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1、 目 錄中文摘要英文摘要1緒論21.1 課題背景21.2 設計指標31.3 本設計的工作32 PLC與變頻器的應用62.1 PLC的產生與發(fā)展62.2 PLC的組成與工作原理72.3 變頻調速技術的方式及原理123設計思想與方案論證173.1 設計方案173.2 論證分析194系統設計224.1硬件設計224.2 軟件設計354.3 系統調試395系統抗干擾設計435.1 變頻器的諧波及抗干擾設計435.2 PLC的抗干擾設計455.3 PLC與變頻器相連時的抗干擾設計475.4系統軟件抗干擾設計48結論49參考文獻50附錄1總電路圖48附錄2 PLC外部接線圖49附錄3控制面板50附錄4元器
2、件表51附錄5 PLC程序梯形圖52致謝541緒論自從20世紀80年代以來，變頻調速技術在工業(yè)化國家已開始了規(guī)?；膽?。80年代末，我國的民用及工業(yè)建筑電氣設計等領域也開始使用變頻調速技術?，F在，變頻器已經廣泛地應用于交流電動機的速度控制，其最主要的特點是具有高效率的驅動性能及良好的控制特性?？删幊绦蚩刂破魍冾l器一樣，也是近年來迅速發(fā)展并得到廣泛應用的新一代電氣控制裝置。利用可編程序控制器設計自動控制系統，結合變頻器來實現旋轉門電機調速，操作方便，控制性能高，使旋轉門旋轉平穩(wěn)。另外，在提高旋轉門安全性的同時，還可以達到節(jié)能的效果，是一種很好的交流調速方式。1.1 課題背景隨著社會的發(fā)展，自
3、動旋轉門越來越多，在較大的商家、賓館或金融大廈，一般都有一臺或幾臺自動旋轉門。它具備通行能力強，入口較大的特點，是非常安全和舒適的通道，能使行人很方便得出入。1903年寶盾公司在荷蘭生產出第一座旋轉門，旋轉門至今已有一百年的歷史，發(fā)展到今天，旋轉門已具有可靠的安全系統和先進的驅動技術，其智能化高格調的設計為現代化樓宇建筑的出入口提供了完美的選擇。我國的全自動旋轉門技術來源于荷蘭、瑞典、日本等國。90年代后期旋轉門開始在我國建筑領域中得到迅速推廣和廣泛的使用。旋轉門的廠家：國外著名廠家有：荷蘭的B00N EDAM; 瑞典的BESAM; 德國的多瑪、蓋澤; 日本的納博克、寺岡等。國內專業(yè)廠家：北京
4、有凱必盛、寶盾、青木、智輝、巨方圓、信步等。外省市有上?？涤?、廣州盛維、沈陽金海、青島帝盟等。旋轉門在我國的市場前景：隨著我國國民經濟持續(xù)穩(wěn)定地增長，2008年北京申奧成功和WTO的加入。從本世紀開始，我國進入了全面建設小康社會的新階段，創(chuàng)造美好生活環(huán)境是裝飾業(yè)發(fā)展的巨大推動力?，F代城市建筑物裝飾裝修中，將高科技應用到建筑物的外觀形象上，使城市建筑的入口體現出智能化。對門的選擇由單一的功用型向個性化、品位化發(fā)展，旋轉門以其全新的概念，寬敞開放的門面和高格調的設計，自然成為當代的建筑裝飾的主流，無可質疑的必選設施，堪稱建筑物的點睛之筆。隨著旋轉門的普及，對旋轉門的控制系統的控制要求也就越來越高。
5、因此，要求旋轉門控制系統在控制上具有更高的自動化和智能化?，F在，可編程控制器可與變頻器組成變頻調速控制系統，提高控制交流電動機的自動化水平?？删幊炭刂破魇俏C技術和繼電器常規(guī)控制相結合的產物。它把計算機的功能完備、通用性和靈活性好等優(yōu)點和繼電器控制系統的操作方便、簡單易懂、價格低廉等優(yōu)點結合起來，是一種適用于工業(yè)環(huán)境的通用控制裝置，在工業(yè)自動化控制中占有非常重要的地位。在工業(yè)控制系統中，可編程控制器執(zhí)行順序控制、定時、計數、邏輯判斷、算術運算等功能。它解決了工業(yè)控制系統中大量開關量的控制問題，取代體積大、耗能多、故障率高的繼電器控制系統，消除由于硬接線所造成的故障，提高控制系統的可靠性。 隨著
6、控制理論、交流調速理論和電子技術的發(fā)展，變頻器技術也得到充分得重視和發(fā)展，交流電動機變頻調速技術已日趨完善，變頻調速技術用于交流異步電機調速，其性能勝過以往任何一種交流調速方式。與傳統的調速技術如直流電動機調速相比，變頻調速具有極大的優(yōu)越性，整個調速系統體積小，重量輕、控制、控制精度高、保護功能完善、工作安全可靠、操作過程簡便、通用性強，使傳動論證系統具有很優(yōu)良的性能。此外，由于異步電動機還具有對環(huán)境適應能力強，結構簡單，維護方便等許多直流電動機所不具備的優(yōu)點，因而成為交流電動機調速的最新潮流。再者，變頻器的外部接口功能越來越豐富，可以很方便地作為自動控制系統中的一個部件使用，構成所需要的自動
7、控制系統。而且，以變頻器為中心的變頻調速裝置驅動電動機去拖動風機、水泵、旋轉電機等機械時，與常規(guī)的不調速電機相比，節(jié)能效果十分可觀。使用變頻器構成自動控制系統時，它需要接收來自自控系統的頻率指令信號和其他運行控制信號等，并給信號提供變頻器運行狀態(tài)的監(jiān)測信號。在許多情況下，變頻器需要和可編程控制器等上位機配合使用。利用可編程控制器的開關量輸入輸出模塊控制變頻器多功能輸入端，以控制電機轉速，實現有級調速。1.2 設計指標 設計一個旋轉門控制系統具體化技術指標如下：（1）系統的基本功能：人數較少時，正常速度運轉；人數較多時，加速運轉；無人接近旋轉門時，停止；按殘疾人專用按鈕，旋轉門低速運行；按停止按
