基于多种通讯方式与变频器的多电机同步控制系统的标准化设计.docx
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基于多种通讯方式与变频器的多电机同步控制系统的标准化设计
第一章绪论
1.1课题研究的背景
近年来，随着变频调速技术的深入发展，基于变频器调速的控制系统在大中型自动化生产中取得了广泛的应用。
在实际的工业控制领域中，一条生产流水线通常由多台电机驱动，能否实现多台电机的协调工作，直接关系到生产的可靠性和产品质量，如何实现多电机的同步控制已成为研究热点。
作为配套的电气控制环节则对产品的质量起着关键的作用，目前以多种通讯方式作为中心控制元件的设备占有相当大的比重，并以其精确的控制，稳定的工作状态占据了十分重要的地位。
而在这些控制系统中核心问题便是各动力驱动轴的同步运行，及各电机的同步运行。
电机同步运行的稳定性和可靠性对工业生产有重要的影响，特别是对造纸行业的安全运行有着关键作用。
而PLC通过多种通讯方式完成各个变频器的控制，增强了系统的抗干扰能力，提高了系统的控制精度，实现了多台电机的同步调速。
本课题正是基于以上背景，提出了一种变频调速器多电机控制系统的设计方案，通过PLC的多种通讯方式和变频器实现对多电机的控制。
变频调速是电机调速的其中一种，在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。
1.交流变频调速的优异特性
（1）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。
（2）调速范围较大，精度高。
（3）起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。
（4）变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。
（5）易于实现过程自动化。
（6）必须有专用的变频电源，目前造价较高。
（7）在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。
2.与其它调速方法的比较
交流电动机的调速方法有三种：
变极调速、改变转差率调速和变频调速。
其中，变频调速最具优势。
3.合理应用
交流变频调速技术在工业发达国已得到广泛应用。
美国有60%-65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了变频调速技术，仅工业传动用电就节约了15%-20%的电量。
采用变频调速，一是根据要求调速用，二是节能。
它主要基于下面几个因素：
（1）变频调速系统自身损耗小，工作效率高。
（2）电机总是保持在低转差率运行状态，减小转子损耗。
（3）可实现软启、制动功能，减小启动电流冲击。
总结：
交流变频调速的方法是异步电机最有发展前途的调速方法。
随着电力电子技术的不断发展，性能可靠、匹配完善、价格便宜的变频器会不断出现，这一技术会得到更为广泛、普遍的应用。
目前，国外先进国家的变频技术正向小型化、高可靠性、抗公害、多功能、高性能等方向发展，我国也在加快发展步伐。
选用正确的控制方式对系统的稳定性实现非常重要。
查阅以前的设计方案，使用常规电器来搭建控制部分非常困难，同时因大量使用继电器和时间继电器又造成控制部分的可靠性降低和故障率升高，很少有一个很好地控制方式。
因此，需要选择更好地控制方式来实现对多电机的同步控制。
ABB可升级的PLCAC500由于其抗干扰能力强，可靠性高，编程简单，性价比高等优点被应用于各种工业控制领域。
利用ABB可升级的PLCAC500的CS31总线、ProfibusDP总线、和ProfiNET实时以太网总线等通讯方式实现对多台电机的同步控制，结构简单，控制方便，可以节约调整时间，增加设备的柔性，同时运行稳定可靠。
因此，利用ABB可升级的PLCAC500的CS31总线、ProfibusDP总线、和ProfiNET实时以太网总线等通讯方式实现对多台电机的同步控制。
1.2方案选择
要实现多台电机的同步控制，可以有四种方案来选择。
一、基于工业以太网和PROFIBUS-DP的PLC控制的调速系统。
监控级采用Ethernet作为通信网络；现场级采用PROFIBUS-DP作为通信网络，通过通讯方式完成各个变频器的控制，增强了系统抗干扰能力，提高了系统的控制精度，实现了多台电机的同步调速。
二、利用变频器来拖动多台电机实现。
现在变频器的技术已经比较成熟，基本
型的变频器都有一拖二甚至更高的功能，这样就可以用变频器来带动多台电动机运行从而实现多电机的控制。
使用这种方式，由于只用一台变频器，所以投资少，减少了额外的硬件，又降低了整个系统的成本，同时最大限度的提高设备利用率，挖掘增效潜力。
三、在自动化控制领域，随着分布式控制系统的发展，在工业上的分布式控制系统中，采用串行通信来达到远程信息交换的目的更简便。
发展起来的RS485是平衡传送的电气标准，在电气指标上有了大幅度的提高。
