基于ControlLogix控制的三相笼型异步电动机调速系统Word格式.docx
《基于ControlLogix控制的三相笼型异步电动机调速系统Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于ControlLogix控制的三相笼型异步电动机调速系统Word格式.docx（14页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
院（系）：
电气工程学院教研室：
自动化
学号
070302097
学生姓名
王政文
专业班级
自动化074
课程设计（论文）题目
课程设计（论文）任务
设计技术参数：
该调速系统基于Rockwell设备网控制,通过控制powerflex40系列变频器进而对电动机进行调速控制。
其调速系统要求如下：
1、启动后有高速（此时频率为50Hz）和低速（频率为20Hz和15Hz）几个档位速度值。
2、要有匀速运行的过程。
3、电动机加速至高速（此时频率为40Hz）后，自由停车。
4、调速过程不超过60s。
设计要求：
1、按已知条件采用一个合适的调速系统。
2、分析该系统。
3、简述软件操作流程。
4、编写控制程序。
5、要求认真独立完成所规定的全部内容；
所设计的内容要求正确、合理。
6、按学校规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；
设计说明书应在4000字以上。
指导教师评语及成绩
成绩：
指导教师签字：
年月日
第1章交流调速系统概述
1.1交流调速系统的背景
人们所说的交流调速传动，主要是指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动。
除变频器以外的另一些简单的调速方案，例如变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等，虽然仍在特定场合有一定的应用，但由于其性能较差，终将会被变频调速所取代。
交流调速传动控制技术之所以发展得如此迅速，和如下一些关键性技术得突破性进展有关，它们是电力电子器件（包括半控型和全控型器件）的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机的矢量变换控制技术、直接转矩控制技术、PWM（PulseWidthModulation）技术以及以微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等。
1.2交流调速系统的应用
交流变频调速系统正在以其体积小、重量轻、通用性强、保护功能完善、可靠性高、操作简便等优点，在钢铁、有色金属、矿山、石油化工、纺织、电力、机械、建材、轻工、医药、造纸、卷烟和自来水等行业获得广泛的应用。
1.3交流调速原理
异步电动机定子对称的三相绕组中通入对称的三相交流电，此时电机气隙内会产生一个旋转磁场，其旋转速度为同步转速
（1-1）
式中：
——定子绕组电源频率；
p——电机磁极对数。
异步电动机转差率
（1-2）
则异步电动机转速
（1-3）
第2章矢量控制系统
2.1矢量控制系统
1971年德国学者Blaschke等人首先提出了矢量变换控制实现了这种控制思想。
它是设法模拟直流电动机的控制特点对交流电动机进行控制。
根据电机学原理可知，调速的关键是转矩控制，直流电动机之所以调速性能好的根本原因就在于它的转矩容易控制。
直流电动机的转矩表达式为
可以分别控制电枢电流
和
磁通两个参数，它们之间互成直角坐标正交关系，且为两个独立变量，可以分别进行调节，在电路上互不影响。
矢量变换控制成功地解决了交流电动机电磁转矩的有效控制同直流调速系统一样，实现了交流电动机的磁通和转矩分别独立控制，从而使交流电动机变频调速系统具有了直流调速系统的全部优点。
自20世纪70年代至今，矢量控制理论及应用技术经历了三十多年的发展和实践，形成了当今在工业生产中得到普遍应用的高性能交流调速系统。
2.2矢量控制原理
矢量变换控制技术的诞生和发展奠定了现代交流调速系统高性能化的基础。
一般将含有矢量变换的交流电动机控制称之为矢量控制。
交流电动机是个多变量、非线性、强耦合的被控对象，采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程，使交流调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高，从而使交流调速取代直流调速成为可能。
目前对调速性能要求较高的生产工艺已较多地采用了矢量控制型的变频调速装置。
实践证明，采用矢量控制的交流调速系统的优越性高于直流调速系统。
