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1、摘要本文主要对物料提升机系统中的控制和调速部分进行研究，通过可编程控制器和双闭环直流调速系统实现对提升机的调速控制。根据物料提升机的运行特点，可将该控制系统分为两部分，包括PLC控制部分和调速部分。采用PLC作为主控系统具有调试方便、维护量小、硬件设计简单等优点，同统接触式继电器控制系统相比较，不光省去了它的中间环节、减少了线路的连接数目，还从很大程度上完善了现有系统的安全、可靠性水平。最后，通过组态软件对构建的提升机系统进行画面仿真，实现提升机的启停、调速和升降功能。关键词：可编程控制器；提升机；直流电机调速；组态软件AbstractThis paper mainly on the mate
2、rial hoist system control and speed control part of the study, through the programmable controller and double closed-loop dc speed regulation system to realize the speed control of the hoist.Operating characteristics of the material hoist, the operating system can be divided into two portions,includ
3、ing PLC control part and control part. Adopting PLC as the main control system is easy to debug, maintenance quantity is small, the advantages of simple hardware design, compared with all contact relay control system, it not only saves the intermediate links, reducing the number of connection lines,
4、 also to a large extent improve the level of safety and reliability of the existing system. Finally, through configuration software to the construction of the hoist system for screen simulation, to achieve the hoist start and stop, speed and lifting function.Key words: PLC; hoist,;dc motor speed reg
5、ulation,;configuration software目录引言1第一章 概述21.1选题背景21.2 国内外研究状况21.3 本文研究内容及意义3第二章 直流调速控制系统43.1 直流调速的基本方法43.2 转速一电流双闭环调速系统43.5 直流电动机的可逆运行9第三章 PLC控制技术114.1 PLC的概述114.2 PLC的基本框架114.3 PLC的工作原理114.4 PLC的基本特点12第四章 物料提升机控制系统的硬件设计145.1 PLC控制系统的基本结构145.2 PLC的硬件设计145.3 控制系统的硬件设计15第五章 物料提升机系统的软件设计176.1 PLC的程序设计
6、环境176.2 部分软件程序设计186.3 仿真调试19第六章 结论与展望22参考文献23致谢25附录A 系统硬件结构设计26附录B 物料提升机的升降组态画面27附录C 物料提升机的加减速组态画面28附录D 程序清单29引言物料提升机是一种常用的机械输送设备,主要用于需要对粉状、颗粒状及小块物料的持续垂直提升的场合1。提升机系统的电力传动部分是十分复杂的，电动机频繁的正反向，使其常常处于过负荷运行以及电动、制动状态不断进行转换的过程中Error! Reference source not found.，这就要求系统必须具有足够的稳定性。系统在运行过程中能够既安全又可靠，这对于提升机来说是首要要
