基于plc的电机控制系统的研制.doc

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本科毕业论文
基于PLC的电机控制系统的研制
DEVELOPMENTOFTHEMOTORCONTROLSYSTEMBASEDONPLC
学院:电气与信息工程学院
专业班级:电气09-7
学生姓名:
指导教师:
2013年6月3日
安徽理工大学毕业设计
I
基于PLC的电机控制系统的研制
摘要
电动机作为电力系统中的主要负载,电机用户消耗了超过1/2的系统负荷,但从机电能量转化的角度来看,大多数电机的效率仍然偏低。随着工农业的不断发展,对电动机运行的要求也不断提高,很多的生产过程中都要求电动机能根据不同的工况,运行在不同的速度状态下。随着科学技术的不断发展,微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展,PLC、变频器和电气控制系统在工业中的应用越来越广泛。在实际的工程应用中往往是根据工程项目的需要,用PLC进行编程实现复杂控制,利用变频器实现变频调速和软启动控制,利用电气控制系统实现主电路的连接,三个系统要密切配合才能实现控制要求。
本设计将在PLC电控系统的基础上配合变频调速装置,运用现在先进的矢量控制技术,实现提升电机在不同时间阶段运行在不同速度下。
关键词:PLC,变频器,三相交流异步电动机
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II
DEVELOPMENTOFTHEMOTORCONTROLSYSTEMBASEDONPLC
ABSTRACT
Motorasthemainloadinthepowersystem,motorusersconsumedmorethan1/2systemload,buttheelectromechanicalenergyconversionpointofview,,themotorisrunning,alotoftheproductionprocessrequirementsofthemotoraccordingtodifferentconditions,,microelectronictechnology,computertechnologyandautomaticcontroltechnologyhasbeenrapiddevelopmentofthePLC,,oftenaccordingtotheneedsoftheproject,withthePLCprogrammingtoimplementcomplexcontrol,theinverterfrequencycontrolandsoftstartcontrol,electricalcontrolsystemtoachievethemaincircuitconnection,thethreesystemsshouldcloselycooperatetoachievethecontrolrequirements.
ThedesignwillbeonthebasisofthePLCelectriccontrolsystemwithfrequencycontroldevices,theuseofadvancedvectorcontroltechnologytoachievetoenhancethespeedofthemotoratdifferenttimesandstages.
KEYWORDS:PLC,inverter,three-phaseacasynchronousmotor
目录
摘要 I
ABSTRACT II
1绪论 1
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2PLC的基础知识 6
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(I/O)模块 9
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3三相交流异步电动机的基本原理 14
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4提升电机系统模型的设计 22
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5系统软件部分设计 29
-Micro/Win32简介 29
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-20秒上升加速子程序 31
-40秒减速子程序 32
-65秒减速子程序 33
6系统调试程序及结果 34
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结论 35
参考文献 36
致谢 38
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1绪论

电动机作为电力系统中的主要负载,电机用户消耗了超过1/2的系统负荷,但从机电能量转化的角度来看,大多数电机的效率仍然偏低。随着工农业的不断发展,对电动机运行的要求也不断提高,很多的生产过程中都要求电动机能根据不同的工况,运行在不同的速度。早期工业生产中,对于一些要求调速精度高的系统,采用了直流电动机,但直流电动机存在启动转矩小,换向电刷容易老化产生火花等问题。人们又根据交流电动机的运行特点,得出了传统的交流电动机调速方法,是利用转子回路串电阻分段控制的交流绕线式电机继电器接触器系统,设备陈旧、技术落后。随着微电子技术、计算机技术和数字通信技术的高速发展,PLC产品高度融合了计算机产业最先进的技术与工业自动控制的经典理论,在其功能及性能指标上得以丰富和完善,从而突破了传统PLC的概念,在中、小型控制领域内极大地扩展了其应用范围。在特定的范围内,高性能价格比己成为新型PLC的最突出的特点。PLC以其高可靠性、适应性强和使用方便等突出优点在自动化控制领域应用广泛。

