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类型plc与变频器结合实现电动机恒转矩控制_毕业设计论文.doc

  • 上传人:无敌
  • 文档编号:601122
  • 上传时间:2018-04-14
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    plc与变频器结合实现电动机恒转矩控制_毕业设计论文.doc
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    1、鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 I 页 PLC与变频器结合实现电动机恒转矩控制摘要本文介绍了一种由西门子 PLC 和变频器构成的恒转矩控制系统.采用 PROFIBUS协议实现了 PLC 与变频器的通讯. 介绍 PROFIBUS 通信协议,以德国西门子公司MICROMASTER 440 型变频器为例 ,介绍了 PLC 与变频器进行通信的硬件连接。依据该协议,实现了以 PLC 作为控制器,在 PLC 环境下编制程序对变频器进行远程控制.该系统可以对各变频器的运行参数进行在线监测,并进行远程控制。文中介绍了关于钢板的清洗工艺,以系统的实际应用来说明本系统的实际价值,调节刷辊的转矩来控制对钢板

    2、的刷洗力度。最后附以程序,有 PLC 和变频器的通讯的程序和 PLC 与变频器结合控制电动机恒转矩的 PLC 程序 . 实践证明,该系统能有效地减少系统布线、提高系统的抗干扰能力,为恒转矩控制系统提供了一个低成本和高性能的方案。关键词:PLC ,变频器,PROFIBUS 协议鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 II 页 PLC Combining With Frequency-converter Achieving Constant Torque Control Of Electric MotorAbstractThis paper introduces a control system

    3、for instance torque composed of SIEMENS PLC and frequency-converter. The serial communication between PLC and frequency-converter is realized based on the PROFIBUS protocol. The PROFIBUS protocol is introduced in detail. Hardware link of communication between PLC and frequency-converter are introduc

    4、ed with an example of SIEMENS frequency-converter MICROMASTER 440. According to this protocol, remote control of inverter is realized with SIEMENS PLC being controller under the environment of visual PLC. The presented system is very convenient to monitor the parameters of every frequency-converter

    5、on line and realize the distance control.The paper introduced steel cleaning processes for the system to illustrate the practical application of the actual value of the system, Adjusting brush roller torque to control brush roller intensity on the skin of steel. At last, together with procedures, th

    6、ere are communication procedures of PLC and frequency-converter and the procedures of PLC combining with frequency-converter achieving constant torque control of electric motor. Practice has proved that the method can reduce electric connections and improve the anti-jamming capability of the system.

    7、 Thereby a scheme for PLC combining with frequency-converter to achieve constant torque control of electric motor with low-cost and high-performance is provided.Keyword: PLC,frequency-converter ,PROFIBUS protocol鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 III 页 目录摘要 .IABSTRACT .II1 绪论 .11.1 选题的背景 .11.2 PLC 和变频器的发展 .11.3 系统

    8、综述 .22 三相异步电动机 .42.1 异步电动机的旋转原理 .42.2 异步电动机的电磁转矩 .42.3 异步电动机的机械特性 .53 变频器的恒转矩控制 .63.1 变频器的工作原理 .63.2 转矩控制时的运行特点 .63.3 转矩给定信号与电动机转矩 .64 STEP7-300简介 .84.1 PLC 的定义 .84.2 STEP7-300 软件 .85 分布式外围设备现场总线(PROFIBUS-DP) .95.1 PROFIBUS-DP 简介 .95.2 PROFIBUS-DP 的物理连接 .95.3 PROFIBUS-DP 的报文结构 .96 系统的实现 .11鞍山科技大学本科生

    9、毕业设计(论文) 第 IV 页 6.1 系统的硬件连接 .116.2 MICROMASTER 440 标准型变频器设置 .116.3 MICROMASTER 440 控制字和状态字的设置 .136.4 PROFIBUS-DP 主站与 MICROMASTER 440 的连接 .136.5 PLC 与变频器的通讯程序设计 .14 6.6 系统的实际应用 .18结论 .31致谢 .32参考文献 .33附录 A(英文文献) .34附录 B(中文译文) .41鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 1 页1 绪论1.1 选题的背景随着我国工业生产自动化程度的不断提高,PLC 和变频器相结合的系统广泛地应

