(精品論文)基于plc控制的變頻調(diào)速畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

第一章 緒論1.1 課題來源國內(nèi)提升機(jī)電控絕大多數(shù)還是轉(zhuǎn)子回路串電阻分段控制的交流繞線式電機(jī)繼電器接觸器系統(tǒng)，設(shè)備陳舊、技術(shù)落后。而且這種控制方式存在著很多的問題:l)轉(zhuǎn)子回路串接電阻，消耗電能，造成能源浪費(fèi)。2)電阻分級切換，為有級調(diào)速，設(shè)備運(yùn)行不平穩(wěn)，容易引起電氣及機(jī)械沖擊。3)繼電器、接觸器頻繁動作，電弧燒蝕觸點(diǎn)，影響接觸器使用壽命，維修成本較高。4)交流繞線異步電動機(jī)的滑環(huán)存在接觸不良問題，容易引起設(shè)備事故。5)電動機(jī)依靠轉(zhuǎn)子電阻獲得的低速，其運(yùn)行特性較軟。6)提升容器通過給定的減速點(diǎn)時，由于負(fù)載的不同，而將得到不同的減速度，不能達(dá)到穩(wěn)定的低速爬行，最后導(dǎo)致停車位置不準(zhǔn)，不能正常裝卸載。上述問題使提升機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此，需研制更加安全可靠的控制系統(tǒng)，使提升機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性得到提高。在提升機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)，對原有提升機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行升級換代。就計(jì)算機(jī)技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用情況而言，可編程控制器(PLC)是目前作為工業(yè)控制最理想的機(jī)型，它是采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、按照事先編好并儲存在計(jì)算機(jī)內(nèi)部一段程序來完成設(shè)備的操作控制。采用PLC控制，硬件簡潔、軟件靈活性強(qiáng)、調(diào)試方便、維護(hù)量小，PLC技術(shù)己經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種提升機(jī)控制，配合一些提升機(jī)專用電子模塊組成的提升機(jī)控制設(shè)備，可供控制高壓帶動力制動或低頻制動，單、雙機(jī)拖動等。操作、監(jiān)控和安全保護(hù)系統(tǒng)選用可編程控制器。主控計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件能完成提升機(jī)自動、半自動、手動、檢修、低速爬行等各種運(yùn)動方式的控制要求。 本設(shè)計(jì)將在PLC電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上配合變頻調(diào)速裝置，運(yùn)用現(xiàn)在先進(jìn)的矢量控制技術(shù)，不但適合提升機(jī)運(yùn)行工藝的要求，還將解決整套提升機(jī)系統(tǒng)的電力拖動方面的一系列問題。1.2 國內(nèi)外提升及研究狀況近三十年來，國外提升機(jī)機(jī)械部分和電氣部分都得到了飛速的發(fā)展，而且兩者相互促進(jìn)，相互提高。起初的提升機(jī)是電動機(jī)通過減速器傳動卷筒的系統(tǒng)，后來出現(xiàn)了直流慢速電動機(jī)和直流電動機(jī)懸臂安裝直接傳動的提升機(jī)。上世紀(jì)七十年代西門子發(fā)明矢量控制的交一直一交變頻原理后，標(biāo)志著用同步電動機(jī)來代替直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的技術(shù)時代已經(jīng)到來。1981年第一臺用同步機(jī)懸臂傳動的提升機(jī)在德國Monopol礦問世，1988年由MAVGHH和西門子合作制造的機(jī)電一體的提升機(jī)(習(xí)慣稱為內(nèi)裝電機(jī)式)在德國Romberg礦誕生了，這是世界上第一臺機(jī)械和電氣融合成一體的同步電機(jī)傳動提升機(jī)。在提升機(jī)機(jī)械和電氣傳動技術(shù)飛速發(fā)展的同時，電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使提升機(jī)的電氣控制系統(tǒng)更是日新月異。早在上世紀(jì)七十年代，國外就將可編程控制器(PLC)應(yīng)用于提升機(jī)控制。上世紀(jì)八十年代初，計(jì)算機(jī)又被用于提升機(jī)的監(jiān)視和管理。計(jì)算機(jī)和PLC的應(yīng)用，使提升機(jī)自動化水平、安全、可靠性都達(dá)到了一個新的高度，并提供了新的、現(xiàn)代化的管理、監(jiān)視手段。特別要強(qiáng)調(diào)的是，此時期在國外一著名的提升機(jī)制造公司，如西門子、ABB、ALSTHOM都利用新的技術(shù)和裝備，開發(fā)或完善了提升機(jī)的安全保護(hù)和監(jiān)控裝置，使安全保護(hù)性能又有了新的提高。就在國外科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)發(fā)展的時候，我國提升機(jī)電控系統(tǒng)很長時間都處于落后的狀況。直到目前為止，我國正在服務(wù)的礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)大多數(shù)還是轉(zhuǎn)子回路串金屬電阻的交流調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)備陳舊、技術(shù)落后。國產(chǎn)提升機(jī)安全性、可靠性差，在關(guān)鍵部位上下兩井口減速區(qū)段沒有配套的有效的速度監(jiān)視裝置，就提升機(jī)控制技術(shù)而言，依然是陳舊的，和國外相比，我們存在很大的差距。礦井提升系統(tǒng)的類型很多，按被提升對象分:主井提升、副井提升;按井筒的提升道角度分:豎井(如圖1.1所示為豎井井架設(shè)備)和斜井;按提升容器分:箕斗提升、籠提升、礦車提升;按提升類型分:單繩纏繞式和多繩摩擦式等。我國常用的礦用提升機(jī)主要是單繩纏繞式和多繩摩擦式。我國的礦井與世界上礦業(yè)較發(fā)達(dá)的國家相比，開采的井型較小、礦井提升高度較淺，煤礦用提升機(jī)較多，其他礦(如金屬礦、非金屬礦)則較少。因此在20世紀(jì)60年代開始單繩纏繞式礦井提升機(jī)采用較多。(1) 井架（2） 天輪目前我國提升機(jī)90%以上均采用交流繞線式異步電動機(jī)的拖動方式，其電控系統(tǒng)用于單繩纏繞式提升機(jī)的有TKD系列，多繩磨擦式提升機(jī)的有JKM、幻J系列。這幾種提升機(jī)通常在電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串接附加電阻進(jìn)行起動和調(diào)速。串電阻調(diào)速是一種恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法轉(zhuǎn)子功率的損耗隨著串入的電阻的增大而增大。盡管轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法很不經(jīng)濟(jì)，低速特性也很軟，穩(wěn)定性差，但是由于這種調(diào)速方法比較簡單易行，起動轉(zhuǎn)矩較大在拖動起重機(jī)等中、小容量的繞線式異步電動機(jī)中仍然應(yīng)用廣泛。20世紀(jì)80年代，我國從瑞典、西德等國引進(jìn)20多套晶閘管直流電動機(jī)控制系統(tǒng)。