设计矿车变频牵引控制系统

设计矿车变频牵引控制系统
摘要
本设计主要完成矿车变频牵引控制系统的PLC系统设计和组态设计。

PLC 系统采用施耐德公司的Quantum系列作为主控制器，完成对电动机、变频器等被控对象的控制，可以实现对矿车的监控，同时为了保证系统的可行性采用远程I/O。

能够实现上位监控功能。

使用编程软件完成许多控制功能让车前进、后退等等。

PLC程序设计借助于Concept软件中的仿真器，不需要使用实际硬件，即可对程序功能进行测试，可以减少现场调试的工作量。

关键词：矿车牵引；PLC；变频器;
Abstract
This design mainly completes design the PLC system and configuration of the frequency converter control system of the mineral car. The PLC system takes Quantum series of adopting which produced by Schneider as the master controller, finishes the target of control the motor, frequency converter, etc. and realizes the control to the machine of the mineral car. At the same time, it takes the long range I/O The configuration is designed and finished under the environment of kingview and can realize such functions as computer’s supervise and control, etc. The usage software completes many control functions to let the mineral car go forward, retreat...etc.
Depending on the artificial device in concept software we do not need to use the real hardware, which says that it can test the function of the procedure and reduce the debug in the field.
Keyword: Mineral car traction;PLC; Frequency converter;
目录
第一章变频器火车牵引概述 (1)
1.1变频牵引的背景 (1)
1.2本次毕业设计要求 (1)
1.2.1内容 (1)
1.2.2功能 (2)
第二章系统概述 (3)
2.1 方案论证 (3)
2.1.1 I/O 连接方式的选择 (3)
2.1.2PLC控制网的选择 (4)
2.1.3矿车装料过程控制方案的选择 (4)
2.1.4 单、双缆的选择 (6)
2.1.5 变频器控制方式的选择 (6)
2.2 系统组成 (6)
2.2.1 PLC系统 (6)
2.2.2 计算机监控系统 (7)
第三章硬件设计 (8)
3.1轨道开关设计 (8)
3.2 三相异步电动机 (8)
3.3 变频器 (8)
3.4 编码器 (13)
3.5PLC设计 (15)
3.5.1Quamtum PLC 选型 (15)
3.5.2 PLC模块接线 (20)
3.5.3主从站连接 (22)
3．6电气元件选型 (23)
3．7硬件原理图（如大图1或附录一示） (24)
第四章PLC程序设计 (26)
4.1Concept2.5简介 (26)
4.2编程步骤 (27)
4.2.1模块选型 (27)
4.2.2地址分配 (29)
4.2.3部分程序设计说明 (31)
4．3程序流程图（附录二） (33)
4．4程序梯形图（附录三） (33)
设计总结 (47)
参考文献 (48)
英文翻译 (49)
致谢 (68)
附录一见系统硬件分块图 (69)
附录二 (69)
附录三 (75)
第一章变频器火车牵引概述
1.1变频牵引的背景
变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。

20世纪60年代后半期开始，电力电子器件从SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双极型功率晶体管)、MOSFET(金属氧化物场效应管)、SIT(静电感应晶体管)、SITH(静电感应晶闸管)、MGT(MOS控制晶体管)、MCT(MOS控制品闸管)发展到今天的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)，器件的更新促使电力变换技术的不断发展。

20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频(PWM—VVVF)调速研究引起了人们的高度重视。

电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。

变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节间效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

而变频调速在工业节能中发挥着越来越大和不可忽视作用。

1.2本次毕业设计要求
本毕业设计取材于某控制系统工程实例。

我们依据火车牵引的工艺，绞车电气牵引系统采用变频器作为牵引电机数字化调速装置，实现对绕线式110kW交流电机无级调速，变频器满足电机低速、重载、频繁启动要求。

整个控制系统采用PLC实现放矿牵引工艺的集中控制（包括供电、检测、液压、牵引），采用工控机或人机界面形成上位机系统。

1.2.1内容
了解项目要求包括熟悉工艺条件及要求，了解控制要求，了解控制参数指标。

确定控制方案包括根据工艺条件及要求控制参数及指标，被控对象的特点确定难点。

确定整体控制方案包括：系统的功能、可靠性、维护性、操作性、成本、甲方技术实力及经费力量、对技术难点的考虑、回路的考虑。

系统的设计包括设计依据，控制设计包括电器的选择、工艺设计、控制器设备及仪表的选择、电器图纸的设计、材料表、外协加工、安装及缆线图，软件设计流程图结构设计，软件设计说明，具体的编程设计，调试及修改完善，系统的安装调试及参数整定，操作说明书。

