基于PLC控制的变频调速在物料搅拌中的应用

1、题 目：基于PLC控制的变频调速在物料搅拌中的应用学 院：信息电子技术学院年 级：专 业：姓 名：学 号：指导教师： 徐志如摘 要摘 要随着电力电子技术以及控制技术的发展，使得交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用。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MM6SE92，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。 论文首先介绍了课题的意义，综述了组态软件、PLC技术、变频调速技术的发展概况。 第二章详细的介绍了变频器的结构及其控制算法、变频

2、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MM (5SE92)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子公司的基于Windows的组态软件Protool/Proo。第四章详细的介绍了PLC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S7200 PLC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：PLC；变频器；变频调速；组态软件佳木斯大学教务处 - ii -AbstractAbstractWith the development of e

3、lectric electron technology and controllingtechnology, AC frequency conversion for speed adjustment technology is used widely in many fields.In this system ,we need to adjust the speed of electromotor .In order to make full use of energy and satisfy the need of production，considering the adjustment

4、of speed, starting, running and braking. We use the MM 5SE92 of Siemens transducer whose functions of adding or decreasing speeding with high S form and torque promoting can solve the adjustment of speed and starting. This paper firstly introduce the meaning of subjects,summarize the development of

5、configuration software technology, PLC technology and AC frequency conversion for speed adjustment.In the second chapter ,we introduce the structure of transducer arithmetic of controlling ,Basic principle and the advantage of AC frequency conversion for speed adjustment. In the third chapter, we in

6、troduce the structure, characteristic flowchart of data disposal of configuration software in detail and particularly introduce the siemens protocol/pro on windows. In the forth chapter，we introduce the structure and flowchart of PLC and introduce particularly the siemens S7 200 PLC and characterist

7、ics of software design. In the fifth chapter，we introduce the structure，the configuration of hardware and the implement of software in this system. The Last chapter, we summarise the article and prospect technology correlatively.Keywords : PLC；Transducer；AC frequency conversion for speed adjustment；

8、Configuration software目 录目 录摘 要iAbstractii第 1 章绪 论11.1概论11.2问题的提出及其解决方案11.3论文的主要内容21.4相关技术发展概况31.4.1交流调速的发展概况31.4.2组态软件发展概况41.4.3PLC技术的发展概况5第 2 章变频调速原理72.1变频器的基本结构72.1.1变频器的主电路72.1.2变频器的控制电路82.2变频调速的基本原理92.3变频调速的优点122.4西门子MM (5SE92)变频器性能介绍12第 3 章组态软件技术143.1组态软件的构成143.2组态软件的功能特点153.3组态软件的数据处理流程15第 4

9、章PLC技术174.1PLC概述174.2PLC的基本组成与各部分的作用174.2.1PLC的基本组成174.2.2PLC各部分的作用174.3A/D和D/A转换概念194.3.1A/D和D/A原理194.3.2模拟量输入输出系统194.3.3输入输出数据的处理204.4PLC的主要特点204.5Siemens S7 200系列PLC特性214.5.1S7 200系列PLC介绍214.5.2Siemens S7 200主要功能模块介绍214.5.3Siemens S7 200 PLC的工作原理23第 5 章系统的设计实现255.1系统的整体设计255.1.1用户需求分析255.1.2系统结构2

10、55.1.3控制算法285.2系统硬件实现295.2.1上位机人机交互设备的选型:295.2.2PLC及其扩展模块的选型295.2.3变频器的选型及其系统功能设定315.2.4电机的变频器控制电气原理图335.3上位机软件实现355.3.1上位机应用软件开发方法355.3.2监控画面的设计365.3.3上位机和PLC之间的通信385.4PLC程序设计415.5抗干扰措施475.6系统运行情况47结 论48致 谢49参考文献50附录A51附录B54附录C59佳木斯大学教务处 - 2 -毕业论文（设计）用纸第 1 章 绪 论1.1 概论电气传动技术以运动机械的驱动装置一一电动机为控制对象，以微电子

