毕业设计（论文）基于PLC的变频调速控制系统设计.doc

摘要现代科学是一个以自动化设备控制系统为核心的工业科学。工业自动化技术对工业生产过程实现测量、控制、优化和决策，使企业实现“好、省、多、快”，提升企业的市场竞争力。因此“国家中长期科技发展规划”已明确规定，工业自动化技术是21世纪现代装备制造业中最重要的科学工业技术之一，而PLC占据主导地位。PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。本次基于CompactLogix风动模型控制器的设计，主要内容是对PLC进行了研究，通过搭建DeviceNet网络，通过对CompactLogix可编程逻辑控制器编程，控制PowerFlex变频器来驱动风机模型，风机转动改变模型箱的压强，从而使小球运动并悬浮于某一设定位置。通过模型中小球的运动趋势来展现了抽象的运动控制，使得能够更直观的看到运动控制的功效。关键词：CompactLogix、变频控制、自动化、风机summaryModern science is a scientific industry as the core of automation equipment control system. Industrial automation technology achieves measurement, control, optimization and decision for industrial producing process. And makes enterprises realize "good, province, much and fast", and improve enterprises market competitiveness. So the nation medium and long-term science technology development plan has definitely stipulated that industrial automation is one of the most important scientific technologyin Modern equipment manufacturing dustry in the 21st century, and PLC dominates at that.1 绪论1.1 研究背景随着世界的快速发展和科技的不断进步，越来越多的工业控制都采用自动控制技术，以实现快速、高效的生产。而以可编程逻辑控制器为核心的自动控制系统的应用工更为广泛，其中包括钢铁、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职业，运用情况大致可概括为如下几类：开关量的逻辑操控：这是PLC最基本、最广泛的使用领域，它替代传统的继电器电路，完结逻辑操控、按次操控，既可用于单台设备的操控，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装出产线、电镀流水线等。模拟量操控：在工业出产进程傍边，有许多接连改变的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程操控器处置模拟量，必须完结模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D变换及D/A变换。PLC厂家都出产配套的A/D和D/A变换模块，使可编程操控器用于模拟量操控。运动操控：PLC可以用于圆周运动或直线运动的操控。从操控组织装备来说，早期直接用于开关量I/O模块衔接方位传感器和执行组织，如今普通运用专用的运动操控模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴方位操控模块。世界上各首要PLC厂家的产物简直都有运动操控功用，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。进程操控：进程操控是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环操控。