湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)目錄第一部分設(shè)計(jì)任務(wù)與調(diào)研1.1畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要任務(wù) 31.2畢業(yè)設(shè)計(jì)的思路與方法 31.3節(jié)能風(fēng)機(jī)研究的意義 31.4調(diào)研的總結(jié) 4第二部分設(shè)計(jì)說(shuō)明2.1電動(dòng)機(jī)的選擇 52.2變頻器的簡(jiǎn)介 52.3變頻器的選擇 62.4plc的簡(jiǎn)介 82.5PLC的選擇 10第三部分設(shè)計(jì)成果3.1PLC控制系統(tǒng) 103.2程序梯形圖 133.3系統(tǒng)調(diào)試 13第四部分結(jié)束語(yǔ) 16第五部分致謝17第6部分參考文獻(xiàn)18第一部分設(shè)計(jì)任務(wù)與調(diào)研1.1畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)我國(guó)各行各業(yè)的各類(lèi)機(jī)械與電氣設(shè)備中與風(fēng)機(jī)配套的電機(jī)約占全國(guó)電機(jī)裝機(jī)量的60%，耗用電能約占全國(guó)發(fā)電總量的三分之一。特別值得一提的是，大多數(shù)風(fēng)機(jī)在使用過(guò)程中都存在大馬拉小車(chē)的現(xiàn)象，加之因生產(chǎn)、工藝等方面的變化，需要經(jīng)常調(diào)節(jié)氣體的流量、壓力、溫度等；許多單位仍然采用落后的調(diào)節(jié)檔風(fēng)板或閥門(mén)開(kāi)啟度的方式來(lái)調(diào)節(jié)氣體的流量、壓力、溫度等。這實(shí)際上是通過(guò)人為增加阻力的方式，并以浪費(fèi)電能和金錢(qián)為代價(jià)來(lái)滿足工藝和工況對(duì)氣體流量調(diào)節(jié)的要求。這種落后的調(diào)節(jié)方式，不僅浪費(fèi)了寶貴的能源，而且調(diào)節(jié)精度差，很難滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)及服務(wù)等方面的要求，負(fù)面效應(yīng)十分嚴(yán)重。因此有必要設(shè)計(jì)一種能夠大幅度降低能耗，提高能源利用率的新型風(fēng)機(jī)。1.2畢業(yè)設(shè)計(jì)的思路與方法變頻調(diào)速器的出現(xiàn)為交流調(diào)速方式帶來(lái)了一場(chǎng)革命。隨著近十幾年變頻技術(shù)的不斷完善、發(fā)展。變頻調(diào)速性能日趨完美，已被廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域的交流調(diào)速。為企業(yè)帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化進(jìn)程。變頻調(diào)速用于交流異步電機(jī)調(diào)速，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)以往任何交、直流調(diào)速方式。而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、安裝調(diào)試使用方便、保護(hù)功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、節(jié)能效果顯著，已經(jīng)成為交流電機(jī)調(diào)速的最新潮流。1.3節(jié)能風(fēng)機(jī)研究的意義在我國(guó)由于設(shè)計(jì)上的原因,高壓電動(dòng)機(jī)往往存在“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象,即使在某些場(chǎng)合即使裕度選得不是很大,但由于工況存在負(fù)荷波動(dòng)較大的情況,由于電動(dòng)機(jī)不能跟著負(fù)荷的波動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié),能源被大量浪費(fèi),并且造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)進(jìn)口鍋爐引風(fēng)機(jī)的平均設(shè)計(jì)效率僅75%,比發(fā)達(dá)國(guó)家水平低5個(gè)百分點(diǎn),系統(tǒng)運(yùn)行效率比發(fā)達(dá)國(guó)家水平低20～25個(gè)百分點(diǎn),節(jié)電潛力巨大。在國(guó)內(nèi)火力發(fā)電廠的廠用電占總發(fā)電量的8%～10%,而鍋爐給水泵、凝結(jié)水泵、占大容量機(jī)組總廠用電的50%,進(jìn)口鍋爐引風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)消耗電量約占總廠用電的25%。因此提高進(jìn)口鍋爐引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率,對(duì)節(jié)能降耗有著重要的作用。