基于PLC的传送带多速度控制系统Word格式.docx
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VVVF
目 录
3.1主电路的设计·
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9
第一章 绪论
现代工业往往追求高效率低成本，目前我国正处于经济发展的转型期并且随着科技的不断发展，未来工厂的生产过程必定会越来越智能化。
传送带是一种物料传输设备，因其高效、连续、快速的特性，被广泛的应用于矿业、化工、机械、电力、建材、轻工业以及港口码头等重要的工业领域。
也正因为传送带的应用十分的广泛，对传送带的制造和自动化改进对于工业生产的意义日趋重大。
PLC自诞生起便广受业界的关注，如今PLC依然是自动控制领域的一大支柱。
传送带和PLC的结合为大势所趋，未来必将大放异彩。
传统的传送带系统往往只能工作在某一固定的速度上，这种设计有着其他系统无法比拟的优点。
那就是系统及其简单，操作简便易于掌握使用且用途广泛。
其缺点也同样明显，当传送带上传送物品为易碎品或某些危险品时，若出口处有传送物品积压如果操作不当必然会造成损失甚至发生危险。
传统传送带虽然可以加入自动停止功能，但反复的启停势必对电动机产生不良影响并且会影响物品传输时的稳定性。
基于对单一速度传送带存在以上问题，一种多速度控制系统的概念被提出。
本文即阐述了基于PLC的传送带多速度控制系统的一种设计方案。
在介绍本系统之前我们先了解一下系统的各个主要组成部分。
1．1传送机的简介
17世纪中叶，美国人开始应用一种架空的索道来传送散状的物料，所谓的传送带自此诞生；
进入19世纪中后期，经过了近两个世纪的发展，各种现代结构的传送带输送机相继出现。
1868年，在英国出现了皮带式传送带的输送机；
1887年，在美国出现了螺旋式的输送机；
20世纪后，1905年，在瑞士出现了钢带式输送机；
1906年，在英国和德国出现了惯性输送机。
至此现代意义的传送带基本成型并且在此后传送带输送机受到机械制造、化工、电机、电子和冶金工业技术进步的影响，不断完善，逐步由完成车间内部的传送，发展到完成在企业内部、企业之间甚至城市之间的物料搬运。
时至今日传送带已然成为物料搬运系统机械化和自动化不可缺少的重要组成部分。
现代工业生产过程中，因传送带应用之广泛、工作之可靠相信在未来相当一段时间内其地位无可动摇。
1.2可编程逻辑控制器（PLC）
图1-1 可编程逻辑控制器
PLC起源于1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求；
1969年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程逻辑控制器PDP—14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程逻辑控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。
1969年，美国研制出世界第一台PDP-14；
1971年，日本研制出第一台DCS-8；
1973年，德国研制出第一台PLC；
1974年，中国研制出第一台PLC。
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程逻辑控制器，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。
20世纪70年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
20世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。
可编程逻辑控制器其实质是一种专门用于工业控制的计算机，PLC的硬件结构基本上与PC机相同，基本构成可分为五大部分，分别为：
电源、中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出接口电路、功能模块。
下面分别简单的对五部分进行介绍。
电源
可编程逻辑控制器的电源是整个系统中十分重要的组成部分。
如果缺少一个良好的、可靠的电源整个系统将无法正常的工作，因此，可编程逻辑控制器的制造商往往对电源的设计和制造十分重视。
当交流电压波动维持在+10%（+15%）范围内时，可以不采取任何其它的措施，将PLC直接接入交流电网上。
中央处理单元（CPU）
中央处理单元即CPU，如同PC机一样它是可编程逻辑控制器的控制中枢。
