基于PLC的起升机构电气控制系统分析（本科毕业设计）

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1、上海海事大学本科生毕业设计(论文)题 目 ： 起升机构电气控制系统分析 二级学院（部）：物流工程学院专 业：机械设计制造及其自动化（C）班 级：00级3班姓 名：nihao 指导教师：wohao完成日期：2004年6月摘要本文分析了该起升机构的运行特点，介绍矢量控制变频调速特性。比较其它控制系统后，本起升机构采用基于PLC的变频调速控制系统控制笼式交流异步电动机。介绍了系统零部件，分析了系统的工作原理，系统由西门子S7-300系列PLC构成现场控制站，PRO-FACE触摸屏和控制面板构成操作总站，控制站与操作站及变频系统组成PROFIBUS总线型网络。系统具有可靠性高、设计灵活、维修升级方便等

2、特点。关键词可编程序控制器（PLC）、触摸屏、变频调速、电控系统、PROFIBUS-DP现场总线AbstractIn connection with the operation characteristics of the hoist-lower mechanism and frequence control is explained. Comparing with other electric control system we adopt Yaskawa frequency conversion control system based on PLC .Analyse some main

3、departments of this system, constitute the living control station by Siemens S7-300 series of PLC, also constitute the operate master station、website control station and operate master station by PROFACE GP touch-sensitive screen and operation panel, and together with the Yaskawa frequency converter

4、 to make up the PROFIBUS network.To analyses how to work of this system which owns the characteristics such as high dependability、flexible designation and convenient maintainance.Keywordsprogrammable logic control(PLC)； Human Machine Interface(HMI)； frequency control；electric system；PROFIBUS-DP fiel

5、dbus目录前言4 第一章 起升机构概述4一 起升机构的主要特点4二 电动机和变频调速简介5三 起升过程中电动机的工作状态7第二章 系统控制方案的拟订8一 PLC与其它控制系统的比较9二 变频调速的节能分析10第三章 系统工作原理12一 PLC的工作原理12二 变频器的工作原理15三 系统总体工作分析19第四章 系统主要部件的型号及性能21一 S7-300PLC21二 触摸屏26三 变频器28四 系统现场总线Profibus-DP30五 其它零部件31结束语32参考文献33附录34前言我校港机楼组建一个起升机构实验室，我们参与其中的组建，熟悉它的系统布线、零部件参数设置、产品选型和系统调试；分

6、析系统方案的拟定和运行特性并且详细分析系统核心部件的工作原理和组成，便于读者了解该起升机构的电气控制系统。这些年，随着控制技术、计算机技术、通信技术、网络技术等的发展，电气传动和自动控制领域也日新月异。这为起升机构向更可靠，更节能，更简洁的方向发展提供了理论和技术支持。实践证明，在起升机构上应用各种新产品、新技术收到了很好的效果。表现突出的是可编程序控制器（PLC）、变频器和现场总线技术的广泛应用。起升机构对系统可靠性要求较高，因此其故障检测、故障处理及保护回路比较复杂，以往采用电子线路和继电器来实现故障信号的处理、显示和保护，系统庞大，内容多且易出错。所以，基于PLC变频调速和现场总线的起升

7、机构电气控制系统是一种很理想的控制方式。第一章 起升机构概述一 起升机构的主要特点M变频器 1 起升机构的组成 如右图1所示起升机构现场信号PLC的组成， R r 控制面板触摸屏GM是电动机， R是卷筒，r是卷筒的半径，G是重物。 Profibus-DP2起升机构转矩分析 图1 起升机构简图在起升机构中主要有三种转矩，（1）电动机的转矩Tm即是由电动机产生的转矩，是主动转矩，其方向可正可负。（2）重力转矩Tg是由重物和吊钩等作用于卷筒的转矩，其大小等于重物及吊钩等的重量W与半径r的乘积，Tg的方向永远是向下的。（3）摩擦转矩T0 ，由于减速机构的传动比较大，最大可达50,因此，减速机构的摩擦转

8、矩（包括其它损耗转矩）不可小视。摩擦转矩的方向永远与它的运动方向相反。由于起升机构的重物在空间具有位能，所以是位能负载其特点是：在重物上升时，电动机克服各种阻力（包括重物的重力、摩擦阻力等）而做功，属于阻力负载；在重物下降时，由于重物本身具有按重力加速度下降的能力（位能），因此，当重物的重力大于传动机构的摩擦阻力时，重物本身的重力（位能）是下降的动力，电动机成为了能量的接受者，故属于动力负载。但当重物的重力小于传动机构的摩擦阻力时，重物仍须由电动机拖动下降，仍属于阻力负载。3 机构自身的允许运行条件： 4起升限位示意图： （1） PLC控制系统正常 上升非常上限限位开关 （2） 驱动器运行正常

9、 上升停止限位开关 （3） 有运行指令 上升减速限位开关 （4） 主接触器正常且已经闭合 （5） 制动器正常 下降减速限位开关 （6） 电动机冷却风扇正常且已运行 下降停止限位开关 二 电动机和变频调速简介1电动机（1）他励直流电动机拥有优越的调速性能，其定子上有磁极和励磁绕组，用于产生主磁通m，转子为电枢，由电枢铁心和电枢绕组构成，电枢绕组中的电流Ia是由外部的电流电源经电刷和换向器通入，电枢电流Ia将产生电枢磁通a，这样电枢电路（主电路）和励磁电路是互相独立的，都可以进行单独的调节，由直流电机的机械特性知，只要能平滑地调节电枢电压Ua就能平滑地调节转速，这是迄今为止公认的最好的调速方法。但