7、求。若系统长时间保持在低安全性、低可靠性的状态运行时，不光可能直接影响整个工业场合的生产输送能力，导致其经济效益降低，还有可能危害到工作人员的人身安全。所以，研究一种具有优良安全可靠性能的提升机是今后工业控制系统的一项重要内容。在对现有调速系统进行了深入的了解和学习之后，最终决定运用PLC控制技术对提升机系统进行设计，并将其作为系统的核心部分，将双闭环直流调速系统作为本设计的电力拖动部分。围绕课题的主要研究内容，论文的整体结构主要分成了七部分，对每部分结构的内容做了如下安排:第一部分:概述。在本部分中主要对课题的研究背景、研究意义以及研究内容作了简要介绍，同时就提升机的国内外研究状况进行了分析
8、。第二部分：直流调速系统。本章主要对直流电机调速的基本调速方法进行了介绍，并对本课题拟采用的双闭环直流调速系统进行了具体分析。第三部分：PLC控制技术。本章主要从PLC的基本结构、工作原理以及不同于其他控制技术的特点等方面进行了介绍，使之进一步了解PLC控制技术。第四部分:硬件部分的设计。本章主要从硬件部分的设计进行介绍，首先对系统的整体硬件结构进行了概述，其次PLC的选型，之后按照系统的设计要求对I/O口进行了分配，最后介绍了硬件设计流程图以及整体的原理框图。第五部分：软件部分设计。本章主要从程序的编写及仿真的角度进行介绍,首先从对编程软件进行了简要概述，然后对系统的部分程序进行了具体分析，
9、列举了部分程序的流程图，最后介绍了组态的画面仿真过程。第六部分：结论。总结在设计过程中主要研究内容，并对研究该系统所具有的现实意义进行了简要介绍，最后阐述了系统的不足之处。第一章 概述1.1选题背景物料提升机是一种固定的机械输送设备，主要用于需要对粉状、颗粒状及小块物料的持续垂直提升的场合1。随着科学技术的不断发展，工业控制技术也在不断革新，不同场合、不同工况下对提升机的要求也存在些许差别。由于电动机在系统运行过程中经常需要经常切换运行状态，导致提升机系统的电气传动部分需要设计的非常复杂。所以对于提升机系统的运行过程来说能够安全可靠的运行是非常重要的，如果发生故障，不但会影响工业生产的经济性，
10、而且还会对工作人员的人身安全产生威胁。因此，研究安全可靠的提升机系统对当前工业生产来说是一项重要的课题。1.2 国内外研究状况近四十年以来，国外提升机的发展速度可谓是如日中天，尤其是它的机械控制部分和电气传动部分简直可以说是日新月异的。19世纪七十年代初，国外就已经开始在提升机的控制系统中运用可编程控制器了。到19世纪八十年代，提升机又开始使用计算机进行系统的实时监视和可视化管理。计算机和可编程逻辑控制器相结合的应用模式，给提升机系统提供了一种新型的、现代化的可视监管手段，不止是将提升机的控制技术提高到一个新的层次，还在一定程度上对了系统的安全可靠进行了完善。与此同时，我国的提升机系统却没有多
11、大成就，导致在很长一段时间里都处于停滞不前的状况。和国外相比，我国的提升机控制系统还是存在很大距离的，需要加大研究的力度。目前，我国还有80%以上的提升机仍在使用通过交流绕线式异步电机拖动的方式对电控系统进行控制。它采取了串接附加电阻的方式实现电机的启动、调速功能。串电阻调速方法作为常用的恒转矩调速方式，虽然这种方法具有经济性差、低速运行特性软以及稳定性差的缺点，但由于这种方法的比较简单方便实用，所以，在大型工业机械中依然被经常使用。20世纪90年代初，在一些工业生产场合就开始使用由我国自主开发、制造的晶闸管-直流电动机控制系统了。这种控制系统的对大部分场合都适用，体积小并且重量也很轻，所以不
