（机械工程专业论文）基于plc的纸机传动控制系统.pdf

摘要 随着电力电子技术以及计算机控制技术的发展，使得交流变频调速在工业电 机拖动领域得到了广泛应用；由于p l c 的功能强大、使用容易、可靠性高，常常被 用来作为现场数据的采集和设备的控制。组态软件技术作为用户可定制功能的软 件平台工具，在工控机上可开发出友好的人机界面，通过p l c 可以对自动化设备 进行“智能化”控制。 在本系统中，为了实现能源的充分利用和生产的需要，需要对电机进行转速 调节，考虑到电机的启动、运行、调速和制动的特性，采用高功能性v f 控制的 通用变频器西门子s i m o v e r tm a s t e r d r i v e s ，此变频器的s 型加减速功能和转矩提 升功能，能很好的解决转速之间的切换和启动问题。系统中由p l c 完成数据的采 集和对变频器、电机等设备的控制任务。基于s 740 0p l c 的编程软件s i m a ti c s7 一c f c 采用模块化的程序设计方法，大量采用功能模块重用，减少软件的开发和 维护。利用组态软件w i n c c 、p r o t o o l p r o 良好的人机界面和通信能力和p r o f i b u s 总线技术，使工程师、操作人员可以在中央控制室的工控机上方便的浏览现场的 工业流程、实现变频器的参数设置、故障诊断和电机的启动和停止的控制；同时 可以在现场进行电机的启动、停止及增减速等的操作 本文首先介绍了课题的意义，综述了组态软件、p l c 技术、变频调速技术、变 频器在纸机传动中的应用等的发展概况。 第二章详细的介绍了变频器的结构及其控制算法、变频调速的基本原理和变 频调速的优点。然后介绍了西门子公司s i m o v e r tm a s t e r d r i v e s 变频器。 第三章详细的介绍了组态软件的构成、特点、数据处理流程，然后详细的介 绍了西门自公司的基于w i n d o w s 的组态软件w i n c c 和p r o t o o l p r o 。 第四章详细的介绍了p l c 的基本构成和数据处理流程，然后详细的介绍了西 门子公司s 740 0p l c 及其编程特点。 第五章详细的介绍了系统的结构，硬件配置和软件实现，采用的抗干扰措施 和运行情况。 第六章是对文章的总结和相关技术的展望。 关键词：p l c ，变频器，变频调速，组态软件 i i a b s t r a c t 猢氇块。d e v e l o p m e n t o f e l e c t r i c e l e c t r o n t e c h n o l o g ya n dc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y a cf r e q u e n c yc o n v e r s i o nf o rs p e e da 礴u s t m e n t t e c h n o l o g yi s u s e dw i d e l yi nm a n y f i e l d s b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c sw i t h h i g hd e p e n d a b i l i t y ，m o d u l a r i z a t i o ns t r u c t u r e a n de a s y p r o g r a m m i n g ，p l c i su s e dt od or e a l - t i m e g a t h e r i n g ，c o n t r o l l i n g a n d c o m m u n i c a t i n g 、撕t ht r a n s d u c e r , c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei so f t e nu s e da sp l a t f o r mt o i m p l e m e n tt h en e e d i n go f g s e r s w ec a l l ，d e s i g ne x c e l l e n th m n a n - m a e h i n ew i n d o w st o c o n t r o lt h e e q u i p m e n t w i t h c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e o np c i nt h i ss y s t e m ，w en e e dt oa d j u s tt h es p e e do f e l e c t r o m o t o r 。