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1、 .天津广播电视大学机械设计制造与自动化专业本科课程设计标题: 高炉卷扬机PLC控制变频调速系统设计学 校 滨海学院 学 号 1412001206176 姓 名 XXX 指导教师 XXXX 日 期 2016 年 10 月 26 日 资料摘要 高炉上料卷扬机是高炉的关键设备之一，当前国内多数304M3级高炉的主卷扬机的调速方式采用转子串电阻调速式，但电阻容易烧毁，加上卷扬机钢丝绳松紧程度不一，有时出现料车“挂顶”事故，严重影响了生产，因此需要此系统进行改造。本文针对异步电机这样一个多变量的、强祸合、参数时变的复杂非线性系统，系统地研究了异步电机参数辨识与状态估计方法，分析了交流电动机各种调速方法
2、的优劣。转子磁场定向控制使交流调速系统的性能产生了质的飞跃，异步电机无速度传感器矢量控制更是增加了系统的简易性和鲁棒性，这种系统需解决两个问题:转速的估计和转子磁链的观测。对系统的仿真实验表明，基于模型参考自适应系统的矢量控制系统具有较好的静态和动态性能，选择了矢量控制变频器解决进料系统控制问题。最后，本文给出了一种基于矢量控制的异步电机变频调速系统实现方案。变频调速的主电路设计是带有特殊性的电力电路设计，既要遵守电力设计的一般规律，也要考虑变频调速系统的特殊情况，同时针对控制目的选择变频器，通过控制端子实现的控制系统功能，正确设置命令和频率源等参数，采用PLC控制保证调速控制精度，考虑控制电
3、路的抗干扰措施，对硬、软件进行了优化设计，从而保证了系统控制的实时性和安全性。关键词: 高炉；上料卷扬机；PLC变频器；变频调速目 录前 言31.系统的背景和研究意义32.PLC技术的发展及工作特点22.1.PLC的概述32.2.PLC的发展32.3.PLC的工作特点4 3.变频器技术的发展及应用43.1.变频器的概述43.2.变频器的发展53.3.变频器的应用5一、系统概述61.1.系统构成61.2.系统工艺流程与控制要求7二、料车高、中、低速运行参数设置92.1.料车速度控制要求92.2.变频器的端子功能102.3.变频器的参数意义102.4.变频器的参数设置操作方法11三、硬件设计123
4、.1.设备选择123.1.1.交流电动机的选用123.1.2.变频器的选择123.2 I/O.分配及PLC的选型133.2.1.I/O分配133.2.2.PLC的选型133.3.I/O接线图15四、软件设计164.1.S7-200PLC主程序设计174.1.1.主程序174.1.2.电源（Power）194.1.3.指示灯（Lights）204.1.4.电磁抱闸（Electromagnetic brake）214.1.5.正常运行（Nomal）224.1.6.状态监测（Maintenance）25五、调试运行27结 论28参考文献29前 言1.系统的背景和研究意义高炉上料卷扬机是高炉冶金系统的
5、关键设备之一，当前多数的高炉卷扬机的调速方式传奇串电阻调速，但电阻容易烧毁，加上卷扬机钢丝绳松紧程度不一，有时出现料车“挂顶”事故，严重影响了生产，因此需要此系统进行改造。本文给出了一种基于矢量控制的电机变频调速系统实现方案，使系统具有较好的工作性能。同时采用PLC控制保证调速控制精度，考虑控制电路的空干扰措施，对硬、软件进行了优化设计，从而保证了系统控制的可靠性和安全性。2.PLC技术的发展及工作特点2.1 PLC的概述可编程逻辑控制器，及PLC，是一种可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、技术与计算操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的
6、机械或生产过程。2.2 PLC的发展20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程逻辑控制器，可使编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机噶站起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为PLC（Programmable Logic Controller）。20世纪70年代终末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID
7、功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特
