plc负荷分配控制器的设计大学论文.docx
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plc负荷分配控制器的设计大学论文
第1章绪论
1.1负荷分配的应用及其战略意义
纵观纸机传动系统的发展历史，早期造纸机的电气传动系统通常使用单独的电动机传动，由它带动天轴或地轴通过皮带以驱动造纸机的网部、压榨部、烘干部以及压光和卷取分部。
为了适应纸机改变品种的要求，驱动电动机通常采用直流电动机，并借助于改变电枢电压或磁场电流来实现纸机的调速。
大约在上个世纪五十年代，分部传动造纸机逐渐替代了总轴传动造纸机，分部传动大大简化了机械传动设备，提高了稳速精度，并且使相邻分部间速度和张力调节十分方便。
但是随着高速、大型纸机的出现以及新工艺的采用，为进一步简化造纸机械，需要使纸机的某个分部采用多个电动机传动。
在这种多点传动的情况下，造纸机的某个分部除了要具备调速和稳速的性能外，还需要各个电动机满足负荷分配的要求。
在八十年代中期国外开始将变频调速系统应用于纸机，国内大约始于九十年代初期。
交流变频调速以其结构简单，坚固耐用，动态响应好，效率高，经济可靠，抗恶劣环境能力强，易于向高电压，高速度，大容量发展等优点逐步取代直流调速系统而占据了传动系统的主导地位。
造纸机采用变频传动以后，机械的维护量几乎为零。
但是变频器属于复杂精细的高科技产品，在其使用过程中，若使用不当而使变频器频繁保护甚至损坏，对正常生产造成影响。
其中以由于多点传动而引起的负荷不均而使变频器出现保护现象最为常见。
在生产工艺条件稍有变化时，多点传动电机的负荷失去平衡，有的电机的负荷过大时，电流剧增甚至过流过载，跳闸保护，有的电机负荷降低，甚至不出力以至作发电机运行而出现过电压保护，造成很大的功率损耗，从而可能对生产和设备造成影响或损坏。
由于纸机的某些分部（如网部，压榨部）是由两台或多台电机连在一起，辊筒的线速度必须保持一致，否则毛布或者铜网会被拉断或打褶，为了保证速度同步，同时又需要各个电机按照其额定值进行比例分配，这就是负荷分配问题。
1.2国内外技术现状
1.2.1国内技术现状
近几年，我国造纸工业取得了很大的发展，造纸机装备水平不断提高。
纸机的幅宽不断增加，车速也达到了700----800m/min左右。
新投产的板纸机由过去的年生产能力约3---5万吨，提高到了30—40万吨。
并且纸机交流变频技术不断成熟，已经取代了直流传动系统的统治地位。
目前，国内大部分纸机传动部分都使用变频传动。
传统的传动方法或者为直流分部传动，或者为直流总轴传动，但都因为维护量大，可靠性差等原因而被淘汰了，纸机采用变频传动后，机械维护量几乎为零。
但是变频器属于高科技产品，在其使用过程中，若使用不当而使变频器频繁保护甚至损坏，对生产造成影响是众多厂家所关心的问题。
其中，以负荷不均而使变频器出现保护现象最为常见。
而解决这种问题的方法在国内只是处于摸索阶段，主要靠我们广大的现场技术人通过经验来解决。
1.2.2国外技术现状
可编程控制器（Programmablecontroller）,简称PC,因早期主要应用于开关量的逻辑控制,因此也称为PLC（ProgrammableLogiccontroller）.它诞生于上世纪60年代,经过几十年的发展,可编程控制器作为一种进行数字运算的电子系统,是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器,它采用了可编程序的存储器,是以微处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程，是一种简单易懂，操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。
可编程控制器及其有关的外围设备，都按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
目前，国际上解决负荷分配问题主要方法之一是使用高性能变频器的转矩控制功能，SIEMENS公司的6SE70系列工程型变频器和ABB公司的ACS600系列变频器，这些变频器可以通过转矩控制方式实现负荷分配的目的。
方法是：
以一台变频器作为主传动，这台变频器为速度控制模式，其余的辅传动选用转矩控制模式，将主传动的转矩输出作为辅传动的转矩给定，这样辅传动的给定信号是转矩而非频率。
辅传动跟随主传动的转矩的变化而变化，起到负荷分配控制的目的。
这种控制方式的控制精度高，动态响应快，但适用范围小，对负载有一定的要求。
这是因为辅传动负载转矩较大时，电机转速低，负载转矩较小时，电机转速高，空载时甚至可以达到最大频率，这种特性有些像直流调速上的速度调节器饱和的电流控制方法。