8、鈕，電機停轉。（2）系統安全措施：行人被夾，迅速制動，解脫后，自動恢復正常運行。能對旋轉門各運行狀態(tài)進行顯示，出故障時，能進行聲光報警。1.3 本設計的工作詳細分析課題任務，熟悉可編程控制器和變頻調速技術的原理，深入研究可編程控制器和變頻器的實際應用，然后根據課題任務的要求設計出相應的控制系統，按照PLC控制系統設計原則與步驟，完成硬件設計和軟件設計，并進行實驗調試，最后對系統的抗干擾措施進行分析與設計。1.3.1 設計原則PLC控制系統是為工藝流程服務的，所以它首先要能很好地實現工藝提出的控制要求。PLC控制系統應遵循以下原則：（1）根據工藝流程進行設計，力求設計出來的控制系統能最大限度地滿
9、足控制要求。（2）在滿足控制要求的前提下，盡量減少PLC系統硬件費用。（3）考慮到以后控制要求的變化，所以控制系統設計時應考慮PLC的可擴展性。（4）控制系統使用和維護方便、安全可靠。1.3.2 設計步驟PLC控制系統設計的一般步驟如圖1.1所示，具體操作如下1。實際在本設計中采用了前面的七個步驟。 （1）控制要求分析在設計PLC控制系統之前，必須對工藝過程進行細致的分析，詳細了解控制對象和控制要求，這樣才能真正明白自己所要完成的任務，并更好地完成任務，設計出令人滿意的控制系統。（2）確定輸入/輸出設備 根據控制要求選擇合適的輸入設備（控制按鈕、開關、傳感器等）和輸出設備（接觸器、繼電器等）。
10、并根據所選用的輸入/輸出設備的類型和數量，確定PLC的I/O點數。（3）選擇合適的PLC 確定PLC的I/O點數后，就根據I/O點數，控制要求等來繼續(xù)PLC的選擇。包括機型、存儲器容量、輸入/輸出模塊、電源模塊等。（4）I/O點數分配點數分配就是規(guī)定PLC的I/O端子和輸入/輸出設備的對應關系，畫出I/O接線原理圖。（5）PLC程序設計本階段就是根據控制對象和控制要求對PLC進行編程。首先把工藝流程分為若干階段，確定每一階段的輸入信號和輸出要控制的設備，還有不同階段之間的聯系，然后畫出程序流程圖，最后再進行程序編制。（6） 模擬調試程序編好后，可以用按鈕和開關模擬數字量，電壓源和電流源代替模擬
11、量，進行模擬調試，使控制程序基本滿足控制要求。（7）現場聯機調試現場聯機調試就是將PLC和現場設備進行調試。在這一步中可以發(fā)現程序存在的實際問題，然后經過修正后使其滿足控制要求。（8）整理技術文件這一步主要包括整理和設計有關的文檔，包括設計說明書、電氣原理圖、程序清單和使用說明書等。圖1.1 PLC控制系統設計步驟2 PLC與變頻器的應用本章作為系統設計的理論部分，主要介紹了PLC與變頻調速技術的產生、原理及發(fā)展，并對變頻器的結構及組成進行了闡述。 2.1 PLC的產生與發(fā)展在工業(yè)生產過程中，大量的開關量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的
12、數據采集。傳統上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統來實現的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數字公司研制出了基于集成電路和電子技術的控制裝置，首次采用程序化的手段應用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable Controller（PC）。個人計算機發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC），現在，仍常常將PLC簡稱PC。PLC的定義有許多種。國際電工委員會（IEC）對PLC的定義是：可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，
13、專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P設備，都應按易于與工業(yè)控制系統形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。上世紀80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為30%至40%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統治地位的DCS系統。PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力
14、強、編程簡單等特點。PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來，是無法取代的。21世紀，PLC會有更大的發(fā)展。從技術上看，計算機技術的新成果會更多地應用于可編程控制器的設計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現；從產品規(guī)模上看，會進一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產品的配套性上看，產品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設備會更好地適應各種工業(yè)控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產多品種產品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現少數幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現國際通用的編程語言；從網絡的發(fā)展情況來看，可編程控制器和其它工業(yè)控制
