电路与系统硕士论文-基于CC-LINK现场总线的PLC控制系统研究与设计.pdf

武汉理工大学 硕士学位论文 基于cc-link现场总线的plc控制系统研究与设计 姓名：余贞金 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：王林涛 20100401 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 现场总线直接连接现场的工业设备，需要完成生产过程中大量数据的高速 采集、处理和传输。在p l c 控制系统中应用现场总线技术来实现p l c 与现场 设备的实时通信，达到分散控制是工业控制领域的热门问题。一个控制系统的 优良直接影响工业生产的经济利益，因此深入研究p l c 及现场总线控制技术具 有很好的现实意义。 三菱公司的c c l i n k 现场总线与q 系列p l c 控制系统提供了一整套系统 解决方案，这样就可以缩短系统的研发周期，降低设计的难度。因此研究 c c l i n k 现场总线和q 系列p l c 的应用能够提高工厂自动化的程度，使我国 自动化产业的竞争力加强。 本文从分析c c l i n k 现场总线技术入手，研究其通讯原理、基本通信结构 以及q 系列p l c 的c c l i n k 系统构成，阐述了c c l i n k 现场总线在q 系列 p l c 中的应用。在汽车面漆生产线风机变频控制系统应用实例中，完成了系统 硬件选型、电气原理设计、c c l i n k 运行设置、梯形图程序编辑及仿真调试、 下载，实现了系统的p l c 控制。同时应用三菱公司的触摸屏设计软件 g t - d e s i g n e r 实现了触摸屏与p l c 的通讯，完成了监控系统的设计。论文最后针 对可能出现的干扰源，给出了系统的一些抗干扰措施以及整个系统的调试过程 和相关调试参数。 本系统已经投入运行，目前运行稳定，较大程度地减轻了工人的劳动强度、 提高了生产效率、达到了节能的目的。经实际应用表明，采用c c l i n k 现场总 线，能节省系统的配线，方便维修和调试；采用q 系列p l c 为控制核心，通过 增加功能模块，可方便的扩展系统功能；通过变频器驱动风机，让变频器运行 在低频率下，起到了很好的节能效果。 关键词：c c l i n k ，q 系列p l c ，g t - d e s i g n e r ，风机变频控制系统 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i e l d b u sc o n n e c t st h ei n d u s t r i a le q u i p m e n t si nt h ef i e l d ，u n d e r t a k et h et a s ko f h i 曲一s p e e da c q u i s i t i o n 、p r o c e s s i n ga n dt r a n s m i s s i o no fal a r g en u m b e ro fd a t ai n p r o d u c t i o n r e a l i z i n gr e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o nw i t l lf i e l dd e v i c e si np l cc o n t r o l s y s t e mb ya p p l y i n gf i e l d - b u st e c h n o l o g yi sah o tp r o b l e mi ni n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l d t h ep e r f o r m a n c eo fc o n t r o l s y s t e md i r e c t l y a f f e c t st h ee c o n o m i ci n t e r e s t so f i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n , s ot h ew o r k so fs t u d yt h ea p p l i c a t i o no ff i e l d b u sc o n t r o l t e c h n o l o g ya n dp l ch a sag o o dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e m i t s u b i s h i sc c l i n kf i e l d b u sa n dqs e r i e sp l cc