本题初步做法是：用PLC控制矿车的各种工作状态。

上位组态软件或
人机界面与PLC 连接，PLC 再与车厢设置的远程I/O 点或PLC 连接。

PLC 之间
的相互连接则需要布置现场总线如用以太网。

这就要进行具体的选择。

使用设置
远程I/O 则要考虑各个动作再设下接触器，在车的终点和起点位置要考虑减速、
停车、过卷，还要考虑由于是正反两个方向的牵引所以这三个动作要反过来再设
置。

整个过程是：启动—加速—全速运行—减速—停车—启动—加速—匀速运行
—[放矿—匀速运行（负载变化）—停止放矿]—再加速—重载全速运行—减速，由
轴编码器来传送电机的信息，判断矿车行驶的快慢、距离等。

PLC 输出所需状态
给变频器改变电机的转动，这就需要使用编程软件。

工作手段分成自动手动和紧
急处理。

手动时在放矿点和控制室均可单独实现放矿机和绞车的手动控制。

紧急
处理时在放矿点、控制室、机房设置检修控制箱。

设置若干紧急停车开关及检修
电源控制箱。

矿车的具体运转状况可通过组态或人机界面来仿真现场工作。

这样
就可完成整个工作。

包括： 控制系统主机的选型；设备及仪表的选择；硬件及软
件设计
1.2.2功能
根据火车的运行速度、放矿机与火车的相对位置、放矿机与车厢内矿石的相
对高度，实现全自动放矿及整个工作循环。

要使用组态软件或人机界面与PLC 进
行通讯。

要充分考虑到电源、电机、变频器、轴编码器、PLC 控制、开关等。

考
虑到多种突发事件，要使用声光报警。

在考虑设置I/O 点时要收集所有的动作，
包括正反方向、高速、中速、低速、报警、正常、维修、手动、自动等等。

由变
频器控制电机的工作，编码器与电机轴相连，电机转动的信息就传给了计数器模
块，编程软件将所需动作给PLC 再输出给变频器，从而控制电机的动作，带动矿
车前进或后退。

如图1-1所示的示意图。

要求实现：
全自动运行：火车启动-加速-全速运行-减速-停车-启动-加速-匀速运行-放矿
-匀速运行（负载变化）-停止放矿-再加速-重载全速运行-减速-停车 整个工作循
环全自动运行。

在控制室通过监视系统全程监视；
手动运行：在放矿点和控制室均可单独实现放矿机和绞车的手动控制；
紧急处理：在放矿点、控制室、机房设置检修控制箱。

设置若干紧急停车开
关及检修电源控制箱。

洞内 洞外
放矿机
矿车
图1-1放矿示意图
第二章系统概述
在该系统中，为了有效的扩展控制系统的拓扑结构，采用Schneider的远程I/O 技术(RIO)。

对变频调速采用端子控制,PLC与变频器直接连接。

变频器外部端子控制，使用PLC输出变频器所需的开关量或模拟量信号控制变频器。

此种控制方案由于使用PLC与变频器直接连接，减少了用来进行数据传输和进行通讯的设备，降低了成本，同时也减少了因为增加设备而带来的不稳定因素。

2.1 方案论证
2.1.1 I/O 连接方式的选择
I/O连接可选择：本地IO，DIO，RIO，Momentum I/O。

(1)本地IO采用Quantum背板扩展单元140 XBE100 00
进行I/O扩展，两个单元和一条电缆即可实现，支持本地及远
程分站，支持现存所有 I/O 模板，所有开关量和模拟量 I/O、
高速记数模板。

