基于PLC与触摸屏的电机变频调速系统

毕业设计（论文）题 目： 基于 PLC 与触摸屏的电机变频调速系统 系 部： 电子工程系 专 业： 电气自动化 学 号： 10137207 学生姓名： 文峰 指导教师： 王立凤 职 称： 讲师 二 0 一二 年 月 日 2目录摘 要 .1前 言 .2第一章 变频器调速系统的方案确定 .41.1 变频器调速系统 .41.2 系统的控制要求 .71.3 方案的确定 .7第二章 变频调速系统的硬件设计 .82.1 PLC.82.2 变频器 .122.3 外部电路设计 .14第三章 变频调速系统的软件设计 .153.1 编程软件的介绍 .153.2 PLC 的工作原理 .173.3 PLC 编程语言 .193.4 基本指令简介 .203.5 可编程控制器梯形图设计规则 .223.6 变频调速系统程序设计 .23第四章 触摸屏的设计 .284.1 触摸屏的介绍 .284.2 触摸屏基础知识 .294.3 触摸屏的使用 .294.4 软件简单介绍 .304.5 实施内容与步骤 .32第五章 结 论 .35参考文献 .36致 谢 .360摘 要介绍了基于西门子PLC 和台达触摸屏的交流电机变频调速实验系统的硬件结构及软件设计。开关量输入的触摸屏和外部按钮的双重方式提高了调速系统运行的可靠性,模块化程序设计思想增强了程序的扩展性和实用性。该系统的实验运行结果表明,人机交互界面友好,运行安全稳定,有利于加强学生对简单工业控制系统的设计思想的掌握,达到了较好的实验教学效果。关键词:可编程控制器;触摸屏;变频器;调速系统AbstractThe design of hardware and sof tware of a f requency conversion speed system based on Siemens PLC andHitech touch screen are int roduced. Since the switch signals are input dually by touch screen and external buttons ,respectively ,the speed regulating system is of higher reliability. Moreover ,the modularization programming methods enhance the extensibility and applicability. Practical test proves that this system is of performable human interface and higher stability and security ,it is helpful to enlighten the design idea of modern cont rolling systems for student s ,and thus acquires better teaching effect .Keywords :programmable logic cont roller ;touch screen ;f requency converter ; speed regulation system1前 言最先制作成电动机的人是德国的雅可比，在两个U型电磁铁中间，装异六臂轮，每臂带两根棒型磁铁。通电后，棒型磁铁与U型磁铁之间产生相互吸引和排斥作用，带动轮轴转动。后来，雅可比做了一具大型的装置安在小艇上，用320个丹尼尔电池供电，1838年小艇在易北河上首次航行，时速只有2.2公里，与此同时，美国的达文波特也成功地制出了驱动印刷机的电动机，印刷过美国电学期刊电磁和机械情报 ，但这两种电动机都没有多大商业价值，用电池作电源，成本太大，不实用。直到第一台实用直流发动机问世，电动机被广泛应用。1870年比利时工程师格拉姆发明了直流发电机。在设计上，直流发电机和电动机很相似。后来，格拉姆证明向直流发电机输入电流，其转子会像电动机一样旋转。于是，这种格拉姆型电动机大量制造出来，效率也不断提高。与此同时，西门子开始着手研究由电动机驱动的车辆，于是西门子公司制成了世界电车。1879年，在柏林工业展览会上，西门子不冒烟的电车赢得观众的一片喝彩，西门子电机车当时只有3马力，后来美国发明大王爱迪生实验室的电机车已达1215马力，但当时的电动机全是直流电机，只限于驱动电车。1888年南斯拉夫出生地美国发明家特斯拉发明了交流电动机，它是根据电磁感应原理制成，又称感应电动机，这种电动机结构简单，使用交流电，无需整流，无火花，因此被广泛应用于工业的家庭电器中，交流电动机通常用三相交流电。1902年瑞典工程师丹尼尔森首先提出同步电动机构想。同步电动机工作原理同感应电动机一样，由定子产生旋转磁场，转速固定不变，不受负载影响。因此同步电动机特别适用于钟表、电唱机和磁带录音机。当今世界，电动机的发展已成为衡量一个国家现代化的标准之一。近二十年来，科学技术突飞猛进，随着电力电子技术、计算机技术和控制理论发展，电机调速技术得到迅速发展，使得电机的应用不再局限于工业应用而且在商业及家用设备等各个领域获得更加广泛的应用；而随着新材料如稀土永磁材料Nd-Fe-B、磁性复合材料的出现，更给电动机设计插上翅膀，各种新型、高效、特种电机层出不穷。这些都极大地丰富了电机理论，拓宽了电机的应用领域，同时也给电机设计和制造工艺提出更高的要求。变频技术是近年来国际家电领域全面开发和应用的一项高新技术，它采用新型变频器，将50Hz的固定供电频率转换为30-130Hz的变化频率，实现电动机运转频率的自动调节，达到节能和提高效率的目的。上个世纪80年代初，变频器实现了商品化。在近20年的时间内，经历了由模式2控制到全数字控制和由采用BJT到采用IGBT两大发展过程。80年代初采用的BJT的PWM变频器实现了通用化。到了90年代初，BJT通用变频器的容量达到了600KVA，400KVA以下。前几年主开关器件开始采用IGBT，仅三、四年的时间，IGBT变频器的单机容量已达8000KVA，随着IGBT容量的扩大，通用变频器的容量也将随之扩大。变频器主要电路中功率电路的模块化，控制电路采用大规模集成电路和全数字控制技术，结构设计上采用“平面安装技术”等一系列措施，促进了变频电源装置的小型化。