基于PLC的變頻調速控制系統(tǒng)設計畢業(yè)論文doc

1、摘要現(xiàn)代科學是一個以自動化設備控制系統(tǒng)為核心的工業(yè)科學。工業(yè)自動化技術對工業(yè)生產過程實現(xiàn)測量、控制、優(yōu)化和決策，使企業(yè)實現(xiàn)“好、省、多、快”，提升企業(yè)的市場競爭力。因此“國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃”已明確規(guī)定，工業(yè)自動化技術是21世紀現(xiàn)代裝備制造業(yè)中最重要的科學工業(yè)技術之一，而PLC占據(jù)主導地位。PLC是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置，它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。本次基于CompactLogix風動模型控制器的設計，主要內容是對PLC進

2、行了研究，通過搭建DeviceNet網(wǎng)絡，通過對CompactLogix可編程邏輯控制器編程，控制PowerFlex變頻器來驅動風機模型，風機轉動改變模型箱的壓強，從而使小球運動并懸浮于某一設定位置。通過模型中小球的運動趨勢來展現(xiàn)了抽象的運動控制，使得能夠更直觀的看到運動控制的功效。關鍵詞：CompactLogix、變頻控制、自動化、風機summaryModern science is a scientific industry as the core of automation equipment control system. Industrial automation technolog

3、y achieves measurement, control, optimization and decision for industrial producing process. And makes enterprises realize "good, province, much and fast", and improve enterprises market competitiveness. So the nation medium and long-term science technology development plan has definitely

4、stipulated that industrial automation is one of the most important scientific technology in Modern equipment manufacturing dustry in the 21st century, and PLC dominates at that.1 緒論 1.1 研究背景隨著世界的快速發(fā)展和科技的不斷進步，越來越多的工業(yè)控制都采用自動控制技術，以實現(xiàn)快速、高效的生產。而以可編程邏輯控制器為核心的自動控制系統(tǒng)的應用工更為廣泛，其中包括鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通

5、運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個職業(yè)，運用情況大致可概括為如下幾類：開關量的邏輯操控：這是PLC最基本、最廣泛的使用領域，它替代傳統(tǒng)的繼電器電路，完結邏輯操控、按次操控，既可用于單臺設備的操控，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝出產線、電鍍流水線等。模擬量操控：在工業(yè)出產進程傍邊，有許多接連改變的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程操控器處置模擬量，必須完結模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D變換及D/A變換。PLC廠家都出產配套的A/D和D/A變換模塊，使可編程操控器用于模擬量操控。 運動操控：PLC可以

6、用于圓周運動或直線運動的操控。從操控組織裝備來說，早期直接用于開關量I/O模塊銜接方位傳感器和執(zhí)行組織，如今普通運用專用的運動操控模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸方位操控模塊。世界上各首要PLC廠家的產物簡直都有運動操控功用，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。進程操控：進程操控是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)操控。作為工業(yè)操控計算機，PLC能編制各式各樣的操控算法順序，完結閉環(huán)操控。PID調理是普通閉環(huán)操控系統(tǒng)中用得較多的調理辦法。大中型PLC都有PID模塊，當前許多小型PLC也具有此功用模塊。PID處置普通是運轉專用的PID子順序。進程操控在冶金、化工、熱處置、鍋爐

7、操控等場合有十分廣泛的使用。數(shù)據(jù)處置：現(xiàn)代PLC具有數(shù)學運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)變換、排序、查表、位操作等功用，可以完結數(shù)據(jù)的收集、剖析及處置。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比擬，完結必定的操控操作，也可以使用通訊功用傳送到另外智能設備，或將它們打印制表。數(shù)據(jù)處置普通用于大型操控系統(tǒng)，如無人操控的柔性制造系統(tǒng)；也可用于進程操控系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型操控系統(tǒng)。通訊及聯(lián)網(wǎng)：PLC通訊含PLC間的通訊及PLC與其它智能設備間的通訊。跟著計算機操控的開展，工廠自動化網(wǎng)絡開展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通訊功用，紛繁推出各自的網(wǎng)絡系統(tǒng)。新近

8、出產的PLC都具有通訊接口，通訊十分便利。由此可知，可編程邏輯控制系統(tǒng)已滲透到工業(yè)各個領域，不管是大型工業(yè)，還是中小型工業(yè)，都離不開此系統(tǒng)。1.2 風動控制系統(tǒng) 風機是把機械能變?yōu)闅怏w的勢能和動能的一種流體機械動力設備。風機產品的技術水平，從20世紀50年代開始仿制階段，生產制造一般離心通風機和軸流通風機，60年代到70年代開始獨立設計和組織行業(yè)聯(lián)合設計，先后自行設計制造了大型通風機，離心鼓風機，羅茨鼓風機及離心壓縮機。行業(yè)聯(lián)合設計了11個系列109個規(guī)格的離心通風機，大部分已作為國家推廣的高效節(jié)能鏟平，至今仍在大量生產制造。80年代為引進、吸收和創(chuàng)新階段，使我國風機工業(yè)發(fā)生了深刻變化，引進的

