制的展望随着电力电子技术、微电子技术、计算机网络等高新技术的发展，变频器的控制方式今后将向以下几个方面发展。(1) 数字控制变频器的实现现在，变频器的控制方式用数字处理器可以实现比较复杂的运算，变频器数字化将是一个重要的发展方向，目前进行变频器数字化主要采用单片机MCS51或80C196MC等，辅助以SLE4520或EPLD液晶显示器等来实现更加完善的控制性能。(2) 多种控制方式的结合单一的控制方式有着各自的优缺点，并没有“万能”的控制方式，在有些控制场合，需要将一些控制方式结合起来，例如将学习控制与神经网络控制相结合，自适应控制与模糊控制相结合，直接转矩控制与神经网络控制相结合，或者称之为“混合控制”，这样取长补短，控制效果将会更好。(3) 远程控制的实现计算机网络的发展，使“天涯若咫尺”，依靠计算机网络对变频器进行远程控制也是一个发展方向。通过RS485接口及一些网络协议对变频器进行远程控制，这样在有些不适合于人类进行现场操作的场合，也可以很容易的实现控制目标。(4) 绿色变频器随着可持续发展战略的提出，对于环境的保护越来越受到人们的重视。变频器产生的高次谐波对电网会带来污染，降低变频器工作时的噪声以及增强其工作的可靠性、安全性等等这些问题，都试图通过采取合适的控制方式来解决，设计出绿色变频器。3.5 变频器使用注意事项为防止触电，燃烧事故和减小电气干扰，必须将变频器和电机接地，变频器使用专用接地端子，接地线尽量粗，使用22 mm2 线，电机接地端子使用4芯电缆中的一根线，在变频器侧接地。 不要将任何电容器连接于变频器的输出侧，因过大的谐波电流将使电容器或变频器过热而受损。 电机电源线的端子用带套管的压装端子。 控制电路的连线应该尽量远离主功率电路的连线（两者距离至少大于10厘米），以防止由于干扰噪声引起误动作。如果两者必须相交叉，应该使用双绞线和屏蔽线。 控制回路输入信号是微弱信号，为防止接触不良，使用孖生接点。 保护回路动作时，为防止控制回路电源断开，异常输出信号不能保持，控制端子电源信号R0、T0接到不间断电源UPS上。 制动电阻应连接到制动单元的P（+）和N（-）端子，不能直接连接于变频器，否则变频器将会过热和引起故障，制动电阻也会烧毁。当使用开路集电极输出端信号时，应该确认连接电源的极性是正确的，如接错电压极性，则可能造成损坏。第四章 运料小车控制系统设计4.1 运料小车的系统介绍1、系统工作概况：运料系统流程示意图如4-1图所示。运料小车由三相交流电动机驱动。 4-1运料小车工作流程图注：SQ1-X11,SQ2-X12,SQ3-X13,SQ4-X14,SQ5-X15,KM1-Y5,KM2-Y6,KM3-Y7,KM4-Y4，KM5-Y1,KM6-Y2。本运料系统具有自动工作方式与手动点动工作方式,具体由自动工作与手动点动工作转换开关K1选择。在自动工作方式时，运料小车处于原位即限位开关SQ1压合，卸料门关闭，按启动按钮后，运料小车按照运料方式选择开关K2预先设定的运料方式进行装料，装好料到卸料处卸料，卸完料到清洗阀处清洗，然后再装料，卸料，清洗，如此不断自动循环工作。按停止按钮后，运料小车在本次装料、卸料、清洗完成后，快速回到原点停止。按急停按钮后，运料小车立即仃在原处，由手动点动工作方式进行处理。在手动点动工作时，运料小车可通过正向点动按钮和反向点动按钮进行正向点动和反向点动以便对设备进行调整，检修和事故处理。运料系统电气自动控制系统采用PLC控制，运料小车电动机采用交流变频调速系统, 运料小车电动机交流变频调速系统亦由PLC控制。2、自动工作方式时装料、卸料及清洗运行控制要求：(1)运料方式由运料方式选择开关K2选择。 当K2闭合时为运料方式(一),此时甲料斗先装料4秒钟,然后乙料斗装料2秒钟。当K2断开时为运料方式(二),此时乙料斗先装料3秒钟,然后甲料斗装料2秒钟。(2)在原位时按下启动按钮时，运料小车按照运料方式选择开关K2预先设定的运料方式进行装料。在运料小车装料运行过程中（包括前进与后退运行过程）,运料小车电动机均先以1200r/min速度运行5秒钟，然后减速至300r/min速度运行,当运料小车到达相应行程开关SQ3(X13)或SQ4(X14)时停车装料。甲料斗装料由KM1(Y5)控制, 乙料斗装料由KM2(Y6)控制。(3)运料小车装料完毕后先以1200r/min速度运行5秒钟，然后减速至300r/min速度运行,当运料小车到达相应行程开关SQ2(X12)时停车卸料。