基于PLC的矿井提升机变频调速系统设计

基于PLC的矿井提高机变频调速系统设计摘要对于升机控制系统中存在的问题，把可编程序控制器和变频器应用于提高机控制系统上，并在可行性方面进行了较进一步的研究。在该矿井提高机控制系统设计中，采用国内外先进的PLC控制技术改造传统的继电器—接触器式罐笼逻辑运营系统；采用变频调试系统与PLC和上位机组成一个集散控制系统；可方便灵活地对现场运营设备进行控制和显示；采用先进的计算机控制技术实现矿井提高机的微机管理与控制，从而，保证矿井提高机可靠、准确地运营，实现矿井提高机的计算机控制。现场调试和运营结果表白，该系统工作可靠、控制精度高，完全可以满足现场生产运营的规定。关键词：矿井提高机，PLC，变频调速，控制系统TheFreouencyConversionUseonTheSpeedAdjustmentofShaftHoistonTheBasisofPLCControlABSTRACTForhoistcontrolsystemproblems，thepaperappliedPLCandfrequencyconvertertothesystem，andhavecarriedondeeperresearchinfeasibility．InthedesignofcontrolsystemofmineelevatorthenewPLCcontroltechniqueathomeandabroadareappliedtoinsteadoftherelayandtouch．Theadvanceddigitaldirectcurrentfrequencyconversionequipmentisadoptedintheelectromotortransmission．Theestablishmentofreal-timeimagesusingconfigurationsoftwarecanberunon-siteconvenientandflexiblewaytocontrolanddisplay．Advancedindustrycontrolcomputerareusedtomonitorandmanagethecourseofelevator．Localdebuggingandrunningresultindicatethatthesystemiscredible，theprecisionofcontrolishigh，andcanfulfilltherequireofthelocalmanufacture．KEYWORDS：Shafthoist,PLC,Frequencyconversion,Controlsystem目录前言 1第1章绪论 41.1课题研究意义 41.2矿井提高机电控系统的发展 51.2.1国外矿井提高机的发展 51.2.2国内矿井提高机的发展 61.3本文重要研究内容 6第2章提高机的工况分析 82.1提高系统简介 82.2提高机电动机运营方式 82.3提高机的速度图和力图 92.3.1提高机的速度图 92.3.2力图 102.4矿井提高机对电气控制系统的规定 11第3章可编程控制器简介 153.1PLC的基本特点 153.2PLC的基本结构 163.3PLC的工作原理 183.4PLC的分类 193.5PLC编程 203.5.1PLC执行用户程序的过程 203.5.2梯形图的表达 213.5.3梯形图的编程规则 22第4章：矢量控制变频调速 244.1变频调速的发展及在提高机系统中的应用 244.2变频调速基本原理 254.3变频调速控制方式分类 284.4变频器按中间直流环节方式分类 304.5变频调速技术的发展现状 31第5章总体设计方案 335.1系统控制规定 335.2选择机型 335.3控制系统的I/0点 335.4系统控制结构 345.4.1系统主电路图 345.4.2系统控制电路图 345.4.3系统外围接线图 355.5设计环节 355.6系统流程框图 365.7硬件部分设计 365.7.1输出规格 375.7.2标度变换 375.7.3变频器参数设立表 375.8软件部分设计 385.9实验及结果 395.9.1实验过程 395.9.2实验现象 395.9.3实验结果 40结论 41谢辞 42参考文献 43附录 44外文资料翻译 46前言矿井提高机是机、电、液一体化的大型机械，广泛用于煤炭、有色金属、黑色金属、非金属、化工等矿山的竖井、斜井，是生产运送的重要工具。在煤炭生产中提高机担负着提高煤炭、矸石、下放材料、升降人员和设备的任务，是联系井上与井下的唯一途径，素有矿井“咽喉”之称。提高机的电力传动特性复杂，电动机频繁正反向，经常处在过负荷运转和电动、制动不断地转换的状态中。对提高机来说，运营的安全、可靠性是至关重要的。提高机运营的安全可靠性不仅直接影响整个矿井的生产能力，影响整个矿山的经济效益，并且还涉及到井下工作人员的生命安全。因此，研制并制造即安全可靠又节省能源的提高机是煤矿安全生产的一项重要课题。近三十年来，国外提高机机械部分和电气部分都得到了飞速的发展，并且两者互相促进，互相提高。起初的提高机是电动机通过减速器传动卷筒的系统，后来出现了直流慢速电动机和直流电动机悬臂安装直接传动的提高机。上世纪七十年代西门子发明矢量控制的交-直-交变频原理后，标志着用同步电动机来代替直流电机实现调速的技术时代已经到来。在提高机机械和电气传动技术飞速发展的同时，电子技术和计算机技术的发展，使提高机的电气控制系统更是日新月异。早在上世纪七十年代，国外就将可编程控制器(PLC)应用于提高机控制。上世纪八十年代初，计算机又被用于提高机的监视和管理。计算机和PLC的应用，使提高机自动化水平、安全、可靠性都达成了一个新的高度，并提供了新的、现代化的管理、监视手段。但国内提高机电控系统很长时间都处在落后的状况，直到目前为止，我国正在服务的矿井提高机电控系统大多数还是转子回路串金属电阻的交流调速系统，设备陈旧、技术落后。国产提高机安全性、可靠性差，在关键。部位——上下两井口减速区段没有配套的有效的速度监视装置，就提高机控制技术而言，仍然是陈旧的，和国外相比，我们存在很大的差距。当前国内提高机电控绝大多数还是转子回路串电阻分段控制的交流绕线式电机继器接触器系统，设备陈旧、技术落后。并且这种控制方式存在着很多的问题：1)转子回路串接电阻，消耗电能，导致能源浪费。2)电阻分级切换，为有级调速，设备运营不平稳，容易引起电气及机械冲击。3)继电器、接触器频繁动作，电弧烧蚀触点，影响接触器使用寿命，维修成本较高。4)交流绕线异步电动机的滑环存在接触不良问题，容易引起设备事故。5)电动机依靠转子电阻获得的低速，其运营特性较软。6)提高容器通过给定的减速点时，由于负载的不同，而将得到不同的减速度，不能到稳定的低速爬行，最后导致停车位置不准，不能正常装卸载。上述问题使提高机运营的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此，需要研制更安全可靠的控制系统，使提高机运营的可靠性和安全性得到提高。在提高机控制系统中应用计算机控制技术和变频调速技术，对原有提高机控制系统进行升级换代。就计算机技术在工业现场应用情况而言，可编程控制器(PLC)是目前作为工业控抱负的机型，它是采用计算机技术、按照事先编好并储存在计算机内部一段程序来设备的操作控制。采用PLC控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量PLC技术已经广泛应用于各种提高机控制，配合一些提高机专用电子模块组成的提控制设备，可供控制高压带动力制动或低频制动，单、双机拖动等。操作、监控全保护系统选用可编程控制器。主控计算机应用软件能完毕提高机自动、半自动、手动、检修、低速爬行等各种运动方式的控制规定。