毕业设计 基于PLC的三相反并联整流桥的逻辑控制

PINGDINGSHAN UNIVERSITY 毕业设计 基于PLC的三相 题 目: 反并联整流桥的逻辑控制

院 (系): 电气信息工程学院 专业年级: 电气工程及其自动化2008级3班 姓 名: 何国满 学 号: 083220309 指导教师: 宋月丽 讲 师 2010年3月16日

平顶山学院2010届本科生毕业论文 基于PLC的三相反并联整流桥的逻辑控制 何国满

原 创 性 声 明

本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律责任由本人承担。

论文作者签名： 日 期：

2

平顶山学院2010届本科生毕业论文 基于PLC的三相反并联整流桥的逻辑控制 何国满

关于毕业论文使用授权的声明

本人在指导老师指导下所完成的论文及相关的资料（包括图纸、试验记录、原始数据、实物照片、图片、录音带、设计手稿等），知识产权归属平顶山学院。本人完全了解平顶山学院有关保存、使用毕业论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权平顶山学院可以将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本毕业论文。如果发表相关成果，一定征得指导教师同意，且第一署名单位为平顶山学院。本人离校后使用毕业论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为平顶山学院。

论文作者签名： 日 期： 指导老师签名： 日 期：

3

平顶山学院2010届本科生毕业论文 基于PLC的三相反并联整流桥的逻辑控制 何国满

基于PLC的三相反并联整流桥的逻辑控制

要

摘

以电磁感应原理为基础原理为基础，采用螺线管型纵向电磁搅拌方式。

纵向交变磁场在连铸坯的钢水中产生出横向环流，从而产生指向连铸坯轴心的洛伦兹力形成上下行环流，起到了增加等轴晶和抑制连轴坯中间组织疏松和缩孔的良好作用，大部分夹渣在上行环流时已被去除。硬件电路的部分功能采用可编程序逻辑控制器控制，以提高系统的自动化程度和使用的灵活性，降低故障发生的几率。

关键词： 电磁搅拌， 交交变频， 拉逆变， PLC

3 Based on PLC-parallel rectifier bridge opposite logic control

Abstract

Based on the principle of electromagnetic induction based on the principle, using a

solenoid-type vertical electromagnetic stirring method. Longitudinal alternating magnetic field in the molten steel billet to produce transverse circulation, resulting in the Lorentz force pointing to the formation of continuous casting billet axis from top to bottom-line circulation, played to increase the equiaxed grains and suppress even the axis billet porosity and shrink the middle of the organization hole well and most of the slag in the uplink when the circulation has been removed. Some functions of the hardware circuits using programmable logic controller to improve system automation and flexibility of use and reduce the likelihood of failure..

key words: EMS, Cycloconverter, Pull inverter, PLC

4

目录

1设计引言 .............................................................................................................................. 1

1.1设计研究的背景、现状及意义 ................................................................................ 1

1.1.1设计研究的背景 .............................................................................................. 1 1.1.2设计研究的现状和意义 .................................................................................. 1 1.2设计研究思路 ............................................................................................................ 2 2 PLC与现代电力电子技术简介 .......................................................................................... 3

2.1 PLC概述 .................................................................................................................... 3

2.1.1认识PLC .......................................................................................................... 3 2.1.2 PLC的特点及其分类 ...................................................................................... 4 2.1.3 PLC的性能、应用领域及其发展趋势 .......................................................... 5 2.2 PLC的组成与工作原理 ............................................................................................ 7

2.2.1 PLC的组成 ...................................................................................................... 7 2.2.2 PLC的工作原理 .............................................................................................. 7 2.3 电力电子器件的发展与分类 ................................................................................... 8

2.3.1 电力电子器件的发展过程 ............................................................................. 8 2.3.2电力电子器件的分类 ...................................................................................... 9

3 与设计相关的机电技术说明 ............................................................................................. 9

3.1 三菱系列可编程序逻辑控制器工作过程简述 ....................................................... 9 3.2 三菱FR-A540系列变频器使用说明 .................................................................... 11 4纵向电磁搅拌装置主电路及控制电路设计 .................................................................... 15