15、計算機組網構成大型的控制系統是可編程控制器技術的發(fā)展方向。目前的計算機集散控制系統DCS（Distributed Control System）中已有大量的可編程控制器應用。伴隨著計算機網絡的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網絡和國際通用網絡的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領域發(fā)揮越來越大的作用。2.2 PLC的組成與工作原理2. 2.1 PLC的組成從結構上分，PLC分為整體式和模塊式兩種。整體式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置
16、。PLC采用了典型的計算機結構，主要是由CPU、存儲器和專門設計的輸入輸出接口電路組成2。如圖2.1所示圖2.1 PLC結構簡圖（1）中央處理器（CPU）CPU是PLC的核心，起神經中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數據，用掃描的方式采集由現場輸入裝置送來的狀態(tài)或數據，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經分析后再按指令規(guī)定的任務產生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現它們之間聯系的數據、控制及狀態(tài)總線
17、構成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。內存主要用于存儲程序及數據，是PLC不可缺少的組成單元。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結果，它也是在控制器指揮下工作。CPU速度和內存容量是PLC的重要參數，它們決定著PLC的工作速度，I/O數量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。（2）存儲器根據存儲器存儲內容的不同，我們把存儲器分為系統程序存儲器、用戶程序存儲器和數據存儲器。系統程序存儲器：用來存放系統軟件的存儲器。系統程序相當于計算機操作系統，是PL
18、C廠家根據選用的CPU的指令系統辨編寫的，并固化到ROM里，用戶不能修改其內容。用戶程序存儲器：用來存放用戶話劇控制要求編制的程序。不同類型的PLC，其存儲容量也不一樣。數據存儲器：用以存放PLC運行中的各種數據的存儲器。因為運行中數據不斷變化，所以這種存儲器必須可讀寫。（3）I/O模塊PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數字信號進入PLC系統，輸出模塊相反。I/O分為開關量輸入（DI）、開關量輸出（DO）、模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。開關
19、量是指只有開和關（或1和0）兩種狀態(tài)的信號，模擬量是指連續(xù)變化的量。常用的I/O分類如下：開關量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA，0-20mA）、電壓型（0-10V，0-5V，-10-10V）等，按精度分，有12bit，14bit，16bit等。除了上述通用I/O外，還有特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點數確定模塊規(guī)格及數量，I/O模塊可多可少，但其最大數受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數限制。（4）電源部分PLC電源用于為PLC各模塊的集
20、成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VAC）。除了以上介紹的這幾個主要部分外，PLC還配有和各種外圍設備的接口，均用插座引出到外殼上，可配接編程器、計算機、打印機、錄音機以及A/D、D/A、串行通信模塊等，可以十分方便地用電纜進行連接。2.2.2 PLC的工作過程及原理（1）PLC的工作過程 PLC運行時內部進行的一系列操作可分為四大類：故障診斷及處理、數據輸入與輸出、執(zhí)行用戶程序、服務于外設命令3。PLC中的CPU按分時原則操作順序進行，即每一時刻執(zhí)行一個操作。這種分時操作的過程稱為對程
21、序的掃描。CPU的掃描過程也就是PLC的工作過程，如圖2.2所示：輸出刷新執(zhí)行用戶程序輸入刷新通信自診斷RUN上電服務于外設故障處理圖2.2 PLC掃描工作過程PLC處理I/O信號的過程如圖2.3所示。其工作過程分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新階段。PLC以掃描工作方式將所有輸入信號讀入到輸入映像寄存器中存儲（輸入刷新）。用戶程序執(zhí)行時按從上到下、從左到右的順序掃描每條指令，并分別從輸入映像寄存器和輸出映像寄存器獲得所需數據進行運算、處理，再將程序執(zhí)行效果寫入輸出映像寄存器。在執(zhí)行完所有用戶程序后，將輸出映像寄存器的值送到輸出鎖存器（輸出刷新）以驅動用戶設備。PLC是以掃描方式進行工作的，即P