9、先進技術得到了消化，形成了一定的生產能力。進入90年代實現(xiàn)了國產化零的突破。風機分類可以按氣體流動的方向，分為離心式、軸流式、斜流式（混流式）和橫流式等類型。而按照用途劃分可以分為：軸流風機、混流風機、屋頂風機、空調風機等。 而以風機為主體的風動模型，則是一種通過改變風機轉動的機械能，從而改變氣體的勢能的系統(tǒng)，以達到對控制對象實現(xiàn)控制的目的。以風機為主體的風動設備廣泛應用于工廠、礦井、隧道、冷卻塔、車輛、船舶和建筑物的通風、排塵和冷卻；鍋爐和工業(yè)爐窯的通風和引風；空氣調節(jié)設備和家用電器設備中的冷卻和通風；谷物的烘干和選送；風洞風源和氣墊船的充氣和推進等。1.3 PLC特點及其在工業(yè)中的應用 隨

10、著計算機技術的發(fā)展，存儲邏輯開始進入工業(yè)控制領域?？删幊绦蚩刂破髯鳛橥ㄓ霉I(yè)控制計算機，是存儲邏輯在工業(yè)應用的代表性成果。近30年來，可編程序控制器不斷發(fā)展更新，功能日益強大，已經成為工業(yè)自動化技術的三大支柱之一。1.3.1 特點PLC是以繼電-接觸器控制為基礎，融入了計算機技術，以適應工業(yè)環(huán)境下使用為背景研制開發(fā)的新一代工業(yè)控制器，因而它具有如下的特點：(1) 編程方便、接線簡單，容易實現(xiàn)被控對象的控制要求PLC可用與繼電器控制線路相似的梯形圖語言表達控制過程，程序表達簡單、直觀，通過編程器把程序寫入存儲器中，方便用戶維修程序；PLC為用戶提供了豐富的指令，容易實現(xiàn)被控對象的控制要求。由于有

11、相應的I/O接口，只需要進行輸入/輸出信號線的連接，不需要考慮控制過程，因而接線簡單。(2) 可靠性高、抗干擾能力強工業(yè)控制可靠性最為重要，PLC專為工業(yè)環(huán)境使用而設計，在硬件上，采用了電磁屏蔽、濾波、光電隔離等一系列抗干擾措施；在軟件上，采取了故障檢測、信息保護和恢復、設置警戒時鐘、加強對程序的檢查和校驗、對程序和動態(tài)數(shù)據(jù)進行電池后備等措施，進一步提高其可靠性和抗干擾能力。使其可以直接安裝于工業(yè)現(xiàn)場穩(wěn)定可靠地運行。(3) 通用性好、應用靈活PLC產品均已系列化，型號多，品種齊全，還有各種功能模塊，用戶可以根據(jù)控制要求方便地選用適合的模塊，做硬件結構上的組合和擴展，以滿足各種控制系統(tǒng)的要求。(

12、4) 功能強PLC除了能完成邏輯控制，計時、計數(shù)、算術運算等功能外，還可以實現(xiàn)模擬量控制、順序控制、位置控制、高速計數(shù)和網(wǎng)絡通信等功能，合理配置PLC，還可實現(xiàn)多機“群控”系統(tǒng)和一臺計算機對多臺PLC進行集中管理分散控制的“分布式控制”系統(tǒng)。(5) 控制系統(tǒng)工程周期短設計、安裝、調試方便。PLC采用軟件編程序方式實現(xiàn)控制功能的表達，即使是非常復雜的控制，也可用方便的指令實現(xiàn)。編寫的程序可以初步模擬調試好后，才用于現(xiàn)場。制作工程的過程中，編程序和現(xiàn)場設備安裝可同時進行，大大縮短了工程周期，提高了工作效率。(6) 維護、維修方便PLC有完善的自診斷功能，能檢測出自身的故障，能對其內部工作狀態(tài)、通信

13、狀態(tài)、異常狀態(tài)和I/O狀態(tài)進行顯示，工作人員可通過這些顯示查出故障，迅速處理。PLC接線少，更換元件方便。1.3.2 PLC在工業(yè)中的應用PLC是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。在當今的工業(yè)界，只要涉及控制的地方，都離不開PLC這個核心大腦，它在工業(yè)中的應用大概可以分為兩個領域：其一為單機控制為主的一切設備自動化領域，比如：包裝機械、印刷機械、紡織機械、注塑機械、自動焊接設備、隧道盾構設備、水處理設備、切