i no r d e rt om a k ef u l l u s eo f e n e r g ya n d s a t i s f yt h en e e do f p r o d u c t i o n ，c o n s i d e r i n gt h ea d j u s t m e n to f s p e e d ， s t a r t i n g ，r u n n i n ga n db r a k i n g ；w e 珏s e t h es i m o v e r t 氧堙a s 珏r o r l v e so fs i e m e n s t r a n s d u c e rw h o s ef u n c t i o n so fa d d i n go rd e c r e a s i n gs p e e d i n gw i t hh i g hsf o r ma n d t o r q u ep r o m o t i n g c a r ls o l v et h ea d j u s t m e n t o f s p e e da n ds t a r t i n g i nt h i ss y s t e m ，p l c i s u s e dt oc o l l e c td a t af r o mf i e l d sa n dc o n t r o le q u i p m e n t ss u c ha se t e c t r o m o t o ra n d t r a n s d u c e nb e c a u s et h es t e p 7a ss 74 0 0p l c sp r o g r a m m i n gs o f t w a r ea d o p t st h e m o d u l a r i z a t i o nd e s i g nm e t h o do f s t m c a ”ea n dc o d er e u s i n g ，s u b s e q u e n t l yd e c r e a s et h e e x p l o i t a t i o n a n dm a i n t e n a n c eo fs o f t w a r eb yt h ev i r t u eo fh m ia n d s t r o n g c o m m u n i c a t i o na b i l i t y ，u s e rc a l lb r o w s et h ef l o w c h a r to f p r o d u c t i o na d j u s tt h es p e e d o f e l e c t r o m o t o r ，f a u l t d i a g n o s e ，s t a r ta n ds t o pt h ee l e c t r o m o t o r 嚣l 蠢p a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e t h em e a n i n go f s u b j e c t s ，s u m m a r i z e t h ed e v e l o p m e n t o f c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r et e c h n o l o g y ，p l ct e c h n o l o g ya n da cf r e q u e n c yc o n v e r s i o n f o rs p e e da d j u s t m e n t i nt h es e c o n dc h a p t e r ，w e n t r o d u c et h es t r n c t u r eo ft r a n s d u c e ra r i t h m e t i co f c o n t r o l l i n g ，b a s i cp r i n c i p l ea n d t h ea d v a n t a g eo fa c f r e q u e n c yc o n v e r s i o nf o rs p e e d a d j u s t m e n t i nt h et 戳嫩c h a p t e r ，w ei n t r o d u c et h es t r u c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i cf l o w c h a r to fd a t a d i s p o s a l o fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei nd e t a i la n dp a r t i c u l a r l yi n t r o d u c et h es i e m e n s p r o t o c o l p r oo i lw i m o w s i nt h ef o r t hc h a p t e r ，w ei n t r o d u c et h es t r u c t o ea n df l o w c h a r to f p l ca n di n t r o d u c e 珏l p a r t i c u l a r l yt h es i e m e n s s 74 0 0p l ca n dc h a r a c t e r i s t i c so f s o f t w a r e d e s i g n 。 