4.1设备外形图 .............................................................................................................. 15 4.2设备控制电路设计 .................................................................................................. 15 4.3设备控制电路原理图设计 ...................................................................................... 17 4.4三相全桥整流反并联导通设计 .............................................................................. 20 5系统软件程序设计 ............................................................................................................ 21

5.1 PLC梯形图概述 ...................................................................................................... 21 5.2程序运行界面图 ...................................................................................................... 21 5.3 梯形图设计 ............................................................................................................. 24 5.4 运行情况说明 ...................................................................................................... 27 6设计总结 ............................................................................................................................ 28 参考文献 ............................................................................................................................... 29 致 谢 ..................................................................................................................................... 30

平顶山学院2010届本科生毕业论文 基于PLC的三相反并联整流桥的逻辑控制 何国满

控制、定时控制与顺序逻辑控制。开关量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域已经遍及各行各业，甚至深入到家庭当中。

② 慢连续量的过程控制

慢连续量的过程控制是指对温度压力流量和速度等慢连续变化的模拟量的闭环控制，PLC通过模拟量I/O模块，实现A/D和D/A的转换，并通过专用的智能PID模块实现对模拟量的闭环控制，使被控变量保持为设定值。PLC的这一功能已经广泛应用在电力、冶金、轻工、化工、机械等行业。例如：锅炉控制、加热炉控制、磨矿分级过程控制、水处理控制、酿酒控制等。 3快连续的运动控制

PLC提供了驱动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块，通过这些模块可以实现直线运动或圆周运动的控制。如今，运动控制已经是PLC不可缺少的功能之一它已经广泛应用于各种机械，机器人、金属成型机械、装配机械等。

④ 数据处理

PLC提供了各种数学运算、数据传送、数据转换、数据排序以及位操作等功能，可以实现数据的分析、采集和处理。这些数据可以通过通信系统传送到其它智能设备，也可利用它们与存储器中的参考值进行比较，或利用它们制作各种要求的报表。数据处理功能一般用于造纸、冶金、食品、柔性制造等行业中的一些大型控制系统。

⑤ 通信联网

PLC的通信类型主要有一下四种：

PLC之间的通信。PLC之间可以进行一对一通信，也可在多达几十甚至几百台PLC之间通信；既可以在同型号PLC之间进行通信，也可以在不同型号的PLC之间进行通信。例如：可以将三菱FX系列的PLC作为三菱A系列PLC的就地控制站，从而可简单地实现生产过程的分散控制和集中管理。

PLC与各种智能控制设备之间的通信，PLC可与条形码读出器、打印机以及其他远程IO智能控制设备之间进行通信，形成一个攻强大的智能控制网络。

PLC与上位计算机之间的通信。可用计算机进行编程，或对PLC进行监控和管理。通常情况下，采用多台PLC进行分散控制，有一台上位计算机进行集中管理，这样的系统成为分布式控制系统。

PLC与PLC的数据存取单元进行通信。PLC提供了各种型号不一的数据存取单元，通过此数据存取单元可以方便地对设定数据进行修改，对各监控点的数据或图形变化进行监控，还可以对PLC出现的故障进行诊断等。

近年来，随着计算机控制技术和网络通信技术的发展，已经兴起了工业自动化（FA）网络系统。PLC的联网、通信等功能正适应了智能化工厂的发展需要，它可以使工业控制从点到线再到面，使设备级的控制、生产线的控制和管理层的控制连成一个整体，从而创造更高的效益。

PLC的应用领域越来越广泛，几乎凡是有控制系统存在的地方都需要PLC，随着 其性能价格比的不断提高，PLC的应用范围必将不断扩 (3) PLC的发展趋势

微型机价格便宜，大力发展微型PLC是市场的主导方向之一。与此同时，大型PLC则朝着高性能、高速度、大容量的方向发展。一些占据较高市场份额的PLC生产商则大力开发智能型I/O模块和分布式I/O系统。随着软件功能的逐渐完善，PC编程软件将逐步取代手持编程器，其编程语言也日趋标准化，其通信模式也必然朝着易用 化和“傻瓜化”的方向发展。