采用先进的工业计算机、现场总线和工业自动化技术，按照结构标准化、产品系列化、性能现代化、体积小型化的原则，研制生产适合矿井提高机电控设备是进行技术改造和新建矿井设备选型的抱负选择。使用上位机监控系统，采用组态模式，实现良好的人-机对话；实时监控提高机的运营状态，上位机动态模拟显示及故障闭锁；可进行故障报警、数据查询、报表打印；记录提高钩数以及每班、每日、每月、每年的提高量累计；故障声光指示、记忆及部分传感器上位机的紧急解决。为保证提高设备无事故，在提高设备有也许出现故障的各个重要环节上，设立双回路系统，并在系统的各个环节上设有各种检测、控制、自诊断以及记录和保护装置(如负载、速度、加减速、产量、运营时间等记录)。本文从解决实际矿井提高系统存在的问题出发，对传统的调速方案进行了控制方式的革新和数字化改造，减少了成本，提高了控制精度，加强了系统稳定性。表白本文所提出的设计方案具有实用价值。合用、经济、高效、可靠是本文提高机系统设计的追求目的。第1章绪论1.1课题研究意义矿井提高机是煤矿“四大运转设备”之一，其电力传动特性复杂，电动机频繁正、反向运营，经常处在过负荷运转和电动、制动不断转换的状态中；它的安全性、可靠性亦是至关重要，其运营性能和安全可靠性直接影响着煤炭生产及作业人员的生命安全，一旦发生事故必然导致人员伤亡和设备的严重损坏，矿山正常生产的中断，导致重大的经济损失。因此，提高提高机的性能，提高其自动化水平，使其安全性、可靠性达成一个新的高度势在必行。随着现代科学技术的进步，现代化矿井的建设，以及对作业人员的生命更加重视，对矿井提高机的安全可靠性提出了更高的规定。近年来，我国有关部门在提高机安全面做了大量工作，使矿井提高机设备的安全可靠性有了很大进步，并将“可靠性系统工程”的理念引入了矿井提高机领域，与之相适应，提高机对其电控系统安全可靠性的规定也愈来愈高。因此，在设计矿井提高机时，总是把安全性、可靠性放在首要位置。就其本质而言，提高机电控系统的高可靠性重要表现在两个方面：一是电控装置自身质量好，故障率低；二是电控系统出现故障后应能根据故障性质及时进行保护，并能对故障内容进行记忆和显示，以便能迅速排除。由于国内现有提高设备陈旧、技术落后、故障率高，提高效率低，不能满足实际生产需求，存在的问题重要有以下几点：能源让费大，设备运营不稳定，使用寿命低，维修费用高，可靠性低。正由于以上问题使提高机运营的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此，需要研制更安全可靠的控制系统，使提高机运营的可靠性和安全性得到提高。在提高机控制系统应用可编程计算机控制技术和变频调速技术，对原有提高机控制系统进行升级换代。随着数字、电力电子技术的发展，可编程控制器和变频器在提高机控制系统中逐步得到使用，从而使得提高机控制系统的安全性得到了很大的提高。可编程逻辑控制器(PLC)是目前工业领域应用广泛的机型。而在PLC电控系统的基础上配合变频调速装置，运用先进的矢量控制技术，不仅适合提高机运营工艺的规定，还将解决整套提高机系统的电力拖动方面的一系列问题。变频装置取代复杂的串联电阻切换装置，对提高机运营速度曲线、转矩大小的规定都由变频器来完毕，简化了控制操作流程，提高了控制精度。通过调研和论证，开发研制基于PLC控制的矿井提高机变频调速控制系统对提高矿井提高机的安全性、可靠性、以及运送效率具有重要的现实意义。1.2矿井提高机电控系统的发展由于矿井提高机对安全性、可靠性和调速性的特殊规定，使得提高机电控系统的技术水平在一定限度上代表一个国家的传动控制技术水平，因此世界各大公司纷纷将新的、成熟的技术应用于提高机电控系统。1.2.1国外矿井提高机的发展1981年第一台用同步机悬挂臂传动的提高机在德国Monopoly矿问世，1988年由MAVGHH和西门子合作制造的机电一体的提高机(习惯称为内装电机式)在德国Romberg矿诞生了，这是世界上第一台机械和电气融合成一体的同步电机传动提高机。在提高机机械和电气传动技术飞速发展的同时，电子技术和计算机技术的发展，使提高机的电气控制系统更是日新月异。早在上世纪七十年代，国外就将可编程控制器（PLC）应用于提高机控制。上世纪八十年代初，计算机又被用于提高机的监视和管理。计算机和PLC的应用，使提高机自动化水平、安全、可靠性都达成了一个新的高度，并提供了新的、现代化的管理、监视手段。特别要强调的是，此时期在国外一著名的提高机制造公司，如西门子、ABB、ALSTHOM都运用新的技术和装备，开发或完善了提高机的安全保护和监控装置，使安全保护性能又有了新的提高。1.2.2国内矿井提高机的发展目前，我国矿井提高机90％以上是采用单机容量在1000KW以下传统的交流异步电机拖动，采用转子串电阻调速，由继电器一接触器构成逻辑控制装置。其中多半为电动机一发电机组(M-G机组)供电，采用晶闸管整流传动(SCR-M)的只占一部分。传统的交流拖动系统的显著缺陷是：调速性能差，调速时能量要大量消耗在电阻上，给定方式落后，控制精度低，安全保护和监测环节不完善，安全可靠性差，维护工作量大，并且运营不经济。国内提高机行程控制的水平还较低，速度给定环节以时间给定和机械式行程给定为主，以计算机为核心的矿井提高机行程监控和保护的研究还处在尝试阶段。“九五"期间国产全数字直流提高机己成为煤矿提高机的首选机型，由于采用了计算机技术，提高机的安全保护系统更为完善。但到目前为止，尚未见采用智能控制装置实现高性能的行程控制系统的成套装置，对于我国的矿井提高机，实现高精度行程控制和制动控制系统安全可靠是一个急待解决的课题。总体来说，我国近10余年来关于提高机计算机控制系统的研究发展迅速，采用了先进的控制设备和控制策略，无论在驱动方式上还是在控制技术上都取得了很大进展，积累了大量的经验，取得了很大成绩。1.3本文重要研究内容本文以湘潭电机厂提高机电气改造为背景，在已经非常成熟但比较落后的交流拖动技术基础上，通过基于PLC的控制技术在矿井提高机行程、速度和制动控制中的应用研究，阐述了新型提高机控制系统的设计与应用情况。本文重要分析变频调试控制系统设计，组态软件的使用以及触摸屏技术的应用。重要工作有：1、了解矿井提高机的运营工艺情况2、矿井提高机电控系统设计；3、PLC控制技术研究；4、变频调试控制系统的研究；5、人机界面的制作；6、仿真及实行。总之，变频调速系统是值得研究和探讨的，它开辟了改善提高机系统调速性能的新途径，具有十分重要的实用价值和广阔的应用前景。第2章提高机的工况分析2.1提高系统简介矿井提高机可分为竖井提高机和斜井提高机两种。目前,我国单绳缠绕式提高机,广泛采用交流绕线式电动机拖动,提高过程一般涉及：起动加速、匀速、减速、爬行和停车几个重要环节。韶关一旅游景点的斜井提高观览车其提高和下降的整个过程控制所有由可编程逻辑控制系统（PLC）自动完毕[6]。观览车在一长度为400m、坡度为35°的斜坡上运营,见图2.1,其功能是在山顶与山底之间运送游客。由于是载人提高机,因此,对电力拖动控制提出了较高的规定,必须做到平滑起动加速,平滑制动停车,不管是提高还是下降,提高机在斜坡上的运营不得超过规定的时间。图2-1观览车提高系统2.2提高机电动机运营方式提高机电动机的运营方式,重要根据系统的力图来拟定。（1）加速阶段。提高时为正力,采用电动加速。下放时为负力,若负力值较小,可考虑自由加速,并配合使用盘式制动器,若负力值较大,则采用动力制动加速。加速阶段不实行闭环调节,而以时间、速度为函数,逐步短接转子附加电阻,使提高电动机从零速升至全速。（2）匀速阶段。提高时为正力,采用电动拖动。下放时为负力,采用能耗制动、闭环控制,单闭环速度控制系统由与距离有关的抱负速度给定电路、速度负反馈电路、PID调节器、移相触发电路及双向可控硅能耗制动电路组成,下放速度由PID调节。（3）主减速阶段。提高时为正力,采用逐级接入转子附加电阻和机械制动的方式。