基于plc矿井提升机变频调速系统设计毕业论文

基于plc矿井提升机变频调速系统设计毕业论文内容摘要：

提高控制技术水平具有广阔的应用前景。 通过对频率的调节来实现对速度的控制，使得速度变化更加平滑和实现精确调速。 从解决实际矿井提升系统存在的问题出发，对传统的调速方案进行 了控制方式的革新和数字化改造，降低了成本，提高了控制精度，加强了系统稳定性 , 使速度变化更加平滑和实现精确调速。 采用该控制系统，使提升机工作可靠，使用方便，同时具有动态显示的功能，节能效果明显。 本文将提出的设计方案具有实用价值。 适用、经济、高效、可靠是本文提升机系统设计的追求目标。 基于 PLC 的矿井提升变频调速控制系统图如图 15 所示。 7 图 15 基于 plc的矿井提升变频调速控制系统图 基于 PLC 的矿井提升机变频调速控制系统由控制监视系统、操作台、 PLC、编码器、变频器和液压站等系统组成。 图 16 为矿井 提升机变频调速控制的系统框图。 图 16 控制系统框图 8 系统框图中部分系统功能如下： 控制监视系统：是操作人员和控制系统及运输系统之间的桥梁，它可以在线监测提升机运输系统的各种工作参数、工作状态、故障参数和故障状态。 提升过程监视与安全回路一样，是现代提升机控制的重要环节。 提升过程采用微机主要完成如下参数的监视：提升过程中各工况参数 (如速度、电流 )监视；各主要设备运行状态监视；各传感器 (如位置开关、停车开关 )信号的监视。 使各种故障在出现之前就得以处理，防止事故的发生，并对各被监视参数进行存储、保留或打印输 出。 甚至与上位机联网，合并于矿井监测系统中。 系统框图中用旋转编码器来测试电机的转速。 液压站：为提升机提供制动力，停车时先通过液压站给卷筒施加机械制动力，再取消直流制动力；提升机起动时，先对电机施加直流制动，再松开机械抱闸，防止溜车，以保证系统安全可靠地工作。 变频器：是动力站的能量供给单元，通过它可将输入工频电能转换成频率可调的电能提供给交流电动机，以达到控制交流电动机转速的目的。 操作台：操作台设置两个手柄，分别用于速度辅助给定及制动力给定，它是整个矿井提升机运输系统的控制核心，通过它可以设定系统的工作 方式和控制方式，可以发布系统的各种控制命令，以实现对提升机启动、加速、平稳运行、减速、停车以及紧急制动等各种控制功能。 9 第二章 主要元部件的选择 （ PLC）的选择 PLC 技术是工业自动化的重要手段，它可以实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数、算数运算、数据运算、数据通信等功能，并且具有处分支、中断、自诊断能力。 PLC 技术的逻辑控制功能通过软件编程来实现，柔性强，控制功能多，控制线路大大简化。 PLC的输入输出回路均带有光电隔离等抗干扰和过载保护措施。 程序运行为周期性顺序扫描和集中批处理的工作 方式，具有故障检测及诊断程序，可靠性极高。 PLC 控制系统为模块结构，维护更换方便，并可显示故障类型。 因此本文决定采用 PLC 进行，并且保持原有的操作方式、按钮、开关的作用不变，以方便用户，缩短适应期。 根据 PLC 的技术特点又可增加一些新的功能。 S7200 系列西门子 PLC 家族中的成员之一，在西门子工控领域中占有重要的地位。 S7200 系列 PLC 体积小，价格低廉，软硬件功能强大，系统配置方便，它一推向市场就在各行各业得到了广泛的应用。 而 S7200 系列的产品可以满足设计要求，因此本次设计以西门子公司的 S7200 系列入手。 S7200 可编程控制器（ PLC）的基本结构如图 21 所示。 输入单元外设接口输出单元扩展单元电 源中 央 处 理 单 元系 统 程 序 用 户 程 序存 储 器输入信号输出信号P L C 主 机 图 21 PLC的基本结构图 S7200 系列西门子 PLC 的基本特点 PLC 通电后，需要对硬件和软件做一些初始化工作。 为了使 PLC 的输出及时地响应各种输入信号，初始化后 PLC 要反复不停地分段处理各种不同的任务，这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。 整个扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶 10 段，全过程扫描一次所需要的时间称为扫 描周期。 内部处理阶段， PLC 检查 CPU 模块的硬件是否正常，复位监视定时器等。 在通信服务阶段， PLC 与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令、更新编程器的显示内容等。 当 PLC 处于停止 (STOP)状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。 在 PLC 处于运行 (RUN)状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。 可编程控制器（ PLC）的诞生给工业控制带来革命性的飞跃，与传统的继电器控制相比有着突出的特点： (1)灵活性、通用性强 继电器控制系统如果工艺要求稍有变化，控制电路必须随 之作相应的变动，所有布线和控制柜极有可能重新设计，耗时且费力然而是利用存储在机内的程序实现各种控制功能的。 因此当工艺过程改变时，只需修改程序即可，外部接线改动极小，甚至可以不必改动，其灵活性和通用性是继电器控制电路无法比拟的。 (2)可靠性高，抗干扰能力强 继电器控制系统中，由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象是不可避免的，大大降低了系统的可靠性。 