11、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，我们可以将分为直流电动机传动和交流电动机传动。自19世纪80年代起至19世纪末，工业上传动用的电动机一直被直流电机垄断，到了19世纪末，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50年代起，国外开

12、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70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对生产过程的监视和控制，在初级阶段是由人工进行的。工作人员凭自己的感官或借助于仪表等来监视生产过程，用头脑作出判断决策，并视情况进行必要的控制。在高级阶段，这种监视、判断决策和控制由机器承担，按照人们的意志自动完成，这是闭环自动控制。 随着

13、计算机技术的飞速发展，机械设备厂对生产的自动化水平有了更高的要求。现有一套生产物料搅拌生产线装置，将生产所需的大石、小石、粗粉、细粉等生产物料按照一定的比例通过水平传送带依次送到搅拌罐中进行搅拌，水平传送带和搅拌罐都是由三相异步电动机来驱动的。 生产的流程是首先启动驱动粗粉皮带的电机、驱动细粉皮带的电机、驱动大石皮带的电机、驱动小石皮带的电机，然后打开装各物料的料仓阀门，将粗粉、细粉、沙、水泥倒在各自的传送皮带上，然后由各自的传送皮带将物料送到搅拌罐，搅拌罐由电机来驱动，进行搅拌。原来搅拌的物料比例固定为大石:小石:粗粉:细粉=1: 1: 3: 2，可以根据大石皮带速度:小石皮带速度:粗粉皮带

14、速度:细粉皮带速度=1: 1: 3: 2来实现生产所需的物料的比例关系。过去都是通过操作人员现场通过继电器等电气设备实现电机的启停控制，通过在转子回路串接不同电阻来实现不同电机速度之间的速度匹配，操作条件恶劣、速度可调节性差、并且能源利用率低。由于生产的需要，要求在某些时候可以实现各种物料的不同比例搭配，在生产任务繁重的时候加快生产速度，所以用户要求对原有的设备进行技术改造。要求能够集中控制电机的启动、浏览生产工业流程图、作出事故报警响应、可调节电机运行速度等。用户要求包括了数据采集、自动控制、运行监视、报警、运行管理、变频调速等多方面的问题。由于PLC的功能强大、容易使用、高可靠性，常常被用

15、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PC机上可开发出友好人机界面，通过PLC可以对自动化设备进行“智能”控制。所以我们拟采用组态软件技术、PLC技术、变频调速技术来对原来的生产线进行改造，来实现用户的要求。1.3 论文的主要内容在各种异步电动机调速系统中，效率最高、性能最好的系统是变频变频调速系统。变压变频调速系统中，调速时，须调节定子电压和频率，在这种情况下，机械特性基本上平行移动，而转差率不变，它是当前交流调速的主要发展方向。本文研究了变频调速技术在生产中的应用，并且根据原有的控制结构，结合组态软件和PLC技术，提出了一个改进的系统控制结构，并

16、且采用此体系结构实现了一个物料搅拌装置的变频调速系统。论文首先对变频器的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MM(5SE92)变频器。论文接着对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Windows的组态软件Protool/pro。然后介绍了PLC(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小型 PLC S7 200。论文的最后是相关技术在物料搅拌装置系统的应用。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

17、交流调速的发展概况交流变频调速的优越性早在20年代就已被人们所认识，但受到器件的限制，未能推广。50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。70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

18、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，人们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

19、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(GTO)构成，这样可以省去关断晶闸管用的储能电路，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50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

20、机自控式变频调速系统，正弦波脉宽调制(SPWM)，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，许多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。 80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GTO、绝缘栅双极晶体管IGBT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。

21、这些高精度、多功能、智能化的变频器将调速效率和精度提高到了前所未有的水平。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。50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。20世纪70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Honeywell公司于1975年推出的世界上第一套DCS，

