无级调速PLC控制系统设计 毕业设计

1前言

1.1系统的背景及发展

随着现在社会科技的飞速发展，人们对生活各个方面品质的要求也在不断地提要，在速度运行方面，人们要求速度调节范围广，而且平缓，无级调速以其独特的优势赢得新科技的青睐，各种各样的无级调速方式涌现出来。无级变速与过去定比变速不同，主要有三大类：电气无级调速、流体无级调速和机械无级调速。其中电气无级调速是以电磁流为介质的一种调速方式，该种变速方式以电机调速为主体，主要分为直流调速和交流调速。直流调速主要是通过改变电枢的外串电阻、电枢电压或改变磁通量实现调速。其特点是调速范围大，精度也较高，在过去，直流调速一直作为通过调节电机速度实现无级调速的唯一手段，广泛应用于机械传动领域，直流调速系统具有良好的静态和动态驱动特性，其调速范围宽，力矩特性较硬。但其设备结构复杂，使用成本高，维护和维修困难，不宜用于大功率场合，仅限于中小功率范围，故现已逐步被交流调速所替代。交流调速主要是通过变极、调压和变频来进行调速的[1]。根据其调速原理有电磁滑差离合器调速、调压调速、串级调速、变频调速、换向器电动机、无换向器电动机调速等。实际应用最多的为变频调速，即由功率半导体器件为主组成的变频器得到变频电源，向交流电动机供电，实现变频调速。其特点是调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好；调速范围较大，精度高；起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显；变频器体积小，便于安装、调试、维修简便；易于实现过程自动化；在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。流体无级调速是利用流体作为传动介质的一种调速方式。按照其工作原理的不同分为：泵控调速、阀控调速、阀-泵控联合调速、调速型液力耦合器、液力变矩器。阀控式是利用阀来改变流体进出口流量进行调速；泵控式是通过改变泵和马达的有效工作容积来实现调速，可细分为变量泵-定量马达、变量泵-变量马达、定量泵-变量马达 3 类；阀-泵控联合调速是阀控和泵控两类调速联合应用；调速型液力耦合器是通过改变喷嘴阀门的开度或改变导管的位置，以改变工作腔的充油量进行调速；液力变矩器是通过改变叶片的角度、充油量或泵轮

转速进行调速。流体无级变速传动具有运动惯性小，动作灵敏，制动迅速，运动平稳，易于实现无级调速，可以获得很大的调速比，而且在大功率、高承载场合易于实现自动化及控制等优点，目前已广泛用于汽车、农林业机械、环保机械、矿山机械、工业机器人驱动系统、太空探测机械等领域[2]。机械无级变速传动机械无级变速器是利用固体作为中间介质，作为一种通用传动装置主要应用于机械化、自动化生产工艺流程中用以改善机械的工作性能。结构简单、适应性强、传动效率高、恒功率特性好、操作与维修方便。利用PLC 与变频器的组合，实现以脉冲信号改变频率，进而改变电动机的转速，即为其中的一种方式，同时设置监控平台，可使无极变频调速的性能大大提高。

1.2 课题相关技术的国内外发展现状及趋势

1.2.1 可编程控制器

可编程控制器简称——PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中[3]。据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。

PLC是在继电器控制逻辑基础上，与3C(Computer,Control,Communication)技术相结合，不断发展完善的。目前已从小规模单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。

自动化系统中所使用的各种类型PLC，有的是集中安装在控制室，有的是分散安装在生产现场的各单机设备上，虽然它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中，但PLC是专门为工业生产环境而设计的控制装置，在设计和制造过程中采用了多层次抗干扰和精选元件措施，故具有较强的适应恶劣工业环境的能力、运行稳定性和较高的可靠性，因此一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用。

高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相

比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低[4]。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性[5]。

长期以来，plc始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，与dcs和工业pc形成了三足鼎立之势。同时，plc也承受着来自其它技术产品的冲击，尤其是工业pc所带来的冲击。

目前，全世界plc生产厂家约200家，生产300多种产品。国内plc市场仍以国外产品为主，如siemens、modicon、a-b、omron、三菱、ge的产品。经过多年的发展，国内plc生产厂家约有三十家，但都没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，可以说plc在我国尚未形成制造产业化[6]。在plc应用方面，我国是很活跃的，应用的行业也很广。专家估计，2000年plc的国内市场销量为15-20万套（其中进口占90%左右），约25-35亿元人民币，年增长率约为12%。预计到2005年全国plc需求量将达到25万套左右，约35-45亿元人民币。

微型化、网络化、pc化和开放性是plc未来发展的主要方向。在基于plc自动化的早期，plc体积大而且价格昂贵。但在最近几年，微型plc（小于32 i/o）已经出现，价格只有几百欧元。随着软plc（soft plc）控制组态软件的进一步完善和发展，安装有软plc组态软件和pc-based控制的市场份额将逐步得到增长[7]。

当前，过程控制领域最大的发展趋势之一就是Ethernet技术的扩展，plc也不例外。现在越来越多的plc供应商开始提供Ethernet接口。可以相信，plc将继续向开放式控制系统方向转移，尤其是基于工业pc的控制系统。

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。

1.2.2 变频器

变频器主要用于交流电动机（异步电机或同步电机）转速的调节，是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案，除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置[8]。自上世纪80年代被引进中国以来，变频器作为节能应用与速度工艺控制中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。