基于触摸屏，PLC，变频器控制电机多段调速系统 毕业论文.doc

基于触摸屏，plc，变频器控制电机多段调速系统 摘要：在现代自动化领域可编程控制器（plc） 、触摸屏及变频器是非常重要的元器件， 通过本次课程设计可熟悉三菱 plc、触摸屏的编程环境及变频器的调试。这次课程设计 主要内容是对三菱 plc 和触摸屏进行编程，对变频器进行调试，来实现对三相异步电 动机的三段速控制。介绍了基于 mt506s 的触摸屏，fx1n-40mr 的 plc，fr-s500 的变频 器控制电机多段调速系统的组成、控制方案及信号处理方法，设计了硬件电路、相关 梯形图程序、触摸屏显示程序及变频器的参数设置。调试应用表明，该系统简单、实 用。通过该课程综合设计的实践、锻炼，进一步掌握 plc 和变频调速控制系统原理及 应用，熟练使用触摸屏。本次课程设计取得了让人满意的效果，学会了各种软件的使 用，发挥了想象力、创造力，为今后的工作奠定了基础。对其他相关课题也具有很好 的借鉴作用和参考价值。 关键字：触摸屏，可编程控制器（plc） ，变频器，电机 第 2 页 共 19 页 目录 引言 一.主要硬件的介绍 .5 1.1 触摸屏 .5 1.1.1 触摸屏的发展历程 .5 1.1.2 触摸屏的工作原理 .5 1.2 可编程控制器（plc） 5 1.2.1 plc 的发展历程 .5 1.2.2 plc 的构成 .6 1.3 变频器 .6 1.3.1 变频技术的发展历程 .6 1.3.2 变频器的基本结构 .6 二、系统硬件的选型 6 2.1 触摸屏的型号选择 .6 2.2 plc 的型号选择 .7 2.3 变频器的型号选择 .7 三、系统设计 8 3.1 系统的原理图 .8 3.2 系统的接线图 .8 3.3 plc 梯形图 .9 3.4 触摸屏操作介面程序 10 3.4.1 首页导航 10 3.4.2 院系介绍 11 3.4.3 系统介绍 12 3.4.4 基本操作 14 3.5 变频器参数的设置 15 3.6 系统各部件的通讯处理 16 3.7 结论 16 四、致 谢 17 五、参考文献 .18 六、附录 .19 第 3 页 共 19 页 引言 随着电气工业的不断发展，触摸屏，可编程控制器（plc），变频器得以普及且应用到人们的 生活、生产中，使电气控制更加方便，简洁，实用。 触摸屏不仅适用于中国多媒体信息查询的国情，而且触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省 空间、易于交流等许多优点。利用这种技术，我们用户只要用手指轻轻地碰计算机显示屏上的图符 或文字就能实现对主机操作，从而使人机交互更为直截了当。触摸屏在我国的应用范围非常广阔， 主要是公共信息的查询；如电信局、税务局、银行、电力等部门的业务查询。 plc 技术简化了工厂自动化的体系结构，把控制、通信、人机界面及各种特定的应用全都合为 一体，运用于同一个硬件平台上。在工业生产过程中，具有大量的开关量顺序控制，要求按照逻辑 条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集等。plc 在未来的工业电气控制中定会占据重要的席位。成为继现场总线技术发展的新亮点。 变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的，它实现了电机的多段调速。变频器的器件的 更新促使电力变换技术的不断发展，使变频器投入市场并广泛应用。例如：在电梯运行中，速度不 能保持不变，应从静止状态到匀加速状态转匀速状态到匀减速状态，再到停止状态，故电梯应具有 多段调速功能。从而可见电机多段调速系统的应用之广泛。 第 4 页 共 19 页 一.主要硬件的介绍 1.1 触摸屏 1.1.1 触摸屏的发展历程 触摸屏的应用随着信息社会的发展越来越普遍，目前触摸屏产品在中国已开始形成了产业。 随着多媒体信息查询的与日俱增，人们越来越多的谈到触摸屏，因为触摸屏作为一种最新的电 脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的而且又适用于 中国多媒体信息查询国情的输入设备， 触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。这种人机交互方式，它赋予 了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。触摸屏应用范围非常广阔，主要有 公共信息的查询，如电信局、税务局、银行、电力等部门的业务查询。随着城市向信息化方向发展 和电脑网络在日常生活中的渗透，信息查询都会以触摸屏显示内容可触摸的形式出现。 1.1.2 触摸屏的工作原理 为了操作上的方便，人们用触摸屏来代替鼠标或键盘。工作时，我们必须首先用手指或其它物 体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。 触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户 触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信 息，并将它转换成触点坐标，再送给 cpu，它同时能接收 cpu 发来的命令并加以执行。 