o n t r o ls y s t e mp r o v i d eas e t o f s y s t e ms o l u t i o n s i tc a ns h o r t e nd e v e l o p m e n tc y c l ea n dr e d u c ed e s i g ne f f o r t s o t h ew o r k so fa p p l i c a t i o no fc c - l i n kf i e l d - b u sa n dqs e r i e sp l cw i l li n c r e a s et h e d e g r e eo ff a c t o r ya u t o m a t i o na n ds t r e n g t h e nt h ec o m p e t e n c eo fc h i n a sa u t o m a t i o n i n d u s t r y t h i sa r t i c l es t u d i e sc o m m u n i c a t i o nt h e o r ya n ds t r u c t u r eo fc c l i n k ，a n dt h e n d e s c r i b e st h ea p p l i c a t i o no fc c l i n ki nm i t s u b i s h iqs e r i e sp l c i nt h ea p p l i c a t i o n o fv a r i a b l ef r e q u e n c yc o n t r o ls y s t e mo ff a n s ，t h ea r t i c l ec o n f i g u r e st h eh a r d w a r eo f s y s t e m ，f u l f i l l sr u ns e t so fc c l i n k ，d e s i g n st h ep r o c e s sf l o wc h a r ta n dd e s i g n st h e m o n i t o r i n gs y s t e mb yg t - d e s i g n e rs o f t w a r e t h e a r t i c l e f i n a l l yg i v e ss o m e a n t i - j a m m i n gm e a s u r e sa n dd e b u g g i n gp r o c e s so ft h es y s t e m i np r a c t i c e ，t h es y s t e mr u n ss t a b l e ，l i g h t e n st h el a b o ri n t e n s i t y , a n di m p r o v e s p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s h o w st h a t u s i n g c c l i n k f i e l d - b u si ns y s t e mc a ns a v es y s t e mw i r i n g ，a n dm a k em a i n t e n a n c ea n dd e b u g g i n g e a s i l y u s i n gqs e r i e sp l cc a l le x t e n ds y s t e mf u n c t i o n se a s i l yb yi n c r e a s i n g f u n c t i o n a lm o d u l e s t h ei n v e r t e rr u n sa tl o wf r e q u e n c yw h e n d r i v i n gf a nc a np l a ya v e r yg o o de f f e c ta ts a v i n ge n e r g y k e yw o r d s ：c c l i n k ，qs e r i e sp l c ，g t - d e s i g n e r ，v a r i a b l e 丘e q u e n c yc o n t r o l s y s t e mo ff a n s 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：盆选垒日期：竺! ! ：竺：三2 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：余赶孝导师( 签名) ：纠加期加f d ，7 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 相关技术背景 1 1 1 现场总线技术 第1 章绪论 所谓现场总线，按照国际电工委员会i e c s c 6 5 c 的定义，是指安装在制 造或过程区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间 的数字式、串行和多点通信的数据总线。