直流電動機(jī)傳動有兩種電控系統(tǒng)，一種為直流發(fā)電機(jī)直流電動機(jī)機(jī)組，另一種為晶閘管直流電動機(jī)系統(tǒng)。我國自己生產(chǎn)的晶閘管直流電動機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用于20世紀(jì)90年代。這種控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:體積小、重量輕、占地面積小;基礎(chǔ)省、安裝方便、建筑費(fèi)用低;無齒輪傳動部分(不需要減速器)、總效率高、電能消耗少;單機(jī)容量大，適用范圍廣;調(diào)速平穩(wěn)、調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高;易于控制，能實(shí)現(xiàn)自動化，安全可靠;節(jié)約電能。礦井提升機(jī)對安全性、可靠性和調(diào)速性能的特殊要求，使得提升機(jī)電控系統(tǒng)的技術(shù)水平在一定程度上代表一個廠或國家的傳動控制技術(shù)水平。比較國內(nèi)外礦用提升機(jī)系統(tǒng)，具體來說國外礦井提升機(jī)在電控方面的應(yīng)用特點(diǎn)有以下幾個方面:l)提升工藝過程微機(jī)控制提升工藝過程大都采用微機(jī)控制，由于微機(jī)功能強(qiáng)，使用靈活，運(yùn)算速度快，監(jiān)視顯示易于實(shí)現(xiàn)，并具有診斷功能，這是采用模擬控制無法實(shí)現(xiàn)的。2)提升行程控制提升機(jī)的控制從本質(zhì)上說是一個位置控制，要保證提升容器在預(yù)定地點(diǎn)準(zhǔn)確停車，要求準(zhǔn)確度高，目前可達(dá)到2cm。采用微機(jī)控制，可通過采集各種傳感信號，如轉(zhuǎn)角脈沖變換、鋼絲繩打滑、井筒、滾筒及鋼絲繩磨損等信號進(jìn)行處理，計(jì)算出容器準(zhǔn)確的位置而施以控制和保護(hù)。一般過程控制用微機(jī)作監(jiān)視，行程控制也采用單獨(dú)下位機(jī)完成。3)提升過程監(jiān)視提升過程監(jiān)視與安全回路一樣，是現(xiàn)代提升機(jī)控制的重要環(huán)節(jié)。提升過程采用微機(jī)主要完成如下參數(shù)的監(jiān)視:a、提升過程中各工況參數(shù)(如速度、電流)監(jiān)視:b、各主要設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視;c、各傳感器(如位置開關(guān)、停車開關(guān))信號的監(jiān)視。使各種故障在出現(xiàn)之前就得以處理，防止事故的發(fā)生，并對各被監(jiān)視參數(shù)進(jìn)行存儲、保留或打印輸出。甚至與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，合并于礦井監(jiān)測系統(tǒng)中。4)安全回路安全回路是指提升機(jī)在出現(xiàn)機(jī)械、電氣故障時控制提升機(jī)進(jìn)入安全保護(hù)狀態(tài)的極為重要的環(huán)節(jié)。為確保人員和設(shè)備的安全，對不同故障一般采用不同的處理方法。安全回路極為重要，它是保護(hù)的最后環(huán)節(jié)之一，英、德幾家公司都采用兩臺PC微機(jī)構(gòu)成安全回路，使安全回路具有完善的故障監(jiān)視功能，無論是提升機(jī)還是安全回路本身出項(xiàng)故障時都能準(zhǔn)確地實(shí)施安全制動。而在電力拖動方面，近幾年國外出現(xiàn)了不少新拖動方式，交一交變頻供電方式就是最有前途的一種。20世紀(jì)80年代西歐一些工業(yè)先進(jìn)國家將交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于提升機(jī)，有代表性的是西門子公司和ABB公司。我國在20世紀(jì)90年代也引進(jìn)了交流變頻調(diào)速提升機(jī)控制系統(tǒng)。變頻調(diào)速方式類似于它勵直流電動機(jī)取得很寬的調(diào)速范圍、很好的調(diào)速平滑性和有足夠硬度的機(jī)械特性，在提升機(jī)應(yīng)用中顯示了其獨(dú)特的優(yōu)勢。1.3 本文內(nèi)容及研究意義1.3.1 研究內(nèi)容當(dāng)前國內(nèi)提升機(jī)電控絕大多數(shù)還是轉(zhuǎn)子回路串電阻分段控制的交流繞線式電機(jī)繼電器接觸器系統(tǒng)，設(shè)備陳舊、技術(shù)落后。而且這種控制方式存在著很多的問題:l)轉(zhuǎn)子回路串接電阻，消耗電能，造成能源浪費(fèi)。2)電阻分級切換，為有級調(diào)速，設(shè)備運(yùn)行不平穩(wěn)，容易引起電氣及機(jī)械沖擊。3)繼電器、接觸器頻繁動作，電弧燒蝕觸點(diǎn)，影響接觸器使用壽命，維修成本較高。4)交流繞線異步電動機(jī)的滑環(huán)存在接觸不良問題，容易引起設(shè)備事故。5)電動機(jī)依靠轉(zhuǎn)子電阻獲得的低速，其運(yùn)行特性較軟。6)提升容器通過給定的減速點(diǎn)時，由于負(fù)載的不同，而將得到不同的減速度，不能達(dá)到穩(wěn)定的低速爬行，最后導(dǎo)致停車位置不準(zhǔn)，不能正常裝卸載。上述問題使提升機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此，需要研制更加安全可靠的控制系統(tǒng)，使提升機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性得到提高。在提升機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)，對原有提升機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行升級換代。就計(jì)算機(jī)技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用情況而言，可編程控制器(PLC)是目前作為工業(yè)控制最理想的機(jī)型，它是采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、按照事先編好并儲存在計(jì)算機(jī)內(nèi)部一段程序來完成設(shè)備的操作控制。采用PLC控制，硬件簡潔、軟件靈活性強(qiáng)、調(diào)試方便、維護(hù)量小，PLC技術(shù)己經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種提升機(jī)控制，配合一些提升機(jī)專用電子模塊組成的提升機(jī)控制設(shè)備，可供控制高壓帶動力制動或低頻制動，單、雙機(jī)拖動等。操作、監(jiān)控和安全保護(hù)系統(tǒng)選用可編程控制器。主控計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件能完成提升機(jī)自動、半自動、手動、檢修、低速爬行等各種運(yùn)動方式的控制要求。圖1.3礦用提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)而在PLC電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上配合變頻調(diào)速裝置，運(yùn)用現(xiàn)在先進(jìn)的矢量控制技術(shù)，不但適合提升機(jī)運(yùn)行工藝的要求，還將解決整套提升機(jī)系統(tǒng)的電力拖動方面的一系列問題。如圖1.3所示，變頻裝置取代復(fù)雜的串聯(lián)電阻切換裝置，對提升機(jī)運(yùn)行速度曲線、轉(zhuǎn)矩大小的要求都由變頻器來完成，簡化了控制操作流程，提高了控制精度。