支持所有电源，主机架失电将导致 CPU/分站
关断，从机架失电将不会导致 CPU/分站关断。

图2-1本地IO
(2)分布的I/O可以降低系统实施费用；DIO
网络可以分成多个部分，在每个部分最多可以连接
32个分站，每个部分最大距离为450米。

可以使用
RR85中继器进行网络扩展，最多可以连接三个
RR85中继器，最大分站数为64个，传输距离达到
1800米。

如果传输距离超过1800米，可以使用FR85
光纤模块。

两个光纤模块之间如采用50um 光纤时
电缆通讯距离可达2KM，总计距离可达8 KM，采用
62.5u或者100um光纤电缆时通讯距离可达3KM，总
计距离可达12KM。

图2-2分布的I/O
(3)远程I/O能覆盖大范围的物理区域；RIO结构基于S908的I/O联网，传输介质为同轴电缆，RIO最多可有31个分站。

每个RIO分站，最多64个字输入， 64个字输出。

此字数限制包括了离散量和模拟量。

RIO不带中继器的传输距离为4572米（15000英尺），如使用光纤中继器，网络总长能到13公里。

(4)Momentum I/O在极小的空间集成IO与接线端子，价格极佳，易于分布，仅5cm深。

支持多种网络标准:Modbus Plus、Interbus-S、Profibus DP。

本系统采用远程I/O(RIO)，可以实现无扰操作，火车无论在洞内还是洞外都可实时监测和控制，从而提高了控制的精度。

2.1.2PLC控制网的选择
方案1使用上位机和PLC、远程I/O组成的控制网。

远程I/O之间用电缆连接。

图2-3方案一控制网
方案2使用人机界面和PLC构成的网络，PLC之间用以太网通讯。

图2-4方案二控制网
第二种方案使用的以太网通讯复杂，最后选第一种方案。

2.1.3矿车装料过程控制方案的选择
1、火车以较低速缓慢、平稳的速度进行装矿。

火车在前停车动作结束后开始以较低速后退，直到碰到开始装料行程开关由上位机或放矿点的放料大小控制火车以一个装料速度后退。

同时轴编码器和放矿点PLC进行对火车的速度进行监测。

此方案主要由连接在电机转子轴上的轴编码器产生的脉冲进行监测，转子每转一周会产生1000个脉冲，轴编码器产生的脉冲数由高速计数模块来计量，高速计数模块所计的数据送入PLC的CPU，同时放矿点的远程IO会送来相应的监测数据，CPU对这两个数据会进行实时地处理、运算，然后由其将处理好的数据转换成一个模拟电压信号，而该电压信号对应变频器调节电机转速的频率信号，再由该频率信号产生一个合适的电机转速信号，最后经变频器控制电机以该速度带动十节车厢缓慢、平稳的装矿，直到十节车厢均装满后火车开始重载加速到一定的速度驶出洞外。

其中在装矿环节我们设置了诸如前减速、前停车、前过卷、到装矿位、装料结束、后减速、后停车、后过卷等行程开关，从而保证了火车在行进过程中更安全的监测，使火车在行进过程中得到了有力的安全保障。

此方案在实际工程设计中涉及到较多的算法，使得工程不易实现或实现起来比较困难，对设计人员来说设计的控制精度及响应时间等要求较高。

同时该方案在实际工程中控制精度比理论设计要低，当火车的速度过高或与放矿点控制不匹配时操作不但麻烦而且可能造成事故。

2、火车以走-停-走-停的循环方式装矿。

该方案就是火车在前停车动作结束开始反向启动，启动后火车开始以较低速行驶，目的是在碰到开始装料位开关火车就能安全、准确的停车开始装矿。

我们依据实际车厢的长度及相邻两节车厢间的跨度将车厢分为六等份，每一等份与相邻两节车厢间的跨距相同，均为1米。

车厢到“开始放矿”位时，计数模块计数到设定值后将该数据送往变频器中，变频器控制带动车厢的电机也可以使车停止（此时假如计数未到而外部给控制器一个开关量信号火车也将会停车），然后开始给该节车厢的第一“等份”装。

当该部分车厢装满后，控制火车的控制器会接收到一个“放矿到位”的开关量信号，控制器再次控制变频器向后继续退一米的距离,同时计数器也开始计数；当计数器计到1000个脉冲时，火车后退的位置正好是1米，也就是正处于装矿的位置，同时，PLC也将会接收到外部另一个“接受放矿”的开关量信号，火车也可以停车（在停车装矿时火车将会被控制停止不动，直到接收到外部控制信号才会使火车向后运动）。