现场总线的产生是多方面因素共同作 用的结果，现场总线的产生首先反映了仪器仪表本身发展的需要。仪器仪表的 发展经历了全模拟式仪表、智能仪表、具有通信功能的智能仪表、现场总线仪 表等几个阶段。其中，全模拟式仪表是将传感器信号进行调理放大后，经过v i 电路转换，输出4 - _ 2 0 i i a 或0 “ - 5 v 的模拟信号。其后随着计算机技术的发 展，微处理器在仪器仪表中得到了广泛应用，过程变量经调理放大、a d 采样， 转换为数字信号，并经过微处理器的运算、补偿等处理后，再通过d a 、v i 等电路，仍然以4 2 0 m a 或0 5 v 的模拟信号输出，这种智能仪表相对于全模 拟仪表来讲，测量精度得到大大提高，但信号传输过程仍然容易受到外界电磁 干扰，传输精度和可靠性都不高。于是，人们在仪器仪表中增加了通信接口( 如 r s 2 3 2 4 8 5 等) ，以数字通信的方式代替模拟信号传输。但由于这些通信标准只 规定了物理层上的电气特性，而对于数据链路层及其以上各高层协议规范，则 没有统一定义，致使不同生产厂家生产的仪器仪表由于通信协议不兼容而无法 实现相互之间的信息互访。为解决这个问题，必须使这些网络的通信标准进行 统一，组成开放互连系统，于是就产生了现场总线。其次，现场总线的产生也 反映了企业管控一体化信息集成的要求【l j 。 因此，从2 0 世纪8 0 年代开始，各种现场总线相继产生，其中主要的有： 控制与通信链路现场总线c c l i n k ( c o n t r o l & c o m m u n i c a t i o nl i n k ) 、基金会现场 总线f f ( f o u n df i e l db u s ) 、控制局域网络c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 、过程现 场总线p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 等。面对如此之多的现场总线，用户如何选 择? 为解决这个问题，国际电工委员会i e c 在1 9 8 4 年就开始筹备制定单一现场 总线国际标准。由于行业与地域发展等历史原因，加上各公司和企业集团受自 武汉理工大学硕士学位论文 身利益的驱使，始终没有实现制定单一标准的目标。这个结局表明，在今后相 当长一段时间内多种现场总线将并存，控制网络的系统集成与信息集成会面临 困难的复杂局面。无论是最终用户还是制造商，普遍都在关注现场总线技术的 发展新动向，都在寻求高性能低成本的解决方案吲。 1 1 2 三菱c c l i n k 现场总线 c c l i n k 是c o n t r o l & c o m m u n i c a t i o nl i n k ( 控制与通信链路系统) 的缩写。 在1 9 9 6 年1 1 月，由三菱电机为主导的多家公司推出，其增长势头迅猛，在亚洲 占有较大份额。其不仅解决了工业现场配线复杂的问题，同时具有优异的抗噪 性能和兼容性。c c l i n k 是一个以设备层为主的网络，同时也可覆盖较高层次的 控制层和较低层次的传感层。2 0 0 5 年7 月c c l i n k 被中国国家标准委员会批准 为中国国家标准指导性技术文件。c c l i n k 是一个复合的、开放的、适应性强的 网络系统，能够适应于较高的管理层网络到较低的传感器层网络的不同范引3 1 。 c c l i n k 是一种高可靠性、高性能的网络。c c l i n k 的卓越性能有： 1 高速度大容量的数据传送可设定介于1 5 6 k b p s 到1 0 m b p s 间可选择的5 种 通信速度之一。当应用1 0 m b p s 的通信速度时，最大通信距离是1 0 0 米；当通信 速度为1 5 6 k b p s 时，最大通信距离为1 2 0 0 米。如果应用中继器，还可以扩展网 络的总长度，通信电缆的长度可以延长到1 3 2 k m 。 2 拓扑结构有多点接入、t 型分支、星型结构。3 种型号的电缆及连接器可 以支持将c c l i n k 元件接入任何机器和系统。 3 自动刷新功能、预约站功能1 4 j 。以p l c 作为c c l i n k 的主站为例，由主站 模块管理整个网络的运行和数据刷新，在主站模块中设置刷新参数，便可以将 所有的网络通信数据和网络系统监视数据自动刷新到p l c 的c p u 中，不需要编 写刷新程序。