22、即TDC - 2000。在随后的20年中，DCS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DCS软件是专用和封闭的，且成本居高不下。 80年代中后期，随着个人计算机的普及和开放系统(Open System)概念的推广，基于个人计算机的监控系统开始进入市场并发展壮大。基于个人监控系统呈现出智能化、小型化、网络化、PC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。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，已成为自动化系统中的重要组成部分。计算机的监控系统开始进入市场，为组态软件提供了发展空间。目前自动化产品呈现出智能化、小型化、网络化、

23、PC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。组态软件作为个人计算机监控系统的重要组成部分，比PLC监控的硬件系统具有更为广阔的发展空间。这是因为，第一，很多DCS和PLC厂家主动公开通信协议，加入“PLC监控”的阵营。目前，几乎所有的PLC和一半以上的DCS都使用PLC作为操作站。第二，由于PLC监控大大降低了系统成本，使得市场空间得以扩大，从无人值守的远程监视(如防盗报警、江河汛情监视、环境监控、电信线路监控、交通管制与监控、矿井报警等)、数据采集与计量(如居民水电气表的自动抄表、铁道信号采集与记录等)、数据分析(如汽车和机车自动测试、机组和设备参数测试、医疗化验仪器设备实时

24、数据采集、虚拟仪器、生产线产品质量抽检等)到过程控制，几乎无处不用。第三，各类智能仪表、调节器和PLC可与组态软件构筑完整的低成本自动化系统，具有广阔的市场空间。第四，各类嵌入式系统和现场总线的异军突起，把组态软件推到了自动化系统主力军的位置，组态软件越来越成为工业自动化系统中的灵魂。 国际上比较有名的监控组态软件如表1-1所示:表1-1组态软件概况图公司名称产品名称国别公司名称产品名称国别IntellutionFIX, iFIX美国Rock-wellRSView32美国WonderwareIntouch美国信肯通Think Ho美国Nema SoftParagonParagon TNT美国N

25、ationalInstrumentsLabView美国TA engineeringAIMAX美国IconicsGenesis美国通用电气Cimplicity美国PC softWizCon以色列西门子Wincc德国CitechCitech澳大利亚1.4.3 PLC技术的发展概况第一台可编程控制器(以下简称PLC)的设计规范是美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置以取代继电器盘，在保留了继电器控制系统的简单易懂。操作方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代化生产线所要求的时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多高品质与功能。这

26、一设想提出后，美国数字设备公司(DEC)于1969年研制成第一台PLC，型号为PDP-14，投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了令人满意的效果，从此开创了PLC的新纪元。 在短时间内，PLC在其他工业部门也得到应用。到70年代初，食品、金属和制造等工业部门相继使用PLC代替继电器控制设备，迈出了其实用化阶段的第一步。 70年代中期，由于大规模集成电路的出现，使8位微处理器和位片处理器相继问世，使可编程控制技米产生了飞跃。在逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算。闭环控制，提高了运算速度，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PLC，我国在1974年也开始研制。

27、70年代末由于超大规模集成电路的出现，使PLC向大规模、高速性能方向发展，形成了多种系列化产品。这时面向工程技术人员的编程语言发展成熟，出现了工艺人员使用的图形语言。在功能上PLC已可以代替某些模拟控制装置和小型机的DDC系统。进入八九十年代后，PLC的软硬件功能进一步得到加强，PLC已发展成为一种可提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，可诊断自身故障及机器故障。这些改进使PLC符合今天对高质量高产出的要求。尽管PLC功能越来越强，但它仍然保留了先前的简单与易于使用的特点。 PLC未来的发展不仅依赖于对新产品的开发，还在于PLC与其他工业控制设备和工厂管理技术的综

28、合。无疑，PLC将在今后的工业自动化中扮演重要角色。在未来的工业生产中，PLC技术和机器人、CAD/CAM将成为实现工业生产自动化的三大支柱。目前PLC朝以下几个方向发展： (1)大型网络化:主要朝DCS方向发展，网络化和强通信能力是PLC发展的一个主要的方面，向下与多个智能装置相连，向上与工业计算机、以太网等相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，连续推出多种智能模块，如模拟量模输入输出、回路控制、通信控制、机械运动控制、高速技术、中断输入等。这些智能模块以为处理器为基础，其CPU与PLC的CPU并行工作，占用主机CPU时间很少，有利于提高PLC扫描速度和完成特殊的控制

