无级调速PLC控制系统设计Word下载.docx

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流体无级变速传动具有运动惯性小，动作灵敏，制动迅速，运动平稳，易于实现无级调速，可以获得很大的调速比，而且在大功率、高承载场合易于实现自动化及控制等优点，目前已广泛用于汽车、农林业机械、环保机械、矿山机械、工业机器人驱动系统、太空探测机械等领域[2]。

机械无级变速传动机械无级变速器是利用固体作为中间介质，作为一种通用传动装置主要应用于机械化、自动化生产工艺流程中用以改善机械的工作性能。

结构简单、适应性强、传动效率高、恒功率特性好、操作与维修方便。

利用PLC与变频器的组合，实现以脉冲信号改变频率，进而改变电动机的转速，即为其中的一种方式，同时设置监控平台，可使无极变频调速的性能大大提高。

1.2课题相关技术的国内外发展现状及趋势

1.2.1可编程控制器

可编程控制器简称——PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。

它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中[3]。

据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。

专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。

PLC是在继电器控制逻辑基础上，与3C（Computer,Control,Communication）技术相结合，不断发展完善的。

目前已从小规模单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。

自动化系统中所使用的各种类型PLC，有的是集中安装在控制室，有的是分散安装在生产现场的各单机设备上，虽然它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中，但PLC是专门为工业生产环境而设计的控制装置，在设计和制造过程中采用了多层次抗干扰和精选元件措施，故具有较强的适应恶劣工业环境的能力、运行稳定性和较高的可靠性，因此一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用。

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。

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[4]。

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。

这样，整个系统具有极高的可靠性[5]。

长期以来，plc始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，与dcs和工业pc形成了三足鼎立之势。

同时，plc也承受着来自其它技术产品的冲击，尤其是工业pc所带来的冲击。

目前，全世界plc生产厂家约200家，生产300多种产品。

国内plc市场仍以国外产品为主，如siemens、modicon、a-b、omron、三菱、ge的产品。

经过多年的发展，国内plc生产厂家约有三十家，但都没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，可以说plc在我国尚未形成制造产业化[6]。

在plc应用方面，我国是很活跃的，应用的行业也很广。

专家估计，2000年plc的国内市场销量为15-20万套（其中进口占90%左右），约25-35亿元人民币，年增长率约为12%。

预计到2005年全国plc需求量将达到25万套左右，约35-45亿元人民币。

微型化、网络化、pc化和开放性是plc未来发展的主要方向。

在基于plc自动化的早期，plc体积大而且价格昂贵。

但在最近几年，微型plc（小于32i/o）已经出现，价格只有几百欧元。

随着软plc（softplc）控制组态软件的进一步完善和发展，安装有软plc组态软件和pc-based控制的市场份额将逐步得到增长[7]。

当前，过程控制领域最大的发展趋势之一就是Ethernet技术的扩展，plc也不例外。

现在越来越多的plc供应商开始提供Ethernet接口。

可以相信，plc将继续向开放式控制系统方向转移，尤其是基于工业pc的控制系统。

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。

1.2.2变频器

变频器主要用于交流电动机（异步电机或同步电机）转速的调节，是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案，除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置[8]。

自上世纪80年代被引进中国以来，变频器作为节能应用与速度工艺控制中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。

变频器产生的最初用途是速度控制，但目前在国内应用较多的是节能。

中国是能耗大国，能源利用率很低，而能源储备不足。

在2003年的中国电力消耗中，60—70％为动力电，而在总容量为5.8亿千瓦的电动机总容量中，只有不到2000万千瓦的电动机是带变频控制的。

据分析，在中国，带变动负载、具有节能潜力的电机至少有1.8亿千瓦。

因此国家大力提倡节能措施，并着重推荐了变频调速技术[9]。

应用变频调速，可以大大提高电机转速的控制精度，使电机在最节能的转速下运行。

以风机水泵为例，根据流体力学原理，轴功率与转速的三次方成正比。

当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。

因此，精确调速的节电效果非常可观。

与此类似，许多变动负载电机一般按最大需求来生产电动机的容量，故设计裕量偏大。

而在实际运行中，轻载运行的时间所占比例却非常高[10]。

如采用变频调速，可大大提高轻载运行时的工作效率。

因此，变动负载的节能潜力巨大。

作为节能目的，变频器广泛应用于各行业。

以电力行业为例，由于中国大面积缺电，电力投资将持续增长，同时，国家电改方案对电厂的成本控制提出了要求，降低内部电耗成为电厂关注焦点，因此变频器在电力行业有着巨大的发展潜力，尤其是高压变频器和大功率变频器[11]。

