車運原煤自動采樣系統(tǒng)設(shè)計（控制系統(tǒng)設(shè)計）,原煤,元煤,自動,采樣系統(tǒng),設(shè)計,控制系統(tǒng) 緒 論 一、本論文研究的目的和意義 隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機在工業(yè)自動化領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛?？删幊炭刂破骶褪瞧渲械馁?，它以其卓越的性能，高可靠性、能在惡劣環(huán)境下工作、維修使用方便、通訊、組網(wǎng)功能強和具有較高的性價比等特點，被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制中。 火力發(fā)電廠、港口和煤礦等部門都要對出入煤的質(zhì)量進行分析,分析檢驗結(jié)果作為生產(chǎn)成本核算、控制鍋爐工況或作為商品煤結(jié)算的依據(jù)。煤的質(zhì)量分析包括采集樣品(采樣) 、制備試樣、分析。用少量的樣品的分析結(jié)果代表一批煤的質(zhì)量必然會有偏差。此偏差由采樣偏差、制樣偏差和分析偏差構(gòu)成,其中采樣偏差最大。因此,分析結(jié)果的精確度,很大程度上取決于所采樣品的代表性。以前靠人工采樣,很難保證樣品的代表性。分析偏差太大時還可以重新分析,而樣品無代表性時,則往往由于煤已運走或已入鍋爐燒掉而無法重新采樣。如果煤樣品無代表性,則無論分析結(jié)果多么精確也毫無意義。國家標(biāo)準(zhǔn)GB474 規(guī)定了各種情況下煤的采樣方法。在流動的煤(煤流) 中采樣時,應(yīng)將采樣處煤流橫截面上的煤全部采出。 　　 汽車入廠煤采樣機是針對運煤汽車采樣而設(shè)計的機械化采樣設(shè)備。該設(shè)備集采樣、破碎、縮分、集樣于一體、結(jié)構(gòu)合理、運行可靠、操作方便。采樣制樣工藝過程符合GB474，GB475國家標(biāo)準(zhǔn)。適用于電廠、煤礦、煤碼頭等進行煤質(zhì)檢驗采樣的場合。 　　 汽車入廠煤采樣機主要由采樣頭、給料機、破碎機、縮分集樣器、余煤處理系統(tǒng)組成。首先由鉆取式螺旋采樣頭提取煤樣，通過密閉式給料機送放破碎機、破碎后進入縮分集樣器，通過縮分的煤樣進入集樣器，多余的煤樣由余煤處理系統(tǒng)反排回汽車或直接排回煤場。 采用本采樣系統(tǒng)的優(yōu)點有： (1).可實現(xiàn)全斷面采樣，保證煤樣代表性； (2).采用專利破碎機，水份適用范圍廣，減少堵煤可能性； (3).一體化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，采樣時間短； (4).半封閉結(jié)構(gòu)，減少人為與環(huán)境因素的影響； (5).設(shè)備自動化程度高，維護簡單。 通過本設(shè)計可以使整個系統(tǒng)不易堵煤、監(jiān)測系統(tǒng)更加趨于完善，程控特性更好，且易于安裝和維護。 二、論文研究的主要內(nèi)容 設(shè)計對汽車所運原煤進行采樣的自動小車控制系統(tǒng)，實現(xiàn)小車的橫向、大車的縱向移動以及采樣螺旋探頭的上升、下降過程。系統(tǒng)采用可編程控制器進行控制。 具體內(nèi)容如下： 1 車運原煤自動采樣系統(tǒng)總體方案設(shè)計； 2 車運原煤自動采樣控制系統(tǒng)設(shè)計； 3 設(shè)計控制系統(tǒng)硬件，包括控制器選型設(shè)計和控制接線圖； 4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計，包括程序流程圖和系統(tǒng)控制軟件。 第一章 車運原煤自動采樣系統(tǒng)總體方案設(shè)計 車運原煤自動采樣系統(tǒng)總體方案的設(shè)計應(yīng)包括以下內(nèi)容：采制樣裝置結(jié)構(gòu)型式的確定，采制樣裝置基本組成、采制樣裝置工作原理、采制樣裝置主要設(shè)備的技術(shù)參數(shù)及機構(gòu)的選擇等內(nèi)容。 一般應(yīng)根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求提出數(shù)個總體方案，進行綜合分析、比較和論證，最后確定一個可行的總體方案。 一、總體方案確定 （一）概述 煤的計量及其機械自動采制樣是火力發(fā)電廠實現(xiàn)計算煤耗的前提，電力部頒布的《火力發(fā)電廠按入爐煤量正平衡計算發(fā)電煤耗（試行）》中指出 “機械自動采樣裝置是目前唯一能夠采到具有代表性樣品的手段”。 入廠煤機械自動采制樣裝置中機械結(jié)構(gòu)設(shè)計新型實用，整體結(jié)構(gòu)布局通暢，選取的技術(shù)參數(shù)合理，工藝調(diào)節(jié)方便，適應(yīng)范圍廣。適用于火力發(fā)電廠的入廠煤采樣及其它類似場合。機械可長期穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，不堵煤，采樣后的子樣代表性強，滿足現(xiàn)場實際需要。該裝置作為現(xiàn)代化采制樣設(shè)備，可為電廠，煤礦等有關(guān)單位提供煤質(zhì)檢測和監(jiān)督的可靠依據(jù)，并且有助于燃煤管理的科學(xué)化和規(guī)范化。 電氣控制部分采用目前國際上流行的可編程控制器作為主控元件，在設(shè)計思想上力求與國際接軌。因此，可靠性顯著增強，控制性能大為提高，而且具有智能化的優(yōu)點。 該設(shè)備采樣技術(shù)及工藝過程完全符合《GB475-96商品煤樣采取方法》的規(guī)定，制樣方案完全符合《GB474-96煤樣的制備方法》 圖1-1 入廠煤機械自動采樣裝置示意圖 （二）采樣裝置結(jié)構(gòu)型式 入廠煤機械自動采樣裝置依靠來煤運輸方式可分為汽車采樣裝置和火車采樣裝置。而根據(jù)具體結(jié)構(gòu)不同分為懸臂式，行車式；火車采制樣裝置根據(jù)跨車軌道數(shù)分為跨雙軌龍門式，跨單軌懸單軌龍門式，懸雙軌龍門式及其它派生結(jié)構(gòu)。 懸臂式汽車采制樣裝置為人工選點自動采制樣，其它型式采制樣裝置均為全自動采制樣。可選用工控機控制并進行軟操作。 本設(shè)計采用的是行車式汽車采樣裝置。 （三）采樣裝置基本組成 不論汽車采制樣裝置還是火車采制樣裝置，都由采樣系統(tǒng)，制樣系統(tǒng)，余煤返回系統(tǒng)和控制操作四大部分組成。采樣系統(tǒng)主要由螺旋采樣頭，螺旋采樣頭升降機構(gòu)，采樣選點機構(gòu)等組成；控制操作系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)，操作系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)等組成。 1． 大車行走機構(gòu) 它主要由大車、車輪及導(dǎo)軌等構(gòu)成。 2． 小車行走機構(gòu) 它主要由小車、車輪及導(dǎo)軌等構(gòu)成。 3． 螺旋采樣頭 該機構(gòu)主要由液壓驅(qū)動馬達，軸承座，采樣管，采樣螺旋葉片軸，料倉，破碎刀頭組成。 4． 限位開關(guān)等 如：大車限位開關(guān)，小車限位開關(guān)，螺旋采樣頭升降限位開關(guān)等。 