14、割、多軸磨床、冶金行業(yè)的輥壓、連鑄機械.太多了，這些設備的所有動作，加工都需要靠依據(jù)工藝設定在PLC內的程序來指導執(zhí)行和完成，就如人的大腦。其二為過程控制為主的流程自動化行業(yè)，比如污水處理、自來水處理、樓宇控制、火電主控、輔控、水電主控、輔控、冶金行業(yè)、太陽能、水泥、石油、石化、鐵路交通.也太多了。這些行業(yè)所有設備的連續(xù)生產運行，總存在許多的監(jiān)控點和大量的實時參數(shù)，而要監(jiān)視、控制、和采集這些流程參數(shù)和相關的工藝設備，也必須依靠PLC這個大腦來完成，當然傳統(tǒng)叫法也有DCS，盡管設計之初的理念不一樣，但現(xiàn)技術路線已逐漸融合。目前生產PLC的廠家較多。但能配套生產，大、中、小、微型均能生產的不算太多

15、。在中國市場占有較大份額的公司有：德國西門子：它有SS系列的產品。有SS95U、100U、115U、135U及 155U。135U、155U為大型機，控制點數(shù)可達6000多點，模擬量可達300多路。最近還推出S7系列機，有S7-200（小型）、S7-300（中型）及S7-400機（大型），性能比S5大有提高。 日本三菱公司：FX1S系列：三菱PLC是一種集成型小型單元式PLC。且具有完整的性能和通訊功能等擴展性。如果考慮安裝空間和成本是一種理想的選擇。FX1N系列：是三菱電機推出的功能強大的普及型PLC。具有擴展輸入輸出，模擬量控制和通訊、鏈接功能等擴展性。是一款廣泛應用于一般的順序控制三菱P

16、LC。而A系列使用三菱專用順控芯片（MSP），速度/指令可媲美大型三菱PLC，程序容量由8K步至124K步，有多種特殊模塊可選擇，包括網(wǎng)絡，定位控制，高速計數(shù)，溫度控制等。美國羅克韋爾公司：大型的PLC包括1756 GuardLogix 、1756 ControlLogix 、softlogix等，可適應最嚴苛的應用項目需求。它們提供模塊化架構以及各種 I/O 和網(wǎng)絡選項 。而小型的控制系統(tǒng)包括Compactlogix、1768緊湊型Guardlogix、SLC500等產品，充分展示了在小型控制系統(tǒng)中所應用的靈活性和方便性。 2 系統(tǒng)介紹2.1 系統(tǒng)選型2.1.1 可編程控制器基于PLC具有功

17、能強大、可靠性高以及抗干擾能力強等特點，故本次設計采用的是以PLC為核心的系統(tǒng)。按PLC的I/O點數(shù)的多少，可分為大型、中型和小型三類。小型PLC的I/O點數(shù)在256以內，單核CPU，處理器為8位或16位，用戶存儲器容量再4K字以下；中型PLC的I/O點數(shù)在256至2048之間，雙核CPU，用戶存儲器容量大約在28K；大型PLC的I/O點數(shù)則大于2048點，處理器為16或32位，用戶存儲器容量為816K。小型控制器針對于小型的設備，具有經濟型強、費用低應用靈活等優(yōu)勢，根據(jù)對系統(tǒng)設計的需求以及程序容量、I/O點數(shù)、通信功能和定位功能等的考慮，此次基于中小型風動模型控制系統(tǒng)的設計中，所選擇的是小型

18、可編程控制器。全世界PLC生產廠家約200家，生產300多種產品。國內PLC市場仍以國外產品為主，如Siemens、Modicon、A-B、OMRON、三菱、GE等的產品。羅克韋爾CompactLogix提供了一個從單機到分布式應用系統(tǒng)的Logix解決方案。其中1769控制器不僅具有增強的處理性能，還內置有可進行實時 I/O控制的100Mbps EtherNet/IP網(wǎng)絡接口，與包括1769 I/O模塊在內的多種I/O模塊在內的多種I/O模塊一起實現(xiàn)分布式I/O擴展。CompactLogix為中小型應用系統(tǒng)提供了一個高效的控制解決方案。它可以取代現(xiàn)在普遍應用的傳統(tǒng)PLC和多回路控制器。同時，C

19、ompactlogix采用與Controllogix一脈相承的Logix多功能控制引擎，用戶開發(fā)閱讀和修改控制程序非常方便。Compactlogix及其增強的、高密度的IO，能夠幫助廣泛的工業(yè)應用中越來越多的最終用戶和機器制造商，構筑穩(wěn)定可靠，便于使用于高性能控制平臺。每個I/O站最多可達30個模塊，用戶能有足夠的接線盒操作空間。因此，此次設計所選擇的的是美國羅克韋爾公司生產的小型CompactLogix。2.1.2 PowerFlex變頻器變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。