目前，中国的设备控制水平与发达国家相比还比较低，制造工艺和效率都不高，因此提高设备控制水平至关重要。

由于变频调速具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点，在许多需要精确速度控制的应用中，变频器正在发挥着提升工艺质量和生产效率的显著作用。

除了工业相关行业，在普通家庭中，节约电费、提高家电性能、保护环境等受到越来越多的关注，变频家电成为变频器的另一个广阔市场和应用趋势。

带有变频控制的冰箱、洗衣机、家用空调等，在节电、减小电压冲击、降低噪音、提高控制精度等方面有很大的优势[12]。

国内已经有较多的变频器生产厂，但大部分的产品都是V／F控制和电压空间矢量控制变频器，使用在调速精度和动态性能要求不高的负载上应该没有问题。

工业应用中绝大部分都是这种负载，变频器在这种场合应用最重要的要求是可靠性，国产变频器占国内市场份额不高的主要原因是产品品质不过硬。

V／F控制和电压空间矢量控制变频器比矢量控制变频器从技术上来看要简单得多，由于国内厂家大部分都是手工作坊式的生产，工艺欠佳，检测手段有限，品质的一致性和稳定性难以保证。

同样是V／F控制的变频器，国外的产品比国内的产品品质要好，这可能是生产工艺方面的差距。

差距最大的是半导体功率器件的制造业，至今在国内这仍是一个空白[13]。

变频器技术的另外一个层面是应用技术。

多年来，国家经贸委一直会同国家有关部门致力于变频器技术的开发及推广应用，在技术开发及技术改造方面给予了重点扶持，组织了变频调速技术的评测推荐工作，并把推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投资方向，同时鼓励单位开展同贷同还方式，抓开发、抓示范工程、抓推广应用，还处理了风机、水泵节能中心，开展信息咨询和培训。

1995—1997年，3年间我国风机、水泵变频调速技术改造投入资金3.5亿元，改造总容量达100万千瓦，可年节电7亿度，平均投资回收期约2年。

据有关资料表明，我国变频调速技术应用已经取得了相当大的成绩，每年有数十亿元的销售额，说明我国的变频器应用已非常广泛。

从简单的手动控制到基于RS一485网络的多机控制，与计算机和PLC联网组成复杂的控制系统。

在大型综合自动化系统，先进控制与优化技术，大型成套专用系统，如连铸连轧生产线、高速造纸生产线、电缆光纤生产线、化纤生产线、建材生产线等，变频器的作用是电气传动控制，其控制的复杂性、控制精度和动态响应都有很高的要求，已经完全取代了直流调速技术。

近年来，变频器在功能上，利用先进的控制理论，开发出了诸如卷取、提升、主从等控制功能，使应用系统的构成更加方便和容易，使变频器的应用技术提高到一个新的水平[14]。

变频调速这一技术正越来越广泛的深入到行业中。

它的节能、省力、易于构成自控系统的显著优势应用变频调速技术也是改造挖潜、增加效益的一条有效途径。

尤其是在高能耗、低产出的设备较多的企业，采用变频调速装置将使企业获得巨大的经济利益，同时这也是国民经济可持续发展的需要。

1.2.3监控软件

MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，监视与控制通用系统）是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，可运行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000/xp等操作系统。

它具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。

通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。

用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备[15]。

过去工业控制计算机系统的软件功能都靠软件人员编程实现。

工作量大，软件通用性差，且易产生错误。

随着工业控制要求的不断提高，专门用于工业控制的组态软件应运而生，它是一套功能齐全的组态生成工具软件，通用性强，而且系统的执行程序代码部分一般固定不变，为适应不同的应用对象只需改变数据实体即可[16]。

