电子电路]基于plc的传送带多速度控制系统

电子电路]基于plc的传送带多速度控制系统内容摘要：

中央处理 单元 即 CPU，如同 PC 机一样它 是可编程逻辑控制器的控制中枢。 CPU 按照可编程逻辑控制器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。 当可编程逻辑控制器投入运行时，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。 为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，近年来对大型可编程逻辑控制器还采用双 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。 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。 输入输出接口电路 （ 1） 现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。 大 连交通大学 2020 届 本科生毕业设计 4 （ 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，作用可编程逻辑控制器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。 功能模块 如计数、定位 、通信 等功能模块。 变频器 图 12 西门子 MM440变频器 变频器是一种静止的频率变换设备，其作用是将配电网 50Hz 的工频交流电变成频率可调的交流电，供普通的交流异步电动机作为电源，从而实现电动机的变速、恒速。 变频器 具有 体积小、质量轻、精度高、工艺先进、功能丰富、 安全可靠、操作简便、通用性强、易形成闭环控制等优点，优于以往任何调速方式。 变 频器目前深受钢铁、有色金属、石油、石油化工、化工、化纤、纺织、机械、电力、建材、煤炭、医药、造纸、卷烟、城市供水及污水处理等行业的欢迎。 由于变频器具有十分高效率的驱动性能 、 良好的可控制性能 和广泛的应用空间 ，所以自问世以来便颇受业界青睐。 当今的变频器产业得到了飞速发展，变频器产业化的规模日趋壮大。 变频器自 20 世纪 60 年代左右诞生，发展至 20 世纪 80 年代已得到主要的工业化国家广泛的使用。 20 世纪 90 年代，随着人们节能环保意识的加强，变频器的应用变得越来越普遍。 我国变频器的市场总规模并不大，但国民经济的大幅增长极 大的带动了变频器市场的容量， 2020 年其总体销售额大约为 61 亿元左右，今后 还将以惊人的速度发展。 变频器技术是应交流电机无级调速的需求而生的。 20 世纪 60 年代，随着晶闸管（ SCR）功率的不断增大，才是变频器具有了实现的可行性。 而使变频器大 连交通大学 2020 届 本科生毕业设计 5 达到普及应用的阶段（仅欧美国家） ，则是在 20 世纪 70 年代。 20 世纪 80 年代变频器 作为变频器核心技术的 PWM 模式优化问题吸引着人们的注意，并且得出了诸多的优化模式，如电压空间相量 PWM 模式、鞍形波 PWM 模式等。 20 世纪 80 年代后半期，欧美等发达国家的 VVVF（ Variable Voltage Variable Frequency）变频技术已相当成熟并已有 众多 成品陆续投入市场应用。 到 20 世纪 90 年代，IGBT、场效应晶体管的出现和不断改进提高，使得变频器在各个方面前均取得了进步。 变频器 可理解为能改变施加于交流电动机出线端上的电源频率值和电压值的调速设备。 它由电力电子器件、电子器件、微处理器（ CPU）等组成。 它可分为交 交和交 直 交两种。 交 交变频器可将工频交流电直接变换成电压、频率可调的交流电。 所以 交 交变频器又被叫做直接式变频器。 交 直 交变频器则是先把工频交流电通过整流器变 成直流电，然后再把直流电变换成频率和电压均可控的交流电，又可称之为间接变频器。 