作为工业操控计算机，PLC能编制各式各样的操控算法顺序，完结闭环操控。PID调理是普通闭环操控系统中用得较多的调理办法。大中型PLC都有PID模块，当前许多小型PLC也具有此功用模块。PID处置普通是运转专用的PID子顺序。进程操控在冶金、化工、热处置、锅炉操控等场合有十分广泛的使用。数据处置：现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据变换、排序、查表、位操作等功用，可以完结数据的收集、剖析及处置。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比拟，完结必定的操控操作，也可以使用通讯功用传送到另外智能设备，或将它们打印制表。数据处置普通用于大型操控系统，如无人操控的柔性制造系统；也可用于进程操控系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型操控系统。通讯及联网：PLC通讯含PLC间的通讯及PLC与其它智能设备间的通讯。跟着计算机操控的开展，工厂自动化网络开展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通讯功用，纷繁推出各自的网络系统。新近出产的PLC都具有通讯接口，通讯十分便利。由此可知，可编程逻辑控制系统已渗透到工业各个领域，不管是大型工业，还是中小型工业，都离不开此系统。1.2 风动控制系统风机是把机械能变为气体的势能和动能的一种流体机械动力设备。风机产品的技术水平，从20世纪50年代开始仿制阶段，生产制造一般离心通风机和轴流通风机，60年代到70年代开始独立设计和组织行业联合设计，先后自行设计制造了大型通风机，离心鼓风机，罗茨鼓风机及离心压缩机。行业联合设计了11个系列109个规格的离心通风机，大部分已作为国家推广的高效节能铲平，至今仍在大量生产制造。80年代为引进、吸收和创新阶段，使我国风机工业发生了深刻变化，引进的先进技术得到了消化，形成了一定的生产能力。进入90年代实现了国产化零的突破。风机分类可以按气体流动的方向，分为离心式、轴流式、斜流式（混流式）和横流式等类型。而按照用途划分可以分为：轴流风机、混流风机、屋顶风机、空调风机等。而以风机为主体的风动模型，则是一种通过改变风机转动的机械能，从而改变气体的势能的系统，以达到对控制对象实现控制的目的。以风机为主体的风动设备广泛应用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却；锅炉和工业炉窑的通风和引风；空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风；谷物的烘干和选送；风洞风源和气垫船的充气和推进等。1.3 PLC特点及其在工业中的应用随着计算机技术的发展，存储逻辑开始进入工业控制领域。可编程序控制器作为通用工业控制计算机，是存储逻辑在工业应用的代表性成果。近30年来，可编程序控制器不断发展更新，功能日益强大，已经成为工业自动化技术的三大支柱之一。1.3.1 特点PLC是以继电-接触器控制为基础，融入了计算机技术，以适应工业环境下使用为背景研制开发的新一代工业控制器，因而它具有如下的特点：(1) 编程方便、接线简单，容易实现被控对象的控制要求PLC可用与继电器控制线路相似的梯形图语言表达控制过程，程序表达简单、直观，通过编程器把程序写入存储器中，方便用户维修程序；PLC为用户提供了丰富的指令，容易实现被控对象的控制要求。由于有相应的I/O接口，只需要进行输入/输出信号线的连接，不需要考虑控制过程，因而接线简单。(2) 可靠性高、抗干扰能力强工业控制可靠性最为重要，PLC专为工业环境使用而设计，在硬件上，采用了电磁屏蔽、滤波、光电隔离等一系列抗干扰措施；在软件上，采取了故障检测、信息保护和恢复、设置警戒时钟、加强对程序的检查和校验、对程序和动态数据进行电池后备等措施，进一步提高其可靠性和抗干扰能力。使其可以直接安装于工业现场稳定可靠地运行。(3) 通用性好、应用灵活PLC产品均已系列化，型号多，品种齐全，还有各种功能模块，用户可以根据控制要求方便地选用适合的模块，做硬件结构上的组合和扩展，以满足各种控制系统的要求。