目前国内外有很多公司开发出不少优秀产品，如Intellution公司的Fix，Ci公司的Citect，清华紫光的组态王等。

MCGS是众多监控软件中的一种，它具有许多优点，可用于任何监控系统。

2系统整体结构和功能

2.1PLC

2.1.1PLC的选择

为实验我们选择松下FPΣ系列可编程控制器，其有以下特点。

主要特征:

1高速大容量

2高速脉冲输出功能

3内置2点模拟量旋钮

4晶体管输出短路保护

5PID温度控制功能

具体为：

1.小型但可实现高速高精度位置控制！

标准配置了最大100kHz的脉冲输出功能。

并带有直线插补、圆弧插补型（AFPG26系列）的产品。

2.可自由选择的通信插件。

体积小巧却能完成正规PLC间的连接。

3.具有有利于温度控制的指令和功能。

并带热敏电阻输入控制单元。

4.拥有可低成本实现高度加热器控制、带热敏电阻输入控制单元的产品并有内置2ch热敏电阻输入、带热敏电阻输入控制单元的产品，可低成本实现PID控制进行的加热器控制[17]。

2.1.2PLC系统组成及各部分的功能

1．CPU运算和控制中心（起“心脏”作用）

纵：

当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。

横：

输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。

然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。

把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。

组成：

CPU由控制器、运算器和寄存器组成。

这些电路集成在一个芯片上。

CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接[18]。

2．存储器

具有记忆功能的半导体电路。

分为系统程序存储器和用户存储器。

系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。

由只读存储器、ROM组成。

厂家使用的，内容不可更改，断电不消失[19]。

用户存储器：

分为用户程序存储区和工作数据存储区。

由随机存取存储器（RAM）组成。

用户使用的。

断电内容消失。

常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为3~5年[20]。

3．输入/输出接口

（1）输入接口：

光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。

发光二级管：

在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。

光电三级管：

在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。

在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系[21]。

输入接口电路工作过程：

当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。

当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。

向内部电路输入信号。

也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号[22]。

（2）输出接口

PLC的继电器输出接口电路。

工作过程：

当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。

当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。

也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作[23]。

三种类型：

继电器输出：

有触点、寿命短、频率低、交直流负载

晶体管输出：

无触点、寿命长、直流负载

晶闸管输出：

无触点、寿命长、交流负载

4．编程器

编程器分为两种，一种是手持编程器，方便。

我们实验室使用的就是手持编程器。

二种是通过PLC的RS232口。

与计算机相连。

然后敲击键盘。

通过NSTP-GR软件（或WINDOWS下软件）向PLC内部输入程序[24]。

2.1.3PLC执行程序的过程及功能

PLC执行程序的过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。

1．输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行采样，并存入输入映象寄存器中，此时输入映象寄存器被刷新。

接着进入程序处理阶段，在程序执行阶段或其它阶段，即使输入状态发生变化，输入映象寄存器的内容也不会改变，输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到[25]。

2．程序执行阶段

在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描执行。

若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行。

当遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。

当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器和元件映象寄存器中读出，根据用户程序进行运算，运算的结果再存入元件映象寄存器中。

对于元件映象寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化[26]。

3．输出刷新阶段

当所有程序执行完毕后，进入输出处理阶段。

在这一阶段里，PLC将输出映象寄存器中与输出有关的状态（输出继电器状态）转存到输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动外部负载。

因此，PLC在一个扫描周期内，对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。

当PLC进入程序执行阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。

这方式称为集中采样，即在一个扫描周期内，集中一段时间对输入状态进行采样[27]。

在用户程序中如果对输出结果多次赋值，则最后一次有效。

在一个扫描周期内，只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出，对输出接口进行刷新。

在其它阶段里输出状态一直保存在输出映象寄存器中。

这种方式称为集中输出。

对于小型PLC，其I/O点数较少，用户程序较短，一般采用集中采样、集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但使PLC工作时大多数时间与外部输入/输出设备隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。

而对于大中型PLC，其I/O点数较多，控制功能强，用户程序较长，为提高系统响应速度，可以采用定期采样、定期输出方式，或中断输入、输出方式以及采用智能I/O接口等多种方式[28]。

从上述分析可知，当PLC的输入端输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间，这种现象称为PLC输入／输出响应滞后。