1.3.2研究意義在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，目前山西省各大煤礦的礦井提升機(jī)系統(tǒng)的調(diào)速方案大多采用繼電器接觸器控制的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。該方案耗能大，占地面積大，已不能適應(yīng)現(xiàn)代礦業(yè)發(fā)展的需要。因此有必要對其調(diào)速方案進(jìn)行改造。在廣泛考察現(xiàn)行的變頻調(diào)速方案后，本文提升機(jī)系統(tǒng)控制單元采用目前工控適用的可編程控制器來控制，具有編程簡單和控制可靠性高的優(yōu)點(diǎn);電力拖動系統(tǒng)中，選用先進(jìn)的變頻傳動裝置，運(yùn)用先進(jìn)的矢量控制技術(shù)，優(yōu)化了調(diào)速系統(tǒng)的性能，這一控制方法目前仍為現(xiàn)代交流調(diào)速的重要研究方向之一。采用先進(jìn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場總線和工業(yè)自動化技術(shù)，按照結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品系列化、性能現(xiàn)代化、體積小型化的原則，研制生產(chǎn)適合礦井提升機(jī)電控設(shè)備是進(jìn)行技術(shù)改造和新建礦井設(shè)備選型的理想選擇。使用上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，采用組態(tài)模式，實(shí)現(xiàn)良好的人一機(jī)對話;實(shí)時監(jiān)控提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，上位機(jī)動態(tài)模擬顯示及故障閉鎖;可進(jìn)行故障報警、數(shù)據(jù)查詢、報表打印;記錄提升鉤數(shù)以及每班、每日、每月、每年的提升量累計(jì);故障聲光指示、記憶及部分傳感器上位機(jī)的緊急處理。為保證提升設(shè)備無事故，在提升設(shè)備有可能出現(xiàn)故障的各個重要環(huán)節(jié)上，設(shè)置雙回路系統(tǒng)，并在系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)上設(shè)有各種檢測、控制、自診斷以及記錄和保護(hù)裝置(如負(fù)載、速度、加減速、產(chǎn)量、運(yùn)行時間等記錄)。本文從解決實(shí)際礦井提升系統(tǒng)存在的問題出發(fā)，對傳統(tǒng)的調(diào)速方案進(jìn)行了控制方式的革新和數(shù)字化改造，降低了成本，提高了控制精度，加強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性。表明本文所提出的設(shè)計(jì)方案具有實(shí)用價值。適用、經(jīng)濟(jì)、高效、可靠是本文提升機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的追求目標(biāo)。第二章 提升機(jī)的工況分析2.1 提升系統(tǒng)簡介礦井提升機(jī)可分為豎井提升機(jī)和斜井提升機(jī)兩種。目前 ,我國單繩纏繞式提升機(jī) ,廣泛采用交流繞線式電動機(jī)拖動 ,提升過程一般包括:起動加速、勻速、減速、爬行和停車幾個主要環(huán)節(jié)。韶關(guān)一旅游景點(diǎn)的斜井提升觀覽車其提升和下降的整個過程控制全部由可編程邏輯控制系統(tǒng)（PLC）自動完成。觀覽車在一長度為 400 m、坡度為 35的斜坡上運(yùn)行 ,見圖 2.1 ,其功能是在山頂與山底之間運(yùn)送游客。由于是載人提升機(jī) ,因此 ,對電力拖動控制提出了較高的要求 ,必須做到平滑起動加速 ,平滑制動停車 ,不論是提升還是下降 ,提升機(jī)在斜坡上的運(yùn)行不得超出規(guī)定的時間。圖2.1 觀覽車提升系統(tǒng)2.2 提升機(jī)電動機(jī)運(yùn)行方式提升機(jī)電動機(jī)的運(yùn)行方式 ,主要根據(jù)系統(tǒng)的力圖來確定。（1） 加速階段。提升時為正力 ,采用電動加速。下放時為負(fù)力 ,若負(fù)力值較小 ,可考慮自由加速 ,并配合使用盤式制動器 ,若負(fù)力值較大 ,則采用動力制動加速。加速階段不實(shí)行閉環(huán)調(diào)節(jié) ,而以時間、速度為函數(shù) ,逐步短接轉(zhuǎn)子附加電阻 ,使提升電動機(jī)從零速升至全速。（2） 勻速階段。提升時為正力 ,采用電動拖動。下放時為負(fù)力 ,采用能耗制動、閉環(huán)控制 ,單閉環(huán)速度控制系統(tǒng)由與距離有關(guān)的理想速度給定電路、速度負(fù)反饋電路、PID 調(diào)節(jié)器、移相觸發(fā)電路及雙向可控硅能耗制動電路組成 ,下放速度由 PID 調(diào)節(jié)。（3） 主減速階段。提升時為正力 ,采取逐級接入轉(zhuǎn)子附加電阻和機(jī)械制動的方式。下放時為負(fù)力 ,一方面接入轉(zhuǎn)子附加電阻 ,另一方面增大制動電流并輔以機(jī)械制動方式減速。（4） 爬行階段。當(dāng)為正力時 ,轉(zhuǎn)子接入幾段附加電阻 ,由 PLC控制運(yùn)行;當(dāng)為負(fù)力時 ,在能耗制動方式下接入轉(zhuǎn)子附加電阻。2.3 提升機(jī)的速度圖和力圖合理地確定提升機(jī)的力圖和速度圖 ,可以提高其運(yùn)行的安全可靠性 ,以及減小電動機(jī)的功耗。2.3.1 提升機(jī)的速度圖（1） 主加速階段 t1 。如圖2.2所示,正常提升時 ,接入第一級電阻 ,電動機(jī)產(chǎn)生的力矩比阻力矩大3 %5 %,產(chǎn)生比較低的加速度 a 0.3 m/。隨著轉(zhuǎn)子電阻的逐漸切除 ,既保證了起動階段的加速度 ,又使起動平穩(wěn) ,當(dāng)上升到時 ,電動機(jī)運(yùn)行在自然特性曲線上。下放時 ,由于負(fù)力較大 ,需要制動力來維持穩(wěn)定的下放速度和規(guī)定的減速度。投入動力制動時 ,盤式制動器松閘 ,將電動機(jī)的定子從交流電網(wǎng)上切除 ,并通過整流變壓器 T 和調(diào)壓模塊 ,向定子繞阻通以直流電 ,從而產(chǎn)生固定的直流磁場 ,由于慣性作用 ,旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子在固定磁場中運(yùn)動 ,轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生感應(yīng)電流 ,轉(zhuǎn)子電流與固定磁場相互作用便產(chǎn)生了制動力矩 ,此后電動機(jī)的轉(zhuǎn)速由于制動作用而降低。制動力矩與勵磁電流的平方成正比 ,并與轉(zhuǎn)子附加電阻和電機(jī)的極數(shù)有關(guān)。（2） 勻速階段。上升時 ,電阻按時間原則來控制切除 ,使電動機(jī)保持電動狀態(tài) ,且速度 。下放時 ,由測速發(fā)電機(jī)反映轉(zhuǎn)子下放速度 ,當(dāng)速度高于時 ,增大勵磁電流 ,提高制動力矩 ,使觀覽車在斜坡上勻速運(yùn)行。（3） 主減速階段。為使提升機(jī)準(zhǔn)確停車 ,在停車前應(yīng)進(jìn)行減速。減速按照速度圖要求進(jìn)行 ,由裝在斜坡上的位置開關(guān)動作發(fā)出信號 ,PLC 再根據(jù)與電動機(jī)同軸運(yùn)行的光電編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)進(jìn)行比較 ,發(fā)出指令 ,然后接入兩段電阻、使提升機(jī)速度下降 ,幾秒后又將、接入電路 ,使降到。提升機(jī)到達(dá)底端與到達(dá)頂端稍有不同 ,一方面接入、,一方面增大勵磁電流，使下放速度在規(guī)定的時間內(nèi)降低。