22、LC對信號的輸入、數據的處理和控制信號的輸出分別在一個掃描周期內的不同時間間隔里以批處理方式進行。在一個工作周期內，輸入/輸出映像寄存器的信息保持不變。每次執(zhí)行完用戶程序后，如果沒有外設命令，則系統會自動循環(huán)地掃描運行。元件受控信號現場讀寫讀刷新輸出采樣輸入輸入端子輸入緩沖器輸入印象寄存器用戶程序執(zhí)行輸出印象寄存器輸出鎖存器輸出端子圖2.3 PLC對輸入輸出的處理過程（2）PLC的工作原理可編程控制器的工作原理與計算機的工作原理基本一致，通過執(zhí)行用戶程序實現控制任務。但是在時間上，可編程控制器執(zhí)行任務是串行的，與繼電器邏輯控制系統中控制任務有所不同4?？删幊绦蚩刂破鞯墓ぷ鬟^程如上所述是以循環(huán)掃
23、描的方式進行的，在一個掃描周期中，程序對各個過程輸入信號進行采樣、運算和處理，并把運算結果輸出到相應的執(zhí)行機構。在這個執(zhí)行周期中，一些輸入變量可能有所變化，而有些輸入變量可能沒有變化，相應的有些輸出變量有變化，而有些輸出變量沒有變化。在可編程序控制器中，采用循環(huán)掃描方式，不斷地對輸入和輸出變量進行采樣、運算和輸出，使得滿足程序條件的變量能及時得到處理并有相應的輸出，使執(zhí)行機構動作。在程序執(zhí)行時，如果在一個掃描周期中，這個變量的條件滿足時，程序將處理這個變量。采用循環(huán)掃描的方式，由于掃描周期的時間很短，只要變量滿足條件的時間大于掃描周期，該變量滿足條件時就能被可編程序控制器的程序處理。PLC的這
24、種“串行”工作方式，可以避免繼電-接觸器控制中觸點的競爭和時序的失配問題，這是PLC可靠性高的原因之一。2.2.3 PLC程序設計語言在PLC中有多種程序設計語言,它們是梯形圖語言、布爾助記符語言、功能表圖語言、功能模塊圖語言及結構化語句描述語言等。梯形圖語言和布爾助記符語言是基本程序設計語言，它通常由一系列指令組成，用這些指令可以完成大多數簡單的控制功能，例如，代替繼電器、計數器、計時器完成順序控制和邏輯控制等，通過擴展或增強指令集，它們也能執(zhí)行其它的基本操作。這兩種編程語言用的最為廣泛。2.2.4 梯形圖程序設計語言梯形圖程序設計語言是用梯形圖的圖形符號來描述程序的一種程序設計語言。采用梯
25、形圖程序設計語言，程序采用梯形圖的形式描述。梯形圖是用來描繪輸入和輸出之間的邏輯關系的，與繼電器、接觸器控制電路十分類似。各類繼電器的基本符號如圖2.4所示。 圖2.4 梯形圖的基本符號梯形圖程序設計語言的特點是：（1）與電氣操作原理圖相對應，具有直觀性和對應性；（2） 原有繼電器邏輯控制技術相一致，對電氣技術人員來說，易于撐握和學習；（3）與原有的繼電器邏輯控制技術的不同點是，梯形圖中的能流不是實際意義的電流，內部的繼電器也不是實際存在的繼電器，因此，應用時，需與原有繼電器邏輯控制技術的有關概念區(qū)別對待；（4）與布爾助記符程序設計語言有一一對應關系，便于相互轉換和程序的檢查。2.3 變頻調速
26、技術的方式及原理2.3.1變頻調速技術的方式交流調速技術自問世到現在，經歷了幾十年的過程，先后出現了多種調速方式，直到現在，一些調速方式仍然繼續(xù)在一些生產過程中使用5。由電機學可知，異步電動機的同步轉速，即旋轉磁場的轉速為 （2.1）式中 -同步轉速（）-定子頻率（即電源頻率 ）-磁極對數異步電機的轉速為： （2.2）式中 -轉差率從上式可知，要調節(jié)異步電動機的轉速應從改變、三個分量入手，因此，異步電動機的調速方式相應可分為三種：即變極調速、變轉差率調速和變頻調速。（1）變極調速對鼠籠式異步電機可通過改變電機繞組的接線方式，使電機從一種極對數變?yōu)榱硪环N極對數，從而實現異步電動機的有極調速。這一
27、調速方法適用于不需要平滑調速的場合，變極調速所需設備簡單，價格低廉，工作也比較可靠。一般為兩種速度，三種速度以上的變極調速電機繞組結構復雜，應用較少。變極調速的關鍵在于繞組設計，以最少的繞組抽頭和改變以達到最好的電機技術性能指標。定子繞組的不同接法可實現恒轉矩調速及近似恒功率調速。此方法適用于籠型異步電動機。（2）變轉差率調速對于饒線式異步電動機，可通過調節(jié)串聯在轉子繞組中的電阻值（調阻調速）、在轉子電路中引入附加的轉差電壓（串級調速）、調整電機定子電壓（調壓調速）以及采用電磁轉差離合器（電磁離合器調速）改變氣隙磁場等方法均可實現變轉差S，從而對電機進行無級調速。變轉差率調速盡管效率不高，但在
28、異步電動機調速技術中仍占有重要的地位，特別是轉差功率得到回收利用的串級調速系統，更是現代大容量風機、水泵等調速節(jié)能的重要手段。（3）變頻調速通過改變定子供電頻率來改變同步轉速實現對異步電動機的調速，在調速過程中從高速到低速都可以保持有限的轉差率，因而具有高效率、寬范圍和高精度的調速性能。可以認為，變頻調速是異步電動機的一種比較合理和理想的調速方法。2.3.2 變頻調速技術的原理由電機學可知，定子繞組的反電動勢是定子繞組切割旋轉磁場磁力線的結果，本質上是定子繞組的自感電動勢。其三相異步電機定子每相電動勢的有效值是： （2.3）式中：-氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有效值，單位為； -定子頻率，