20、變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內部IGBT的開斷來調整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。變頻器常見的頻率給定方式主要有：操作器鍵盤給定、接點信號給定、模擬信號給定、脈沖信號給定和通訊方式給定等。這些頻率給定方式各有優(yōu)缺點，須按照實際所需進行選擇設置，同時也可以根據(jù)功能需要選擇不同頻率給定方式之間的疊加和切換。變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開

21、關方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等PowerFlex 系列低壓變頻器由羅克韋爾公司生產，可提供各種各樣的控制模式，幾乎可以滿足任何電機控制要求。通過組合運用用途廣泛的各項功能、選項和封裝，可幫助滿足安全性要求并簡化編程和配置，因此 PowerFlex 系列變頻器是一種可滿足各方面應用需求的完美解決方案。根據(jù)此次設計所需要的設備、控制方式和容量選擇，我們選用的是PowerFlex 系

22、列中的PowerFlex 70變頻器，這種變頻器具有安裝簡單、調試方便、設計方便以及通信靈活等優(yōu)點，能最大程度地滿足設計的需要。2.1.3 風機選型風機是把機械能變?yōu)闅怏w的勢能和動能的一種流體機械動力設備，廣泛用于工廠、礦井、隧道、冷卻塔、車輛、船舶和建筑物的通風、排塵和冷卻；鍋爐和工業(yè)爐窯的通風和引風；空氣調節(jié)設備和家用電器設備中的冷卻和通風；谷物的烘干和選送；風洞風源和氣墊船的充氣和推進等。 風機的工作原理與透平壓縮機基本相同，只是由于氣體流速較低，壓力變化不大，一般不需要考慮氣體比容的變化，即把氣體作為不可壓縮流體處理。按氣體流動的方向，風機可分為離心式、軸流式、斜流式（混流式）和橫流式

23、等類型。離心風機的氣流軸向進入風機的葉輪后主要沿徑向流動，這類風機根據(jù)離心作用的原理制成，產品包括離心通風機、離心鼓風機和離心壓縮機；而軸流風機則是氣流軸向進入風機的葉輪，近似地在圓柱形表面上沿軸線方向流動。這類風機包括軸流通風機、軸流鼓風機和軸流壓縮機。本次設計中，所選擇的的風機是離心式風機。離心式風機的抽風效果很好，非常適合用在管道抽風或者送風，實用性強，而且堅固耐用、維護方便，特別適用于這次設計。2.2 各設備的結構及原理2.2.1 CompactLogix控制器CompactLogix實質上是一種工業(yè)控制計算機，所以它與計算機的組成十分相似。跟其他所有類型的可編程控制器一樣，Compa

24、ctLogix的硬件組成可分為六部分，分別為：中央處理單元(CPU)、存儲器單元、輸入/輸出單元、電源部分、接口單元、外部設備。中央處理單元是可編程控制器的核心組成部分，由大規(guī)?；虺笠?guī)模的集成電路微處理芯片組成，是系統(tǒng)的控制中樞。其主要功能是接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)、檢查電源、存儲器和I/O等以及在投入運行時對指令進行解釋、傳送、運算和更新等。PLC的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器。系統(tǒng)存儲器用來存放由生產廠家編寫的系統(tǒng)程序，并存于ROM中，用戶不能直接更改。而用戶存儲器則包括用戶程序存儲器和用戶數(shù)據(jù)存儲器兩個部分。用戶程序存儲器用來存放用戶所編寫的各種用戶程序。而用戶數(shù)據(jù)存

25、儲器則是用來存放用戶程序中所使用器件的ON/OFF狀態(tài)和數(shù)值、數(shù)據(jù)等。輸入/輸出單元是PLC與現(xiàn)場設備或其他外部設備之間的連接部件。其輸入模塊把狀態(tài)或信息讀入中央處理單元，通過用戶程序的處理和運算，把結果通過輸出模塊輸出給執(zhí)行單元。輸入單元可接收開關量輸入信號和模擬量輸入信號。電源部分一般使用220V的交流電源。其一方面為中央處理器、存儲器等電路提供直流電源，使得PLC能正常工作；另一方面則為外部輸入元件提供24V直流電源。接口單元包括擴展接口、編程器接口、存儲器接口和通信接口。擴展接口是用于擴展輸入輸出單元，使PLC的控制規(guī)模配置得更加靈活。編程器接口是連接編程器的，PLC本體通常不帶編程器