（4） 爬行階段。在 0.3 m/ s左右 ,此數(shù)值實(shí)際上是一個平均值 ,因?yàn)樘嵘龣C(jī)由較高的不可能很準(zhǔn)確的變?yōu)樗俣?。脈動爬行 ,此時電動機(jī)轉(zhuǎn)子串有大量的電阻 ,故有特性軟、不易控和電耗大等缺點(diǎn)。（5） 停車階段。接入最后一段電阻,同時將盤式制動器的 KT線圈斷電 ,抱閘迅速抱住卷筒 ,提升機(jī)停轉(zhuǎn)。圖2.2 提升機(jī)速度圖2.3.2 力圖圖 2.3 提升機(jī)力圖由直線運(yùn)動的運(yùn)動方程可得:F = + ma式中: F 提升機(jī)在某運(yùn)動階段的力 ,kg;提升機(jī)的靜阻力（包括車重、提升機(jī)重量和繩重）,kg;m 把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的部件折算到直線運(yùn)動的變位質(zhì)量 ,kg/ m;a 各階段的加速度、減速度值 ,m/。當(dāng) a =0 時 , F = ,勻速運(yùn)行;a 0 時 , F ,加速運(yùn)行;a 0 時 , F ,減速運(yùn)行。根據(jù)以上分析 , F = f（t） 的力圖見圖2.3。2.4 礦井提升機(jī)對電氣控制系統(tǒng)的要求提升機(jī)控制系統(tǒng)方案的選用應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的要求，即滿足各種可能出現(xiàn)的運(yùn)行速度圖和力圖。所以需要先來分析提升機(jī)電控系統(tǒng)的靜、動態(tài)特性。提升機(jī)的電氣傳動系統(tǒng)的給定速度，=f(t)如圖2.4所示，根據(jù)動力學(xué)方程式 *式中Te電動機(jī)電動力矩;傳動系統(tǒng)的靜阻轉(zhuǎn)矩;傳動系統(tǒng)的飛輪力矩， ，其中J為轉(zhuǎn)性慣量（kg*），g是重力加速度（m/）；傳動系統(tǒng)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩（N*m）；加速度；可以得出按給定速度圖所需轉(zhuǎn)矩=f(t)的特性，從而可以得到拖動系統(tǒng)所需的力F=f(t)，如圖2.4所示。提升機(jī)的負(fù)載靜力凡，決定于提升機(jī)輥筒承受的靜張力差，在雙罐籠的平衡提升系統(tǒng)中，力凡也就是提升物體的凈載重。由于提升系統(tǒng)的負(fù)載為位勢負(fù)載，所以靜力凡的作用方向始終是提升重物的重力方向，而與系統(tǒng)的運(yùn)動狀態(tài)和方向無關(guān)。因此在電動機(jī)不帶電時，為了使重的罐籠處于靜止?fàn)顟B(tài)(便于罐籠的裝卸載)，對輥筒必須施加機(jī)械閘。從圖2.4可以看出，要使提升機(jī)按照給定的速度圖運(yùn)行，電動力矩雙可能為正，也可能為負(fù)。這意味著電動機(jī)不僅要工作在電動狀態(tài)，還應(yīng)能工作在制動狀態(tài)。由于不同的負(fù)載，不同的提升機(jī)運(yùn)行階段，電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)也各不相同。圖2.5表示出了平衡提升系統(tǒng)的四種不同的運(yùn)行狀態(tài)。(l)重物上提，靜載量較大()。其給定速度圖與力圖如圖2.5(a)所示在加速段其中為加速力矩與勻速力矩之差圖2.4 提升機(jī)傳動系統(tǒng)給定速度圖、力圖加速力矩為：在勻速段，勻速力矩為： 在減速段，但|,所以減速段力矩為：其中為減速力矩與勻速力矩之差 在爬行段，爬行力矩為：根據(jù)此力圖可知，電動機(jī)在各段均工作在正向電動狀態(tài)。(2)重物上提，靜載量較小()。其給定速度圖和力圖如圖2.5（b）所示 在加速段，加速力矩： 在勻速段，勻速力矩： 在減速段，減速力矩：但，所以|=|0 在爬行段，爬行力矩：根據(jù)力圖可知，電動機(jī)在加速段和等速段，工作在正向電動狀態(tài);在減速段，工作在正向制動狀態(tài);在爬行段，又工作在正向電動狀態(tài)。也就是說，在整個提升過程中，電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)切換兩次。圖2.5 在不同負(fù)載下的給定速度圖和力圖 （3）重物下放，靜載量較小（）。其給定速度圖與力圖如圖2.5（c）所示 在加速段： 在勻速段： 在減速段：|=|0，0 在爬行段： 根據(jù)力圖可知，電動機(jī)在加速階段，工作在正向電動狀態(tài)；在勻速、減速和爬行階段均工作在正向制動狀態(tài)。 (4)重物下放，且靜載量較大（）。其給定的速度圖和力圖如圖2.5（d）所示 在加速段： 在等速、減速和爬行段，F(xiàn)均為負(fù)。根據(jù)力圖可知，電動機(jī)在整個提升過程中始終工作在正向制動狀態(tài)。要使提升機(jī)按給定速度圖運(yùn)行，電氣傳動系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)負(fù)載的變化而自動的工作在電動或制動狀態(tài)，也就是說要求電氣傳動系統(tǒng)能滿足四象限運(yùn)行。綜合以上提升機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)以及礦山生產(chǎn)固有的特點(diǎn)，提升機(jī)工藝對提升機(jī)電控系統(tǒng)的要求如下： 1)加(減)速度符合國家有關(guān)安全生產(chǎn)規(guī)程的規(guī)定。提升人員時，加速度，升降物料時，加速度。另外不得超過提升機(jī)的減速器所允許的動力矩。2)具有良好的調(diào)速性能。要求速度平穩(wěn)，調(diào)速方便，調(diào)速范圍大，能滿足各種運(yùn)行方式及提升階段(如加速、減速、等速、爬行等)穩(wěn)定運(yùn)行的要求。3)有較好的起動性能。提升機(jī)不同于其他機(jī)械，不可能待系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)后再裝加物料，因此，必須能重載啟動，有較高的過載能力。4)特性曲線要硬。要保證負(fù)載變化時，提升速度基本上不受影響，防止負(fù)載不同時速降過大，影響系統(tǒng)正常工作(當(dāng)然，當(dāng)負(fù)載超過一定的限度時，還要求系統(tǒng)能有效的自我保護(hù)。迅速安全制動停車，即所謂要具備挖土機(jī)機(jī)械特性)。5)工作方式轉(zhuǎn)換容易。要能夠方便的進(jìn)行自動、半自動、手動、驗(yàn)繩、調(diào)繩等工作方式的轉(zhuǎn)換，操作方便，控制靈活，不至于因工作方式的轉(zhuǎn)換影響正常生產(chǎn)。6)采用新技術(shù)和節(jié)能設(shè)備，易于實(shí)現(xiàn)自動化控制和提高整個系統(tǒng)的工作效率。具備必要的連鎖和安全保護(hù)環(huán)節(jié)，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。盡量節(jié)約能源和降低運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。第三章：可編程控制器簡介 可編程控制器是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、自動控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動控制裝置。它面向控制過程、面向用戶、適應(yīng)工業(yè)環(huán)境、操作方便、可靠性高，成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（PLC、機(jī)器人和CAD/CAM）之一。PLC控制技術(shù)代表著當(dāng)前程序控制的先進(jìn)水平，PLC裝置已成為自動化系統(tǒng)的基本裝置。