12、需要很大的占地面积，具有安装和建筑费用低、总效率高、电能损耗少、单机容量大的优点，首次实现了自动化控制。由于物料提升机在安全性、可靠性以及调速性能这几方面有着独特的要求，因此，可以说提升机的电控技术水平几乎能代表一个企业乃至一个国家的电控技术水平。近些年来，国外在电力拖动方面也取得了不小的进展，出现了许多新型的拖动方式，包括交交变频、交直交变频等。变频调速是一种和他励电动机调速非常相似的调速方式，具有较宽的调速能力、调速平滑性优良以及机械特性足够硬的优点，在工业生产中可表现出其独特的优越性。1.3 本文研究内容及意义1.3.1 论文主要研究内容通过对当前提升机控制系统的研究，本文主要对物料提升
13、机的控制系统部分进行了设计，以可编程控制器及直流电机相结合的方式，用于实现对物料提升机的起制动、升降速以及调速方面的控制。系统主要是由PLC控制和直流电机调速两部分组成的。PLC控制部分主要是用于编写提升机运动指令并进行数据打包等处理，实现对提升机的运行控制；直流电机调速系统主要是采用双闭环直流调速的方法，将其与控制部分连接，用于接受PLC的控制程序，实现电动机的启停、加减速等状态。本课题主要从以下三个方面对提升机控制系统进行了研究：（1） 运用了PLC控制技术，进一步改善了提升机的安全可靠性问题。设计编写了相应的程序使直流电机能够进行不同的状态变化，从而达到控制提升机系统运行的目的。（2）
14、通过对直流电机调速系统的学习，了解它的调速原理，并在现有基础上进行设计。（3） 采用组态软件进行仿真。通过组态软件进行画面的制作和仿真，能够更加直观的看到提升机的状态变化过程。1.3.2 本文研究意义本课题中采用目前工业当中普遍使用的可编程控制器作为物料提升机的主要控制单元，具备运行可靠、操作简单的特点；在电力拖动系统中，采用了调速范围宽、静差率小、稳定性能优良、具有良好动态性能的转速-电流双闭环直流调速系统，同时PLC的应用也一定程度上优化了调速系统性能。以改进物料提升机系统的控制方式为目标 ，在传统调速方案的基础上对其控制方式部分进行了创新，不光可以起到降低成本的作用，还能够增强系统的稳定
15、性。能够安全、可靠的使用提升机是本系统研究与设计的主要目标。第二章 直流调速控制系统3.1 直流调速的基本方法直流电动机电枢回路的电压平衡方程式表示为 （3-1）电枢反电势表示为 （3-2）将电枢反电势和电压平衡方程式联合进行求解，可得转速特性方程式如下所示： （3-3）由式3-3可以看出，直流电机的调速方法主要包括以下三种，包括：（1） 调节电枢电压调速（2） 改变电动机励磁调速（3） 改变电枢回路电阻调速2图3-1 他励直流电动机改变电枢电压时的人为机械特性采用改变电枢电压的方式对速度进行调节时，可以在较宽的范围内实现无级平滑调速，其人为机械特性如图3-1所示。虽然在对电枢电压做出改变时，
16、n0会随之发生改变，但其机械特性的斜率却是固定值；通过改变电阻的方式对速度进行调节时，只能用来实现有级调速；采用变化磁通的方式进行调速时（即磁通降低），可以用来实现平滑调速。但由于其较小的调速范围，通常只在用作配合调压调速的方案中使用，可以实现在电动机额定转速的小范围内调速的功能。3.2 转速一电流双闭环调速系统如图3-2所示为转速-电流调速系统的稳态结构图，需要在系统中设置两个调节器，且两者之间采用通过串联的形式进行连接，两个调节器分别对主要被调量转速以及辅助被调量电流起进行调节，将电流调节器的输入部分用转速调节器的输出部分代替，之后再通过电流调节器的输出对晶闸管整流器的触发装置进行控制Er
17、ror! Reference source not found.。从整体的闭环结构来看，内环是将电流调节套在里面的；外环是将转速调节套在外面的。设计时，第一步先对电流调节器进行设计，之后把设计完成的电流环当成整个转速调节系统的一个部分，第二步再对转速调节器进行设计7；通常情况下，会选择PI调节器作为两个调节器使用，以此达到获取优良静、动态特性的目的。图3-2 双闭环调速系统的稳态结构图（1） 静态特性图3-3双闭环直流调速系统的静态特性双闭环系统的静态特性如图3-3所示。当负载电流比Idm小时，转速调节器ASR处于不饱和状态，仅仅依靠ASR的调节作用，就能够保证系统具有转速无静差的特性，因此，