下放时为负力,一方面接入转子附加电阻,另一方面增大制动电流并辅以机械制动方式减速。（4）爬行阶段。当为正力时,转子接入几段附加电阻,由PLC控制运营；当为负力时,在能耗制动方式下接入转子附加电阻。2.3提高机的速度图和力图合理地拟定提高机的力图和速度图,可以提高其运营的安全可靠性,以及减小电动机的功耗。2.3.1提高机的速度图（1）主加速阶段：如图2.2所示,正常提高时,接入第一级电阻,电动机产生的力矩比阻力矩大3%～5%,产生比较低的加速度。随着转子电阻的逐渐切除,既保证了起动阶段的加速度,又使起动平稳,当上升届时,电动机运营在自然特性曲线上。下放时,由于负力较大,需要制动力来维持稳定的下放速度和规定的减速度。投入动力制动时,盘式制动器松闸,将电动机的定子从交流电网上切除,并通过整流变压器T和调压模块,向定子绕阻通以直流电,从而产生固定的直流磁场,由于惯性作用,旋转的转子在固定磁场中运动,转子上产生感应电流,转子电流与固定磁场互相作用便产生了制动力矩,此后电动机的转速由于制动作用而减少。制动力矩与励磁电流的平方成正比,并与转子附加电阻和电机的极数有关。（2）匀速阶段：上升时,电阻准时间原则来控制切除,使电动机保持电动状态,且速度。下放时,由测速发电机反映转子下放速度,当速度高于时,增大励磁电流,提高制动力矩,使观览车在斜坡上匀速运营。（3）主减速阶段：为使提高机准确停车,在停车前应进行减速。减速按照速度图规定进行,由装在斜坡上的位置开关动作发出信号,PLC再根据与电动机同轴运营的光电编码器发出的脉冲数进行比较,发出指令,然后接入两段电阻、使提高机速度下降,几秒后又将、接入电路,使降到。提高机到达底端与到达顶端稍有不同,一方面接入、、、,一方面增大励磁电流，使下放速度在规定的时间内减少。（4）爬行阶段：在左右,此数值事实上是一个平均值,由于提高机由较高的不也许很准确的变为速度。脉动爬行,此时电动机转子串有大量的电阻,故有特性软、不易控和电耗大等缺陷。（5）停车阶段：接入最后一段电阻,同时将盘式制动器的KT线圈断电,抱闸迅速抱住卷筒,提高机停转。图2-2提高机速度图2.3.2力图提高机在工作过程中分为主加速受力F1，匀速受力F2，主减速受力F3，爬行受力F4，停车受力F5。图2-3提高机力图由直线运动的运动方程可得:(2-1)式中:F—提高机在某运动阶段的力,kg；—提高机的静阻力（涉及车重、提高机重量和绳重）,kg；—把旋转运动的部件折算到直线运动的变位质量,kg·；—各阶段的加速度、减速度值,。当时,,匀速运营；时,，加速运营；时,,减速运营。根据以上分析,F=f（t）的力图见图2.32.4矿井提高机对电气控制系统的规定提高机控制系统方案的选用应满足生产工艺的规定，即满足各种也许出现的运营速度图和力图。所以需要先来分析提高机电控系统的静、动态特性。根据动力学方程式(2-2)式中:—电动机电动力矩；—传动系统的静阻转矩；—传动系统的飞轮力矩，，其中J为转性惯量（kg*），g是重力加速度（）；—传动系统的动态转矩（N*m）；—加速度；可以得出按给定速度图所需转矩=f(t)的特性，从而可以得到拖动系统所需的力F=f(t)，如图2.4所示。提高机的负载静力矩，决定于提高机辊筒承受的静张力差，在双罐笼的平衡提高系统中，力矩也就是提高物体的净载重。由于提高系统的负载为位势负载，所以静力矩的作用方向始终是提高重物的重力方向，而与系统的运动状态和方向无关。因此在电动机不带电时，为了使重的罐笼处在静止状态(便于罐笼的装卸载)，对辊筒必须施加机械闸。从图2.4可以看出，要使提高机按照给定的速度图运营，电动力矩也许为正，也也许为负。这意味着电动机不仅要工作在电动状态，还应能工作在制动状态。由于不同的负载，不同的提高机运营阶段，电动机的运营状态也各不相同。图2.5表达出了平衡提高系统的四种不同的运营状态。(l)重物上提，静载量较大()。其给定速度图与力图如图2.5(a)所示在加速段其中为加速力矩与匀速力矩之差图2-4提高机传动系统给定速度图、力图加速力矩为：；在匀速段，匀速力矩为：；在减速段，，但,所以减速段力矩为：,其中为减速力矩与匀速力矩之差； 在爬行段，爬行力矩为：；根据此力图可知，电动机在各段均工作在正向电动状态。(2)重物上提，静载量较小()。其给定速度图和力图如图2.5（b）所示在加速段，加速力矩：；在匀速段，匀速力矩：；在减速段，减速力矩：但，所以；在爬行段，爬行力矩：。根据力图可知，电动机在加速段和等速段，工作在正向电动状态；在减速段，工作在正向制动状态；在爬行段，又工作在正向电动状态。也就是说，在整个提高过程中，电动机的运营状态应切换两次。图2-5在不同负载下的给定速度图和力图（3）重物下放，静载量较小（）。其给定速度图与力图如图2.5（c）所示在加速段：,；在匀速段：；在减速段：，；在爬行段：；根据力图可知，电动机在加速阶段，工作在正向电动状态；在匀速、减速和爬行阶段均工作在正向制动状态。(4)重物下放，且静载量较大（）。其给定的速度图和力图如图2.5（d）所示:在加速段：,。在等速、减速和爬行段，F均为负。根据力图可知，电动机在整个提高过程中始终工作在正向制动状态。要使提高机按给定速度图运营，电气传动系统应能根据负载的变化而自动的工作在电动或制动状态，也就是说规定电气传动系统能满足四象限运营。综合以上提高机的运营特点以及矿山生产固有的特点，提高机工艺对提高机电控系统的规定如下：1)加(减)速度符合国家有关安全生产规程的规定。提高人员时，加速度，升降物料时，加速度。此外不得超过提高机的减速器所允许的动力矩。2)具有良好的调速性能。规定速度平稳，调速方便，调速范围大，能满足各种运营方式及提高阶段(如加速、减速、等速、爬行等)稳定运营的规定。3)有较好的起动性能。提高机不同于其他机械，不也许待系统运转后再装加物料，因此，必须能重载启动，有较高的过载能力。4)特性曲线要硬。要保证负载变化时，提高速度基本上不受影响，防止负载不同时速降过大，影响系统正常工作(当然，当负载超过一定的限度时，还规定系统能有效的自我保护。迅速安全制动停车，即所谓要具有挖土机机械特性)。5)工作方式转换容易。要可以方便的进行自动、半自动、手动、验绳、调绳等工作方式的转换，操作方便，控制灵活，不至于因工作方式的转换影响正常生产。6)采用新技术和节能设备，易于实现自动化控制和提高整个系统的工作效率。具有必要的连锁和安全保护环节，保证系统安全运营。尽量节约能源和减少运转费用。第3章可编程控制器简介3.1PLC的基本特点PLC的诞生给工业控制带来革命性的奔腾,与传统的继电器控制相比有着突出的特点.第一,灵活性、通用性强。继电器控制系统假如工艺规定稍有变化,控制电路必须随之作相应的变动,所有布线和控制柜极有也许重新设计,耗时且费力然而是运用存储在机内的程序实现各种控制功能的。因此当工艺过程改变时,只需修改程序即可,外部接线改动极小,甚至可以不必改动,其灵活性和通用性是继电器控制电路无法比拟的。第二,可靠性高,抗干扰能力强,继电器控制系统中,由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象是不可避免的,大大减少了系统的可靠性。而在控制系统中,大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完毕的,加之在硬件和软件方面都采用了强有力的措施,使产品具有极高的可靠性和抗干扰能力可以直接安装在工业现场稳定地工作。PLC在硬件方面采用电磁屏蔽、光电隔离、多级滤波等措施在软件方面采用警戒时钟、故障诊断、自动恢复等措施,并运用后备电池对程序和数据进行保护,因此被称为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”。第三,编程简朴,使用方便。PLC采用面向过程,面向问题的“自然语言”编程方式,直观易懂,重要采用梯形图和语句表编写程序,使得广大电气技术人员更容易接纳和理解。