由于其性能优异，结构简单，组网容易，组网成本低廉，RS485总线标准得到了越来越广泛的应用，同时，在RS485总线中采用的MODBUS协议是公开的通信协议，而且被很多的工控产品生产厂家支持，该协议已广泛应用于水利、水文、电力等行业设备及系统的国际标准中。
四、采用每台电动机各由一台变频器来控制的方式，那么这就要用到多台交流变频调速器，再利用PLC来控制多台变频调速器，从而达到多电机控制的目的。
采用这种方法，由于使用多台变频器，相较于第一种方案投资较大，但是适用于大规模生产线中电机数目较多，电机分布距离较远的情况，而且，用PLC和变频器搭建的程控系统，不但可以实现设备运行的自动化管理和监控，提高了系统的可靠性和安全性，而且提高了企业经济效益和工作效率。
因此，该系统具有一定的工程应用和推广价值。
1.3相关技术简介
1.变频调速技术
变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：
n=60f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。
变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术，电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。
变频调速技术已深入我们生活的每个角落，变频调速系统的控制方式包括V/F、矢量控制（VC）、直接转矩控制（DTC）等。
V/F控制主要应用在低成本、性能要求较低的场合;而矢量控制的引入，则开始了变频调速系统在高性能场合的应用。
近年来随着半导体技术的发展及数字控制的普及，矢量控制的应用已经从高性能领域扩展至通用驱动及专用驱动场合，乃至变频空调、冰箱、洗衣机等家用电器。
交流驱动器已在工业机器人、自动化出版设备、加工工具、传输设备、电梯、压缩机、轧钢、风机泵类、电动汽车、起重设备及其它领域中得到广泛应用。
随着半导体技术的飞速发展，MCU的处理能力愈加强大，处理速度不断提升，变频调速系统完全有能力处理复杂的任务，实现复杂的观测、控制算法，传动性能也因此达到前所未有的高度。
而现在变频驱动主要使用PWM合成驱动方式，这要求其控制器有很强的PWM生成能力。
变频调速技术以其显著的节电效果、优良的调速性能以及广泛的适用性、系统的安全可靠性和延长设备使用寿命等优点而成为现代电力传动技术的一个重要发展方向。
变频调速技术涉及到电机、电力电子技术、微电子技术、信息与控制等多个学科领域，变频调速理论已经形成较为完善科学体系，成为一门相对独立的学科。
而相对于大多数人来说，变频调速技术是一项陌生而新奇的技术，变频器是一种高科技产品，是一种将交流电转化为可变频变压运行的电能转换装置，有工业维生素之称。
变频调速装置通常由整流器、平波电抗器或滤波电容器、逆变器及控制电路组成。
在中间直流电路中串接平波电抗器作储能元件的称为电流型变频器。
中间直流回路并接滤波电容器作储能元件的称为电压型变频器。
整流器将输入的工频交流电变换成直流电，经中间直流环节输入至逆变器，逆变器将直流电流变换为可调电压、可调频率的交流电输入的电机。
打个比方，变频器就好比一个人的心脏，人在运动时，心脏将剧烈跳动，心率加快，供应大量的血液给身体各器官；人在休息的时候，心脏将变缓，从而节约能耗。
电动机同样也像一步操作中的机器心脏，其运转速度也需要根据其负荷大小来调整运转频率，而变频器则是为其正常运转加上一个自动调节装置。
变频器自1964年问世以来，经历40多年的发展，在欧美发达国家广泛应用，目前在中国的空调、电梯、冶金、机械、电子、石化、造纸、纺织等行业有十分广阔的应用空间。
2.PLC技术
PLC具有结构简单、编程方便、性能优越、灵活通用、使用方便、可靠性高、搞干扰能力强等到一系列优点，在工业生产过程自动控制领域得到了广泛应用。
所以，掌握PLC技术是改造传统生产工艺和设备的重要途径。
PLC—即可编程控制器（ProgrammablelogicController）,是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的,并逐渐发展成为以微处理器为核心,把自动化技术、计算机技术和通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。
PLC技术自上世纪70年代被发明应用以来，经过不断地创新发展，已经被广泛的应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中，成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置，被公认为现代工业自动化的三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。