3.1 PLC的基本特點(diǎn)PLC的誕生給工業(yè)控制帶來革命性的飛躍,與傳統(tǒng)的繼電器控制相比有著突出的特點(diǎn).第一,靈活性、通用性強(qiáng)。繼電器控制系統(tǒng)如果工藝要求稍有變化,控制電路必須隨之作相應(yīng)的變動,所有布線和控制柜極有可能重新設(shè)計(jì),耗時且費(fèi)力然而是利用存儲在機(jī)內(nèi)的程序?qū)崿F(xiàn)各種控制功能的。因此當(dāng)工藝過程改變時,只需修改程序即可,外部接線改動極小,甚至可以不必改動,其靈活性和通用性是繼電器控制電路無法比擬的。第二,可靠性高,抗干擾能力強(qiáng)繼電器控制系統(tǒng)中,由于器件的老化、脫焊、觸點(diǎn)的抖動以及觸點(diǎn)電弧等現(xiàn)象是不可避免的,大大降低了系統(tǒng)的可靠性。而在控制系統(tǒng)中,大量的開關(guān)動作是由無觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來完成的,加之在硬件和軟件方面都采取了強(qiáng)有力的措施,使產(chǎn)品具有極高的可靠性和抗干擾能力可以直接安裝在工業(yè)現(xiàn)場穩(wěn)定地工作。PLC在硬件方面采取電磁屏蔽、光電隔離、多級濾波等措施在軟件方面采取警戒時鐘、故障診斷、自動恢復(fù)等措施,并利用后備電池對程序和數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù),因此被稱為“專為適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)”。第三,編程簡單,使用方便。PLC采用面向過程,面向問題的“自然語言”編程方式,直觀易懂,主要采用梯形圖和語句表編寫程序,使得廣大電氣技術(shù)人員更容易接納和理解。同時設(shè)計(jì)人員也可根據(jù)自己的喜好和實(shí)際應(yīng)用的要求選擇其他編程語言。標(biāo)準(zhǔn)是編程語言的標(biāo)準(zhǔn),除了梯形圖!語句表之外,還存在順序流程圖!結(jié)構(gòu)化文本和功能塊圖三種編程語言的表達(dá)方式。一個程序的不同部分可用任何一種語言來描述,支持復(fù)雜的順序操作功能處理以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。第四,功能強(qiáng)大,可擴(kuò)展。的主要功能包括開關(guān)量的邏輯控制、模擬量控制部分還具備控制或模糊控制功能、數(shù)字量智能控制、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控、通信、聯(lián)網(wǎng)及集散控制等功能。PLC的功能擴(kuò)展也極為方便,硬件配置相當(dāng)靈活,根據(jù)控制要求的改變,可以隨時變動特殊功能單元的種類和個數(shù),再相應(yīng)修改用戶程序就可以達(dá)到變換和增加控制功能的目的。 PLC以原有的繼電器、邏輯運(yùn)算、順序控制為基礎(chǔ)逐步發(fā)展起來的。與繼電器控制系統(tǒng)相比較,它以軟器件代替了硬器件,以軟觸點(diǎn)代替了硬觸點(diǎn),以軟接線代替了硬接線,從而使其器件、觸點(diǎn)的壽命達(dá)數(shù)萬甚至十萬小時,而改變接線的速度則極為迅速。它是由計(jì)算機(jī)簡化而來的，又有著諸多自身獨(dú)特的優(yōu)勢。如下所述：1. 系列化各大生產(chǎn)公司一般都有小型、中型、大型三種系列產(chǎn)品.2.多處理器一般小型機(jī)是單處理器系統(tǒng)中型機(jī)是雙處理器系統(tǒng),包括位處理器和字處理器大型機(jī)則為多處理器系統(tǒng),由字處理器!位處理器和浮點(diǎn)處理器等組成.3.較大的存儲能力4.很強(qiáng)的I/O口5.智能外圍接口6.網(wǎng)絡(luò)化 PLC可連成功能很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),一般有低速網(wǎng)絡(luò)和高速網(wǎng)絡(luò)兩種。這兩類網(wǎng)絡(luò)可級連,網(wǎng)上可兼容不同類型的和計(jì)算機(jī),從而組成控制范圍很大的局域網(wǎng)絡(luò)。7.緊湊及高可靠性8. 通俗化的編程語言和豐富的指令目前常用的有種3編程語言：1）順序控制用的梯形圖用以進(jìn)行邏輯運(yùn)算,完成時間上的順序控制2）適用于數(shù)值控制的系統(tǒng)流程圖,具有算術(shù)運(yùn)算、比較、濾波等功能；3）類似匯編語言的指令表。3.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，如圖3.1所示： a. 中央處理單元(CPU) 中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。 為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。 b、存儲器 存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。 存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。 C、電源 PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去 圖3.1 PLC的基本結(jié)構(gòu)圖3.3 PLC的工作原理PLC一般采用循環(huán)掃描的工作方式。PLC上電后,執(zhí)行系統(tǒng)程序規(guī)定的任務(wù),周而復(fù)始地掃描并執(zhí)行用戶程序。完成一次掃描所用的時間稱為掃描周期。一次循環(huán)過程可歸納為五個階段,循環(huán)掃描過程為公共處理執(zhí)行用戶程序掃描周期計(jì)算輸入輸出刷新外設(shè)端口服務(wù)-公共處理。1.公共處理在公共處理階段,要進(jìn)行復(fù)位監(jiān)視定時器、硬件檢查、用戶內(nèi)存檢查等操作。若有異常情況,故障顯示燈亮,判斷并顯示故障的性質(zhì)。若屬于一般性故障,則只報警,但不需要停機(jī),可等待處理。2.執(zhí)行用戶程序執(zhí)行用戶程序階段,逐條解釋和執(zhí)行用戶程序,其所需的全部信息都是從映像寄存器中讀取的.映像寄存器包括輸入映像寄存器和元件映像寄存器。輸入映像寄存器存儲著輸入繼電器的通斷狀態(tài),輸入繼電器接通為1,斷開為0。元件映像寄存器存儲著輸出繼電器、各種輔助繼電器等的狀態(tài),同樣用和表示它們的通斷狀態(tài)。PLC在執(zhí)行用戶程序時所需的外部輸入信息,不是直接從輸入端讀取的,而是從輸入映像寄存器中讀取的。在每個掃描周期的I/O刷新階段,CPU從PLC輸入端讀取一次信息并存入輸入映像寄存器中。在此后的一個掃描周期中,盡管PLC輸入端的狀態(tài)可能發(fā)生過變化,但輸入映像寄存器中的數(shù)據(jù)也保持不變。同樣,所需的輸出繼電器或其他編程元件的狀態(tài)信息,是從元件映像寄存器中讀取的。在執(zhí)行用戶程序過程中,根據(jù)用戶程序給出的邏輯關(guān)系進(jìn)行邏輯運(yùn)算,運(yùn)算結(jié)果再寫入元件映像寄存器中?？梢?在一個掃描周期中元件映像寄存器中的內(nèi)容是可變的。3.掃描周期的計(jì)算在掃描周期的計(jì)算階段,若預(yù)先設(shè)定了掃描周期的值,則進(jìn)入等待,直至達(dá)到該設(shè)定值時掃描再往下進(jìn)行若掃描周期設(shè)為不定時,則要進(jìn)行掃描周期的計(jì)算。4.I/O刷新在I/O刷新階段,主要作兩件事情.(1)讀各輸入點(diǎn)的狀態(tài)從輸入電路中讀取各輸入點(diǎn)的狀態(tài)并將此狀態(tài)寫入輸入映像寄存器中,也就是刷新輸入映像寄存器的內(nèi)容自此輸入映像寄存器就與外界隔離,無論輸入信號的狀態(tài)怎樣變化,輸入映像寄存器的內(nèi)容都保持不變,一直到下一個掃描周期的I/O刷新階段,才會寫進(jìn)新內(nèi)容.