18、认为此时电流调节器只起到辅助作用4。负载电流在不断增大的同时，ASR的输出控制电压也会不断加大，当负载电流达到Idm时(电动机过载或被卡住堵转时)，ASR输出的控制电压达到最大值，使其处于饱和状态，不再具有调节作用，此时转速环呈开环状态5。在最大给定电流是恒定数值的条件下，依赖电流环对电流的调节作用，此时可将系统从恒转速调节转换成恒电流调节。因为ACR同样是PI调节器的原因，以至于能够实现无静差电流调节作用，获得理想的下垂特性，使系统能够受到保护。这就是是采取了电流控制内环然后加上转速对外环控制的串接方式的效果。事实上，由于运算放大器的开环放大系数不是无穷大，再加上零点漂移，静特性的两端都略有
19、很小的静差率9。（2） 动态抗扰性能通常情况下，转速-电流调速系统具备比较优良的动态性能。在调速系统中，对动态性能来说，抗扰性是占主体地位的，它主要包括了抗负载以及抗电网电压的扰动性能。图3-4 双闭环调速系统动态结构图通过图3-4能够看出，如果在电流环环节之后发生负载扰动的情况，只能通过对转速调节器ASR的作用去抵消负载扰动情况10。所以，在对ASR进行设计时，要求它的抗扰性能要比较好；与单闭环直流调速系统的不同之处在于，双闭环调速系统多设置了一个电流环。为的是当电压发生波动时，通过电流环的反馈作用可以使电压波动得到有效调节，抗电网电压扰动性能大有改善，转速动态变化也会大幅降低16。（3）
20、电流调节器参数的选择图3-5 电流环的动态结构图由图3-5可知，因为在检测电流信号的时候常常能从中发现交流分量的存在，所以在设计时必须通过低通滤波来对其进行消除，其滤波时间常数L可以根据不同的设计需求进行选定。在对电流环进行设计时，最先要解决的问题就是转速环输出量对电流环的影响。在实际系统运行中，它的电流调节过程一般要较快于转速变化过程，也就是反电动势E要进行很快的变化，造成这种情况最主要原因就是其电磁时间常数T1一般都远小于机电时间常数Tm。由于E在电流环中只起到一个很小的扰动作用，对电流环来说干扰性不大，所以可将调节过程中的E看成一个固定值。所以在对电流环进行设计时，就可以先断开电动势的反
21、馈作用，暂时忽略它的动态性。惯性环节可近似认为是一个将给定滤波及反馈滤波等效替代之后移到环内构成的等效环节。取，电流环结构图最终可以简化为图3-6。图3-6 电流环简化动态结构图通常情况下，会根据型系统对电流环进行设计。选用PI调节器构成电流环，其传递函数可表示为： （3-4）式中：Ki表示调节器的比列系数；表示调节器的超前时间常数。由于需要将调节器的零点和控制对象的时间常数极点进行抵消，所以使 （3-5）其中，电流环开环增益为 （3-6）比例系数Ki通常情况下与Wci以及动态性能指标有关，它们能决定比例系数的取值。通常将超调量的取值范围定为：%5%，此时通过查阅相关资料可以得到阻尼比为：。于
22、是可得出 （3-7）再根据上述两式可得 （3-8）（4） 转速调节器参数的选择由于在设计转速器之前，就已将电流环设计好，所以此时可以直接将其作为调速系统的一个环节进行使用，其等效后的传递函数可表示为：,于是可以得到转速环的动态结构图，如图3-7所示。图3-7 转速环动态结构图将给定滤波器以及反馈滤波环节进行等效处理之后，再将其移动到环内，并需要将给定信号同步写成；最后再将两个小惯性环节进行合并，合并后的结果可近似认为是，此时的时间常数就变成了，也就是说可将惯性环节看作,由此可以得到转速环简化结构图，如图3-8所示。图3-8 简化后的转速环动态结构框图通常情况下，都将ASR校正成典型型系统，已达
23、到稳态时无静差及抗扰动性优良的要求。所以其传递函数可写为 （3-9）式中，Kn指的是ASR的比例系数；n指的是ASR的超前时间常数。因此，可将其开环传递函数表示为： （3-10）其中，ASR的开环增益为 （3-11）根据典型型系统要求的参数选择法将参数确定为： （3-12） （3-13）所以，转速调节器的比例系数可表示为： （3-14）式中，频宽h需要由系统对动态性能的要求来确定。通常情况下，默认h=5.3.5 直流电动机的可逆运行由于晶闸管具有单向导通性，所以它只能提供给电动机一种方向的电流，即电动机在这种情况下只有单向运行一种方式。有些拖动机械(如锚机、绞缆机)需要正反向运行，在减速和停车