预约站功能在系统的可扩展性上显示出极大的优越性，也给我们 系统开发提供很大的方便。预约站功能指c c l i n k 在网络组态时，可以将现在 不挂上网络而计划将来挂接到c c l i n k 的设备，在网络组态时事先将这些设备 的系统信息( 站类型、占用数据量、站号等) 在主站中登录，而且可以将相关 程序编写好，这些预约站挂接到网络中后，便可以自动投入运行，不需要重新 进行网络组态，在预约站没有挂接到网络中时c c l i n k 同样可以正常运行。 4 完善的r a s 功能1 5 j 。r a s 是r e l i a b i l i t y ( 可靠性) 、a v a i l a b i l i t y ( 有效性) s e r v i c e a b i l i t y ( 可维护性) 的缩写。备用主站功能、在线更换功能、通信自动恢 2 武汉理工大学硕士学位论文 复功能、网络监视功能、网络诊断功能提供了一个可以信赖的网络系统，帮助 用户在最短时间内恢复网络系统。 5 优异抗噪性能和兼容性。除了产品本身具有卓越的抗噪性能以外，光缆中 继器给网络系统提供了更加可靠、更加稳定的抗噪能力。至今还未收到过关于 噪音引起系统工作不正常的报告 6 1 。 6 瞬时传送功能。c c l i n k 的通信形式可分为2 种方式：循环通讯和瞬时传 送。循环通讯意味着不停地进行数据交换，除了循环通信，c c l i n k 还提供主站、 本地站及智能设备站之间瞬时传送信息的功能，瞬时传送虽然需要由专用指令 来完成但是不会影响循环通信的时间1 7 j 。 1 1 3 三菱工业控制网络技术简介 三菱公司提供了层次清晰的q 模式网络，即信息层的以太网、控制层过程 控制网、现场层的c c l i n k 开放式现场总线，三菱公司的网络系统结构，如图 1 1 所示。c c l i n k 网络主要是应用在现场层，主要负责连接现场层的变频器、 伺服放大器、传感器和f x 系列p l c 等。m l e s e c n e t h 令牌网应用在控制层， 主要连接q 系列的p l c ，其中q 系列p l c 又通过c c l i n k 网络连接现场层的 设备。以太网一般应用在信息层，个人计算机通过以太网可以对控制层的q 系 列p l c 和现场层的各种设备进行远程控制和监控管理。 q 模式网络提供的三层网络让人感觉不到网络种类差异，信息层的个人计 算机通过以太网可以对控制层p l c 的程序进行修改，也可以快速的对现场层的 各种设备进行控制和状态的监控。另外三菱公司还提供了各种网络模块如r s 2 3 2 模块、r s 4 8 5 模块、r s 4 2 2 模块等构成其它形式的现场层网络。 当用q 模式网络来构建系统时，需要进行整个系统的组态。q 模式网络的 组态非常方便、简单。只需要在g xd e v e l o p e r 软件界面上设置网络连接所需的 参数及各种功能就能完成组态，而不需要再编写与网络设置有关的程序。另外， 对于r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 串行通信模块，备有专用软件来进行功能设置和通信参数 设置。 武汉理工大学硕士学位论文 工厂局域网 q 系列p l c q 系列p l c l 过程控制网 ) q 系列p l cq 系列p l c q 系列p l c i c c l i n k 网 i 变频器伺服放大器 f x系列传感器 i 图1 - 1 三菱公司的网络系统结构图 1 2 相关技术发展 控制层 现场层 目前，p l c 控制系统包含有更加丰富的内容，如增加上位机监控整个系统； 连接工业以太网构建多层网络等。应用组态监控软件为用户提供了直观的界面， 使用户对现场有更好的理解，能更有效的控制整个系统。同时软件的应用有效 缩短了上位机监控画面的复杂设计过程。但是，也需要引进更先进的软件设计 理念技术，使得未来的系统应用起来更加方便。p l c 控制系统提供接口连入工 业以太网形成了更为复杂的工业控制系统，以p l c 系统为基础的新一代控制系 统将拥有底层设备，中层的p l c 控制单元、现场总线、上位机监控，上层工业 以太网、内部局域网或管理层网络、因特网等。 微型化、网络化、p c 化和开放性是p l c 未来发展的主要方向。在基于p l c 自动化的早期，p l c 体积大而且价格昂贵。但在最近几年，微型p l c 已经出现， 而且价格便宜。p l c 作为过程控制领域的主力军，同样以面向e t h e m e t 技术的扩 展为最大的发展趋势之一。现在越来越多的p l c 供应商开始提供e t h e m e t 接口。 可以相信，p l c 将继续向开放式控制系统方向转移，尤其是基于工业p c 的控制 4 武汉理工大学硕士学位论文 系统 8 1 。 1 3 本论文研究的意义和主要内容 1 3 1 本论文研究的意义 一般来说自动化网络分为三层：应用层、控制层和现场层。