29、單位為； -定子每相繞組串聯匝數； -與繞組結構有關的常數； -每極氣隙磁通量，單位為。由式2.3可知，如果定子每相電動勢的有效值不變，改變定子頻率時就會出現下面兩種情況：如果大于電機的額定頻率，那么氣隙磁通量就會小于額定氣隙磁通量。其結果是：盡管電機的鐵心沒有得到充分利用是一種浪費，但是在機械條件允許的情況下長期使用不會損壞電機6。如果小于電機的額定頻率，那么氣隙磁通量就會大于額定氣隙磁通量。其結果是：電機的鐵心產生過飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重知會因繞組過熱而損壞電機。要實現變頻調速，在不損壞電機的條件下，充分利用電機鐵心，發(fā)揮電機轉矩的能力，最好在變頻時保持每極磁通量為額定值不變。
30、對于直流電機，勵磁系統是獨立的，盡管存在電樞反應，但只要對電樞反應作適當的補償，保持不變是很容易做到的。在交流異步電動機中，磁通是定子和轉子磁動勢合成產生的，如何才能保持磁通基本不變呢？（1）基頻以下調速由式2.3可知，要保持不變，當頻率從額定值向下調節(jié)時，必須同時降低，使=常數，即采用電動勢與頻率之比恒定的控制方式。然而，繞組中的感應電動勢是難以直接控制的，當電動勢的值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓，則得 =常數 （2.4）這是恒壓頻比的控制方式。在恒壓頻比條件下改變頻率時，我們能夠證明：機械特性基本上是平行下移的，如圖2.5所示。圖2.5 基頻以下調速時的機械特性
31、這和他勵直流變壓調速的特性相似，所不同的是，當轉矩增大到最大值以后，特性曲線就折回來了。如果電動機在不同轉速下都具有額定電流，則電機都能在溫升允許條件下長期運行，這時轉矩基本上隨磁通變化，由于在基頻以下調速時磁通恒定，所以轉矩也恒定。根據電機與拖動原理，在基頻以下調速屬于“恒轉矩調速”的性質。低頻時，和都較小，定子阻抗壓降所占的分量就比較顯著，不能再忽略。這時，可以人為得把電壓抬高一些，以便近似地補償定子壓降。（2）基頻以上調速在基頻以上調速時，頻率可以從往上增高，但電壓卻不能超過額定電壓，最多只能保持。由式2.3可知，這將迫使磁通隨頻率升高而降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。在基頻以上變頻
32、調速時，由于電壓不變，我們不難證明當頻率提高時，同步轉速隨之提高，最大轉矩減小，機械特性上移，如圖2.6所示。由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁動勢必然減弱，導致轉矩減小。由于轉矩升高了，可以認為輸出功率基本不變。所以，基頻以上調速屬于恒功率調速。圖2.6 基頻以上調速時機械特性把基頻以下和基頻以上兩種情況和起來，可的圖2.7所示的異步電動機的變頻調速控制特性。應該注意，以上所分析的機械特性都是在正弦波電壓供電下的情況。如果電壓源含有諧波，將使機械特性受到扭曲變形，并增加電機中的損耗。因此，在選購變頻器時，變頻器輸出的諧波越小越好。通過分析可得如下結論：當時，變頻器裝置必須在改變輸出頻率的同時改變
33、輸出電壓的幅值，才能滿足對異步電動機變頻調速的基本要求。 圖2.7 異步電動機的變頻調速控制特性3設計思想與方案論證本章主要對系統的設計方案進行了選擇和論證。分析可知，本設計實際上是要設計一個旋轉門電機的調速系統。而從調速控制原理上可將調速系統分為開環(huán)調速系統和閉環(huán)調速系統。對于動態(tài)指標要求不高的簡單用途，例如泵類及風機、簡單的運輸機械傳動，選用開環(huán)控制。根據系統控制要求，電機調速性能要求不高，只要實現有級調速就可以了，所以調速系統選用開環(huán)控制。3.1 設計方案方案一：單片機控制直流電機（1）硬件組成：主要由傳感器、信號變換電路、單片機、鍵盤電路、光電耦合器、功率放大電路、直流電機等組成。（2
34、）工作原理外部傳感器負責將感應到的旋轉門現場情況經過信號變換電路后轉變成單片機可以接受的電平信號，鍵盤電路負責接收外部命令，都發(fā)送到單片機中。單片機接收命令后，運行相關程序，通過PWM端口輸出PWM脈沖波，經過光電耦合器，再通過功率放大電路將PWM脈沖波信號進行電流和電壓放大，使電機隨著不同的PWM脈沖波信號作正轉、反轉、快轉、慢轉和停止等，驅動旋轉門運行在不同狀態(tài)。（3）系統原理框圖圖3.1 方案一系統原理框圖方案二：PLC控制交流電機（1）硬件組成主要由操作面板、PLC、定位行程開關、接近傳感器、防夾傳感器、交流電機等組成。（2）工作原理在PLC構成的自動控制系統中，傳感器將旋轉門現場信息
35、直接送入PLC中，操作面板可以進行旋轉門控制一些手動操作，PLC負責把來自傳感器和操作面板的信息收集、處理后，驅動接觸器，從而完成對交流電機的控制，可以實現電機額定轉速下的正轉、反轉。（3）系統原理框圖圖3.2 方案二系統原理框圖方案三：PLC控制變頻器來驅動交流電機（1）硬件組成主要由操作面板、PLC、變頻器、定位行程開關、接近傳感器、防夾傳感器、交流電機等組成。（2）工作原理在PLC和變頻器構成的開環(huán)速度控制系統中，通過對變頻器多功能輸入端的設定，可設定多級速度頻率，并可通過外部信號的選擇使用某一級速度。PLC把來自旋轉門現場的檢測信號、變頻器的狀態(tài)信息以及操作面板的操作信息，經過收集、處
36、理后，完成對變頻器的多功能輸入端的控制，可實現電機多級調速運轉，從而使旋轉門的運行實現自動化和智能化控制。（3）系統原理框圖圖3.3 方案三系統原理框圖3.2 論證分析：下面從三個方面對這三種方案進行分析：（1）控制器比較：方案一采用的控制器是單片機，而方案二和方案三的控制器都是PLC。兩種控制器的比較如下。單片機是一種芯片，在一定場合，配合外圍電路，可以用來設計所需要的各種功能，大都用匯編語言、C語言等來開發(fā)嵌入式軟件，可應用于多種領域7。單片機的可靠性：由于目前國內市場上的單片機芯片的品質良莠不齊，很大一部分還是國外篩選出來的次等品，加上其它外圍元件（如電阻、電容等）的參數離散性也很大，批