5． 驅(qū)動電機 大車行走機構(gòu)的驅(qū)動電機，小車行走機構(gòu)的驅(qū)動電機，螺旋采樣頭正反轉(zhuǎn)的驅(qū)動電機，螺旋采樣頭升降的驅(qū)動電機等。 6． PLC控制系統(tǒng) 采用可編程器和工控機進行聯(lián)合控制，可實現(xiàn)自動和手動兩種工作方式。 圖1-2 入廠煤機械自動采樣裝置示意圖 ?? 汽車采樣系統(tǒng)分懸臂式、橋式、龍門式采樣系統(tǒng)。該系統(tǒng)是按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定選點采取煤樣，并制成一定粒度要求供理化分析煤樣的專用設(shè)備。在預(yù)先設(shè)定的程序的控制下，實現(xiàn)自動運行。 圖1-3 入廠煤機械自動采樣裝置示意圖 （四）采樣裝置工作原理 采樣裝置到達預(yù)定采樣點后，選點機構(gòu)自動鎖緊，啟動采制樣系統(tǒng)，并由螺旋采樣頭降機構(gòu)驅(qū)動至預(yù)設(shè)煤層深處開始采樣，集料倉關(guān)閉。到達采樣深度后，螺旋采樣頭回至上部極限位置，選點機構(gòu)行至放料點，集料倉自動開啟，煤樣經(jīng)過給料機構(gòu)送到制樣系統(tǒng)內(nèi)，經(jīng)過破碎縮分，所需煤樣進入集樣瓶，余煤經(jīng)過余煤返回系統(tǒng)排出。同時采樣頭放完煤樣后，又返回到所設(shè)點，準(zhǔn)備下一煤車采樣。 采樣裝置工作流程圖見后。 圖1-4 采樣裝置工作流程圖 二、設(shè)計采樣裝置及其主要設(shè)備 （一） 采樣裝置重要技術(shù)參數(shù) 表1-1 汽車采制樣裝置主要技術(shù)性能參數(shù) 序號 項 目 懸 臂 式 行 車 式 適用車型 5T-20T標(biāo)準(zhǔn)汽車 5T—20T標(biāo)準(zhǔn)汽車 1 適用煤水分 ≤14% ≤14% 2 單點采樣時間 ≤60S ≤60S 3 制樣粒度 ≤6mm 或按用戶要求 ≤6mm 或按用戶要求 4 縮 分 比 1:4~1:40 1:4~1:40 5 系統(tǒng)水分損失 ≤1% ≤1% 6 集樣瓶 換取方式 自動換取 自動換取 7 集樣瓶數(shù)量 4個（標(biāo)準(zhǔn)） 4個（標(biāo)準(zhǔn)） 8 最大回轉(zhuǎn)半徑 3.7m（標(biāo)準(zhǔn)） ? 9 回轉(zhuǎn)角度范圍 ±50° ? 10 大車行走距離 ≤20m 11 小車行走距離 ≤10m 12 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn) GB474、GB475 GB474、GB475 13 裝機總?cè)萘? ≤40KW ≤40KW 14 裝置總重量 20T 18T? 本設(shè)計選用的是行車式汽車采制樣裝置。 （二）采樣裝置主要設(shè)備的技術(shù)參數(shù)及機構(gòu)特點 1.螺旋采樣頭 （1）液壓傳動式螺旋采樣頭 型號 采樣頭轉(zhuǎn)速 液壓系統(tǒng)壓力 采樣頭驅(qū)動馬達 YCT-250 200-300RPM 1.6MPa 10JM11-0.5 采樣頭根據(jù)螺旋垂直輸送物料的原理設(shè)計而成，結(jié)構(gòu)為液壓螺旋鉆取式，能用于煤面下較大深度的全面斷面采樣。采樣頭頭部裝有破碎刀刃能適應(yīng)冬季凍煤，對大煤塊有破碎作用。采用液壓馬達驅(qū)動螺旋采樣頭旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速可調(diào)。當(dāng)有異物進入螺旋采樣頭使其實際扭矩超過額定扭矩時，螺旋采樣頭能自動停止轉(zhuǎn)動，達到自我保護的目的，并能反轉(zhuǎn)排除異物。 該機構(gòu)主要由液壓驅(qū)動馬達，軸承座，采樣管，采樣螺旋葉片軸，料倉，破碎刀頭組成。采樣頭轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)無級可調(diào)。 （2）電力傳動式采樣頭 型號 采樣頭轉(zhuǎn)速 采樣頭功率 采樣頭驅(qū)動減速機 JCT-250 200-300RPM 7.5KW FAF77DV132M4 采樣頭根據(jù)螺旋垂直輸送物料的原理設(shè)計而成，結(jié)構(gòu)為電力螺旋鉆取式，能用于煤面下較大深度的全斷面采樣。采樣頭頭部裝有破碎刀刃能適應(yīng)冬季凍煤，對大煤塊有破碎作用。 該機構(gòu)主要由SEW帶電機減速機、軸承座、采樣管、采樣螺旋葉片軸、料倉、破碎刀頭等組成。 本設(shè)計選用的是液壓傳動式螺旋采樣頭。 2.螺旋采樣頭升降機構(gòu) （1）電液推桿推動式螺旋采樣頭升降機構(gòu) 型號 額定輸出力 （KGF） 額定轉(zhuǎn)速 （MM/S） 電機型號 行程 （MM） 推力 拉力 推速 拉速 XDGP2500-2000/80 2500 1900 80 100 Y100L-3-4KW ≤2000 電液推桿是一種機電液一體化的新型柔性傳動機構(gòu)，它由執(zhí)行機構(gòu)（油缸），控制機構(gòu)（液壓控制閥組），和壓力源（油泵，電機等）組成。接通電動機電源，通過控制電動機正反轉(zhuǎn)，使雙向油泵輸出壓力油，經(jīng)液壓控制閥送至油缸，實現(xiàn)油缸的往復(fù)。從而帶動螺旋采樣頭沿導(dǎo)軌升降，實現(xiàn)全煤層采樣。其升降速度一般為固定值。 （2）液壓油缸推動式 壓油站輸出壓力油，經(jīng)液壓控制閥送至油缸，實現(xiàn)油缸的往復(fù)運動。從而帶動螺旋采樣頭沿導(dǎo)軌升降，實現(xiàn)全煤層采樣。其升降速度在一定范圍內(nèi)無級可調(diào)。 （3）電動絞車驅(qū)動式 升降速度 驅(qū)動電機型號 減速機型號 剎車裝置 100MM/（升） 70MM/S（降） YDEJI32S-4/6 XWD6-59-3/4 有 通過控制電動機絞車正反轉(zhuǎn)，帶動絞車鋼絲繩上下運動，從而帶動螺旋采樣頭沿導(dǎo)規(guī)升降，實現(xiàn)全煤層采樣。其升降速度一般為固定值。 電液推桿推動式和電動絞車驅(qū)動式結(jié)構(gòu)簡單、可靠、控制方便；而液壓油缸推動式需要配置液壓站，控制較復(fù)雜，現(xiàn)場調(diào)試周期長。 本設(shè)計選用的是電液推桿推動式螺旋采樣頭升降機構(gòu)。 3.選點機構(gòu) （1）橋式采樣選點機構(gòu) 速度 功率 減速機型號 剎車裝置 大車行走機構(gòu) 0.65M/S 2.2KW BWY18-29 有 小車行走機構(gòu) 0.32M/S 1.5KW BWY22-59 有 采用橋式行車梁箱式結(jié)構(gòu)，此種方式能實現(xiàn)全自動隨機選點。 （2）回轉(zhuǎn)式 速度 功率 減速機型號 剎車裝置 回轉(zhuǎn)機構(gòu) 1RPM 0.75KW BLY2215-43*11 有 小車行走機構(gòu) 0.3M/S 1.1KW FA47DT90S4BMG 有 通過回轉(zhuǎn)機構(gòu)的小車行走機構(gòu)的運動來實現(xiàn)采樣選點。此種方式需人工操作選點。 本設(shè)計選用的是橋式采樣選點機構(gòu)。 （三）SDCY型采制樣裝置介紹 1 概述 SDCY采制樣裝置是在吸收國外先進經(jīng)驗基礎(chǔ)上，根據(jù)國內(nèi)工業(yè)現(xiàn)狀設(shè)計的系列產(chǎn)品，它實現(xiàn)了采取具有代表性子樣的目的。該采樣裝置根據(jù)使用不同，可分為皮帶機頭部、中部采制樣系統(tǒng)和汽車、火車螺旋采制樣系統(tǒng)。整個系統(tǒng)不易堵煤、報警監(jiān)測系統(tǒng)完善，程控特性好，且易于安裝維護。 2 采樣系統(tǒng) 采樣系統(tǒng)的工作過程一般如下：初級采樣機按所編程序每隔一定的時間間隔采集一次子樣，子樣被放入樣品給料機上，給料機將初級樣品連續(xù)均勻地輸入破碎機，破碎機按規(guī)定的粒度要求進行破碎，破碎后的物料經(jīng)過初級采樣機進行二次采樣縮分，最終樣品進入樣品收集器內(nèi)，系統(tǒng)中的余料經(jīng)處理設(shè)備返回到物料流中。 3 汽車螺旋采制樣機系統(tǒng)優(yōu)點 可快速、可靠地采樣，小時取樣能力高達30車； 設(shè)計堅固、緊湊的結(jié)構(gòu)，可使維護量減到最低限度； 全部預(yù)先安裝接線，并經(jīng)過嚴(yán)格的檢測，可節(jié)省現(xiàn)場裝配費用； 可保證均勻的給料流量和減少煤塵及堵塞問題； 一至兩個采樣點，可使余料降到最低限度。 第二章 車運原煤自動采樣系統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計 一、 采樣裝置的PLC 控制系統(tǒng)組成 （一）電源 動力回路：交流380V 三相50HZ 控制回路：交流220V 單相50HZ 采制樣設(shè)備采用獨立的配電系統(tǒng)，系統(tǒng)裝有欠壓、短路、過載、缺相等保護裝置，具有良好的短路，過載及保護功能。裝置的設(shè)備之間裝有可靠的聯(lián)鎖及互鎖功能。 控制系統(tǒng)采用PLC進行編程控制，系統(tǒng)具有現(xiàn)場手動和遠程自動控制兩種方式。現(xiàn)場手動用于調(diào)試，維修和單機啟動。當(dāng)選擇自動工作方式時，采制樣裝置設(shè)備可按規(guī)定程序自動啟動和停止，自動采制樣品；也可以選擇解鎖，由操作人員根據(jù)現(xiàn)場實際情況，有選擇的啟動，停止采制樣系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)具有自動檢索設(shè)備工作狀況的功能，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)在設(shè)備上傳感器的信號，自動檢查設(shè)備工作正常與否，有故障即可報警。報警后鼓掌處上部設(shè)備即可停機，下部設(shè)備按程序延時停止，防止堵煤。 電氣柜面板上設(shè)有用調(diào)整采樣及縮分間隔的定時器，可根據(jù)不同煤種改變定時器的設(shè)定，使PLC自動調(diào)整系統(tǒng)工作，確保采樣的子樣數(shù)，樣品質(zhì)量符合有關(guān)規(guī)定。 （二）操作方式 電氣控制系統(tǒng)采用可編程器和工控機進行聯(lián)合?？蓪崿F(xiàn)自動和手動兩種工作方式。 自動工作方式：將電氣柜控制面板上工作方式選擇開關(guān)置于自動狀態(tài)，按一下系統(tǒng)啟動按鈕，制樣系統(tǒng)自動按順序啟停。啟動過程完成后，如有汽車進入采樣位置，再按一下系統(tǒng)啟動按鈕，采樣系統(tǒng)即自動定位、自動采樣，然后自動都退回原位放料，制樣系統(tǒng)制完樣后自動按順序停機。 手動工作方式：將電氣柜控制面板上工作方式選擇開關(guān)置于手動狀態(tài)， 所有設(shè)備均需用相應(yīng)操作開關(guān)啟停，此方式用于平時維護和檢修。 二、 PLC的工作原理和結(jié)構(gòu)組成 （一）硬件組成 PLC生產(chǎn)廠家很多，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)也各不相同，但它們的基本構(gòu)成相同，都采用計算機結(jié)構(gòu)，如圖2—1所示。由圖可見主要有6個部分組成，包括CPU（中央處理器）、存儲器、輸入/輸出接口電路、電源、外設(shè)接口、I/O擴展接口。 圖2-1 PLC結(jié)構(gòu)示意圖 1. 微處理器(CPU 及其存儲器) PLC 是一種數(shù)字運算的電子設(shè)備,它專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計,微處理器及其存儲器是PLC 的心臟和管理、指揮中心. 系統(tǒng)程序是由廠家編好并存入系統(tǒng)存儲器中,接受用戶通過外設(shè)輸入的用戶程序,并將它們存于用戶程序存儲器中. 進入運行狀態(tài),操作系統(tǒng)先進行自我診斷, 通過后轉(zhuǎn)入用戶程序運行. 經(jīng)過邏輯運算、算術(shù)運算等操作. 并通過數(shù)字式,模擬式的輸出控制各類型的相關(guān)設(shè)備或生產(chǎn)過程。 CPU的主要功能： （1）接收輸入信號，并送入存儲器存儲起來； （2）按存入指令的順序，從存儲器中取出用戶指令進行翻譯； （3）執(zhí)行指令規(guī)定的操作，并將結(jié)果輸出； （4）接收輸入、輸出接口發(fā)來的中斷請求，并進行中斷處理，然后再返回主程序繼續(xù)順序執(zhí)行。 2． 存儲器 存儲器主要功能是存放程序和數(shù)據(jù)。程序是PLC操作的依據(jù)，數(shù)據(jù)是PLC操作的對象。根據(jù)存儲器在系統(tǒng)中的作用，可分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。 （1）系統(tǒng)程序存儲器。系統(tǒng)程序是指對整個PLC系統(tǒng)進行調(diào)度、管理、監(jiān)視及服務(wù)的程序，它決定了PLC的基本智能，使PLC能完成設(shè)計者要求的各項任務(wù)。系統(tǒng)程序存儲器用來存放這部分程序。。 （2）用戶程序存儲器。用戶程序是用戶在各自的控制系統(tǒng)中開發(fā)的程序，是針對具體問題編制的。用戶程序存儲器用來存放用戶程序，以及存放輸入/輸出狀態(tài)、計數(shù)/定時的值、中間結(jié)果等，由于這些程序或數(shù)據(jù)需要經(jīng)常改變、調(diào)試，故用戶程序存儲器多為隨機存儲器（RAM）。 PLC具備了系統(tǒng)程序，才能使用戶有效地使用PLC；PLC系統(tǒng)具備了用戶程序，通過運行才能發(fā)揮PLC的功能。 3. 輸入和輸出接口 輸入、輸出接口電路是PLC與現(xiàn)場I/O設(shè)備相連接的部件。它的作用是將輸入信號轉(zhuǎn)換為CPU能夠接收和處理的信號，將CPU送出的弱電信號轉(zhuǎn)換為外部設(shè)備所需要的強電信號。因此，它不僅能完成輸入、輸出接口電路信號傳遞和轉(zhuǎn)換，而且有效地抑制了干擾，起到了與外部電的隔離作用。 （1）輸入接口電路。輸入接口一般接收按鈕開關(guān)、限位開關(guān)、繼電器觸點等信號。 （2）輸出接口電路。輸出接口電路按照PLC的類型不同一般分為繼電器輸出型、晶體管輸出型和晶閘管輸出型三類，以滿足各種用戶的要求。 4．