南通农业职业技术学院学生毕业论文

宗桃云：PLC自动配料系统设计 正文 第 21 页 共39页

器和测速传感器将称重和速度信号送至皮带秤仪表，皮带秤仪表显示输送物料的瞬时流量、累计量等数据，同时将瞬时流量以4～20mA模拟电流形式送往PID调节器，调节器根据测量值与设定值的偏差，通过变频器去调整皮带秤驱动电机的转速，使之精确地以用户设定的给料流量给料，达到恒定物料瞬时流量的目的。适用该工作模式的工艺现场必须满足这样一个前提条件，那就是物料给出量必须与给料控制电机的转速成正比。

图1 皮带称结构

皮带秤仪表将测量到的瞬时流量转化为两个4～20mA模拟输出信号，一个作为PID调节器的反馈输入与调节器机内设定植比较参与反馈运算，另一个作为PID调节器的前馈输入乘前馈放大系数，然后再与反馈运算输出相加输出4～20mA模拟调节信号控制变频器的频率从而及时改变电机的转速。单回路前馈-反馈复合控制系统较为实用可行的。

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图2 单回路前馈-反馈复合控制系统较为实用可行的电原理图

图2 原理图

2. 测速元件的设计

这里采用变频器进行调速。 （1）变频调速基本原理：

三相异步电动机的转速公式为: n = n1 (1-s)=60f(1-s)/p (1) 式中:

n — 电机的转速，r/min n1 — 同步转速，r/min p — 磁极对数 s — 转差率，% f — 频率，Hz

由转速公式（1）可知, 我们可以通过改变极对数、转差率和频率的方法实现对异步电机的调速。前两种方法转差损耗大，效率低，对电机特性都有一定的局限性。变频调速是通过改变定子电源频率来改变同步频率实现电机调速的。在调速的整个过程中，从高速到低速可以保持有限的转差率，因而具有高效、调速范围宽(10%～100%)和精度高等性能，节电效果20%～30%。 实际上仅仅改变电动机的频率并不能

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获得良好的变频特性。因为由异步电机的电势公式可知，外加电压近似与频率和磁通乘积成正比，即： U∝E=C1fΦ （2） 式（2）中，C1为常数，因此有：Φ∝E/f≈U/f （3） 若外加电压不变，则磁通Φ随频率而改变，如频率f下降，磁通Φ会增加，造成磁路过饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热，显然这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压，这就要求频率与电压协调控制。此外，在许多场合，为了保持在调速时，电机产生最大转矩不变，需要维持磁通不变，这可由频率和电压协调控制来实现，故称为可变频率可变电压调速(VVVF)，简称变频调速。

从结构上看，静止变频调速装置可分为交-直-交变频、交-交变频两种方式。前者适用于高速小容量电机，后者适用于低速大容量拖动系统。只要设法改变三相交流电动机的供电频率f, 就可以十分方便地改变电机的转速n, 比改变极对数p和转差率s两个参数简单得多。 （2）变频器的构成

异步电机的变频调速是通过变频器实现的。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器(MCU/DSP)等部分组成。图3给出了PWM型交-直-交变频器的控制原理框图。

图3 PWM型交-直-交变频器原理框图

由图2可知，这是一个VVVF变频调速系统。首先是将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后形成幅值基本稳定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率

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元件的通断控制，使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。在这里，通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制，而满足变频调速对U/f的协调控制的要求。PWM的优点是能消除与抑制低次谐波，使负载电机在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉动小，调速范围宽。近年来，带驱动和保护电路的各种智能功率模块(IPM)也相继应用在变频系统中。IPM模块是将三相逆变IGBT、驱动电路以及保护电路集成在一块芯片上，它的出现推动了变频家电市场的启动和发展。新型IPM模块甚至将开关电源也设计在模块内，更加方便用户使用，用户只需要了解接口电路和定义，很快便可以组成并运行系统，从而大大加快了新产品的开发周期。

为了提高配料精度，给料方式采用快、慢速给料。当料斗中料重小于设定比例的时，配料皮带电机在变频器调节下，转速大于额定转速，即快速给料；在料斗中料重大于设定比例时，配料皮带电机在变频器调节下，电机转速低于额定转速，即慢速给料；

4 控制系统设计

4.1 控制系统硬件设计

4.1.1 PLC的选配

本设计中采用西门子公司的S7-200型PLC,其优越的性能表现为极高的可靠性极丰富的指令集，易于掌握，便捷的操作，丰富的内置集成功能，实时特性，强劲的通讯能力，丰富的扩展模块。 1.S7-200的特征

(1).体积小, 尺寸: 160×80×62mm由于其紧凑的设计,S7- 200可以适合于任何机器控制环境。

(2).易于使用: 通过STEP7- Micro/Dos软件可以非常方便地为S7- 200编程,而且该软件能够在任何一台IBM兼容个人计算机上使用,哪怕是一台286 的微机,要求

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