37、量小的產品不可能經過篩選配對等技術處理，因此這樣的產品很難做到很好的一致性和高可靠性，因為任一元件的參數偏離設計要求都會引起系統的不穩(wěn)定。另外，單片機的所有器件均不是工業(yè)級的，抗干擾性特別是抗電源干擾能力很弱，而國內的電源一般都很差，因此，更可能引起單片機系統的不穩(wěn)定。單片機的可擴展性：由于單片機的線路是根據一定的功能要求特別設計的，所以要增加一個功能就要重新設計線路，而且對應的程序都要重新設計。這樣對于增加功能的開發(fā)成本和周期都會增加。 單片機的可維護性：一旦單片機系統出現故障，很難診斷出故障元件，最簡單的方法是更換整個系統，這樣維修成本增加了。操作：單片機系統的操作采用的鍵盤，設定數據用撥
38、碼開關，顯示用LED，整個面板顯得繁鎖，而且為了減少操作鍵，設計時往往一鍵多用，操作人員很難脫開說明書操作。特別是故障顯示只能顯示故障代碼，一旦發(fā)生故障，操作人員必須翻閱說明書方能發(fā)現故障所在，最終按說明書指示排除故障，這樣排除故障的時間相對較長?？傊?，這樣的人機對話不夠友善。 PLC是一種可編程的控制器，相當于一種控制設備，主要用于工業(yè)自動化等領域，大都采用梯形圖編程，也可以用組態(tài)軟件。PLC控制開關量的能力是很強的。PLC的硬件結構是可變的，軟件程序是可編的，用于控制時，非常靈活。必要時，可編寫多套，或多組程序，依需要調用。它很適應于工業(yè)現場多工況、多狀態(tài)變換的需要。PLC的可靠性：進口P
39、LC采用的CPU都是生產廠家專門設計的工業(yè)級專用處理器，其余各元件也是直接向生產廠家購買的，經過嚴格挑選的工業(yè)級元件，另外它的電源模塊也是集各大公司工業(yè)控制的經驗而特別設計的，抗干擾性特別是抗電源干擾能力有很大提高，即使在電源很差和變頻調速的干擾下仍能正常工作。 PLC的可擴展性：要增加一個功能只要增加相應的模塊和修正對應的程序，而PLC的編程相對比較簡單，這樣對于開發(fā)周期會縮短。PLC的可維護性：PLC本身有很強的自診斷功能，一旦系統出現故障，根據自診斷很容易診斷出故障元件，即使非專業(yè)人員也能維修，如果故障由于程序設計不合理引起，由于它提供完善的調試工具，要找出故障也較為簡單。操作：在后面兩
40、種方案中，PLC的操作都是采用操作面板。操作按鈕少，而且操作方便，這就降低了對操作人員的要求。這樣的人機界面比較受操作人員歡迎。（2）電機驅動方式：方案一：采用全控型的開關功率元件進行PWM脈寬調制的調速方式。PWM調速方法通常采用功率場效應管作為主開關元件，通過改變開關元件的導通方式及通斷比來改變輸出電壓的大小與極性，即改變電機電樞兩端的電壓的大小和極性，從而實現電機調速。這種調速方法具有開關頻率高、低速運行穩(wěn)定、動態(tài)性能優(yōu)良、效率高等優(yōu)點，更重要的是這種調速方式很容易在單片機控制系統中實現，因此具有不錯的發(fā)展前景。方案二：直接通過PLC對交流接觸器的控制來實現電機的轉動，可以實現勻速正反轉
41、，但是不能變速轉動。方案三：采用變頻器來驅動電機。變頻器不僅僅是一種性能優(yōu)良的電動機調速控制裝置，而且以最合理的方式對電機進行全面控制?？梢詫崿F電動機的軟起動和軟停車；可以實現頻繁的起動、正反轉、停車和制動等，并且還有完善的保護電路，電機不需要另外設計保護電路。另外，變頻器的節(jié)能效果也比較顯著。（3）執(zhí)行機構：方案一的執(zhí)行機構是直流電機，方案二和方案三的執(zhí)行機構是交流異步電機。兩種電機的比較如下8。由于結構上的原因，直流電動機存在以下缺點： 需要定期更換電刷和換向器，維護保養(yǎng)困難，壽命較短； 由于直流電動機存在換向火花，難以應用于存在易燃易爆氣體的惡劣環(huán)境； 結構復雜，難以制造出大容量、高轉速
42、和高電壓的直流電動機。而與直流電動機相比，交流電動機則具有以下優(yōu)點： 結構堅固，工作可靠，易于維修保養(yǎng)； 不存在換向火花，可以應用于存在易燃易爆氣體的惡劣環(huán)境； 容易制造出大容量、高轉速和高電壓的交流電動機。直流電動機結構復雜，價格高，又有換向器和電刷，在運行中常出故障。與此相反，交流電動機具有結構簡單，運行可靠，價格便宜等優(yōu)點。綜上所述，方案三在控制器和驅動機構以及執(zhí)行機構上明顯優(yōu)于方案一.和方案二相比，盡管使用了變頻器，價格會貴一些。但是方案三可以實現電機調速，接線簡單，操作維護方便，可靠性和安全性能高，對電機能夠起到很好的保護作用，節(jié)能效果也比較理想，能夠很好的滿足控制要求，所以本設計采
43、用方案三。4系統設計系統設計包括硬件設計和軟件設計。硬件系統設計主要包括系統電源設計、PLC及外圍線路的設計、相關硬件選型、操作面板設計、電氣線路的設計等。軟件系統設計主要指PLC控制程序的編制及調試等。4.1 硬件設計系統硬件設計包括電氣原理圖設計、元件選型和操作面板設計組成。電源電路為整個系統提供電源；PLC外部接線電路是指操作面板、傳感器、變頻器等與PLC的連接電路，PLC作為系統的控制器，對旋轉門的運行狀態(tài)進行自動化控制；變頻器電路主要是指異步電機的控制電路；操作面板是人與PLC控制系統交換信息的中介設備。通過它可以了解和控制現場狀態(tài)。具體如附錄1（電路總圖）所示。設計過程：先進行系統