(4) 功能强PLC除了能完成逻辑控制，计时、计数、算术运算等功能外，还可以实现模拟量控制、顺序控制、位置控制、高速计数和网络通信等功能，合理配置PLC，还可实现多机“群控”系统和一台计算机对多台PLC进行集中管理分散控制的“分布式控制”系统。(5) 控制系统工程周期短设计、安装、调试方便。PLC采用软件编程序方式实现控制功能的表达，即使是非常复杂的控制，也可用方便的指令实现。编写的程序可以初步模拟调试好后，才用于现场。制作工程的过程中，编程序和现场设备安装可同时进行，大大缩短了工程周期，提高了工作效率。(6) 维护、维修方便PLC有完善的自诊断功能，能检测出自身的故障，能对其内部工作状态、通信状态、异常状态和I/O状态进行显示，工作人员可通过这些显示查出故障，迅速处理。PLC接线少，更换元件方便。1.3.2 PLC在工业中的应用PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。在当今的工业界，只要涉及控制的地方，都离不开PLC这个核心大脑，它在工业中的应用大概可以分为两个领域：其一为单机控制为主的一切设备自动化领域，比如：包装机械、印刷机械、纺织机械、注塑机械、自动焊接设备、隧道盾构设备、水处理设备、切割、多轴磨床、冶金行业的辊压、连铸机械.太多了，这些设备的所有动作，加工都需要靠依据工艺设定在PLC内的程序来指导执行和完成，就如人的大脑。其二为过程控制为主的流程自动化行业，比如污水处理、自来水处理、楼宇控制、火电主控、辅控、水电主控、辅控、冶金行业、太阳能、水泥、石油、石化、铁路交通.也太多了。这些行业所有设备的连续生产运行，总存在许多的监控点和大量的实时参数，而要监视、控制、和采集这些流程参数和相关的工艺设备，也必须依靠PLC这个大脑来完成，当然传统叫法也有DCS，尽管设计之初的理念不一样，但现技术路线已逐渐融合。目前生产PLC的厂家较多。但能配套生产，大、中、小、微型均能生产的不算太多。在中国市场占有较大份额的公司有：德国西门子：它有SS系列的产品。有SS95U、100U、115U、135U及155U。135U、155U为大型机，控制点数可达6000多点，模拟量可达300多路。最近还推出S7系列机，有S7-200（小型）、S7-300（中型）及S7-400机（大型），性能比S5大有提高。日本三菱公司：FX1S系列：三菱PLC是一种集成型小型单元式PLC。且具有完整的性能和通讯功能等扩展性。如果考虑安装空间和成本是一种理想的选择。FX1N系列：是三菱电机推出的功能强大的普及型PLC。具有扩展输入输出，模拟量控制和通讯、链接功能等扩展性。是一款广泛应用于一般的顺序控制三菱PLC。而A系列使用三菱专用顺控芯片（MSP），速度/指令可媲美大型三菱PLC，程序容量由8K步至124K步，有多种特殊模块可选择，包括网络，定位控制，高速计数，温度控制等。美国罗克韦尔公司：大型的PLC包括1756 GuardLogix 、1756 ControlLogix 、softlogix等，可适应最严苛的应用项目需求。它们提供模块化架构以及各种 I/O 和网络选项。而小型的控制系统包括Compactlogix、1768紧凑型Guardlogix、SLC500等产品，充分展示了在小型控制系统中所应用的灵活性和方便性。2 系统介绍2.1 系统选型2.1.1 可编程控制器基于PLC具有功能强大、可靠性高以及抗干扰能力强等特点，故本次设计采用的是以PLC为核心的系统。按PLC的I/O点数的多少，可分为大型、中型和小型三类。小型PLC的I/O点数在256以内，单核CPU，处理器为8位或16位，用户存储器容量再4K字以下；中型PLC的I/O点数在256至2048之间，双核CPU，用户存储器容量大约在28K；大型PLC的I/O点数则大于2048点，处理器为16或32位，用户存储器容量为816K。小型控制器针对于小型的设备，具有经济型强、费用低应用灵活等优势，根据对系统设计的需求以及程序容量、I/O点数、通信功能和定位功能等的考虑，此次基于中小型风动模型控制系统的设计中，所选择的是小型可编程控制器。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等的产品。