i nt h ef i f t hc h a p t e r ，w ei n t r o d u c et h es t r u c t u r e ，t h ec o n f i g u r a t i o no f h a r d w a r ea n d t h ei m p l e m e mo fs o f t w a r ei nt h i ss y s t e m t h el a s tc h a p t e r ，w es u m m a r i z et h ea r t i c l ea n dp r o s p e c tt e c h n o l o g yc o r r e l a t i v e l y k e yw o r d s ：p l c ，t r a n s d u c e r ，a cf r e q u e n c y c o n v e r s i o nf o rs p e e da d j u s t m e n t c o n f i g u r a t i o n s o i t w a r e 吁 y 7 5 9 2 2 6 致谢 首先感谢我的指导老师一一陆荣槛老师和郁昊老师。两位老师学i t , n 博，治学 严谨，勤奋敬业，使我于耳濡目染中受益匪浅。他们不仅仅授业解惑，而且还孜 孜不倦的教我做人的道理；他们事无巨细，都极其认真地对待，对我们学生给予 无微不至的关怀，在此，谨向两位恩师致以崇高的敬意和衷心的感谢! 感谢我的校外指导老师一一濮永鑫老师。濮老师学识渊博，经验丰富，谦虚谨 慎，从百忙中抽出时间为我们辅导论文，使我于耳濡目染中受益匪浅。他不仅仅 授业解惑，而且还诚恳地教我做人的道理。在此，谨向恩师致以崇高的敬意和衷 心的感谢! 在论文的撰写过程中，公司企划培训部李英杰部长千方百计为我们创造条件， 为我们顺利完成论文付出了辛勤的劳动，在此，表示衷心的感谢! 对于给予我技术上帮助的、- x - 司内的各位传动系统专家，在此向这些专家表示 由衷的谢意! 在论文的完成过程中，同事于永辉等也给予我大量的帮助。在此也向这些同事 表示深深的谢意。 吕伟刚 二0 0 五年三月三十一日 第一章绪论 1 1 概论 电气传动技术以运动机械的驱动装置一电动机为控制对象，以微电子装置为核 心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下完成电气传 动自动控制系统，控制电动机的转矩和转速，将电能转换成机械能，实现工作机 械的旋转运动或反复运动。因电机的种类的不同，我们可以将其分为直流电动机 传动和交流电动机传动。自1 9 世纪8 0 年代起至1 9 世纪末，工业上传动用的电动 机一直被直流电机垄断，到了1 9 世纪术，出现了三相电源和结构简单且坚固耐用 的交流鼠笼型电机以后，交流电机才在不调速的领域代替了直流电动机传动装置。 随着生产的不断发展，速度可调节成了电动装置的一项基本要求，并且，除了满 足一定的调速范围和连续可调的同时，还必须具有持续的稳定性和良好的瞬态性 能。从2 0 世纪5 0 年代起，国外开始重视交流电机调速。随着电力电子学与电子 技术的发展，使得采用半导体变流调速系统得以实现，尤其是7 0 年代以来，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，为交流电机拖 动系统的发展创造了有利条件，促进了各种类型的交流电机调速系统，如串级调 速系统、变频调速系统、无换相器电动机调速系统以及大量控制调速系统等的飞 速发展。 1 2 问题的提出及其解决方案 纸机一般是由网部、压榨部、前烘干部、施胶部、后烘干部、压光部、卷曲部 等分部组成，同时有许多辅助设备密切配套，这些辅助配套设备与纸机的正常运 行有许多联锁关系，若稀油泵没有开启， 缸，否则对烘缸轴承产生磨损甚至损坏； 即纸机润滑系统没有工作，不能启动烘 纸机液压泵不开，纸机液压辊不能运行 来保护纸机上的液压辊；空气压缩机的压力不够的话，立即声光报警，经过一定 时间后，空压机仍不能恢复，则立即停机，因为当气压下降到一定程度，各气动 阀不能正常工作，无法继续抄纸；网部、压榨部辅助传动点的喷水管、移动刮刀、 吸水箱的定位等联锁控制，因此，合理与完善的联锁控制功能是保障纸机正常运 行的关键因素之一。 由于纸机各分部传送着生产过程中的纸张，根据造纸工艺的要求，各分部间 要求达到线速度比例协调( 相邻两个分部间的线速度比值应保持恒定) ，高精度地、 可靠地保持这个比例系数是保证产品质量、生产正常运行的重要条件，任何原因 酸繇这穗魄穰镑溺，藏会洚 羲产磊覆量。闲舞，纸援豹这耱速疫毙翻蟛灞关系癜 在该变车速或停机后重新丌机时继续保持，而不需重新调节。其次，这种比例协 调威具有微调功能，以调节棚邻两分部间的速差，避免纸张在传送道程中松弛和 绷綮瑗象，著显逮发镦调瘟该瑟敏、可靠，不应在调节j 遘程孛有鞠嚣懿漳嚣瑷蒙， 不同纸机、间一纸机生产不同纸种，在速度控制要求上，有不同的要求。但纸 机对电气传动控制统一要求为稳速、变速。生产薄页纸的纸机，对速度的稳定性 及鞠态确应往寄铰嵩静要求。基于p l c 懿变疆器瓣控铡，在对毫穰逡孳亍 荛纯处矮 过程中，自动调整速度控制黧要参数的设濯值，大大提高静态和动态的控制精度， 避兔了断纸，因此纸机传动系统的控制精度和对纸张的质量和纸机的运行有着至 关蕊要静俸鼹。 在现代交流电气传动系统中，交流变频调速技术是尚今节电、改潜工艺流程以 提离产品质量秘敬善环境、撼动技术进步的一种主要手段。变频调遗以其优异的 诞滤和起裁韵瞧髓，高效率、离功率因数和节毫效莱，广泛静适溺菠嚣及箕它l 譬 多优点而被国内外公认为最衡发展前途的调速方式。 髓著现代化工厂的自动化程度不断提赢，不仅要求控制系统的各个部件具有强 大豹通讯功能，实现丽类控稍器闯的数据交换，还要和瓣蓊应用广泛瓣p l c 、王擦 机、变频器等按定的通讯协议进行数据交换。p l c 技术，通讯技术，变频器技术 的飞跃发展，为我们实现现代化的造纸桃的传动控制系统，达到对控制系统在不 磷情况下酶不蕊簧求，提供了葭翳静技术麓穑稻理论蒸礁。 