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P L C在串级调速控制系统中的应用高德明， 等 P L C在 串级调速控制系统中的应用 Th e a p p l i c a t i o n o f PL C i n t h e c a s c a d e s p e e d c o n t r o l s y s t e m 高德 明 王鹏2 1 ． 华北电力大学控制科学与工程学院河北保定0 7 1 0 0 3 ； 2 ． 北京铁建工程监理有限公司 河北石家庄0 5 0 0 0 0 [ 摘要 ] 研 究了一种具有控制方式灵活、 编程 简单、 稳定性能 良好等特点的 P L C作为主控制器的 串级 调速控制 系统。在 简要介绍该控制 系统工作原理 的基础上 ， 分析 了该控制 系统的硬件组成 ， 并且设计 了其 软件 系统。通过对转子 电流在不同占空比卡的采样， 分析 出系统调速平稳 ， 调整精度提 高。 [ 关键词] P L C； 串级调速 ； 占空比 [ 中图分类号] T M 3 2 [ 文献标识码] B 引言 随着绿色能源技术的快速发展 ， 串级调速技术 焕发了新 的青春 。尤其在 高压 电机应 用 中突 出的 变流电压低 、 变流功率 小等技术 特点 ， 使它在现在 的调速领域 中具有综合性的优势 。 由于串级调速控制系统对性 能要求较 高， 选用 P L C作为其主控制器不但 可以用简单的程序来实现 复杂的逻辑控制 ， 加 强系统 的控 制功能 ， 加强 系统 对故障的判别和处理能力 ， 而且也大大提高了系统 的可靠性和安全性 。因此 ， 本文研究 了这样一种 以 P L C作为主控制器的串级调速控制系统 。 1 串级调速控制 系统 的基本 工作原理 串级调速实 质上就是在绕 线式异 步电动机 的 转子 回路串人附加电动势来进行调速 。 首先 ， 从 电机学角度来 看 ， 设 电动机转 子每相 绕组的电动势 E ， 在附加电动势 E 。 0的条件下运 L1 行 ， 转差率 5 ， 转子 电流 1 2 _二 b l L 二2二 ； 电磁 √R 2 s l x 2 转距 TC r ， 2 I c o s b 2 1 。 在 电动机 的转 子 回路 中串入附加 电动势 E 转差率 5 ， 且 E 与 s E 相位相反 ， 则转子 电流 F _ 5 1 J U 2 二 -- 二 ／ Z, a d ，电磁转距 Tc 咖 1 2 2 c o s p 2 2 。 √ 2 ‘ S 1 2 ‘ 由此可见 ， 在 引入外加 电动势后 ， 转子 电流将 减小 ， 电磁转矩将小于负载转距 ， 电动机减速 ， 经历 一 个短暂的过渡过程后在较 大的转差率稳定运行。 而且 ， 附加电动势越大 ， 转差率越大 ， 转速越低。因 此 ， 改变与转子 电动势 相反 的外加 电动势的大小 ， 就能够在基速以下调节转速。 图 1 串级调速控制 系统 的结构 图 本 串级调速控制系统的结构图如图 1 所示 。工 作原理是 当斩波器接通时 ， 转子整流电路被短接 ， 电机相 当于运行在转子短路下 的全速工作状态 ； 当 斩波器断开时， 电机相当于运行在 串级调速工作状 态下 。为了减小逆变器从 电网吸收无功功率 ， 通常 把逆变器 固定在最小逆变角下工作 ， 而且不随电机 的转速而变化。等效 电势大小 的调节 由高频斩波 器来完成。通过调节 斩波器导通 时间与斩波周期 的比率来改变串人转子 回路 的等效反电势的大小 ， 从而改变转子电流和转差率 ， 达到调节 电机转速 的 目的 2 控制 系统 的硬件 组成 控制系统硬件的核心器件是 P L C， 除此之外还包 括斩波器 、 逆变器 、 水阻箱、 电压传感器、 电流传感器 、 一 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 仪器仪表与分析监测 2 0 1 0年第 4期 故障输出等功能模块。