CPU按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收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以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收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，经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，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，近年来对大型可编程逻辑控制器还采用双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行。
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。
输入输出接口电路
（1）现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。
（2）现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
功能模块
如计数、定位、通信等功能模块。
1.3变频器
图1-2 西门子MM440变频器
变频器是一种静止的频率变换设备，其作用是将配电网50Hz的工频交流电变成频率可调的交流电，供普通的交流异步电动机作为电源，从而实现电动机的变速、恒速。
变频器具有体积小、质量轻、精度高、工艺先进、功能丰富、安全可靠、操作简便、通用性强、易形成闭环控制等优点，优于以往任何调速方式。
变频器目前深受钢铁、有色金属、石油、石油化工、化工、化纤、纺织、机械、电力、建材、煤炭、医药、造纸、卷烟、城市供水及污水处理等行业的欢迎。
由于变频器具有十分高效率的驱动性能、良好的可控制性能和广泛的应用空间，所以自问世以来便颇受业界青睐。
当今的变频器产业得到了飞速发展，变频器产业化的规模日趋壮大。
变频器自20世纪60年代左右诞生，发展至20世纪80年代已得到主要的工业化国家广泛的使用。
20世纪90年代，随着人们节能环保意识的加强，变频器的应用变得越来越普遍。
我国变频器的市场总规模并不大，但国民经济的大幅增长极大的带动了变频器市场的容量，2004年其总体销售额大约为61亿元左右，今后还将以惊人的速度发展。
变频器技术是应交流电机无级调速的需求而生的。
20世纪60年代，随着晶闸管（SCR）功率的不断增大，才是变频器具有了实现的可行性。
而使变频器达到普及应用的阶段（仅欧美国家），则是在20世纪70年代。
20世纪80年代变频器作为变频器核心技术的PWM模式优化问题吸引着人们的注意，并且得出了诸多的优化模式，如电压空间相量PWM模式、鞍形波PWM模式等。
20世纪80年代后半期，欧美等发达国家的VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）变频技术已相当成熟并已有众多成品陆续投入市场应用。
到20世纪90年代，IGBT、场效应晶体管的出现和不断改进提高，使得变频器在各个方面前均取得了进步。
变频器可理解为能改变施加于交流电动机出线端上的电源频率值和电压值的调速设备。
它由电力电子器件、电子器件、微处理器（CPU）等组成。
它可分为交-交和交-直-交两种。
交-交变频器可将工频交流电直接变换成电压、频率可调的交流电。
所以交-交变频器又被叫做直接式变频器。
交-直-交变频器则是先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率和电压均可控的交流电，又可称之为间接变频器。
在变频调速时，往往需要同时对逆变器的输出电压和频率进行调节，用以保障电动机主磁通维持恒定。
对输出电压的调节主要有PAM方式、PWM方式以及高载波变频率PWM方式。
所谓PAM方式即脉冲幅值调节方式的简称，它是通过调节直流电压幅值来对电压进行控制的方式。
在变频器中逆变器通常只负责调节输出的频率，而输出的电压则由相控整流器或者直流斩波器通过调节直流电压来实现调节。
PAM方式在系统低速运行时会产生较大的噪音与谐波，所以PAM方式通常只在与高速电机配套的高速变频器中使用。
脉冲宽度调制方式简称PWM方式，在变频器中的整流电路采用了不可控的二极管整流电路，变频器的输出频率和输出电压的调节全部由逆变器按照PWM方式完成。
利用参考电压波与载频三角波相互比较，以此来决定主开关器件的通断时间，从而实现调压。
利用脉冲宽度的变化来得到幅值不同的正弦波基波电压。