而现场总线网 络直接把现场的工业设备连接起来，需要完成生产过程中大量数据的高速采集、 处理和传输，现场层控制系统的好坏直接关系到生产效率的高低、系统成本的 多少、产品质量的好坏。因此现场总线网络在工业自动化网络中显得尤为重要。 任何一个大型的控制系统都不可避免的要用到现场总线，而现场总线的种 类众多，性能也各不一样。在众多的现场总线中选择一个经济、适用的总线就 显得相当重要。三菱公司的c c l i n k 现场总线具有便于组建价格低廉的简易控 制网、便于组建低廉的冗余网络、适用于一些控制点分散，安装范围狭窄的现 场、适用于直接连接各种现场设备等优点。因此研究c c l i n k 现场总线在现场 层控制系统中的应用有很大的实用价值。 基于此，我们在研究了c c l i n k 现场总线通信原理的基础上，以汽车面漆 生产线风机变频控制系统为例，重点研究了基于c c l i n k 现场总线的p l c 控制 系统的硬件设计、软件设计，监控画面设计和系统的抗干扰设计和系统的调试。 1 3 2 本论文研究的主要内容 研究c c l i n k 现场总线的通讯原理、基本通信结构以及q 系列p l c 的 c c l i n k 系统构成。 研究q 系列p l c 的软硬件应用以及触摸屏编程软件g t - d e s i g n e r 软件的应 用。 以汽车面漆生产线风机变频控制系统为实例，研究最终系统的整合，搭建 了一个具有一定开放性的现场级控制系统。全文着重论述了p l c 控制系统的原 理设计、系统硬件配置、系统软件设计( 包括p l c 程序设计和入机界面监控程 序设计) 、系统的抗干扰设计和系统的调试过程。 通过学习各种资料，分析c c l i n k 现场总线的通信协议；分析q 系列p l c 与c c l i n k 现场总线搭建网络的模式；、分析面漆生产线风机控制系统的控制过 程，完成p l c 控制系统的设计。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章汽车涂装车间风机变频系统原理设计 2 1 汽车涂装车间风机变频系统介绍 汽车涂装车间包含两条面漆生产线和一条中涂生产线，在此车间进行的主 要工作是给汽车车身涂漆，由于工艺的要求，整个车间基本上都是密封的，而 且涂漆的过程中会产生很多有害的气体，故每条生产线都配有风机来促进空气 的流通，给工人提供一个安全的工作环境。这些风机一般都是由大功率的异步 电机来驱动，在变频技术还没有广泛应用之前，汽车涂装车间大功率的异步电 机一般是通过降压来启动，这种启动方式对电网有很大的冲击，而且对电机的 损耗比较大；风机风量的调节主要是通过调节风门的开度来实现，这种方式调 节风量达不到节能效果；风机一般分布的比较散，如果不采用现场总线通信技 术，则需要在现场设立多个电气控制柜，导致成本增加。所以这些风机的变频 改造和集中管理、监控就显得相当重要。汽车涂装车间风机变频控制系统的总 体结构图如图2 1 所示。 i 中央监控皇 i e 图2 1 风机变频控制系统总体结构图 整个风机变频控制系统由三层网络构成。面漆1 p l c 、面漆2 p l c 和中涂p l c 通过c c l i n k 网络模块和生产线上的风机组构成c c l i n k 网络，中央p l c 通 6 武汉理工大学硕士学位论文 过m l e s e c n e t h 网络模块和面漆i p l c 、面漆2 p l c 和中涂p l c 构成 m l e s e c n e t h 网络，中央p l c 通过以太网模块和中央监控室的电脑连接。现 场层的p l c ( 面漆1 p l c 、面漆2 p l c 和中涂p l c ) 通过c c l i n k 现场总线读 取生产线上各风机的运行状态，现场层的p l c 通过m l e s e c n e t h 网络将数据 传递给中央p l c ，中央p l c 再将数据通过以太网传递给中央监控室。现场层都 设有人机界面便于修改工艺参数，现场工人可以在现场的电气控制柜上操作风 机；也可以在现场的人机界面上和中央监控室的上位机上通过网络操作风机和 监控风机状态。 面漆生产线主要包括两个部分：面漆区和罩光漆区。实际中罩光漆区配有2 台罩光漆区排风机、1 台罩光漆区送风机，面漆区配有2 台面漆区送风机、3 台 面漆区排风机，此外还有面漆区准备室排风机。面漆生产线风机变频控制系统 的总体构成如图2 2 所示。 图2 2 面漆生产线变频控制系统的总体构成 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 系统的电气原理 整个系统采用p l c 作为控制核心，用c c l i n k 现场总线构建现场层网络， 并采用人机界面监控。