罗克韦尔CompactLogix提供了一个从单机到分布式应用系统的Logix解决方案。其中1769控制器不仅具有增强的处理性能，还内置有可进行实时 I/O控制的100Mbps EtherNet/IP网络接口，与包括1769 I/O模块在内的多种I/O模块在内的多种I/O模块一起实现分布式I/O扩展。CompactLogix为中小型应用系统提供了一个高效的控制解决方案。它可以取代现在普遍应用的传统PLC和多回路控制器。同时，Compactlogix采用与Controllogix一脉相承的Logix多功能控制引擎，用户开发阅读和修改控制程序非常方便。Compactlogix及其增强的、高密度的IO，能够帮助广泛的工业应用中越来越多的最终用户和机器制造商，构筑稳定可靠，便于使用于高性能控制平台。每个I/O站最多可达30个模块，用户能有足够的接线盒操作空间。因此，此次设计所选择的的是美国罗克韦尔公司生产的小型CompactLogix。2.1.2 PowerFlex变频器变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。变频器常见的频率给定方式主要有：操作器键盘给定、接点信号给定、模拟信号给定、脉冲信号给定和通讯方式给定等。这些频率给定方式各有优缺点，须按照实际所需进行选择设置，同时也可以根据功能需要选择不同频率给定方式之间的叠加和切换。变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等PowerFlex 系列低压变频器由罗克韦尔公司生产，可提供各种各样的控制模式，几乎可以满足任何电机控制要求。通过组合运用用途广泛的各项功能、选项和封装，可帮助满足安全性要求并简化编程和配置，因此 PowerFlex 系列变频器是一种可满足各方面应用需求的完美解决方案。根据此次设计所需要的设备、控制方式和容量选择，我们选用的是PowerFlex 系列中的PowerFlex 70变频器，这种变频器具有安装简单、调试方便、设计方便以及通信灵活等优点，能最大程度地满足设计的需要。2.1.3 风机选型风机是把机械能变为气体的势能和动能的一种流体机械动力设备，广泛用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却；锅炉和工业炉窑的通风和引风；空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风；谷物的烘干和选送；风洞风源和气垫船的充气和推进等。风机的工作原理与透平压缩机基本相同，只是由于气体流速较低，压力变化不大，一般不需要考虑气体比容的变化，即把气体作为不可压缩流体处理。按气体流动的方向，风机可分为离心式、轴流式、斜流式（混流式）和横流式等类型。离心风机的气流轴向进入风机的叶轮后主要沿径向流动，这类风机根据离心作用的原理制成，产品包括离心通风机、离心鼓风机和离心压缩机；而轴流风机则是气流轴向进入风机的叶轮，近似地在圆柱形表面上沿轴线方向流动。这类风机包括轴流通风机、轴流鼓风机和轴流压缩机。本次设计中，所选择的的风机是离心式风机。离心式风机的抽风效果很好，非常适合用在管道抽风或者送风，实用性强，而且坚固耐用、维护方便，特别适用于这次设计。2.2 各设备的结构及原理2.2.1 CompactLogix控制器CompactLogix实质上是一种工业控制计算机，所以它与计算机的组成十分相似。跟其他所有类型的可编程控制器一样，CompactLogix的硬件组成可分为六部分，分别为：中央处理单元(CPU)、存储器单元、输入/输出单元、电源部分、接口单元、外部设备。中央处理单元是可编程控制器的核心组成部分，由大规模或超大规模的集成电路微处理芯片组成，是系统的控制中枢。其主要功能是接收并存储从编程器输入的用户程序和数据、检查电源、存储器和I/O等以及在投入运行时对指令进行解释、传送、运算和更新等。PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器。系统存储器用来存放由生产厂家编写的系统程序，并存于ROM中，用户不能直接更改。而用户存储器则包括用户程序存储器和用户数据存储器两个部分。