電源 PLC的電源電路是將交流電源經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓后變換成供PLC的中央處理、存儲器等電子電路工作所需的直流電壓。為保證PLC工作可靠，一般采用的是開關(guān)型穩(wěn)壓電源，其特點是電壓范圍寬、體積小、重量輕、效率高、抗干擾性能好。 5. 通信接口、系統(tǒng)總線 通信接口是人與PLC 進行信息交換的窗口和橋梁,通過它與計算機編程器等相連接,可以將用戶程序送到PLC 的用戶程序存儲器中,從而實現(xiàn)編程、調(diào)試、運行、監(jiān)控等功能. 系統(tǒng)總線把各獨立的功能模塊相互聯(lián)結(jié)起來. （二）軟件組成 PLC 控制系統(tǒng)的軟件主要由系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件、編程語言和編程支持工具軟件等組成。 （三）工作原理 PLC 采用一種叫做循環(huán)掃描的工作方式,在系統(tǒng)軟件的支持下,PLC 對用戶程序逐行進行解釋并加以執(zhí)行,直到用戶程序結(jié)束,然后再返回程序的起始點又開始新一輪的掃描. 掃描一次用戶程序的時間即掃描周期一般為0. 1ms～幾十ms 不等. 但其結(jié)果使人感覺到的效果如同繼電器控制屏一樣. PLC的工作方式為循環(huán)掃描方式。PLC的工作過程大致分為3個階段，即輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新。PLC重復(fù)的執(zhí)行上述3個階段，周而復(fù)始。每重復(fù)一次的時間稱為 一個掃描周期。 （1）輸入采樣 PLC在系統(tǒng)程序控制下以掃描方式順序讀輸入端口的狀態(tài)（如開關(guān)的接通或斷開），并寫入輸入狀態(tài)寄存器，此時輸入狀態(tài)寄存器被刷新。接著轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行期間，即使輸入狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會改變。輸入狀態(tài)的改變只能在下一個掃描周期輸入采樣到來時，才能重新讀入。 （2）程序執(zhí)行 PLC按照梯形圖先左后右，先上后下的順序掃描執(zhí)行每一條用戶程序。執(zhí)行程序時所用的輸入變量和輸出變量，是在相應(yīng)的輸入狀態(tài)寄存器和輸出狀態(tài)寄存器中取用，運算的結(jié)果寫入輸出狀態(tài)寄存器。 （3）輸出刷新 將輸出狀態(tài)寄存器的內(nèi)容傳送給輸出端口，驅(qū)動輸出設(shè)備，這才是PLC的實際輸出。 上述三個階段構(gòu)成了PLC的一個工作周期。實際上PLC的掃描工作還要完成自診斷，與編程器、計算機等通信，如圖2—2所示。如此5個工作階段，構(gòu)成了一個掃描周期。一般掃描時間長短主要取決于程序的長短，通常掃描周期為幾十毫秒。 圖2-2 PLC工作過程圖 （四）PLC 的性能和特點 由于引入了PLC ,使系統(tǒng)較原系統(tǒng)具有如下優(yōu)點: (1) 電控系統(tǒng)中的繼電器邏輯關(guān)系均可用編程器結(jié)合指令進行程序的編制,而且梯形圖與控制電路圖之間的轉(zhuǎn)換十分方便; (2) 在不增加硬件的前提下,可增加許多種保護; (3) 外線路控制執(zhí)行繼電器少,便于維護; (4) 系統(tǒng)內(nèi)部故障可以直接在觸摸顯示屏或編程器上查出,處理方便; (5) 主控臺能準(zhǔn)確提供行程、速度、油壓等數(shù)據(jù),便于司機觀察; (6) 控制精度高、擴展功能強。如需對系統(tǒng)的功能及參數(shù)進行改變,無須更改硬件接線,只要修改內(nèi)部程序即可,真正實現(xiàn)了柔性控制。 （五）編程語言 PLC是專為工業(yè)自動控制開發(fā)的裝置。為利于推廣普及，通常PLC不采用計算機的編程語言，而采用梯形圖語言、助記符語言。除此之外，還可以使用邏輯功能圖，而采用梯形圖、邏輯方程等。有些PLC可使用BASIC、PASCAL、C等高級語言。 1 梯形圖語言 作為一種圖形語言，它將PLC內(nèi)部的各種編程元件和各種具有特定功能的命令用專用圖形符號定義，并按控制要求將有關(guān)圖形符號按一定規(guī)律連接起來，構(gòu)成描述輸入、輸出之間控制關(guān)系的圖形。這種圖形稱為PLC梯形圖。 PLC梯形圖表示的并不是一個實際電路，而是一個控制程序。PLC梯形圖中的繼電器是廣義的，除了有輸出繼電器線圈、內(nèi)部繼電器線圈，而且還有定時器、計數(shù)器以及各種運算等。PLC梯形圖中繼電器的觸點對應(yīng)的是存儲器的存儲單元，在整個程序運行中是對這個信息的讀取、可以多次重復(fù)使用。因此可認(rèn)為PLC內(nèi)部的“軟繼電器”有無數(shù)個常閉或常開觸點供用戶使用，沒有使用壽命的限制，無需用復(fù)雜的程序結(jié)構(gòu)來減少觸點的使用次數(shù)。 PLC梯形圖是串行工作方式，按梯形圖先后順序自左至右，自上而下執(zhí)行，并循環(huán)掃描，不存在幾條并列支路電器同時動作因素。如果邏輯繼電器狀態(tài)改變時，其許多觸點只有被掃描的觸點才會工作。這種串行工作方式可以在梯形圖設(shè)計時減少許多有約束關(guān)系的連鎖電路，使電路設(shè)計簡化。 2 助記符語言 助記符語言類似于計算機的匯編語言。它采用一些簡潔易記的文字符號表示各種程序指令，與梯形圖語言相互對應(yīng)，而且可以相互轉(zhuǎn)換。梯形圖語言雖然直觀、方便、易懂，但必須配有較大的顯示器才能輸入圖形，一般多用于計算機編程環(huán)境中。而助記符語言常用于手持編程器，可以通過輸入助記符語言在生產(chǎn)現(xiàn)場編制、調(diào)試程序。 助記符語言包含2個部分，即：操作碼、操作數(shù)。操作碼表明該條指令應(yīng)執(zhí)行的操作種類，如數(shù)據(jù)傳送、算術(shù)運算、邏輯運算等；操作數(shù)一般由標(biāo)識符和參數(shù)組成。標(biāo)識符表明輸入繼電器、輸出繼電器、計數(shù)器、定時器等；參數(shù)可以是一個常數(shù)，如計數(shù)器、定時器的設(shè)定值等。與計算機相比，PLC的硬件、軟件體系結(jié)構(gòu)都是封閉的，而不是開放的。因此，各廠家生產(chǎn)的PLC除梯形圖相似，指令系統(tǒng)并不一致，使PLC互不兼容。 三、PLC的選擇 隨著PLC的推廣普及，PLC產(chǎn)品的種類和數(shù)量越來越多，而且功能也日趨完善。近年來，從美國、日本、德國等國引進的PLC產(chǎn)品及國內(nèi)廠家組裝或自行開發(fā)的產(chǎn)品已有幾十個系列、上百種型號。PLC的品種繁多，其結(jié)構(gòu)型式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方法、價格等各不相同，適用場合也各有側(cè)重。因此，合理選擇PLC，對于提高PLC在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用起著重要作用。 