其结构框图如图 2所示。 图 2控 制 系统 硬 件 组 成 结 构 框 图 根据控制系统 的要求和控制规模的大小 ， 选用 了 S I MA T I C公 司 S 7 2 o 0系列小 型 P L C的 C P U 2 2 4 作为控制系统的主控制器。该 C P U具有 1 4输入／ 1 0输出共 2 4个数字量 I ／ O点 、 可连接 7个扩展模 块 ， 最大扩展至 1 6 8路数字量 I ／ O点 、 1 3 K字节程序 和数据存储空间、 6个独立的 3 0 k H z高速计数器 ， 2 路独立的2 0 k H z高速脉冲输 出、 1个 R S 4 8 5通讯／ 编程 口、 兼容 P P I ， MP I 和 自由方式的通讯 协议等特 点。是具有较强控制能力的控制器 。 由上面框图 2可以看出， 其结构有五个支路组 成 其一 ， 电机通过 电压传感器 和电流传感 器把 其 定子电压 、 电流和转子 电压 、 电流由 P L C的模 拟输 入 口输人到里面， 通过 P L C内部处理对 电机定子和 转子的电压 、 电流进 行实时监控 。如果 出现缺相 、 电压过低或者短路等意外情况 ， 能对电机的线路 和 设备进行及时的安全保护。其二 ， 在电机启动或者 调速状态故障转全速时 ， P L C通过对电机正反转 的 控制进行对水阻箱极板位置的相应调整 ， 从而减少 因为电机启动而产生的大电流或者在调速状 态故 障转全速时， 在电机的转子串人相应 的水阻时 ， 其 转速不至于发生特别 大的变化。其 三， 在调速状态 下， 电机转子绕组的反馈电压经过整流器把转 子回 路的交流电变成直流 电， 再 由经斩 波器 ， 通过调节 斩波器导通时 间与斩波周期 的 比率来 改变串人转 子回路的等效反电势的大小， 从 而改变转子 电流和 转差率 ， 达到调节电机转速的 日的。还有一点 ， P L C 通过它的模拟输入 口把斩波器 的电压输入其 内部 ， 对其进行实时监控 。如果出现非正常情况 ， P L C马 上发出命令将其保护。其 四， 逆变器核心部件 I G B T 的电压和电流通过传感器输入到 P L C里面 ， 也是对 其进行实时的监控 。如果出现 I G B T两端 电压或流 过的电流过高 ， 则 P L C发出一 系列 的保护命令 ， 在 I G B T被烧坏之前将其安全保护。其五 ，P L C实时 检测电机、 整流器 、 逆变器 、 水 阻箱等设备。如果 出 一 28 一 现故障时， 则 P L C首先发出报警警告 ， 并针对发生 故障严重程度的不同做出相应的保护措施。 3 控制 系统的软件设计 本系统的主要功能都是 由 S I MA T I C公司 s 7 2 0 0系列小型 P L C的 C P U 2 2 4来实现的， 因此采用 用于 西 门 子 系 列 工 控 产 品 的标 准 编 程 软 件 包 S TEP 7。 S T E P 7标准软件包是西 门子 S I MA T I C工业软 件中的一员， 是用于对 S I MA T I C的 P L C进行组态和 编程 的软件包。它为用户提供 了一个 结构 化的编 程环境。用户 可根据需要将用户程序分解 为如干 个独立的组成部分 ， 并将各部分 的内容分别写在不 同的“ 块” 中。这样做具有以下优点 1 、 使复杂程 序简单化， 便于理解 ； 2 、 容易实现程序 的标准化； 3 、 对复杂的大程序， 可以多人合作完成 ； 4 、 便 于程序的检杏 、 修改及调试。 用西门子 S T E P 7的梯形图进行整个控制程序 的编制。