另外，一种混合式功率集成器件，采用厚薄膜混合集成技术，把功率电桥、驱动电路、检测电路、保护电路等封装在一起，构成了一种“智能电力模块”这种器件属于绝缘金属基底结构，所以防电磁干扰能力强，保护电路和检测电路与功率开关间的距离尽可能的小，因而保护迅速且可靠，传感信号也十分迅速。电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化方向发展。特别是微机的应用，为变频器多功能化和高性能化提供了可靠的保证。人们总结了交流调速电气传动控制的大量实践经验，并不断融入软件功能。日益丰富的软件功能使通用变频器的多功能化和高性能化为用户提供了一种可能，即可以把原有生产机械的工艺水平“升级” ，达到以往无法达到的境界，使其成为一种具有高度软件控制功能的新机种。目前出现了一类“多控制方式”通用变频器。例如安用公司的VS616G5变频器就有：无PG（速度传感器）V/f控制；有PG V/f控制；无PG矢量控制；有PG矢量控制等四种控制方式。通过控制面板，可以控制上述四种控制方式中的一种，一满足用户的需要。通用变频器经历了模拟控制、数字控制、数模混合控制，直到全数字控制的演变，逐步地实现了多功能化和高性能化，进而使之对各类生产机械/各类生产工艺的适应性不断增强。最初通用变频器仅是用于风机、泵类负载的节能调速和化纤工业中高速缠绕的多机协调运行等，到目前为止，其应用领域得到了相应的扩展。如搬运机械，从反抗性负载的搬运车辆、带式运输机到位能负载的起重机、提升机、立体仓库、立体停车厂等都已采用了通用变频器。各类切削机床直到高速磨床乃至数控机床、加工中心超速伺服机的精确位置控制都应用通用变频器。本系统是通过可编程控制三相交流异步电动机的调速功能。具体内容如下：在理论研究的基础上，对变频器调速系统进行总体的设计。对变频器调速系统进行硬件设计，包括变频器参数的设置、变频开环调速、多段速控制以及触摸屏通讯方式的设计。在硬件设计的基础上，对变频调速系统进行软件设计，包括程序的编写和分析。3实现调速系统的触摸屏设计。第一章 变频器调速系统的方案确定1.1 变频器调速系统变频调速系统由变频器，电动机和控制系统三大部分构成，有时还包括负载。变频器是一个能改变频率的交流电源，它是系统的核心。控制系统主要由控制器和电流，转速等检测仪器组成，用于按照给定指令，调节电动机的转速和控制电动机的转矩，完成传动任务。电动机主要是异步电动机，少数场合用同步电动机。负载即各类工作机械，设备，用于完成各种生产任务。整个变频调速系统如下图所示。电源 变频器 电动机 负载控制系统传感器器电气变量驱动信号电气变量机械变量指令 输入图 1.1 变频调速系统1.1.1 三相交流异步电动机的结构和工作原理当向三相定子绕组中通过入对称的三相交流电时，就产生了一个以同步转速n1沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以n1转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势（感应电动势的方向用右手定则判定） 。由于导子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。转子的载流4导体在定子磁场中受到电磁力的作用（力的方向用左手定则判定） 。电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子沿着旋转磁场方向旋转。当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度） ，通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路） ，载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。图1.21.1.2 变频调速原理三相异步电动机的转速和频率关系的表达式： n=60f(1-s)/p式中n为异步电动机的转速f为异步电动机的频率s为电动机转差率p为电动机极对数由上式可知，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，变频器就是通过改变电动机的电源频率实现速度调节的。变频器是通过对电力半导体器件的通断控制将电压和频率固定不变的交流电电源变换为电压或频率可变的交流电的电能控制装置。在实际应用时，不仅要实现调速，还要求机械系统能满足机械特性和调速指标。51.1.3 变频调速的基本控制方式1）V/f控制按照下图所示的电压，频率关系对变频器的频率和电压进行控制，称为V/f控制方式。基频以下可以实现恒转矩调速，基频以上则可以实现恒功率调速。图 1.3V/f控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，通用性强，经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。但在V/f控制方式下，如果富在变化，转速也会随之变化，转速的变化量与转差率成正比。V/f控制的静态调速精度较差，可采用转差频率方式来提高调速精度。2）转差频率控制转差频率控制方式是闭环控制。根据速度传感器的检测，求出转差频率，再把它与速度设定值相叠加，以该叠加值作为逆变器的频率设定值，实现了转差补偿的闭环控制，这种控制方式称为转差频率控制方式。由于转差补偿的作用，调速精度提高了。采用V/f控制方式和转差控制方式的控制思想都建立在异步电动机的静态数学模型上，因此动态性能指标不高，采用矢量控制方式可提高变频调速的动态性能。3）矢量控制根据交流电动机的动态数学模型，利用坐标变换的手段，将交流电动机的定子电流分解成磁场分量和转矩分量电流，并分别加以控制，即模仿直流电动机的控制方式对电动机的磁场和转矩分别进行控制，可获得类似于直流调速系统的动态性能。矢量控制方法的出现，是异步电动机变频调速在电动机的调速领域里全方位地处于优势地位。但是，矢量控制技术需要对电动机参数进行正确估算。61.2 系统的控制要求本文通过PLC控制变频器达到变频调速的目的，从而实现交流电机的正反转、起停、加速、减速控制以及速度的调节，并且能够在触摸屏上进行操作，控制电机调速。本系统的结构如图所示。图 1.3 系统的结构图1.3 方案的确定1.3.1 电动机的选择在变频电机中，电动机类型选择的原则是，在满足工作机械对于托动系统要求的前提