(2)讀輸出元件映像寄存器中的狀態(tài)將對應(yīng)輸出繼電器的元件映像寄存器的狀態(tài)傳送到輸出鎖存器電路中,再經(jīng)輸出電路的隔離和功率放大送到的輸出端,驅(qū)動外部執(zhí)行元件動作。5.外設(shè)口服務(wù)在外設(shè)口服務(wù)階段,完成與外設(shè)口連接的外圍設(shè)備如編程器或通信適配器的通信處理。完成上述各階段的處理后,又返回公共處理階段,周而復(fù)始的進(jìn)行掃描。3.4 PLC的分類 PLC一般可按控制規(guī)模和結(jié)構(gòu)形式分類 一、按PLC得控制規(guī)模分類按PLC的控制規(guī)模分類，PLC可分為小型機(jī)、中型機(jī)、大型機(jī)。通常小型機(jī)的控制點(diǎn)數(shù)小于256點(diǎn)，用戶程序存儲器的容量小于8K字。小型機(jī)常用于單機(jī)控制和小型控制場合，在通信網(wǎng)絡(luò)中常作從站。例如，西門子公司的S7-200PLC屬于小型機(jī)。小型機(jī)中，控制點(diǎn)數(shù)小于64點(diǎn)的為超小型機(jī)或微型PLC。中型機(jī)的控制點(diǎn)數(shù)一般在256點(diǎn)到2048點(diǎn)范圍內(nèi)，用戶程序存儲器的容量小于50K字。中型機(jī)控制點(diǎn)數(shù)較多、控制功能強(qiáng)，常用于中型控制場合，在通信網(wǎng)絡(luò)中可做主站也可做從站。例如，西門子公司的S7-300PLC就屬于中型機(jī)。大型機(jī)的控制點(diǎn)數(shù)在2048點(diǎn)以上，用戶程序存儲器的容量達(dá)50K字以上。大型機(jī)控制點(diǎn)數(shù)多、功能很強(qiáng)、運(yùn)算速度很快，常用于大型控制場合，在通信網(wǎng)絡(luò)中常作主站。例如，西門子公司的S7-400PLC就屬于大型機(jī)。以上分類沒有十分嚴(yán)格的界限，隨著PLC技術(shù)的飛速發(fā)展，這些界限會發(fā)生變更。二、按PLC得結(jié)構(gòu)形式分類PLC按結(jié)構(gòu)形式可分為整體式、模塊式和疊裝式三類。 （1）整體式PLC 整體式PLC是將電源、CPU、I/O部件集中在一個機(jī)箱內(nèi)。其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低。一般小型PLC采用這種結(jié)構(gòu)。整體式PLC由不同I/O點(diǎn)數(shù)的基本單元和擴(kuò)展單元組成。基本單元內(nèi)有CPU、I/O和電源。擴(kuò)展單元內(nèi)只有I/O和電源。整體式PLC一般配備有特殊功能單元，如模擬單元、位置控制單元等，使PLC的功能得以擴(kuò)展。例如，美國GE公司的GE-I/J系列PLC為整體式結(jié)構(gòu)。（2）模塊式PLC 模塊式結(jié)構(gòu)是將PLC各部分分成若干個單獨(dú)的模塊，如電源模塊、CPU模塊、I/O模塊和各種功能模塊。模塊式PLC由機(jī)架和各種模塊組成。模塊插在機(jī)架內(nèi)的插座上。模塊式PLC配置靈活，裝配方便，便于擴(kuò)展和維修。一般大、中型PLC宜采用模塊式結(jié)構(gòu)，例如，西門子公司的S7-300PLC、S7-400PLC采用模塊式結(jié)構(gòu)形式。有的小型PLC也采用這種結(jié)構(gòu)。（3）疊裝式PLC 將整裝式和模塊式結(jié)合起來，成為疊裝式PLC。它除了基本單元外還有擴(kuò)展模塊和特殊功能模塊，配置比較方便。疊裝式PLC集整體式PLC和模塊式PLC優(yōu)點(diǎn)于一身，它結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、配置靈活、安裝方便。西門子公司的S7-200PLC就是疊裝式結(jié)構(gòu)形式。3.5 PLC的接入方式電力線通信技術(shù)，英文簡稱PLC，是指利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和話音信號的一種通信方式。該技術(shù)是把載有信息的高頻加載于電流，然后用電線傳輸，接受信息的調(diào)制解調(diào)器再把高頻從電流中分離出來，并傳送到計(jì)算機(jī)或電話上，以實(shí)現(xiàn)信息傳遞。該技術(shù)在不需要重新布線的基礎(chǔ)上，在現(xiàn)有電線上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音和視頻等多業(yè)務(wù)的承載，也就是實(shí)現(xiàn)四網(wǎng)合一。終端用戶只要插上電源插頭，就可以實(shí)現(xiàn)因特網(wǎng)接入。PLC利用1.6M到30M頻帶范圍傳輸信號。在發(fā)送時，利用GMSK或OFDM調(diào)制技術(shù)將用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，然后在電力線上進(jìn)行傳輸；在接收端，先經(jīng)過濾波器將調(diào)制信號濾出，再經(jīng)過解調(diào)，就可得到原通信信號。目前可達(dá)到的通信速率依具體設(shè)備不同在4.5M45M之間。PLC設(shè)備分為局端和調(diào)制解調(diào)器，局端負(fù)責(zé)與內(nèi)部PLC調(diào)制解調(diào)器的通信和與外部網(wǎng)絡(luò)的連接。在通信時，來自用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)入調(diào)制解調(diào)器調(diào)制后，通過用戶的配電線路傳輸?shù)骄侄嗽O(shè)備，局端將信號解調(diào)出來，再轉(zhuǎn)到外部的Internet。 3.6 PLC編程3.6.1 PLC執(zhí)行用戶程序的過程根據(jù)PLC的工作流程,設(shè)PLC的輸入數(shù)據(jù)為X,輸出數(shù)據(jù)為Y。在用戶程序第n次掃描執(zhí)行時,其輸入數(shù)據(jù)是第n-1掃描的I/O刷新階段讀取的Xn-1；執(zhí)行用戶程序過程中,元件映像寄存器中的數(shù)據(jù)既有第n-1次掃描存入的數(shù)據(jù)Y n-1,也有第n次執(zhí)行程序的中間結(jié)果。第n次掃描I/O數(shù)據(jù)是Yn。以O(shè)MRON PLC為例，如圖3.2所示給出PLC執(zhí)行用戶程序的過程示意圖。執(zhí)行第一個梯級時, PLC從輸入映像寄存器中讀取輸入端00000的狀態(tài),設(shè)其為1則輸入繼電器00000的狀態(tài)。再讀出輸入端00001的狀態(tài),設(shè)其為0,則輸入繼電器的00001的狀態(tài)為0。再由常開觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)00000和常閉觸點(diǎn)00001的狀態(tài)運(yùn)算出繼電器01000當(dāng)當(dāng)前的狀態(tài)是1。若此前的狀態(tài)是0，要改寫與其對應(yīng)的元件映像寄存器的狀態(tài)向下繼續(xù)執(zhí)行第二個梯級,從元件映像寄存器中讀出繼電器01000的狀態(tài)1（前一步存入的）,所以常開觸點(diǎn)為01000為1，繼電器010001的狀態(tài)是1。若此前01001的狀態(tài)是0，則要改寫與其對應(yīng)的元件映像寄存器的狀態(tài)。本次掃描刷新時元件映像寄存器中存的內(nèi)容是繼電器為,繼電器為1。3.2 PLC執(zhí)行用戶程序的過程示意圖由上述分析可得出,執(zhí)行用戶程序過程的特點(diǎn)是：1）在執(zhí)行用戶程序的過程中,輸入映像寄存器的狀態(tài)保持不變,一直保存到下一次I/O刷新之前。2)元件映像寄存器的內(nèi)容隨程序的執(zhí)行而改變,前一步的運(yùn)算結(jié)果隨即可作為下一步的運(yùn)算條件,與輸入映像寄存器不同。