10、是，直流电机体积和重量大，费用高。而且换向器和电刷很容易出故障，随着普通晶闸管（SCR）和电力晶体管（GTR）的问世，实现了由交流电源直接转换成电压可调的直流电源，这不但大大降低了设备的体积，重量和费用。提高了拖动系统的效率和动态特性，而且笼型异步电动机结构简单，坚固耐用，不容易出故障，工业控制首要的保证就是高可靠性，所以，即使交流异步电动机的调速特性不如直流电动机，但交流电动机还是得到了广泛的应用。（2）笼型交流异步电动机有四种调速方式：调压调速能够实现无级调速但降低电压时转矩也按电压的平方比例减小，所以调速范围不大不能用于该系统；改变级对数调速虽然结构简单，效率高，特性少且调速时所需的附加

11、设备少。但不能用于对启动性能有较高要求的系统，它一般只有在空载或轻载下启动，所以不能用于该起升机构系统；转子电路串电阻调速只适用于绕线式异步电动机，其启动电阻可兼做调速电阻，它调速简单可靠是有级调速，这是传统的起升机构系统所采用的调速方式，但随转速降低机械特性变软，而且转子电路电阻损耗与转差率成正比，低速时损耗大，用于重复短期运转的生产机械中，由于后来出现的变频调速各方面的性能均优于此方法，即使变频调速的价格明显高于直流调速装置，但由于直流电动机自身的缺点，变频调速还是得到了广泛的应用，发展十分迅速。 2变频调速 笼型异步电动机的电磁转矩是定子磁通和转子电流相互作用产生的，转子电流不是外部通入

12、的，而是转子转速n低于定子磁场转速n。(即所谓的异步)，使转子切割磁感线产生的，看上去就是转子“跟着”定子旋转。且旋转磁场的转速是：n。=60f/pf电流的频率 p旋转磁场的磁极对数转子的转速n只略比n。小，所以要调节n就只需要调节n。，变频调速就是调节电流频率f来调节电动机的转速的。异步电动机的转速控制如下： 开环（无速度反馈）V/F控制调速控制 转差频率控制 闭环（无或有速度反馈） 矢量控制 直接转矩控制经过上面的分析，似乎只要调节电源频率f就可以调节电机转速，但新的问题又出现了：在单纯调节频率的情况下调节行为是在输入侧进行的，但结果却是频率减小时输出功率也减小了，而输入功率却不改变，这就

13、必然在传递能量的中间环节上形成能量的“堆积”，即磁通饱和或磁路饱和，所以变频调速过程中必须协调好定子侧和转子侧之间的能量平衡，而其平衡的主要标志是：定子侧和转子侧之间传递能量的磁通m保持不变，即 m=const 由理论分析知，只要调速的时候调压使得 U/f=const 就可以使 m=const 变频又调压用VVVF表示。 实现VVVF的基本方法有脉幅调制（PAM）和脉宽调制（PWM）两种。PAM是变频器在改变输出频率的同时也改变电压的振幅值，但它要同时调节整流部分和逆变部分，二者之间还必须满足一定的关系，这样，它的控制电路就比较复杂；PWM是变频器在改变输出频率的同时也改变输出电压的脉冲占空比

14、，但幅值不变，PWM只须控制逆变电路就可以实现，比PAM的控制电路简单了许多，但是无论是PAM还是PWM，起输出电压和电流的波形都不是正弦波，具有许多谐波成分，为了使输出电流的波形接近正弦波形又提出了正弦波脉宽调制方式（SPWM）。 但是新的问题又出现了，分析表明，当电动机在额定转速以下调速时机械特性要变软带负载的能力要下降，这无疑影响了变频调速技术的推广，人们在寻求一种好的方法改善变频后的机械特性，随着技术的发展与科技的进步，人们发现了补偿变频后机械特性的V/F控制和矢量控制。尤其是矢量控制法的成功实施，使异步电动机变频调速后的机械特性和动态性能等指标达到了足以和直流电动机调压时的调速性能相

15、媲美的程度，从而使异步电动机变频调速在电动机的调速领域里处于绝对的优势地位，广泛用于各种拖动系统中，该起升机构系统就是用闭环矢量控制变频调速的交流笼式异步电动机。三 起升过程中电动机的工作状态1重物上升 重物的上升，完全是电动机正向转矩作用的结果。电动机的旋转方向和转矩方向相同，处于电动机状态，其机械特性在第一象限如图2所示：工作点为A，转速为n1。当通过降低频率而减速时，在频率刚下降的瞬间，机械特性已经切换到下面一条曲线了，就是B点所在的曲线。工作点由A点变为A点，进入第二象限，电动机处于再生制动状态（发电机状态），其转矩变为反方向的制动转矩，使转速迅速下降，从新进入第一象限，到B点时，又处