所谓交流电动机的变频调速,是利用电动机转速的规律:
(1-1)
对电动机的速度进行调节,本次毕业设计选用的是交-直-交变频器。工作原理是,先通过半导体器件组成的整流电路,把三相电源转换成直流电。然后,再把直流电逆变成所需频率的交流电,从而达到控制电动机转速的目的。
现在通用变频器大都是采用二极管整流器和由全控开关器件IGBT或功率模块组成的PWM(脉宽调制)逆变器,构成交-直-交电压源型变压变频器,·A中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。所谓“通用”,包含着两方面的含义:一是可以和通用的鼠笼型异步电动机配套使用;二是具有多种可供选择的功能,适用于各种不同性质的负载。
PLC(可编程控制器)的引入,使得控制系统自动化程度有了很大的提高,也对一些复杂的工作环境实现远程控制。其原理是通过RS-285串行通信技术,把PLC和上位机连接,实现他们之间的通信,,根据搭建好的硬件线路图进行编程,实现所要实现的逻辑控制功能。
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随着电力电子技术和自动控制技术的日益发展,电动机的调速已经从继电气时代发展到今天的由变频器控制调速。且在工业各个领域中得到了极为广泛的应用。在现在工业自动化控制系统中,最为常见的是由PLC控制变频器实现电动机的调速控制。该方法主要通过程序来控制电动机的变频调速,从而实现了自动控制。
直流电气传动和交流电气传动在十九世纪先后诞生。在二十世纪的大部分年代里,鉴于直流传动具有优越的调速性能,高性能可调速传动都采用直流电动机,而约占电气传动总容量80%的不变速传动则采用交流电动机,这种状况在一段时期内已成为一种举世公认的格局。二十世纪七十年代后,随着大规模集成电路和计算机控制技术的发展,以及现代控制理论的应用,交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应,且实现了在四相限运行的良好技术性能。它的调速性能与可靠性不断完善,价格不断降低,特别是变频调节省电效果明显,而且易于实现过程自动化在调速性能方面可以和直流电力拖动相媲美。目前交流调速技术在工业发达国家已得到广泛应用。例如在通用变频器方面,针对中、低压应用领域的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的高开关频率使得高性能的变频器成为了可能,而在以后出现的只能功率模块(IPM),更加简化了通用变频器的设计。此后,交流调速系统主要沿用下述两个方向发展和应用。
(1)一般性能的节能调速。在过去大量的所谓不变速交流传动中,风机、水泵等机械总容量几乎占工业电气传动总容量的一半,其中有不少的场合并不是不需要调速,只是因为过去交流电机本身不具备调速性能,不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量,许多电能因此白白的浪费掉了。如果把这些设备的控制系统换成交流调速系统,就能节省消耗在挡板和阀门上的能量。根据有关计算统计,由于风机、水泵对调速范围和动态性能的要求都不高只需要一般的调速性能就已足够,那么换成交流调速系统后,每台风机、水泵平均约可节能20%,这种节能效果是非常可观的。
(2)高性能交流调速系统。许多在工艺上就需要调速的生产机械,过去多用直流传动,鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、转动惯量小、效率高,如果改成交流调速传动,显然能够带来不少的效益。交流调速系统的国内外研究现状近年来随着电力电子技术和微电子技术迅猛发展以及现代控制理论和计算机控制技术的应用,交流调速领域发展非常迅速,交流传动技术取得了突破性进展,获得了许多创造性成果。自七十年代矢量控制技术发展以来,从理论上解决了交流调速系统在静、动态性能上与直流传动相媲美的问题。

作为通用工业控制计算机,30年来,可编程控制器从无到有,实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃
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。其功能从弱到强,实现了逻辑控制到数字控制的进步。其应用领域从小到大,实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制、及集散控制等各种任务的跨越。今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备,在世界各地发挥着越来越大的作用。

