基于plc和觸摸屏的四輥軸交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于plc和觸摸屏的四輥軸交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)20世紀(jì)下半葉，低頻減速技術(shù)的出現(xiàn)和日益完善，成為能源振動(dòng)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要活動(dòng)。該技術(shù)的發(fā)展鼓勵(lì)了具有良好的電機(jī)性能的調(diào)解工具。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、價(jià)格低廉，通訊裝置在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，但其工作原則的復(fù)雜性對(duì)速度控制提出了很高的要求。交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的種類很多,從早期提出的電壓源型變頻器開始,相繼發(fā)展了電流源型,脈寬調(diào)制(PWM)等多種變頻器。目前變頻調(diào)速的主要方案有:交-交變頻調(diào)速,交-直-交變頻調(diào)速,同步電動(dòng)機(jī)自控式變頻調(diào)速,正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)變頻調(diào)速,矢量控制變頻調(diào)速等。這些變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展很大程度上依賴于大功率半導(dǎo)體器件的制造水平。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,特別是可關(guān)斷晶閘管(GTO),電力晶體管(GTR),絕緣柵雙極晶體管(IGBT),MOS晶閘管及MTC等具有自關(guān)斷能力全控功率元件的發(fā)展,再加上控制單元也從分離元件發(fā)展到大規(guī)模數(shù)字集成電路及采用微機(jī)控制,從而使變頻裝置的快速性,可靠性和經(jīng)濟(jì)性不斷提高,變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能也得到不斷完善。四輥軸交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)屬于變頻調(diào)速系統(tǒng)中的一種類型,它是一典型傳動(dòng)試驗(yàn)機(jī)械對(duì)象,可以試驗(yàn)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)的技術(shù)難點(diǎn),四輥軸交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)可以很好地模擬工業(yè)生產(chǎn)中的一些設(shè)備,如造紙機(jī)、軋鋼機(jī)的多電機(jī)分部傳動(dòng)。為了生產(chǎn)過(guò)程中紙頁(yè)、鋼材特性變化的需要,造紙機(jī)、軋鋼機(jī)的分部傳動(dòng)除了在保證高精度的同步控制外,還必須能夠在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)車速,且各個(gè)分部的速度能單獨(dú)調(diào)節(jié),這些四輥軸都能夠很好的模擬,此外,四輥軸對(duì)于軋鋼機(jī)也有一定的模擬效果。1輥軸交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)四輥軸交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)是一套由四臺(tái)變頻器控制四個(gè)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速,使其達(dá)到轉(zhuǎn)速同步的機(jī)械裝置,四臺(tái)變頻器由一臺(tái)可編程邏輯控制器(PLC)控制,它們之間通過(guò)Modbus協(xié)議進(jìn)行通信,在四輥軸系統(tǒng)中還安裝有張力傳感器和速度旋轉(zhuǎn)編碼器,可檢測(cè)張力和速度,四輥軸交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械部分的基本圈路圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)的基本框架如圖2所示。上位機(jī)通過(guò)PPI電纜與PLC通信,進(jìn)行控制。