    10、用在冶金、建材、电力、化工、食品等行业中。我国现在广泛使用的调速系统还比较落后,直接影响了产品的质量。过去传统的电动机调速系统多采用变频器直接控制电动机的方法进行速度控制,由于操作人员有限,不能安排太多人员在现场,现场外部工作环境又很恶劣,工厂车间闷热,同时效率也很低,维修、维护麻烦,造成工作故障多,影响正常生产;另外由于变频器技术仍未成熟,控制不稳定,精度低,调试烦琐,使用极不方便。根据所掌握的资料,结合现代先进控制技术,采用可编程序控制器控制 MICROMASTER 440型变频器拖动电动机方案,以弱电控制强电远程控制技术取代传统的直接控制方式。实践证明,该系统效率高,节约劳动力,为工作人

    11、员创造了舒适的工作环。由于以上的优点,PLC 和变频器相结合的系统会有更广阔的发展空间。1.2 PLC和变频器的发展1、 PLC 的发展PLC 将朝着体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的方向发展。二是向大型化、网络化、多功能方向发展。近年来 , 小型 PLC 的应用十分普遍,超小型 PLC 的需求日益增多。据统计,美国机床行业应用小型 PLC 几乎占据了市场的 1/4,国外许多 PLC 厂家正在积极地研制开发各种超小型微型 PLC。例如德国西门子公司 S7-200既可以单机运行也可以联网实现复杂的控制。S7-200 的最小配置是 8 个数字量输入和6 个数字量输出,还可以根据实际情况进行扩

    12、展 27 个模块,最多可达 128 个输入和120 个输出,此外 S7-200 还可以进行模拟量控制,是一种性能价格比较好的微型 PLC.大型的多层次分布式控制系统与集中型相比,具有更高的安全性和可靠性。系统设计、组态也更为灵活方便,地域分布也广,是当前控制系统发展的主要潮流。为了适应这种发展,实现工厂自动化,世界上各 PLC 生产厂家不断地研制开发功能更强的PLC 网络系统。这种 PLC 网络一般是多级的,网络的最底层是现场执行级,中间是协调级,网络上的最上层为组织管理级。现场执行级可以由多个 PLC 或远程 I/O 工作站所组成,中间一级由 PLC 或计算机构鞍山科技大学本科生毕业设计(论

    13、文) 第 2 页成。最高一级一般由高性能的计算机组成。它们之间采用工业以太网和工业现场总线相连构成一个多级分布式 PLC。随着自动控制技术的发展,这种多级分布式 PLC 控制系统功能不再是单一的,除控制功能外,还可以实现在线优化、生产过程的实时调度、产品计划、统计管理等功能,成为一种测、控、管一体化的多功能综合系统。目前 许 多 PLC 开发商己经注意到了 PLC 的兼容性,不仅是 PLC 与 PLC 兼容,而且还注意到 PLC 与计算机的兼容,使之可以充分利用计算机现有的软件资源。例如西门子的 S7-300 采用 SIMATIC S7 的模块,它的软件编程、监控都可以在 Window 操作平

    14、台上操作和运行。今后 PLC 将采用速度更快、功能更强的 CPU、容量更大的存储器,并将更充分地利用计算机资源.PLC 控制系统将与智能控制系统工业控制计算机、集散控制系统、嵌入式计算机等更进一步地相互渗透和结合,这必将更进一步拓宽 PLC 的应用领域和空间。2、变频器的发展随着技术的不断发展,变频器技术的发展也越来越迅速,变频器将朝着以下几个方面发展:(1)实现高水平的控制。基于电动机和机械模型的控制策略,有矢量控制、磁场控制、直接传矩控制和机械扭振补偿等;基于现代理论的控制策略,有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器,在某种指标意义下的最优控制技术和

    15、逆奈奎斯特阵列设计方法等;基于智能控制思想的控制策略。 (2)开发清洁电能的变流器。所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为 1,网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量,以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。 (3)缩小装置的尺寸。紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度。(4)高速度的数字控制。以 32 位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各种控制算法,Windows 操作系统的引入使得可自由设计,图形编程的控制技术也有很大的发展。 (5)模拟与计算机辅助设计(CAD)技术。电机模拟器、负载模拟器以及各种CAD 软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。 鞍山科技大学本科

    16、生毕业设计(论文) 第 3 页1.3 系统综述本文介绍了利用 PLC 与变频器结合控制刷辊电动机恒转矩系统在钢板厂的应用,介绍了刷辊对钢板刷洗的力度控制,通过对电机的力矩控制,实现了力度控制,从而对钢板刷洗均匀.干净。本系统是对电机的恒力矩控制,介绍了三相异步电动机、MICROMASTER 440 变频器、和 S7-300 的相关知识,为系统的设计做一些铺垫。本套系统采用西门子公司 S7-300 可编程控制器( PLC)作为中央控制核心,刷辊控制采用西门子公司的 MICROMASTER 440 系列标准变频器,PLC 同变频器之间采用PROFIBUS 现场总线通讯协议进行控制,恒转矩控制采用了