要想更準(zhǔn)確的評(píng)估和分析節(jié)能效果和收益,應(yīng)組織進(jìn)行風(fēng)機(jī)的熱態(tài)試驗(yàn),以掌握鍋爐所配套的風(fēng)機(jī)及其管路中的運(yùn)行參數(shù),作為經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)和改進(jìn)的依據(jù),目前由于條件限制,1.4調(diào)研的總結(jié)用MM440變頻器和PLC控制系統(tǒng)，完成風(fēng)機(jī)節(jié)能的設(shè)計(jì)。此方案具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①具備高可靠性，以及適應(yīng)設(shè)計(jì)的要求。②配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)③有先進(jìn)的系統(tǒng)環(huán)境和應(yīng)用軟件便于開(kāi)發(fā)。④有自動(dòng)、手動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，保證自動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可以手動(dòng)控制。⑤有可靠的報(bào)警系統(tǒng)，在風(fēng)機(jī)電機(jī)發(fā)熱時(shí)變頻器出現(xiàn)故障能及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。⑥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造第二部分設(shè)計(jì)說(shuō)明2.1電動(dòng)機(jī)的選擇1.在選擇時(shí)應(yīng)與自身相適應(yīng)的電動(dòng)機(jī)，可根據(jù)使用的場(chǎng)合的環(huán)境條件選用相適應(yīng)的防護(hù)方式以及冷卻方式的電動(dòng)機(jī)。2.選擇電動(dòng)機(jī)應(yīng)滿足生產(chǎn)機(jī)械所提出的各種機(jī)械特性要求。如速度、速度的穩(wěn)定性、速度的調(diào)節(jié)以及啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)間等。3．所選擇的電動(dòng)機(jī)的可靠性高并且便與維護(hù)。4．互換性能要好，一般情況盡量選擇標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品。5.綜合考慮電動(dòng)機(jī)的機(jī)數(shù)和電壓等級(jí)，使電動(dòng)機(jī)在高效率、低損耗狀態(tài)下可靠運(yùn)行。電機(jī)參數(shù)設(shè)定：本系統(tǒng)電機(jī)選用常用的ys132S1-2功率5.5KW。轉(zhuǎn)速2900r/min。電流2.0電壓380v效率85.5%額定電流7額定轉(zhuǎn)矩2.3功率因數(shù)0.882.2變頻器的簡(jiǎn)介變頻器是把工頻電源換成各種頻率的交流電源，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備，如圖1-11-1變頻器接線圖2-3變頻器的工作原理是通過(guò)控制電路來(lái)控制主電路，主電路的整流器將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，直流中間電路將直流電進(jìn)行平滑濾波（電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。）逆變器最后將直流電在轉(zhuǎn)換為所需頻率和電壓的交流電，部分變頻器還會(huì)在電路內(nèi)加入cpu等部件，來(lái)進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)矩運(yùn)算。2-32.3變頻器的選擇本系統(tǒng)選用的是西門(mén)子全新一代標(biāo)準(zhǔn)變頻器MicroMaster440功能強(qiáng)大，應(yīng)用廣泛。它采用高性能的矢量控制技術(shù)，提供低速高轉(zhuǎn)矩輸出和良好的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)具備超強(qiáng)的過(guò)載能力，以滿足廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。在電機(jī)的容量確定并選定其型號(hào)后，接下來(lái)就要確定變頻器的容量。確定變頻器容量的主要依據(jù)是輸出電流，其原則為：變頻器的輸出額定電流應(yīng)大于或等于電機(jī)的額定電流。但在連續(xù)的變動(dòng)負(fù)載或斷續(xù)負(fù)載中，因電動(dòng)機(jī)允許有短時(shí)間的過(guò)載，而且這種過(guò)載的時(shí)間經(jīng)常超過(guò)變頻器一般允許的一分鐘。故應(yīng)考慮選擇變頻器的額定電流大于或等于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的最大電流電動(dòng)機(jī)的型號(hào)確定后，其額定電流可以從制造商提供的樣本中查到?；蛘?，也可從電機(jī)的輸出功率由下式計(jì)算cos3UIP(2)式中，P為額定輸出功率（KW）；9U為額定電壓（KV）；I為額定電流（A）；η為電機(jī)效率；COS為功率因數(shù)。