44、電源設計，然后進行電氣元器件的選擇。電氣元器件的選擇主要是根據控制要求選擇傳感器、行程開關、變頻器、按鈕、指示燈、保護電器等。之后進行PLC選型和I/O口地址分配，繪制電氣控制系統原理圖。電氣控制系統原理圖包括主電路和控制電路?？刂齐娐分邪≒LC的I/O口接線和自動部分的詳細連接等，有時還要在電氣原理圖中標上器件代號或另外配上安裝圖、端子接線圖等，以方便操作面板的安裝。最后對操作面板進行設計。操作面板設計是設置啟動、停止按鈕、與旋轉門運行狀態(tài)有關的指示燈以及報警顯示等。4.1.1 電源電路設計根據系統要求，電源電路分為三個部分。電路如圖4.1所示：（1）為主電路的變頻器提供380V，50Hz
45、的交流電源；（2）為PLC提供220V，50Hz的交流電源；（3）為外部傳感器提供24V的直流電源。變頻器的電源：從三相四線制的電網上引出L1、L2、L3，再通過空氣隔離開關和電磁接觸器從R、S、T進入到變頻器中。另外，如果外部干擾比較嚴重時，可以在電路中添加濾波器和電抗器等。PLC供電電源：為50Hz、220（110%）V的交流電,輸出端口為。對于電源線來的干擾，PLC本身具有足夠的抵制能力。對于可靠性要求很高的場合或電源干擾特別嚴重的環(huán)境，可以安裝一臺帶屏蔽層的變比為1：1的隔離變壓器，以減少設備與地之間的干擾。還可以在電源輸入端串接LC濾波器。圖4.1 系統電源電路傳感器電源：一般情況下
46、，PLC的內部開關電源電路可以提供+24V電源用作輸入電路的電源，也可以作為外接傳感器的電源。但是在本設計中，考慮到傳感器數量較多以及減少干擾，單獨使用直流穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路等組成9。電源變壓器是將交流電網220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?6V，然后通過橋式整流電路將交流電壓變成脈動的直流電壓。由于此脈動的直流電壓還含有較大的波紋，必須通過濾波電容C1加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網電壓波動（一般有上下10%的波動）、負載和溫度的變化而變化。因而在整流、濾波電路之后，還需接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當電網電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸
47、出電壓穩(wěn)定。采用三端集成穩(wěn)壓器7824作為穩(wěn)壓器。電容C2、C3用來實現頻率補償，防止穩(wěn)壓器產生高頻自激振蕩和抑制電路引入的高頻干擾，C4是電解電容，可以減少穩(wěn)壓電源輸出端右輸入電源引入的低頻干擾。D是輸入端放電保護二極管。正常工作時，輸入、輸出電壓差為23V，滿足傳感器的電源要求。4.1.2 傳感器的選型（1）傳感器的選用原則傳感器的可靠性是實現旋轉門控制系統自動化和智能化關鍵環(huán)節(jié)之一。如何根據測試目的和實際條件，正確合理地選用傳感器，是需要認真考慮的問題。選擇傳感器主要考慮其靜態(tài)特性、動態(tài)響應特性和測量方式等三方面的問題，而靜態(tài)特性又包括靈敏度、線形度、精度等指標，動態(tài)響應包括穩(wěn)定性、快速
48、性等指標。 靈敏度 一般來說，靈敏度傳感器越高越好，因為靈敏度越高，就意味著傳感器所能感知的變化量小，即只要被測量有一微小變化，傳感器就有較大的輸出。 線性范圍任何傳感器都有一定的線性工作范圍。在線性范圍內輸出與輸入成正比例關系，線性范圍越寬，則表明傳感器的工作量程越大。傳感器工作在線性區(qū)域內，是保證測量精度的基本條件。然而，對于任何傳感器，保證其絕對工作在區(qū)域內是不容易的。在某些情況下，在許可的限度內，也可以取其近似線性區(qū)域。 穩(wěn)定性穩(wěn)定性是表示傳感器經過長期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性質。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時間很溫度。為了保證穩(wěn)定性，在選擇傳感器時，一般應該注意兩個問題。其一，
49、根據環(huán)境條件選擇傳感器。其二，要創(chuàng)造或保持一個穩(wěn)定的環(huán)境。在要求傳感器長期地工作而不需要經常地變更或校準的情況下，應對傳感器的穩(wěn)定性有嚴格的要求。 快速性傳感器在所測頻率范圍內，為保證不失真的測量條件，其輸出響應總不可避免地有一定的延遲，但總希望延遲的時間越短越好。一般物理型傳感器（如利用光電效應、壓電效應等傳感器），響應時間短，可工作頻率寬；而結構型傳感器，如電感、電容、磁電等傳感器，由于受到結構特性的影響，往往由于機械系統慣性質量的限制，影響到傳感器的工作頻率范圍。 精確度傳感器的精確度是表示傳感器的輸出與被測量的一致程度。傳感器處于測試系統的輸入端，因此，傳感器能否真實的反映被測量，對整