1 3 论文的主要内容 强前，针对麓子p l c 的纸椒传动的研究，只有西f 予、a b b 等几象大的传动供 疲齑有深入的磷究。一般酶遗纸厂只是在傻罱上有掰磷究，对黉动系统静工佟舔 理及程序的实现、系统的优化不会作太多的分析，纸机的传动系统由供应商调试 成功后，基本上裁不作改动了，就这样一成不变地使用下去。面我们公司的水松 藤纸生产线，怒台经常改变纸酶晶静、经常改变纸梳的车速、缀常调换纸穰熬 辊子的一台纸机。因此需要我们深入研究这台纸机的传动系统，以便我们自己来 鼹决生产中出现靛有关传动系统豹问题。间时民丰特暑枣纸股份有限公司还有许多 颓的项强要上筠，通过研究邀台纸辊的传动系统，来毙善和优馥耨壤鑫酌纸祝传 动系统，为实现百年民丰的宏伟目标做出我们自己的贡献。同时有助于造纸行业 的同行相互借鉴、相互促进，为中国的造纸业的快速发展做出一些贡献。 论文首先对纸机传动系统的变频器的选型进行分析和变频器内部构成结构进 行了详细的介绍，比较了电机调速的几种类型，深入探讨了变频调速的原理和优 点，最后介绍了西门子公司的s i m o v e r tm a s t e r d r i v e s 变频器。论文接着对工业 组态软件技术进行了综述，探讨了组态软件的基本结构、特点以及数据处理流程。 最后介绍了西门子公司的基于w i n d o w s 的组态软件p r o t o o l ；然后介绍了p l c ( 可 编程程序控制器) 的基本组成、主要特点以及西门子公司的p l cs 7 4 0 0 。论文的 最后是相关技术在纸机的传动系统的应用；讨论了系统的体系结构、控制策略以 及硬件配置和软件实现。 1 4 相关技术发展概况 1 4 1 交流调速的发展概况 交流变频调速的优越性早在2 0 世纪2 0 年代就已被人们所认识，但受到器件的 限制，未能推广。5 0 年代初，中小型感应电动机多采用晶闸管调压调速：大中型绕 线式感应电动机采用晶闸管静止型电气串级调速系统。7 0 年代发展起来的变频调 速，比上述两种调速方式效率更高，性能更好。 交流调速系统大致经历过以下几个阶段： ( 1 ) 异步电动机调压调速系统：调压调速过去常用的方法是在定子回路中串入 饱和电抗器，或在定子侧加自耗铜材料，体积小，控制方便。用晶闸管功率变换 器来完成馈送任务，这就构成了由绕线异步电动机与晶闸管变换器共同组成的调 压器，通过控制触发脉冲的相位角，便可控制加在负载上的电压大小，很快成为 交流调压器的主要形式，但由于相位控制时，晶闸管导通后负载上获得的电压波 形不是电网提供的完整的工频电压波形，因此产生了成分复杂的谐波。 ( 2 ) 串级调速系统：绕线转子异步电动机串级调速是将转差功率加以利用的一 种经济、高效的调速方法，改变转差率的传统方法是在转子回路中串入不同的电 阻以获得不同斜率的机械特性，从而实现速度的调节。这种方法简单方便，但是 调速是有级的、不平滑，并且转差功率消耗在电阻发热上，效率低，自大功率器 件问世后，x q 采用在转子回路中串联晶闸管功率变换器来完成馈送任务，这就 构成了由绕线异步电动机与晶闸管变换器共同组成的晶闸管串级调速系统。由于 晶闸管的逆变角的可以平滑连续的改变，使得电动机转速也能平滑连续的调节。 另外转差功率又可以通过逆变器回馈到交流电网，提高了效率。串级调速的缺点 是功率因数较低，采用强迫换流、改进型三相四线逆变器、逆变器的不对称控制 以及转子直流回路加斩波器控制等，可以提高功率因数。其中采用强迫换流方式 可使用门极可关断晶闸管( g t o ) 构成，这样可以省去关断品闸管用的储能电路，使 逆变电路简单、体积小。 ( 3 ) 变频调速系统：变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是运用最广、 最有发展前途的调速方式。交流电机变频调速系统的种类很多，从2 0 世纪5 0 年 代提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型、脉宽调制型等各种变频器。 目前变频调速的主要方案有：交一交变频调速，交一直一交变频调速，同步电动机 自控式变频调速系统，正弦波脉宽调制( s p w m ) ，矢量控制、直接转矩控制变频调 速等，而且无速度传感技术日益成熟许名智能技术逐步渗透到其中，如模糊控制、 专家系统、神经网络、自适应控制等，与这些控制方式相结合，大大提高了变频 器调速系统的控制效果，这些变频器调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半 导体器件的制造水平以及电力电子技术的发展水平。2 0 世纪8 0 年代中期随着第三 代电力半导体器件如门极可关断晶闸管g t o 、绝缘栅双极晶体管i g b t 的相继出现， 交流变频调速技术得到了飞速发展。日、美、德、英等国家在结合现代微处理器 控制技术、电力电子技术、电机传动技术的基础上，相继推出了一系列的变频器， 且不断进行更新换代。 1 4 2 组态软件发展概况 组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的。2 0 世纪5 0 年代虽然计 算机开始涉足工业过程控制，但由于计算机技术人员缺乏工厂仪表和工业过程的 知识，导致计算机工业过程系统在各行业的推广速度比较缓慢。2 0 世纪7 0 年代初， 微处理器的出现，促进了计算机控制技术走向成熟。