8、殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。2.3 PLC的工作特点可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。一、系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。二、适用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。三、能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，远高于其他各种机型。3.变频器技术的发展及应用3.1 变频器的概述变
9、频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源方式来控制交流电动机的电力控制设备。3.2 变频器的发展变频器技术诞生背景是交流电机无极调速的广泛需求。传统的直流调速技术因体积大的故障效高而应用受限。20世纪60年代后，电力电子器件普遍应用了晶闸管及其升级产品。但其调速性能远远无法满足需要。20世纪70年代开始，脉宽调速变压变频调速的研究得到突破，20世纪80年代以后微处理器技术的完善使得各种优化算法得以容易的实现。20世纪80年代中后期，美、日、德、英等发达国家的变频器技术实用化，商品投入市场，得到了广发应用。最早的变频器可能是日本人买了英国专利研制的。不过美国和德国凭借电子元件生产和电
10、子技术的优势，高端产品迅速抢占市场。步入21世纪后，国产变频器逐步崛起，现已逐渐抢占高端市场。3.3 变频器的应用在风机、水泵上应用变频器主要是为了节能。在风机、泵类设备的传统调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。但在电机中使用变频器是为了调速，并降低启动电流。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电，这个过程叫整流。把直流电变换为交流电的装置，其科学术语为逆变器。一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压
11、的逆变电源。对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。变频器主要是用在三相异步电动机调速用，又叫变频调速器。变频不是处处可以省电的，有不少场合用变频并不一定能省电。 作为电子电路，变频器本身也要耗电（约额定功率的3-5%）。一台1.5匹的空调自身耗电算下来也有20-30W，相当于一盏长明灯。变频器在工频下运行，具有节电功能，是事实。但是他的前提条件是：第一、大功率并且为风机/泵类负载；第二、装置本身具有节电功能（软件支持）；第三、长期连续运行。这是体现节电效果的三个条件。除此之外，无所谓节不节电，没有什么意义。如果不加前提条件的说变频器工频运行节能，就是夸大或是商业炒作。高炉卷扬机P
12、LC控制变频调速系统设计一、系统概述1.1系统构成在冶金高炉炼铁生产线上，一般把准备好的炉料从地面的贮矿槽运送到炉顶的生产机械为高炉上料设备。它主要包括料车坑、料车、斜桥、上料机。料车的机械传动系统如图1-1所示。而料车卷扬机是料车上料机的拖动设备，结构如图1-2所示。图1-1 料车传动系统示意图图1-2 料车卷扬机示意图冶金炉高100m，电动机容量37kW，转速740r/min，卷筒直径500mm，总减速比15.75，最高钢绳速度1.5m/s、料车全行程时间40s和钢绳全行程51m等。1.2.系统工艺流程与控制要求在工作过程中，两个料车交替上料，当装满炉料的料车上升时，空料车下行，空车重量相
13、当于一个平衡锤，平衡了重料车的车箱自重。当上行或下行时，两个料车由一个卷扬机拖动，不但节省了拖动电动机的功率，而且当电动机运转时总有一个重料车上行，没有空行程。这样使拖动电动机总是处于电动状态运行，避免了电动机处于发电运行状态所带来的一些问题。料车运行分析：料车分为正常运行状态与检修状态。在正常运行状态中斜桥上的运行分为启动、加速、稳定运行、减速、倾翻和制动共6个阶段，在整个过程中包括一次加速、两次减速。检修状态中，左右料车可点动运行。系统可单程运行和连续运行。系统设有急停按钮与电磁抱闸装置以应付突发状况。系统工艺流程图如图1-3所示。根据料车的工艺流程，卷扬机的工作特点主要有以下几点。 能够
14、频繁启动、制动、停车、反向运行，转速平稳，过渡时间短。 能按照一定的速度曲线运行。 调速范围广，一般调速范围为0.53.5m/s，目前料车最高线速度可达3.8m/s。系统工作可靠。料车在进入曲线轨迹段和离开料坑时不能有高速冲击，重点位置能准确停车。图1-3 卷扬上料系统工艺流程图二、料车高、中、低速运行参数设置2.1料车速度控制要求根据料车运行素的要求，电动机在高速、中速、低速段的速度曲线采用变频器设定的固定频率，按速度切换主令控制器发出的信号由PLC输出端控制转速的切换。而速度的改变由变频器控制实现。根据料车运行速度，可画出变频器频率曲线，如图2-1所示。图2-1中OA为重料车启动加速段，加速时间为3s；AB为料车高速运行段，f1=50Hz为高速运行时所对应的变频器频率，电动机转速为740r/min，钢绳速度1.5m/s；