3）不同于繼電器控制,PLC執(zhí)行程序是按由上而下、自左向右的順序進(jìn)行的。所以不同梯級中的繼電器線圈及其觸點(diǎn)的狀態(tài)不可能同時發(fā)生改變。3.6.2 梯形圖的表示繪制梯形圖時,我們首先要用符號表示出各種元素如常開觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)、輸出、并聯(lián)常開、并聯(lián)常閉等。整個梯形圖指令由若干個梯級組成,每個梯級又是一個或幾個輸入元件和一個輸出元件組成，輸出元件應(yīng)出現(xiàn)在梯級的最右邊,輸入元件出現(xiàn)在輸出元件的左邊。我們在編MFC程序中,經(jīng)常要用到一些資源,如位圖、對話框、光標(biāo)、字符串表、菜單、工具欄等,每種資源都有其特定的ID樣我們在用位圖這種資源時就可以利用其具有特定ID這個特性區(qū)分識別各個位圖。如2-3圖所示 ,很顯然,計(jì)算機(jī)繪制圖形都是位圖格式的,它只能按要求畫出圖形中的直線、圓、矩形等元素,而不知道各個圖形元素之間的邏輯關(guān)系,但是在繪制梯形圖的時候,各個圖形元素之間都是由一定的邏輯關(guān)系組成的,最簡單的問題就是如果計(jì)算機(jī)不能識別各個元素的話,它如何知道在哪兩個圖形元素之間畫連接線？為了解決這個問題,我們將梯形圖元素“放在”個個小單位區(qū)域中,每一個圖形元素在單位區(qū)域中的相對位置都是統(tǒng)一固定的,這樣每一個單位區(qū)域連接的時候,就能解決連線連接的問題。這樣我們將每一個圖形元素事先繪制在每一個單位區(qū)域中,然后在繪制梯級的時候,將每一個單位區(qū)域連接起來就可以了。可以這樣說我們繪制的梯形圖是繪制的每一個包含各種圖形元素的單元區(qū)域,在圖一中,我們可以清楚地看到,每一個圖形元素被分別放在單元區(qū)域中,而每一單元區(qū)域又組成了整個梯級。3.3 梯形圖簡圖其實(shí),拋開梯形圖的圖像表象,我們可以發(fā)現(xiàn)梯形圖中每個元件其實(shí)都有一個共同的屬性,該屬性可以用一個四元組表示元件類型,所在位置,名稱。其中,元件類型表示元件的種類,如常開觸點(diǎn)!常閉觸點(diǎn)、輸出觸點(diǎn)、定時器、計(jì)數(shù)器等要表示所在位置我們可以將整個梯形圖看成一個平面,再將這個平面劃分成一個網(wǎng)格矩陣,使用元件在網(wǎng)格矩陣中的行列就可以表示名稱也是元件的一個必要屬性,因?yàn)樗碛布械木唧w地址。3.6.3 梯形圖的編程規(guī)則梯形圖語言作為一種標(biāo)準(zhǔn)PLC編程語言，在編制時必須遵循一定的規(guī)則，具體如下:(1)梯形圖的每一行指令都在母線右邊開始畫起。(2)輸出指令不能直接跟母線連接。(3)觸點(diǎn)應(yīng)在水平線上，不能在垂直分支上，且應(yīng)遵循自左至右、自上而下的原則。(4)不包含觸點(diǎn)的分支應(yīng)放在垂直方向，不可放在水平位置，以便于識別觸點(diǎn)的組合和對輸出線圈的控制路徑。(5)在有幾個串聯(lián)回路相并聯(lián)時，應(yīng)將觸點(diǎn)最多的那個串聯(lián)回路放在梯形圖的最上面;而在有幾個并聯(lián)回路相串聯(lián)時，應(yīng)將觸點(diǎn)最多的并聯(lián)回路放在梯形圖的最左面。(6)不能將觸點(diǎn)畫在輸出線圈的右邊，線圈僅能畫在同一行中所有觸點(diǎn)的最右邊。第四章：矢量控制變頻調(diào)速4.1變頻調(diào)速的發(fā)展及在提升機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)中，直流調(diào)速以其控制容易，調(diào)速精度高等特點(diǎn)長期占據(jù)了主導(dǎo)地位，但是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，過流能力不強(qiáng)，環(huán)境適應(yīng)差，難以實(shí)現(xiàn)高速度化等原因，一直限制了其應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。相比較而言，交流異步電機(jī)具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、過流能力大、牢固耐用、結(jié)構(gòu)簡單、容易維護(hù)及價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但異步電機(jī)的調(diào)速性能難以滿足生產(chǎn)要求。隨著電力電子器件的產(chǎn)生和控制理論的飛速發(fā)展，現(xiàn)代控制理論越來越多的應(yīng)用到交流調(diào)速系統(tǒng)中，使得交流調(diào)速性能可以和直流調(diào)速相媲美、相競爭，交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。近年來，電力電子技術(shù)的發(fā)展和DSP微處理器的推出，更為高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，目前己經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用化階段，作為眾多調(diào)速方案之一的變頻調(diào)速，其發(fā)展不超過40年，卻取得了長足的進(jìn)步，變頻調(diào)速以其節(jié)能和可平滑調(diào)速，調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用22。交流電動機(jī)變頻調(diào)速控制技術(shù)大體經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展階段。第一個階段為電壓/頻率(U/f)恒定控制，這種控制方法在低頻時定子電壓較低，定子漏抗壓降所占的份量不能忽略，因此需要人為地把電壓抬高一些，用以補(bǔ)償定子壓降，負(fù)載不同時需要補(bǔ)償?shù)亩ㄗ訅航抵狄膊灰粯?，在控制軟件中備有不同斜率的補(bǔ)償特性，以便用戶選擇。第二個階段是矢量變換控制，它的方法是模擬直流電動機(jī)的控制特點(diǎn)來進(jìn)行交流電動機(jī)的控制，通過電機(jī)統(tǒng)一理論和坐標(biāo)變換理論，把交流電動機(jī)定子電流分解成磁場定向坐標(biāo)的磁場電流分量和與之相垂直的坐標(biāo)轉(zhuǎn)矩電流分量，把固定的坐標(biāo)系變換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系解禍后，交流量的控制變?yōu)橹绷髁康目刂疲谑堑韧谥绷麟妱訖C(jī)。第三個階段為直接轉(zhuǎn)矩控制，也叫直接自控，它避開了矢量控制中的兩次坐標(biāo)變換及求矢量模與相角的復(fù)雜計(jì)算工作，直接在定子坐標(biāo)系上計(jì)算電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩與磁通，使轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間控制在一拍以內(nèi)，且無超調(diào)，控制性能更好。提升機(jī)控制系統(tǒng)的硬件由模擬技術(shù)轉(zhuǎn)向數(shù)字技術(shù)，全數(shù)字變頻技術(shù)應(yīng)用于提升機(jī)控制。減速段速度調(diào)節(jié)采用低頻發(fā)電制動方式，將系統(tǒng)的動能反饋給電網(wǎng)，與動力制動減速相比，不僅調(diào)速性能好、減速與爬行自然過渡，而且節(jié)能效果顯著。采用現(xiàn)代智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)速度電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，使減速階段在各種條件下均可嚴(yán)格按照給定的速度圖運(yùn)行，使交流拖動在減速段達(dá)到直流拖動的調(diào)速性能，減速段到爬行段過渡平滑。