26、。故可以利用此接口連接各種形式的編程裝置。PLC的外部設備主要有編程器、文本顯示器、操作面板、打印機等。CompactLogix的工作原理也與普通的計算機類似，屬于串行工作方式，CPU是以分時操作方式來處理各項任務的，計算機在每一瞬間只能做一件事，所以程序的執(zhí)行是按程序順序依次完成相應的各電器的動作。由于運算速度極高，各電器的動作幾乎是同時完成的，但實際的響應是有滯后的。PLC的工作方式是按幾種輸入、集中輸出、不斷地周期循環(huán)掃描方式進行工作的。CPU從第一條指令執(zhí)行開始，按順序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶程序終止，然后返回第一條指令開始新的一輪掃描。CompactLogix系統(tǒng)工作的全過程可用圖

27、1所示的運行框圖來表示。 圖1 PLC運行框圖其工作過程整體可以分為三部分。第一部分是上電處理，即對PLC進行一次初始化；第二部分是掃描過程，對用戶程序進行逐條地掃描處理和運算，然后存至輸出單元；第三部分則為出錯處理，PLC每掃描一次就會執(zhí)行一次自診斷檢查，確定自身的動作是否正常。當CompactLogix系統(tǒng)處于正常運行時， 它將不斷地重復掃描過程。若不考慮遠程I/O特殊模塊和其他通信服務，掃描過程可簡單地概括為“輸入采樣”、“程序執(zhí)行”和“輸出刷新”三個階段。如下圖2所示：圖2 PLC掃描過程在輸入采樣階段，PLC以掃描方式按順序把所有輸入端子的輸入信號狀態(tài)（ON/OFF）寫入到輸入映像寄

28、存器中寄存。如在程序執(zhí)行階段，輸入端子的信號狀態(tài)發(fā)生變化，輸入寄存器中的內容不變，要等到下一個工作周期的輸入采樣階段到來時，新的信號才會被讀入輸入映像寄存器中。在程序執(zhí)行階段，CPU中的用戶程序被從頭至尾順序掃描，每掃描到一條指令時，按指令要求從輸入映像寄存器中和元素映像寄存器中分別讀出輸入狀態(tài)和其它元素的狀態(tài)，做各種運算，并將運算結果存到元素映像寄存器中，當程序執(zhí)行完成后，PLC要對執(zhí)行結果進行輸出處理，即為下一階段的輸出刷新階段。輸出刷新階段即是把元素映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)存到輸出鎖存電路中，由輸出鎖存電路通過輸出端子去驅動PLC的外部設備。2.2.2 PowerFlex 70變

29、頻器PowerFlex 70 變頻器是具有優(yōu)良性能的交- 直- 交電流源型變頻器，融合了先進的技術，可將具有固定頻率和幅值的三相交流電源系統(tǒng)，進行功率變換后，產生可調頻率且電流隨負載而定的交流系統(tǒng)，在一定范圍內實現(xiàn)連續(xù)調速。調速過程先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。而且它很容易實現(xiàn)四象限運行。電機可以正反方向以電動機或發(fā)電機方式運行，

30、當電機以發(fā)電機工作方式時，能量可回饋電網(wǎng)，再生制動PowerFlex70 可以設定做電壓/頻率模式或無速度傳感矢量控制以滿足各種不同的應用要求。交流電動機的同步轉速表達式為： n60 f(1s)/p (1)式中 n異步電動機的轉速；f異步電動機的頻率；s電動機轉差率；p電動機極對數(shù)。由式(1)可知，轉速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉速，當頻率f在050Hz的范圍內變化時，電動機轉速調節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調速手段。PowerFlex 70 變頻器，是通過控制電機的轉矩，來控制電機速度的，通過計算和測量電機速

31、度，并按要求調整轉矩，使被測速度等于速度命令。羅克韋爾系列的控制方式，是直接矢量控制。兩種控制算法中，定子電流被分解為可以獨立控制的磁通分量和正交轉矩分量，矢量控制的目的，就是獲得與直流電動機相似的性能，可以快速改變轉矩而不影響磁通。PWM控制方式的無輸入變壓器的電流型變頻器的電路拓撲結構圖如圖3所示：圖3 PowerFlex 70的電路拓撲結構圖電路結構為交直交型，功率器件采用對稱門極換流晶閘管，對于6 kV 電壓等級的變頻器，每個橋臂采用3 只SGCT 串聯(lián)，具有IGBT 的全部優(yōu)點，而且還能夠阻斷雙方向的電壓，減少器件數(shù)量，驅動和吸收電路進一步簡化，而且性能更好。變頻器通常采用交直交三電