24、时还要有制动作用，以缩短制动时间5。所以，就需要对这类设备的自动调速系统实施可逆运行线路的设计。通过转矩公式，可知可以通过调节电枢电流的方向和调节励磁磁通的方向这两种方式对转矩进行调节。前面一种主要是对电枢电压的极性进行调节，后一种主要是对励磁电压的极性进行调节。3.5.1 反接电枢的可逆线路选用两组晶闸管装置，将其两者之间采用反并联的形式连接到一起，此时就可以用这种装置进行电动机正、反向运行的控制。经过正方向的一组晶闸管装置时产生一个正向电压，当用该正向电压对系统进行供电时，可以实现电动机的正转功能；经过反方向的一组晶闸管装置时会产生一个反向电压，当用该反向电压进行供电时，可以实现电动机反转
25、功能。两组晶闸管需要通过两套触发装置，分别对其进行控制，因此每一组晶闸管都能对电动机的起动、制动以及升降速状态转变的过程进行灵活控制18。由于电枢回路中的电感和时间常数都较小，而且其在反方向运行时的过程会很快，所以在需要经常处于起动、制动状态以及要需要较短过渡时间的拖动机械上常常使用这种线路。然而通常情况下，若想要使用此回路，需要在它的主回路上设置两套晶闸管整流装置，所以导致投资相对较大，尤其是在需要较大容量的可逆系统中表现的尤为突出。此外，由于实际运行时，是不可以将两组晶闸管同时设置为整流状态的，为的是避免发生电源短路现象。因此，在反并联可逆线路中反接电枢方式是其中最为重要的问题。3.5.2
26、 励磁反接可逆线路如图3-9所示，将另外的两组晶闸管装置进行反并联连接之后，可供电给励磁绕组，通过交替工作的正方向和反方向两组整流装置可以用来对励磁电流的流通方向进行调节，以调节磁通方向，从而达到使电动机换向的目的。因为在电动机额定功率中励磁功率只占15%的比重，所以，反接励磁所需的容量远比电枢反接所需容量小得多。因此，只需要在电枢回路中应用一组大容量的装置就可以了。但是由于励磁绕组中存在着较大的电感，所以励磁反向所需要的的时间就要远远大于比电枢反向所需要的时间，因此，相对于一些大容量的电动机来说，其励磁时间常数是比较长的，可达到几秒的数量级单位。所以相对来说电流反向运行所花的时间就有可能超过
27、10s的数量级。因此，在对快速性要求低，正、反转状态不需要经常切换的大容量可逆系统中经常使用该方案。图3-9 励磁反接可逆线路第四章 PLC控制技术4.1 PLC的概述可编程控制器是一种通用工业自动控制装置，它是在微处理器的基础上，结合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术以及通信网络技术发展起来的7，因此，可以用其表示当下工业生产技术中程序控制部分的先进程度。它面向的主要对象包括两类：过程控制和用户，具有操作方便、可靠性高、适应工业生产环境等优点。4.2 PLC的基本框架PLC的硬件结构与微型计算机基本是一样的，它实质上可以看作是一台专用于工业过程控制的计算机系统，如图4-1所
28、示。图4-1 PLC的基本结构图（1） 中央处理单元CPU作为PLC的控制中枢，主要起到了接收、存储用户程序以及数据的作用。（2） 存储器按照其功能的不同可以将存储器分为两种：一种叫系统程序存储器，是用来存储系统软件的；另一种叫用户程序存储器，是用来存储应用软件的。（3） 电源电源是整个PLC系统中动力中枢。通电时，PLC启动；断电时，PLC关闭。4.3 PLC的工作原理PLC通常以循环扫描的方式进行工作。将PLC接通电源之后，就可以对用户程序进行扫描了，完成一次扫描之后将用户程序存储起来，之后再让系统执行程序完成规定的任务，周而复始，直至PLC停止运行。扫描周期是指完成一次扫描所用的时间，一
