基于PLC与变频器控制电动机多段转速运行.docx
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基于PLC与变频器控制电动机多段转速运行
基于PLC与变频器控制电动机多段转速运行
1论绪
引言
调速系统快速性、稳定性、动态性能好是工业自动化生产中基本要求。
在科学研究和生产实践的诸多领域中调速系统占有着极为重要的地位特别是在国防、汽车、冶金、机械、石油等工业中,具有举足轻重的作用。
调速控制系统的工艺过程复杂多变,具有不确定性,因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。
可编程控制器(PLC)可编程控制器是一种工业控制计算机,是继续计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。
它具有抗干扰能力强,价格便宜,可靠性强,编程简朴,易学易用等特点,在工业领域中深受工程操作人员的喜欢,因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。
变频调速已被公认为是最理想、最有发展前景的调速方式之一,采用变频器构成变频调速传动系统的主要目的,一是为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求;二是为了节约能源、降低生产成本。
用户根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。
第1章 PLC和变频器
1.1 PLC的介绍
1.1.1 PLC的结构及特点
(1) PLC的结构如下
① 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
② 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。
③ 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。
④ 输入输出接口电路
现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路,作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。
2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成,作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
⑤ 功能模块
如计数、定位等功能模块。
⑥ 通信模块
如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。
(2) PLC其特点如下:
可靠性高,抗干扰能力强
传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。
由于触点接触不良,容易出现故障。
PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器,仅剩下与输入和输出有关的少量硬件,接线可减少到继电器控制系统的1/10~1/100,因触点接触不良造成的故障大为减少。
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。
这样,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
② 硬件配套齐全,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,并且已经标准化、系列化、模块化,配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用,用户能灵活方便地进行系统配置,组成不同功能、不同规模的系统。
PLC的安装接线也很方便,一般用接线端子连接外部接线。
PLC有较强的带负载能力,可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器,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、安装、调试工作量小,维护方便,容易改造
PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。
这种编程方法很有规律,很容易掌握。
对于复杂的控制系统,梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。
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。
1.1.2 PLC的工作原理
当PLC投入运行后,其工作过程一般分为三个阶段,即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间,PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
(1) 输入采样阶段 在输入采样阶段,PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据,并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化,I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
(2) 用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段,PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。
在扫描每一条梯形图时,又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路,并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算,然后根据逻辑运算的结果,刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态;或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态;或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即在用户程序执行过程中,只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化,而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化,而且排在上面的梯形图,其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用;相反,排在下面的梯形图,其被刷新的逻辑线圈的状态
或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。
即使用I/O指令的话,输入过程影像寄存器的值不会被更新,程序直接从I/O模块取值,输出过程像像寄存器会被立即更新,这跟立即输入有些区别。
(3) 输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后,PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间,CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路,再经输出电路驱动相应的外设。
这时,才是PLC的真正输出。
1.1.3 PLC的应用
最初,PLC主要用于开关量的逻辑控制。
随着PLC技术的进步,它的应用如今,PLC不仅用于开关量控制,还用于模拟量及数字量的控制,可采集与存储数据,还可对控制系统进行监控;还可联网、通讯,实现大范围、跨地域的控制用PLC进行开关量控制实例是很多的。
PLC控制系统可应用于三相异步电动机单向运转控制、三相异步电动机可逆运转控制、水塔水位控制、自动送料装车控制、交通信号灯控制、液体混合装置控制、大小球分类传送控制、人行横道与车道灯控制、电动机的丫-△减压起动控制、送料车控制和天塔之光控制等。
目前PLC在国内外已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、轻纺。
汽车。
交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况主要分为:
开关量逻辑控制、模拟量控制、运动量控制、数据采集及处理、信号监控、通信及联网。
由于PLC上述几个方面的应用,而且PLC控制系统使其网络又可大可小,所以PLC已经应用于工业生产的各个行业,如冶金、机械、化工、轻工、食品、建材等等,不仅如此,PLC也应用于一些非工业过程,如楼宇自动化、电梯控制、以及农业大棚环境参数调控等。
1.1.4 PLC发展趋势
由于PLC的性能优越,兼具计算机的功能完备,灵活性强,通用性好和继电接触器控制简单易懂,维修方便等双重优点,形成以微电脑为核心的电子控制设备。
可编程序控制器技术在世界上己广泛应用,成为自动化系统中的基本电控装置PLC在现代工业生产和实际生活中有着广泛的应用,由于可编程控制器(PLC)具有编程软件采自易学易懂的梯形图语言、控制灵活方便、抗干扰能力强、运行稳定可靠等特点,现在的工业自动化生产控制多采用可编程控制器来实现。
现今,国内外的产业结构已由劳动力密集型态转移至技术密集型态,低成本、省力化及自动化已成为大家一直追求的目标。
PLC由于其性能优越、可靠性高、程序编
写容易、安装与维修方便,且只要改变其软件程序即可改变其控制顺序,从而轻易地达成控制上的不同需求。
近年来大量的运用于电力系统训练、故障检测、配电自动化及电厂遥控、系统监控中。
由于工业生产对自动控制系统需求的多样性,PLC的发展方向有两个:
(1) 朝着小型、简易、价格低廉方向发展。
近年来,单片机的出现,促进了PLC向紧凑型发展,体积减小,价格降低,可靠性不断提高。
这种PLC可以广泛取代继电器控制系统,应用于单机控制和规模比较小的自动线控制,如日本立石公司的C20P\C40P\C60P\C20H\C40H等。
(2) 朝着大型、高速、多功能方向发展。
大型的PLC一般为多处理器系统,由字处理器、位处理器和浮点处理器等组成,有较大的存储能力和功能很强的输入输出接口。
通过丰富的智能外围接口,可以独立完成位置控制、闭环调节等特殊功能;通过网络接口,可级连不同类型的PLC和计算机,从而组成控制范围很大的局部网络,适用于大型自动化控制系统,如霍尼韦尔的9000系列等。
从PLC的发展趋势看,PLC控制技术将成为今后工业自动化的主要手段。
在未来的工业生产中,PLC技术、机器人技术和CAD/CAM技术将成为实现工业生产自动化的三大支柱。
1.2 变频器的介绍
1.2.1 变频器的工作原理
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。
主要是由“整流器” 、“平波回路” 、“逆变器” 组成。
其控制电路则主要是由“运算电路” 、“电压、电流检测电路” 、“驱动电路” 、“速度检测电路” 、“保护电路”组成。
而控制电路的作用是给异步电动机供电(电压、频率可调)的主电路提供控制信号的回路。
交流电输入整流器,变为直流通过中间电路,最后变回交流从逆变器输出。
期间可通过控制电路调节控制电流的大小、传输速率和逆变情况等。
交流电动机的同步转速表达式见式1.1:
n=60 f(1-s)/p (1.1)
式1.1中 n———异步电动机的
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