PLC通過(guò)Modbus總線和四臺(tái)變頻器相聯(lián),并進(jìn)行相互通信,完成信息數(shù)據(jù)交換,達(dá)到對(duì)電機(jī)的變頻控制。1.1濾波器的設(shè)計(jì)1.1.1交-交實(shí)行交-直-交實(shí)行交-交實(shí)行交-直、交互作用、獨(dú)立運(yùn)行的業(yè)務(wù)操作形態(tài)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),通常由變頻器主電路給電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源。此電源輸出的電壓或電流及頻率,由控制回路的控制指令進(jìn)行控制,而控制指令則是根據(jù)外部的運(yùn)轉(zhuǎn)指令進(jìn)行運(yùn)算獲得。對(duì)于需要更精確轉(zhuǎn)速或快速響應(yīng)的場(chǎng)合,運(yùn)算還應(yīng)包含由變頻器主電路和傳動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)出來(lái)的信號(hào)。變頻器保護(hù)電路的構(gòu)成,除應(yīng)防止因變頻器主電路的過(guò)電壓、過(guò)電流引起的損壞外,還應(yīng)保護(hù)異步電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)等。變頻器分為交-交和交-直-交兩種形式。交-交變頻器可以將工頻交流電直接變換成頻率電壓均可控的交流電,又稱直接式變頻器。而交-直-交變頻器則是先把工頻交流電通過(guò)整流器變成直流電,再把直流電變換成頻率、電壓均可控的交流電,又稱間接式變頻器。通用變頻器大多是交-直-交變頻器,由四部分構(gòu)成:整流器、平波電路、逆變器、控制電路。給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分,稱為主電路,主電路包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)(又稱平波電路)、逆變器。通用變頻器由主電路和控制電路組成。(1)整流器。電網(wǎng)側(cè)的變流器Ⅰ為整流器,其作用是把工頻電源變換成直流電源。(2)逆變器。負(fù)載側(cè)的變換器Ⅱ?yàn)槟孀兤鳌Ｅc整流器的作用相反,逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流頻率。逆變器最常見的結(jié)構(gòu)形式是利用6個(gè)半導(dǎo)體主開關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路。通過(guò)有規(guī)律的控制逆變器中的主開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷,可以得到任意頻率的三相交流輸出波形。(3)平波電路(中間直流環(huán)節(jié))。由于逆變器的負(fù)載為異步電動(dòng)機(jī),是感性負(fù)載。無(wú)論電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)還是發(fā)電狀態(tài),其功率因數(shù)總不會(huì)等于1。因此,在中間直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無(wú)功功率的交換,這種無(wú)功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件——電容器或電感器來(lái)緩沖,所以中間直流環(huán)節(jié)實(shí)際上是中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。(4)控制電路?？刂齐娐烦Ｓ蛇\(yùn)算電路,檢測(cè)電路,控制信號(hào)的輸入、輸出電路,驅(qū)動(dòng)電路和制動(dòng)電路等構(gòu)成。其主要任務(wù)是完成對(duì)逆變器的開關(guān)控制,對(duì)整流器的電壓控制,以及完成各種保護(hù)功能等,控制方法有模擬控制或數(shù)字控制,主要靠軟件完成各種功能。異步電動(dòng)機(jī)在再生制動(dòng)區(qū)域(轉(zhuǎn)差率為負(fù))使用制動(dòng)回路,再生能量?jī)?chǔ)存于平波回路電容器中,使直流電壓升高。一般情況下,由機(jī)械系統(tǒng)(含電動(dòng)機(jī))慣量積蓄的能量比電容儲(chǔ)存的能量大,需要快速制動(dòng)時(shí),可用可逆變流器向電源反饋或設(shè)置制動(dòng)回路(開關(guān)和電阻)把再生功率消耗掉,以免直流電路電壓上升。