同时设计人员也可根据自己的喜好和实际应用的规定选择其他编程语言。标准是编程语言的标准,除了梯形图语句表之外,还存在顺序流程图结构化文本和功能块图三种编程语言的表达方式。一个程序的不同部分可用任何一种语言来描述,支持复杂的顺序操作功能解决以及数据结构。第四,功能强大,可扩展。的重要功能涉及开关量的逻辑控制、模拟量控制部分还具有控制或模糊控制功能、数字量智能控制、数据采集和监控、通信、联网及集散控制等功能。PLC的功能扩展也极为方便,硬件配置相称灵活,根据控制规定的改变,可以随时变动特殊功能单元的种类和个数,再相应修改用户程序就可以达成变换和增长控制功能的目的。PLC以原有的继电器、逻辑运算、顺序控制为基础逐步发展起来的。与继电器控制系统相比较,它以软器件代替了硬器件,以软触点代替了硬触点,以软接线代替了硬接线,从而使其器件、触点的寿命达数万甚至十万小时,而改变接线的速度则极为迅速。它是由计算机简化而来的，又有着诸多自身独特的优势。如下所述：1.系列化各大生产公司一般都有小型、中型、大型三种系列产品。2.多解决器一般小型机是单解决器系统中型机是双解决器系统,涉及位解决器和字解决器大型机则为多解决器系统,由字解决器!位解决器和浮点解决器等组成。3.较大的存储能力4.很强的I/O口5.智能外围接口6.网络化PLC可连成功能很强的网络系统,一般有低速网络和高速网络两种。这两类网络可级连,网上可兼容不同类型的和计算机,从而组成控制范围很大的局域网络。7.紧凑及高可靠性8.通俗化的编程语言和丰富的指令目前常用的有种3编程语言：1）顺序控制用的梯形图用以进行逻辑运算,完毕时间上的顺序控制；2）合用于数值控制的系统流程图,具有算术运算、比较、滤波等功能；3）类似汇编语言的指令表。3.2PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图3.1所示：1.中央解决单元(CPU)中央解决单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接受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以及警戒定期器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运营时，一方面它以扫描的方式接受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，通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，如此循环运营，直到停止运营。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC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营。2.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。3.电源PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。假如没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采用其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。图3-1PLC的基本结构图3.3PLC的工作原理PLC一般采用循环扫描的工作方式[11]。PLC上电后,执行系统程序规定的任务,周而复始地扫描并执行用户程序。完毕一次扫描所用的时间称为扫描周期。一次循环过程可归纳为五个阶段,循环扫描过程为公共解决执行用户程序扫描周期计算输入输出刷新外设端口服务--公共解决。1.公共解决在公共解决阶段,要进行复位监视定期器、硬件检查、用户内存检查等操作。若有异常情况,故障显示灯亮,判断并显示故障的性质。若属于一般性故障,则只报警,但不需要停机,可等待解决。2.执行用户程序执行用户程序阶段,逐条解释和执行用户程序,其所需的所有信息都是从映像寄存器中读取的.映像寄存器涉及输入映像寄存器和元件映像寄存器。输入映像寄存器存储着输入继电器的通断状态,输入继电器接通为1,断开为0。元件映像寄存器存储着输出继电器、各种辅助继电器等的状态,同样用和表达它们的通断状态。PLC在执行用户程序时所需的外部输入信息,不是直接从输入端读取的,而是从输入映像寄存器中读取的。在每个扫描周期的I/O刷新阶段,CPU从PLC输入端读取一次信息并存入输入映像寄存器中。在此后的一个扫描周期中,尽管PLC输入端的状态也许发生过变化,但输入映像寄存器中的数据也保持不变。同样,所需的输出继电器或其他编程元件的状态信息,是从元件映像寄存器中读取的。在执行用户程序过程中,根据用户程序给出的逻辑关系进行逻辑运算,运算结果再写入元件映像寄存器中。可见,在一个扫描周期中元件映像寄存器中的内容是可变的。3.扫描周期的计算在扫描周期的计算阶段,若预先设定了扫描周期的值,则进入等待,直至达成该设定值时扫描再往下进行若扫描周期设为不定期,则要进行扫描周期的计算。4.I/O刷新在I/O刷新阶段,重要作两件事情:(1)读各输入点的状态从输入电路中读取各输入点的状态并将此状态写入输入映像寄存器中,也就是刷新输入映像寄存器的内容"自此输入映像寄存器就与外界隔离,无论输入信号的状态如何变化,输入映像寄存器的内容都保持不变,一直到下一个扫描周期的I/O刷新阶段,才会写进新内容.(2)读输出元件映像寄存器中的状态将相应输出继电器的元件映像寄存器的状态传送到输出锁存器电路中,再经输出电路的隔离和功率放大送到的输出端,驱动外部执行元件动作。5.外设口服务在外设口服务阶段,完毕与外设口连接的外围设备如编程器或通信适配器的通信解决。完毕上述各阶段的解决后,又返回公共解决阶段,周而复始的进行扫描。3.4PLC的分类PLC一般可按控制规模和结构形式分类一、按PLC得控制规模分类按PLC的控制规模分类，PLC可分为小型机、中型机、大型机。通常小型机的控制点数小于256点，用户程序存储器的容量小于8K字。小型机常用于单机控制和小型控制场合，在通信网络中常作从站。例如，三菱公司的FX2NPLC属于小型机。小型机中，控制点数小于64点的为超小型机或微型PLC。中型机的控制点数一般在256点到2048点范围内，用户程序存储器的容量小于50K字。中型机控制点数较多、控制功能强，常用于中型控制场合，在通信网络中可做主站也可做从站。大型机的控制点数在2048点以上，用户程序存储器的容量达50K字以上。大型机控制点数多、功能很强、运算速度不久，常用于大型控制场合，在通信网络中常作主站。例如，西门子公司的S7-400PLC就属于大型机。以上分类没有十分严格的界线，随着PLC技术的飞速发展，这些界线会发生变更。二、按PLC得结构形式分类PLC按结构形式可分为整体式、模块式和叠装式三类。（1）整体式PLC整体式PLC是将电源、CPU、I/O部件集中在一个机箱内。其结构紧凑、体积小、价格低。一般小型PLC采用这种结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O和电源。扩展单元内只有I/O和电源。整体式PLC一般配备有特殊功能单元，如模拟单元、位置控制单元等，使PLC的功能得以扩展。例如，美国GE公司的GE-I/J系列PLC为整体式结构。（2）模块式PLC模块式结构是将PLC各部分提成若干个单独的模块，如电源模块、CPU模块、I/O模块和各种功能模块。模块式PLC由机架和各种模块组成。模块插在机架内的插座上。模块式PLC配置灵活，装配方便，便于扩展和维修。一般大、中型PLC宜采用模块式结构，有的小型PLC也采用这种结构。（3）叠装式PLC将整装式和模块式结合起来，成为叠装式PLC。