16、于稳定运行状态。B点便是频率降低后的新的工作点，这时，转速已经降到n2。 图2 重物上升机械特性 2空钩（包括轻载）下降 空钩（或轻载）时，重物自身是不能下降的，必须由电动机反向运行来实现。电动机的转矩和转速都是负的，故机械特性曲线在第三象限，如图3所示：其中，C点为工作点，此时转速为n3。当通过降低频率而减速时，在频率刚下降的瞬间，机械特性已经切换到了曲线2，工作点由C点变跳到C点，进入第四象限，电动机处于反向的再生制动状态（发电机状态），其转矩变为正方向，以阻止重物下降，所以也是制动转矩，使下降的速度减慢，并又进入第三象限，到了D点时，又处于稳定运行状态。D点便是频率降低后的新的工作点，这

17、时，转速为n4。 图3 重物下降机械特性3重载下降 重载时，重物将因自身的重力下降，电动机的转速将超过同步转速而进入再生制动状态。电动机的旋转方向是反转（下降）的，但其转矩的方向却与旋转方向相反，是正方向的，它的机械特性如图3曲线2所示：工作点为E点，转速为n5。这时，电动机的作用是防止重物由于重力加速度的原因而不断加速，以达到使重物匀速下降的目的。在这种情况下，摩擦转矩将阻碍重物下降，所以，重物在下降时构成的负载转矩比上升时小。第二章 系统控制方案的拟定 由于在现代电气传动和自动化领域，可编程序控制器和变频调速技术因其优良的性能应用十分广泛，尤其是起升机构，对可靠性要求很高，因此其故障检测，

18、故障处理及保护回路比较复杂。基于以下几点考虑，该系统采用以PLC，变频调速系统，现场总线和触摸屏为主的电控系统，而不沿用传统的继电器接触器和交流绕线转子异步电动机转子串电阻的方法进行启动和调速，而且用现场总线取代点对点传输数据。一 PLC与其它控制系统的比较 1PLC与继电器接触器的比较。 传统的桥式起重机就是采用继电器接触器电控系统，不可否认，多年以来，继电器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用，而且目前仍然在工业领域中大量的运用，然而其自身的功能和控制性能已经无法满足与适应工业控制的要求与发展，与PLC相比较，存在着质的差别，下表是两者的比较：比较项目继电器控制PLC控制功能的实现通过

19、对继电器进行硬接线完成相应的控制功能对其进行编程实现所需的控制要求对生产工艺变化的适应性需进行从新设计与接线，适应性差只需要对程序进行修改，适应性强可靠性元件多，触点多，容易出现故障采用大规模集成电路，绝大部分是软继电器，可靠性高柔韧性与灵活性差具有种类齐全的扩展单元，扩展灵活控制的是实时性机械动作时间常数大，实时性差微处理器控制，实时性非常好占用空间与安装控制柜体积大、笨重，安装施工工作量大体积小、重量轻，安装工作量小使用寿命易损，寿命短寿命长复杂控制能力极差很强价格较低较高维护复杂、工作量大工作量小2PLC与计算机控制系统的比较通用计算机有十分强大的计算与数据处理能力，同时数据处理的速度已

20、经达到极高的水平，但是应用通用计算机进行工业控制，在很多方面不如PLC，对比如下：比较项目通用计算机PLC工作方式中断方式扫描方式编程语言汇编语言，高级语言助记符语句表，梯形图等工作环境要求较高可在较差的环境下工作价格高较低对使用者的要求需进行专门的学习培训才能掌握语言易学习，稍加培训就可以使用可靠性商业级要求工业级要求，有多种特殊设计，包括监视计时器功能系统软件功能强大，但占有存储空间较大功能专用，占用存储空间小使用领域办公，管理，科学计算，家庭等工业控制二 变频调速的节能分析 1. 传统绕线转子异步电动机调速时的功率损耗 由于异步电动机与其它电动机相比有很多优点，比如结构简单牢固，维修保养

21、方便等。在出现变频调速以前已经有很多它的调速方法，最常见的就是通过集电环和电刷在转子回路内串入若干段电阻，由接触器来控制接入电阻的多少从而控制转速。如图4所示，异步电动机的自然特性曲线为曲线1，当负载转矩为TL时，工作点为A点。能量分配见上图4右边，转子中的能量损耗是很小的。当异步电动机的转子回路中串入电阻后，机械特性如图4中曲线2所示，这时，机械特性变软，在转矩不变的情况下，拖动系统的工作点由A点移至B点，转速由n1下降到n2，功率分配情况的变化如下：(1) 同步转速n01未变，故电磁功率Pm1与未调速前相同。(2) 电动机上的转速为n2，输出功率PL2将随之下降：Pl2=TL*n2/955

22、0(3) 电动机的功率损耗为：P=TL(n01-n2)/9550 由功率分配可见，功率损耗在电磁功率中所占的比例相当大。事实上，转速的下降（或者说，机械功率的减少）是通过在转子的外接电阻中消耗能量来实现的。并且，转速越低，机械特性越软，功率损耗在电磁功率中所占的比例也越大，是很不经济的。2变频调速时的功率损耗 异步电动机在改变频率后，其机械特性基本上与自然机械特性平行。所以，在不同转速下的转差大致相等如图5所示： 图4 异步电机的机械特性及串电阻调速的功率损耗 图5 变频调速的机械特性及功率损耗 当负载转矩为TL时，拖动系统的工作点是C点。这时：（1） 同步转速下降为n02,故电磁功率PM2也

