无级调速PLC控制系统设计毕业论文.docx

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无级调速PLC控制系统设计毕业论文

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1前言

1.1系统的背景及发展

随着现在社会科技的飞速发展，人们对生活各个方面品质的要求也在不断地提要，在速度运行方面，人们要求速度调节围广，而且平缓，无级调速以其独特的优势赢得新科技的青睐，各种各样的无级调速方式涌现出来。

无级变速与过去定比变速不同，主要有三大类：

电气无级调速、流体无级调速和机械无级调速。

其中电气无级调速是以电磁流为介质的一种调速方式，该种变速方式以电机调速为主体，主要分为直流调速和交流调速。

直流调速主要是通过改变电枢的外串电阻、电枢电压或改变磁通量实现调速。

其特点是调速围大，精度也较高，在过去，直流调速一直作为通过调节电机速度实现无级调速的唯一手段，广泛应用于机械传动领域，直流调速系统具有良好的静态和动态驱动特性，其调速围宽，力矩特性较硬。

但其设备结构复杂，使用成本高，维护和维修困难，不宜用于大功率场合，仅限于中小功率围，故现已逐步被交流调速所替代。

交流调速主要是通过变极、调压和变频来进行调速的[1]。

根据其调速原理有电磁滑差离合器调速、调压调速、串级调速、变频调速、换向器电动机、无换向器电动机调速等。

实际应用最多的为变频调速，即由功率半导体器件为主组成的变频器得到变频电源，向交流电动机供电，实现变频调速。

其特点是调速时平滑性好，效率高。

低速时，特性静关率较高，相对稳定性好；调速围较大，精度高；起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显；变频器体积小，便于安装、调试、维修简便；易于实现过程自动化；在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。

流体无级调速是利用流体作为传动介质的一种调速方式。

按照其工作原理的不同分为：

泵控调速、阀控调速、阀-泵控联合调速、调速型液力耦合器、液力变矩器。

阀控式是利用阀来改变流体进出口流量进行调速；泵控式是通过改变泵和马达的有效工作容积来实现调速，可细分为变量泵-定量马达、变量泵-变量马达、定量泵-变量马达3类；阀-泵控联合调速是阀控和泵控两类调速联合应用；调速型液力耦合器是通过改变喷嘴阀门的开度或改变导管的位置，以改变工作腔的充油量进行调速；液力变矩器是通过改变叶片的角度、充油量或泵轮转速进行调速。

流体无级变速传动具有运动惯性小，动作灵敏，制动迅速，运动平稳，易于实现无级调速，可以获得很大的调速比，而且在大功率、高承载场合易于实现自动化及控制等优点，目前已广泛用于汽车、农林业机械、环保机械、矿山机械、工业机器人驱动系统、太空探测机械等领域[2]。

机械无级变速传动机械无级变速器是利用固体作为中间介质，作为一种通用传动装置主要应用于机械化、自动化生产工艺流程中用以改善机械的工作性能。

结构简单、适应性强、传动效率高、恒功率特性好、操作与维修方便。

利用PLC与变频器的组合，实现以脉冲信号改变频率，进而改变电动机的转速，即为其中的一种方式，同时设置监控平台，可使无极变频调速的性能大大提高。

1.2课题相关技术的国外发展现状及趋势

1.2.1可编程控制器

可编程控制器简称——PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。

它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中[3]。

据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。

专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。

PLC是在继电器控制逻辑基础上，与3C（Computer,Control,Communication）技术相结合，不断发展完善的。

目前已从小规模单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。

自动化系统中所使用的各种类型PLC，有的是集中安装在控制室，有的是分散安装在生产现场的各单机设备上，虽然它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中，但PLC是专门为工业生产环境而设计的控制装置，在设计和制造过程中采用了多层次抗干扰和精选元件措施，故具有较强的适应恶劣工业环境的能力、运行稳定性和较高的可靠性，因此一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用。

高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低[4]。

此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。

在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。

这样，整个系统具有极高的可靠性[5]。

长期以来，plc始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，与dcs和工业pc形成了三足鼎立之势。

同时，plc也承受着来自其它技术产品的冲击，尤其是工业pc所带来的冲击。

目前，全世界plc生产厂家约200家，生产300多种产品。

国plc市场仍以国外产品为主，如siemens、modicon、a-b、omron、三菱、ge的产品。

经过多年的发展，国plc生产厂家约有三十家，但都没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，可以说plc在我国尚未形成制造产业化[6]。

在plc应用方面，我国是很活跃的，应用的行业也很广。

专家估计，2000年plc的国市场销量为15-20万套（其中进口占90%左右），约25-35亿元人民币，年增长率约为12%。

预计到2005年全国plc需求量将达到25万套左右，约35-45亿元人民币。

微型化、网络化、pc化和开放性是plc未来发展的主要方向。

在基于plc自动化的早期，plc体积大而且价格昂贵。

但在最近几年，微型plc（小于32i/o）已经出现，价格只有几百欧元。

随着软plc（softplc）控制组态软件的进一步完善和发展，安装有软plc组态软件和pc-based控制的市场份额将逐步得到增长[7]。

当前，过程控制领域最大的发展趋势之一就是Ethernet技术的扩展，plc也不例外。

现在越来越多的plc供应商开始提供Ethernet接口。

可以相信，plc将继续向开放式控制系统方向转移，尤其是基于工业pc的控制系统。

目前，PLC在国外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。

1.2.2变频器

变频器主要用于交流电动机（异步电机或同步电机）转速的调节，是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案，除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置[8]。