    17、集成在变频器内部的 PID模块,通过转矩的给定值和反馈值进行比较,达到输出稳定的功能。PLC 同上位机之间通过工业以太网,PLC 采用 STEP7 CPU 315-2DP,通过 TCP/IP 协议进行通讯。整体来说,该电气自动化系统设计紧凑、控制方式先进、自动化程度高、控制方法灵活、适应性强。本文着重讲述了利用 PROFIBUS-DP 协议进行 PLC 与变频器之间的组态,实现PLC 对变频器的控制,首先必须把变频器和 PLC 之间用电缆连接起来,本套系统所采用的连接电缆是双绞线(如常用的以太网缆) 。然后就是对他们进行网络组态,设置STEP7 CPU 315-2DP 为 DP 主站,MICR

    18、OMASTER 440 变频器为 DP 从站。分别设置他们的通讯地址,利用 STEP7-300 内部的通讯功能块 SFC 14 和 SFC 15 来读写MICROMASTER 440 变频器的数据。利用输入转矩和反馈的实际转矩,通过变频器本身的 PID 进行转矩恒定运行,利用 PLC 编写控制程序来实现通讯,再利用 PLC 程序对系统恒转矩进行控制。PLC 和变频器相结合的调速系统逐渐的被广泛的应用。变频器调速技术是集自动控制、微电子、电力电子、通信技术于一体的高科技技术。它具有很好的调速、节能性能, 在各行业中获得了广泛应用。可编程序控制器(PLC) 是近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控

    19、制装置。PLC 具有较高的可靠性,可以通过 PLC 串口实现与不同控制设备间的数据传输,从而可使 PLC 的应用范围扩大。所以结合 PLC 与变频器各自的优点,PLC 和变频器相结合的调速系统会应用的更广阔的领域。鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 4 页2 三相异步电动机2.1 异步电动机的旋转原理三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场,三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。我们知道,但三相电源相与相之间的电压在相位上是相差 120 度的,三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差 120 度,这样,当在定子绕组中通入三相电源时,定子绕组就会产生一个旋转磁场

    20、。电流每变化一个周期,旋转磁场在空间旋转一周,即旋转磁场的旋转速度与电流的变化是同步的。在磁场中的转子在磁场中切割磁力线产生感应电流,带电的转子在磁场的作用下受到力的作用,即电动机转子开始旋转。旋转磁场的转速为:n=60f/P式中:f 为电源频率、P 是磁场的磁极对数、n 的单位是:每分钟转数。一般情况下,电动机的实际转速 n1 低于旋转磁场的转速 n。因为假设 n=n1,则转子绕组与旋转磁场就没有相对运动,就不会切割磁力线,也就不会产生电磁转矩,所以转子的转速 n1 必然小于 n。为此我们称三相电动机为异步电动机。2.2 异步电动机的电磁转矩电磁转矩是异步电动机的驱动转矩,本节着重介绍电磁转

    21、矩的计算公式。 电磁转矩基本公式: 1121221 606060 MPnsRImsnRImnsRIPT 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 5 页与直流电机类似的公式: 1211211221 cos602cos4.cos ICpfIkNmIEPT MwM 式中: 转子电流: 2.3 异步电动机的机械特性电动机的机械特性是指电磁转矩与转速之间的关系曲线,如图 2.1 所示。 异步电动机的机械特性就是 t-s 曲线。 几个关键点: 起动点 C、最大转矩点 B、额定工作点 A。图 2.1 异步电动机机械特性鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 6 页3 变频器的恒转矩控制3.1 变频器的工作原

    22、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。通常,把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器” 。为了产生可变的电压和频率,该设备首先要把电源的交流电变换为直流电(DC ) ,这个过程叫整流。把直流电(DC)变换为交流电(AC)的装置,其科学术语为“inverter”(逆变器)。一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。变频器输出的波形是模拟正弦波,主要是用在三相异步电动机调速用,又叫变频调速器。对于主要用在仪器仪表的检测设备中的波形要求较高的可变频率逆变器,要对波形进行整理,可以输出标准的正弦波,叫变频电源。一般变频电源是变频器价格的 1520 倍。由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“inverter”,故该产品本身就被命名为“inverter”,即 。13.2 转矩控制时的运行特点1 拖动系统的状态拖动系统的状态取决于系统的动态转矩 jTlmjT式中 -动态转矩,单位为 Nm;jT-电动机的转矩,单位为 Nm;m-负载转矩,单位为 Nm;l0-系统加速;jT0-系统减速;j0-系统等速运行。j

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