32、平式電壓源型變頻器，頻器的功率部件包括整流器、直流母線及逆變器。羅克韋爾變頻器的控制，由數(shù)字控制系統(tǒng)組成，與功率無關。一方面，系統(tǒng)數(shù)字控制的矢量轉換技術轉矩和勵磁分量分別進行單獨控制，另一方面用常用的標準硬件和軟件實現(xiàn)開、閉環(huán)控制。此種調速控制方案，是將高壓通過降壓變壓器降低，這樣可以采用交流變頻器，然后，將變頻器的輸出電壓再提高，以滿足交流電動機的電壓要求。高低高變頻調速系統(tǒng)的結構見圖4：圖4 高低高變頻調速系統(tǒng)的結構圖2.2.3 離心式風機離心式風機一般由四個基本機件組成：集流器、葉輪、機殼和傳動部件。如圖5所示：圖5 離心式風機構造示意圖集流器也被稱為喇叭口，是通風機的入口，它的作用是在

33、損失較小的情況下，將氣體均勻地導入葉輪。葉輪是通風機的主要部件，它的尺寸和幾何形狀對通風機的性能有著很大的影響，離心式通風機的葉輪由前蓋、后蓋、葉片和輪轂組成，一般采用焊接和鉚接加工。機殼為包圍在葉輪外面的外殼，其作用在于收集從葉輪甩出的氣流，并將高速氣流的速度降低，使其靜壓力增加，以此來克服外界的阻力，將氣流送出。傳動部件用來連接電機和風機，傳遞力矩。離心式風機的工作原理與透平壓縮機基本相同，只是由于氣體流速較低，壓力變 化不大，一般不需要考慮氣體比容的變化，即把氣體作為不可壓縮流體處理。離心式風機是根據(jù)動能轉換為勢能的原理，利用高速旋轉的葉輪將氣體加速，然后減速、改變流向，使動能轉換成勢能

34、（壓力）。在單級離心式風機中，氣體從軸向進入葉輪，氣體流經葉輪時改變成徑向，然后進入擴壓器。在擴壓器中，氣體改變了流動方向造成減速，這種減速作用將動能轉換成壓力能。壓力增高主要發(fā)生在葉輪中，其次發(fā)生在擴壓過程。在多級離心式風機中，用回流器使氣流進入下一葉輪，產生更高壓力。 3 系統(tǒng)分析及設計3.1 設計目的隨著現(xiàn)代生產和科學技術的發(fā)展，自動化技術已經越來越多地被應用到工業(yè)中的各個行業(yè)和領域，并逐漸向復雜的系統(tǒng)控制和高級的智能控制發(fā)展，并廣泛地應用到國防、科學研究和經濟等各個領域，實現(xiàn)更大規(guī)模的自動化，例如大型企業(yè)的綜合自動化系統(tǒng)、全國鐵路自動調度系統(tǒng)、國家電力網(wǎng)自動調度系統(tǒng)、空中交通管制系統(tǒng)、

35、城市交通控制系統(tǒng)、自動化指揮系統(tǒng)、國民經濟管理系統(tǒng)等。自動化的應用正從工程領域向非工程領域擴展，如醫(yī)療自動化、人口控制、經濟管理自動化等。自動化控制系統(tǒng)正在逐步地代替人類勞動力，在更大程度上模仿人的智能，并已在工業(yè)生產、海洋開發(fā)和宇宙探測等領域得到應用，專家系統(tǒng)在醫(yī)療診斷、地質勘探等方面取得顯著效果。工廠自動化、辦公自動化、家庭自動化和農業(yè)自動化將成為新技術革命的重要內容，并得到迅速發(fā)展。本次基于CompactLogix的風動模型控制系統(tǒng)設計，就是旨在學習自動控制系統(tǒng)的設計方法和思路，以及所用到的各個自動化控制設備的結構、原理和使用方法。本次設計用到的自動控制設備主要有：CompactLogi

36、x處理器、PowerFlex變頻器、風機等。在設計過程中，著重詳細學習CompactLogix處理器的基本結構及其程序的編寫，以及PowerFlex變頻器參數(shù)的意義及設定，DeviceNet的原理、控制方法、所用到的各種自動化控制設備的結構、原理和使用方法。3.2 系統(tǒng)分析3.2.1 CompactLogix處理器與PowerFlex70變頻器的組合應用CompactLogix系統(tǒng)是一種數(shù)字運算與操作的控制裝置，它作為傳統(tǒng)繼電器的替代產品， 廣泛應用于工業(yè)控制的各個領域。當利用變頻器構成自動控制系統(tǒng)進行控制時，很多情況下是采用PLC 和變頻器相配合使用，例如吹灰系統(tǒng)。PLC 可提供控制信號和指