根據(jù)PLC結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC主要可分為整體式和模塊式兩類。 模塊式結(jié)構(gòu)的PLC是由一些模塊單元構(gòu)成，如CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊和各種功能模塊等，將這些模塊插在基板上即可。各模塊功能是獨立的，外形尺寸是統(tǒng)一的，可根據(jù)需要靈活配置。因此，較復(fù)雜的、要求較高的系統(tǒng)一般選用模塊式的PLC。 據(jù)系統(tǒng)的控制要求可以得知需設(shè)置26個輸入量，16個輸出量，選用輸入點數(shù)為48、輸出點數(shù)為32的CQM1H—CPU21--E型可編程控制器即可滿足要求。因此，選擇為模塊式的PLC。輸入器件和CQM1H—CPU21--E型可編程控制器輸入點的分配如表所示。 表2-1 輸入信號 序號 名稱 符號 1 半自動 SA1 2 自動 SA1 3 系統(tǒng)啟動 SB1 4 系統(tǒng)停止 SQ2 5 大車原位1 SQ8 6 大車計數(shù) SQ9 7 小車原位 SQ10 8 小車計數(shù) SQ11 9 采樣頭原位 SQ12 10 螺旋采樣頭計數(shù) SQ13 11 汽車定位開關(guān) KB 12 電鈴按鈕 SB3 13 急停 SB4 14 大車前進把手 SA2 15 大車后退把手 SA2 16 小車前進把手 SA2 17 小車后退把手 SA2 18 采樣頭上升把手 SA3 19 采樣頭下降把手 SA3 20 采樣頭料門開把手 SA3 21 采樣頭料門關(guān)把手 SA3 22 采樣頭正轉(zhuǎn)按鈕 SB5 23 采樣頭反轉(zhuǎn)按鈕 SB5 24 過載保護 FR2 25 大車原位2 SQ14 26 破碎選擇 SA4 表2-2 輸出信號 序號 名稱 符號 1 采樣頭料門開 SQ1 2 采樣頭料門關(guān) SQ2 3 電鈴 B 4 大車前進 SQ3 5 大車后退 SQ4、SQ5 6 采樣頭下降 KM3 7 采樣頭上升 KM3F 8 采樣頭正轉(zhuǎn) KM4 9 采樣頭反轉(zhuǎn) KM4F 10 小車前進 SQ6 11 小車后退 SQ7 12 擋車器抬 KA1 13 擋車器放 KA2 14 電源 HL1 15 大車后退破碎 SQ4 16 大車后退不破碎 SQ5 （一）機型選擇 PLC機型選擇的基本原則是，在功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護使用最方便以及性能價格比的最優(yōu)化機型。 在工藝過程比較固定、環(huán)境條件較好（維修量較?。┑膱龊?，建議選用整體式結(jié)構(gòu)的PLC；其它情況則最好選用模塊式結(jié)構(gòu)的PLC。 對于開關(guān)量控制以及以開關(guān)量控制為主、帶少量模擬量控制的工程項目中，一般其控制速度無須考慮，因此，選用帶Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換、Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換、加減運算、數(shù)據(jù)傳送功能的低檔機就能滿足要求。 而在控制比較復(fù)雜，控制功能要求比較高的工程項目中（如要實現(xiàn)PID運算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等），可視控制規(guī)模及復(fù)雜程度來選用中檔或高檔機。其中高檔機主要用于大規(guī)模過程控制、全PLC的分布式控制系統(tǒng)以及整個工廠的自動化等。根據(jù)不同的應(yīng)用對象。 對于一個大型企業(yè)系統(tǒng)，應(yīng)盡量做到機型統(tǒng)一。這樣，同一機型的PLC模塊可互為備用，便于備品備件的采購和管理；同時，其統(tǒng)一的功能及編程方法也有利于技術(shù)力量的培訓(xùn)、技術(shù)水平的提高和功能的開發(fā)；此外，由于其外部設(shè)備通用，資源可以共享，因此，配以上位計算機后即可把控制各獨立系統(tǒng)的多臺PLC聯(lián)成一個多級分布式控制系統(tǒng)，這樣便于相互通信，集中管理。 （二）輸入／輸出的選擇 PLC是一種工業(yè)控制系統(tǒng)，它的控制對象是工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程，工作環(huán)境是工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場。它與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系是通過I／O接口模塊來實現(xiàn)的。 通過I／O接口模塊可以檢測被控生產(chǎn)過程的各種參數(shù)，并以這些現(xiàn)場數(shù)據(jù)作為控制信息對被控對象進行控制。同時通過I／O接口模塊將控制器的處理結(jié)果送給被控設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程，從而驅(qū)動各種執(zhí)行機構(gòu)來實現(xiàn)控制。PLC從現(xiàn)場收集的信息及輸出給外部設(shè)備的控制信號都需經(jīng)過一定距離，為了確保這些信息的正確無誤,PLC的I／O接口模塊都具有較好的抗干擾能力。 根據(jù)實際需要，一般情況下，PLC都有許多I／O接口模塊，包括開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊以及其它一些特殊模塊，使用時應(yīng)根據(jù)它們的特點進行選擇。 1 確定I／O點數(shù) 根據(jù)控制系統(tǒng)的要求確定所需要的I／O點數(shù)時，應(yīng)再增加10％～20％的備用量，以便隨時增加控制功能。對于一個控制對象，由于采用的控制方法不同，I／O點數(shù)也有所不同。 2 開關(guān)量輸入／輸出 通過標(biāo)準(zhǔn)的輸入／輸出接口可從傳感器和開關(guān)（如按鈕、限位開關(guān)等）及控制（開／關(guān)）設(shè)備（如指示燈、報警器等）接收信號。典型的交流輸入／輸出信號為24～240Ｖ，直流輸入／輸出信號為5～240Ｖ。 盡管輸入電路因制造廠家不同而不同，但有些特性是相同的。如用于消除錯誤信號的抖動電路；免于較大瞬態(tài)過電壓的浪涌保護電路等。此外，大多數(shù)輸入電路在高壓電源輸入和接口電路的控制邏輯部分之間都設(shè)有可選的隔離電路。 3 模擬量輸入／輸出 模擬量輸入／輸出接口一般用來感知傳感器產(chǎn)生的信號。這些接口可用于測量流量、溫度和壓力，并可用于控制電壓或電流輸出設(shè)備。這些接口的典型量程為－10～＋10Ｖ、0～＋10Ｖ、4～20ｍＡ或10～50ｍＡ。 從上面分析可以知道，系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點25個、開關(guān)量輸出點15個：模擬量輸入點1個，模擬量輸出點1個。參照歐姆龍系列產(chǎn)品目錄及市場實際價格，選用主機為CQM1H-CPU21-E型，加上兩臺輸入擴展模塊和一臺輸出擴展模塊。這樣的配置是最經(jīng)濟的。 （三）　ＰＬＣ存儲器類型及容量選擇 ??? PLC系統(tǒng)所用的存儲器基本上由ＰＲＯＭ、Ｅ-ＰＲＯＭ及ＰＡＭ三種類型組成，存儲容量則隨機器的大小變化，一般小型機的最大存儲能力低于6ｋＢ，中型機的最大存儲能力可達64ｋＢ，大型機的最大存儲能力可上兆字節(jié)。使用時可以根據(jù)程序及數(shù)據(jù)的存儲需要來選用合適的機型，必要時也可專門進行存儲器的擴充設(shè)計。 PLC的存儲器容量選擇和計算的第一種方法是：根據(jù)編程使用的節(jié)點數(shù)精確計算存儲器的實際使用容量。第二種為估算法，用戶可根據(jù)控制規(guī)模和應(yīng)用目的，按照相應(yīng)的公式來估算。為了使用方便，一般應(yīng)留有25％～30％的裕量，獲取存儲容量的最佳方法是生成程序，即用了多少字。知道每條指令所用的字?jǐn)?shù)，用戶便可確定準(zhǔn)確的存儲容量。 在本設(shè)計中，由于環(huán)境條件較差，維修量較大，所以選用模塊式結(jié)構(gòu)的PLC。本系統(tǒng)是以開關(guān)量控制為主、帶少量模擬量控制的項目，其控制速度無須考慮，因此，選用帶Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換、Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換、加減運算、數(shù)據(jù)傳送功能的低檔機就能滿足要求。根據(jù)控制系統(tǒng)的要求確定所需要的I／O點數(shù)分配為：輸入點數(shù)為26、輸出點數(shù)為16。所以，選用輸入點數(shù)為48、輸出點數(shù)為32的CQM1H—CPU21--E型的模塊式可編程控制器即可滿足要求。 四、CPU模塊型式及電源模塊型式規(guī)格 表2-3 CPU模塊規(guī)格 CPU模塊型式 CQM1—CPU21型 輸入/出點數(shù) 最大128 控制方式 存儲程序方式 輸入/出控制方式 循環(huán)掃描方式/晶體管輸出，中斷處理 程序語言 梯形圖方式 指令長度 1步/1指令，1—4WORD指令 指令種類 118種（基本指令14種，應(yīng)用指令104種） 指令處理時間 基本指令0.5-1.5us（LD指令：0.5us，TIM指令：1.5us）應(yīng)用指令數(shù)10us（MOV指令：23.5us 程序容量（內(nèi)藏RAM） 用戶程序記憶：3.2K word 資料記憶：6Kword 中斷輸入 4點（IN0000-00003） 停電保持功能 保持電驛（HR）補助電驛（AR）資料記憶（DM）記時（RTC）內(nèi)容保持 電池壽命 電池有效期5年 沒有通電時記憶時間因周圍溫度不同有差異 電池有異常時燈會亮，請在一周內(nèi)更換（更換電池時間：5分鐘內(nèi)） 自診斷功能 CPU異常（WDT）、記憶復(fù)查、I/O BUS檢查、電池異常 上位Link異常、CPU BUS 異常 表2-4 輸入模塊規(guī)格 類別 DC輸入 型式 CQM1-CPU11/21型 輸入點數(shù) 16點 輸入電壓 DC24V+10%-15% 輸入電流TYP.D24V IN04/05 10mA 其他6mA 輸入穩(wěn)定性 IN04/05 2.2k其他3.9k 動用電壓 ON電壓 最小DC14.4 OFF電壓 最大DC5.0V 輸入應(yīng)答時間 ON響應(yīng) 8ms以下 OFF響應(yīng) 8ms以下 絕緣方式 光電耦合方式 輸入顯示 LED 外部連接 端子臺 共同點數(shù) 16點/共用 表2-5 輸出模塊規(guī)格 類型 型式 輸出點數(shù) 最大開關(guān)能力 最小開關(guān)能力 輸出響應(yīng)時間 輸出顯示 外部連接 漏電電流 1共通點數(shù) 保險絲 外部供給電源容量 內(nèi)部消耗電流 (DC5V) ON 響應(yīng) OFF 響應(yīng) 晶體管輸出 CQM1- OC222 型 16點 AC250 2A(COS =1) AC250 2A(COS =0,4 DC24V 2A(8A/模塊) DC5V 10MS 10mA 以下 5mA 以下 LED 端子臺 16點/共用 850mA以下 表2-6 電源模塊規(guī)格 電源模塊型式 CQM1-PA206型 電源電壓/頻率 AC100—240V 50/60Hz 容許電壓變動范圍 AC85-264V 消耗電力 120VA以下 電源輸出容量 總共30W DC5V：6A D24V：0.5A 絕緣阻抗 電源模塊AC外部端子和GR端子間20M以上(在DC500VMega) 耐電壓 電源模塊AC外部端子和GR端子間AC 2300 50/60Hz一分鐘,漏電電流10m以后 電源模塊DC外部端子和GR端子間AC 1000V 50/60Hz 一分鐘,漏電電流20mA以下 抗干擾 1500Vpp脈沖幅寬100ns-1s脈沖(根據(jù)干擾模擬器 五、變頻器的選型 （一） 概述 變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機無級調(diào)速的需要而誕生的。20世紀(jì)60年代以后，電力電子器件經(jīng)歷了SCR（晶閘管）、GTO（門極可關(guān)斷晶閘管）、BJT（雙極型功率晶體管）、MOSFET（金屬氧化物場效應(yīng)管）、SIT（靜電感應(yīng)晶體管）、SITH（靜電感應(yīng)晶閘管）、MGT（MOS控制晶體管）、MCT（MOS控制晶閘管）、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、HVIGBT（耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管）的發(fā)展過程，器件的更新促進了電力電子變換技術(shù)的不斷發(fā)展。20世紀(jì)70年代開始，脈寬調(diào)制變壓變頻（PWM－VVVF）調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20世紀(jì)80年代，作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問題吸引著人們的濃厚興趣，并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世紀(jì)80年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達國家的VVVF變頻器已投入市場并獲得了廣泛應(yīng)用。 隨著中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，變頻調(diào)速在頻率范圍、動態(tài)響應(yīng)、調(diào)速精度、低頻恒轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)差補償、通信功能、智能控制、功率因數(shù)、工作效率和使用方便等方面是以往的交流調(diào)速方式無法比擬的，它具有能用性強、拖動領(lǐng)域?qū)?、保護功能完善、可靠性高及操作簡便等優(yōu)點、深受鋼鐵、冶金、礦山、石油、化工、醫(yī)藥、紡織、機械、電力、輕工、建材、造紙、印刷、卷煙和來水等行業(yè)的歡迎，社會效益非常顯著。 