6

平顶山学院2010届本科生毕业论文 基于PLC的三相反并联整流桥的逻辑控制 何国满

2.2 PLC的组成与工作原理

2.2.1 PLC的组成

PLC基本组成包括中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口（缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等）、外部设备编程器及电源模块组成，见图2.1。PLC内各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。

图2.1 PLC的基本组成原理

2.2.2 PLC的工作原理

(1) 扫描技术

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

(2) 输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 (3) 用户程序执行阶段

7

平顶山学院2010届本科生毕业论文 基于PLC的三相反并联整流桥的逻辑控制 何国满

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 (4) 输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。

同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。

一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。

2.3 电力电子器件的发展与分类

2.3.1 电力电子器件的发展过程

上世纪50年代末晶闸管在美国问世，标志着电力电子技术就此诞生。第一代电力电子器件主要是可控硅整流器(SCR)，我国70年代将其列为节能技术在全国推广。然而，SCR毕竟是一种只能控制其导通而不能控制关断的半控型开关器件，在交流传动和变频电源的应用中受到限制。70年代以后陆续发明的功率晶体管(GTR)、门极可关断晶闸管(GTO)、功率MOS场效应管(Power MOSFET)、绝缘栅晶体管(IGBT)、静电感应晶体管(SIT)和静电感应晶闸管(SITH)等，它们的共同特点是既控制其导通，又能控制其关断，是全控型开关器件，由于不需要换流电路，故体积、重量较之SCR有大幅度下降。当前，IGBT以其优异的特性已成为主流器件，容量大的GTO也有一定地位。许多国家都在努力开发大容量器件，国外已生产6000V的IGBT。IEGT(injection enhanced gate thyristor)是一种将IGBT和GTO的优点结合起来的新型器件，已有1000A/4500V的样品问世。IGCT(integrated gate eommutated thyristor)在GTO基础上采用缓冲层和透明发射极，它开通时相当于晶闸管，关断时相当于晶体管，从而有效地协调了通态电压和阻断电压的矛盾，工作频率可达几千赫兹[2][3]。瑞士ABB公司已经推出的IGCT可达4500一 6000V，3000一 3500A。MCT因进展不大而引退而IGCT的发展使其在电力电子器件的新格局中占有重要的地位。与发达国家相比，我国在器件制造方面比在应用方面有更大的差距。高功率沟栅结构IGBT模块、IEGT、MOS门控晶闸管、高压砷化稼高频整流二极管、碳化硅(SIC)等新型功率器件在国外有了最新发展。可以相信，采用GaAs、SiC等新型半导体材料制成功率器件，实现人们对“理想器件”的追求，将是21世纪电力电子器件发展的主要趋势。

8

平顶山学院2010届本科生毕业论文 基于PLC的三相反并联整流桥的逻辑控制 何国满

高可靠性的电力电子积木(PEBB)和集成电力电子模块(IPEM)是近期美国电力电子技术发展新热点。GTO和IGCT，IGCT和高压IGBT等电力电子新器件之间的激烈竞争，必将为21世纪世界电力电子新技术和变频技术的发展带来更多的机遇和

2.3.2电力电子器件的分类

电力电子器件分类：可以分为半控型器件、全控型器件和不可控型器件，其中晶闸管为半控型器件，承受电压和电流容量在所有器件中最高；电力二极管为不可控器件，结构和原理简单，工作可靠；还可以分为电压驱动型器件和电流驱动型器件，其中GTO、GTR为电流驱动型器件，IGBT、电力MOSFET为电压驱动型器件。

IGBT优点：开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小；缺点：开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTO

GTR优点：耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低；缺点：开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题

GTO优点：电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强；缺点：电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低

电力MOSFET优点：开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题；缺点：电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。制约因素：耐压，电流容量，开关的速度。

3 与设计相关的机电技术说明

3.1 三菱系列可编程序逻辑控制器工作过程简述

(1) 可编程序控制器的工作过程

PLC上电后，就在系统程序的监控下，周而复始地按固定顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实质上是一个不断循环的顺序扫描过程。一个循环扫描过程称为扫描周期。