所以要求负载载运行时必须一直处于加压状态或类似刚性连接，比如光压上、下辊。
虽然国际上有专门的硬件措施来解决负荷分配，但是也没有提升到理论的高度。
总之，在解决负荷分配的问题上还没有一个统一模型，都没有提升到理论高度，基本上处于初步阶段
1.3纸机传动现状介绍
随着计算机网络技术的发展，纸机变频传动系统也正在进入一个以通讯网络技术为核心的发展时期，纸机变频传动系统正在以通讯网络为结构框架的大型控制系统，并且成为车间乃至DCS系统的部分或子系统。
所以网络化和计算机集中控制正在成为传动系统的主要发展趋势。
纸机变频传动网络化发展的同时，在配置结构上公共直流母线式结构也是一种发展趋势。
由于目前这种系统全部由国外公司垄断，所以价格比非公共直流母线系统要高，但实际上其成本应当比非公共母线式低，且安装和调试工作量要少；但这种系统也有缺点：
当某一传动点故障时可能会影响全线的工作，甚至引起全线停机，相对处理时间较长，维护费用和时间也要增加。
总之，在自动化功能方面，纸机传动系统在向多功能化、智能化进一步发展，使其在生产过程及质量管理过程中发挥作用。
1.4本研究的意义和存在的问题
本课题针对负荷分配问题加以理论研究，做出负荷分配数学模型。
并且针对变频传动部分，以西门子S7-226PLC为控制器组建PLC和变频器的通讯网络，实现负荷分配控制。
这对于我们拥有自己解决负荷分配的控制器要一定的理论指导意义，对于我国造纸技术的发展有一定的帮助。
存在的问题：
由于国外公司的垄断，我们在实现整体技术上会存在一定的困难。
第2章负荷分配原因及影响
2.1负荷分配问题产生的原因和影响
采用变频器分部传动，当几台电机拖动同一负载，例如压榨部两辊压合，将两辊看作一个负载，由两台电机拖动。
当线速度一样时，两台电机有可能出现一台出力大一台出力小的现象。
这就产生负荷分配问题。
如图：
图2-1压榨部两台电动机工作示意图
在纸机机械设计上，还有可能多电机拖动一个负载，最多七点。
这就要求速度完全一致。
否则，有些变频器会出力过大，出现过电流或过负载保护，有些会因不出力甚止发电状态而出现过电压保护。
这些现象都应避免或解决。
2.2解决负荷分配问题的理论根据
在纸机、印染机或其他传动系统中，只是电动机速度同步并不能满足实际系统的工作要求，实际系统还要求各传动点电机负载率相同，即δ=Pi/Pie相同（Pi为i电机所承担负载功率，Pie为电机额定功率）。
现在以三点负荷分配为例，P1e、P2e、P3e为三台电机额定功率，Pe为额定总负载功率，Pe=P1e+P2e+P3e。
P为实际总负载功率，P1、P2、P3为电机实际负载功率，则P=P1+P2+P3。
系统工作要求P1=P*P1e/Pe，P2=P*P2e/Pe，P3=P*P3e/Pe。
负荷分配的目的就是使P1、P2、P3满足上述要求。
我们以变频传动系统为例说明负荷分配控制器工作过程。
以三点负荷分配为例（如图2-2），变频器1、2、3负荷分配，变频器1在速度链的主链上，作为负荷分配主机，其它变频器将以此变频器为基准，负荷分配控制器只采集其电压电流数据，不对其做任何调整。
变频器2、变频器3处于以速度链分支上，负荷分配控制器将对它们进行自动检测，自动控制和自动调整。
对于电机拖动负载的比例计算，以电机负载率表示：
λ=PL/Pe
其中：
PE为电机额定功率；
PL负载功率；
解决负荷分配问题，就是要求所有电机的负载率都应一样
图2-2三点负荷分配系统结构图
例如：
负载总功率37.5KW，由两台功率45KW、30KW的电机拖动，则负载平衡时45KW电机出力22.5KW，30KW电机出力15KW，计算公式为：
PL1=30*37.5/75=15KW；
PL2=45*37.5/75=22.5KW；
对于多台电机的计算公式为：
其中：
PLi第i台电机出力功率；
Pei第i台电机额定功率；
PL负载总功率；
在实际控制当中，电机功率是一间接量，不方便直接测量。
其中：
TLi第I台电机出力转矩；
Tni第I台电机额定转矩；
TZ负载总转矩；
电机转矩可通过变频器输出端子测量，也可通过计算机通信获得。
负载总转矩不必直接测量出来，解决负荷分配问题就是要使电机转矩百分比一样，对于各电机来说就是各电机出力转矩和额定转矩比值应相等。
第3章负荷分配原理及计算方法
3.1直流传动的负荷分配
3.1.1直流电机的功率介绍
（1）直流电机的主要额定值主要有：
1）额定功率PN
指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以"W"为量纲单位。