1.1.2電機(jī)和實(shí)行電源下的電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示變頻器部分是系統(tǒng)的重要硬件部分,其主要由變頻器和三相異步電動(dòng)機(jī)組成,通過(guò)變頻器可以輸出電壓或頻率可變的交流電提供給電動(dòng)機(jī),這樣調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率就可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。變頻器選用ABB公司生產(chǎn)的變頻器,共四個(gè),其中有兩個(gè)ACS550系列變頻器,其型號(hào)為ACS550-01-03A3;另外兩個(gè)為ACS800系列變頻器,其型號(hào)為ACS800-01-0003。每個(gè)變頻器帶一個(gè)異步電動(dòng)機(jī),異步電動(dòng)機(jī)的額定功率為1.1kW,為了實(shí)時(shí)地知道電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,在電動(dòng)機(jī)的軸上可以安裝一個(gè)光電旋轉(zhuǎn)編碼器,將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電信號(hào),再將電信號(hào)傳送給數(shù)顯表,這樣,通過(guò)數(shù)顯表可以顯示電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速。編碼器的型號(hào)為E6B2C-WZ6C,為直流24V,500線/r。變頻器部分的電路圖如圖3所示。1#變頻器和2#變頻器為ACS550,3#變頻器和4#變頻器為ACS800。圖3中1#變頻器的DI1、DI2、DI3、DI4接的是PLCS7-226的輸出端子103、104、105、106,2#變頻器的DI1、DI2、DI3、DI4接的是PLCS7-226的輸出端子203、204、205、206。其中DI1定義為電機(jī)的起動(dòng)與停止,DI1為1時(shí)變頻器起動(dòng)電動(dòng)機(jī),DI1為0時(shí)變頻器停止電動(dòng)機(jī);DI2、DI3、DI4可以自由定義。變頻器的參數(shù)設(shè)置通過(guò)控制面板的操作實(shí)現(xiàn),變頻器的兩個(gè)端子AI1+、AI1-接的就是操作面板。圖中F11和F21都是空氣開關(guān)。圖3中3#變頻器的DI1、DI2、DI3、DI4接的是PLCS7-226的輸出端子303、304、305、306,4#變頻器的DI1、DI2、DI3、DI4接的是PLCS7-226的輸出端子403、404、405、406。其中DI1定義為電機(jī)的起動(dòng)與停止,DI1為1時(shí)變頻器起動(dòng)電動(dòng)機(jī),DI1為0時(shí)變頻器停止電動(dòng)機(jī);DI2、DI3、DI4可以自由定義。變頻器的參數(shù)設(shè)置通過(guò)控制面板的操作實(shí)現(xiàn),變頻器的兩個(gè)端子AI1+、AI1-接的就是操作面板。圖中F31和F41都是空氣開關(guān)。1.2plc輸入電路PLC部分是系統(tǒng)中的中樞,一方面它接受來(lái)自外部的各種操作信號(hào),通過(guò)內(nèi)部處理后,與四臺(tái)變頻器通過(guò)Modbus進(jìn)行通信,輸出相應(yīng)的控制信號(hào)去控制四臺(tái)變頻器,進(jìn)而去控制四臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)的起停與加、減速。這些都是由PLC內(nèi)部的程序?qū)崿F(xiàn)。PLC選擇的是西門子公司生產(chǎn)的S7-226,該型號(hào)PLC的輸入輸出觸點(diǎn)足以滿足系統(tǒng)的需求,還可滿足功能模塊的擴(kuò)展。PLC輸入觸點(diǎn)的定義如圖4所示,輸出觸點(diǎn)接的是四臺(tái)變頻器的DI1、DI2、DI3、DI4四個(gè)端子。根據(jù)四輥軸系統(tǒng)的性能要求,需要占用PLC19個(gè)輸入點(diǎn),16個(gè)輸出點(diǎn),其I/O口分配如表1所示。圖4中單動(dòng)/聯(lián)動(dòng)1按鈕的作用是切換2#電機(jī)是和1#電機(jī)同時(shí)起停,還是2#電機(jī)單獨(dú)起停;單動(dòng)/聯(lián)動(dòng)2按鈕的作用是切換3#電機(jī)是和2#電機(jī)同時(shí)起停,還是3#電機(jī)單獨(dú)起停;單動(dòng)/聯(lián)動(dòng)3按鈕的作用是切換4#電機(jī)是和2#電機(jī)同時(shí)起停,還是4#電機(jī)單獨(dú)起停;開關(guān)F005是保護(hù)開關(guān)。