U/f=C的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制方式的特點是控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 變頻器是運動控制系統(tǒng)中的功率變換器。當(dāng)今的運動控制系統(tǒng)包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，總的發(fā)展趨勢是：驅(qū)動的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因此，變頻器作為系統(tǒng)的重要功率變換部件，提供可控的高性能變壓變頻的交流電源而得到迅猛發(fā)展。 隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器的性能價格比越來越高，體積越來越小，而廠家仍然在不斷地提高可靠性實現(xiàn)變頻器的進一步小型輕量化、高性能化和多功能化以及無公害化而做著新的努力。變頻器性能的優(yōu)劣，一要看其輸出交流電壓的諧波對電機的影響；二要看對電網(wǎng)的諧波污染和輸入功率因數(shù)；三要看本身的能量損耗（即效率）如何。 通常，把電壓和頻率固定不變的工頻交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設(shè)備首先要把電源的交流電變換為直流電（DC），這個過程叫整流。把直流電（DC）變換為交流電（AC）的裝置，其科學(xué)術(shù)語為“inverter”(逆變器)。一般逆變器是把直流電源逆變?yōu)橐欢ǖ墓潭l率和一定電壓的逆變電源。對于逆變?yōu)轭l率可調(diào)、電壓可調(diào)的逆變器我們稱為變頻器。變頻器輸出的波形是模擬正弦波，主要是用在三相異步電動機調(diào)速用，又叫變頻調(diào)速器由于變頻器設(shè)備中產(chǎn)生變化的電壓或頻率的主要裝置叫“inverter”，故該產(chǎn)品本身就被命名為“inverter”，即：變頻器。 （二） 變頻器的分類 1 變頻器按其供電電壓分為：常壓變頻器(220V／380V／400V／690V)，中高壓變頻器1.4KV／2.3KV／3.3KV／4.16KV／6KV／6.6KV／1OKV)。 2 變頻器按其控制方式分為：V／f控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制三種。 3 變頻器按其功能分為：恒轉(zhuǎn)矩變頻器、恒功率變頻器、平方轉(zhuǎn)矩型變頻器、高性能通用變頻器、專用變頻器等。 4 變頻器按有無中間直流環(huán)節(jié)分為：交一交變頻器和交一直一交變頻器。 5 變頻器按中間直流源的性質(zhì)分為：電流型變頻器和電壓型變頻器。 6 變頻器按其輸出功率大小分為：小功率變頻器、中功率變頻器和大功率變頻器。 （三） 變頻器的合理選用 1 變頻調(diào)速原理 異步電動機的轉(zhuǎn)速總是小于其同步轉(zhuǎn)速。異步電動機的同步轉(zhuǎn)速是由其磁極對數(shù)和電源頻率所決定的。軸轉(zhuǎn)速公式： n=60f(1-S)／p （2.1） 式中，f-供電頻率(Hz)；P-定子繞組的磁極對數(shù)，如4極電機P=2，8極電機P=4；S-轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率， n-同步轉(zhuǎn)速，r／min；n-異步電動機轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速，r／min。同步轉(zhuǎn)速no=6Of／P，例如，f=50Hz，P=2，no=1500 r／min。如果該電動機的空載轉(zhuǎn)率差S=0.00267，該電動機的空載轉(zhuǎn)速為： n=no(1—0.00267)=1500(1—0.00267)=1496 r／min。 調(diào)節(jié)參數(shù)f、s和P中的任意一個，即可達到改變異步電動機轉(zhuǎn)速而對異步電動機進行調(diào)速控制的目的。變頻器就是一個可以任意改變頻率f和輸出電壓可調(diào)的交流電源。 2 變頻器功率的選用 變頻器負(fù)載率B與效率 的關(guān)系：當(dāng)fl=5o％時，11=94％；當(dāng)fl=mo％時，11：96％。雖然 增加1倍，僅增加2％，但對大功率(如幾百kW 至幾千kW)電動機而言還是可觀的。系統(tǒng)效率等于變頻器效率與電動機效率的乘積，只有兩者都處在較高的效率下工作時，則系統(tǒng)效率才較高。從效率角度出發(fā)，在選用變頻器功率時，要注意以下幾點： (1)變頻器功率值與電動機功率值相同時最合適，以利于變頻器在高效率狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。 (2)在變頻器的功率分級與電動機功率分級不相同時，則變頻器的功率要盡可能接近電動機的功率，并且應(yīng)略大于電動機的功率。 (3)當(dāng)電動機屬頻繁起動、制動工作或處于重載起動且較頻繁工作時，可選取功率大一級的變頻器，以利于變頻器長期、安全地運行。 (4)經(jīng)測試，電動機實際功率確實有富余，可以考慮選用功率小于電動機功率的變頻器，但要注意瞬時峰值電流是否會造成過電流保護動作。 (5)當(dāng)變頻器與電動機功率不相同時，則必須相應(yīng)調(diào)整節(jié)能程序的設(shè)置，以達到較好的節(jié)能效果。 3 根據(jù)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的控制方式選用通用變頻器 由通用變頻器和異步電動機構(gòu)成的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種方式。 (1)開環(huán)控制方式。一般采用普通功能的v／f控制通用變頻器。 (2)閉環(huán)控制方式。一般采用帶PID控制器的v／f控制通用變頻器運行。 4 選型原則 首先要根據(jù)機械對轉(zhuǎn)速(最高、最低)和轉(zhuǎn)矩(起動、連續(xù)及過載)的要求，確定機械要求的最大輸入功率(即電機的額定功率最小值)。有經(jīng)驗公式： P=nT/9950(kW) （2.2） 式中:P——機械要求的輸入功率(kW)； n——機械轉(zhuǎn)速(m/s)； T——機械的最大轉(zhuǎn)矩(N·m)。 (1) 小車 由式（2.2），得 所以，選定小車得驅(qū)動電機功率為。 （2）大車 由式（2.2），得 所以，選定大車的驅(qū)動電機功率為。 然后，選擇電機的極數(shù)和額定功率。電機的極數(shù)決定了同步轉(zhuǎn)速，要求電機的同步轉(zhuǎn)速盡可能地覆蓋整個調(diào)速范圍，使連續(xù)負(fù)載容量高一些。為了充分利用設(shè)備潛能，避免浪費，可允許電機短時超出同步轉(zhuǎn)速，但必須小于電機允許的最大轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)矩取設(shè)備在起動、連續(xù)運行、過載或最高轉(zhuǎn)速等狀態(tài)下的最大轉(zhuǎn)矩。最后，根據(jù)變頻器輸出功率和額定電流稍大于電機的功率和額定電流的原則來確定變頻器的參數(shù)與型號。 