燕山大学PLC课设自动定时搅拌系统.docx

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燕山大学PLC课设自动定时搅拌系统

一引言·······················································2

二设计要求及介绍·············································3

2.1自动定时搅拌系统·······································3

2.2组态王软件介绍·········································3

2.3四层电梯··············································5

三总体方案设计···············································5

3.1自动定时搅拌系统·······································5

3.2四层电梯··············································12

四变频器（查阅资料）·········································15

4.1通用变频器的发展·····································19

4.2变频器的选择·········································21

4.3变频器的工作原理及控制方式···························22

4.4变频器自学习功能的应用方法····························25

4.5变频器的功率输出驱动技术动向··························25

五心得体会··················································27

参考文献

一引言

可编程序控制器简称PLC，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。

自1969年针对工业自动控制的特点和需要而丌发的第一台PLC问世以来，迄今己30多年，它的发展虽然包含了前期控制技术的继承和演变，但又不同于顺序控制器和通用的微机控制装置。

它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电气操作维护人员的技能和习惯，摒弃了微机常用的计算机编程语言的表达方式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，调试和查错都很容易。

用户买到所需PLC后，只需按说明书或提示，做少量的安装接线和用户程序的编制工作，就可灵活而方便地将PLC应用于生产实践。

而且用户程序的编制、修改和调试不需要具有专门的计算机编程语言知识。

这样就破除了“电脑”的神秘感，推动了计算机技术的普遍应用。

可编程序控制器PLC在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术。

PLC现已成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD／CAM、ROBOT）之一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能，易与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备高速记数与位控等高性能模块等优异性能，同益取代由大量中间继电器、时间继电器、记数继电器等组成的传统的继电一接触控制系统，在机械、化工、石油、冶会、轻工、电子、纺织、食品、交通等行业德到广泛应用。

PLC的应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。

二设计要求及介绍

2.1自动定时搅拌系统

自动搅拌系统如图所示，该搅拌系统的动作过程如下：

初始状态是出料阀门A关闭，然后进料阀门B打开，开始进料，液面开始上升。

当液面传感器L1的触点接通后，搅拌机开始搅拌。

搅拌5min后，停止搅拌，打开出料阀门A。

当液面下降到传感器L2的触点断开时，关闭出料阀门A，又重新打开进料阀门B，开始进料，重复上述过程。

图2.1自动定时搅拌系统

2.2组态王软件介绍

2.2.1特点

组态王具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。

通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。

其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。

尤其考虑三方面问题：

画面、数据、动画。

通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。

组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。

而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。

它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。

2.2.2实践

1、使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法：

（1）图形界面的设计

（2）构造数据库

（3）建立动画连接

（4）运行和调试

2、使用组态王软件开发具有以下几个特点：

（1）实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。

（2）该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。

对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。

3、在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面:

（1）图形,是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。

（2）数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。

（3）连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。

2.3四层电梯

目前，在电梯的控制方式上，主要有继电器控制、PLC控制和微型计算机控制三种。

而PlC实际上是一种专用计算机，它采用巡回扫描的方式分时处理各项任务，而且依靠程序运行，这就保证只有正确的程序才能运行，否则电梯不会工作；又由于PLC中的内部辅助继电器及保持继电器等实际上是PLC系统内存工作单元，即无线圈又无触点，使用次数不受限制，属无触点运行，因此，它比继电器控制有着明显的优越性，运行寿命更长，工作更加可靠安全，自动化水平更高。