首先，微处理器在提高计算 能力的基础上，大大降低了计算机的硬件成本，缩小了计算机的体积，很多从事 控制仪表和原来一直就从事工业控制计算机的公司先后推出了新型控制系统，其 中具有代表性的是美国h o n e y w e l l 公司于1 9 7 5 年推出的世界上第一套d c s ，即t d c - - 2 0 0 0 。在随后的2 0 年中，d c s 及其计算机控制技术日趋成熟，并得到了广泛应 用，市场发展迅速。但当时的d c s 软件是专用和封闭的，且成本居高不下。8 0 年 代中后期，随着个人讨”算机的普及和开放系统( o p e ns y s t e m ) 概念的推广，耩于个 太诗算穰鹣筮控系统开始送入市绥并发震薯丈。蒸于令天蓝羧系统呈现密餐能伍、 小型化、网络化、p c 化的发展趋热，并逐渐形成了各种标准的网络结构、硬件规 范。组态软件在自动化系统的“水平”和“垂直”集成中起着桥梁和纽带的作用， 已或为爨劝恁系统中熬羹要组成舔分。诗算辊转簸控系统开始送入市场，为组态 软件提供了发展空间a 目前自动化产品呈现出智能化、小型化、网络化、p c 化的 发展趋势，并逐渐形成了各种标准的网络结构、硬件规范。缌态软件作为个人计 算辊煎按系统豹重要缀藏部分，魄p l c 盗整豹磷传系统其畜爨为广溺豹发疆空闻。 这是因为，第一，很多d c s 和p l c 厂家主动公开通信协议，加入“p l c 监控”的阵 营；第二，由于p l c 监控大大降低了系统成本，使得市场空间得以扩大，从无人 僮守的遴稷蓝视( 皴耱盗掇警、江海添清簸税、环境蓝控、滚信线路簸按、交通 管制与徽控、矿井报警等) 、数据采集与计量( 如居民水电气表的自动抄袭、铁道 信号采祭与记录等) 、数据分析( 如汽车和机车自动测试、机缌和设备参数测试、 送疗纯黢仪器设备实辩数据采集、纛攒仪器、生产线产品质量獭裣等) 至g 过疆控镄， 几乎无处不用。第三，各类智能仪袭、调节器和p l c 可与组态软件构筑毙艇的低 成本自动纯系统，具窍广阔的市场空间。第四，备类嵌入式系绫和现场总线的异 军突起，把组态软件捺委了自动纯系统主力军辩使置，组态软释越来越成为工业 自动化系统中的灵魂。 国隧上比较有名的膝控组态软髂如表1 1 辨示： 公弼名称产品名称嗣剐公司名称产晶名称国剩 i n t e i f i x ，i f i x美国r o c k - w e l l r s v i e w 3 2 美国 l u t i o n iw o n d e r w a r ei n t o u c h獒围信肯遇t h i n k 藏d 0美国 p a r a g o n n a ti o n a l in e m as o f t美国 l a b v i e w 美国 p a r a g o nt n f i n s t r u 檬e n t s t a a i m a x荑图i c o n i c sg e n e s i 8美国 e n g l a e e r l n g 避翔电气c i m p l i c i t y美图 p cs o f t弹i z c o n 以色列 鲻门子 w i n c c 德嗣 c i t e c hc i t e c h澳丈利驻 表1 一l组态软件概况湖 1 4 ，3p l c 技拳砖发展概藐 第一台可编糨控制器( 以下简称p l c ) 的设计规范是奖国通用汽车公司提出的。 当时的目的是要求设计一种新的控制装臀以取代继电器盘，在保留了继电器控制 系绫戆篱擎爨 i l | 。操终方便、徐捂便宣等後点的基礁主，同嚣买鸯袋伐往生产线 所要求的时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺n 政变、易于与 计算机接口、维修方便等诸多高品质与功能。这一设想提出后，美因数字设备公 司( d e c ) 予1 9 6 9 年磅裁成第一台p l c ，鍪号凳筠p 1 喜，投入逶曩汽车公司鹣雯产 线控制中，取得了令人满意的效果，从此开创了p l c 的新纪元。 在短时阃内，p l c 在其他工业部门也彳铎到应用。到2 0 世纪7 0 年代初，食品、 金满莘莲靠l 造等王娩部门相继侵弱p l c 代蘩继电器控鞠浚备，遥鑫蒸蜜甏纯蹬毅貔 第一步。 7 0 年代中期，出于大规模集成电路的出现，使8 能微处理器和饿片处理器相 继溺整，在逻辍运算凌能鲍蘩磷上，瑾热了数值运算。闭环控嗣，褥毒了运冀蘧 度，扩大了输入输出规模。在这个时期，日本、西德( 原) 和法国相继研制出自己 的p l c ，我国农1 9 7 4 年也开始磺制。 7 0 年代泰国予超大亵模集成电路懿磁疆，使p l c 囱大燕模、豢逮经麓方蠢发 展，形成了多种系列化产品。进入八九十年代后，p l c 的软硬件功能进一步得到加 强，p l c 已发展成为一种可搬供诸多功能的成熟的控制系统，能与其他设备通信， 生成报表，调度产出，可诊断鑫身故障及穰器敌障。p l c 未来静发震不仅蔽赖于对 新产品的开发，还在于p l c 与其他工业控制设备和工厂管理技术的综合。无疑， p l c 猿在今后的工业自动化中扮演重要角德。在未来的工业生产中，p l c 技术和机 器人、c a d c a m 将成为实现工娩生产自动纯的三太支穰。 目前p l c 朝以一f 几个方向发展： ( 1 ) 大型网络化：主要朝d c s 方向发展，网络化和强通信能力是p l c 发展的一个 主要静方面，向下与多个篙熊装置相连，囱上与工监诗算机、鞋太黼等裙连构成 特殊的控制任务。 ( 2 ) 多功能：为了适应特殊功能的需要，连续推出多神智能模块，如模拟量模输 入输出、回路撩制、通信撩稍、丰凡械运动控割、高速技术、中甑输入等。