29、任务。(3)高可靠性、好兼容性:由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：PLC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windows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。SIMATIC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。 第 2 章 变频调速原理2.1 变频器的基本结构变频器的基本结构见图2-1图2-1变频器结构图2.1.1 变频器的主电路(1)电力电子开关器件 电力半导体

30、器件已经历了以晶闸管为代表的分立器件，以可关断晶闸管(GTO)，巨型晶体管(GTR)，功率MOSFET、绝缘栅双极晶体管(IGBT )为代表的功率集成器件(PID )，以智能化功率集成电路(SPIC )，高压功率集成电路(HVIC)为代表的功率集成电路(PIC)等三个发展时期。从晶闸管靠换相电流过零关断的半控器件发展到PID, PIC通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件。在器件的控制模式上，从电流型控制模式及发展到电压型控制模式，不仅大大降低了门极(栅极)的控制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换速度，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

31、合成功率变换电路的初级模块，继而将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在一起的复杂模块。(2)整流电路 一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流电路按其控制方式，可以是直流电压源，也可以是直流电流源。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。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开关器件组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中

32、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

33、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新的突破性发展，70年代后期发展起来的脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)技术成了现在最常用的变频器功率开关器件的控制策略。 PWM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SPWM (

34、Sinusoidal PWM)。SPWM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SPWM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，通过对载波的调制即可得到SPWM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SPWM控制的要求。三角载波的频率和正弦调制波的频率之比即=称为载波比。用生成的SPWM波控制逆变器开关器件的通断，可得到

35、等幅且脉冲宽度按正弦规律变化的矩形脉冲列输出电压。正弦调制波的频率即是逆变器的输出频率，改变,便可改变。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SPWM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SPWM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SPWM波形变得比较容易。2.2 变频调速的基本原理 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

36、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: ns=50/np (2-1)ns-同步频率-电源频率np-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=ns(1-s)=50 (1-s)/n

37、p (2-2) 式中： n-电动机实际转速（r/min） s-异步电动机的转差率 由式(2)可知，改变参数,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，从而导致过大氏励磁电流，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，保持不变是很容易做到的。在交流异步电机种，磁

38、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： =4.44 公式(2-3)式中：-气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值（V）； -定子频率，单位位HZ； -定子每相绕组串联匝数； -基波绕组系数； -每极气隙磁通量，单位位Wb；由公式可知，只要控制好和，便可以控制磁通不变。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，要保持不变，但频率从额定值向下调节时，必须同时降低。然而绕组中的感应电动势是难以控制的，但电动势较高时可以忽略电子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压，则得=常值。低频时，和都较小，定子阻抗压降所占的份量

39、都比较显著，不能再忽略。这时，可以人为的把电压抬高一些，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。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，频率可以从往上增高，但电压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“恒功率调速”。图2-3异步电动机变频调速控制特性2.

40、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，利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起停运转，可以进行电气制动，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，会有较大的冲击电流，采用变频器时，可以实现软启动，减小冲击电流，解决大负载的启动问题。电源功率因素大，所需容量小，可以组成离性能的控制系统等。完善的保护功能:变频器保护功能很强，在运行过程

41、中能随时检测到各种故障，并显示故障类别(如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等)，并立即封锁输出电压。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MM (5SE92)变频器性能介绍 这类产品功能很强，性价比高;具有高可靠性，而且内带有滤波器和平板式滤波器，可以一个紧挨一个，大大节省空间。(1)功能特点： 1) FCL快速电流限幅，无跳闸功能。即使设定的加速时间超出了变频器的过电流限制，也可以自动减缓加速、不跳闸、失速;运行有负载冲击，能自动降低频率，防止跳闸失速。 (2) 10位模拟量输入通道保证对速度的精确给定。 (3)可选用自动