PLC控制技术之所以能够发展如此迅速，除了工业自动化的客观需要外，主要是因为其具有许多独特的优点。
能较好的解决工业领域中普遍关心的可靠、安全灵活、方便、经济等诸多问题。
其主要特点如下:
2.1可靠性高、抗干扰能力强
可靠性高、抗干扰能力强是PLC最重要的特点之一。
PLC的无故障时间平均可达几十万小时。
硬件方面，输入、输出通道采用光电隔离，有效的抑制了外部干扰源对PLC的影响；供电电源及线路采用多种形式的滤波，从而消除或抑制高频干扰。
软件方面，PLC采用扫描工作方式，减少了由于外界环境干扰引起故障，使用监控定时器用于监视执行用户程序的专用运算处理器的延迟，保证在程序出错和程序调试时，避免因程序出错而出现死循环。
2.2应用灵活、编程方便、操作简单
模块化的设计方式，使用户能根据自己控制系统的大小、工艺流程和控制要求等选择自己所需的极管击穿等原因造成短路，这一故障通过在分线盘测得的数据可直接判断，处理方法是到现场进行确认测量。
另一类是比较常见的断路故障，有可能有以下原因造成的：
电缆被破坏造成断路、转辙机接插件接触不良、转辙机自动开闭器接点接触不良、移位接触器接触不良、配线断或各种端子接触不良。
查找具体故障点时，用电压法进行查找。
3.PLC的通讯方式
本系统主要用的是ABB可升级的AC500系列PLC,ABB可升级的PLCAC500的通讯方式主要分为以下三种：
CS31总线、ProfibusDP总线、和ProfiNET实时以太网总线等。
3.1CS31现场总线
CS31现场总线从1989年研发至今，一直起着承先启后的作用。
通过这个总线，把前后多套系统有机的联系在一起。
CS31总线便于设置和通讯简单，总线的连接只需通过三个连接端子来实现，省去其他总线所需的额外连接成本。
AC500控制系统的COM1口集成了CS31主站功能。
CS31总线是一种点对多点的RS485串行通讯。
每个通讯系统由一个主站和最大31个从站组成。
通讯距离不加中继为500米，加中继最大可达到2000米，总线带有自诊断功能。
通讯介质为：
屏蔽双绞线。
3.2PROFIBUS-DP现场总线
PROFIBUS-DP使用了ISO/OSI通信标准中的第一及第二层（即物理层和数据
链路层）和用户接口。
这种精简的结构确保高速数据传输。
直接数据链路映像程序（DDLM）提供对第二层的访问[3～5]。
在用户接口中规定了PROFIBUS-DP设备的应用功能，以及各类型的系统和设备的行为特性。
这种为高速传输用户数据而优化的PROFIBUS-DP协议特别适用于可编程控制器与现场级分散的I/O设备之间的通信。
3.3ProfiNET实时以太网总线
最近几年，工业以太网正在渗透到工业控制中来，其发展趋势表明，工业以太网将占据自动控制系统中层、上层的通信网络。
以太网通信技术以其协议简单、开放、稳定性和可靠性好而获得了全球的技术支持，且具有以下优点：
通信速率高、成本低廉、软硬件资源丰富、可持续发展潜力大、易于与Internet连接，能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成。
1．4论文的研究内容
本论文主要讨论了一种变频调速器多电机控制系统的设计方案，能够实现设备运行的自动化管理和监控，提高系统的可靠性和安全性，全文共分为六章。
第一章为绪论。
简单介绍了课题研究的背景以及方案的选择和相关技术的介绍。
第二章介绍了变频调速技术的原理、分类、控制方式以及变频器的选择等内容。
第三章介绍了可编程控制器的有关知识，包括它的原理、功能特点、结构以及选型、发展状况等相关知识，最后还详细介绍了本系统所要采用的SIEMENSS7—200PLC等有关内容。
第四章是系统设计的内容。
根据多电机同步的发展现状提出了多电机同步控制方案，介绍了模糊PID控制理论，提出来一种基于模糊PID补偿器的多电机同步控制策略，研究了此种策略的设计方法。
第五章是系统通信的设计与调试。
重点介绍了变频器与PLC，PLC与上位机通讯的设计内容与调试。
包括通信协议的选定、协议内容以及程序设计等相关内容。
第六章是监控界面设计的相关内容。
包括人机界面的选型、编程软件的选择和系统界面设计等。
最后总结本论文所做的主要工作，并提出一些今后需要进一步研究的问题和方向。
本章小结
本章阐述了论文研究的课题的背景意义，以及方案的选择，简单介绍了变频调速技术和PLC技术，ABB可升级的PLCAC500的通讯方式背景知识。
阐述说明了本文研究的内容、方法和要实现的目的。
第二章变频调速技术的分析与应用
最近十多年来，由于电力电子器件与微电子、单片机及PWM控制技术的迅猛发展，出现了交流电动机变频调速传动，其效率高、操作方便，而且调速性能可以与直流电动机调速传动媲美，所以交流变频调速传动是目前最好的调速传动方式。
另外，变频器在节约电能的同时可以减少排放、降低能耗，理解并掌握变频器的控制具有十分重要的现实意义，而且现在越来越多的工业控制场合选用PLC和变频器用于电机的调速控制。
2.1变频器的选择
2.1.1变频器的概念及介绍