这些键 能模块以为处理器为基础，其c p u 与p l c 的c p u 并行工作，占用主机c p u 时间很 少，有利于提高p l c 扫描速度和完成特殊的控制任务。 ( 3 ) 高可靠性、好兼容性：e h 于现代控制系统的可靠性和兼容性日渐受到人们的 重视，一些公司强自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推 出了高可靠的冗余系统。 ( 4 ) 编程语言向高级语言发展：p l c 的编程语言在原有梯形图语言、顺序功能块 和指令表语言基础上，推出了可运行与计算机w i n d o w s 环境下，界面友好的强劲 的梯形图和语句表两种形式的编程、调试、诊断等功能。s i m a t i c 则使用c c + + 等 高级语言进行编程，体现了面向未来的种种特征。 国外主要的p l c 厂家如表卜2 ： 公司名称国别公司名称国别 a b 公司美国m i t s u b i s h i 公司日本 0 m r o n 公司曰本g e 公司美国 德州仪器美国 s i e 枷圳s德国 表i 2p l c 厂家 1 4 4 变频器在纸机传动中的应用与发展概况 造纸机对电气传动系统的主要性能要求是线速的稳定性，要求速度长期稳定： 另一点就是速度的可调性及快速响应的特点多年以来，应用于纸机的电气传动系 统多为直流调速或其他形式的调速系统，交流变频调速一直很少被采用本世纪7 0 年代初，变频技术迅速发展，已经成为集电力、电子、计算机技术于一体的高科 技产品全球一些著名的电气公司象职门子、a b b 、东芝、三菱等，在这一领域的 开发与研究都取得了巨大成就，使得变频调速技术迅速发展并e l 渐成熟，它较直 流调速系统及其它类型的调速系统有以下3 个最突出的特点： ( 1 ) 省电节能，可使电耗降低这是因为，一方面，一个常识性的问题就是交流 电机的效率比其它类型的电机都要高另一方面，一般的电机控制回路中都有过流 过压失相等安全保护元件，而“变频器一电机”控制回路则没有这些耗能元件， 更不需要象直流元调速系统所必备的励磁电源变压器等 ( 2 ) 系统造价低同直流传动系统相对比，异步电机的价格要比直流电机的价格 低1 3 0 - 3 5 0 ；另外，技术的发展使得变频器成本逐年下降，现市场价格约为1 0 0 0 7 元千瓦，而直流整流设备1l o k w 容量以下平均每套的价格约为2 1 0 0 0 元因此对 于纸机电气传动系统，单机容量不超过1 6 0 k w ，在同样装机容量下，交流传动系统 的造价要比直流传动系统低5 一1 5 针对中低档纸机，装机容量不太大交流调速 具有大的价格优势 ( 3 ) 维护工作量小变频器普遍采用大规模、超大规模集成电路，设有附加的 外围元器件，因此从某种意义上说，变频器是免费维护设备直流电机的维护周期 为1 个月，而交流电机的维护周期为3 个月以上，且维护工作量要小的多 基于变频器系统的诸多优点，自2 0 世纪9 0 年代初期交流变频调速技术开始 应用于国内各纸厂山东临清银河纸业集团国内纸厂中较早大规模使用变频器的 厂家，比较具有代表性，同时该公司在变频调速领域技术也比较领先最早在国内 纸厂使用的变频器品牌有日本的三肯、东芝、三菱、富士及英国的c t 等品牌，无 速度反馈，电流单闭环控制，调速方式为模拟信号总给定的方式，因此系统的抗 干扰能力及稳定性差，性能也差，适合于中低档纸机，同时操作的方便灵活性也 不尽人意这是变频器在纸厂应用的初级阶段 随着时间的推移，产品不断更新换代，矢量控制( v e c t o rc o n t r 0 1 ) 、i g b t ( 双 极绝缘可关断晶闸管) 、操作面板( o p r a t ep a n e l ) 等新技术不断在变频领域采用， 最明显的特征是变频器的体积在变小，同时功能逐渐增强，维护操作更为方便这 一时期的代表产品有a b b 公司的a c s 4 0 0 系列，日本三肯公司的m f 、i f 系列，富 士公司的5 0 0 系列等型号的变频器，此时控制系统多为双闭环结构，并开始采用 模拟量速度链技术，同时在压榨部、施胶部也采用负荷分配技术由于此时数字技 术未在操作控制回路采用，所以变频器的抗干扰能力较以前没有太大的改善，通 讯能力也比较差这是变频器在纸厂应用的第二阶段 数字化技术的采用及模块化结构设计风格的出现使得更为高级的变频器诞 生，内部采用模块化的结构，使得参数的配置与修改及各功能的实现乃至连接更 为方便，速度链上传递的为数频信号，使系统的抗干扰能力更强，故障的诊断， 信号的检查也很方便数频处理、速度设定、马达控制等模块的链接位置让操作者 修改参数比较直观、简洁，同时也进入变频器在纸厂应用发展的第三阶段 第二章 2 1 变频器熬蒸零结构 a c 纸机传动系统中变频调速系统的选型 a c 黼2 l 变频器编构豳 2 1 i 变频器的主电路 电力电子开关器 牛 电力半譬俸器件已经魇了良晶阑管为代表的分立器件，以可关断晶闻管 ( g t o ) ，巨型晶体管( g t r ) ，功率m o s f e t 、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 为代表的功率 集藏嚣释( p i d ) ，以智能化凌率集成电路( s p i c ) ，裔聪功率集戏瞧路( h v i c ) 为代表 的功率集成电路( p i c ) 等三个发展时期。从晶闸管靠羧相电流过零关断的半控嚣件 发展到p i d 、p i c 通过门极绒栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件。