PLC在一个扫描周期内基本上要执行以下六个任务：

① 运行监控任务。为了保证系统可靠工作，PLC内部设置了系统监视定时器WDT，WDT的时间设定值一般为扫描周期的2～3倍，通常为100～200 ms。

② 与编程器交换信息任务。编程器在PLC的外部设备中占有非常重要的地位，用户把应用程序输入到PLC中，或对应用程序进行在线运行监视和修改都要用到它。编程器在完成处理任务或达到信息交换的规定时间后，就把控制权交还给PLC。

③ 与数字处理器(DPU)交换信息任务。一般大中型PLC多为双处理器系统，一个是字节处理器(CPU)，另一个是数字处理器(DPU) ，在一般小型PLC中是没有这个任务的。

④ 与外部设备交换信息任务。如果没有连接外部设备，则该任务跳过。 ⑤ 执行用户程序任务。系统的全部控制功能都在这一任务中实现。 ⑥ 输入/输出信息处理任务。

9

平顶山学院2010届本科生毕业论文 基于PLC的三相反并联整流桥的逻辑控制 何国满

(2) PLC的工作过程如图所示

图3.1 PLC的工作过程

(3) PLC的输入/输出过程

① PLC的工作方式是周期扫描方式，所以其输入/输出过程是定时进行的。对用户程序而言，要处理的输入信号是输入信号状态暂存区的信号，而不是实际的信号。运算处理后的输出信号被放入输出信号状态暂存区中，而不是直接输出到现场的。

② 扫描循环时间循环时间（ Cycle Time ）是指操作系统执行一次循环操作所需的时间，包括执行 程序段和中断该循环的系统操作的时间，循环时间又称为扫描循环时间（ Scan Cycle Time ）或扫描周期。

循环时间与用户程序的长短、指令的种类和 CPU 执行指令的速度有很大的关系。当用户程序较长时，指令执行时间在循环时间中占相当大的比例。循环时间会因为下述事件而延长：中断处理、诊断和故障处理、测试和调试功能、通信、传送和删除块、压缩用户程序存储器、读／写微存储器卡 MMc 等。

③ 输入／输出滞后时间

输入愉出滞后时间又称为系统响应时间，是指PLC的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间这三部分组成。

输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入触点动作时产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为l0ms左右。 输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般在10ms左右；双向晶闸管型输出电路在负载通电时的滞后时间约为lms，负载由通电到断电时的最大 滞后时间为l0ms；晶体管型输出电路的滞后时

10

平顶山学院2010届本科生毕业论文 基于PLC的三相反并联整流桥的逻辑控制 何国满

5系统软件程序设计

5.1 PLC梯形图概述

梯形图是使用最多的编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电气控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的有点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序梯形图的设计成为编程。

PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元（软继电器），每一软继电器与PLC存储器中的映像寄存器的一个存储单元相对应。该存储单元如果是“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开，称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态，如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触电的状态与上述的相反，称该软继电器为“0”或“OFF”状态。使用中也常将这些“软电器”为编程元件。

梯形图两侧的垂直公共线称为母线，在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路分析方法，可以想象左右两侧母线（左母线和右母线）有一个左是正面右是负面的直流电源电压，母线之间有“能流”从左向右流动，右母线可以不画出。

梯形图中各触点的状态和对应关系，求出与图中各线圈对应的编程软件的状态，称为梯形图的逻辑解算，梯形图中的逻辑解算是按从左到右、从上到下的顺序进行的。解算的结果是，马上可以被后面的逻辑解算所利用，逻辑解算是根据输入映像寄存器的值，而不是根据解算瞬时外部输入触电的状态来进行的。

5.2程序运行界面图

界面图一：

界面图二：

21

平顶山学院2010届本科生毕业论文 基于PLC的三相反并联整流桥的逻辑控制 何国满

界面图三：

22

平顶山学院2010届本科生毕业论文 基于PLC的三相反并联整流桥的逻辑控制 何国满

23

平顶山学院2010届本科生毕业论文 基于PLC的三相反并联整流桥的逻辑控制 何国满

5.3 梯形图设计

程序一（反桥封锁指令）：

程序二（正桥整流指令）；

24

平顶山学院2010届本科生毕业论文 基于PLC的三相反并联整流桥的逻辑控制 何国满

程序三（正桥拉逆变指令）；

程序四（正桥封锁指令）：

25

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hdm5.html