37、令的通斷信號。開關指令信號輸入。變頻器的輸入信號中包括對運行與停止、正轉與反轉、點動等運行狀態(tài)進行操作的開關型指令信號。變頻器通常利用繼電器接點或具有繼電器接點開關特性的元器件與CompactLogix相連，得到運行狀態(tài)指令。在使用繼電器接點時，常常因為接觸不良而帶來誤動作。使用晶體管進行連接時，則需考慮晶體管本身的電壓、電流容量等因素，保證系統(tǒng)的可靠性。在設計變頻器的輸入信號電路時還應該注意，當輸入信號電路連接不當時有時也會造成變頻器的誤動作。例如，當輸入開關信號進入變頻器時，有時會發(fā)生外部電源和變頻器控制電源（DC24V）之間的串擾。正確的連接是利用PLC電源，將外部晶體管的集電極經過二極

38、管接到PLC。當PowerFlex變頻器和CompactLogix系統(tǒng)的電壓信號范圍不同時， 如變頻器的輸入信號為010V，而PLC 的輸出電壓信號范圍為05V時，或PLC的一側的輸出信號電壓范圍為010V而變頻器的輸入電壓信號范圍為05V時，由于變頻器和晶體管的允許電壓、電流等因素的限制，需用串聯(lián)的方式接入限流電阻及分壓方式，以保證進行開閉時不超過PLC和變頻器相應的容量。此外，在連線時還應注意將布線分開，保證主電路一側的噪音不傳到控制電路。通常變頻器也通過接線端子向外部輸出相應的監(jiān)測模擬信號。電信號的范圍通常為010V電壓信號或420mA電流信號。無論哪種情況，都應注意：PLC一側的輸入阻

39、抗的大小要保證電路中電壓和電流不超過電路的允許值，以保證系統(tǒng)的可靠性和減少誤差。要實現(xiàn)PLC 對變頻器的通信控制，必須對PLC 進行編程，通過程序實現(xiàn)PLC 對變頻器的各種運行控制和數(shù)據(jù)的傳送。PLC應首先完成FX2N-485BD 通信適配器的初始化、控制命令字的組合、代碼轉換和變頻器應答數(shù)據(jù)的處理工作。通信規(guī)格在變頻器的初始化中設定，如果沒有進行設定或有一個錯誤的設定，數(shù)據(jù)將不能進行通信，且每次參數(shù)設定后，需復位變頻器，確保參數(shù)的設定生效。設定好參數(shù)后將按照通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信。需要設定的參數(shù)值有：站號，設定變頻器為0；通信速率，設定為9600bps;停止位長、數(shù)據(jù)位長，設定停止位為2 位，

40、數(shù)據(jù)位為7 位；奇偶校驗有無，設定為偶校驗；通信再試次數(shù)，設定為即使發(fā)生通信錯誤，變頻器也不停止；通信校驗時間間隔，設定為通信校驗終止；等待時間，設定為用通信數(shù)據(jù)設定；CRLF 有無選擇，設定為選擇無CRLF。3.2.2 PowerFlex70變頻器驅動風機用PowerFlex70變頻器驅動風機內的電機運行時，使用帶勵起動的方式。在變頻器向電機定子輸出電壓之前，先由勵磁裝置向電機的勵磁繞組通以一定的勵磁電流，然后變頻器再向同步電機的電樞繞組輸出適當?shù)碾妷海饎与姍C。在電機起動之初，電樞電壓矢量與轉子磁極位置之間的夾角是任意的，必須經過適當?shù)恼竭^程將這一夾角控制到一定的范圍之內，然后電機進入穩(wěn)

41、定的同步運行狀態(tài)。因此，起動整步問題是變頻器驅動電動機運行的關鍵問題。       變頻器驅動電動機的起動整步過程主要分為以下幾個步驟：(1)勵磁裝置投勵。勵磁系統(tǒng)向電機的勵磁繞組通以一定的勵磁電流，在同步電機轉子上建立一定的磁場。(2)變頻器向電機的電樞繞組施加一定的直流電壓，產生一定的定子電流。此時，在電機上產生一定的定子電流，并在定子上建立較強的磁場。轉子在定、轉子間電磁力的作用下開始轉動，使轉子磁極逐漸向定子磁極的異性端靠近。此時轉子的轉動方向可能與電機正常運行時的轉向相同，也可能相反。(3)變頻器按照電機正常運行時的轉動方向

42、，緩慢旋轉其施加在電樞繞組上的電壓矢量。隨著電機轉子的轉動和定子磁場的旋轉，轉子磁極將在某一時刻掠過定子的異性磁極，或者轉子磁極加速追上旋轉的定子磁極。此時，電機的轉子磁極被較強的定子磁極可靠吸引，二者間的角度經過少量有阻尼的震蕩后，逐漸趨于一個較小的常量。至此，電機進入運行狀態(tài)，整步過程完成。變頻器按照預先設定的加速度和v/f曲線(即磁通給定)，調節(jié)輸出電壓，逐漸加速到給定頻率。此時，電機的轉子角逐漸拉大到某一常值，然后電機轉子磁極在定子磁場的吸引下逐漸加速至期望轉速，電機起動過程完成。在電機的起動整步過程中，定、轉子磁勢大小的選擇和各步驟間的切換是控制的關鍵問題。如果選擇過低的定子磁場，則