2.3带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统
将异步电动机的物理模型等效成类似的直流电动机模型，分析和控制就可以大大简化了。
所以需要对异步电动机进行坐标变换。
在这里，不同电动机进行变换的原则是：
在不同坐标下所产生的磁动势完全一致。
所以，在三相坐标系上的定子电流
通过三相—两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流
在通过同步下旋转变化,可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流
。
如果观察者站到铁心上与坐标系一起旋转，通过控制，可使交流电动机的转子总磁通
就是等效直流电动机的励磁磁通，如果把
轴定位于
的方向上，称做M轴，把
轴称做T轴，则M绕组相当于直流电动机的励磁绕组，
相当于励磁电流，T绕组相当于伪静止的电枢绕组，
相当于与转矩成正比的电枢电流。
把上述等效关系用结构图的形式画出来，如图2.1所示。
从整体上看，输入为ABC三相电压，输出为转速
，是一台异步电动机。
从内部看，经过3/2变换和统统不旋转变换，变成一台由
输入由
输出的直流电动机。
图2.1矢量控制系统原理图
第3章基于ControlLogix控制的三相笼型异步电动机调速系统
3.1系统的概述
本文提出了一种基于ControlLogix控制的三相笼型异步电动机调速系统，通过ControlLogix控制变频器Powerflex40，进而对三相笼型异步电动机进行启动、调速和停止。
本系统使用DeviceNet，采用恒压频比控制，其优点在于功率损耗较小，由于采用闭环控制，其转速不随转速变化而变化。
3.2Rockwell三层工业控制网络
随着PLC技术的迅速发展，PLC作为一种以微电脑技术为核心的自动控制装置，以其编程简单，控制系统构成简单通用性强，抗干扰能力强可靠性高，体积小维护方便，功能非常齐全等特点广泛应用于机械制造、轻工、冶金、能源、交通等行业。
特别是近几年来计算机在操作系统、应用软件和通信能力上得到了飞速发展，这大大的提高了PLC通信能力，使PLC具有强大的网络功能（可以为PLC配置以太网EtherNet、控制网ControlNet、设备网DeviceNet、DH+网等多种网络形式），可以通过各种通信口将数据传送给上位机以实现数据采集和监控，从而大大加强了其控制功能，进一步推动PLC在工业控制中的广泛应用。
可以这样说，有工业控制的地方就有PLC的用武之地。
美国罗尔韦尔自动化公司的PLC设备以其优良的性能广泛应用于工业控制的各个领域。
该公司的PLC控制系统依据不同的网络通信方式和设备功能，对整个系统进行合理分层，并通过不同的网络形式实现不同层之间以及同一层不同设备之间的数据通信。
这种基于层和网络概念上的PLC控制系统，具有集中与分散的双重特点，既能够在大范围内实现控制功能，又能在每一个细节上做到尽善尽美，因此具有很好的通用性，适应性和可扩展性。
罗克韦尔公司的PLC控制系统通常分为三个层：
（1）以太网层：
也称为工作站层。
在这个层上，系统通过以太网连接了作为各种工作站的计算机以实现工作站之间的通信。
某个PLC控制器也会连接在这一层，它是作为以太网层与控制网层之间的衔接，是工作站操作控制网层上的PLC控制器的数据通道。
以太网层的主要功能是组态控制系统，编写调试控制程序，监视维护控制系统运行。
（2）控制网层：
也称为控制器层。
在这个层上，系统通过控制网将各种PLC控制器起来以实现不同控制器之间的通信与协作。
这个层上的某一个控制器也会同时连接到以太网层上，作为控制网层与以太网层之间的衔接。
有些PLC控制器的设备网模块还会下连到设备网，作为控制器进入设备网的通道，同一个设备网上的所有设备就是通过该通道与控制器进新数据通信。
控制网层的功能就是该层上控制器的功能，主要是接收工作站的命令并向工作站反馈信息；
接受设备网层数据反馈，并向其发出操作命令。
（3）设备网层：
在这个层上，系统通过标准设备网将现场设备和PLC控制器的设备网模块连接起来，实现这些现场设备之间的数据通信，更重要的是实现PLC控制器对这些设备的统一控制。
设备网层的功能是使用该层上所连接的各个设备实现每个具体的控制作用。
总的来说，罗克韦尔的PLC控制系统层次清晰，结构合理，网络功能强大，适应性很强。
图3.1Rockwell三层工业控制网络
3.3ControlLogix简介
借助电子、通信以及控制领域中不断发展的新技术，全球领先的罗克韦尔自动化公司提出了“全功能控制平台”的设计理念，并在此基础上发布了ControlLogix产品。