若大于1kW或1MW时,则用kW或MW表示。
特别注意：
对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。
PN＝UNIN
对于直流电动机，PN是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率ηN存在。
PN＝UNINηN
2）额定电压UN
指额定状态下电枢出线端的电压，以"V"为量纲单位。
3）额定电流IN
指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以"A"为量纲单位。
4）额定转速nN
指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为量纲单位。
5）额定励磁电流If
指电机在额定状态时的励磁电流值。
（2）直流发电机的功率平衡
直流电机的第四大基本公式简单推导此式如下
Pf为励磁损耗；
Pcu为铜损耗
考虑到直流发电机的输入功率P1减去空载时的损耗即铁耗pfe和机械损耗pm后才能是电磁功率。
以上没考虑附加损耗p△，若考虑，则如下式表示（左式），即输入功率等于铁耗、附加损耗、机械损耗与电磁功率之和。
Ea=U+IaR①
Ia=I+If②
①式等号两边同乘以Ia
EaIa=UIa+Ia2R③
②式代入③式得
EaIa=UI+UIf+Ia2R
即：
PM=P2+pf+pcu④
P1=pfe+pm+PM⑤
PM=pfe+p△+pm+PM⑥
综合④、⑤两式，用功率流程图来表示。
直流发电机的功率流程图（Power-flowDiagram）
图3-1他励直流发电机的功率流程图
（3）直流电动机的功率流程图（Power-flowDiagram）
图3-2他励直流电动机的功率流程图
功率流程图形象，直观地表达了多项功率、损耗之间的相互关系，
3.1.2直流电机的机械特性曲线
他励直流电动机机械特性
机械特性：
n=f（T）是指在一定的条件下，电磁转矩和转速两个机械量之间的函数关系。
（1）、机械特性方程式
用电枢回路总电阻考虑电耍接触压降。
n=[U-（Ra+Rp）Ia]/（CeΦ）
Ia=T/（CTΦ）
n=U/（CeΦ）-（Ra+Rp）/（CeCTΦ2）×T
=n0-βT
其中，n0=U/（CeΦ）为理想空载转速，而β=（Ra+Rp）/（CeCTΦ2）为机械特性的斜率
（2）、固有机械特性
三个量U,Φ,Rp可以改变机械特性
U=UN,Φ=ΦN,Rp=0时的机械特性称为固有机械特性。
其方程为
n=U/（CeΦN）-RaT/（CeCTΦN2）
由于Ra很小，转矩T增大时，n下降很小，他励电动机的固有机械特性是一条比较平的下降曲线。
（硬特性）
图3-3他励电动机的固有机械特性曲线
3.1.3直流传动负荷分配设计
（1）电枢串联法
这种方法通常适用于两台电动机型号规格相同而要求负荷平均分配的情况。
其电气传动原理如图3-4所示。
其中1D作为主导电动机，它带有测速发电机及双闭环稳速装置，而2D作为辅助电动机与1D相串联，并共用一套可控硅整流电源。
由于电枢串联，所以二台电动机的电枢电流是相同的。
若两台电动机的励磁磁通也相同，则电动机1D与2D的力矩相等，即为：
Md1=Cm1Id=Cm2Id=Md2
由于Md1+Md2=Mc
因此有Md1=Md2=Mc/2
可以看出两台电动机的负荷力矩是相等的，并均分负载。
图3-4用电枢串联法实现负载均分的电气原理图
由于1D具有稳速及调速的性能，而2D与1D是通过毛毯实现柔性连接的，因此2D也具有稳速与调速的性能。
若要改变1D，2D负荷分配的比例，则改变磁场的串联电阻R即可。
这种负荷分配方案的优点是：
在全部调速范围内负荷分配是均匀的；它的稳速精度与单个电动机是相同的；只需要一台测速发电机和双闭环装置。
其缺点是：
当电动机多于两台，且容量不相等时，由于不能实现电枢串联故难以实现负荷分配。
（2）电枢并联法
当多点传动的电动机多于两个且容量不相等时，则可以用电枢并联法来实现负荷分配。
其传动原理图见图3-5。
其中1D-3D均由可控硅装置KZ供电，1D-3D的负荷分配借助于磁场变阻器R1-R3。
电动机电枢并联法的优点是适用于多台电动机的负荷分配，其负荷分配调解是通过调磁来实现的。
其缺点是在调速范围内由于电动机械特性变化，无法保持原来的负荷分配比例。
换句话说，改变速度，负荷分配要重新调整。
图3-5用电枢并联实现负荷分配
（3）辅助电动机电流指令法
为了克服电动机电枢并联法在调速范围内负荷不均，以及辅助电动机经常处于弱磁的缺点，采用电流环的方法，使辅助电动机一直处于恒流，而其磁场保持在额定状态，其电流指令值可用电位器来调节。