变频器（Variable-frequencyDrive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。
变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。
通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。
随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。
变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到速调的目的。
变频器主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:
电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。
电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。
它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
（1）整流器：
最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。
也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。
（2）平波回路：
在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。
为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。
装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。
（3）逆变器：
同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。
以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。
控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。
（1）运算电路：
将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。
（2）电压、电流检测电路：
与主回路电位隔离检测电压、电流等。
（3）驱动电路：
驱动主电路器件的电路。
它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。
（4）速度检测电路:
以装在异步电动机轴机上的速度检测器（tg、plg等）的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。
2.1.2变频器的基本动作原理及特点
异步电动机用变频器传动时的框图如图1所示，整流器将交流电变为直流电，平波回路将直流电平衡，逆变器将直流电逆变为频率可调的交流电。
为了电动机的调速传动所给出的操作量有电压、电流、频率。
图1变频器的基本构成
表1将实用化的变频器按主电路方式、控制方式等分类。
各种方式的组合是为了充分发挥其控制特性、适用电动机、容量范围、经济性等特点而设计制造的。
表1逆变器的种类
作为变频器，通常采用三相逆变器。
但这里为了简化电路，采用单相逆变器来说明电压型、电流型、电压控制、电流控制等逆变器的基本工作原理。
2.1.3变频器的分类与控制
一、电压型与电流型
作为主电路方式有电压型变频器和电流型变频器。
电压型是将电压源的直流电变换成交流电的变频器，电流型是指将电流源的直流电变换为交流电的方式。
下面用机械开关来说明其基本动作。
负载是异步电动机，采用图2（b）的等效电路（忽略IM、r1、r2），并为滞后功率因数负载。
图2考虑了谐波的异步电动机等效电路
（一）电压型
电压型逆变器的原理图及其动作如图3所示。
其中图a为单相桥式电压型逆变器，如果使开关S1~S4像图d那样导通、关断，那么负载电压u就成为矩形波交流电压，其大小等于直流电压源电压Ed，如图b中实线所示。
这里假定负载电流i由于负载电感的平滑作用为正弦波交流电流，如图b中虚线所示。
图3电压型逆变器的原理
a）电路构成b）电压/电流波形 c）直流电流波形（瞬时功率） d）开关动作状态
现在，使开关S1、S2导通，由直流电压源Ed沿图a中①路线供给负载电流i。
在时刻t1使这两个开关关断，同时使开关S3、S4导通，于是负载的无功功率就沿②路线反馈给直流电压源Ed。
考虑负载电流i和开关的动作状态，直流电流Id的波形如图c所示。
另外，负载电压u与负载电流i的积为瞬时功率P，它与直流电流Id的波形相同。
瞬时功率P的平均值Pa为向负载提供的有功功率。
时刻t1～t2的滞后角