43、定子磁極無法在第一次經過轉子的異性磁極時，將其可靠吸牢，此后轉子經過同性磁極間斥力的反向加速作用，在下一次經過定子磁極時，二者將具有更大的相對速度，定子磁場更加無法有效牽引轉子磁極，最終將導致起動整步失敗。選擇過大的定子磁場可能導致電機的定子鐵心飽和，進一步導致變頻器輸出過電流，電機起動失敗。3.3 設計方案本次基于CompactLogix處理器控制系統(tǒng)的基本模型是，計算機通過以太網(wǎng)或者串口連接到可編程序邏輯控制器，軟件編程環(huán)境為RSLogix 5000，通過對PLC的編程，成功搭建DeviceNet網(wǎng)絡，實現(xiàn)對PowerFlex 70變頻器的控制，從而驅動風機模型，再通過風機模型的轉速等的改

44、變，控制模型箱中的壓強，從而控制小球的運動和懸浮位置。小球模型接有位移、光電等傳感器，并與CompactLogix處理器的DeviceNet網(wǎng)絡相連，通過反饋信息，可以隨時調節(jié)風機轉速，控制小球的運動趨勢及懸浮位置，這樣根據(jù)小球的運動趨勢就可以反映出運動控制的效果和原理。設計的主要內容是搭建DeviceNet網(wǎng)絡，通過對CompactLogix可編程邏輯控制器編程，控制PowerFlex變頻器來驅動風機模型，通過模型中小球的運動趨勢來展現(xiàn)了抽象的運動控制，使得能夠更直觀的看到運動控制的功效。在實現(xiàn)過程中，通過對RSLogix 5000軟件對CompactLogix編程，通過DeviceNet控

45、制變頻器，從而驅動風動模型運行，使小球懸浮于某一指定位置。光電傳感器等檢測信息結果將反饋給設備網(wǎng)，對其控制過程進行調整，從而達到更精確的控制結果。系統(tǒng)方案的結構示意圖如下： DeviceNet圖1 控制系統(tǒng)結構圖4 風動模型控制系統(tǒng)軟件設計4.1 編程環(huán)境RSLogix 50004.1.1 RSLogix 5000軟件簡介CompactLogix系統(tǒng)專用的編程軟件是RSLogix 5000，它是功能十分強大的編程軟件，不僅僅用來對控制器進行常規(guī)的編程，更多的用于組態(tài)和監(jiān)控，所有的對外交換的信息，不管是I/O刷心信息，還是對外設備的通信信息，統(tǒng)統(tǒng)要經過編程軟甲的組態(tài)或編程，更重要的是它面對系統(tǒng)的

46、監(jiān)視功能和診斷功能，所有它屬下模塊的工作狀態(tài)全在它的監(jiān)視之下，其診斷結果將明了告知問題的所在，可正確迅速地查找原因，這是傳統(tǒng)控制器編程軟件不能企及的。RSLogix 5000的主要功能有：(1)編程方便快捷 自由格式操作的梯形圖編輯器，可以同時修改多個邏輯梯級，也可以通過點擊界面或者ASCII輸入提示梯級的指令，并可以配合文字注釋說明。(2)指令集豐富 包括梯形圖、功能塊、語句結構以及用戶自定義指令集，通過幫助文件，可對指令參數(shù)的輸入有詳細的解釋，并配有實例。(3)尋址方便準確 易于使用且直觀的操作數(shù)尋址方式，控制器中使用的I/O地址和各個數(shù)據(jù)庫的標簽數(shù)據(jù)，均可瀏覽獲取，不必擔心會有鍵入地址的錯誤出現(xiàn)。(4)具有診斷監(jiān)控能力 面對系統(tǒng)的診斷監(jiān)控，不但包括控制器的狀態(tài)顯示、程序校驗功能和數(shù)據(jù)監(jiān)控功能，更重要的是能夠對所屬的模塊狀態(tài)進行監(jiān)視和診斷。(5)內嵌網(wǎng)絡組態(tài)信息 在本地I/O組態(tài)中如果含有通信模塊，通信模塊的組態(tài)頁面將內嵌一個RSNetWork的組態(tài)軟件，將網(wǎng)絡信息與項目捆綁在一起，在項目下載時不必擔心網(wǎng)絡信息丟失。(6)拖放編輯和導航功能 可以快速地從一個數(shù)據(jù)文件把數(shù)據(jù)元素移動到另一個數(shù)據(jù)文件；從一個子例程或項目中把梯級移動到另一