根据串级调速控制系统 的运行要求， 编制 “ 初始化 ” 、 “ 启 动 及启 动后 转 全速 ” 、 “ 全速转 调 速” 、 “ 全速转停车” 、 “ 调速态故障转全速” 等主要几 个子程序。 3 ． 1初始 化子 程序 在 P L C上 电后 ， 一般 都要做 一些初 始化 的操 作 ， 为启动作 必要 的准备 ， 避免 系统发 生误动作。 初始化程序 的主要内容有 对数据区、 定时器、 计数 器等进行清零 ， 对数 据区所需数据进行恢复 ， 对继 电器进行置位或复位等。 当 P L C首次扫描程序时 ， S M 0 ． 1接通一个扫描 周期 ， 即 S M 0 ． 1为“ O N ”， 进入“ 初始化程序” 。按要 求把相关设备的状态设置成系统 “ 准备启动 ” 时所 要求 的状 态 。 3 ． 2 启动及启动后转全速子程序 当 P L C控制程序接收到“ 启动” 信号后 ， 主程序 调用“ 启 动过程 于程序” 。由串级凋速控制系统 的 系统图 图 1 可以看出， 启动前的准备好状态是 交 流接触器 2 K M闭合 ， 高压断路器 Q F 、 交流接触器 1 K M、 3 K M、 4 K M都是断开状态 ， 水阻极板至最大值 位置 ， 不发脉冲。P L C检测到所有条件都符合要求 时 ， 按下“ 启动” 按钮， 高压断路器 Q F闭合 ， 水阻箱 的极板往下移动， 慢慢 的是其 阻值 变小 ， 当小到一 定程度时， 闭合交流接触器 1 K M， 使设备处于全速 状态 。同时， 发送 3 K M、 4 K M 的闭合信号 ， 发送 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m P L C在 串级调 速控 制 系统 中的应用 高德明 ， 等 K M的断开信号 ， 发送脉 冲信号并使其脉宽最大， 为 转入调速状态做好充分准备。其程序将根据如图 3 所示的流程执行操作 。 图 3启 动 及 启 动 后 转 全 速 态 流 程 图 3 ． 3全速转调速子程序 在全速状态下 ， 即交流接触器 2 K M打开 ， 高 压断路器 Q F 、 交 流接 触器 1 K M、 3 K M、 4 K M都 闭 合 ， 水阻极 板 至最小位 ， 发 脉 冲且脉宽 最大 按下 “ 调速” 按钮 ， 发送交流接触器 1 K M的打开信号 ， 把 电机的转速降到预定值 ， 同时水阻的极 板移 动到相 应的位置 ， 最后置调速状态 。程序将根 据图 4所示 的流程执行操作 。 按 下 “ 调速 ”按钮 i 发1 K M分信号 l 降速至预定值 ，移 水 阻到相应 位 l 置调速状态 图 4全 速 转 调 速 流 程 图 3 ． 4 全速转停车子程序 在全速状态下按下“ 停 车” 按钮， 分开高压断路 器 Q F ， 如果 Q F断不开 ， 则报 Q F分故 障并设置成全 速状态 ， 等待检查和修理。如果 Q F断开 ， 发交流接 触器 2 K M闭合信号， 停发脉 冲， 为后面的启动做好 充分 的准备工作 。最后设 置成停 车状 态。此子 程 序将根据图 5所示的流程执行操作 。 图 5全速转停车流程 图 3 ． 5 调速态故障转全速子程序 在调速状态下如果发生故 障， 首先发 出报警信 号 ， 指出现在设备 已经发 生故 障， 然后 闭合交 流接 触器 2 K M， 目的是在电机 的转 子回路 中串入水阻， 以限制升速 电流和升速 冲击 ， 同时延 时一段时间后 闭合 l K M， 使电机处于全速状态。随后 ， 断开交流 接触器 4 K M， 再延时一 段时 间， 分开交 流接触器 2 K M、 3 K M。最后置全速状 态。整个子程序将 根据 如图 6所示的流程执行操作 。 