在 器 孛的控割模式上，获电流型控刳模式及发展副电愿垄控专l 模式，不仅大大黪僬 了门极( 栅极) 的控制功率，而且大大掇商了器件导懑与关断的转换速度，从而使 器件的工作频率不断提高。在器件结构上，从分立器件发展到由分立器件组龠成 功率变换毫路黪翅缀摸涣，继嚣涛功誊嶷换电路与皴发控利电路、缓i 孛电路、检 测电路等组念猩一起的复杂模块。 整流电路 一般静三穰变频器熬熬流电爨由三秘全波整流褥缀袋。它的童簧雩# 弱是对王频 的外部电源游行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的赢流电源。整流电 路按其控制方式，可以是巍流电压源，也可以是直流电流源。直流中间电路的作 瓣是踺整流怒漆爨羧出进行乎漕，数攥涯遂交电路秘控裁电源 ；够褥嚣矮量较麓 9 的直流电源。此外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中有时还包括制动 电阻以及其它辅助电路。 逆变电路 逆变电路是变频器主要的部分之一。它是利用六个半导体丌关器件组成的三相 桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中的主开关元器件的通与断，得到任意频率 的三相交流电输出。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电动 机处于电动还是发电制动状态，变频器功率因素总不会为1 。因此，在直流环节和 电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量就靠之间直流环节的储能元件 来缓冲。它的主要作用是在控制电路的控制下，将平滑电路输出的直流电源转换 为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被 用来实现对异步电动机的调速控制。 2 1 2 变频器的控制电路 构成 包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路以及保护电路 等几个部分，是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣。 控制电路的主要作用是完成对逆变器开关控制、对整流器的电压控制以及完成各 种保护功能。 控制算法 随着电力半导体器件和微型计算机控制技术的迅速发展，促进了电力变频技术 突破性发展，2 0 世纪7 0 年代后期发展起来的脉宽调制( p u l s ew i d t t l m o d u l a t i o n ， p w m ) 技术成了最常用的变频器功率开关器件的控制策略。 p w m 控制利用了采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉 冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说 的效果相同，指环节的输出响应波形基本相同。根据这个原理，可以用一系列等 幅而不等宽的脉冲来近似正弦波，且脉冲的宽度按正弦规律变化，这种方法称为 s p w m ( s i n u s o i d a lp w m ) 。 s p t v l a 各脉冲的宽度和间隔可以准确计算出来，按照计算结果控制电路中各开 关器件的通断，就可以得到所需要的s p l 】l m 波形。但这种计算很繁琐。较为常用的 方法是采用调制的方法，即把正弦波作为调制信号，把接受调制的信号作为载波， 1 0 通过对载波的调制即可得到s p w m 波形。通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰 三角波上下宽度与高度线性关系，且左右对称，当它与正弦波调制信号相交时， 如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于正弦波幅值的 脉冲，这正好符合s p w m 控制的要求。三角载波的频率f c 和正弦调制波的频率f r 之比即f c f r = n c 称为载波比。用生成的s p w m 波控制逆变器开关器件的通断，可 得到等幅且脉冲宽度按正弦规律变化的矩形脉冲列输出电压。正弦调制波的频率 养即是逆变器的输出频率f 。，改变f r 便可改变f 。三角载波的幅值为恒定，因而 改变正弦调制波的幅值就改变了矩形脉冲的面积，由此实现输出电压幅值的改变。 根据以上介绍的s p w m 逆变电路的基本原理和控制方法，可以用模拟电路构成 三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对 功率开关器件的通断进行控制，就可以生成s p w m 波形。但这种模拟电路结构复杂， 难以实现精确的控制。微机控制技术的发展使得用软件生成s p w m 波形变得容易。 2 2 变频调速的基本原理9 】1 1 q 当在一台三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压时，该电压将产生一 个旋转磁场，其速度由定子电压的频率所决定。当磁场旋转时，位于该磁场中的 转子绕组将切割磁力线，并在转子绕组中产生相应的感应电动势和感应电流，而 此感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力，即转矩，使转子跟随旋转磁 场旋转。当将三相异步电动机绕组的任意两相进行交换时，所产生的旋转磁场的 方向将发生改变。