PLC的优点是外部接线简单,内部程序可变,在不改变接线的情况下,可以重新设计程序,而且相应的施工周期较短,内部软继电器是寄存器,没有触动,故障率低,寿命长,抗干扰能力强,执行时间短,应用指令多,可实现复杂的控制功能等等。传统继电器的不足之处是有触动系统,故而故障率高,平均修复时间长,寿命短,功耗大,如需改变系统功能将需重新的接线,工作量相对较大且容易出错,执行时间长等等。然而PLC对于高压控制元件的控制却没有继电器等系统的优点,在许多工厂的电力系统中有许多的高压电力设备所需的控制系统只能通过大型的继电元件来实现动作,而对于要实现自动化程度较高的工厂生产线而言,这种继电系统却没有PLC系统的结构简单,操作容易,方便快捷等优点,然而将这两种系统相结合却可以实现对工厂电气系统的控制,使之更科学,更简洁,更加具有高速的运行速度,让工厂的自动化成度更高。

从工业革命时期到现在电气控制已经发展了一个相当长的时间,再发展也不会有什么突出的表现,而PLC技术的发展还处于一个不断创新的阶段,所以PLC的发展与电气控制的发展已然成为一种主从关系,即PLC的发展带动电气控制的发展,而未来PLC的发展其中有两个趋势。一方面,PLC网络系统已经不再是自成体系的封闭系统,而是迅速向开放式系统发展,各大品牌PLC除了形成自己各具特色的PLC网络系统,完成设备控制任务之外,还可以与上位计算机管理系统联网,实现信息交流,成为整个信息管理系统的一部分。

PLC向网络化技术发展,其中有两个趋势:一方面,PLC网络系统已经不再是自成体系的封闭系统,而是迅速向开放式系统发展,各大品牌PLC除了形成自己各具特色的PLC网络系统,完成设备控制任务之外,还可以与上位计算机管理系统联网,实现信息交流,成为整个信息管理系统的一部分;另一方面,现场总线技术得到广泛的采用,PLC与其他安装在现场的智能化设备,比如智能化仪表,传感器,智能型电磁阀,智能型驱动执行机构等,通过一根传输介质(比如双绞线,同轴电缆,光缆)连接起来,并按照同一通信规约互相传输信息,由此构成一个现场工业控制网络,这种网络与单纯的PLC远程网络相比,配置更灵活,扩容更方便,造价更低,性能价格比更好,也更具开放
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性意义。

PLC的功能正越来越丰富,而体积则越来越小。比如西门子的S7-200系列PLC,最小的机种,体积仅为60×90×70,相当于一个继电器,但却具有高速计数、斜坡、交替输出及16位四则运算等能力,还具有可调电位器时间设定功能。PLC已不再是早期那种只能进行开关量逻辑运算的产品了,而是具有越来越强的模拟量处理能力,以及其他过去只有在计算机上才能具有的高级处理能力,如浮点数运算,PID调节,温度控制,精确定位,步进驱动,报表统计等。从这种意义上说,PLC系统与DCS(集散控制系统)的差别已经越来越小了。用PLC同样可以构成一个过程控制系统。