23、随之下降。PM2=TL*n02/9550（2） 电动机上的转速也是n2，故输出功率PL2与上面相同。PL2=TL*n2/9550（3） 电动机的功率损失为 P=TL（n02-n2）/9550=TL(n01-n1)/9550可见，功率损耗与额定转速时基本相同，见上面图5右边示。从上面的对比分析可以看出，这两种调速方法中，变频调速的功率损耗小得多，节能效果是十分明显的，此外，如果变频调速系统再配上电源反馈选件，则在吊钩下放重物的时，还可以将重物释放的位能反馈给电源，进一步节约电能，综上分析可以看出选变频调速的优越性所在。第三章 系统工作原理一 PLC的工作原理 PLC上电后，就在系统程序的监控下，

24、周而复始地按照固定顺序对系统内部各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实际上是一个不断循环的顺序扫描过程。一个循环扫描过程就是一个扫描周期。 PLC采用周期扫描机制，简化了程序设计，提高了系统的可靠性。具体表现在：在一个扫描周期内，前面执行的任务结果，马上就可被后面将要执行的任务所用，可以通过设定一个监视定时器来监视每个扫描周期的时间是否超过规定值，避免某个任务进入死循环而引起故障，PLC的工作过程如下面的图7所示，PLC在一个扫描周期内基本上要执行以下六个任务：（1） 运行监控任务 为了保证系统可靠工作，PLC内部设置了系统监视计时器WDT，由它来监视扫描周期是否超时。PLC在每个扫描周期内

25、都要对WDT进行复位操作，如果不能执行该操作，则WDT的计时会超过设定值，也就是扫描周期超过了规定时间，这表明系统的硬件或用户软件发生了故障。当WDT超时后，它会自动发出故障报警信号，并停止PLC的运行。WDT的时间设定值一般是扫描周期的23倍，通常在100200ms，很多PLC可以由用户根据实际应用情况通过硬件或软件来设定。（2） 与编程器交换信息任务 编程器是PLC的外部设备，它与主机的外部设备接口相连。作为编制、调试用户程序的外部设备，编程器在PLC的外部设备中占有非常重要的地位，所以，在主机的扫描周期中，把与编程器交换信息的任务单独列出，而不包括在与外部设备信息交换的任务中。编程器是人

26、机交互的设备，用户把应用程序输入到PLC中，或对应用程序进行在线运行监视和修改都要用到它。这就要求PLC能与编程器进行信息交换。当PLC执行到与编程器交换信息任务时，输入信号 外设输入存储器(3) 数字处理器（DPU）交换信息任务 一般大中型PLC多为双处理器系统。一个字节处理器（CPU），过程输入映象寄存器另一个数字处理器（DPU）。CPU是系统的主处理器，由它处理字节操作指令，控制系统总线，统一管理各位存储器定时器计数器用户循环程序种接口和输入输出单元。DPU是系统的从处理器，它的作用是处理位操作指令，协助主处理器加快整个系统的处理速度。当PLC为双处理器系统时，就会有与中数处理程序，如：

27、时间、循环硬件中数等数字处理器交换信息的任务。该任务主要是数字处理器（DPU）的寄存器信息与主系统的寄存器信息和开关量信息的交换。这个任务占用的时间随信息交换量而过程输出映象存储区变化。在一般小型PLC中是没有这个任务的。与外部设备接口交换信息任务 该任务主要输出信号外设输出存储区(4) 是PLC与上位计算机、其它PLC或一些终端（如彩色图形显示器、打印机等设备）进行信息交换。这一任务的大小和占用时间的长短随主机外部设备的数量和数据通信量而变化。如果没有连接外部设备，则该任务跳过。 图6 PLC的信号流程图(5) 执行用户程序任务 用户程序是由用户根据实际应用情况而编制的程序，存放在RAM或E

28、PROM中。PLC在每个扫描周期内都要把用户程序执行一遍，用户程序的执行是按用户程序的实际逻辑关系由前向后逐步扫描的，并把运行结果装入输出状态暂存区中，系统的全部控制功能都在这一任务中实现。（6） 输入输出信息处理任务 PLC内部开辟了两个暂存区，即输入信号状态暂存区和输出信号状态暂存区。用户程序从输入信号暂存区中读取输入信号状态，运算处理后将结果放入输出信号状态暂存器中。输入输出状态暂存区与实际输入输出单元的信息交换是通过输入输出任务实现的。输入输出任务还包括对输入输出扩展接口的操作，通过输入输出扩展接口实现主机的输入输出状态暂存区与简单输入输出扩展环节中的输入输出单元或与智能型输入输出扩展

29、环节中的输入输出状态区之间的信息交换。PLC在每个扫描周期中都执行该任务。（7） PLC的输入输出过程 PLC的工作方式是周期扫描方式，所以其输入输出过程是定时进行的，即在每个扫描周期内只进行一次输入输出操作。在输入操作时，首先启动输入单元，把现场信号转换成启动初始化监视定时器与编程器交换信息与数字处理器交换信息与外部设备交换信息执行用户程序输入输出信息处理处理中断处理中断处理中断处理中断处理中断无中断申请中断申请无申请中断申请无中断申请中断申请无中断申请中断申请 图7 PLC工作流程图 字信号后全部读入，然后进行数字滤波处理，最后把有效值放入输入信号状态暂存区中，在输出操作时，首先把输出输出