如此循环直到将本节车厢全部装满，然后火车会驶过两节车厢中间的空位开始下一节车厢的装载，如此延续直到十节车厢均装满后，火车启动后会碰到轨道上的“装料结束”行程开关，火车开始重载加速到一定的速度驶出洞外。

从而可保证每节车厢都能装满且不会因过载而造成堵轨等事故。

在本设计中我们采用第二种方案，第一种方案比第二种方案要多许多数据处理及运算和保护，从设计的简单、易维护、经济来比较，方案二较适合本系统。

2.1.4 单、双缆的选择
本系统采用远程I/O(RIO),主站和分站之间通过电缆实现连接,连接方式有两种:单缆连接和双缆连接，单线连接方式是主站和分站之间用一根电缆连接,可以节约成本。

双线连接方式是主站和分站之间用两根电缆连接。

最终选择单缆连接。

2.1.5 变频器控制方式的选择
变频器控制方式分为：总线控制与端子控制。

总线控制方式：通过MB+网对变频器进行控制，具体参数在上位机上进行设定，操作较为简单控制方式灵活。

但同一个MB+网上所接变频器数量是有限的，而且需要在变频器上安装通讯卡。

端子控制：功能实现较为灵活，不需要安装通讯卡，直接在控制端子上实现。

控制量的给定可以用模拟量给定，也可以用数字量给定。

本设计选择端子控制。

2.2 系统组成
该控制系统是由上位监控系统和下位PLC控制系统二部分组成的，上位监控系统位于控制室，可实时监控牵引设备的运动状况。

下位PLC采用的是Quantum 系列可编程控制器。

用变频器来控制矿车的动作，主要控制放料时的启停，电机的正反转、运行、停止等。

2.2.1 PLC系统
可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍将PLC简称PC。

PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。

在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络
能力得到大幅度提高，PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS 系统。

PLC 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

PLC 在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

PLC 的可靠性是很高的，施耐德公司Quantum 系列PLC 高性能、高可靠、兼容性、易于升级、系统开放。

适用于过程控制、高速机器控、基础设施应用、变电站自动化。

其背板灵活，能支持所有电源组合、CPU 种类、智能模板。

模块可在任意槽与槽位无关。

能提供广泛的多种层次及协议的通讯能力、超大系统容量的优点适合做此设计。

使用各模块来控制系统更有条理，方便检查和控制。

2.2.2 计算机监控系统 上位机
终端电阻
监控画面洞外
（主站）
洞内
（从站）
图2-5计算机监控系统
上位机与PLC 上的CPU 模块相连，使用Modbus Plus (简称MB + ) 网，是Schneider 公司推出的一种专为工厂级应用而设计的工业局域网,主要为其PLC 产品提供一种网络通信协议。

MB +网可实现数据采集和远程遍程、与操作员接口连接等功能。

具有故障自诊断功能,使网络的维护和恢复更加容易;网络为模块式结构,可根据实际要求配置成树形、星形、环形;网络具有良好的开放性,有利于网络的管理。

Modicon TSX Quantum 系列PLC 是Schneider 电气公司的一种大型PLC 控制系统,该系列产品采用模块式结构,为在不同的工业现场使用提供了稳定可靠的平台。

不仅具有先进的通信和输入输出能力,而且集成了多个控制功能,系统具有可靠性高、稳定性强、高抗干扰的I/ O 处理元件、硬件配置的灵活性和可扩展性。

系统构成包括处理器、网络模块、输入输出模块和相关外部设备,支持多种通
信协议,MB + 网络是其应用最广泛的一种网络技术。

第三章硬件设计
3.1轨道开关设计
在矿车轨道上安装行程开关来确定矿车的工作状态，在洞外安装后停车行程开关、后减速行程开关、后过卷行程开关。

在洞内安装前停车行程开关、前过卷行程开关、前减速行程开关、放料开始行程开关、放料结束行程开关。

矿车的运动过程是：加速、匀速、减速、前停车、前过卷、反向启动、加速、匀速、开始放料、电机的启停控制放料、结束放料，在该过程中加速匀速可用软件来控制变频器的工作使矿车按预期的指令工作，碰到减速开关时减速，碰到放料开始和放料结束行程开关时开始放料和结束放料。