這樣在提升機(jī)系統(tǒng)的最大靜張力差允許范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)正力減速與爬行、負(fù)力減速與爬行以及驗(yàn)繩等多種工作方式，達(dá)到控制要求。采用矢量控制技術(shù)零速起動轉(zhuǎn)矩達(dá)150%，確保低速爬行時的啟動與運(yùn)行特性，輸出頻率跟隨給定頻率，并且頻率與電流值可準(zhǔn)確指示出來。從而使傳動系統(tǒng)獲得高精度、高可靠性。采用直接轉(zhuǎn)矩控制可改善低頻特性，普通變頻器雖然可以輸出較低的頻率，但輸出力矩小，特性較軟，應(yīng)用于提升位能負(fù)載時，起動瞬間總要溜車。采用特殊的軟件編程，改善低頻特性，即使在輸出0Hz的情況下，也能輸出200%的負(fù)載力矩，達(dá)到了在整個運(yùn)行過程都能輸出滿足負(fù)載要求的力矩。完全避免了重載坡起時溜車的現(xiàn)象。提升機(jī)使用變頻調(diào)速控制具有下列優(yōu)點(diǎn):(l)調(diào)速平滑、調(diào)速范圍大。通過控制器的控制，變頻器的輸出頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，使電動機(jī)起動電流小、動負(fù)荷小、調(diào)速平滑而無沖擊。(2)調(diào)速精度高。電動機(jī)在自然特性上運(yùn)轉(zhuǎn)時的外特性硬，轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化小。(3)動態(tài)品質(zhì)好?？墒固嵘龣C(jī)的起動、制動、反轉(zhuǎn)和調(diào)速過程的時間降至最少，具有良好的動態(tài)品質(zhì)。(4)易實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的換向，當(dāng)頻率降低至零后即可反向開車，采用控制器改變相序即可實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，因此可在四象限內(nèi)平滑的過渡。(5)節(jié)電效果顯著。變頻調(diào)速比轉(zhuǎn)子回路串接電阻的調(diào)速方法節(jié)約電能20%40%。4.2變頻調(diào)速基本原理異步電機(jī)的VVVF調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在變頻調(diào)速時轉(zhuǎn)差功率不變，在各種異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中效率較高，同時性能也最好，故是交流調(diào)速的主要發(fā)展方向。交流調(diào)速系統(tǒng)的控制量最基本上是轉(zhuǎn)矩、速度、位置，根據(jù)不同的用途適當(dāng)組合可構(gòu)成各種閉環(huán)系統(tǒng)。異步電動機(jī)定子對稱的三相繞組中通入對稱的三相交流電，在電機(jī)氣隙內(nèi)會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，其旋轉(zhuǎn)速度為同步轉(zhuǎn)速 式中定子繞組電源頻率;P電機(jī)磁極對數(shù)。異步電動機(jī)轉(zhuǎn)差率 則異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速由上式可知，異步電動機(jī)調(diào)速方法有如下幾種a.變同步轉(zhuǎn)速:變極p、變頻、b.變轉(zhuǎn)差率s:定子調(diào)壓、轉(zhuǎn)子串電阻、電磁轉(zhuǎn)差離合器、串極調(diào)速。由電機(jī)學(xué)可知，轉(zhuǎn)差功率:式中電磁功率;Cu2轉(zhuǎn)子銅耗。由式可知，變頻調(diào)速與變極調(diào)速為轉(zhuǎn)差功率不變型不論其轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率消耗基本不變，因此調(diào)速效率為最高。由電機(jī)與電力拖動可知，異步電動機(jī)等效電路如圖4.1所示，圖4.1 異步電動機(jī)等效電路對交流異步電動機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，交流異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，即旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 表達(dá)式為:式中: 同 步轉(zhuǎn)速 (r/min); 定子頻率(Hz); 磁極對數(shù)。而異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為:式中:s -異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率 改變異步電動機(jī)的供電頻率，可以改變其同步轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)調(diào)速運(yùn)行。當(dāng)然，也可以通過改變轉(zhuǎn)差率，和磁極對數(shù)n ，來改變異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。 但是變極 對 數(shù)和變轉(zhuǎn)差率在調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用范圍較小，而變頻調(diào)速具有高效率、高范圍和高精度的調(diào)速性能，是比較合理的調(diào)速方法。交流變頻器正是通過均勻的改變輸入異步電動機(jī)定子的供電頻率來調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的。對異步電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制時，希望電動機(jī)的主磁通保持不變。磁通太弱，鐵心利用不充分，同樣的轉(zhuǎn)子電流下，電磁轉(zhuǎn)矩小，電動機(jī)的負(fù)荷能力下降;磁通太強(qiáng)，則由于過勵磁狀態(tài)，使勵磁電流過大，這就限制了定子電流的負(fù)載分量，為使電動機(jī)不過熱，負(fù)載能力要下降。異步電動機(jī)的氣隙磁通 ( 主磁通)是定、轉(zhuǎn)子合成磁動勢產(chǎn)生的。由電機(jī)理論知道，三相異步電動機(jī)定子每相電動勢的有效值為: 式中 定子每相由氣隙磁通感應(yīng)的電動勢的均方根值(V) ; 定子頻率(Hz) ; 定子相繞組有效匝數(shù); m 每相磁通量(Wb)。 由上式可見,m的值是由E1 和f1共同決定的，對E1和f1進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?就可以使氣隙磁通m保持額定值不變。下面分兩種情況說明: 1 .基頻以下的恒磁通變頻調(diào)速 這是考慮從基頻(電動機(jī)額定頻率AN)向下調(diào)速的情況，為了保持電動機(jī)的負(fù)載能力， 應(yīng)保持氣隙主磁通m不變， 這就要求降 低供電頻率的同時降低感應(yīng)電動勢，保持E1/ f1 = 常數(shù)， 即保持電動勢和頻率之比為常數(shù)進(jìn)行控制。 這種控制又稱為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。 但是，E1難于檢測和直接控制。當(dāng)El和f1值較高時，定子的漏阻抗壓降相對比較小，如果忽略不計(jì)，則可以近似的保持定子相電壓U1和頻率f1的比值為常數(shù)即可。這就是恒壓頻比，是近似的恒磁通控制。當(dāng)頻率較低時，U1和E1都變小