用户程序存储器用来存放用户所编写的各种用户程序。而用户数据存储器则是用来存放用户程序中所使用器件的ON/OFF状态和数值、数据等。输入/输出单元是PLC与现场设备或其他外部设备之间的连接部件。其输入模块把状态或信息读入中央处理单元，通过用户程序的处理和运算，把结果通过输出模块输出给执行单元。输入单元可接收开关量输入信号和模拟量输入信号。电源部分一般使用220V的交流电源。其一方面为中央处理器、存储器等电路提供直流电源，使得PLC能正常工作；另一方面则为外部输入元件提供24V直流电源。接口单元包括扩展接口、编程器接口、存储器接口和通信接口。扩展接口是用于扩展输入输出单元，使PLC的控制规模配置得更加灵活。编程器接口是连接编程器的，PLC本体通常不带编程器。故可以利用此接口连接各种形式的编程装置。PLC的外部设备主要有编程器、文本显示器、操作面板、打印机等。CompactLogix的工作原理也与普通的计算机类似，属于串行工作方式，CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应的各电器的动作。由于运算速度极高，各电器的动作几乎是同时完成的，但实际的响应是有滞后的。PLC的工作方式是按几种输入、集中输出、不断地周期循环扫描方式进行工作的。CPU从第一条指令执行开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序终止，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。CompactLogix系统工作的全过程可用图1所示的运行框图来表示。图1 PLC运行框图其工作过程整体可以分为三部分。第一部分是上电处理，即对PLC进行一次初始化；第二部分是扫描过程，对用户程序进行逐条地扫描处理和运算，然后存至输出单元；第三部分则为出错处理，PLC每扫描一次就会执行一次自诊断检查，确定自身的动作是否正常。当CompactLogix系统处于正常运行时，它将不断地重复扫描过程。若不考虑远程I/O特殊模块和其他通信服务，扫描过程可简单地概括为“输入采样”、“程序执行”和“输出刷新”三个阶段。如下图2所示：图2 PLC扫描过程在输入采样阶段，PLC以扫描方式按顺序把所有输入端子的输入信号状态（ON/OFF）写入到输入映像寄存器中寄存。如在程序执行阶段，输入端子的信号状态发生变化，输入寄存器中的内容不变，要等到下一个工作周期的输入采样阶段到来时，新的信号才会被读入输入映像寄存器中。在程序执行阶段，CPU中的用户程序被从头至尾顺序扫描，每扫描到一条指令时，按指令要求从输入映像寄存器中和元素映像寄存器中分别读出输入状态和其它元素的状态，做各种运算，并将运算结果存到元素映像寄存器中，当程序执行完成后，PLC要对执行结果进行输出处理，即为下一阶段的输出刷新阶段。输出刷新阶段即是把元素映像寄存器中所有输出继电器的状态存到输出锁存电路中，由输出锁存电路通过输出端子去驱动PLC的外部设备。2.2.2 PowerFlex 70变频器PowerFlex 70 变频器是具有优良性能的交- 直- 交电流源型变频器，融合了先进的技术，可将具有固定频率和幅值的三相交流电源系统，进行功率变换后，产生可调频率且电流随负载而定的交流系统，在一定范围内实现连续调速。调速过程先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。而且它很容易实现四象限运行。电机可以正反方向以电动机或发电机方式运行，当电机以发电机工作方式时，能量可回馈电网，再生制动PowerFlex70 可以设定做电压/频率模式或无速度传感矢量控制以满足各种不同的应用要求。交流电动机的同步转速表达式为： n60 f(1s)/p (1)式中 n异步电动机的转速；f异步电动机的频率；s电动机转差率；p电动机极对数。由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。PowerFlex 70 变频器，是通过控制电机的转矩，来控制电机速度的，通过计算和测量电机速度，并按要求调整转矩，使被测速度等于速度命令。罗克韦尔系列的控制方式，是直接矢量控制。