由KM4(Y4)控制卸料5秒钟。(4)卸料完成后，运料小车电动机先以1400r/min速度运行12秒钟后再以500r/min速度驶向清洗阀处，当运料小车到达相应行程开关SQ5(X15)停车清洗。由KM3(Y7)控制清洗小车6秒钟。(5)小车清洗完毕，先以1400 r/min速度反向运行6秒钟后，再减速到300r/min反向运行退回装料处,继续按照运料方式选择开关K2预先设定的运料方式进行装料, 然后再卸料，清洗，如此不断自动循环工作。(6)按停止按钮后，运料小车在本次装料、卸料、清洗完成后，以1400r/min速度反向运行20秒钟后再以500r/min速度驶向原点，当运料小车到达相应行程开关SQ1(X11)停车。(7)当按了急停按钮时，运料小车立即停在原处。3、PLC控制系统和交流变频调速系统控制要求：(1)运料系统电气自动控制系统采用PLC控制，运料小车电动机采用交流变频调速系统, 运料小车电动机交流变频调速系统亦由PLC控制。 运料小车交流变频调速系统采用PLC控制交流变频器的数字量输入端口来控制变频调速系统的起停、正反转、多段固定频率设定及正反向点动等。(2)运料系统电气自动控制系统设有自动工作与手动点动工作转换开关，运料方式选择开关，自动工作时设有启动按钮，停止按钮和急停按钮。手动点动工作时设有运料小车正向点动按钮和反向点动按钮等。(3)运料小车交流变频调速系统的主电路设有自动空气断路器和熔断器。为满足运料小车工艺控制要求, 并配置能耗制动单元和能耗制动电阻。运料小车交流变频调速系统控制方式采用无PG的V/f控制方式。 4、交流变频调速系统设定值：(1)电动机起动从01500r/min耗时3秒，制动从1500r/min0耗时2秒。(2)要求交流电动机按S字曲线进行加、减速运行，加速开始、加速完了、减速开始、减速完了的S字特性时间分别为0.5秒、0.4秒、0.3秒、0.2秒。(3)停车时，当转速降至250r/min开始进行直流制动，直流制动电流为50%电动机额定电流，制动时间为0.6秒。 (4)正向点动速度为300r/min，反向点动速度为300r/min。 (5)以上各转速均为该电动机的同步转速（忽略转速降）。4.2 运料小车控制系统图控制系统如图所示所以体统的主要硬件组成就可分为以下三部分：(1)工控机监控系统由主控单元、现场变送单元、连接电缆等主要部件组成。现场变送单元与运料电机传动轴钢性连接，通过旋转编码器和电缆将现场料车位置信号送至主控单元。主控单元与现场变送单元通过连接电缆连接，共同组成机监控系统，从而实现对料车上料情况的控制和监视。根据工控机实现的功能，本系统选择研华IPC610工业控制计算机，它是专为关键应用而设计，能够在冲击、振动和灰尘较多的恶劣环境下工作。这种高性能的配置，不仅是使用三菱编程软件对FX2N-PLC编程、调试的需要，也为监控系统高效稳定运行提供了保证。其主要配置为：机箱IPC-610H，主板PCA-6184V，CPU Pentium IV 2.4GHz，内存256MB DDR，硬盘HDD 40GB，光驱：50X CDROM。系统由IPC610工控机及外围输入输出模板组成。本系统采用IPC+PLC结构，数据采集部分采用工控机，开关量输入采用PLC可编程控制器，使系统的可靠性更高，操作更方便。此时，工控机一方面担负着数据采集任务，一方面担负着PLC和变频器监控任务。现场信号传入计算机后通过软件分析计算和转换，让系统的状态直观的显示在显示器上。系统操作和画面切换由键盘和鼠标输入，计算机根据不同的输入信息，产生系统操作、画面切换、报表打印等指令。键盘作为工程师键盘，用来设置系统运行状态的设定值和控制参数。(2)PLC运动控制系统PLC作为下位机来实现所有信号的采集、运算、调节。其特点是：减少了控制系统的设计及施工的工作量，可靠性高，抗干扰能力强，编程简单。CP511卡为PLC与工控机的通信接口卡，即通过上位机键盘直接设计参数给PLC，同时PLC通过旋转编码器和电缆将现场料车位置信号和状态信号传给上位机，通过上位机编程软件将信号以直观方式显示在终端显示屏CRT上，从而实现实时地、动态地观察料车在整个上料过程中的运行位置和状态，并实现对料车的在线控制。(3)变频器调速系统本设计的运料系统采用变频器来实现对运料电机速度的调节，变频调速系统具有调速特性平滑，效率高，可以使普通异步电动机实现无级调