洞内洞外
轨道
前过卷前停车前减速放料开始放料结束后减速后停车后过卷
图3-1 轨道结构图
3.2 三相异步电动机
异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。

由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。

因此现在应用面很广。

根据本次设计要求及设备的需要使用一个110KW的异步电动机。

3.3 变频器
近20 年来, 随着电力电子技术、微电子技术、微机控制技术及现代控制理论
的发展, 交流调速技术也得到迅速的发展, 特别是变频调速, 大有取代直流调速之势。

变频器可以分为4个主要部分：
1．整流器
它与单相获三相交流电源相连接，产生脉动的支流电压。

整流器有两种基本类型，可控的和不可控的。

2．中间电路
它有以下3种类型：
1）将整流电压变换成支流电流
2）使脉动的支流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用
3）将整流后固定的支流电压变换成可变的支流电压
3．逆变器
它产生马达电压的频率。

另外，一些逆变器还可以将固定的支流电压变换成可变的交流电压。

4．控制电路
它将信号传给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接受来自这些部分的信号。

具体被控制的部分取决于各个变频器的设计。

变频器都是由控制电路利用信号来开关逆变器的半导器件，这是所有变频器的共同点。

变频器可以依据控制输出电压的开关模式来分类。

变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频
器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用
变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。

变频调速装置主要有两大类；①一类是矢量控制的变频调速装置, 高精度、高性能, 可以和直流调速相媲美, 但其控制技术复杂, 价格高, 因而应用还不广泛；②另一类是通用变频调速装置, 结构简单, 效率高、功率因数高, 应用广泛, 其中尤以脉宽调制(PWM)变频调速装置最为普遍, 一般仅作开环和在调速要求不高的场合使用。

对于异步电机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称VVVF （Variable Voltage Variable Frequency）装置。

最早的VVVF装置是旋转变频机组，即由直流电动机拖动交流同步发电机，调节直流电动机的转速就能控制交流发电机输出电压和频率。

自从电力电子器件获得广泛应用以后，旋转变频机组已经无例外地让位给静止式的变压变频器了。

从整体结构上看，电力电子变压变频器可分为交-直-交和交-交两大类。

交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如图3-2。

图3-2交-直-交（间接）变压变频器
由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。

具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件（P-MOSFET，IGBT等）组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器，如图3-3。

图3-3交-直-交PWM变压变频器
PWM变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点：（1）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。

采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。

（2）输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。

（3）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。

（4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大小的影响。

交-交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器。

有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器（Cycloconveter）。

图3-4交-交（直接）变压变频器
常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。

也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路，如图3-5。

图3-5交-交变压变频器每一相的可逆线路
(2) 变频器工作原理
交流电动机的同步转速表达式为：
60(1)
f s n
p
-=
式中n———异步电动机的转速；
f———异步电动机的频率；
s———电动机转差率；
p———电动机极对数。

由式可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。

变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

从总体控制结构上看,两者都采用转矩和磁链分别控制,转矩控制环(或电流的转矩分量环)都处于转速环的内环,可以抑制磁链变化对转速子系统的影响,从而使转速和磁链子系统实现了近似的解耦。

因此两种系统都能获得较高的静、动态性能。

(3) 变频器容量选择
选择变频器的容量一般应以KVA数为单位，但由于交流电动机的额定电压为某一固定值，相应的变频器开关元件的耐压值也就确定了，开关元件的工作电流就成为影响变频器容量的唯一参数，这样变频器容量的选择就可以转化为其电流的选择。

实用中一般是根据电动机的电流情况来确定变频器的额定电流。

在本系统中异步电机的额定电压为交流380V，额定功率为132KW，那么开关元件的工作电流为：
132210.72951
KW （A）
通过查阅变频器技术资料我们选择额定电流为245A的变频器。

最终选择型号为ATV61HC13N4的变频器。

ATV61 变频器有许多可配置的逻辑与模拟输入/ 输出见下图变频器的结构，以便针对应用情况来优化变频器。

为了提高控制系统的性能，变频器支持Modbus 与CANopen 协议并作为标准。

ATV61 变频器也支持大多数工业通信总线。