需要注意的是，變頻器的額定容量及參數(shù)是針對一定的海拔高度和環(huán)境溫度而標(biāo)出的，一般指海拔1000m以下，溫度在40℃或25℃以下。若使用環(huán)境超出該規(guī)定，則在確定變頻器參數(shù)、型號時要考慮到環(huán)境造成的降容因素。選擇時應(yīng)按實際的負(fù)載特性，以滿足使用要求為準(zhǔn)。 5 變頻器容量的確定 (1)基本原則 選擇通用變頻器時，應(yīng)以電動機的額定電流和負(fù)載特性為依據(jù)選擇通用變頻器的額定容量。通用變頻器的額定容量各個l生產(chǎn)廠商的定義有些差異，通常以不同的過載能力，如125％ 、持續(xù)1min或150％、1min為標(biāo)準(zhǔn)確定額定允許輸出電流。由于通用變頻器輸出中包含諧波成分，其電流有所增力l1．J缸適當(dāng)考慮J Jll大容 當(dāng)電動機屬頻繁啟動、制動工作或處于雨載起動兒較頓繁工作時，町選取大一檔的通用變頻器．以利于通用變頻器K期、安全地運行。其次應(yīng)考慮最大和最小運行速度極限，滿載低速運行時電動機可能過熱。所選通用變頻器應(yīng)有可沒定下限頻率及加速和減速時間的功能，以防止低于該頻率下運行， (2)通用變頻器輸出端允許連接的電纜長度是有限制的，若要長電纜運行時，或控制幾臺電動機時，應(yīng)采取措施抑制對地耦合電容的影響，并應(yīng)放大一、兩檔選擇變頻器容量或在變頻器的輸出端選擇安裝輸出電抗器。另外，在此種情況下變頻器的控制方式只能為U／f控制方式，并且變頻器無法實現(xiàn)對電動機的保護，需在每臺電動機上加裝熱繼電器實現(xiàn)保護。 (3)對于一些特殊的應(yīng)用場合，如環(huán)境溫度高、海拔高度高于lkm等，會引起通用變頻器過電流，選擇的變頻器容量需放大一檔。 (4)通用變頻器用于控制高速電動機或繞線轉(zhuǎn)子異步電動機時，由于此類電動機的電抗小，會引起較多的諧波，這些諧波會使變頻器的輸出電流值增加。因此，選擇的變頻器容量應(yīng)比拖動普通電動機的變頻器容量稍大一些。 (5)通用變頻器用于變極電動機時，應(yīng)充分注意選擇變頻器的容量，使電動機的最大運行電流小于變頻器的額定輸出電流。另外，在運行中進行極數(shù)轉(zhuǎn)換時，應(yīng)先停止電動機工作，否則會造成電動機空載加速，嚴(yán)重時會造成變頻器損壞。 (6)通用變頻器用于驅(qū)動同步電動機時，與工頻電源相比會降低輸出容量10％-20％，變頻器的連續(xù)輸出電流要大于同步電動機的額定電流。 (7)通用變頻器用于壓縮機、振動機等轉(zhuǎn)矩波動大的負(fù)載及油壓泵等有功率峰值的負(fù)載，有時按照電動機的額定電流選擇變頻器可能發(fā)生因峰值使過電流保護動作的情況。因此，應(yīng)選擇比其在工頻運行下的最大電流更大的運行電流作為選擇變頻器容量的依據(jù)。 (8)通用變頻器用于驅(qū)動潛水泵電動機時，因為潛水泵電動機的額定電流比通常電動機的額定電流大，所以選擇變頻器時，其額定電流要大于潛水泵電動機的額定電流。 (9)通用變頻器用于驅(qū)動羅茨風(fēng)機或特種風(fēng)機時，由于其起動電流很大，所以選擇變頻器時一定要注意變頻器的容量是否足夠大。 (10)加速時間有特殊要求時，應(yīng)該核算通用變頻器的容量。如不能滿足要求時，則要加大一檔通用變頻器的容量。為了保證加速時間不受防失速功能的影響，應(yīng)增大通用變頻器的容量以加大其輸出電流的能力，最好也同時加大電動機的容量。 6 變頻器選型計算 （1）小車： 變頻器2驅(qū)動一臺電動機，必須同時滿足： 負(fù)載輸出： （2.3） 容量（KVA） 電動機容量： 變頻器容量（KVA） （2.4） 容量（KVA） 電動機電流： 變頻器額定電流（A） （2.5） 額定電流 所以選用的變頻器是日本安川電機通用變頻器VS—616G3PLUS系列400V級，該變頻器的型號是CIMR—G3A42P2 , 滿足條件： 最大的適配電機容量為2.2KW 輸出容量為：4.1KVA， 額定輸出電流為：4.8A ， 最大連續(xù)輸出電流為：5.4A 。 （2）大車： 變頻器1驅(qū)動兩臺電動機，要求保證變頻器的額定輸出電流大于所有電動機額定電流的總和。 過載能力150%，電機加速時間一分鐘以內(nèi)時，要滿足的驅(qū)動時容量： 容量×1.5（KVA） （2.6） 4.94KVA≤1.5 × 容量 3.29KVA ≤ 容量 還要滿足電動機電流： 額定電流（A） （2.7） 2額定電流 5.27A≤額定電流 所以選用的變頻器是日本安川電機通用變頻器VS—616G3PLUS系列400V級，該變頻器的型號是CIMR—G3A42P2 ， 滿足條件： 最大的適配電機容量為2.2KW 輸出容量為：4.1KVA， 額定輸出電流為：4.8A 最大連續(xù)輸出電流為：5.4A 。 （四） 變頻器的控制方式 三相籠型異步電動機的轉(zhuǎn)速公式為： （2.8） 式中：為電動機同步轉(zhuǎn)速，為極對數(shù)，為轉(zhuǎn)差率，為供電電源頻率。 對三相籠型異步電動機來講，調(diào)速的方法有三種：改變極對數(shù)的變極調(diào)速，改變轉(zhuǎn)差率的降壓調(diào)速和改變電動機供電電源頻率的變頻調(diào)速。 1. 控制 異步電動機的轉(zhuǎn)速由電源頻率和極對數(shù)決定，所以改變頻率，電動機就可以調(diào)速運轉(zhuǎn)。但是頻率改變時，電動機內(nèi)部阻抗也改變。僅改變頻率，將會產(chǎn)生由弱勵磁引起的轉(zhuǎn)矩不足或由過勵磁引起的磁飽和現(xiàn)象，使電動機功率因數(shù)和效率顯著下降。 控制是這樣一種控制方式，即改變頻率的同時控制變頻器輸出電壓，使電動機的磁通保持一定，在較廣泛的范圍內(nèi)調(diào)速運轉(zhuǎn)時，電動機的功率因數(shù)和效率不下降。這就是控制電壓與頻率之比，所以稱為控制。 作為變頻器調(diào)速控制方式，控制比較簡單，現(xiàn)多用于通用變頻器。 2. 矢量控制 它是將供給異步電動機的定子電流在理論分成兩部分；產(chǎn)生磁場的電流分量和與磁場相垂直，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量。該磁場電流、轉(zhuǎn)矩電流與直流電動機的磁場電流、電樞電流相當(dāng)。 3. 各種控制方式的變頻器特性比較 ⑴ 控制變頻器特點 它是最簡單的一種控制方式，不用選擇電動機，通用性優(yōu)良。 與其他控制方式相比，在低速區(qū)內(nèi)電壓調(diào)整困難，故調(diào)速范圍窄，通常在1：10左右的調(diào)速范圍內(nèi)使用。 急加速、減速或負(fù)載過大時，抑制過電流能力有限。 不能精密控制電動機的實際速度，不適合于同步運轉(zhuǎn)場合。 ⑵ 矢量控制變頻器的特點 需要使用電動機參數(shù)，一般用做專用變頻器。 調(diào)速范圍在1：100以上。 速度響應(yīng)性極高，適合于急加速、減速運轉(zhuǎn)，能適用任何場合。 因此，經(jīng)比較分析，本設(shè)計選用的變頻器使用控制方式，從而使控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足控制系統(tǒng)的調(diào)速要求。