自上世纪80年代被引进中国以来，变频器作为节能应用与速度工艺控制中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。

变频器产生的最初用途是速度控制，但目前在国应用较多的是节能。

中国是能耗大国，能源利用率很低，而能源储备不足。

在2003年的中国电力消耗中，60—70％为动力电，而在总容量为5.8亿千瓦的电动机总容量中，只有不到2000万千瓦的电动机是带变频控制的。

据分析，在中国，带变动负载、具有节能潜力的电机至少有1.8亿千瓦。

因此国家大力提倡节能措施，并着重推荐了变频调速技术[9]。

应用变频调速，可以大大提高电机转速的控制精度，使电机在最节能的转速下运行。

以风机水泵为例，根据流体力学原理，轴功率与转速的三次方成正比。

当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。

因此，精确调速的节电效果非常可观。

与此类似，许多变动负载电机一般按最大需求来生产电动机的容量，故设计裕量偏大。

而在实际运行中，轻载运行的时间所占比例却非常高[10]。

如采用变频调速，可大大提高轻载运行时的工作效率。

因此，变动负载的节能潜力巨大。

作为节能目的，变频器广泛应用于各行业。

以电力行业为例，由于中国大面积缺电，电力投资将持续增长，同时，国家电改方案对电厂的成本控制提出了要求，降低部电耗成为电厂关注焦点，因此变频器在电力行业有着巨大的发展潜力，尤其是高压变频器和大功率变频器[11]。

目前，中国的设备控制水平与发达国家相比还比较低，制造工艺和效率都不高，因此提高设备控制水平至关重要。

由于变频调速具有调速围广、调速精度高、动态响应好等优点，在许多需要精确速度控制的应用中，变频器正在发挥着提升工艺质量和生产效率的显著作用。

除了工业相关行业，在普通家庭中，节约电费、提高家电性能、保护环境等受到越来越多的关注，变频家电成为变频器的另一个广阔市场和应用趋势。

带有变频控制的冰箱、洗衣机、家用空调等，在节电、减小电压冲击、降低噪音、提高控制精度等方面有很大的优势[12]。

国已经有较多的变频器生产厂，但大部分的产品都是V／F控制和电压空间矢量控制变频器，使用在调速精度和动态性能要求不高的负载上应该没有问题。

工业应用中绝大部分都是这种负载，变频器在这种场合应用最重要的要求是可靠性，国产变频器占国市场份额不高的主要原因是产品品质不过硬。

V／F控制和电压空间矢量控制变频器比矢量控制变频器从技术上来看要简单得多，由于国厂家大部分都是手工作坊式的生产，工艺欠佳，检测手段有限，品质的一致性和稳定性难以保证。

同样是V／F控制的变频器，国外的产品比国的产品品质要好，这可能是生产工艺方面的差距。

差距最大的是半导体功率器件的制造业，至今在国这仍是一个空白[13]。

变频器技术的另外一个层面是应用技术。

多年来，国家经贸委一直会同国家有关部门致力于变频器技术的开发及推广应用，在技术开发及技术改造方面给予了重点扶持，组织了变频调速技术的评测推荐工作，并把推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投资方向，同时鼓励单位开展同贷同还方式，抓开发、抓示工程、抓推广应用，还处理了风机、水泵节能中心，开展信息咨询和培训。

1995—1997年，3年间我国风机、水泵变频调速技术改造投入资金3.5亿元，改造总容量达100万千瓦，可年节电7亿度，平均投资回收期约2年。

据有关资料表明，我国变频调速技术应用已经取得了相当大的成绩，每年有数十亿元的销售额，说明我国的变频器应用已非常广泛。

从简单的手动控制到基于RS一485网络的多机控制，与计算机和PLC联网组成复杂的控制系统。

在大型综合自动化系统，先进控制与优化技术，大型成套专用系统，如连铸连轧生产线、高速造纸生产线、电缆光纤生产线、化纤生产线、建材生产线等，变频器的作用是电气传动控制，其控制的复杂性、控制精度和动态响应都有很高的要求，已经完全取代了直流调速技术。

近年来，变频器在功能上，利用先进的控制理论，开发出了诸如卷取、提升、主从等控制功能，使应用系统的构成更加方便和容易，使变频器的应用技术提高到一个新的水平[14]。

变频调速这一技术正越来越广泛的深入到行业中。

它的节能、省力、易于构成自控系统的显著优势应用变频调速技术也是改造挖潜、增加效益的一条有效途径。

尤其是在高能耗、低产出的设备较多的企业，采用变频调速装置将使企业获得巨大的经济利益，同时这也是国民经济可持续发展的需要。

1.2.3监控软件

MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，监视与控制通用系统）是昆仑通态自动化软件科技研发的一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，可运行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000/xp等操作系统。

它具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。

通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。

用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人