其原理图如图3-6。
图3-6中虽然只列举了两台电动机，但实际上可推广到多台电动机的情况。
图3-6中主导电动机1D与普通的双闭环稳速系统相同，其中1ST为速度调节器，1LT，2LT为电流调速器，1CF，2CF为触发装置，1KZ，2KZ为可控整流，1SB，2SB为电流变换器，调节电位器W即可整定辅助电动机2D的工作电流。
对于辅助电动机2D只有一个电流环，其参数选择与普通的双闭环系统相同。
这种方案广泛地用于复卷机系统中。
辅助电动机电流指令法的优点是：
适合于多电动机的负荷分配，且负荷分配值整个调速范围内保持不变，系统稳定性也是可靠的。
其缺点是需要增加一套可控硅整流装置。
（4）负荷调节器法
辅助电动机电流指令法，虽然适用于多台电动机，而且负荷分配调节比较方便，但由于其没有测速机与速度调节器，所以辅助电动机稳速能力很差。
它通过毛毯或钢网的柔性连接来实现与主导电机速度一致。
为了进一步提高稳速精度，可以对辅助电动机采用双闭环稳速装置。
由于主辅电动机均采用双闭环稳速，所以提高了控制品质。
图3-6辅助电动机电流指令法电气原理图
负荷分配采用负荷平衡调节器，其中1D，2D均由各自的双闭环稳速装置供电，并各自带有测速发电机。
为了实现负荷平衡调节，设置了负荷调节器FT。
FT的一个输入来自辅助电动机的电流指令，并经电位器1W分压。
为了构成差值控制，辅助电动机的电流指令值经过反相器FX。
当1D，2D的电流比值I1/I2与设定值（由1W，2W电位器分压值之比决定）不一致时，FT输出一个正比于电流差的信号，经FT放大后去调节辅助电动机的速度给定，以达到I1/I2比例恒定。
图3-7负荷调节器结构原理图
由于FT，2ST和FX所构成的负荷调节器环的作用，2ST的输出正比于主导电动机1D的电流给定值。
当2D由于负荷增加而转速下降时，首先通过自身的测速反馈，使转速恢复。
其次通过柔性连接使1D负荷增加，从而使2ST的输出增加来恢复原来的转速。
因此它的稳速精度比不带测速机的电流指令法要高。
对于上述四种负荷分配法，可以用多点传动的适用性、稳速精度、调速协调性和所耗费用来进行比较。
下表列举了优缺点以供综合比较。
四种负荷分配法的比较
方法\比较项目
多电机适用性
稳速精度
调速协调性
费用
串联法
仅二台
好
好
少
并联法
适用
差
差
少
电流指令法
适用
中
好
中等
负荷调节器法
适用
好
好
稍大
3.2交流传动的负荷分配设计
（1）交流电机的机械特性曲线
已知三相异步电动机转矩公式的形式如下：
T=CTJ
mI/2cos
/2------------------------（3.2.1）
式中CTJ-----异步机的转矩系数，
CTJ=
-----------------（3.2.2）
m---异步每极磁通；
I/2----转子电流的折算值，
I/2=
------------------（3.2.3）
cos
/2---转子电路的功率因数；
cos
/2=
---------------------（3.2.4）
将式子（3.2.2）代入（3.2.1），并考虑到
=
W1
m---------------------（3.2.5）
=
-------------------------------------（3.2.6）
可得
T=
E/2I/2cos
/2--------------------（3.2.7）
由于
E/2=I/2Z/2--------------------------------（3.2.8）
cos
/2=
-------------------------------------（3.2.9）
则得
T=
I/22
----------------------------（3.2.10）
由于异步电动机的电磁功率PT为
PT=m1I/22
----------------------（3.2.11）
式（3.2.10）即变为
T=
----------------------------------（3.2.12）
将式（3.2.12）分子分母同乘以（1-s），即得T与输出功率P2及转子机械角速度
间的关系，即
T=
-----------------------------------------（3.2.13）
有异步电动机的近似等效电路，得
I/2=
------------------------（3.2.14）
将式（3.2.14）代入式（3.2.10），即得异步电动机的机械特性参数表达式
T=
----------------------（3.2.15）
按式（3.2.15）并考虑n=n0（1-s）及
=