42、和设定的自动提升功能，保证最佳的启动。 (4)可设定加速时间(0.1秒到550秒)，具有S形加减速功能，让加减速过程变得缓和，防止冲击和载物倒塌。 (5)COMPOUND BRAKING制动功能，保证快速可控的制动，不需要外接电阻。I/O特性： (1)三个可设定的开关量输入口，给操作者极大的灵活性(如固定频率、固定给定、电动电位计、点动)； (2)一个可设定的继电器输出口； (3) RS-485接口。可实现远程通信。 对变频器的保护功能： (1)过电压/欠电压； (2)短路保护； (3)过热保护。 对电机的保护： (1)电机热敏电阻PTC的接口； (2) 电机过热保护； (3)电机锁死保护；

43、(4)缺相保护。由上可见，变频器和电机得到全面的保护。其技术特性如表2.1所示：表2-1 MM(5SE92)变频器性能表功率范围1207.5KW电压范围208240V+/-10%380500V+/-10%输入频率4753HZ输出功率0400HZ功率因数COS>0.98变频效率97%过载能力150%50秒控制方式V/F操作温度050保护等级IP20RS-485接口D型PID闭环控制自带PI第 3 章 组态软件技术3.1 组态软件的构成(1)以使用软件的工作阶段划分 从总体上讲，组态软件是由系统开发环境和系统运行环境两大部分构成。 系统开发环境它是自动化工程设计工程师为实施其控制方案，在组态

44、软件的支持下进行应用程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境。通过建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用系统，供系统运行环境运行时使用。系统开发环境由若干个组态程序组成，如图形界面组态程序，数据库组态程序等。 系统运行环境在系统运行环境中，由系统开发环境下生成的各种应用程序无论是图形或者数据库，可以结合现场的数据实时地运行，同时可以各种关联关系也可以得到体现。 系统运行环境由若干个运行程序组成，如图形界面运行程序和实时数据库运行程序等。自动化工程设计师最先接触的一定是系统开发环境，通过一定工作量的系统组态和调试，最终将目标应用程序在系统运行环境投入实时运行，完成一个工程项目。 (2)按照

45、成员构成划分： 组态软件因为功能强大，而每个功能相对来说又具有一定的独立性，因此其组成形式是一个集成软件平台，由若干程序组件构成。组态软件必备的典型组件包括以下部分： 应用程序管理器。 图形界面开发程序； 图形界面运行程序； 实时数据库系统组态程序； 实时数据库系统运行程序； I/O驱动程序； 组态软件扩展可选组件包括： 通用数据库接口(ODBC接口)组态程序;通用数据库接口组件用来完成组态软件的实时数据库与通用数据库(如Oracle, Sybase, Foxpro, DB2,SQL Server等)。 通用数据库接口(ODBC接口)运行程序。 策略(控制方案)编辑组态程序;它是以PC为中心的

46、实现低成本监控的核心软件，具有很强的逻辑、算术运算能力和丰富的控制算法。它以IEC-1131-3标准为使用者提供标准的编程环境，共有四种编程方式:梯形图、结构化编程语言、指令助记符、功能化模块。 策略运行程序。 实用通信程序组件。极大的增强了组态软件的功能，可以实现与第三方程序的数据交换。实用通信组件可以使用以太网、RS485, PSTN等多种通信介质和网络来实现数据的远程访问和传输。3.2 组态软件的功能特点 组态软件有以下功能：与采集、控制设备之间的进行数据交换；使来自设备的数据与计算机图形界面上的各元素关联起来；处理数据报警和系统报警； 存储历史数据并支持历史数据的查询； 各类报表的生产

47、和打印输出； 为使用者提供灵活、灵活的组态工具，可以适应不同应用领域的需求； 最终输出的应用系统运行稳定可靠； 具有与第三方程序的接口，方便数据共享。 组态软件的特点:实时多任务是最大特点。例如数据采集与输出、数据处理与算法实现、图形显示及人机对话、实时数据的存储、检索管理、实时通信等多个任务要在同一台计算机上同时运行。程序设计人员在组态软件中只需要填写一些事先设计的表格，再利用图形功能把被控对象(如温度计、电动机、趋势曲线、报表)形象的画出来，通过内部数据连接把被控对象的属性与I/O设备的实时数据进行逻辑连接。当由组态软件生成的应用系统投入运行后，与被控对象相连的I/O设备数据发生变化会直接