它除了基本单元外尚有扩展模块和特殊功能模块，配置比较方便。叠装式PLC集整体式PLC和模块式PLC优点于一身，它结构紧凑、体积小、配置灵活、安装方便。3.5PLC编程3.5.1PLC执行用户程序的过程根据PLC的工作流程,设PLC的输入数据为X,输出数据为Y。在用户程序第n次扫描执行时,其输入数据是第n-1扫描的I/O刷新阶段读取的Xn-1；执行用户程序过程中,元件映像寄存器中的数据既有第n-1次扫描存入的数据Yn-1,也有第n次执行程序的中间结果。第n次扫描I/O数据是Yn。如图3.2所示给出PLC执行用户程序的过程示意图，执行第一个梯级时，PLC从输入映像寄存器中读取输入端00000的状态，设其为1则输入继电器00000的状态。再读出输入端00001的状态,设其为0,则输入继电器的00001的状态为0。再由常开触点和常闭触点00000和常闭触点00001的状态运算出继电器01000当当前的状态是1。若此前的状态是0，要改写与其相应的元件映像寄存器的状态向下继续执行第二个梯级，从元件映像寄存器中读出继电器01000的状态1（前一步存入的）,所以常开触点为01000为1，继电器010001的状态是1。若此前01001的状态是0，则要改写与其相应的元件映像寄存器的状态。本次扫描刷新时元件映像寄存器中存的内容是继电器为,继电器为1。图3-2PLC执行用户程序的过程由上述分析可得出,执行用户程序过程的特点是：1）在执行用户程序的过程中，输入映像寄存器的状态保持不变，一直保存到下一次I/O刷新之前。2)元件映像寄存器的内容随程序的执行而改变，前一步的运算结果随即可作为下一步的运算条件，与输入映像寄存器不同。3）不同于继电器控制，PLC执行程序是按由上而下、自左向右的顺序进行的。所以不同梯级中的继电器线圈及其触点的状态不也许同时发生改变。3.5.2梯形图的表达绘制梯形图时，我们一方面要用符号表达出各种元素如常开触点、常闭触点、输出、并联常开、并联常闭等。整个梯形图指令由若干个梯级组成，每个梯级又是一个或几个输入元件和一个输出元件组成，输出元件应出现在梯级的最右边,输入元件出现在输出元件的左边。我们在编MFC程序中,经常要用到一些资源，如位图、对话框、光标、字符串表、菜单、工具栏等，每种资源都有其特定的ID样我们在用位图这种资源时就可以运用其具有特定ID这个特性区分辨认各个位图。3-3梯形图简图如3-3图所示，很显然,计算机绘制图形都是位图格式的，它只能按规定画出图形中的直线、圆、矩形等元素，而不知道各个图形元素之间的逻辑关系,但是在绘制梯形图的时候，各个图形元素之间都是由一定的逻辑关系组成的,最简朴的问题就是假如计算机不能辨认各个元素的话，它如何知道在哪两个图形元素之间画连接线？为了解决这个问题,我们将梯形图元素“放在”个个小单位区域中,每一个图形元素在单位区域中的相对位置都是统一固定的，这样每一个单位区域连接的时候，就能解决连线连接的问题。这样我们将每一个图形元素事先绘制在每一个单位区域中，然后在绘制梯级的时候，将每一个单位区域连接起来就可以了。可以这样说我们绘制的梯形图是绘制的每一个包含各种图形元素的单元区域，在图一中,我们可以清楚地看到，每一个图形元素被分别放在单元区域中，而每一单元区域又组成了整个梯级。其实,抛开梯形图的图像表象，我们可以发现梯形图中每个元件其实都有一个共同的属性，该属性可以用一个四元组表达元件类型,所在位置,名称。其中，元件类型表达元件的种类，如常开触点、常闭触点、输出触点、定期器、计数器等要表达所在位置我们可以将整个梯形图当作一个平面，再将这个平面划提成一个网格矩阵，使用元件在网格矩阵中的行列就可以表达名称也是元件的一个必要属性，由于它代表硬件中的具体地址。3.5.3梯形图的编程规则梯形图语言作为一种标准PLC编程语言，在编制时必须遵循一定的规则，具体如下：(1)梯形图的每一行指令都在母线右边开始画起。(2)输出指令不能直接跟母线连接。(3)触点应在水平线上，不能在垂直分支上，且应遵循自左至右、自上而下的原则。(4)不包含触点的分支应放在垂直方向，不可放在水平位置，以便于辨认触点的组合和对输出线圈的控制途径。(5)在有几个串联回路相并联时，应将触点最多的那个串联回路放在梯形图的最上面；而在有几个并联回路相串联时，应将触点最多的并联回路放在梯形图的最左面。(6)不能将触点画在输出线圈的右边，线圈仅能画在同一行中所有触点的最右边。第4章：矢量控制变频调速4.1变频调速的发展及在提高机系统中的应用传统调速系统中，直流调速以其控制容易，调速精度高等特点长期占据了主导地位，但是由于结构复杂，过流能力不强，环境适应差，难以实现高速度化等因素，一直限制了其应用范围的进一步扩大。相比较而言，交流异步电机具有环境适应能力强、过流能力大、牢固耐用、结构简朴、容易维护及价格低廉等优点，但异步电机的调速性能难以满足生产规定。随着电力电子器件的产生和控制理论的飞速发展，现代控制理论越来越多的应用到交流调速系统中，使得交流调速性能可以和直流调速相媲美、相竞争，交流调速系统的应用领域不断扩大。近年来，电力电子技术的发展和DSP微解决器的推出，更为高性能交流调速系统的实现奠定了基础，目前己经进入了实用化阶段，作为众多调速方案之一的变频调速，其发展不超过40年，却取得了长足的进步，变频调速以其节能和可平滑调速，调速范围宽等优点得到了广泛的应用。交流电动机变频调速控制技术大体经历了以下几个发展阶段。第一个阶段为电压/频率(U/f)恒定控制，这种控制方法在低频时定子电压较低，定子漏抗压降所占的份量不能忽略，因此需要人为地把电压抬高一些，用以补偿定子压降，负载不同时需要补偿的定子压降值也不同样，在控制软件中备有不同斜率的补偿特性，以便用户选择。第二个阶段是矢量变换控制，它的方法是模拟直流电动机的控制特点来进行交流电动机的控制，通过电机统一理论和坐标变换理论，把交流电动机定子电流分解成磁场定向坐标的磁场电流分量和与之相垂直的坐标转矩电流分量，把固定的坐标系变换为旋转坐标系解祸后，交流量的控制变为直流量的控制，于是等同于直流电动机。第三个阶段为直接转矩控制，也叫直接自控，它避开了矢量控制中的两次坐标变换及求矢量模与相角的复杂计算工作，直接在定子坐标系上计算电动机的转矩与磁通，使转矩响应时间控制在一拍以内，且无超调，控制性能更好。提高机控制系统的硬件由模拟技术转向数字技术，全数字变频技术应用于提高机控制。减速段速度调节采用低频发电制动方式，将系统的动能反馈给电网，与动力制动减速相比，不仅调速性能好、减速与爬行自然过渡，并且节能效果显著。采用现代智能控制技术实现速度电流闭环调节，使减速阶段在各种条件下均可严格按照给定的速度图运营，使交流拖动在减速段达成直流拖动的调速性能，减速段到爬行段过渡平滑。这样在提高机系统的最大静张力差允许范围内能实现正力减速与爬行、负力减速与爬行以及验绳等多种工作方式，达成控制规定。采用矢量控制技术零速起动转矩达150%，保证低速爬行时的启动与运营特性，输出频率跟随给定频率，并且频率与电流值可准确指示出来。从而使传动系统获得高精度、高可靠性。采用直接转矩控制可改善低频特性，普通变频器虽然可以输出较低的频率，但输出力矩小，特性较软，应用于提高位能负载时，起动瞬间总要溜车。采用特殊的软件编程，改善低频特性，即使在输出0Hz的情况下，也能输出200%的负载力矩，达成了在整个运营过程都能输出满足负载规定的力矩。完全避免了重载坡起时溜车的现象。提高机使用变频调速控制具有下列优点：(l)调速平滑、调速范围大，通过控制器的控制，变频器的输出频率可以连续调节，实现无级调速，使电动机起动电流小、动负荷小、调速平滑而无冲击。(2)调速精度高，电动机在自然特性上运转时的外特性硬，转速随负载变化小。(3)动态品质好，可使提高机的起动、制动、反转和调速过程的时间降至最少，具有良好的动态品质。(4)易实现电动机的换向，当频率减少至零后即可反向开车，采用控制器改变相序即可实现反转，因此可在四象限内平滑的过渡。