50、個測試系統具有直接的影響。然而在實際中也并非要求傳感器的精確度越高越好，還需要考慮到測量目的，同時還需要考慮到經濟性。因為傳感器的精度越高，其價格就越昂貴，所以應從實際出發(fā)來選擇傳感器。 測量方式傳感器在實際條件下的工作方式，也是選擇傳感器應考慮的重要因素，例如，接觸與非接觸測量、破壞與非破壞性測量、在線與非在線測量等，條件不同，對測量方式的要求亦不同。（2）接近傳感器本設計的接近傳感器采用的是光電開關。光電開關是接近開關的一種，它除克服了接觸式行程開關存在的諸多不足外，還克服了接近開關的作用距離短、不能直接檢測非金屬材料等缺點。它具有體積小、功能多、壽命長、精度高，響應速度快、檢測距離遠以及
51、抗電磁干擾能力強等缺點。還可非接觸、無損傷地檢測和控制各種固體、液體、透明體、黑體、柔軟體和煙霧等物質的狀態(tài)和動作。目前，光電開關已被用做物位檢測、液體控制、產品計數、寬度判別、速度檢測、定長剪切、孔洞識別、信號延時、自動門傳感、色標檢出以及安全防護等諸多領域10。光電開關按檢測方式可分反射式、對射式和鏡面反射式三種類型。光電開關一般都具有良好的回差特性，即使被檢測物在小范圍內的晃動也不會影響驅動器的輸出狀態(tài)，從而可使其保持在穩(wěn)定工作區(qū)。同時，自診斷系統還可以顯示受光狀態(tài)和穩(wěn)定工作區(qū)，以隨時監(jiān)視光電開關的工作。光電傳感器在一般情況下，有三部分構成，它們分為：發(fā)送器，接收器和檢測電路。圖4.2是
52、反射式光電開關的工作原理框圖。圖中，由振蕩回路產生的調制脈沖經反射電路后，由發(fā)光管GL輻射出光脈沖。當被測物體進入受光器作用范圍時，被反射回來的光脈沖進入光敏三極管DU；并在接收電路中將光脈沖解調為電脈沖信號，再經放大器放大和同步選通整形，然后用數字積分或RC積分方式排除干擾，最后經延時（或不延時）觸發(fā)驅動輸出光電開關控制信號。圖 4.2 反射式光電開關的工作原理框圖綜上所述，本設計采用的是PTK-5555-320型反射式光電開關來作為接近傳感器。檢測區(qū)域：4m2m，輸入電壓：24VDC。接近傳感器安裝在自動門的出口和入口位置。當人從不同的方向進入旋轉門時，該傳感器檢測到人體后，信號發(fā)送到PL
53、C中，使旋轉門工作在不同轉速。（3）防夾傳感器現在的防夾傳感器大部分都是紅外線傳感器。紅外線傳感器一般由光學系統、探測器、信號調理電路及顯示單元組成。它利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射來檢出物體的有或無，光電傳感器檢測不局限于金屬，對其他物體均可檢測，而且檢測距離是接近開關不能相比的11。感知人體最簡單的方法是用紅外線傳感器。因為人體比其他物體溫度高，故可根據紅外線的能量進行檢測。人體產生的紅外線波長為10左右。因此用遠紅外線傳感器最為合適。在設計中采用的是HM系列的Eagle紅外線傳感器。安裝在旋轉門出入口的右側邊緣位置，其感應角度垂直向下，感應范圍為距離門右側立柱700（可調），當人或
54、物體進入感應區(qū)域后，旋轉門的旋轉翼前沿也轉到了該區(qū)域，則自動門立即停止旋轉，保護人和物品的安全，即防夾保護。人或物體離開后，旋轉門恢復到正常轉速。（4）定位行程開關行程開關又稱為限位開關，是一種利用生產機械某些運動部件的碰撞來發(fā)出控制命令的主令電器。用于控制機械的運動方向、速度、行程大小或位置的一種自動控制器件。行程開關廣泛應用于各類機床、起重機械以及輕工機械的行程控制。當生產機械運動到某一預定位置時，行程開關通過機械可動部分的動作，將機械信號轉換為電信號，以實現對生產機械的控制，限制它們的動作和位置，借此對生產機械給以必要的保護。行程開關按其機構可分為直動式（如LX1、JLXK1系列）、滾輪
55、式（如LX1、JLXK2系列）和微動式（如LXW-11、JLXK1-11系列）三種。本設計中采用的是直動式LX1系列行程開關，可以很方便的確保旋轉門旋轉翼的初始位置。4.1.3 異步電動機的選型當使用異步電動機進行變頻調速時，由于電動機自身運行工況的改變等原因，需要對電動機的型號以及參數等環(huán)節(jié)進行考慮。（1）電動機容量的選擇選擇電動機容量的基本原則是：能帶動負載，在生產工藝所要求的各個轉速點長期運行不過熱，在舊設備改造時，要盡可能地留用原設備的電動機。選擇電動機容量時應考慮幾點：電動機容量、起動轉矩必須大于負載所需要的功率和起動轉矩；電源電壓下降10%15%的情況下，轉矩仍能滿足起動或運行中的
56、需要；從電動機溫升角度考慮，為了不降低電動機的壽命，溫升必須在絕緣所限制的范圍之內；如果電動機每次在最低頻率運行的時間不長，則可以留用原有電動機；反之，如果在最低頻率時連續(xù)運行的時間較長，則電動機的容量應提高一檔。（2）電動機磁極對數的選擇（3）電動機工作頻率的選擇（4）低速時的散熱能力問題：通用的標準籠型異步電動機的散熱能力，是按額定轉速且冷卻風扇與電動機同軸的條件下考慮冷卻風量的。當使用變頻器之后，在電機運行速度降低的情況下冷卻風量將自動變小，散熱能力隨之變差。由于電動機的溫升與冷卻風量之間成反比，所以在額定速度以下連續(xù)運行時，可采用設置恒速冷卻風扇的辦法，改善低速運行條件下電動機的散熱問題。根據選型規(guī)則，結合旋轉門負載的實際情況，選用額定功率為1.5kW、額定電壓為220V、頻率50Hz; 四極籠型異步電動機作為旋轉門的驅動電機。4.1.4 變頻器的選型（1）變頻器選型規(guī)則：變頻器容量的選擇是一個重要且復雜的問題，要考慮變頻器容量與電動機容量的匹配，容易偏小會影響電動機有效力矩的輸出，影響系統的正常運行，甚至損壞裝置，而容量偏大則電流的諧波分量會增大，也增加了設備投資。變頻器容量選擇可分三步： 了解負載性質和變化規(guī)律，計算出負載電流的大小或
旋轉自動門控制系統電氣設計.doc