1.2 可编程控制器（plc） 1.2.1 plc 的发展历程 在工业生产过程中，具有大量的开关量顺序控制，要求按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻 辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集等。传统上，这些功能是通过气动或电 气控制系统来实现的。1968 年美国 gm（通用汽车）公司公开招标，提出研制能够取代继电器的控 制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（dec）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置， 首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称 programmable controller（pc）。个人计算机（简称 pc）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功 能特点，可编程序控制器定名为 programmable logic controlle（plc ），现在，仍常常将 plc 简称 pc。 现今，plc 已经具有通用性强、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。在可预见的将来，plc 在工业自动化控制特别是顺序控制中的主导地位，是其他控制技术无 法取代的。 第 5 页 共 19 页 1.2.2 plc 的构成 从结构上分，plc 分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式 plc 包括 cpu 板、i/o 板、 显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式 plc 包括 cpu 模块、 i/o 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 cpu 是 plc 的核心，起神经中枢的作用，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联 系的数据、控制及状态总线构成，cpu 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。每套 plc 至 少有一个 cpu，它按 plc 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集 由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 plc 内部电路的 工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后 再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 cpu 速度和内存容量是 plc 的重要参数，它们决定着 plc 的工作速度，io 数量及软件容量等， 因此限制着控制规模。 plc 与电气回路的接口，是通过输入输出部分（i/o）完成的。i/o 模块集成了 plc 的 i/o 电路， 其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号 进入 plc 系统，输出模块相反。 按 i/o 点数确定模块规格及数量，i/o 模块可多可少，但其最大数受 cpu 所能管理的基本配置 的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 1.3 变频器 1.3.1 变频技术的发展历程 变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。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。20 世纪 80 年代，作为变频技术核心的 pwm 模式 优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波 pwm 模式效果最佳。20 世 纪 80 年代后半期开始,美、日、德、英等发达国家的 vvvf 变频器巳投入市场并广泛应用。 1.3.2 变频器的基本结构 变频器是把工频电源(50hz 或 60hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设 备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电 路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量 运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的 cpu 以及一些相应的电路。 