图 6 调速态故障转全速流程 图 4斩波控制 由图 1可以看 出， 本系统的控制核心是通过调 一 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 仪器仪表与分析监测 2 0 1 0年第 4期 节斩波器的 占空 比来改变 串人转子 回路 的等效 反 电势的大小 ， 从而调节 电机转速。西门子 s 7 O 0 系列 P L C有 2个 P T O ／ P WM发生器， 能建立高速脉 冲宽度可调的波形。在 P WM 的输出形式下 ， 当前 周期为固定值 ， 而只改变脉 冲宽度 ， 从而改变入转 子回路的等效反电势的大小。 表 1 P WM 的控制字 Q o ． 0 Q O ． 1 说 明 P T O ／ P WM 更 新 循 环 时 间 值 0 S M6 7 ．0 S M7 7． 0 无 更新 ； l更 新 循 环 时 间 P WM 更 新脉 中宽度 时 间值 0 S M6 7 ．1 S M7 7．1 无更新 ； 1 更新脉； 中宽度 P T O更 新 脉 冲 计 数 值 0无 更 S M6 7 ．2 S M7 7 ． 2 新 1 更新脉冲计数 P T O ／ P WM 时 基 选 择 0时 基 S M 6 7 ．3 S M77． 3 1 [ I S ； 1时 基 1 ms P WM 更 新 方法 0异 步 更新 ； I S M 6 7 ．4 SM77． 4 同步更新 P T O操作 0单段 操作 ； 1多段 S M6 7 ．5 S M7 7 ． 5 操 作 P T O ／ P WM 模 式 选 择 0选 择 S M6 7 ．6 S M77． 6 P TO 1选 择 P WM p rI ’ O ／ P WM 启 用 0禁 止 P T O ／ S M 6 7 ．7 SM77． 7 P WM 1启动 P T O ／ P WM P T O ／ P WM 循 环 周 期 时 间值 范 S MW6 8 S MW7 8 围 2至 6 5 5 3 5 P WM 脉 冲 宽 度 值 范 围 0 至 S MW7 O S MW8 O 6 5 5 3 5 1 初始化 P WM。P WM初始化和操作顺序使用 “ 首次扫描” 位 S M 0 ． 1 初始化脉冲输出。使『 玎 “ 首次 扫描” 位调用初始化子例行程序可降低扫描时问， 因为 随后的扫描无须调用该子例行程序， 这样会降低扫描 时问执行， 并提供结构更严谨的程序。但是， 用户编写 的应用程序可能有其它限制， 在此种情况下， 则可以使 用另一个条件调用初始化例行程序； 2 在初 始化子程序 中根据表 1设置控 制字 节 ， 在 S M 6 7中写 入 1 6 D 3 ； 3 在 S MW6 8中写入 一个字 长的周期值 ， 在 S MW7 0中写入 一 个字 长的脉宽 值 ； 4 执行 P L S指 令， 由 Q O ． o输 出预设脉宽 的 P WM 波 ； 5 通过外部设备来改变 S M W7 0中的数值 ， 使 得 P WM波的脉宽使之具有可调 性。 5 实验 选 用型号 Y R C T 2 2 4 0 - - 4电机作为实 验用 机 ， 互 ～ 3 0 一 感器为 4 0 0 1的变 电流比， 从电机的转子侧在不同 占空比下对转子电流 j 进行采样 ， 如图 71 0 图 7 在 占空 比为 4 0 ％下的转子 电流 图 8 在 占空比为 5 0 ％下的转子电流 图 9 在 占空 比为 6 0 ％下的转 子电流 图 1 O 在 占空比为 7 0 ％下的转子 电流 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 离子色谱法测定硫酸盐化速率蔡慧， 等 离子色谱 法测 定硫 酸盐 化速率 I o n c h r o ma t o g r a p h y d e t e r mi n a t i o n s u l f u r i c a c i d s a l t c h e mi c a l s s p e e d 蔡 慧 方 东 明 王 建 军 淮安市环境监测 中心站江苏淮安2 2 3 0 0 1 [ 摘要] 采用离子 色谱法测定硫酸盐化速率。