(5)节电效果显著，变频调速比转子回路串接电阻的调速方法节约电能20%~40%。4.2变频调速基本原理异步电机的VVVF调速系统一般简称变频调速系统。由于在变频调速时转差功率不变，在各种异步电机调速系统中效率较高，同时性能也最佳，故是交流调速的重要发展方向。交流调速系统的控制量最基本上是转矩、速度、位置，根据不同的用途适当组合可构成各种闭环系统。异步电动机定子对称的三相绕组中通入对称的三相交流电，在电机气隙内会产生一个旋转磁场，其旋转速度为同步转速[10](4-1)式中——定子绕组电源频率；P—电机磁极对数。异步电动机转差率；则异步电动机转速；由上式可知，异步电动机调速方法有如下几种：a.变同步转速：变极p、变频、b.变转差率:定子调压、转子串电阻、电磁转差离合器、串极调速。由电机学可知，转差功率:(4-2)式中—电磁功率；—转子铜耗。由式可知，变频调速与变极调速为转差功率不变型不管其转速高低，转差功率消耗基本不变，因此调速效率为最高。由电机与电力拖动可知，异步电动机等效电路如图4.1所示，图4-1异步电动机等效电路对交流异步电动机进行变频调速，交流异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速表达式为:（4-3）式中:—同步转速(r/min)；—定子频率(Hz)；—磁极对数。而异步电动机的转速为:（4-4）式中:—异步电动机的转差率（4-5）改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运营。当然，也可以通过改变转差率，和磁极对数n，来改变异步电动机的转速。但是变极对数和变转差率在调速领域内的应用范围较小，而变频调速具有高效率、高范围和高精度的调速性能，是比较合理的调速方法。交流变频器正是通过均匀的改变输入异步电动机定子的供电频率来调节电动机转速的。对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保持不变。磁通太弱，铁心运用不充足，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负荷能力下降；磁通太强，则由于过励磁状态，使励磁电流过大，这就限制了定子电流的负载分量，为使电动机但是热，负载能力要下降。异步电动机的气隙磁通(主磁通)是定、转子合成磁动势产生的。由电机理论知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值为:（4-6）式中：—定子每相由气隙磁通感应的电动势的均方根值(V)；—定子频率(Hz)；—定子相绕组有效匝数；—每相磁通量(Web)。由上式可见,的值是由和共同决定的，对和进行适当的控制,就可以使气隙磁通保持额定值不变。下面分两种情况说明:1.基频以下的恒磁通变频调速这是考虑从基频(电动机额定频率AN)向下调速的情况，为了保持电动机的负载能力，应保持气隙主磁通不变，这就规定减少供电频率的同时减少感应电动势，保持，即保持电动势和频率之比为常数进行控制。这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。但是，难于检测和直接控制。当和值较高时，定子的漏阻抗压降相对比较小，假如忽略不计，则可以近似的保持定子相电压U1和频率f1的比值为常数即可。这就是恒压频比，是近似的恒磁通控制。当频率较低时，U1和E1都变小，定子漏阻抗压降(重要是定子电阻U压降)不能再忽略,这种情况下，可以适当的提高定子电压以补偿定子电阻压降的影响,使气隙磁通基本保持不变。2.基频以上的弱磁变频调速这是考虑由基频开始向上调速的情况，频率由额定值.向上增大，但电压受额定电压的限制不能再升高，只能保持不变。必然会使主磁通随着的上升而减小，相称于直流电动机弱磁调速的情况，属于近似的恒功率调速方式。综合两种情况，异步电动机变频调速的基本控制方式如图4.2所示，为恒转矩区和恒功率区，低频调速时通过电压补偿的方式来保持恒转矩。图4-2异步电动机变频调速时的控制特性4.3变频调速控制方式分类在变频调速领域，异步电机的控制方式多种多样，但从转矩的响应性和过渡特性来看，变频调速的控制方式分为以下几种:①控制控制是交流电机最简朴的一种控制方法，通过控制过程中始终保持为常数，来保证转子磁通的恒定。然而控制是一种开环的控制方式，速度动态特性较差，电机转矩运用率低，控制参数(如加/减速度等)还需要根据负载的不同来进行相应的调整，特别是低速时由于定子电阻和逆变器等器件开关延时的存在，系统也许会发生不稳定现象。这种控制方式多用于调速精度不高的场合。②转差频率控制转差频率控制是检测异步电动机的转速，对转差频率采用闭环控制。与控制相比，调速精度规定较高，且系统容易稳定，即能在宽广的调速范围内，将电动机的转矩、功率因数及效率控制在最佳状态。但是采用此法的电动机调速系统只能是单机运营，同时转差频率控制未能实行对电机瞬时转矩的闭环控制，尽管这种系统的静态精度较高，但由于快速性较差，故合用于对响应的快速性规定不高的系统。③矢量控制矢量控制是一种建立在转子磁链定向的基础上，通过一系列的坐标变换，实现电机定子电流转矩分量和磁通分量的解藕的控制方法，可以将作为控制对象的感应电机当作直流电机来进行控制，实现对瞬时转矩的控制。目前，实用中多采用转差频率矢量控制，由于其没有实现直接磁通的闭环控制，无需检测出磁通，因而容易实现。但是其控制器的设计在某种限度上依赖于电机的参数，为了减少控制上对电机参数的敏感性，已经提出了许多参数辨识、参数补偿和参数自适应方案，收到了较好的效果。④直接转矩控制直接转矩控制(DTC)也是一种转矩闭环控制方法，其克服了坐标变换和解祸运算的复杂性，直接对转矩进行控制，通过转矩误差、磁通控制误差，按一定的原则选择逆变器开关状态，控制施加在定子端的三相电压，调节电机的转速和输出功率，达成控制电机转速的目的。由于DTC直接着眼于转矩控制，对转子参数变化表现为状态干扰而非参数干扰，DTC方法比矢量控制方法具有较高的鲁棒性。但是DTC也存在局限性之处，其最大的困难就在于低速性能不抱负。异步电动机用变频器传动的方块图，如图4.3所示，变频器由变流器、平滑电路、逆变器、控制器四大部分组成，变流器将交流电变为直流电，平滑电路将此直流电平滑后，由逆变器将它变换为频率可调的交流电，向电动机提供电压、电流和频率。图4-3变频器的基本结构4.4变频器按中间直流环节方式分类1、电流型变频器当交-直-交变压变频装置的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电流源型变频器。有的交-交变频装置用电抗器将输出电流强制变成矩形波或阶梯波，具有电流源的性质，它也是电流源型变频器。这种电流源型变频器，其逆变器中的晶闸管每个周期工作1200，属于1200导电型。电流源型变频器一个突出的优点是当电动机处在再生状态时，反馈到直流侧的再生电能可以方便的回懊到交流电网，不需要主回路中附加任何设备，只要运用网侧的可逆变流器改变其输出电压极性即可，这种电流型变频器有制动发电能力，又能设立电流环提高承载能力，适合需要快速减速和调速范围宽的场合，适配大功率电机，国内单机容量可达12023KW，国外达数万KW级。2、电压型变频器在交-直-交变压变频装置中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在抱负情况下是一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电压源型变频器。一般的交-直-交变压变频装置虽然没有滤波电容，但供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质，也属于电压源型变频器。