二、系统硬件的选型 2.1 触摸屏的型号选择 该系统使用深圳步进触摸屏 mt506s，其特点： 第 6 页 共 19 页 强大的 32 位嵌入式高性能 cpu,支持 256 色真彩显示与敏捷的反应速度； 功能强大且简单易用的简体中文编辑软件，使你轻松完成复杂的人机界面设计； 独特的多视窗操作功能，大大增加可显示信息量；可与几乎所有的 plc 兼容； 创新的在线模拟功能，大大节省工程时间； 具有 rtc（实时时钟）和配方存储功能，支持“多屏单机 ”和“单屏多机”连接方式； 双独立串行通讯口和独立的打印接口（打印接口仅 mt510t,mt510s,mt509l,mt508s 支持）； 工业级人机界面，前面板防护等级 ip65； 可为 oem 用户的专用控制器开发的通信协议驱动。 2.2 plc 的型号选择 该系统使用 fx1n-40mr，其特点： fx1n 系列是功能很强大的微 plc，可扩展到多达 128 i/o 点，并且能增加特殊功能模块或扩 展板。通信和数据链接功能选项使得 fx1n 在体积、通信和特殊功能模块等重要的应用方面非常完 美。 定位和脉冲输出功能： 一个 plc 单元能同时输出 2 点 100khz 脉冲，plc 配备有 7 条特殊的定位指令，包括零返回、 绝对位置读出、绝对或相对驱动以及特殊脉冲输出控制。 其它功能： 内 置 式 24v 直 流 电 源 24v、 400ma 直 流 电 源 可 用 于 外 围 设 备 ， 如 传 感 器 或 其 它 元 件 。 时 钟 功 能 和 小 时 表 功 能 在 所 有 的 fx1nplc 中 都 有 实 时 时 钟 标 准 。 时 间 设 置 和 比 较 指 令 易 于操 作 。 小 时 表 功 能 对 过 程 跟 踪 和 机 器 维 护 提 供 了 有 价 值 的 信 息 。 持 续 扫 描 功 能 为 应 用 所 需 求 的 持 续 扫 描 时 间 定 义 操 作 周 期 。 输 入 滤 波 器 调 节 功 能 可 以 用 输 入 滤 波 器 平 整 输 入 信 号 （ 在 基 本 单 元 中 x000 到 x017） 。 元 件 注 解 记 录 功 能 元 件 注 解 可 以 记 录 在 程 序 寄 存 器 中 。 在 线 程 序 编 辑 在 线 改 变 程 序 不 会 损 失 工 作 时 间 或 停 止 生 产 运 转 。 run/stop 开 关 面 板 上 运 行 /停 止 开 关 易 于 操 作 。 远 程 维 护 远 处 的 编 程 软 件 可 以 通 过 调 制 解 调 器 通 信 来 监 测 、 上 载 或 卸 载 程 序和 数 据 密 码 保 护 使 用 一 个 八 位 数 字 密 码 保 护 您 的 程 序 。 2.3 变频器的型号选择 该系统使用 fr-s520se-k-cht，其特点： 功率范围： 0.2-1.5kw（单相 200v fr-s520s 系列）。 0.4-3.7kw（三相 400v fr-s540 系列）。 自动转矩提升,实现 6hz 时 150%转矩输出。 数字式拨盘,设定简单快捷。 柔性 pwm,实现更低噪音运行。 第 7 页 共 19 页 15 段速,pid,4-20ma 输入和漏源型转换等多功能。 可提供 rs-485 通信功能的机型 fr-s5- k-r,此机型更可通过电缆接 fr-pu04 面板。 三、系统设计 3.1 系统的原理图 触 摸 屏 plc 变 频 器 电 机 触摸屏：实现人机对话，控制 plc 的输入，显示 plc 的输出。 plc：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，并通过数字量、模拟量的输入和输出，控制控制变频器的运行。 变频器：设置变频器的参数，实现电机的多段调速 3.2 系统的接线图 第 8 页 共 19 页 说明：实物中 plc 的输出端 com1（com2、com3）、y1 、y2、y3、y4、y5 分别连接到变频 器的 sd、stf、str、rl、rm 、rh. 第 9 页 共 19 页 3.3 plc 梯形图 说明： 输入: 输出: x000停止按钮 y001正转显示 x001正转按钮 y002反转显示 x002反转按钮 y003低速显示 x003低速按钮 y004中速显示 x004中速按钮 y005高速显示 x005高速按钮 m6手动/自动切换按钮 梯形图解析：06 步实现手动/自动切换 711 步实现电机正转 1216 步实现电机反转 1738 步实现电机低速运转 3959 步实现电机中速运转 6080 步实现电机高速运转 8184 步实现自动运转时高速到低速的循环 m0 被置位时，可实现电机自动状态 其中 1780 步中 m0 被复位时，可实现电机手动状态 第 10 页 共 19 页 3.4 触摸屏操作介面程序 3.4.1 首页导航 首页：该介面包含系统名称、院系名称，使用功能键实现介面跳转功能，点击屏幕进入导航介面。 导航:该介面包含(院系介绍)(设计介绍)(基本操作)(返回)按钮。均使用功能键实现介面跳转功能， 点击其按钮可进入对应的介面，相应的介面如下。其中点击（返回）按钮进入首页。 第 11 页 共 19 页 3.4.2 院系介绍 院介绍：该介面包含我院的基本介绍，及（返回）按钮，点击（返回）按钮进入导航介面。点击 （系介绍）按钮，进入系介绍介面。 系介绍：该介面包含我系介绍，及（返回）按钮。点击（返回）按钮进入院介绍介面。 第 12 页 共 19 页 3.4.3 系统介绍 系统介绍：该介面包含系统的控制功能，（原理图）（接线图）（plc 梯形图）（返回）按钮。