相当于异步电动机的滞后功率因数角，
时有功功率为正（电动状态），
时为负（再生状态）。
滞后角
与瞬时功率P及有功功率Pa的关系，如图4所示。
图4滞后角
与瞬时功率P、有功功率
当开关采用单方向导通的半导体开关器件时，以晶体管为例，为了向电源反馈（路线②），要同晶体管反并联续流二极管。
电压型变频器的主电路构成见表1中项1～3所列，由晶闸管或二极管、晶体管构成的整流器、平波电容（用作电压源）以及逆变器组成。
（二） 电流型
电流型变频器的原理及其动作如图5所示。
其中图a为单相桥式电流型逆变器。
如果使开关S1～S4像图d那样导通、关断，则负载电流i就变为矩形波交流电，大小等于直流电源电流Id，如图b中实线所示。
负载电压u由负载的感应电动势e决定，为正弦波形，如图b中虚线所示。
图5电流型逆变器原理图
a）电路构成 b）输出电压电流波形 c）直流电压波形（瞬时功率）
d）S1、S2动作、S3、S4动作
现在，使开关S1，S2导通，负载电流i从电流源经图示的路线①流出。
在时刻t1关断这两个开关时，因为是电流源，负载电流必须急速地反向，但是电感负载的电流不可能瞬时反向，在负载两端需要有吸收电感储存能量的电路。
在吸收此能量期间，负载两端将产生di/dt的尖峰电压。
由于能量吸收回路的作用，负载电流反向后，功率从负载向电源反馈，在时刻t2负载电压反向。
此后，在S1，S2再次导通时刻t3之间的期间，为功率从电源流向负载的电动状态。
考虑负载电压u和开关的动作状态，直流电压波形Ed为图c的波形。
另外瞬时功率P与直流电压波形相同。
此瞬时功率P的平均值为有功功率Pa，如图c中虚线所示。
异步电动机的滞后功率因数角
与瞬时功率P和有功功率Pa的关系，同图4中的电压型逆变器波形一样。
采用半导体开关时，对于电流型逆变器通常采用晶闸管，它虽然需要换相电路，但可以兼用作能量吸收回路。
电流型逆变器的主电路构成见表1中的项4及5所列，变流器部分采用晶闸管，同时采用变流器与平波电抗器使它具有电流源作用。
二、电压控制与电流控制
主电路方式分为电压型及电流型两类，控制方式也分为电压控制及电流控制两种。
这两种方式，不管主电路方式是电压型还是电流型都可以适用。
通用变频器等采用电压控制方式，与输出频率成比例地控制输出电压。
对于需要快速响应的用途则必须控制输出电流，可采用电流控制方式。
1.电压控制 通用变频器适用电压型的电压控制。
表1中项1IGBT变频器和GTO晶闸管变频器，是在逆变器侧控制输出的电压和频率。
输出电压的大小，可以利用半导体开关的导通率将输出电压控制成为正弦波。
表1中项2及4的晶闸管变频器，是在整流器侧控制输出电压，在逆变器侧控制频率。
2.电流控制 对于要求类似直流电动机快速响应性的应用场合，为了快速控制异步电动机的转矩，适用电流控制。
表1中项5的电流型晶闸管变频器，在逆变器侧控制频率，在整流器侧控制电流。
该表中项3，用晶体管和GTO晶闸管构成的电压型变频器则适用这样的电流控制方式，利用逆变器侧的导通率将输出电流控制成为正弦波。
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三、PAM与PWM
输出电压或输出电流的控制，可以在整流器侧或逆变器侧进行。
作为这种输出的控制手段有PAM和PWM两种方式。
（一）PAM（PulseAmplitudeModulation）
PAM是一种改变电压源的电压Ed（见图3）或电流源的电流Id（见图5）的幅值，进行输出控制的方式。
因此，在逆变器只控制频率，在整流器侧控制输出的电压或电流。
采用PAM调节电压时，高电压及低电压时的输出电压波形如图6所示。
图6采用PAM的电压调节
a）高电压时 b）低电压时
表1中项2、4、5的晶闸管逆变器，其换相时间需要100～数百µs，所以，难以做到用晶闸管来开关实现PWM控制，要采用在逆变器只控制频率的PAM方式。
（二）PWM（PulseWidthModulation）
在异步电动机恒转矩的变频调速系统中，随着变频器输出频率的变化，必须相应地调节其输出电压。
另外，在变频器输出频率不变的情况下，为了补偿电网电压和负载变化所引起的输出电压波动，也应适当地调节其输出电压。
具体实现调压和调频的方法有很多种，但总的来说，从变频器的输出电压和频率的控制方法来看，基本上按前所述分为PAM和PWM（PAM前已介绍，此处讨论PWM）。
PWM型变频器靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变调制周期来控制其输出频率，所以脉冲调制方法对PWM型变频器的性能具有根本性的影响。
脉宽调制的方法很多，从调制脉冲的极性上看，可以分为单极性和双极性调制两种；从载频信号和参考信号（基准信号）频率之间的关系来看，又可以分为同步式和非同步式两种。
1.单极性调制
1）单极性直流参考电压调制方法，以图7所示
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