1.3plc與紅外顯示的電路設(shè)計(jì)四臺(tái)變頻器和PLC之間通過(guò)Modbus協(xié)議進(jìn)行通信,因此需要相應(yīng)的硬件設(shè)置。(1)通信口設(shè)置。①PLC側(cè):S7-226上集成有兩個(gè)通信口(PORT0與PORT1),可采用其中之一與變頻器進(jìn)行通信,S7-226上的通信口是符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170中Profibus標(biāo)準(zhǔn)的RS-485兼容9針D型連接器,表2給出了通信口插針的分配。②變頻器ACS550側(cè):因?yàn)锳CS550內(nèi)置有Modbus協(xié)議,則其與PLC進(jìn)行Modbus通信時(shí),不需要外加Modbus通信模塊?？赏ㄟ^(guò)變頻器控制板端子X1:28~32上的RS-485接口與PLC進(jìn)行Modbus通信,通信時(shí)只需要用到29、30兩個(gè)端子。③變頻器ACS800側(cè):因?yàn)锳CS800沒有內(nèi)置的Modbus協(xié)議,故與PLC進(jìn)行Modbus通信時(shí),需要選用Modbus通信模塊,選用的模塊型號(hào)為RM-BA-01。只需用到端口組X2中的端子1(數(shù)據(jù)線負(fù)極)、2(數(shù)據(jù)線正極),即可與PLC通信。(2)S7-226與ACS550和ACS800之間的通信連接。PLC與四臺(tái)變頻器(兩臺(tái)ACS550,兩臺(tái)ACS800)之間的Modbus通信連接可用屏蔽雙絞線,屏蔽層只需單端接地,如圖5所示。(3)終端電阻的設(shè)置。PLC側(cè)在Pin#口3(TxD/RxD+)、8(TxD/RxD-)之間連220Ω電阻。而變頻器側(cè),只需將ACS550的終端跳線開關(guān)(J2)撥到ON,ACS800的模塊RMBA-01上的總線終端開關(guān)(S1)打到ON即可。2溫度控制系統(tǒng)四輥軸交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)要能夠正常的工作,不僅需要硬件的合理設(shè)計(jì),同時(shí)需要進(jìn)行相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì),需要的軟件設(shè)計(jì)即為PLC控制程序的設(shè)計(jì),考慮到四輥軸交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)的性能要求,控制程序必須實(shí)現(xiàn)如下功能。(1)PLC和變頻器之間能夠進(jìn)行Modbus通信,PLC把一個(gè)頻率值給定某一個(gè)變頻器后,相對(duì)應(yīng)的變頻器能夠收到正確的頻率給定值。(2)每臺(tái)變頻器均可由操作臺(tái)上的相應(yīng)按鈕控制,以1#變頻器為例,如按一下1#變頻器起動(dòng)按鈕,1#變頻器能夠起動(dòng)電機(jī),按一下1#變頻器停止按鈕,1#變頻器能夠停止電機(jī),按下1#變頻器加速按鈕后,1#變頻器的輸出頻率值能夠不斷上升,除非按鈕松開或者輸出頻率達(dá)到最大值50Hz;按下1#變頻器減速按鈕后,1#變頻器的輸出頻率能夠不斷下降,除非按鈕松開或者輸出頻率達(dá)到最小值0Hz。2#、3#、4#變頻器同上,并且四臺(tái)電機(jī)可以進(jìn)行單動(dòng)/聯(lián)動(dòng)選擇。(3)為了保證四臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行同步性,控制程序中必須有速度鏈子程序,當(dāng)1#電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化時(shí),后面電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須相應(yīng)的變化。因?yàn)槭褂玫腜LC為S7-226,使用到的PLC內(nèi)部寄存器如表3所示。控制程序的流程圖如圖6所示。其中初始化程序在系統(tǒng)首次運(yùn)行掃描時(shí)將十六進(jìn)制數(shù)C9移至特殊寄存器SMB130,因?yàn)镾MB130控制自由端口1的通信方式,而16#C9為2#11001001,表示端口1通信方式如下:使用的是自由口協(xié)議;波特率為9600b/s;校驗(yàn)方式為偶校驗(yàn);且每個(gè)字符為8位數(shù)據(jù),完成初始化后系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行循環(huán)主程序,完成所要