由于在现场风机比较分散，故在现场设置了四个电气控 制柜，分别为面漆区送风机电气柜、面漆区排风机电气柜、罩光漆区排风机电 气柜、罩光漆区送风机电气柜。其中面漆区送风机电气柜用来控制面漆区2 台 送风机；面漆区排风机电气柜用来控制面漆区3 台排风机和面漆区准备室排风 机；罩光漆区排风机电气柜用来控制2 台罩光漆区排风机；罩光漆区送风机电 气柜用来控制罩光漆区送风机。除了可以在人机界面上远程操作和监控风机外， 还要求能在现场的电气柜上操作风机。 由于汽车车间里面的风机基本上是不允许随便切断电源，每个风机设有三 种工作模式：正常工作模式、午休模式、清扫模式。正常工作模式用于正常生 产时，在中午午休的时候风机采用午休模式运行，当要清扫工厂的时候风机采 取清扫模式运行。其中午休模式和清扫模式时风机运行在低频率下达到节能的 目的。每个电气柜上面设有启动和停止按钮来控制2 4 伏信号回路和风机主回路 的通断。触摸屏上能够设置风机的运行频率和工作模式，能启停各风机，显示 风机的运行状态，提示出错报警。 本系统中风机的风量调节采用变频调速来实现，触摸屏上面设置的风机运 行频率通过c c l i n k 现场总线写入给变频器，变频器的运行状态也通过 c c l i n k 现场总线读到触摸屏上。图2 3 为本系统中驱动风机变频器的接线图。 图中l 1 ，l 2 ，l 3 为三相3 8 0 v ，5 0 h z 的交流电源，q f l 空气断路器，b l f l 为噪声 滤波器。f r - f 7 4 0 sk - c h l 系列的变频器是三菱公司专门用于驱动风机类负载的 变频器。为了防止c c l i n k 通信过程中出现故障而无法运行风机，给生产带来 不便，风机的控制我们采取网络控制和外部继电器控制相结合的方式。网络控 制的原理是：p l c 通过控制接触器k m l 的通断来为变频器的主回路提供3 8 0 v 的电源，当按下风机启动按钮和控制电源o n 按钮后，p l c 通过网络将变频器 的正转信号置o n ，变频器开始运行，同时变频器的运行状态( 包括运行反馈、超 负荷反馈、故障反馈) 和运行参数( 包括运行频率和运行电流) 通过网络反馈给 p l c 。变频器远程输入和输出的详细信号见表2 1 所示。 8 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1 变频器远程输入和输出信号 r y o 正转命令 r x o 正转中 r y l 反转命令 r x l 反转中 r y 2 高速运行指令 r x 2 运行中( 端子r u n 功能) r y 3 中速运行指令 r x 3 频率到达( 端子s u 功能) r y 4低速运行指令 r x 4 过负荷报警( 端子o l 功能) 1 w 5 点动指令 r x 5 瞬时停电 r y 6 第二功能选择 r x 6 频率检测 r y 7 电流输入选择 r x 7 异常 r y 8 瞬时停电再启动选择 r x 8 r y 9 输出停止 r x 9 r 蹦 启动信号自保持选择 r x a r y b 复位 r x b r y c 监控器指令 r x c 监控中 r y d 频率设定指令转矩指令( r a m ) r x d频率设定完成转矩指令设定完成 ( r a m ) r 频率设定指令转矩指令i e 频率设定完成转矩指令设定完成 ( e p p r o m ) ( e p p r o m ) r y f 命令代码执行请求 r x f 命令代码执行完成 r y l a异常复位请求标志r x l a异常状态标志 r x l b远程站就绪 外部继电器控制方式的原理为：整个控制系统所用到的中间继电器为自保 持型中间继电器，如图2 3 所示，当网络出现故障时，通过手动方式使中间继电 器触点闭合，则接触器k m l 闭合，当k a l 闭合时则变频器正转，k a 5 闭合时 变频器故障复位，k a 2 、k a 3 、k a 4 触点的组合开闭对应变频器8 中不同的运 行速度，比如说k a 2 、k a 3 断开，k a 4 闭合则对应第一种速度，依次类推，当 k a 2 、k a 3 、k a 4 都闭合时对应第8 种速度，具体每种速度的大小在变频器中 通过参数预置。通过将变频器的信号端子c 1 ，s e 与p l c 的输入c o m 端短接， r u n ，a 1 ，o l 接入到p l c 的输入端就可以监控到变频器运行时出现的正在运行信 号、故障信号、超负荷信号。 9 武汉理工大学硕士学位论文 鬻j q f i 惮i a 1c 1 l ll 2l 3r 1 s 1r u ns eo l i p 一1 p + 婪) 【主肛骂笋一w - c 瞰r 癸s d 姒 一爿爿融5 2 3 控制器的选型 2 3 1p l c 的选型 图2 3 变频器的接线图 选择p l c 时一般要考虑以下几个方面的内容：生产厂商、输入输出点数、 机型、p l c 存储器容量、功能模块的选择。