点 击其按钮可进入对应的介面，相应的介面如下。点击（返回）按钮进入导航介面。 原理图：该介面包含系统的原理图，（返回）按钮，点击可进入设计介绍介面。 第 13 页 共 19 页 接线图：该介面包含系统的接线图，（返回）按钮，点击进入设计介绍介面。 plc 梯形图：该介面包含系统的 plc 程序梯形图，（返回）按钮，点击进入设计介绍介面。 第 14 页 共 19 页 3.4.4 基本操作 基本操作：该介面包含（自动/手动切换）（正转）（反转）（低速）（中速）（高速）（停 止）（返回）按钮。点击（返回）按钮进入设计介绍介面。 上图中的各元件输出（读取）地址的应和 plc 的输入/输出一致。（例 如：表示正转按钮的设定元件输出地址为 x001，表示正转的显示元件读取地址为 y001）但表示手 动/自动切换按钮的设定元件读取（输出）地址为 m6，表示手动/ 自动状态的显示元件的读取地址 也为 m6，开关类型为切换开关。其余表示各按钮的设定元件类型为复归型开关。 具体操作如下：可按自动/手动切换按钮进行自动 /手动的切换，且屏幕上显示其状态。手动控 制中，点击正转或反转按钮，则表示正转或反转的电机颜色由蓝变红，且闪烁，然后可按低速、中 速、高速按钮进行控制电机转速，屏幕上闪烁其对应的电机。也可按停止按钮控制电机停止。自动 控制中，点击正转或反转按钮，则表示正转或反转的电机颜色由蓝变红，且闪烁，然后代表低速的 电机闪烁，10s 后代表中速的电机闪烁，再 10s 后代表高速的电机闪烁，10s 后再低速，依次循环。 按停止按钮也可停止。 第 15 页 共 19 页 3.5 变频器参数的设置 参 数 名 称 表 示 设 定 范 围 最 小 设 定 单 位 参 数 设 定 值 0 转 距 提 升 p0 0 15% 0.1% 4% 1 上 限 频 率 p1 0 120hz 0.1hz 50hz 2 下 限 频 率 p2 0 120hz 0.1hz 0hz 3 基 波 频 率 p3 0 120hz 0.1hz 50hz 4 3 速 设 定 （ 高 速 ） p4 0 120hz 0.1hz 50hz 5 3 速 设 定 （ 中 速 ） p5 0 120hz 0.1hz 30hz 6 3 速 设 定 （ 低 速 ） p6 0 120hz 0.1hz 10hz 7 加 速 时 间 p7 0 999s 0.1s 5s 8 减 速 时 间 p8 0 999s 0.1s 5s 9 电 子 过 电 流 保 护 p9 0 50a 0.1a 2.5a 30 扩 张 功 能 显 示 选 择 p30 0,1 1 0 59 遥 控 设 定 功 能 选 择 p59 0， 1， 2 1 2 60 rl 端 子 功 能 选 择 p60 0 10， 14， 16,- 1 0 61 rm 端 子 功 能 选 择 p61 0 10， 14， 16,- 1 1 62 rh 端 子 功 能 选 择 p62 0 10， 14， 16,- 1 2 63 str 端 子 功 能 选 择 p63 0 10， 14， 16,- 1 - 79 操 作 模 式 选 择 p79 0 4,7,8 1 3 解析：p0-可以低频领域的电机转矩按负荷要求调整。起动时，调整失速防止动作。 p30-显示，设定功能参数时设定。 p59-操作盘和控制盘分开的情况下，可以设定遥控设定功能。 0：无遥控设定功能 1：有遥控设定功能 有频率设定值记忆功能 2：有遥控设定功能 无频率设定值记忆功能 p79-操作模式可以用外部信号操作,也可以用 pu(旋钮,run 键)操作.任何一种操作模式都可 固定或组合使用. 0: 用 pu/ext 键可切换 pu(设定用旋钮,run 键)操作或外部操作. 1: 只能执行 pu 操作. 2: 只能执行外部操作. 3：运行频率：用设定用旋钮设定，多段速选择，420ma（仅当 au 信号 on 时有效） 启动信号：外部端子（stf、str） 4: 运行频率: 外部端子信号(多段速,dc05v 等) 启动信号: run 键 7: pu 操作互锁 8: 操作模式外部信号切换(运行中不可) 根据 x16 信号的 on/off 移往操作模式选择 第 16 页 共 19 页 p60,p61,p62，p63-可以选择下述输入信号。 0：pl（多段速低速运行指令） 1：pm（多段速中速运行指令） 2：rh（多段速高速运行指令） 3：rt（第 2 功能选择） 4：au（输入电流选择） 5：stop（启动自保持选择） 6：mrs（输出停止） 7：oh（外部过流保护输入） 8：rex（多段速 15 速选择） 9：jog（点动运行选择） 10：res（复位） 14：x14（pid 控制有效端子） 16：x16（pu 操作/外部操作切换） -：str（反转启动（仅在 str 端子上可安 排） 3.6 系统各部件的通讯处理 数据通信就是将数据信息通过适当的传送线路从一台机器传送到另一台机器。这里的机器可以 是计算机，变频器，plc，触摸屏以及远程 i/o 模块。 将计算机三菱编程软件中的 plc 梯形图通过 rs232 下载到 plc 中。 将计算机触摸屏软件中的程序通过 rs232 下载到触摸屏中 。 最后将触摸屏，plc，变频器，电机按系统接线图连起来 ,完成调试运行系统。 3.7 结论 通过本次系统的设计，基本掌握了触摸屏，plc，变频器的应用