48、带动被控对象的属性变化。3.3 组态软件的数据处理流程 组态软件通过I/O驱动程序从现场I/O设备获得实时数据，对数据进行必要的加工后，一方面以图形方式直观的显示在计算机的屏幕上;另一方面按照组态要求和操作人员的指令将控制数据送给I/O设备，对执行机构实施控制或调整控制参数。如图3.1所示：对已经组态的历史趋势的变量存储历史数据，对历史数据检索请求给予响应。当发生报警时及时将报警以声音、图像的方式通知操作人员，并记录报警的历史信息，以被检索。图3-1组态软件的数据处理流程第 4 章 PLC技术4.1 PLC概述可编程程序控制器(Programmable Controller)，因为早期主要应用

49、于开关量的控制，因此也称为PLC (programmable Logic controller)，即是可编程逻辑控制器。现代的可编程控制器是以微处理器为基础，高度集成的新型工业控制装置，是计算机技术与工业控制技术相结合的产品。 PLC自问世以来，经过20年的发展，已经成为最受欢迎的工业控制类产品。它之所以高速发展，除了工业自动化的客观需求外，还有许多独特的优点。它较好的解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。4.2 PLC的基本组成与各部分的作用4.2.1 PLC的基本组成PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同，PLC可分为整

50、体式和组合式两类。整体式PLC是将中央处理单元(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的I/O扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，I/O单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/O单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m。无论哪种结构类型的PLC，都可以根据

51、需要进行配置与组合。4.2.2 PLC各部分的作用1.中央处理单元(CPU)CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务：(1)接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；(2)诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误；(3)用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来；(4)PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作；(5)将用户程序的执行结果送至输出端。现代PLC使用的CPU主要有以下几种：(1)通用微处理器，如8080, 8088, Z80A,

52、 8085等。通用微处理器的价格便宜，通用性强，还可以借用微机成熟的实时操作系统、丰富的软硬件资源。(2)单片机，如8051等。单片机由于集成度高、体积小、价格低和可扩充性好，很适合在小型PLC上使用，也广泛地用于PLC的智能UO模块。(3)位片式微处理器，如AMD2900系列等。位片式微处理器是独立于微型机的另一分支。它主要追求运算速度快，它以4位为一片。用几个位片级联，可以组成任意字长的微处理器。改变微程序存储器的内容，可以改变计算机的指令系统。位片式结构可以使用多个微处理器，将控制任务划分为若干个可以并行处理的部分，几个微处理器同时进行处理。这种高运算速度与可以适应用户需要的指令系统相结

53、合，很适合于以顺序扫描方式工作的PLC使用。2.存储器根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种：(1)系统程序存储器:和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM。(2)用户程序存储器:用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。由于RAM掉电会丢失数据，因此使用RAM作用户程序存储器的PLC，都有后备电池(理电池)

54、保护RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入EPROM。目前较先进的PLC(如欧姆龙公司的CPMIA型 PLC)采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需用后备电池保护。(3)工作数据存储器:工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。元件映象寄存器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器。计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储

55、用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来存放A113转换得到的数字和数学运算的结果等。根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可以保持数据的存储器区域称为数据保持区。 3.I/O单元I/O单元也称为I/O模块。PLC通过I/O单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收操作指令和现场的状态信息，加控制按钮、操作开关和限位开关、光电管、继电器触点、行程开关、接近开关等信号，并通过输入电路的滤波、光电隔离和电平转换等将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出单元将CPU送出的弱电控制信号通过输出电路的光电隔离和功率放大等转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀、电磁铁等执行元件。4.3 A/D和D/A转换概念4.3