因此，电动机的转向也将发生改变。 异步电动机定子磁场的转速被称为异步电动机的同步转速，其同步转速由电动 机的磁极个数和电源频率所决定： r k = 6 0 f p 公式( 2 1 ) n 。一电机同步转速 f 一一一供电电源频率( h z ) p 一一一电机定子磁极对数 异步电动机的转速总是小于其同步转速，异步电机的实际转速可由下式给出： n = n 。( 卜s ) = 6 0 f ( 1 一s ) p 公式( 2 2 ) 式中： n 一电机实际转速 s 一一一转差率( 同步电动机时，s = o ) 由式( 2 ) 可知，改变参数f ，s 中的任意一个就可以改变电动机的转速，即对 异步电动机进行调速控制。因此，可以通过改变该电源的频率来实现对异步电动 机的调速控制。从某种意义上说，变频器就是一个可以任意改变频率的交流电源。 在电动机调速时，一个重要的因素时希望保持每极磁通量中。，为额定值不变。 磁通太弱，没有充分利用电机的磁心，是一种浪费：若要增大磁通，又会使磁通饱 和，从而导致过大己励磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。对于直流电 机来说，励磁系统是独立的，所以只要对电枢反应的补偿合适，保持巾。不变是很 容易做到的。在交流异步电机种，磁通是定子和转子合成产生的。 三相异步电机定子每相电动势的有效值是： e 。= 4 4 4 f 。n ，k 。中。公式( 2 3 ) 式中：e一气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值； 定子频率； n 。一一一定子每相绕组串联匝数 k 川_ 一一一基波绕组因数； 每相气隙磁通量。 由公式可知，只要控制好e ，和f 。，便可以控制磁通中。不变。需要考虑基频( 额 定频率) 以下和基频以上两种情况： 1 基频以下调速： 即采用恒定的电动势。由上式可知，要保持中不变，但频率f 从额定值f 。 向下调节时，必须同时降低e 。 然而绕组中的感应电动势是难以控制的，但电动势较高对，可以忽略电子绕 组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压u * e ，则得u 。f = 常值。 低频时，u 。和e g 都较小，定子阻抗压降所占的份量都比较显著，不能在忽略。 这时，可以人为的把电压u 。抬高一些，以便近似的补偿定子压降。带定子压降补 偿的恒压频比控制特性为b 线，无补偿的为a 线。如图2 2 所示。 1 2 u 1 定子相电压 u l n 0 f i 。 r l ( 频率) 图2 - 2 恒压频比控制特性 2 基频以上调速 在基频以上调速时，频率可以从f 。往上增高，但电压u 。磁通与频率成反比的 降低，相当与直流电机弱磁升速的情况。 把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得到异步电动机的变频调速控制特 性，如图2 3 。如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，则电动机都能在温 升容许的条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。在基频以下，属于“恒 转矩调速”的调速，而在基频以上，基本上属于“叵功率调速” u i 定子电压 u m f l nn n 频率 图2 - 3 异步电动机变频调速控制特性 2 3 变频调速的优点 变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电 子技术和计算机技术的基础上。它与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交 i3 流电动机进行调速控制，有许多优点，如节电、容易宓现对现有电动机的调速控 翻、爵骧实瑷大莲圈瘗魏蠢效连续凌速接镄、实魂这黢豹精确控麓。客易实褒毫 动机的正反转切换，可以进行高额度的起停运转，可以进行电气制渤。可以对电 动机进行高速驱动。电机在带动较大负载在启动时，会有较大的冲谢电流，采用 交壤器露，霹苏安褒软癌动，减枣净毒毫浚，簿决大受载戆癌动阕憨。毫繇功率 因索大，所需容艟小，可以缀成离性能的控制系统等。完善的保护功能：变频器僳 护功能很强，毅运行过程中能随时检测到备种故障，并照示故障类别( 如电网瞬时 毫逶降低，毫瓣歇槎，壹滚逡遣蓬，功率羧决过熬，毫筏短路等) ，并立瑟羹铵输 出电压。这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。 2 4 西门子s i m o v e r tm a s t e r d r i v e s 变频器性能介绍 功能特点： a 工业型变频滩，比通用型产品更适合于环境恶劣的工业生产现场。 b 标准化及模块化。整个变频器的结构非常紧凑，主扳及扩展板都有是通过总线 播禳连接，各缀 牟接遥，便予维修。交予集成度的提纛，使装置曩鸯徭赢静霹靠 性。 c 搞子抗性好，运行可靠，不受元器件老化和温度漂移的影响，能妖期保持稳定 静拄铡精度。 d 适应电源电压波动范围广，能自动适应电网频率变化4 5 6 5 h z 。 e 具有很强的巍诊断处理功熊，提供有关敞障原因的补充信息，使敞障排除更为 篱单，维护方便。 f 灵活多变的通讯能力。可采用u s s 、p e e r t op e e r 、p r o f i b u s d p 、c a n 、s i m o l i n k 等多秘