两种控制算法中，定子电流被分解为可以独立控制的磁通分量和正交转矩分量，矢量控制的目的，就是获得与直流电动机相似的性能，可以快速改变转矩而不影响磁通。PWM控制方式的无输入变压器的电流型变频器的电路拓扑结构图如图3所示：图3 PowerFlex 70的电路拓扑结构图电路结构为交直交型，功率器件采用对称门极换流晶闸管，对于6 kV 电压等级的变频器，每个桥臂采用3 只SGCT 串联，具有IGBT 的全部优点，而且还能够阻断双方向的电压，减少器件数量，驱动和吸收电路进一步简化，而且性能更好。变频器通常采用交直交三电平式电压源型变频器，频器的功率部件包括整流器、直流母线及逆变器。罗克韦尔变频器的控制，由数字控制系统组成，与功率无关。一方面，系统数字控制的矢量转换技术转矩和励磁分量分别进行单独控制，另一方面用常用的标准硬件和软件实现开、闭环控制。此种调速控制方案，是将高压通过降压变压器降低，这样可以采用交流变频器，然后，将变频器的输出电压再提高，以满足交流电动机的电压要求。高低高变频调速系统的结构见图4：图4 高低高变频调速系统的结构图2.2.3 离心式风机离心式风机一般由四个基本机件组成：集流器、叶轮、机壳和传动部件。如图5所示：图5 离心式风机构造示意图集流器也被称为喇叭口，是通风机的入口，它的作用是在损失较小的情况下，将气体均匀地导入叶轮。叶轮是通风机的主要部件，它的尺寸和几何形状对通风机的性能有着很大的影响，离心式通风机的叶轮由前盖、后盖、叶片和轮毂组成，一般采用焊接和铆接加工。机壳为包围在叶轮外面的外壳，其作用在于收集从叶轮甩出的气流，并将高速气流的速度降低，使其静压力增加，以此来克服外界的阻力，将气流送出。传动部件用来连接电机和风机，传递力矩。离心式风机的工作原理与透平压缩机基本相同，只是由于气体流速较低，压力变化不大，一般不需要考虑气体比容的变化，即把气体作为不可压缩流体处理。离心式风机是根据动能转换为势能的原理，利用高速旋转的叶轮将气体加速，然后减速、改变流向，使动能转换成势能（压力）。在单级离心式风机中，气体从轴向进入叶轮，气体流经叶轮时改变成径向，然后进入扩压器。在扩压器中，气体改变了流动方向造成减速，这种减速作用将动能转换成压力能。压力增高主要发生在叶轮中，其次发生在扩压过程。在多级离心式风机中，用回流器使气流进入下一叶轮，产生更高压力。3 系统分析及设计3.1 设计目的随着现代生产和科学技术的发展，自动化技术已经越来越多地被应用到工业中的各个行业和领域，并逐渐向复杂的系统控制和高级的智能控制发展，并广泛地应用到国防、科学研究和经济等各个领域，实现更大规模的自动化，例如大型企业的综合自动化系统、全国铁路自动调度系统、国家电力网自动调度系统、空中交通管制系统、城市交通控制系统、自动化指挥系统、国民经济管理系统等。自动化的应用正从工程领域向非工程领域扩展，如医疗自动化、人口控制、经济管理自动化等。自动化控制系统正在逐步地代替人类劳动力，在更大程度上模仿人的智能，并已在工业生产、海洋开发和宇宙探测等领域得到应用，专家系统在医疗诊断、地质勘探等方面取得显著效果。工厂自动化、办公自动化、家庭自动化和农业自动化将成为新技术革命的重要内容，并得到迅速发展。本次基于CompactLogix的风动模型控制系统设计，就是旨在学习自动控制系统的设计方法和思路，以及所用到的各个自动化控制设备的结构、原理和使用方法。本次设计用到的自动控制设备主要有：CompactLogix处理器、PowerFlex变频器、风机等。在设计过程中，着重详细学习CompactLogix处理器的基本结构及其程序的编写，以及PowerFlex变频器参数的意义及设定，DeviceNet的原理、控制方法、所用到的各种自动化控制设备的结构、原理和使用方法。3.2 系统分析3.2.1 CompactLogix处理器与PowerFlex70变频器的组合应用CompactLogix系统是一种数字运算与操作的控制装置，它作为传统继电器的替代产品，广泛应用于工业控制的各个领域。当利用变频器构成自动控制系统进行控制时，很多情况下是采用PLC 和变频器相配合使用，例如吹灰系统。PLC 可提供控制信号和指令的通断信号。开关指令信号输入。变频器的输入信号中包括对运行与停止、正转与反转、点动等运行状态进行操作的开关型指令信号。