目前在中国以西门子和三菱的p l c 应用的比较广泛，其中三菱的产品有很高的性价比；输入输出点数的确定应以 控制设备所需要的所有输入输出点数的总和为依据。在一般情况下，p l c 的输 入输出点应该有适当的余量；一般的大型控制系统都是采用模块式的p l c ，相 对整体式的p l c 而言，它的配置比较灵活，方便随时扩展功能模块，这样系统 升级很容易；功能模块选择的时候要考虑接口的信号类型，比如是需要o 1 0 v 的电压信号呢，还是需要4 2 0 m a 的电流信号。 本控制系统，由于采用的是c c l i n k 现场总线，而且整个系统的输入输出 点众多，所以选择模块式的支持总线通信的p l c 。根据这样的情况选择三菱公 司的q 系列p l c 。 2 3 2q 系列p l c 提供的功能 q 系列p l c 能够提供以下功能。 高速处理一q 系列p l c 使用l d 指令时可以达到0 0 3 4 u s 。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 浮点运算可以有效地实现复杂的算术运算，方便用户的参数赋值。 人机界面方便的人机界面服务集成在q 系列p l c 操作系统内。人机对话 要求大大减少。三菱人机界面与q 系列p l c 之间的数据传输过程是自动的，不 需要任何编程。 ， 调试功能通过安装软件g x s i m u l a t o r 之后可以不去现场，模拟现场的情 况，从而检查程序的逻辑性是否正确。 知识保护可以设置多级口令使用户高度，有效地保护其技术机密，防止 未经允许的复制和修改。 p l c 诊断p l c 在实际运行的时候可以检查各个功能模块的运行状态，以 及各个模块出现的错误报警等等9 1 。 除此之外，q 系列p l c 还提供多种不同的通讯方式和接口，主要有工业以 太网：工厂级或更广区域联网国际标准；c c - l i n k ：现场级和车间级应用国际标 准；r s 2 3 2 ：用于和上位机的人机界面之间通信；u s b ：用于快速下载上载程序， 监视，仿真程序；r s 4 2 2 ：用于下载上载程序，监视，仿真程序；r s 4 8 5 ：用于 p l c 和其它设备的通信( 例如变频器) 。 2 3 3 系统结构 q 系列p l c 是三菱公司生产的高档可编程控制器，它不但功能强、应用性 好、性价比高、速度快，而且采用紧凑的模块化结构。它的主要组成部分有电 源模块、中央处理单元模块、主基板单元、i o 模块、智能模块、存储卡、电池 等。其中电源模块是用来为系统供电；i o 模块是指数字量和模拟量的输输出； 智能模块指各种功能模块例如高速计数模块、定位控制模块和其它一些网络控 制的模块等。一般来说在基板上由左至右依次安装电源模块，c p u 模块，输入 输出i o 模块和各种功能模块。 电源模块q 6 1 p a 2 是专门为q 系列p l c 供电的2 2 0 v 电源。除此之外还有 11 0 v 电源模块q 6 1 p a 1 和2 4 v 电源模块q 6 3 p 。 中央处理器中包括有q o o q o o j q 0 1 c p u 和q 0 2 h q 0 6 h q 1 2 q 2 5 h c p u 。其 中q o o q 0 0 j q 0 1 c p u 为基本型处理器，而q 0 2 h q 0 6 h q 1 2 q 2 5 h c p u 是高性能 的处理器。 q 系列p l c 有多种数字量i o 模块包括数字量输入模块、数字输出模块、 数字量混合i o 模块。功能模块用于专门用途的场合，例如c c l i n k 网络模块 武汉理工大学硕士学位论文 q j 6 1 b t l l ，它是c c l i n k 网络中的主站模块。此外还有定位模块q d 7 5 模块、 串行通信模块q j 7 1 c 2 4 一r 2 和高速计数模块q d 6 2 等等。 整个硬件配置必须包括电源模块，c p u 模块，其它的可根据控制系统的大 小和控制需要配置各种功能模块和输入输出i o 模块。 2 4 系统p l c 控制原理设计 2 4 1 主电气控制柜的原理设计 主电气控制柜的控制系统有1 3 个输入点和1 6 个输出点，配置2 个1 6 点的 q x 4 0d c 输入模块和2 个1 6 点的q y i o p 的输出模块。外部开关电源的2 4 v + 端与q x 4 0 模块的c o m 端相连，2 4 v - 端与按钮或开关触点串联后接到模块的输 入端形成电流回路。详细见图2 - 4 主电气控制柜的输入原理图。 控舒 ! 鉴墨甓墨器送麓摸屏控制电1 掀羞风t 雠1 i t , 1 送风2 送风2 绣风 蓊零耋嚣册哿备用备用鲁用醺。