29、次完整的循环过程可以归纳为五个阶段，分别为公共处理阶段、执行用户程序阶段、扫描周期计算阶段、I/O口刷新阶段以及外设口服务阶段11。（1）公共处理阶段在此阶段，PLC会进行如下操作：对监视定时器进行复位、对所接外部设备进行检查以及对用户的内存状态进行检查等。如果在处理时有异常情况发生的话，故障显示电路就会被接通，显示灯打开的同时会对异常原因进行判断和显示。（2）执行用户程序阶段在此阶段主要是进行对映像寄存器中存储的数据进行读取、解释以及执行的工作。（3）扫描周期的计算在此阶段，如果随扫描周期提前进行了设置，则不会立即进行下面的扫描工作，直至达到设定值才能继续向下扫描。若没有提前设置，则要完成整
30、个周期的扫描计算。（4）I/O刷新阶段I/O刷新阶段，主要分为两个部分：读各输入点的状态在此时PLC会对用户程序中的输入状态以及数据依次进行扫描工作，扫描结束后会将其存入到I/O映像区的对应单元中，之后PLC会进入用户阶段及输出刷新阶段，此时的I/O映像区处于闭锁状态，无论数据和输出状态如何变化，该单元状态都会保持原状不会发生改变14。读输出映像寄存器中的状态在此阶段，输出映像寄存器中已存有相关数据及对应状态，PLC会以此为依据对输出锁存电路进行刷新，刷新完成后会经由输出电路对数据或状态进行输出，以实现对外接电路的驱动。（5）外设口服务阶段在此阶段会完成与外部的通信处理工作。在进行了上述各部分
31、的扫描处理之后，PLC又会从公共处理阶段开始进行下一周期的扫描，一直循环此扫描过程，直至PLC停运。4.4 PLC的基本特点PLC控制技术的诞生让工业控制技术在整体上有了一个质的飞跃，它相比于传统继电器的控制技术主要有以下优点 ：（1）高可靠性以及强抗干扰能力随着科学技术的不断发展，元器件的性能也在被不断地进行完善，因此，在一定程度上提高了PLC的可靠运行性。通常情况下，PLC可正常工作的时间是非常长的，甚至于可以达到几万小时以上，使得该项指标已变得毫无意义，因此，大部分厂家在之后的生产过程中都不会再对该性能指标进行标注。大量的实践表明，PLC运行系统发生故障的原因基本不是由其本身问题产生的，
32、大多数还是其外部开关、传感器或执行机构发生故障导致的。（2） 通用性强，使用方便目前大部分的PLC产品中所带有的I/O模块和相关部件都是比较齐全的，且基本上实现了系列化生产和功能模块化的目标，在很大程度上满足了用户在进行不同系统控制时将所需部分进行组合的便利性，节省了用户的设计时间13。（3） 程序设计简单且易学易懂通过对当前用户的使用数据进行分析，可以看出电气控制人员是PLC的主要使用对象。因此结合这个实际情况，PLC厂家在对其进行设计时通常情况下不会采用微机使用编程语言，而选用了一种梯形图语言，这种语言的结构和继电器的控制原理图是类似的，所以对工程技术人员来说，无论是学习还是使用都是非常便
33、利的15。（4） 采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便PLC整体上采用了模块化的技术手段，将CPU、电源及I/O通道等各个部件分别进行模块化设计，之后再用机架和电缆将各模块组合到一起。可按照用户需求将随意组合，大大提高了用户的工作效率。（5） 系统设计周期短鉴于系统硬件仅是依据对象的要求对模块进行合理化分配，很大程度上减少了设计时间，加快了工程的进度。（6）安装简便、调试方便、维护量小可编程控制器能够在所有工业环境中直接运行，通常情况下是不需要设置机房存放的。PLC通常在实验室中就可以进行软件的设计和调试工作，不需要到现场去进行实地设计和调试。输入信号可通过模拟实验开关表示，输出状态可通过发
34、光二极管的显示情况进行观察，也可采用另接输出模拟实验板的方式进行观察。第五章 物料提升机控制系统的硬件设计5.1 PLC控制系统的基本结构本设计研究的物料提升机控制系统，其硬件部分主要由PLC和转速-电流双闭环直流调速系统组成。5.2 PLC的硬件设计5.2.1 PLC机型的选择本设计采用了日本三菱公司的FX3U系列的FX3U-16MTCPU系统，其中，16是指一共有16个输入输出点；M为基本单元；T为晶体管输出形式Error! Reference source not found.。这类PLC在环境温度、抗冲击性、抗扰动等方面都能满足要求。PLC构成双闭环直流调速系统的成分包括：1个基本单元