S7-200PLC作為核心控制部件，它有總線訪問(wèn)權(quán)，可以讀取或改寫(xiě)變頻器的狀態(tài)，控制軟起動(dòng)器的運(yùn)行狀態(tài)，從而達(dá)到控制和監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的目的。系統(tǒng)采用總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，兩臺(tái)變頻器采用總線接插件連入總線。S7-200選用S7-222CPU，軟件采用WIN3.2。采用西門(mén)子PROFIBUS屏蔽電纜及9針D形網(wǎng)絡(luò)連接頭。利用S7-222的自由通信口功能，即RS485通信口。由用戶(hù)程序?qū)崿F(xiàn)USS協(xié)議與兩臺(tái)MM430變頻器通信。在硬件連接完畢后，需要對(duì)兩臺(tái)MM430變頻器的通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)臵，變頻器參數(shù)設(shè)定如下圖。2.4plc的簡(jiǎn)介PLC即可編程控制器（ProgrammablelogicController，是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝臵。在1987年國(guó)際電工委員會(huì)（InternationalElectricalCommittee）頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì)PLC做了如下定義：PLC英文全稱(chēng)ProgrammableLogicController，中文全稱(chēng)為可編程邏輯控制器，定義是：一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類(lèi)可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶(hù)的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程，PLC是可編程邏輯電路，也是一種和硬件結(jié)合很緊密4的語(yǔ)言，在半導(dǎo)體方面有很重要的應(yīng)用，可以說(shuō)有半導(dǎo)體的地方就有PLC。PLC是一種專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝臵。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。（1）CPU的構(gòu)成CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個(gè)CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶(hù)程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝臵送來(lái)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過(guò)程。CPU主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，I/O數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。（2）I/O模塊PLC與電氣回路的接口，是通過(guò)輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開(kāi)關(guān)量輸入（DI），開(kāi)關(guān)量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。常用的I/O分類(lèi)如下：開(kāi)關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號(hào)類(lèi)型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit，14bit，16bit等。除了上述通用I/O外，還有特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少。但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配臵的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。（3）電源模塊：PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時(shí)，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類(lèi)型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）[4]2.5PLC的選擇（1）性能與任務(wù)相適應(yīng)對(duì)于小型單臺(tái)、僅需數(shù)字量控制的設(shè)備，一般的小型PLC（如西門(mén)子公司的S7-200系列、OMRON公司的CPM1/CPM2系列、三菱的FX系列等）都可以滿足要求。（2）結(jié)構(gòu)上分合理、安裝要方便、機(jī)型上應(yīng)統(tǒng)一按照物理結(jié)構(gòu)，PLC分為整體式和模塊式。整體式每一I/0點(diǎn)的平均價(jià)格比模塊式的便宜，所以人們一般傾向于小型控制系統(tǒng)中采用整體式PLC。