对负载电动机而言，变频器是一个交流电压源，在不超过电压容量的情况下可以驱动多台电动机并联运营，具有不选择负载的通用性。中小功率变频器通常采用电容滤波即电压型变频器。逆变器开关器件己由晶闸管（SCR)、功率晶体管（GTR)，发展到绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，以至智能型功率模块(IPM)，集成门极换流晶闸管(IGCT)等。4.5变频调速技术的发展现状从80年代初通用变频器问世以来，通过近2023，通用变频器更新换代了五次:第一代是80年代初模拟式通用变频器，第二代是80年代中期数字式通用变频器；第三代是90年代初智能型通用变频器:第四代是90年代中期的多功能型通用变频器，最近研制上市第五代集中通用变频器。通用变频器的发展情况可以从几个方面来说明：1.通用变频器的应用范围不断扩大通用变频器不仅在工业各个行业广泛应用，其应用范围不断扩大，产品正向三个方面发展变化:其一，向无需调整便能得到最佳运营的多功能与高性能型变频器方向发展；其二，向通过简朴控制就能运营的小型及操作方便的变频器方向发展；其三，向大容量、高起动转矩及具有环境保护功能的变频器方向发展。2.通用变频器使用的功率器件不断更新换代通用变频器对功率晶体管的基本规定是：能承受足够大的电压和电流；允许长时间频繁地接通和关断；接通和关断的控制必须十分方便。在80年代初只有大功率晶体管(GTR)可以满足上述基本规定条件，后来随着工作频率比GTR提高了一个数量级的绝缘栅双极晶体管(IGBT)的出现，使变频调速技术又迈向了一步。目前，中小容量的新系列变频器中的逆变部分，已基本被IGBT垄断了。时至90年代末又出现了一种新型半导体开关器件—集成门极换流晶闸管IGCT(integratedgatecommutatedthyristor)，该器件是GTO和IGBT互相取长补短的结果，非常适合于中压(1KV-10KV)开关电路，现在己有系列产品。3.通用变频器的控制技术性能达成了直流电机调速水平通用变频器再80年代初采用的控制技术是V/fPWM控制方式，90年代初又出现了矢量控制的通用变频器。矢量控制技术的实用化，使异步电动机变频后的机械特性达成了可以和直流电动机变压后的机械特性相媲美的限度。如英国的CT公司的VECTOR系列变频器采用磁通矢量控制技术，其性能达成了直流电机调速的水平。在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频的性能最佳，调速范围广，可进行无级调速，运营效果好，采用变频器，对笼型异步电动机进行控制，由于使用方便，可靠性高，并且经济效益明显，所以逐步得到推广。目前国外变频调速技术发展较快，性能也非常好，在各行各业中得到了广泛的应用，如日本富士、瑞典ABB等变频调速系统应用领域非常广泛。国内变频调速技术发展较慢，产品性能较差，很难满足连续化工生产的需求，并且无法实现闭环自动控制。因此国内使用单位重要以进口为主，很少使用国内生产的产品。第5章总体设计方案5.1系统控制规定1.变频调速器受0-10V输入电压控制：0V输出频率为0HZ，相应同步转速为0r/min；5V输出频率为50HZ，相应同步转速为1500r/min；10V输出频率为100HZ，相应同步转速为3000r/min；输入电压与输出频率按线性关系变化。2.规定输出转速按函数变化，请编写控制程序，并完毕调试。3.按照图5-1转速与时间的函数关系运营，反复上述过程.。图5-1转速与时间的函数关系5.2选择机型本次设计采用三菱FX2N系列PLC进行控制，从以上分析可以知道，该系统只需开关量输入点2个，模拟量输出点1个。本系统变频器采用MM440通用变频器。5.3控制系统的I/0点表5-1控制系统I/0分派图FX2NPLCI/O分派表输入输出外接单元地址功能地址功能SB1IO.O电机启动按钮AQWO电机启动SB2I0.1电机停止按钮5.4系统控制结构由PLC和变频器组成的控制系统，开关量输入端由两输入，开始与停止按钮；PLC输出端是从0—10V的模拟量作为变频器的输入。实现如下控制：0V输出频率为0Hz，相应同步转速为0r/min；5V输出频率为50Hz，相应同步转速为1500r/min；7.5V输出频率为75HZ,相应同步转速为2250r/min；10V输出频率为100Hz，相应同步转速为3000r/min。5.4.1系统主电路图图5-2系统主电路图5.4.2系统控制电路图图5-3系统控制电路图5.4.3系统外围接线图图5-4外围接线图5.5设计环节(1)使用PLC的两个输入点I0.0和I0.1分别作为系统的启动和停止信号的输入点；(2)使用PLC的一个模拟量输出点AQWO作为使电机正转启动的输出信号，接到MM440变频器的AIN1+，AIN1-端子上；(3)调节变频器使其输出频率受模拟量输入电压控制；(4)然后编制输出准时间函数循环的梯形图程序；(5)最后调试并运营。5.6系统流程框图图5-5系统流程框图5.7硬件部分设计5.7.1输出规格图5-6输出规格图假如设立值超过下面提供的规定，将发生输出设立错误，并将输出有输出保持功能规定的输出量。根据设计规定选取输出范围：0-10V。5.7.2标度变换输出范围：0-10V所相应的十进制数为：00000-32023；标度变换公式：V=AIWO/3200；5.7.3变频器参数设立表表5-2变频器参数设立图变频器参数设立表参数号出厂值设立值说明P000312设用户访问级为标准级P070022由端子输入P070111ON接通正转P100021频率设定为键盘设定值P108000电动机运营的最低频率P1082100100电动机运营的最高频率5.8软件部分设计系统的软件设计是根据系统给定的时间函数运营的，所以软件的设计重要是以时间原则来设计。主体程序包含四个重要部分：控制主程序、0-20秒上升子程序、30-40秒下降子程序、60-65秒下降子程序。部分程序（0-20秒上升子程序）如下：LDSM0.0ANT96TONT32,5RC3,1Network2LDT32=M0.1TONT96,5Network3LDM0.1LDC1CTUC1,2023Network4LDSM0.0MOVD12,VD70DTRVD70,VD70Network5LDSM0.0ITDC1,VD60DTRVD60,VD60MOVRVD60,VD80*RVD70,VD80ROUNDVD80,VD80Network6LDSM0.0DTIVD80,VW90MOVWVW90,AQW05.9实验及结果5.9.1实验过程1.先将程序传入PLC中，连接外部连线和按键以及各个状态指示灯。2.按下启动按钮，然后用万用表测模拟量I/0模块的两点间的电压，看是否按照规定曲线运营，假如运营对的则证明PLC部分调试成功。3.在各个时刻切换各种状态观测状态指示灯以及电压输出情5.9.2实验现象调试现象如图所示：图5.7接线图图5-8梯形图显示5.9.3实验结果系统按照给定的时间函数连续循环运营，如图所示，由此说明系统设计合理可靠，此设计符合设计规定。图5-9运营结果结论本文重要是为矿井提高机设计一套PLC控制的变频调速控制系统，实现提高机速度的可调节，以节约能源和适应生产的需要。采用变频器实现提高机的调速运营，使用PLC的强大功能,实现在对提高机的运营控制和参数调节。本文在对矿井提高机控制系统研究中，采用变频器和可编程序控制器相结合的方法，取得了一定的成果，通过对已改造的提高机设备进行调研以及相关文献的阅读可以看出PLC控制的变频调速提高机有明显的社会效益和经济效益。采用PLC后，克服了原继电器系统的局限性，系统安全可靠，性价比提高，且控制程序可根据需要修改，对提高控制技术水平具有广阔的应用前景。变频调速系统在提高机控制中显示出其控制性能优良、操作简便、运营效率高、维护工作量小等诸多优点，是矿井提高机传动的发展方向。