35、（即FX3U-16MT）、一个模拟量输入模块FX3U-4AD（即4个12位模拟量输入通道）和一个模拟量输出模块FX3U-2DA（即2个12位模拟量输出通道）15。通过FROM（FNC78）/TO（FNC79）指令实现PLC基本单元与FX3U-4AD和FX3U-2DA之间的数据通讯功能。FROM（读特殊功能模块指令）是用于读取数据的指令，实现将数据从FX3U-4AD/2DA中读出的功能，TO（写特殊功能指令）是用来写入数据的指令Error! Reference source not found.。PLC构成的转速-电流双闭环直流调速系统一共包括三个模块：基本单元模块FX3U-16M、模拟量输入模
36、块FX3U-4AD以及模拟量输出模块FX3U-2DA。将I/O模块连接在FX3U-16MT的右边扩展总线上，编号时，认为靠近基本单元的模块为起始模块，依次标为0号、1号，如图5-1所示。图5-1 PLC模块连接和编号PLC从双闭环直流调速系统中接收到的信号主要有三种，分别为：（1） 电压的给定值；（2） 速度的反馈值，首先把调速系统的输出值变换为电压值，然后将该电压模拟量经输入单元输送至PLC；（3） 电流的反馈值，也就是要先利用电流互感器去检测整流变压器副边的交流电流量，可以测试到它是跟电枢电压呈正比关系的一个值，之后再通过整流操作之后就可以经由模拟量的输入单元输送到PLC当中了。5.2.2
37、 PLC硬件部分设计（1）PLC硬件设计如下图5-2所示为本设计的PLC硬件连接方式。我们把其中的SB0SJ设定为输入通道，KM0DJ设置为输出信号通道。图5-2 PLC连线图（2）I/O口的选择及分配由于输入、输出之间存在相互对应的关系，所以一定要事先对信号的输入输出通道进行分配。分配完毕之后，就可以对其进行编号了。如表5-1所示为I/O口的配置情况。表5-1 控制系统I/O分配表输入信号输出信号SB0启动X0KM0提升机启动Y0SB1电机正转X1KM1上升Y1SB2电机反转X2KM2下降Y2SB3停转X3DJ输出显示Y3SJ过电流保护X40脉冲宽度调节器I1给定电压CH1I2电流的反馈CH
38、2I0.7I3速度的反馈CH35.3 控制系统的硬件设计5.3.1 控制系统结构图如图5-3所示为提升机系统的整体控制结构图，整体分为了两部分：上位机以及下位机。上位机部分主要是通过组态王工业组态软件完成监控系统的搭建工作，通过监控系统对提升机系统的参数进行设置和监测。把FX3U系列PLC作为下位机的控制部分，然后通过PID功能输出模拟量给脉宽调制器，再通过IGBT的驱动装置给四个IGBT管提供不同宽度的脉冲，完成直流电机的调速过程，在通过直流电机带动物料提升机的运行，最终完成提升机的加、减速控制功能设计。图5-3 控制系统结构框图5.3.2 系统硬件结构设计本设计以物料提升机电控系统的直流电
39、机调速为主要研究对象，如图5-4所示系统的部分原理图，提升机系统的总电路原理图如附录1所示。采用了双闭环调速方法对提升机的运行速度进行调节。首先给可编程控制器FX3U一个模拟量输入，之后通过整流器，实现交流变直流的过程；中间部分加上大电容之后，进行滤波操作，能够获得一个稳定的直流电压，然后再通过4个全控器件给直流电机供电。图5-4 部分供电电源结构图第六章 物料提升机系统的软件设计6.1 PLC的程序设计环境PLC可以通过两种方式完成程序的编写工作，分别是编程器和编程软件。对于编程器来说每家PLC公司都有专属于自己生产的PLC的编程器，由于编程器需要携带到现场进行使用，因而厂家在制作时，通常会
40、做得比较小巧。但是这种编程器的编程语言比较单一，只有助记符语言这一种，而且由于体积小的原因，导致它的屏幕也特别小，显示内容非常有限，所以很难对程序进行完整的解读；而编程软件相对来说就比较方便了，因为它是在计算机上进行编程的，所以可以对程序进行整体性分析。而且它还具有多种编程语言，灵活性比较高，同时还可以模拟运行过程，对所编程序进行监视和调试。6.1.1 PLC公司的编程软件编程软件是用来对用户程序进行编辑、调试和输入的工具，它不仅可以对PLC内部的状态、参数进行在线实时监控，还可以实现人机对话的功能，因此，在对PLC进行开发、应用和维护的过程中起着十分重要的作用，编程软件一般是由PLC生产厂家