无论是高速离散控制、复杂过程控制、伺服控制，还是高速传动控制等各种应用，借助单一的ControlLogix平台，用户只需掌握一种编程软件，就能根据应用要求的不同，选择标准模块，选择标准工业网络/总线得到所需的控制系统，如顺控/安全连锁系统、伺服控制系统、分布式控制系统（DCS）、高速传动控制系统以及数据采集监控系统（SCADA）等。
ControlLogix平台不仅技术领先，而且在烟草、消费品制造、冶金、电力、石化、油气输送、造纸、水处理、地铁、矿山以及汽车等各个行业中都有许多成功的应用。
图3.2ControlLogix
3.4Powerflex40变频器
PowerFlex40支持更为廉价的设备级控制，包括计时器和计数器功能、基于布尔逻辑控制数字输出的基本逻辑功能、步序逻辑功能等。
这些功能可广泛应用于搅拌机、装填机以及包装机、码垛机等场合。
图3.3Powerflex40变频器
3.5软件介绍
RSLinx
RSLinx软件是工业通讯的枢纽。
它为所有的AB网络提供了完整的驱动程序。
通过RSLinx软件，用户可以通过一个窗口查看所有激活的网络，也可以通过一个或多个通讯接口同时运行任何所支持的应用程序的组合。
RSLinx提供最快速的OPC、DDE和CustomC/C++的接口。
RSLinx还能够为用户提供多个网络、本地工作站和DDE/OPC性能诊断工具，便于进行系统维护和故障排错。
RSLinxGateway驱动程序能够完美地支持TCP/IP客户与AB控制器的连接，它也支持与远程OPC进行通讯。
整个系统结构如图3.4所示。
RSLogix
RSView
ControlNet
DeviceNet
EtherNet/IP
PLC-5
SLC
ControlLogix
FlexLogix
CompactLogix
图3.4系统结构图
RSLogix5000
RSLogix5000是罗克韦尔公司的PLC编程软件，主要用于工矿企业的自动化控制，该软件基于Windows系统平台,与第一代可编程控制软件相比，RSLogix5000功能更加强大，更加方便实用。
RSLogix5000编程软件除了为顺序控制提供梯形图编程外，还可以为运动控制提供完整的编程及调试支持。
RSLogix5000可同时完成顺序控制与运动控制。
3.6程序流程图
系统调速程序流程图如下：
图3.5程序流程图
3.7软件操作流程（基于DeviceNet的变频器控制）
1、扫描检测变频器
（1）配置RSLinx驱动程序
完成RSLinx驱动程序配置
（2）配置DeviceNet网络
启动RSNetWorxForDeviceNet后，浏览DeviceNet网络设备如图3.6所示：
图3.6RSNetWorxForDeviceNet网络浏览界面
点击OK按钮，可看到如图3.7所示的DeviceNet网的设备信息
图3.7实验系统DeviceNet网络上的设备
由图可见，DeviceNet网中02号节点是变频器PowerFlex40。
2、配置变频器I/O参数
（1）重新配置变频器的I/O参数
双击图3.7中的1756-DNB/A设备网络扫描器图标，点击Input选项，如图3.8所示：
图3.8
由图可见，02号节点变频器的输入数据在扫描器的1和2号字节输入数据表中。
将其输入数据重新配置到的扫描器的2号字节输入数据表中，最终结果如图3.9所示：
图3.9
依据类似的步骤将变频器的输出数据配置到扫描器的2号字节输出数据表中，最终结果如图3.10所示：
图3.10
（2）保存dnt文件
配置完I/O数据后，点击工具栏上的Save按钮，保存dnt文件，如图3.11所示：
图3.11
3、编辑控制程序
（1）创建RSLogix5000工程项目
在Windows的开始菜单中选择“程序”，选择RockwellSoftware，再点击RSLogix5000EnterpriseSeries，选择RSLogix5000即起动了该编程软件。
RSLogix5000软件界面如图3.12所示。
打开该界面的文件（file）菜单，选择New或点击快捷图标
，在Rslogix5000软件内创建一个新的工程项目。
在随即弹出的图3.13所示的控制器（NewController）对话框中选择处理器型号（Type—选择1756-L1）、版本号（选择Revision）、名称（Name—自定义）、机架（Chassis—1756-A10）、槽号（Slot—选择“0”处理器在框架中的实际位置）和所创建的工程项目的位置（Create—选择D:
\选修课），配置完成后点击OK按钮。
RSlogix5000软件界面的左侧工程目录如图3.14所示：
图3.12
图3.13
图3.14
（2）配置I/O模块
本实验中只用到1756-DNB设备网络扫描器模块和1756-IB16D数字量输入模块，因此只对这两个模块进行配置。
升级会员 