这种参考信号为正弦波、输出电压平均值近似为正弦波的PWM方式成为正弦PWM调试简称为SPWM方式。
SPWM方式经常用于通用变频器中。
高载波变频率PWM方式与PWM方式的区别仅在于调制频率有了很大的提高。
这是由于主开关器件的工作频率较高，通常采用IGBT或MOSFET为主开关器件，开关频率可达到10～20KHz,可以大幅度降低电机的噪声，达到静音的效果。
变频器的控制方式有三种分别为转差频率控制、矢量控制和U/f控制。
U/f控制方式又被称为VVVF控制方式。
主电路中的逆变器采用IGBT使用PWM方式进行控制。
逆变器的控制脉冲发生器同时受控于频率指令f*和电压指令U，f*和U之间的关系由U/f曲线发生器（U/f模式形成）决定。
经过PWM控制之后，变频器的输出频率f与输出电压U之间的关系，就是U/f曲线发生器所确定的关系。
通过改变频率设定值f*来实现转速的改变。
电动机实际的转速则要根据负载大小来确定。
负载一旦变化，即使频率f*不变转子转速也将随负载的改变而改变。
因此，它通常用于对转速要求不高或负载变动较小的系统中。
U/f控制是转速开环控制，不需要转速传感器，控制电路简单，负载可以使用通用标准异步电动机，所以通用性好，是目前各型通用变频器产品使用较多的一种控制方式。
如果没有任何附加措施单纯使用U/f控制方式显然静态调速精度难以满足某些系统的要求。
为了提高速度调节的精确度，可以采用转差频率控制方式。
根据速度传感器的检测量，可以求出转差频率△f，把△f与数度设定值f*相叠加，以该叠加值作为逆变器的频率的设定值f*₁,以此实现转差补偿。
这种转差补偿的闭环控制方式就是转差频率控制方式。
与U/f相比其调速精度大为提高。
但使用速度传感器求取转差频率往往要针对具体的电动机的机械特征调整控制参数，所以这种控制方式的通用性并不理想。
U/f控制和转差频率控制的控制思想都是建立在异步电动机的静态数学模型上的，动态性能指标并不高。
对于造纸、轧钢等对动态要求较高的场合中通常会采用矢量控制变频器。
为了提高变频器调速的动态性能矢量控制会根据交流电动机的动态数学模型利用坐标变换将交流电动机的定子电流分解成转矩分量电流和磁场分量电流，并分别加以控制。
矢量控制通过模仿自然解耦的直流电动机的控制方式，对电动机的转矩和磁场分别进行控制，来获得近似于直流调速系统的动态性能。
第二章 设计方案
2.1系统功能
首先本系统必需能够进行正常的传送工作，如正运行、反向运行、启动与停止。
与此同时为改进传统传送带的不足系统要具有多速度切换功能。
即系统运行中检测前方出口处是否有物品积压情况，如果没有则系统保持正常速度运行。
如果前方出现积压情况，则系统开始测量距离出口最近的物品与出口的距离。
系统为防止物品间的碰撞会根据距离出口最近的物品与出口的距离进行减速或停止直到物品积压情况解除。
为保护电动机，传送带一般禁止带负载启动，所以设计时要加入软启动功能。
为防止系统工作中发生危险，整个系统要对工作状态进行指示同时对变频器的故障进行报警并紧急停止工作。
为保证系统在检修维护是仍能够维持工作，所以系统须具备手动工作与自动工作状态相互切换的功能。
2.2方案设计
为完成上述功能，本设计将使用PLC为整个系统的核心控制部分。
以上几乎所有功能都由PLC进行控制。
利用PLC的开关量输入对系统开关、工作状态选择、传送带是否有积压进行控制、选择或反馈。
另外通过PLC的数字输出量对系统工作状态进行指示，最主要的是对变频器进行控制。
变频器通过对电动机的频率的调节来控制电动机的正反转和转速。
因为需要手动，所以需要两个变频器一个主变频器负责平时的自动调速，该变频器全部功能都由数字控制。
另一个变频器变速部分为模拟量控制，另正反转部分为开关量控制，负则检修时的手动控制。
整个系统的运作流程如图2-1所示。
图2-1 功能框图
第三章 系统的硬件设计
本系统接工频电源主要分为PLC、变频器和电动机三大部分。
系统最终能够通过PLC与变频器实现以下功能：
3.1主电路的设计
图3-1为系统的电气原理图，整个系统将以它为硬件部分的主体进行工作。
论文将主要对PLC及变频器进行介绍。
图3-1 电气主接线图
由主接线图可看出本系统采用两个变频器分别对电动机进行控制。
按下启动按钮当开关SA选择自动工作状态时，PLC控制线圈KM0得电同时自动运行指示灯L3亮起。
这时名为KM0的开关动作，即主变频器通电同时副变频器与电动机断开。
同理当开关SA选择手动工作状态时，手动操作指示灯L4亮起，副变频器通电同时主变频器与电动机断开。
此设计意在保证自动与手动相互切换的同时防止两变频器输出端接通对变频器造成损伤。
主变频器上的继电器1为故障监控，当变频器发生故障时变频器内部继电器1闭合线圈SB1得电，此时PLC输入端的开关SB1闭合，并且常闭开关SB1将切断变频器对电动机的控制。