41、提供的，不同的PLC它所对应的编程软件也是不同的16。其主要功能可分为六个：脱机编程、文件管理、文件的上传与下载、监控运行、在线更改以及其他功能。6.1.2三菱PLC系统的GX Developer编程软件简介打开GX Developer编程软件之后，便会直接进行梯形图的编写界面。此时，一般不直接进行程序的编写，而是先新建一个文件，在新建文件的过程中需要对PLC的型号进行选择。文件建立好以后才开始进行程序的编写工作，梯形图的编写画面如图6-1所示。图6-1 编程界面程序编写完成之后，需要先对它进行一个编译工作，若编译过程中无错误产生可直接将程序下载到PLC当中去执行命令，若存在错误则需要将错误修
42、改完毕之后在进行执行操作。6.2 部分软件程序设计6.2.1 主程序设计主程序完成的是提升机的启停控制、升降运行以及转速显示功能，其部分程序如下。提升机的启停控制梯形图：提升机的升降控制梯形图：6.2.2 PID程序设计PID 部分的程序设计是整个调速系统运行程序设计的重要部分，它可以输出可使的控制电压，使电机的转速达到给定的转速值。部分程序如下：LD Y001OR Y002FROM K0 K30 D4 K1 模块标识码送到D4CMP K2010 D4 M0MPSAND M1TO K0 K0 H3000 K1 通道初始化，关闭通道4，即CH4FROM K0 K29 K4M10 K1ANI M1
43、0ANI M18FROM K0 K29 K4M10 K1MPPMOV K0.4 D10 采样时间TS=0.4msMOV K1 D11 调节器反作用MOV K3.48 D13 比例系数Kp=3.48MOV K5 D4MOV K0 D16 微分无作用PID D0 D1 D10 D10 PID运算结果存入D1MOV K0.4 D20MOV K1 D21 调节器反作用MOV K10 D21MOV K34 D24MOV K0 D26PID D1 D2 D20 D30 PID运算结果存入D306.3 仿真调试在本设计中，选择使用组态王软件进行实验仿真，因为组态王的组态结果可以实时显示在监控当中。组态王软件
44、实现控制系统仿真调试的基本步骤如下所示：（1）首先需要构建系统所需画面图形的数据库；（2）画面的整体搭建；（3）与变量的互联和动画的连接；（4）运行然后调试。6.3.1 系统仿真画面的监控如图6-3所示为整个控制系统的组态画面，调速按钮可实现加、减速的功能；提升机的启停由同一个按钮进行控制（启动时为绿色，停止时为红色）；若提升机开始处于底部，则启动后会自动进入提升状态，提升到最大限高度时就会停止，反之也一样。提升机运行过程中会实时显示其转速。其状态转换控制画面如附录B至附录D所示。图6-3 物料提升机控制画面6.3.2 监控趋势曲线如图6-4所示为系统运行的实时趋势曲线。图6-4 实时趋势曲线
45、6.3.3 实时报警表如图6-5所示，是本系统的实时报警表。它是在对系统运行过程的整体化监控中根据系统元件参数的一些变化，实时的判断系统是否发生异常、发出信号并自动生成报警表可供工作人员打印使用。从报警表中可以很清晰的看到系统在什么时候发出了什么样的异常，以及异常存在的时间长短问题，方便运行人员进行检修。图6-5 实时报警表第七章 结论与展望本文主要是对物料提升机的电气控制部分进行了合理化设计，以达到通过PLC可以对提升机的速度进行调节的目的，从而达到高可靠性和安全性的要求。使用PLC的强大功能实现对提升机的运行控制和参数调节，改变了控制方式，方便了用户的使用。物料提升机调速控制的实现不仅能满足工业对数字化的渴望，而且还对工作人员的人身安全提供了一定的保障。本设计以物料提升机的电控系统为研究背景，主要研究了PLC控制技术在提升机启停、调速、升降等方面的应用问题。对本文所做工作进行总结，主要有几下几点：1. 通过组态软件对该系统进行仿真画面的实现，可以根据监控中心、实