在变频调速时，往往需要同时对逆变器的输出电压和频率进行调节，用以保障电动机主磁通维持恒定。 对输出电压的调节主要有 PAM 方式、 PWM 方式以及高载波变频率 PWM 方式。 所谓 PAM 方式即脉冲幅值调节方式的简称，它是通过调节直流电压幅值来对电压进行控制的方式。 在变频器中逆变器通常只负责调节输出的频率，而输出的电压则由相控整流器或者直流斩波器通过调节直流电压来实现调节。 PAM 方式在系统低速运行时会产生较大的噪音与谐波，所以 PAM 方式通常只在 与高速电机配套的高速变频器中使用。 脉冲宽度调制方式简称 PWM 方式 ，在变频器中的整流电路采用了不可控的二极管整流电路，变频器的输出频率和输出电压的调节全部由逆变器按照 PWM 方式完成。 利用参考电压波与载频三角波相互比较，以此来决定主开关器件的通断时间，从而实现调压。 利用脉冲宽度的变化来得到幅值不同的正弦波基波电压。 这种参考信号 为正弦波、输出电压平均值近似为正弦波的 PWM 方式成为正弦 PWM 调试简称为 SPWM 方式。 SPWM 方式经常用于通用变频器中。 高载波变频率 PWM 方式与 PWM 方式的区别仅在于调制频率有了很大的提高。 这是由于主开关器件的工作频率较高，通常采用 IGBT 或 MOSFET 为主开关器件，开关频率可达到 10～ 20KHz,可以大幅度降低电机的噪声，达到静音的效果。 变频器的控制方式有三种分别为转差频率控制、矢量控制和 U/f 控制。 U/f控制方式又被称为 VVVF 控制方式。 主电路中的逆变器采用 IGBT 使用 PWM 方式进行控制。 逆变器的控制脉冲发生器同时受控于频率指令 f*和电压指令 U， f*和 U之间的关系由 U/f 曲线发生器（ U/f 模式形成）决定。 经过 PWM 控制之后，变频器的输出频率 f 与输出电压 U 之间的关系，就是 U/f 曲线发生器 所确定的关系。 通过改变频率设定值 f*来实现转速的改变。 电动机实际的转速则要根据负载大大 连交通大学 2020 届 本科生毕业设计 6 小来确定。 负载一旦变化，即使频率 f*不变转子转速也将随负载的改变而改变。 因此，它通常用于对转速要求不高或负载变动较小的系统中。 U/f 控制是转速开环控制，不需要转速传感器，控制电路简单，负载可以使用通用标准异步电动机，所以通用性好，是目前各型通用变频器产品使用较多的一种控制方式。 如果没有任何附加措施单纯使用 U/f 控制方式显然静态调速精度难以满足某些系统的要求。 为了提高速度调节的精确度，可以采用转差频率控制方式。 根据速度传感器的 检测 量 ，可以求出转差频率 △ f， 把△ f 与数度设定值 f*相叠加，以该叠加值作为逆变器的频率 的 设定值 f*₁,以此实现转差补偿。 这种转差补偿的闭环控制方式就是转差频率控制方式。 与 U/f 相比其调速精度大为提高。 但使用速度传感器求取转差频率往往要针对具体的电动机的机械特征调整控制参数，所以这种控制方式的通用性并不理想。 U/f 控制和转差频率控制的控制思想都是建立在异步电动机的静态数学模型上的 ，动态性能指标并不高。 对于造纸、轧钢等对动态要求较高的场合中通常会采用矢量控制变频器。 为了提高变频器调速的动态性能矢量控制会根据交流 电动机的动态数学模型利用坐标变换将交流电动机的定子电流分解成转矩分量电流和磁场分量电流，并分别加以控制。 矢量控制 通过 模仿自然解耦的直流电动机的控制方式，对电动机的转矩和磁场分别进行控制， 来 获得近 似 于 直流调速系统的动态性能。 大 连交通大学 2020 届 本科生毕业设计 7 第 二 章 设计方案 系统功能 首先本系统必需能够进行正常的传送工作， 如正运行、反向运行、启动与停止。 与此同时为改进传统传送带的不足系统要具有多速度切换功能。 即系统运行中检测前方出口处是否有物品积压情况，如果没有则系统保持正常速度运行。 如果前方出现积压情况，则系统开始测量距离出口最 近的物品与出口的距离。 系统为防止物品间的碰撞会根据距离出口最近的物品与出口的距离进行减速 或停止 直到物品积压情况解除。 为保护电动机，传送带一般禁止带负载启动，所以设计时要加入软启动功能。 