(1)增强抗干扰性
如果生产环境过于恶劣,或是电磁干扰异常强烈则也可造成PLC控制系统的运算或是控制错误,导致在某些生产环节出现错误而不能保证正常的生产运行,因此,提高PLC的可靠性是其未来发展的主要方向,其一方面要提高抗干扰能力同时在设计、安装以及使用过程中引起重视,尽量减少对其造成负面影响。
(2)进一步网络化、数字化
目前用于火电系统控制系统的DCS虽技术日益成熟但近年来其发展日趋缓慢,PLC的产生及发展使其与DCS相互吸收彼此特点,逐步同化,并逐步发展成为新的控制系统——FCS系统,其既保留了原来系统的特性又实现了工业自动化技术的发展,并使数作为通用工业控制计算机,30年来,可编程控制器从无到有,实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃。其功能从弱到强,实现了逻辑控制到数字控制的进步。其应用领域从小到大,实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制、及集散控制等各种任务的跨越。今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备,在世界各地发挥着越来越大的作用。
PLC的优点是外部接线简单,内部程序可变,在不改变接线的情况下,可以重新设计程序,而且相应的施工周期较短,内部软继电器是寄存器,没有触动,故障率低,寿命长,抗干扰能力强,执行时间短,应用指令多,可实现复杂的控制功能等等。传统继电器的不足之处是有触动系统,故而故障率高,平均修复时间长,寿命短,功耗大,如需改变系统功能将需重新的接线,工作量相对较大且容易出错,执行时间长等等。然而PLC对于高压控制元件的控制却没有继电器等系统的优点,在许多工厂的电力系统中有许多的高压电力设备所需的控制系统只能通过大型的继电元件来实现动作,而对于要实现自动化程度较高的工厂生产线而言,这种继电系统却没有PLC系统的结构简单,操作容易,方便快捷等优点,然而将这两种系统相结合却可以实现对工厂电气系统的控制,使之更科学,更简洁,更加具有高速的运行速度,让工厂的自动化成度更高。
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从工业革命时期到现在电气控制已经发展了一个相当长的时间,再发展也不会有什么突出的表现,而PLC技术的发展还处于一个不断创新的阶段,所以PLC的发展与电气控制的发展已然成为一种主从关系,即PLC的发展带动电气控制的发展,而未来PLC的发展其中有两个趋势。一方面,PLC网络系统已经不再是自成体系的封闭系统,而是迅速向开放式系统发展,各大品牌PLC除了形成自己各具特色的PLC网络系统,完成设备控制任务之外,还可以与上位计算机管理系统联网,实现信息交流,成为整个信息管理系统的一部分
PLC向网络化技术发展,其中有两个趋势:一方面,PLC网络系统已经不再是自成体系的封闭系统,而是迅速向开放式系统发展,各大品牌PLC除了形成自己各具特色的PLC网络系统,完成设备控制任务之外,还可以与上位计算机管理系统联网,实现信息交流,成为整个信息管理系统的一部分;另一方面,现场总线技术得到广泛的采用,PLC与其他安装在现场的智能化设备,比如智能化仪表,传感器,智能型电磁阀,智能型驱动执行机构等,通过一根传输介质(比如双绞线,同轴电缆,光缆)连接起来,并按照同一通信规约互相传输信息,由此构成一个现场工业控制网络,这种网络与单纯的PLC远程网络相比,配置更灵活,扩容更方便,造价更低,性能格比更好,也更具开放性意义。
PLC的功能正越来越丰富,而体积则越来越小。比如西门子的S7-200系列PLC,最小的机种,体积仅为60×90×70,相当于一个继电器,但却具有高速计数、斜坡、交替输出及16位四则运算等能力,还具有可调电位器时间设定功能。PLC已不再是早期那种只能进行开关量逻辑运算的产品了,而是具有越来越强的模拟量处理能力,以及其他过去只有在计算机上才能具有的高级处理能力,如浮点数运算,PID调节,温度控制,精确定位,步进驱动,报表统计等。从这种意义上说,PLC系统与DCS(集散控制系统)的差别已经越来越小了。用PLC同样可以构成一个过程控制系统。
如果生产环境过于恶劣,或是电磁干扰异常强烈则也可造成PLC控制系统的运算或是控制错误,导致在某些生产环节出现错误而不能保证正常的生产运行,因此,提高PLC的可靠性是其未来发展的主要方向,其一方面要提高抗干扰能力同时在设计、安装以及使用过程中引起重视,尽量减少对其造成负面影响。
目前用于火电系统控制系统的DCS虽技术日益成熟但近年来其发展日趋缓慢,
PLC的数字化、智能化控制得到进一步的发展和应用,因此其近年来在火电厂的应用日益广泛。
PLC产品还可以用于离散、制程和混合式自动化产品领域,并在各个制造行业保持稳固增长。基于对更高自动化程度和更高能效的需要,制造业会越来越多地应用PLC。在制造过程中,以最低生产设备生命周期成本来实现适应性和灵活性的日益增加的需求,给
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