而在控制系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加之在硬件和软件方面都采取了强有力的措施，使产品具有极高的可靠性和抗干扰能力可以直接安 装在工业现场稳定地工作。 PLC 在硬件方面采取电磁屏蔽、光电隔离、多级滤波等措施在软件方面采取警戒时钟、故障诊断、自动恢复等措施，并利用后备电池对程序和数据进行保护 ,因此被称为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”。 (3)编程简单，使用方便 PLC 采用面向过程，面向问题的“自然语言”编程方式，直观易懂，主要采用梯形图和语句表编写程序，使得广大电气技术人员更易接纳和理解。 同时设计人员也可根据自己的喜好和实际应用的要求选择其他编程语言。 标准是编程语言的标准，除了梯形图和语句表之外，还存在顺序流程图、结构化文 本和功能块图三种编程语言的表达方式。 一个程序的不同部分可用任何一种语言来描述，支持复杂的顺序操作功能处理以及数据结构。 (4)功能强大，可扩展 PLC 的主要功能包括开关量的逻辑控制、模拟量控制部分还具备控制或模糊控制功能、数字量智能控制、数据采集和监控、通信、联网及集散控制等功能。 PLC 的功能扩展也极为方便，硬件配置相当灵活 ,根据控制要求的改变，可以随时变动特殊功能单元的种类和个数，再相应的修改用户程序就可以达到变换和增加控制功能的目的。 (5)控制系统易于实现、开发工作量少 由于 PLC 的系列化、模块化、 标准化及良好的扩展性和连网性能 ,在大多数情况下 11 PLC 系统是一个较好的选择。 它不仅能够完成多数情况下的控制要求，还能够大量节省系统设计、安装、调试的时间和工作量。 (6) 体积小、能耗低 由软件实现的逻辑控制可以大量节省继电器、定时器的数量。 一台小型的 PLC 只相当于几个继电器的体积 ,控制系统所消耗的能量也大大降低。 变频器的选择 从 80 年代初通用变频器问世以来，经过近 20 年，通用变频器更新换代了五次。 第一代是 80 年代初模拟式通用变频器；第二代是 80 年代中期数字式通用变频器；第三代是90 年代初智能型通用 变频器；第四代是 90 年代中期的多功能型通用变频器；最近研制上市第五代集中通用变频器；通用变频器的发展情况可以从几个方面来说明： 1． 通用变频器的应用范围不断扩大。 2． 通用变频器使用的功率器件不断更新换代。 3． 通用变频器的控制技术性能达到了直流电机调速水平。 目前国外变频调速技术发展较快，性能也非常好，在各行各业中得到了广泛的应用，如日本富士、瑞典 ABB 等变频调速系统应用领域非常广泛。 国内变频调速技术发展较慢，产品性能较差，很难满足连续化工生产的需求，而且无法实现闭环自动控制。 因此国内使用单位主要以进口为 主，很少使用国内生产的产品。 变频器的基本结构如图 22 所示。 图 22 变频器的基本结构 本次设计变频器主要选用德国西门子公司研发、生产的交 — 直 — 交方式变频器系列MM440 通用变频器 , 三相交流电源电压。 MM440通用 变频器 的简介 变频器 MM440 系列（ MicroMaster440）是德国西门子公司广泛应用与工业场合的多功能标准变频器。 它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。 对于变频器的应用，必须首先熟练对变频器的面板操作 ，以及根据实际应用，对变频器的各种功能参数进行设置 MM420 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。 12 MM440变频器的工作原理及其调速原理 1. MM440 变频器的工作原理 我们现在使用的 MM440 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。 图 23 交 直 交变频器结构图 异步电机的 VVVF 调速系统一般简称变频调速系统。 由于在变频调速时转差功率不变，在各种异步电机调速系统中效率较高，同时性能也最好，故是交流调速的主要发展方向。 交流调速系统的控制量最基本上是转矩、速度、位置，根据不同的用途适当组合可构成各种闭环系统。 异步电动机定子对称的三相绕 组中通入对称的三相交流电，在电机气隙内会产生一个旋转磁场，从而形成一定的旋转速度。 2. MM440 变频调速的原理 异步电动机定子对称的三相绕组中通入对称的三相交流电，在电机气隙内会产生一个旋转磁场，其旋转速度为同步转速： pf160n0 (2－ 1) 式中 f1定子绕组电源频率； P电机磁极对数。 异步电动机转差率： nn 00s n (2－ 2) ）（ s 1pf160s)1(n n 0 (2－ 3) 由上式可知，异步电动机调速方法有如下几种： 13 变同步转速 n0：变极 p、变频 f1。 变转差率 s：定子调压、转子串电阻、电磁转差离合器、串极调速。 VVVF 变频调速、矢量控制变频调速、直接转矩控制变频调速都是交 直 交变频调速中的一种。 交流拖动中以改变转差率为目的调速方法有：定子调压调速、转子变电 阻调速、电磁转差离合器调速、串极调速等。 图 24 为 MM440 变频调速系统接线图，检查电路正确无误后， 合上主电源开关 QS。 图 24 MM440变频调速系统接线图 本文研究的定子调压调速主要是通过改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法，当负载转矩一定时，随着电机定子电压的降低，主磁通减少，转子感应电动势减少，转子电流减少，转子受到的电磁力减少，转差率 s 增大，转速减小，从而达到速度调节的目；同理，定子电压升高，转速增加。 调压调速的优点是调速平。