30、信号状态暂存区中的信号全部送给输出单元，然后进行传送正确性检查，最后启动输出单元把数字信号转换成现场信号输出给执行机构。对用户程序而言，要处理的输入信号是输入信号状态暂存区的信号，而不是实际的信号。运算处理后的输出信号是被放入输出信号状态暂存区中的，而不是输出到现场的。所以在用户程序执行的这一周期内，其处理的输入信号不再随现场信号的变化而变化。与此同时，虽然输出信号状态暂存区中信号随程序执行的结果不同而不断变化，但是实际的输出信号是不变的，在输出过程中，只有最后一次操作结果对输出信号起作用。PLC周期性的输入输出处理方式对一般控制系统而言是能够满足的，也很适合我们做的起升机构控制系统。但是对那

31、些要求响应时间小于扫描周期的控制系统则不能满足，这时可以用智能型输入输出单元或专门的软件指令，通过与扫描周期脱离的方式来解决。（8） PLC的中断输入处理过程 PLC的中断输入处理方法同一般计算机的系统是大致相同的，即当有中断申请信号输入时，系统要中断正在执行的的相关程序而转向执行中断子程序，当有多个中断源时，它们将按中断的优先级有一个先后顺序的排队处理，系统可以通过程序设定允许中断或禁止中断。PLC对中断的响应不是在没条指令结束后进行，而是在扫描周期内某一个任务完成后进行。 PLC的中断源信息是通过输入单元进入系统的。由于PLC扫描输入点是按顺序进行的，因此中断源的先后顺序根据其占用的输入点

32、位置而自动排序，当系统接收到中断申请后，顺序扫描中断源。它可能只有一个中断源申请中断，也可能同时有两个或多个中断源提出申请中断。系统在扫描中断源的过程中，就在存储区的一个特定区里建立中断处理表，按顺序存放中断信息，然后系统按照该表顺序先后转至相应的中断子程序去处理。 PLC的中断源有优先顺序但无嵌套关系，也就是在中断程序执行中，如果有新的中断发生，无论它的优先顺序如何，都不能中断正在执行的中断程序。只有在原中断处理程序结束后，再进行新的中断处理。 PLC是以循环扫描方式工作的，正常的输入输出处理是在扫描周期内的某一个阶段进行，对于中断处理子程序中有关信息的输出必须采取特殊处理，即这部分输出信息

33、不通过周期扫描方式输出，而利用专门的硬件或软件去立即执行。二 变频器的工作原理1、 变频器的主电路变频器的主电路如图8所示: 图8 变频器的主电路图1） 交直部分a. 整流管VD1VD6组成三相整流桥，将电源三相交流整流成直流。b. 滤波电容器Cf，它的作用是滤平全波整流后的电压纹波，另外就是当负载变化时，保持直流电压平稳。c. 限流电阻Rl与开关Sl当变频器刚合上电源的瞬间，滤波电容器Cf的充电电流很大，过大的冲击电流将可能使三相整流桥的二极管损坏。为了保护整流桥，在变频器刚接通电源的一段时间里，电路内串入限流电阻Rl，其作用是将电容器Cf的充电电流限制在允许范围之内。开关Sl的功能是当电容

34、器Cf充电到一定程度时，令开关接通，将限流电阻Rl短路掉。许多新系列的变频器里，Sl已由晶闸管代替，图中虚线所示。d. 电源指示Hl，它除了表示电源接通以外，还有一个十分重要的功能，即在变频器切断电源以后，表示滤波电容器上的电荷是否已经释放完毕。2） 直交部分a. 逆变管VT1VT6 VT1VT6组成逆变桥，把VD1VD6整流所得的直流电在逆变成电压和频率可调的交流电。这是变频器实现变频的具体执行环节，使变频器的核心部分。当前常用的逆变管有IGBT，GTR，GTO等。b. 续流二极管VD7VD12电动机的绕组是电感性的，其电流具有无功分量，续流二极管VD7VD12位无功电流返回直流电源提供通道

35、。 当频率下降时，电动机处在再生制动状态，再生电流将通过续流二极管VD7VD12返回给直流电路。 VT1VT6进行逆变的基本工作过程时，同一桥臂的两个逆变管处在不停的交替导通和截止状态。这种交替导通和截止的换相过程中，也不时的需要VD7VD12提供通路。c. 缓冲电路（R01,VD01,C01R06,VD6,C06） C01C06：逆变管VT1VT6每次由导通状态切换到截止状态的瞬间，集电极和发射极间的电压将迅速地由0V上升到直流电压Ud,，过高的电压变化率将导致逆变管损坏。通过C01C06的充电来减小每次关断时的电压变化率。 R01R06：逆变管VT1VT6每次由截止状态切换到导通状态的瞬间

