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基于PLC的直流電機柔性調(diào)速綜合實驗設(shè)計

基于PLC的直流電機柔性調(diào)速綜合實驗設(shè)計

時間:2020-09-28 16:55:46

 摘 要:為提高學(xué)生綜合實踐應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力,該文設(shè)計了一種基于 PLC 控制的直流電機柔性調(diào)速控制系統(tǒng)綜合實驗項目,將 PLC 控制模塊、模擬量模塊、可控硅調(diào)速模塊和直流電壓變送器模塊結(jié)合在一起,形成了閉環(huán)的信息傳遞與控制效果,達到柔性調(diào)速節(jié)能的目的。通過實驗,提高了學(xué)生對多種設(shè)備的應(yīng)用操作能力,鞏固和擴展了學(xué)生的課堂知識,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高了課程的教學(xué)質(zhì)量。E4i壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

 
應(yīng)用型本科院校電氣電力課程群都會開設(shè)“電機學(xué)”“現(xiàn)代電氣控制設(shè)備”和“PLC”等課程,直流電機的原理和應(yīng)用是重要教學(xué)內(nèi)容。直流電機具有良好的啟動、調(diào)速性能及節(jié)能耐用的特點,是工程常用動力設(shè)備[1-2]。直流電機的機械特性硬,適合用作控制電機,調(diào)速功能是它的重要應(yīng)用領(lǐng)域。直流電機調(diào)速涉及較多理論知識、硬件模塊和設(shè)計思路,是現(xiàn)代電氣控制技術(shù)的基礎(chǔ),也是學(xué)生理解 PLC 控制電路必須掌握的知識點[3-7]。本文針對應(yīng)用型本科院校學(xué)生學(xué)習(xí)的特點,設(shè)計了基于 PLC 的直流電機柔性調(diào)速控制系統(tǒng)綜合實驗,讓學(xué)生通過實驗來掌握基本電氣模塊的應(yīng)用方法和 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計過程[8-10]。 1 系統(tǒng)組成直流電機在啟動與調(diào)速時常有很高的穩(wěn)定性和線性調(diào)節(jié)要求,常用可控硅作為整流與調(diào)速元件。可控硅具備弱電控制強電的電力調(diào)控功能,當(dāng)控制端輸入適當(dāng)信號電壓,可控硅模塊就能線性輸出控制電壓進行電機調(diào)速[11]。直流電壓變送器是將電網(wǎng)中的直流電壓隔離并變送成線性的直流模擬信號的裝置[12]。 直流電機柔性調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件組成如圖 1 所示,主要包括 4 個模塊(PLC 控制模塊、模擬量模塊、可控硅調(diào)速模塊和直流電壓變送器模塊)和直流電機。
 
本系統(tǒng)的 PLC 控制模塊采用西門子 S7-200,模擬量模塊采用 EM235,可控硅調(diào)速模塊的型號為 MJYD-ZL-30,直流電壓變送器的型號為 ZR26-1V/Q4。圖 1 中的220 V 交流電源經(jīng)過可控硅轉(zhuǎn)換后給直流電機提供能源,圖中所示其他電壓均為直流,其中模擬量模塊EM235 的工作電壓是 24 V,可控硅調(diào)速模塊的工作電壓是 12 V,變換器的工作電壓是 24 V。圖中模擬量模塊、可控硅調(diào)速模塊和直流電壓變送器模塊的輸出電壓為區(qū)間值,是因為其受 PLC 的電位器控制而可變。
 
圖 1 中,通過擰動電位器產(chǎn)生初始調(diào)速信號,經(jīng)過 PLC 程序處理后得到調(diào)速數(shù)字信號,再利用模擬量模塊的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能變成模擬量傳輸給可控硅調(diào)速模塊。當(dāng)可控硅模塊控制端輸入適當(dāng)模擬量電壓信號時,可控硅模塊會自動調(diào)整導(dǎo)通角來改變直流電機輸入端交流電壓的波形,從而改變輸出端電壓的有效值,達到調(diào)速的目的。變送器再將含有電機轉(zhuǎn)速信息的模擬量電壓轉(zhuǎn)成變送電壓傳到模擬量模塊,利用模數(shù)轉(zhuǎn)換功能把模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量,傳送給 PLC 處理,形成閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)。
 
2 編程
PLC 控制模塊有 2 個電位器,其中電位器 1 的值自動存儲在特殊存儲器 SMB28 中,電位器 2 的值自動存儲在特殊存儲器 SMB29 中,本系統(tǒng)選用電位器 1。當(dāng)電位器旋轉(zhuǎn)一個角度,特殊存儲器 SMB28 中就得到一個小于 255 的整數(shù),把該整數(shù)經(jīng)過數(shù)據(jù)運算指令(×125.49)和數(shù)據(jù)長度轉(zhuǎn)換指令后送入 EM235 的模擬量輸出寄存器 AQW0 中,EM235 的輸出實際由AQW0 輸出。SMB28 是 8 位存儲單元(字節(jié)),取值為 0~255 的整數(shù),AQW0 是 16 位存儲單元(字),取值為 0~32 000 的整數(shù),編程實現(xiàn)把 SMB28 的存儲范圍映射到 AQW0 的存儲范圍。由于 32 000/255= 125.49,故程序中要對 SMB28 的值×125.49。參考程序如圖 2 所示,其中#核心的部分是 MUL_R 雙字實數(shù)乘法指令。因為乘法指令是雙字實數(shù)運算,所以程序中還需要進行數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換。EM235將 AQW0 中的整數(shù)經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換后輸出一個小于10 V 的電壓,作用于可控硅的控制端,使直流電機獲得一個轉(zhuǎn)速。調(diào)整電位器的旋鈕,電機就會按不同的輸入電壓,得到不同的轉(zhuǎn)速[13]。
 