但是模塊式PLC的功能擴(kuò)張方便靈活，I/0點(diǎn)數(shù)的多少、輸入點(diǎn)數(shù)與輸出點(diǎn)數(shù)的比例、I/0模塊的種數(shù)和塊數(shù)、特殊I/0模塊的使用等方面的選擇余地都比整體式PLC大得多，維修時(shí)更換模塊、判斷故障范圍也很方便。因此，對(duì)于較復(fù)雜的和要求較高的系統(tǒng)一般應(yīng)選用模塊式PLC。第三部分設(shè)計(jì)成果3.1PLC控制系統(tǒng)plc控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟下圖所示，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，使用了一個(gè)主模塊，一個(gè)擴(kuò)展模塊，一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換模塊，共使用19個(gè)輸入口，12個(gè)輸出口，在I/O口的使用上，充分考慮了系統(tǒng)在以后擴(kuò)展的需要，對(duì)一些有特殊用途的端口如A/D轉(zhuǎn)換模塊的接口盡量不用或者少用。為了提高系統(tǒng)的可靠性，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)除了編制正常工作下的自動(dòng)控制程序外，還在PLC中編制了手動(dòng)控制程序，這樣做較之以往的控制系統(tǒng)有三個(gè)好處：第一，可以在系統(tǒng)安裝完成后，對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行單個(gè)調(diào)試，以檢查設(shè)備是否工作正常；第二，可以在系統(tǒng)自動(dòng)控制程序出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，用手動(dòng)方式在PLC上控制系統(tǒng)的運(yùn)行；第三，當(dāng)系統(tǒng)工作單元如電機(jī)出了故障時(shí)，可以手動(dòng)切換出現(xiàn)故障的電機(jī)，使之停止運(yùn)行，把沒(méi)有故障的電機(jī)切換入系統(tǒng)保證系統(tǒng)正常運(yùn)行；正是因?yàn)橛羞@些好處，在PLC上用了12個(gè)輸入口實(shí)現(xiàn)對(duì)手動(dòng)控制程序的支持，從而大大提高了系統(tǒng)可靠性。PLC模塊接線圖下圖所示，I/O分配如表3-1所示。3.2程序梯形圖（1）啟動(dòng)/停止程序啟動(dòng)/停止程序主要控制系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止，按下啟動(dòng)按鈕時(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，按下停止按鈕自動(dòng)控制系統(tǒng)停止運(yùn)行。程序梯形圖見(jiàn)圖4-5所示。（2）模擬量輸入程序由于本控制系統(tǒng)采用兩個(gè)溫度傳感器不同兩點(diǎn)的溫度信號(hào)，所以要分別讀兩次模擬量值。按系統(tǒng)要求，模擬量輸入與比0較采取以下程序設(shè)計(jì)方法，程序梯形圖見(jiàn)圖4-5，4-6所示。圖4-63.3系統(tǒng)調(diào)試（1）系統(tǒng)的啟動(dòng)/停止調(diào)試。（2）系統(tǒng)的自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換調(diào)試。（3）PLC控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。（4）系統(tǒng)工作過(guò)程調(diào)試。（5）在線監(jiān)控調(diào)試。（6）報(bào)警系統(tǒng)調(diào)試。（7）系統(tǒng)安全性能調(diào)試。圖3-1第四部分結(jié)束語(yǔ)輾轉(zhuǎn)反則，畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，其中有自己苦惱，有收獲喜悅的時(shí)刻，我都會(huì)一一記得，可以使他成為自己以后成長(zhǎng)的最寶貴經(jīng)歷。這也是自己動(dòng)手持續(xù)最久的一次個(gè)人作業(yè)。他讓我額外的學(xué)得了課程以外的知識(shí)。也讓我了解到很多自己國(guó)內(nèi)的很多一些專(zhuān)業(yè)知識(shí)，也明白了很多自己國(guó)內(nèi)機(jī)器設(shè)備的問(wèn)題。風(fēng)機(jī)在我過(guò)運(yùn)用于各種行業(yè)，不同的風(fēng)機(jī)也會(huì)造成不同程度的效率，如果能夠讓他們使用的風(fēng)機(jī)的效率都得到不同程度的提升，那么將會(huì)提高生產(chǎn)的效率，降低生產(chǎn)的成本，減少對(duì)能源的損耗。這樣不僅對(duì)于生產(chǎn)商，消費(fèi)者都帶來(lái)了極大的收益，互惠互利，同事也保護(hù)了環(huán)境。本文設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)，同時(shí)具備可以上條件，便于操作，生產(chǎn)成本低。運(yùn)用PLC控制系統(tǒng)將繼續(xù)推動(dòng)風(fēng)機(jī)節(jié)能行業(yè)的快速發(fā)展。使人類(lèi)操作機(jī)器更加趨于系統(tǒng)化，智能化。第五部分致謝通過(guò)幾個(gè)月的努力畢業(yè)