PLC控制是三种控制方式中最具有可靠性、实用性和灵活性的控制方式，它更适合于用在电梯的技术改造和控制系统的更新换代，是电梯控制系统中理想的控制新技术。

三总体方案设计

3.1自动定时搅拌系统

3.1.1自动定时搅拌系统的基本功能

该搅拌系统的基本功能如下：

初始状态是出料阀门A关闭，然后进料阀门B打开，开始进料，液面开始上升。

当液面传感器L1的触点接通后，搅拌机开始搅拌。

搅拌5min后，停止搅拌，打开出料阀门A。

当液面下降到传感器L2的触点断开时，关闭出料阀门A，又重新打开进料阀门B，开始进料，重复上述过程。

本次自动定时搅拌系统的设计主要使用组态王软件来设计实现的。

3.1.2组态王实现

1、系统设计：

A．启动浏览器，新建工程。

B．设备定义：

把地理上分散的物理硬件在软件上变成集中的逻辑硬件。

C.变量定义：

完成所有想到的变量定义，对于没有想到的后面设计过程遇到再定义。

D．画面绘制：

完成各种需要画面的绘制。

E．动画连接及按键的程序编写。

1水泵的动画连接及其程序编写

2水管的动画连接

3启动按键的定义

4停止按键的定义

F．配置系统程序编写

主程序如下：

if（电源==1）

{if（开关==1）{if（液位5==-5）{阀门B=1;}

if（阀门B==1）{下降1=50;水流=水流+3;液位5=液位5+0.5;

if（水流>40）{水流=0;}

}

if（液位5>0）{传感器2=1;}

if（液位5>=50）{阀门B=0;传感器1=1;定时=定时+1;}

if（传感器1==1）{电机=1;闪烁=闪烁+1;if（闪烁==2）{闪烁=0;}

}

if（定时==100）{阀门A=1;}

if（阀门A==1）{下降1=下降1-0.5;传感器1=0;