为防止系统工作中发生危险，整个系统要对工作状态进行指示同时对变频器的故障进行报警并紧急停止工作。 为保证 系统在检修维护是仍能够维持工作，所以系统须具备手动工作与自动工作状态相互切换的功能。 方案设计 为完成上述功能，本设计将使用 PLC 为整个系统的核心控制部分。 以上几乎所有功能都由 PLC 进行控制。 利用 PLC 的开关量输入对系统 开关 、 工作状态选择、传送带是否有积压进行控制、选择或反馈。 另外通过 PLC 的数字输出量对系统工作状态进行指示，最主要的是对变频器进行控制。 变频器通过对电动机的频率的调节来控制电动机的正反转和转速。 因为需要手动，所以需要两个变频器一个主变频器负责平时的自动调速 ，该变频器全部功能都由数字控制。 另一个变频器变速部分为模拟量控制，另正反转部分为开关量控制，负则检修时的手动控制。 整个系统的运作流程如 图 21 所示。 大 连交通大学 2020 届 本科生毕业设计 8 图 21 功能框图 大 连交通大学 2020 届 本科生毕业设计 9 第 三 章 系统的硬件 设计 本系统接工频电源主要分为 PLC、变频器和电动机三大部分。 系统最终能够通过 PLC 与变频器实现以下功能： (1)能对物品进行运送，速度可根据两物品之间的距离自动变换防止传送物品之间发生碰撞；（ 2）能够实现故障报警、状态指示、传送带带负载软启动等；（ 3）能够实现手动与自动状态切换，方便维护。 该系统主要运用了西门子 PLC、传感器、继电器、变频器等器件，利用 PLC 良好的自动控制性能，实现流水线传送带传送过程的无人控制。 本文将主要对 PLC、变频器以及 PLC 对变频器的控制部分进行介绍。 主电路 的设计 图 31 为系统的电气原理图 ，整个系统将以它为硬件部分的主体进行工作。 论文将主要对 PLC 及变频器进行介绍。 大 连交通大学 2020 届 本科生毕业设计 10 图31 电气主接线图 大 连交通大学 2020 届 本科生毕业设计 11 由主接线图可看出本系统采用两个变频器分别对电动机进行控制。 按下启动按钮 当开关 SA 选择自动工作状态时， PLC 控制线圈 KM0 得电 同时自动运行指示灯 L3 亮起。 这时 名为 KM0 的开关动作，即主变频器通电同时副变频器与电动机断开。 同理当开关 SA 选择手动工作状态时， 手动操作指示灯 L4 亮起， 副变频器通电同时主变频器与电动机断开。 此设计意在保证自动与手动相互切换的同时防止 两变频器输出端接通对变频器造成损伤。 主变频器上的继电器 1 为故障监控，当变频器发生故障时变频器内部继电器 1 闭合线圈 SB1 得电，此时 PLC 输入端的开关 SB1 闭合 ，并且常闭开关 SB1 将切断变频器对电动机的控制。 故障信号由此输入到 PLC 中进行处理 ， PLC 故障灯亮起。 开关 SB3 为反转控制按钮，当按下 SB3传送带反向运行。 开关 SB4 为启动按钮，当按下启动按钮时系统才正式进入自动运行状态， 当再按下 SB6 后变频器停止。 PLC 通过变频器控制电动机 软启动。 此启动开关是为了防止传送带由手动切换回自动状态后系统失控而设定。 开关 SB5实际上是一个压力开关 ，用于检测传送带前方出口处是否存在积压，如果有则相当于开关 SB5 闭合。 开关 SB6 为正转开关，用于把从系统反向运行状态中恢复过来。 在副变频器上有开关 SB2 SB2 SB23 分别与副变频器的数字量输入端Din Din Din7 相接。 通过对副变频器的参数设定可以 对开关功能进行设定或更改。 本设计中 按钮 SB21 为启动 /停止控制按钮，当按下 SB21 时启动断开时停止。 按钮 SB22 为反转按钮，当按下 SB22 时传送 带反向运行断开时恢复正转。 SB23 为故障复位开关，用于故障后的复位。 副变频器通过电位器改变电位来进行频率调节从而调节传送带速度。 PLC 的选择及 硬件的设计 从电气主接线图可以知道，系统 PLC 总共有开关量输入 7 个、开关量输出10 个；模拟量输入 1 个。 在诸多 PLC 厂商中西门子以其悠久的历史、雄厚的技术势力、产品 遍及自动化各个领。