故障信号由此输入到PLC中进行处理，PLC故障灯亮起。
开关SB3为反转控制按钮，当按下SB3传送带反向运行。
开关SB4为启动按钮，当按下启动按钮时系统才正式进入自动运行状态，当再按下SB6后变频器停止。
PLC通过变频器控制电动机软启动。
此启动开关是为了防止传送带由手动切换回自动状态后系统失控而设定。
开关SB5实际上是一个压力开关，用于检测传送带前方出口处是否存在积压，如果有则相当于开关SB5闭合。
开关SB6为正转开关，用于把从系统反向运行状态中恢复过来。
在副变频器上有开关SB21、SB22、SB23分别与副变频器的数字量输入端Din5、Din6、Din7相接。
通过对副变频器的参数设定可以对开关功能进行设定或更改。
本设计中按钮SB21为启动/停止控制按钮，当按下SB21时启动断开时停止。
按钮SB22为反转按钮，当按下SB22时传送带反向运行断开时恢复正转。
SB23为故障复位开关，用于故障后的复位。
副变频器通过电位器改变电位来进行频率调节从而调节传送带速度。
3.2PLC的选择及硬件的设计
从电气主接线图可以知道，系统PLC总共有开关量输入7个、开关量输出10个；
模拟量输入1个。
在诸多PLC厂商中西门子以其悠久的历史、雄厚的技术势力、产品遍及自动化各个领域易于组合成系统并且STEP7软件更加熟悉而成为首选。
软件如果选用CPU222PLC，还需要扩展模块；
如果选用CPU226PLC，则价格较高并且浪费较大。
参照实际应用的输入输出端口数量和西门子S7-200PLC产品目录，选用主机为8入/6继电器输出的CPU222一台，加上一台扩展模块EM222（8点继电器输出），在扩展一个模拟量模块EM235（4AI/1AO）。
整个PLC系统的配置及外围接线图如图：
图3-2 系统PLC及扩展模块外围图
3.3电动机的选择
考虑到系统的通用性问题，本系统并不注重电动机的选择。
具体的应用不同，电动机可根据需要进行选择。
为方便下文的论述，本系统采用西门子1LG0106-2AA20电动机。
该电动机的容量为3KW、额定电压220/380V，电源频率50H，允许电压偏差±
5％。
图3-3 1LG0106-2AA20电动机
3.4变频器的选择
3.4.1变频器容量的选择
在变频器的选择时，应该充分考虑到所使用的场合的使用工况条件的最恶劣情况，留有充足的设计裕度和必要的保护措施。
在选型时应对经济指标和技术指标进行综合的考虑，以选择相应的变频器规格。
若选型不当造成容量偏小，对变频器的效率和正常运行影响极大。
变频器选型时容量应作如下考虑。
对连续运行时所需变频器容量P0（kVA）必需满足以下几点。
（1）变频器容量必须大于负载所要求的输出，即
P0≥kPM/ηcosφ
（2）变频器容量不能低于电动机容量，即
P0≥1.732kUMIM×
10-3
（3）变频器电流I0应大于电动机电流，即I0≥kIM
（4）启动时变频器容量应满足下式
P0≥knM（TL+GD2nM/375tA）/9550ηcosφ
以上各式中，I0为变频器电流，GD2为飞轮转矩，tA为加速时间。
根据负载要求：
k为电流波形补偿系数（PWM控制方式下取1.05～1.10），TL为负载转矩，η为电动机效率（通常为0.85），cosφ为电动机的功率因数（通常为0.75），PM为负载所要求的电动机轴输出，IM为电动机额定电流，UM为电动机额定电压，nM为电动机额定转速。
具体计算文中不作论述。
3.4.2MM440变频器的安装与调试
本文将采用西门子MM440变频器。
MM440由微处理器控制，并采用具有现代化先进技术水平的绝缘栅双机型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。
因此，它具有很高的运行可靠性和功能多样性。
它的脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪音。
全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。
MM440变频器的主要特点有：
易于安装、易于调试、对控制信号的响应快速且可重复、参数设置范围广、应用范围广泛、电缆连接简便、模块化设计、配置灵活、脉宽调制的频率高、运行噪音小。
该变频器具有多个继电器输出和多个模拟量输出（0～20mA）、6个带隔离的数字输入，并且可切换为NPN/PNP接线、2个模拟输入（AIN1为0～10V，0～20mA或-10～+10V可切换；
AIN2为0～10V和0～20mA可切换
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