对硫酸盐化速率测定进行 了准确的定量分析 ， 回收率达 9 4 ． 0 ％ ， 从 而使 离子色谱法测定硫酸盐化速率方法更加简单、 易行 。 [ 关键词 ] 离子 色谱法 ； 硫酸盐化速率 [ 中图分类号 ] T H [ 文献标识码 ] A 引言 1 实验分析 硫酸盐化 速率能客 观反应 大气 中含硫 污染 物 主要是氧 化硫 的污染 状况 ， 因此 它成为环 境 大气监测的必测项 目之一 。常 用的主要监测 方法 为碱片 一重量法 ，碱片 一重量法方法 是将 5 c m 内 径经酸溶 、 沉底 、 过滤后再 恒重称量 。碱 片 一重量 法方法繁琐 ， 滴加硫 酸钡 和检验 氯 离子过 程很 难 精确控制 ， 最 终造成 难 以精确 反 映硫 污染 物 的污 染状况 。离子色谱 法是分析化学领域 中很重要 的分析方法之 一 ， 它为 阴离子 分析 提供 了快速 简 单的的 方法 ， 并 实 现 了多 种 阴 离子 的 同时测 定 。 方法根据大气 中含硫污染物 与碱片接触转化成 硫 酸盐 ， 用离 子色谱 法测定 从碱 片上 浸提 出来 的硫 酸根含量 ， 再换算 成硫 酸盐 化速 率。通过 实践 证 明， 用碱片 一离子色谱 法测定大气硫 酸盐 化速率 ， 不仅方法准确可靠 ， 而且操作简单 易行 ， 无需 大量 的化学试 剂 ， 具有高的灵敏度和准 确度 ， 分 析成本 也不高 1 ． 1 仪 器 瑞士万通 7 9 2 B a s i c I C型离子色谱仪 S U P P 5分离柱 2 5 0 4 ． 0 m m MS M化学抑制器 超声波清洗仪 1 ． 2试剂 N a 2 C O 3 ， N a H C O 3 ； 分析纯 s 0 卜标准储备液 l 0 0 0 m g ／ 1 试验用水为电导 ≤l S c mI 2 的去离子 1 ． 3试验条件 淋洗 液 N a 2 C O ／ N a H C O ，浓 度 分 别 取 1 ．9 0 Mm o l ／ L和 1 ． 8 0 Mm o l ／ L ， 所配制的淋洗液要经过 0 ． 4 5 m滤膜抽滤 ； 流速为 1 ． 5 m l ／ m i n 。 1 ． 4离子色谱分析 系统 离子色谱法是利用离子交换原理 ， 连续对共存 的多种阴离子或阳离子进行分离 、 定量和定性分析 的方法。其分析系统由输液泵、 进样阀、 分离柱、 抑 制柱和电导检测装置等组成 。 七 七七 七电 - 6 -4 “七4-“ 电-4 - “ 七七 女七 女 - 6 女- 6 电 电 电 电 6结论 P L C在 串级调速控制系统中的应用 ， 和传统的 调速方案 相 比， 系 统 的整 体性 能 提 高 ， 调 整 精 度 高 ， 调速平稳 ； 完善 了综 合保 护功能 ， 更 便 于发 现 并及时处理故障。 参考文献 [ 1 ] 郭建军． 串级调速的发展与现状[ J ] ． 设备制造技术， 2 0 0 8 ． 3 l 1 0 1 2 6 [ 2 ] 魏泽 国． 可控硅 串级调 速 的原 理及 应用 [ M] ． 北京 冶金 工业 出版社 ， 1 9 8 5 ．9 1 4 [ 3 ] 龚仲华． s 7 2 0 0 ／ 3 0 o ／ 4 o o P L C应用技术 通用篇 [ M] ． 北 京 人 民邮电出版社 ， 2 0 0 7 2 1 8 1 31 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m