，即可绘制异步电动机的机械特性如图，显然由于机械特性方程式（3.2.15）为二次方程式，故在某一转差率Sm时，转矩有一最大值Tm,称为异步电动机的最大转矩。
图3-8异步电动机的机械特性n=
（2）从转矩方面考虑负荷分配原理
交流传动采用变频调速后，交流电机没有像直流调速那样明确的电流环、速度环、又不能直接控制变频器内的电流环，所以负荷分配较为复杂，我们采用PLC控制负荷分配，并从转矩方面考虑负荷分配原理。
根据异步电机的技术数据计算异步电动机的参数，一般异步电动机的产品目录中可以查到的一些技术数据：
1.额定功率PN（kw）。
2.额定定子线电压U1N（V）。
3.额定定子线电流I1N（A）。
4.额定转速nN（r/min）。
5.额定效率ηn（%）。
6.过载倍数KT（KT=Tm/TN）一般取：
1.8—3.0
7.额定频率我国为50Hz，即f1=50Hz.
在已知上述数据的基础上，可以用工程计算方法计算异步电动机参数如下：
1）额定转矩TN
TN=
（N.m）
式中的PN的单位为Kw;nN的单位为r/min.
2）.最大转矩Tm
Tm=KT*TN
S=
n0=
（r/min）
临界转差率Sm
Sm=SN（KT+
）
假如只有两台电机时需满足
TZI/T1=TZ2/T2；---------------------（3.2.16）
TZ=TZI+TZ2--------------------------（3.2.17）
其中：
T1，T2为电机额定转矩（常量）；TZITZ2为电机各自的转矩；
TZ为电机的总负载转矩；
又有工程计算式：
T=
-------------------（3.2.18）
式中TM及SM可由电动机产品目录中查的数据求得，故较为实用，成为实用表达式，求得方法见式
有：
S=
=
；------------------（3.2.19）
式中
为额定频率;
把（3.2.18）式代入（3.2.16）式即可得关于S的函数式
即：
又有（3.2.19）式知S是关于
的函数
故综上式子可知：
要想调解使TZI.TZ2满足（3.2.16）（3.2.17），只需调解对应电机的频率
即可。
即：
要想实现负荷分配，只需调解对应的电机的频率
即可
同理当有多台电机时同样可以得到上述结论：
要想实现负荷分配，只需调解对应的电机的频率
即可。
第4章负荷分配PLC控制器的设计
4.1硬件组成
4.1.1PLC介绍
可编程序控制器（ProgrammableController）本来应简称PC，为了与个人计算机（PersonalComputer）的简称PC相区别，一般将它简称为PLC（ProgrammableLogicController）。
可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，转为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制给种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
可知，可编程序控制器是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能完成各种各样的控制功能外，还有与其他计算机通信联网的功能。
可编程序控制器的产生和发展与继电器控制系统有很大的关系。
继电控制系统已有上百年的应用历史，它是一种用弱电信号控制强电的电力控制系统。
在复杂的继电器控制系统中，故障的查找和排除是非常困难的，可能会花费大量时间，严重地影响生产。
如果工艺要求发生变化，控制柜内的元件和接线需要作相应的变动，这种改造的工期长、费用高，以至于有的用户宁愿扔掉旧的控制柜，另外制作一台新的控制柜。
现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。
为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，这就需要寻求一种新的控制装置来取代老式的继电器控制系统，使电气控制系统的工作更加可靠、更容易维修、更能适应经常变动的工艺条件。
可编程序控制器正是顺应这一要求出现的。
现在可编程序控制器的推广应用在我国得到了迅猛的发展，它已经大量地应用在各种新设备中，各行各业也涌现出了大批应用可编程序控制器改造设备的成果。
4.1.1.1可编程序控制器的特点：
1编程方法简单易学
梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号
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