对一般的工业控制，这种滞后是完全允许的。

应该注意的是，这种响应滞后不仅是由于PLC扫描工作方式造成，更主要是PLC输入接口的滤波环节带来的输入延迟，以及输出接口中驱动器件的动作时间带来输出延迟，同时还与程序设计有关。

滞后时间是设计PLC应用系统时应注意把握的一个参数[29]。

目前典型的PLC功能有下面几点。

顺序控制：

这是可编程控制器最广泛应用的领域，取代了传统的继电器顺序控制，例如注塑机、印刷机械、订书机械，切纸机、组合机床、磨床、装配生产线，包装生产线，电镀流水线及电梯控制等。

程控：

在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液体、速度、电流和电压等，称为模拟量。

可编程控制器有A/D和D/A转换模块，这样，可编程控制器可以作模拟控制用于程控。

数据处理：

一般可编程控制器都设有四则运算指令，可以很方便地对生产过程中的资料进行处理。

用PLC可以构成监控系统，进行数据采集和处理、控制生产过程。

较高档次的可编程控制器都有位置控制模块，用于控制步进电动机，实现对各种机械的位置控制。

通信联网：

某些控制系统需要多台PLC连接起来使用或者由一台计算机与多台PLC组成分布式控制系统。

可编程控制器的通信模块可以满足这些通信联网要求[30]。

显示打印：

可编程控制器还可以连接显示终端和打印等外围设备，从而实现显示和打印的功能。

2.2变频器

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

它主要由两部分电路构成，一是主电路（整流模块、电解电容和逆变模块），二是控制电路（开关电源板、控制电路板）。

CPU就安装在控制电路板上，变频器的操作软件烧录在CPU上，同一型号的变频器软件是固定的，唯一例外的就是三晶变频器，软件可根据使用需求更改[31]。

变频器的主电路大体上可分为两类：

电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容；

电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。

调制方式有PWM和PAM,PWM是英文PulseWidthModulation（脉冲宽度调制）缩写，按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调值方式[32]。

PAM是英文PulseAmplitudeModulation（脉冲幅度调制）缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。

2.2.1各部分名称及其作用

图2.1变频器结构

2.2.2控制电路的接线方法

图2.2变频器端口

各种端子有关参数的功能，如下表

表2.1端子有关参数的功能

由上表可知，在端子NO.8,9处可用信号控制运行频率。

NO.8:

频率设定信号切换输入端子（SW2）

（OFF:

PWM信号，ON:

用P09的参数的设定信号进行控制）

NO.9:

PWM信号输入端子

注1）用PWM信号进行输出频率控制，必须设定P22,23,24的参数。

注2）PWM信号用晶体管（Tr）,请使用具有如下能力的晶体管[33]。

1.最大额定电压：

DC50V以上

2.额定电流：

50mA以上

图2.3PWM信号输入端子

由此可知，端子NO.8处于OFF状态，

接通NO.9端子，用PWM信号进行输出频率控制，然后设定P22,23,24的参数。

选择控制方式为外控操作输入PWM信号进行操作控制，放弃操作面板操作。

运用外控输入信号进行运行/停止和正转/反转。

可选外控方式：

（1）P08=3NO.5ON:

正转/OFF:

停止

NO.6ON:

反转/OFF:

（2）P08=2NO.5ON:

运行/OFF:

正转

选定方式

（1）

最大输出频率设定,参数P15=100，设定最大输出频率为100赫兹。

PWM频率信号选择、平均次数、周期（参数P22、P23、P24）

设定P22=1，有PWM频率信号选择。

注：

选择PWM频率信号时，SW2（端子NO.8）和SW3（端子NO.9）的功能将强制性变为PWM控制专用。

控制电路端子的连接和功能说明

1）端子NO.8:

频率信号切换输入端子

ON:

用参数P09设定的信号

OFF:

PWM频率信号

2）端子NO.9:

PWM频率信号输入端子

图2.4控制电路端子

PWM信号与频率指令值之间的关系

图2.5PWM信号与频率指令之间的关系

波形图为端子NO.9—3之间的电压波形。

PWM信号平均次数，设定P23=50,PWM信号周期设定范围为P24=20

接线方式由RS232接通到NO.9端子，输入PWM信号。

假定ON的时间为10ms，即

频率指令值为50。

2.3组态软件

2.3.1MCGSE

MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，通用监控系统）是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方