在使用过程中实现了软起动、软停车，减少了机械冲击，使运营更加平稳可靠;该系统四象限运营，可实现绞车的调速、换向、能量回制动等功能，适应范围广，节能效果更加明显。谢辞本设计的选题、研究及论文撰写工作是在导师何墉老师的直接关怀和悉心指导下进行的，在做毕业设计期间，何老师在各方面给了我极大的帮助和亲切关怀，使我顺利完毕了毕业设计工作；同时老师严谨的学风、渊博的知识、丰富的实践经验和敏锐的思维将使我受益终身，在此，谨向何老师致以崇高的敬意和衷心的感谢！在毕业设计论文的撰写过程中，电气系及实验室的许多老师都给了我很大的帮助，在此向他们表达深深的谢意。同时也感谢所有关心和帮助过我的老师和同学们。参考文献[1]张明达.电力拖动自动控制系统[M].冶金工业出版社,1983.[2]丁晓力.斜井提高机的PLC控制[期刊论文]2023.[3]李金金.基于PLC控制的变频调速在矿井提高机中的应用（硕士论文）太原理工大学2023.[4]谭波,李燕林,谭冠政.变频调速在矿井提高机中的应用[J].电器工业，2023(4):52-53[5]西门子(中国)有限公司.SIEMENSS7-200可编程控制器手册.2023[6]蒋宏民.PLC技术在我国矿井交流提高系统中的应用研究[J].冶金矿山设计与建设，1998，30(4)：18-29[7]杜俊明.矿井提高机的变频调速改造[J].电气时代，2023(5)：74-79[8]陈军.提高机盘式制动器状态监测装置的研制.矿山机械.1993，7-8[9]朱仁初，万伯仁.电力拖动控制系统设计手册.北京:机械工业出版社，1992.[10]王兆义可编程控制器实用技术机械工业出版社1996.8[11]《矿井提高机故障解决和技术改造》编委会.矿井提高机故障解决和技术改造.北京:机械工业出版社，2023:220，223.[12]周建荣，安静.ABB矿井提高机控制系统及应用.工程设计以D及自动化.1995:40-41[13][美]WalterN.Alerich，[美]StephenL.Herman著姜明，温照方译．电机与控制翻译版（第7版）．北京：北京理工大学出版社，2023.5[14]邵杰编著．基于PLC的模糊控制变频调速系统，曲阜师范大学硕士学位论文，2023.4动机直接转矩控制策略综述，变频器世界，2023.11[15]顾永辉、范廷瓒编著．煤矿电工手册（第三分册）—提高机电力拖动（交流部分）．北京：煤炭工业出版社，1980.8附录一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义PLC即可编程控制器，随着计算机网络的发展，可编程控制器在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。提高机是机、电、液一体化的大型机械，应用于各类矿山的竖井、斜井中，是生产运送的重要工具。当前国内外对结合PLC对提高机研究的方向重要是应用PLC编程器，通过继电器动作来控制提高机的电控系统进行自动调速，从而实现提高机升降位置的自动控制以及对提高机的运营状态的监控，从而提高矿山的生产能力、经济效益和维护井下矿工的生命安全。本领域应用前景广泛，本设计拟开展该领域的研究工作。二、研究的基本内容，拟解决的重要问题本文重要为矿井提高机设计一套PLC控制的变频调速系统实现提高机速度的可调节，以节约能源和适应生产的需要。据此规定，此系统能达成现场的运营的规定，运营数据可以在控制室里掌握，用户在控制室可以通过操作台反映出来以提醒用户。采用变频器实现提高机的调速运营，结合PLC强大功能，实现在控制室对提高机运营控制及参数调节。三、研究环节、方法及措施结合所学课本复习PLC相关知识，重点学习其与机械传动有关章节。学习电机变频调速方法及电机运营状态的监测。通过阅读相关技术综合性文献，了解矿井提高机工作原理及特性，以及相关PLC编程内容，归纳出课题的设计，研究以及解决问题的具体思绪。结合实际所需，设定具体情况，进行理论分析，研究实际问题。编写PLC程序，完毕提高机的变频调速功能。四、进展情况说明本文重要为矿井提高机设计一套PLC控制的变频调速系统，以实现提高机速度的调节，结合个人所学与工作进度安排.，我设定了如下课设环节：1．了解PLC基础知识，学习PLC程序的开发方法；2．查阅文献，学习电机调速相关知识和问题，重点学习电机变频调速方法及电机运营状态的监测；3．初步建立提高机运营状态监控系统的组成和结构功能框架；4．应用PLC编写程序，实现提高机运营参数监测和状态调节等功能。本人在课程设计期间完毕了第一二环节的规定，第三步正在进行当中，本人已经可以纯熟掌握PLC程序的开发方法，对电机变频调速基本原理有了初步了解，正在加紧学习提高机运营状态监控系统的组成和结构功能框架。争取初期实现与电机变频调速运营状态的监测以及PLC编程的对接，在学习PLC汇编语言的基础上进行编程，争取早日完毕任务规定。五、具体实行方案（1）按照进度规定，已经完毕了一二两步相关任务，正在对第三步内容进行学习，同时学习相关PLC程序，为编写程序打下基础。（2）设计方法进展情况本人已经对一二两步所涉及的知识有了具体的结识，接下来工作的重点是将各部分综合起来，运用PLC控制电路来实现对提高机启动、停止、调速及换相各个阶段的的调速控制。六、困难和问题，解决方案在本人学习过程中，碰到的问题如下1对提高机结构结识局限性。2对如何实现由 PLC控制变频器来实现速度控制的具体环节尚且没有设计清楚，各个控制变量之间的关系尚未建立。3对整流电路结识局限性。对于以上问题，我采用了查阅资料和向研究生征询来克服难关。通过学习实践，使我对所用知识有了更深的结识，各个知识点之间的关系逐渐明朗，在向研究生学习的过程中增强了分析和解决实际问题的能力。七、下一步工作安排1在完毕以上任务的基础上，查阅相关PLC资料,学习编写有关PLC程序。2结合课程设计任务，规划相关部分逻辑控制关系。3完毕PLC编程外文资料翻译ProgrammableLogicControllers(PLC),acomputingdeviceinventedbyRichardE.Morleyin1968,havebeenwidelyusedinindustryincludingmanufacturingsystems,transportationsystems,chemicalprocessfacilities,andmanyothers.Atthattime,thePLCreplacedthehardwiredlogicwithsoft-wiredlogicorso-calledrelayladderlogic(RLL),aprogramminglanguagevisuallyresemblingthehardwiredlogic,andreducedtherebytheconfigurationtimefrom6monthsdownto6days[MoodyandMorley,1999].AlthoughPCbasedcontrolhasstartedtocomeintoplace,PLCbasedcontrolwillremainthetechniquetowhichthemajorityofindustrialapplicationswilladhereduetoitshigherperformance,lowerprice,andsuperiorreliabilityinharshenvironments.Moreover,accordingtoastudyonthePLCmarketofFrostandSullivan[1995],anincreaseoftheannualsalesvolumeto15millionPLCperyearwiththehardwarevalueofmorethan8billionUSdollarshasbeenpredicted,thoughtheprice