36、，C01C06上所充的电压（等于Ud）将向VT1VT6放电。此放电电流的初始直很大，并且叠加到负载电流上，导致VT1VT6过载而损坏。因此R01R06的功能是限制逆变管在接通的瞬间C01C06的放电电流。 VD01VD06：R01R06的接入又会影响C01C06在VT1VT6关断时减小电压变化率的效果。VD01VD06接入后，在VT1VT6的关断过程中使R01R06不起作用；而在VT1VT6的接通过程中使C01C06的放电电流流经R01R06。d. 制动电阻Rb和制动单元Vb电机在工作频率下降过程中，将处在再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到直流电路中，使直流电压Ud不断上升，甚至可能达到危险

37、的地步。因此必须将再生到直流电路的能量消耗掉，使Ud保持在允许的范围内。制动电阻Rb就是用来消耗这部分能量的。制动单元由GTO或IGBT组成，其功能是为放电电流提供通路。2、 三电平PWM电压型逆变器在PWM电压型逆变器中，当输出电压较高时，为了避免器件串联引起的动态均压问题，同时降低输出谐波和电压变化率du/dt，逆变器部分可以采用三电平方式，也称中心点箝位（Netural Point ClampedNPC）方式。这种方式除了具有SPWM调速方式所具有的优异性能外，还具有其他一些优异性能。安川（YASKAWA）G7系列的变频器就是一种采用三电平PWM电压型变频器，它具有三电平PWM电压型变频

38、器所有的优点。a. 三电平PWM电压型逆变器的基本结构如图9所示。它采用12只IGBT及箝位二极管组成带中性点箝位的电路。三电平PWM逆变器就其一相而言它输出（以电源中点C为参考）直流电源的最高电平+Ud/2(令其状态为P)；最低电平-Ud/2(令其状态为N)和零电平（令其状态为C）。下表写出了U相的情况。VT11VT12VT13VT14输出电压输出状态ON ONOFFOFF+Ud/2POFFONONOFF0COFFOFFONON-Ud/2N图9 三电平PWM电压逆变器的结构b. 三相三电平变频器的输出状态与波形如图9所示，三相三电平PWM逆变器的每一相能够输出P、C、N三种状态与另外两相的三

39、种输出状态相结合，则三相三电平PWM逆变器能够输出27种不同的输出状态，如表1-2所示。表格中第一个字母表示U相，第二个字母表示V相，第三个字母表示W相的输出状态。PPPPPNPPCPCNPCCPNNPCPPNCPNPCCCCPNCPCCCNCPPCNNCCPCNCCNPNNNNPNNPCNCNNPPNCCNCPNNCNNP以直流电源的C点为参考点，按PNNPCNPPNCPNNPNNPCNPPNCPNPCNPPNPPNC的顺序选择逆变器的输出状态，画出逆变器瞬时输出电压和线电压波形图，如图10所示。逆变器输出相电压有3个阶梯，即零电平和Ud/2电平。三相电压在相位上互差120，逆变器输出线电压

40、有5个阶梯，即零电平、Ud/2电平、Ud电平，其相位差也是120。 图10 逆变器瞬时输出电压及波形 三电平与双电平逆变器相比具有以下优点：a. 降低了施加在电机轴上的冲击电压。不用外接滤波器，通用电机也可以使用。两电平控制时，最大冲击电压约是直流母线电压的2倍，三电平控制到1.5倍。b. 低噪音。产生阶梯形输出电压，理论上提高电平数可以接近正弦波，谐波含量少。对电机内部的高次谐波电磁力影响也减轻了，因此电机的噪音也减小了。c. 电磁干扰（EMI）问题大大减轻，因为开关元件一次动作的dv/dt通常只有传统双电平的1/（M-1）。（三电平时M=3）d. 效率高。消除同样谐波，双电平采用PWM控制

41、法开关频率高，损耗大，而多电平逆变器可用较低的频率进行开关动作。开关频率低，损耗小，效率提高。e. 防止轴电压对电机轴承的电腐蚀。使电机轴承发生电腐蚀的轴电流约是0.3A,其值与中性点电压几乎是成正比的。三电平方式中性点电压在原理上是两电平的2/3。f. 减小了漏电流。电机及电缆对地静电容量和变频器输出电压的变化率所发生的高次谐波漏电流的峰值降低到2电平方式的一半。g. 更适合大容量，高电压的场合。三 系统总体工作分析1. 正常起升 司机先按下控制合按扭，通过手柄操作起升/下降的速度档位，由凸轮控制器（起升手柄）给PLC输入速度档位信号，PLC采集数据后依据这些输入量顺序调用执行程序，把结果产

42、生的输出信号由触点输入变频器中（点对点连接，不通过现场总线），变频器按此信号控制整流电路和逆变电路中晶闸管或者晶体管的通断而改变输入变频器的主电流的频率，从而控制电动机的正反转和转速以达到变频调速的目的。电动机运行的同时测速发电机（PG）（增量式编码器）检测它的速度得到一个反馈值返回到变频器中，变频器通过闭环矢量控制功能使输出量在设定值上下允许的范围内波动，表现在电动机的转速接近理想值，由此保证起升机构系统按操作者的意图工作。重物上升的高度用绝对值编码器检测，本系统的绝对值编码器有十位二进制输出，起升的最大高度是20米，所以起升高度的控制精度在2厘米左右，设置在卷筒上面的压重式传感器把物重通过