变频器通常利用继电器接点或具有继电器接点开关特性的元器件与CompactLogix相连，得到运行状态指令。在使用继电器接点时，常常因为接触不良而带来误动作。使用晶体管进行连接时，则需考虑晶体管本身的电压、电流容量等因素，保证系统的可靠性。在设计变频器的输入信号电路时还应该注意，当输入信号电路连接不当时有时也会造成变频器的误动作。例如，当输入开关信号进入变频器时，有时会发生外部电源和变频器控制电源（DC24V）之间的串扰。正确的连接是利用PLC电源，将外部晶体管的集电极经过二极管接到PLC。当PowerFlex变频器和CompactLogix系统的电压信号范围不同时，如变频器的输入信号为010V，而PLC 的输出电压信号范围为05V时，或PLC的一侧的输出信号电压范围为010V而变频器的输入电压信号范围为05V时，由于变频器和晶体管的允许电压、电流等因素的限制，需用串联的方式接入限流电阻及分压方式，以保证进行开闭时不超过PLC和变频器相应的容量。此外，在连线时还应注意将布线分开，保证主电路一侧的噪音不传到控制电路。通常变频器也通过接线端子向外部输出相应的监测模拟信号。电信号的范围通常为010V电压信号或420mA电流信号。无论哪种情况，都应注意：PLC一侧的输入阻抗的大小要保证电路中电压和电流不超过电路的允许值，以保证系统的可靠性和减少误差。要实现PLC 对变频器的通信控制，必须对PLC 进行编程，通过程序实现PLC 对变频器的各种运行控制和数据的传送。PLC应首先完成FX2N-485BD 通信适配器的初始化、控制命令字的组合、代码转换和变频器应答数据的处理工作。通信规格在变频器的初始化中设定，如果没有进行设定或有一个错误的设定，数据将不能进行通信，且每次参数设定后，需复位变频器，确保参数的设定生效。设定好参数后将按照通信协议进行数据通信。需要设定的参数值有：站号，设定变频器为0；通信速率，设定为9600bps;停止位长、数据位长，设定停止位为2 位，数据位为7 位；奇偶校验有无，设定为偶校验；通信再试次数，设定为即使发生通信错误，变频器也不停止；通信校验时间间隔，设定为通信校验终止；等待时间，设定为用通信数据设定；CRLF 有无选择，设定为选择无CRLF。3.2.2 PowerFlex70变频器驱动风机用PowerFlex70变频器驱动风机内的电机运行时，使用带励起动的方式。在变频器向电机定子输出电压之前，先由励磁装置向电机的励磁绕组通以一定的励磁电流，然后变频器再向同步电机的电枢绕组输出适当的电压，起动电机。在电机起动之初，电枢电压矢量与转子磁极位置之间的夹角是任意的，必须经过适当的整步过程将这一夹角控制到一定的范围之内，然后电机进入稳定的同步运行状态。因此，起动整步问题是变频器驱动电动机运行的关键问题。       变频器驱动电动机的起动整步过程主要分为以下几个步骤：(1)励磁装置投励。励磁系统向电机的励磁绕组通以一定的励磁电流，在同步电机转子上建立一定的磁场。(2)变频器向电机的电枢绕组施加一定的直流电压，产生一定的定子电流。此时，在电机上产生一定的定子电流，并在定子上建立较强的磁场。转子在定、转子间电磁力的作用下开始转动，使转子磁极逐渐向定子磁极的异性端靠近。此时转子的转动方向可能与电机正常运行时的转向相同，也可能相反。(3)变频器按照电机正常运行时的转动方向，缓慢旋转其施加在电枢绕组上的电压矢量。随着电机转子的转动和定子磁场的旋转，转子磁极将在某一时刻掠过定子的异性磁极，或者转子磁极加速追上旋转的定子磁极。此时，电机的转子磁极被较强的定子磁极可靠吸引，二者间的角度经过少量有阻尼的震荡后，逐渐趋于一个较小的常量。至此，电机进入运行状态，整步过程完成。变频器按照预先设定的加速度和v/f曲线(即磁通给定)，调节输出电压，逐渐加速到给定频率。此时，电机的转子角逐渐拉大到某一常值，然后电机转子磁极在定子磁场的吸引下逐渐加速至期望转速，电机起动过程完成。在电机的起动整步过程中，定、转子磁势大小的选择和各步骤间的切换是控制的关键问题。如果选择过低的定子磁场，则定子磁极无法在第一次经过转子的异性磁极时，将其可靠吸牢，此后转子经过同性磁极间斥力的反向加速作用，在下一次经过定子磁极时，二者将具有更大的相对速度，定子磁场更加无法有效牵引转子磁极，最终将导致起动整步失败。