3 線路連接
直流電機柔性調(diào)速控制系統(tǒng)的連接如圖 3 所示。接線分為以下 4 部分[14]: 
(1)模擬量模塊的接線。EM235 通過 16 線扁平電纜與 PLC 模塊排線孔相連;EM235 的端口 M 和 L+接入 24 V 電源;將 EM235 的模擬量輸出端子 MO 和VO 引到可控硅調(diào)速模塊的控制電壓輸入端:模+、模–。 
(2)可控硅調(diào)速模塊的接線。將 12 V 穩(wěn)壓電源連接到可控硅的工作電源端;將 220 V 交流電源接入可控硅交流電源輸入端;可控硅輸出端接直流電機的電樞。
(3)直流電機的接線。如果采用并勵方式,磁場線圈并在電樞兩頭。如果采用他勵方式,磁場線圈供電要使用單好的小電流整流器供電,整流器輸入端連接在電源 220 V 可控硅模塊交流輸入端兩頭。本例負載較小,故采用他勵方式。一般電樞線圈的引出線粗,磁場線圈的引出線細,可以分辨出來;蛘咭部梢栽跀嚯娗闆r下測試?yán)@組的電阻,一般磁場線圈的電阻大于幾百歐姆,而電樞線圈的電阻只有幾歐姆或零點幾歐姆。
(4)直流電壓變送器的接線。電機電樞的輸出接入直流電壓變送器的輸入端 1、2 引腳。變送器端子 6、 7 外接工作電源 24 V。變送器 4、5 引腳是輸出端,連接到 EM235 的模塊輸入端子 A+、A–。
 
較低的線性電壓送出。變送器輸出電壓為 0~5 V,可通過萬用表測量輸出端電壓來估計電機轉(zhuǎn)速,或者反饋給 PLC 進而調(diào)整穩(wěn)定電機轉(zhuǎn)速。
 
對于程序中各變量地址里的值可以通過狀態(tài)表監(jiān)控來監(jiān)控。在 PLC 運行狀態(tài)下單擊編程軟件中“狀態(tài)表監(jiān)控”按鈕,在地址欄中輸入 AQW0 和 AIW0,然后將格式都設(shè)置為無符號,就可得到各地址里當(dāng)前值的變化情況。AIW0=AQW0,證明整個系統(tǒng)有效工作,結(jié)果正確。
 
5 衍生實驗
仿照本例亦可設(shè)計如下 2 個相近的實驗。學(xué)生對比學(xué)習(xí)后,更能加深理解。
(1)不再是通過旋轉(zhuǎn)電位器控制加減速,而是通過 2 個按鈕控制加減速。具體方法是:修改程序,在PLC S7-200 的端口 I0.1 和 I0.2 接控制按鈕 A1 和 A2,步進送入加減速信息至 AQW0。用 EM235 的 D/A 轉(zhuǎn)換模塊的模擬量輸出端子 MO 和 VO 送出 0~10 V 電壓,來給可控硅模塊發(fā)出加減速指令,使直流電機調(diào)整轉(zhuǎn)速。電機負荷發(fā)生變動的時候,轉(zhuǎn)速有可能變動,這時直流電機端電壓也會發(fā)生變化,經(jīng)過直流電壓變送器將變化量送入 PLC。PLC 經(jīng)過適當(dāng)解算、修改加減轉(zhuǎn)速命令以穩(wěn)定電機的轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)。
(2)不再使用 PLC,因此也不需要程序,而是采用硬控制,如圖 4 所示,由配電板上的電位器(不是PLC 上的電位器)接線到可控硅模塊輸入端。具體方法是:可控硅模塊的 2 個電源輸入端子連接 12 V 穩(wěn)壓電源和地,剩下的 3 個控制輸入端子連接外置電位器,注意活動端的連接不要錯。在控制電源通電以后,活動端的電壓可以由電位器調(diào)節(jié)。電壓為零時,可控硅模塊不導(dǎo)通,直流電機不轉(zhuǎn)。電壓為 10 V 時,可控硅模塊全導(dǎo)通,直流電機全速運轉(zhuǎn)。
 
4 實驗結(jié)果 
系統(tǒng)啟動后,主電路中 220 V 交流電源接入可控硅調(diào)速模塊,直流電機在輸入電壓推動下轉(zhuǎn)動。將可控硅控制電壓在 0~10 V 進行調(diào)整,加載在直流電機上的電壓可以在 0~300 V 變化,從而使轉(zhuǎn)速得以改變,而電機電流不會出現(xiàn)太大波動[15]。從電樞兩端引出電機電壓送達給直流電壓變送器。因為直流電機電樞電壓和轉(zhuǎn)速成正比,直流電壓變送器將輸出信號以性的變化且變化幅度接近 20 dB。整個過程出現(xiàn)了約12 個周期的大幅度變化,從而其相關(guān)時間約為 33 ms。
 
 3 結(jié)語
本文設(shè)計了無線信道相關(guān)時間的測試裝置并給出了具體了測量方法,實際測試表明:本裝置能夠有效測試信道的相關(guān)時間。所設(shè)計的裝置還可以進一步測量相關(guān)帶寬等參數(shù),此裝置可廣泛應(yīng)用到無線通信實驗測量中。
 
來源:1、 湖北第二師范學(xué)院 物理與機電工程學(xué)院;2. 武漢交通職業(yè)學(xué)院 智能制造學(xué)院,
 
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