43、变送器（020mA）转换成电流信号输入到PLC中，即PLC中有重物的质量，并且PLC把一定范围内的物重归为一类，从软件上设置该类物重的允许运行速度，如果起升手柄的档位超出这个设定值，PLC就给变频器零速信号。2重物停住的控制过程（1） 预先设置一个“停止起始频率”f1，随着重物减速，变频器的工作频率下降到f1时，变频器将输出一个频率到达信号给PLC，由PLC控制发出电磁铁（制动器中用于制动的）断电指令。（2） 设定一个f1的维持时间t1，t1的长短应略大于制动电磁铁从开始释放到完全抱住所需的时间。（3） 重物停住，变频器将工作频率下降至零。 3重物升降的控制过程（1）为了确保当制动电磁铁松开后

44、，变频器已能控制住重物的升降而不会溜钩，预先设置一个升降起始频率f2，当变频器工作频率上升到f2时，将暂停上升。所以，在工作频率达到f2的同时，变频器将开始检测电流，并设置检测电流所需的时间t2。（2） 发出松开指令 当变频器确认已经有满足条件的输出电流时给PLC一个信号，此时电动机已经有了一定的转矩，PLC将发出一个松开指令，使制动电磁铁开始通电。（3） 再设置一个f2的维持时间t3，t3的长短应略大于制动电磁铁从通电到完全松开所需要的时间。此时松闸在转矩的作用下不会溜钩。（4）变频器将工作频率上升至重物升降所需的频率，启动成功。4. 在起升/下降操作的同时，触摸屏通过profibus-dp

45、现场总线不断接受来自PLC，变频器，传感器和编码器等的数据，比如该系统的起升重量，起升高度，电机速度，电流大小等并适时显示在屏幕上，也可以通过触摸屏查看系统程序和历史故障，这样操作者很容易了解系统状况，对系统进行监控，保证系统安全地运行。5.系统的安全措施健全。减速限位是由凸轮限位开关控制的，凸轮限位开关是根据需要限位的高度，折算成电动机的转数，随着转数的增加利用机械传动装置传动，到了相应的转数机械装置传动到位就给PLC一个输入信号，通过相关程序处理使电动机降速到预先设定的允许值，如果运行过程中手柄的速度指令超出该位置的允许速度则PLC系统程序自动给电动机零速指令使电动机的速度趋于零，保证系统

46、的安全。如果系统的运行出现了紧急情况，系统马上声光报紧提醒操作者使系统立即停止，本系统设定了两种方式：一是按“控制分”按扭，给PLC一个紧停信号，PLC调用有关程序运行后输出信号使所有控制线路断开，实现紧急制动。这种方式要先经过软件的运行来控制硬件的断开，中间环节较多，在紧急情况下不是最理想的方式，另一种较好的紧停方式是按“紧停1”或“紧停2”按扭。直接一步到位地从硬件上断开各种控制线路，实现紧急制动。该系统的额定起升重量是一吨，压重式测量传感器设置在卷筒上，用压力测出载重，如果超重就给一个触发信号给PLC，它发出报紧信号和输出信号控制停机操作。6.触摸屏与系统的连接就是直接连接在现场总线上，

47、它在本系统中不参与控制工作，因为对于起升机构这种对安全要求比较高的系统一般不用触摸屏这种相对较“软”的控制而是用手柄开关之类的硬件更加可靠放心。触摸屏在该系统就起显示的作用，它内置SI-P卡，可以直接接入Profibus-Dp现场总线。变频器与PLC之间既有现场总线的连接又有点对点的单线连接，因为PLC控制的信号是通过单线输入变频器的，如果以后系统要扩展变频器与PLC的通信还可以用网络通信的形式输入变频器中。变频器安装SI-P卡后就可以接入Profibus-Dp现场总线，把电动机的有关参数传给触摸屏进行显示。第四章 系统主要部件的型号及性能该系统组建所选用的器件主要有：西门子S7300PLC之

48、CPU315-2DP、安川变频器CIMR-GTA4011,大连伯顿电机YZP160L-8，PRO-FACE GP37W2-BG41-24V触摸屏及其它零件，下面分别叙述其性能：一 S7-300 PLC1S7-300 PLC的特点S7-300是一种全集成的模块化的PLC，它硬件安装简单、快捷，具有很多种扩展模块及各种功能模块，能满足我们的不同需要，在系统配置上，几乎所有系统均采用分布或现场总线结构Profibus-DPS7-300在本系统中具有以下特点：（1） 结实、环保型的外壳设计，无槽位限制。（2） 高密度的I/O模块，每个模块最多可达32个通道，模块丰富从I/O到PC.（3） 模块无需设置

49、跳线（4） 集成的易于连接的背板总线。（5） DIN导轨卡装方便可靠。（6） 集成的人机界面使人机对话的编程大大减少。（7） 水平或垂直安装易于连接（8） 自编器型前连接器识别模块类型、确保模块更换后连线正确（9） 高速指令处理速度仅为0.1-0.6us/二进度指令。（10） 内容丰富，功能强大的指令集。（11） 强大的扩展能力，集中式配置可达1024DI/O,128A I/O分线配置可达16384DI/O,2048A I/O（12） 通过网络和点到点连接进行通信（13） 可用于极为恶劣的工作环境，相对于PC和工控机它更可靠。（14） CPU315-2DP具有Profibus-DP主站/从站接