移动=移动+3;if（移动>78）{移动=0;}

}

if（传感器1==0）{电机=0;}

if（下降1==-1）{液位5=-5;传感器2=0;阀门A=0;定时=0;}

if（阀门A==0&&下降1==-1）{阀门B=1;}

}

}

else{开关=0;阀门B=0;阀门A=0;水流=0;移动=0;下降1=0;液位5=-5;传感器1=0;传感器2=0;定时=0;电机=0;}

3.2四层电梯

3.2.1设计思想以及功能说明：

图3.2电梯控制模型示意图

本电梯设计采用PLC构成四层简易电梯电气控制系统。

电梯的上、下行由一台电动机拖动，电动机正转为电梯上升，指示灯Q2.2，反转为下降指示灯Q2.1。

一层有上升呼叫按钮I0.3，二层有上升呼叫按钮I0.2以及下降呼叫按钮I0.4，三层有上升呼叫按钮I0.1以及下降呼叫按钮I0.5，四层有下降呼叫按钮I0.0。

一至四层有到位行程开关I1.1～I1.4。

一层至四层外部有指示灯，用数码管显示楼层，分别为Q0.0～Q0.6，

运行要求：

（1）电梯上行：

①当电梯停于1楼（1F）或2F、3F时，4楼呼叫．则上行到4楼

碰行程开关后停止。

②电梯停于1F或2F，3F呼叫、则上行，到3F行程开关控制停止。

③电梯停于1F，2F呼叫，则上行，到2F行程开关控制停止。

④电梯停于lF，2F、3F同时呼叫，则电梯上行到2F后，停5秒种，继续上行到3F停止。

⑤电梯停于1F，3F、4F同时呼叫，电梯上行到．3F，停5秒，继续上行到4F停止。

⑥电梯停于1F，2F、4P同时呼叫，电梯上行到2F，停5秒，继续上行到4F停止

⑦电梯停于1F，2F、3F、4F同时呼叫，电梯上行到2F，停5秒，继续上行到3F，停5秒，继续上行到4F停止。

⑧电梯停于2F、3F，4F同时呼叫，电梯上行到3F停5秒，继续上行到4F停止。

（2）电梯下行：

①电梯停于4F或3F或2F，1F呼叫，电梯下行到1F停止。

②电梯停于4F或3F，2F呼叫，电梯下行到2F停止。

③电梯停于4F，3F呼叫，电梯下行到3F停止。

④电梯停于4F，3F、2F同时呼叫，电梯下行到3F，停5秒，继续下行到2F停止

⑤电锑停于4F，3F、1F同时呼叫，电梯下行到3F，停5秒，继续下行到1F停止

⑥电梯停于4F，2F、1F同时呼叫，电梯下行到2F，停5秒，继续下行到1F停止。

⑦电梯停于4F，3F、2F、1F同时呼叫，电梯下行到3F，停5秒，继续下行到2F停5秒，继续下行到lF停止。

（3）各楼层运行时间应在15秒以内，否则认为有故障。

（4）电梯停于某一层时，数码管应显示该层的楼层数。

（5）设计电梯停于2F,3F时，电梯运行状态。

（上下同时呼叫时，采取先上后下的原则）

3.2.2I\O端子分配

输入

输出

主机

实验模块

注释

主机

实验模块

注释

X1

LAY1

一楼行程开关

Y1

DJA

电机上行

X2

LAY2

二楼行程开关

Y0

DJB

电机下行

X3

LAY3

三楼行程开关

COM1

24V

X4

LAY4

四楼行程开关

X11

2DN

一层上呼

Y6

A

数码管段码

X12

3DN

二层上呼

Y7

B

X12

4DN

二层下呼

Y10

C

X13

1UP

三层上呼

Y11

D

X13

2UP

三层下呼

Y2

E

X14

3UP

四层下呼

Y13

F

COM2

24V

Y14

G

COM3

24V

LEDCOM

GND

COM

COM

GND

3.2.3四层电梯PLC设计步进梯形图

四变频器（查阅资料）

4.1通用变频器的发展

上个世纪80年代初，通用变频器实现了商品化。

在近20年的时间内经历了由模拟控制到全数字控制和由采用BJT到采用IGBT两个大发展过程。

A、容量不断扩大

80年代初采用的BJT的PWM变频器实现了通用化。

到了90年代初，BJT通用变频器的容量达到了b00KVA,400KVA以下的已经系列化。

前几年主开关器件开始采用IGBT，仅三、四年的时一间，IGBT变频器的单机容量己达1800KVA，随着IGBT容量的扩大，通用变频器的容量也将随之扩

B、结构的小型化

变频器主电路中功率电路的模块化，控制电路采用大规模集成电路（LSI）和全数字控制技术，结构设计上采用“平面安装技术”等一系列措施，促进了变频电源装置的小型化。

另外，一种混合式功率集成器件，采用厚薄膜混合集成技术，把功率电桥、驱动电路、检测电路、保护电路等封装在一起，构成了一种“智能电力模块”（IntelligentModule,IPM）这种器件属于绝缘金属基底结构，所以防电磁干扰能力强，保护电路和检测电路与功率开关间的距离尽可能的小，因而保护迅速且可靠，传感信号也十分迅速。

C、多功能和智能化

电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化方向发展。

特别是微机的应用，为变频器多功能化和高性能化提供了可靠的保证。

人们总结了交流调速电气传动控制的大量实践经验，并不断融入软件功能。

日益丰富的软件功能使通用变频器的多功能化和高性能化为用户提供了一种可能，即可以把原有生产机械的工艺水平“升级”，达到以往无法达到的境界，使其变成一种具有高度软件控制功能的新机种。

8位、16位及32位CPU奠定了通用变频器全数字控制的基础。

32位数字信号处理器（DigitalSignalProcesser-DSP）的应用将通用变频器的性能提高一大步，实现了转矩控制，推出了“无跳闸功能”。

目前，新一代变频器开始采用新的“精简指令集计算机”（ReducedInstructionSetComputer-RISC），将指令执行时间缩短到纳秒级。

它是一种矢量微处理器，其功能着重点放在常用基本指令的执行效率上，舍弃了某些运算复杂而使用率不高的指令，省下它们所占用的硬件资源用于提高基本的运算速度，达到了以“每秒上亿条指令”为单位来衡量运算速度的程度。

有文献报道，RISC的运算速度可达1000MIPS，即10亿次/秒，相当于巨型计算机水平。

指令计算时间为ins量级，是一般微处理器所无法比拟的。

有的变频器厂家声称，以RISC为核心的数字控制，可以支持无速度传感器矢量控制变频器的矢量控制算法、转速估计计算、PID调节器在线实时运算。

目前出现了一类“多控制方式”通用变频器。

例如本设计所采用的安川公司的VS）16-G5变频器就有:

（1）无PG（速度传感器）V/f控制;

（2）有PGV/f控制;（3）无PG矢量控制:

（4）有PG矢量控制等四种控制方式。

通过控制面板，可以控制上述四种控制方式中的一种，以满足用户的需要。

D、应用领域不断扩大

通用变频器经历了模拟控制、数字控制、数模混合控制，直到全数字控制的演变，逐步地实现了多功能化和高性能化，进而使之对各类生产机械、各类生产工艺的适应性不断增强。

最初通用变频器仅用于风机、泵类负载的节能调速和化纤工业中高速缠绕的多机协调运行等，到目前为止，其应用领域得到了相当的扩展。

如搬运机械，从反抗性负载的搬运车辆、带式运输机到位能负载的起重机、提升机、立体仓库、立体停车厂等都已采用了通用变频器;金属加工机械，从各类切削机床直到高速磨床乃至数控机床、加工中心超高速伺服机的精确位置控制都已应用通用变频器;在其它方面，如农用机械、食品机械、木工机械、印刷机械、各类空调、各类家用电器甚至街心公园喷水池，可以说其应用范围相当广阔，并且还将继续扩大。

4.2变频器的选择

随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速已应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速在电梯行业也得到广泛应用。

目前，有为电梯控制而设计的专用变频器，其功能较强，使用灵活，但其价格昂贵。

因此，本设计没有采用专用变频器，而是选用了通用变频器，通过合理的配置、设计和编程，同样可以达到专用变频器的控制效果目前，市场流行的通用变频器的种类繁多，而电梯行业中使用的变频器的品牌也不少，其控制系统的结构也不尽相同，但其总的控制思想却是大同小异。

电梯的调速要求除了一般工业控制的静态、动态性能外，他的舒适度指标往往是选择的一项重要内容。

本设计中拖动调速系统的关键在于保证电梯按理想的给定速度曲线运行，以改善电梯运行的舒适感;另外，由于电梯在建筑物内的耗电量占建筑物总用电量的相当比例，因此，电梯节约用电日益受到重视。

考虑以上各种因素，本设计选用安川VS-61665型全数字变频器，它具有磁通矢量控制、转差补偿、负载转矩自适应等一系列先进功能，可以最大限度地提高电机功率因数和电机效率，同时降低了电机运行损耗，特别适合电梯类负载频繁变化的场合。

4.3变频器的工作原理及控制方式

4.3.1工作原理

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。

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。

主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:

电压型、电流型。

我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

4.3.2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。

（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、专家系统和学习控制等，目前智能控制方式在变频调速控制系统中的具体应用中已取得一些成功经验。

4.4变频器自学习功能的应用方法

为了使变频器工作在最佳状态，在完成参数设置后，需使变频器对所驱动的电动机进行自学习，而61665就具有曳引机参数自学习的功能，其方法是:

将曳引机制动轮与电机轴脱离，使电动机处于空载状态，然后启动电动机，让变频器自动识别并存储电动机有关参数，变频器将根据识别到的结果调整控制算法中的有关参数。

显然，这一组自学习到的参数，是和变频器匹配的最佳参数，使变频器能对该电动机进行最佳控制。

4.5变频器的功率输出驱动技术动向

采用变频器的调速传动技术，近年来取得惊人的进步。

从技术发展动向来看，大致有如下几个方面:

（1）IGBT的应用

最近几年来，工GBT的应用正在迅速推进。

其显著的特点是:

开关频率高，驱动电路简单。

用于通用变频器时，有如下明显的效果:

a.由于载波效率的提高（20KHz或更高），负载电动机的噪声明显减少，实现了低噪声传动。

电动机的金属鸣响声因振动频率超过了人耳可感知的程度而“消失”。

b.同样由于载波频率的提高，使电动机的电流（特别是低速时的电流）波形更加趋于正弦波，因而减少了电动机转矩的脉动和电动机的损耗。

c.由于工GBT为电压驱动型，因而简化了驱动回路，使整个装置更加紧凑，可靠性提高，成木降低。

d.主开关器件如果采用工PM，上述效果将更加明显。

（2）网侧变流器的fWM控制的变频器

目前上市的绝大多数通用变频器，其网侧变流器采用不可控的二极管整流器。

虽然控制简单，成本较低，但也有它的缺点。

比如，网侧电流波形严重畸变，影响电网的功率因数，谐波损耗大，电动机制动时的再生能量无法回馈给电网等。

现已开发出一种新型的采用PWM控制方式的自换相交流器，并己经成功地用作变流器中的网侧变流器。

电器结构形式与逆变器完全相同，每个桥臂均由一个自关断器件和一个二极管反并联组成。

其特点是:

直流输出电压连续可调，输入电流（网侧电流）波形基本为正弦，功率因数可保持为1，并且能量可以双向流通。

网侧变流器采用PWM控制