选择过大的定子磁场可能导致电机的定子铁心饱和，进一步导致变频器输出过电流，电机起动失败。3.3 设计方案本次基于CompactLogix处理器控制系统的基本模型是，计算机通过以太网或者串口连接到可编程序逻辑控制器，软件编程环境为RSLogix 5000，通过对PLC的编程，成功搭建DeviceNet网络，实现对PowerFlex 70变频器的控制，从而驱动风机模型，再通过风机模型的转速等的改变，控制模型箱中的压强，从而控制小球的运动和悬浮位置。小球模型接有位移、光电等传感器，并与CompactLogix处理器的DeviceNet网络相连，通过反馈信息，可以随时调节风机转速，控制小球的运动趋势及悬浮位置，这样根据小球的运动趋势就可以反映出运动控制的效果和原理。设计的主要内容是搭建DeviceNet网络，通过对CompactLogix可编程逻辑控制器编程，控制PowerFlex变频器来驱动风机模型，通过模型中小球的运动趋势来展现了抽象的运动控制，使得能够更直观的看到运动控制的功效。在实现过程中，通过对RSLogix 5000软件对CompactLogix编程，通过DeviceNet控制变频器，从而驱动风动模型运行，使小球悬浮于某一指定位置。光电传感器等检测信息结果将反馈给设备网，对其控制过程进行调整，从而达到更精确的控制结果。系统方案的结构示意图如下：DeviceNet图1 控制系统结构图4 风动模型控制系统软件设计4.1 编程环境RSLogix 50004.1.1 RSLogix 5000软件简介CompactLogix系统专用的编程软件是RSLogix 5000，它是功能十分强大的编程软件，不仅仅用来对控制器进行常规的编程，更多的用于组态和监控，所有的对外交换的信息，不管是I/O刷心信息，还是对外设备的通信信息，统统要经过编程软甲的组态或编程，更重要的是它面对系统的监视功能和诊断功能，所有它属下模块的工作状态全在它的监视之下，其诊断结果将明了告知问题的所在，可正确迅速地查找原因，这是传统控制器编程软件不能企及的。RSLogix 5000的主要功能有：(1)编程方便快捷自由格式操作的梯形图编辑器，可以同时修改多个逻辑梯级，也可以通过点击界面或者ASCII输入提示梯级的指令，并可以配合文字注释说明。(2)指令集丰富包括梯形图、功能块、语句结构以及用户自定义指令集，通过帮助文件，可对指令参数的输入有详细的解释，并配有实例。(3)寻址方便准确易于使用且直观的操作数寻址方式，控制器中使用的I/O地址和各个数据库的标签数据，均可浏览获取，不必担心会有键入地址的错误出现。(4)具有诊断监控能力面对系统的诊断监控，不但包括控制器的状态显示、程序校验功能和数据监控功能，更重要的是能够对所属的模块状态进行监视和诊断。(5)内嵌网络组态信息在本地I/O组态中如果含有通信模块，通信模块的组态页面将内嵌一个RSNetWork的组态软件，将网络信息与项目捆绑在一起，在项目下载时不必担心网络信息丢失。(6)拖放编辑和导航功能可以快速地从一个数据文件把数据元素移动到另一个数据文件；从一个子例程或项目中把梯级移动到另一个子例程或项目；从一个梯级把指令移动到另一个梯级；或者把一个项目中的指令在功能块图形之间相互移动。作为所有Logix 5000 platform平台的主要编程和组态工具，RSLogix软件主要用于实现创建或移除可执行代码（如梯形图、功能块）、在线监控数据变化、组态控制器到控制器的通讯、组态I/O模块和设备等功能。4.1.2 RSLogix 5000编程操作编程操作是编程软件最基本的功能，一般来说，前期工作都是离线完成的，为整个项目做好规划之后，要离线为控制器创建项目，建立相应的程序文件和数据文件，建立相应的I/O组态，编写工艺控制过程的逻辑代码，直到在线调试，才会将项目下载到控制器。RSLogix 5000编程软件不但能离线完成前期的大量工作，还能在线完成编程、调试、诊断和排除故障的工作。在对CompactLogix处理器进行程序的编写之前，首先要对RSLinx进行设定，打开软件后点击窗口中的communications菜单按钮，选择下拉菜单中的Configure Devices按钮，并选择Ethernet de