50、口对二进制和浮点数有较高的处理性能（15） CPU智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常，记录错误和特殊系统事件（如超时，模块更换等）。（16） 多级口令保护可以使用户高度有效地保护其技术机密，防止未允许的复制和修改。操作方式选择开头钥匙一样可以拔出，拔出了就不能改变操作方式。2. S7-300 PLC硬件配置及I/O如下:(1) PS 307电源模板，输入电压为120/230VAC，可提供输出24VDC电源。(2) CPU 315-2DP,24VDC供电，128KB工作内存，带PROFIBVS-DP主/从接口，DI/DO最大16384点（集中配置1024点），AI/AO最大1024点（集

51、中配置256点）需另配MMC存储器卡，另配的MMC卡最大容量为512KB.(3) 数字量输入模块SM321（3块）16点 24VDC 光电隔离。(4) 数字量输出模块 SM322(1块)16点 24VDC 0.5A 可控硅输出，光电隔离。(5) 模拟量输入模块 SM331（1块） 8通道 电压、电流、电阻、热电阻、热电偶、9/12/14位（+符号位）中断及诊断功能，光电隔离。(6) 模拟量输出模块 SM332（1块） 4通道 电压、电流11位+符号位或12位。诊断功能，光电隔离。(7) 一块导轨及两根编程电缆。输入模块1的输入信号接口1超速2超高3紧停14紧停25备用6主继电器7变频器电源8制

52、动器电源9主接触器10制动器接触器11变频器故障12零速信号13力矩检测14消音15备用16备用输入模块2输入信号接口1手柄零位2起升一档3下降一档4手柄二档5手柄三档6手柄四档7手柄五档8控制合9控制分10备用11备用12备用13起升上终点14起升下终点15起升上减速16起升下减速输入模块3接绝对值编码器的十个引脚剩下六个备用输入模块4接变送器的引脚输出模块的输出信号1主接触器2制动起接触器3正转4反转5复位6速度17速度28速度39BB信号10主控11备用12备用13蜂鸣器14控制合15控制分16故障指示CPU 315-2DP上LED用于状态和故障显示的含义：发光二极管LED含义说明SE(

53、红色)系统错误/故意下列事件引起灯光：a、 硬件故障；b、编程错误；c、参数设置错误d、算术运行错误；e、定时器错误；f、存储卡故障；g、电池故障或上电后无后备电池；h、I/O的故障或错误（仅限于外部I/0）；I、通信故障；用编程装置读出诊断缓冲器的内容，确定错误/故障的真正原因。BATF(红色)电池故障如果电池有下列情况灯亮：a、 失效b、 未装入DC5V(绿色)用于CPU和S7-300总线的5VDC电源如果内部的5V电源正常则灯亮FRCE(黄色)保留专用RUN(绿色)运行CPU处于运行状态，启动时以1KHZ闪烁，处于HALT状态时为0.5KHZ STOP(黄色)停止CPU处于停止状态3.

54、S7-300 PLC软件S7-300 PLC用STEP7标准软件包编程，它带有很多种功能支持自动任务创建过程的各个阶段。标准软件包运行在操作系统Windows95/98/NT下并与windows的图形和面向对象的操作原则相匹配，其提供的工具如下所示：标准软件包NETPRO通信组态符号编辑器SIMATIC管理器硬件诊断硬件组态编程语言ADFBDST 图11 STEP7标准软件包系统启动逻辑流程图 系统停机流程图接收到启动信息接收到停机信息调用系统启动逻辑调用系统停机逻辑执行系统启动功能块执行系统停机功能块系统进入自动工作状态系统启动成功系统停机成功报警报警发送系统启动成功信息发送系统停机成功信息

55、系统进入自动工作状态系统处于待机状态 图12 图13系统控制流程图系统上电自动运行模块成功系统处于待机状态系统自动启动系统启动成功成功发送启动成功信息发送启动失败信息调用相应的控制功能模块，系统自动运行系统处于待机状态运行状态正常成功严重故障成功执行相应的故障中断动作功能模块并报警系统停止并报警 图144. 本系统中PLC的抗干扰措施PLC广泛用于中大型系统的自动控制在于其特有的高可靠性和抗干扰性能，随着计算机技术的发展，PLC的功能也越来越强，但是，整机的可靠性高只是保证系统可靠工作的前提还必须在设计和安装PLC系统过程中采取相应的措施，才能保证本系统可靠工作。如温度过高、湿度过大，振动和冲

56、出过强，电磁干扰严重或安装使用不当等都会直接影响PLC的正常、安全、可靠的运行。加上外围电路的抗干扰措施不力，而使整个控制系统的可靠性大大降低。甚至出现故障。要提高PLC控制系统的可靠性既要在硬件上采取措施，又要在软件上辅以相应的程序：A、 共模干扰与常模干扰电源线、输入/输出信号线与接地线之间所产生的电位差会对PLC内部回路与各线路的外部信号之间的寄生电容进行放电，引起PLC内部回路电压剧烈波动，这种干扰称为共模干扰，各导线上感应电弧、高电位的感应电压、电波和静电等均为共模干扰源，寄生电容的容量越小，PLC内部回路电压波动也越小。连接在线路上的感性负载或感性电器设备产生的反电势称之为常模干扰，它主要存在于电源线和输入、输出线