西i 茹磊篙机停止薪菇箭嚣鬣驻 蜊警阿i 弋；i 1 s 州翟种1 鼍 c o mx o ox o x 0 2x x o x 0 5x 0 6x 0 7 x 0 8 x x x 0 8 x o cx o dix o ex o f q x 4 0 图2 - 4 主电气控制柜输入原理图 输出元件主要是一些电磁阀、中间继电器和指示灯，输出元件均采用外部 2 4 v 直流电源供电。详细见图2 5 主电气控制柜的输出原理图。 盯1 0 p 0 0 y y 0 1y 他y y 0 4y 0 5y t 0 7y y y a y o by o cy o oy o ey 呼 二 是r + 占曲“i 卷私肆巍串肆斗肆n 牛料n 牛讲 图2 5 主电气控制柜输出原理图 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 2 面漆区排风机柜原理设计 面漆区排风机电气柜内要控制面漆区和准备室的排风机，共有输入点1 6 个 和输出点5 个，配置了2 个1 6 点输入的远程i o 模块a j 6 5 s b t b l 1 6 d 和2 个 1 6 点输出的远程i o 模块a j 6 5 s b t b 2 1 6 r 。外部开关电源的2 4 v + 端与 a j 6 5 s b t b l 1 6 d 模块的c o m 端相连，2 4 v - 端与按钮或开关触点串联后接到模 块的输入端形成电流回路。详细见图2 - 6 面漆区排风机电气柜输入原理图。 黧黧嚣嚣麓菠菇荔葶麓孺銎箍嚣麓毒端潞嚣孺罡 ：鬟翟阿。带阿2 1 _ 叩翟f 1 1 1q 罂- c 饵瑚如1磁瑚x 0 4i 如5x 0 6i t o 瑚瑚枷舯b舶c瑚ix 饨如p j 黜m 卜l 图2 - 6 面漆区排风机柜输入原理图 输出元件主要是中间继电器和指示灯，输出元件均采用外部2 4 v 直流电源 供电。详细见图2 7 面漆区排风机柜输出原理图。 图2 7 面漆区排风柜输出原理图 2 4 3 罩光漆区排风机柜原理设计 罩光漆区排风机柜控制罩光漆区的2 台排风机，共有1 0 个输入点和3 个输 出点，配置了1 个1 6 点的远程i o 模块a j 6 5 s b t b l 1 6 d 和1 个1 6 点输出的远 程i o 模块a j 6 5 s b t b 2 1 6 r 。外部开关电源的2 4 v + 端与a j 6 5 s b t b l 1 6 d 模块 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 的c o m 端相连，2 4 v - 端与按钮或开关触点串联后接到模块的输入端形成电流回 路。详细见图2 8 罩光漆排风柜输入原理图。 罄麓箍嚣麓麓蓬辫秭荔孺罡箍盆鲁用鲁用钥鲁用 封翟一瑚悄嘤阿2 1 弋弋罂； ；i o 瞳 瑚x o l册2x 0 3x 0 4x 0 5x 如7i x mx x o cx 舶e舶p j 6 5 踞僵卜1 印 图2 8 罩光漆排风柜输入原理图 输出元件主要是电磁阀、中间继电器和指示灯，输出元件均采用外部2 4 v 直流电源供电。详细见图2 - 9 罩光漆排风柜输出原理图。 ，6 弱踟1 i 砑卜1 6 r 嘲nc 帅 y t o ly 0 2y 0 3t 0 4y 0 5y 0 6y 0 7t 0 8y y o t o by o cy y 吧y o f m寸耕牛： 图2 - 9 罩光漆排风柜输出原理图 2 4 4 罩光漆区送风机电气柜原理设计 罩光漆区送风机柜控制罩漆区的送风机，共有1 1 个输入点和6 个输出点， 配置了1 个1 6 点的远程i o 模块a j 6 5 s b t b l 1 6 d 和1 个1 6 点输出的远程i o 模块a j 6 5 s b t b 2 1 6 r 。外部开关电源的2 4 v + 端与a j 6 5 s b t b l 1 6 d 模块的c o m 端相连，2 4 v - 端与按钮或开关触点串联后接到模块的输入端形成电流回路。详细 见图2 。1 0 罩光漆送风柜输入原理图。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 ：野翟斟瑚、 唑h 烈1 n 1 ；i ；ii c 嗤x 如lx 0 2x 0 3枞舶5瑚x 盯瑚1 0 9mx o b舶cx x 北x o f m 6 s s 8 1 b z 一1 6 1 ) 图2 1 0 罩光漆送风柜输入原理图 输出元件主要是电磁阀、中间继电器和指示灯，输出元件均采用外部2 4 v 直流电源供电。详细见图2 1 1 罩光漆送风柜输出原理图。 图2 1 1 罩光漆送风柜输出原理图 2 5 风机的节能分析 2 5 1 系统中变频器的选型 变频器的容量应该与其驱动的电机容量相匹配，另外变频器的选择要依据 负载特性、操作方法等情况来决定。变频器驱动的电机，其v f 控制的输出扭 矩，在低频区时要比工频驱动电机的扭矩小，为了防止意外事故的发生( 例如 电机不能启动) ，系统设计时应该注意通用变频器的容量不小于异步电动机的容 量，根据电机的容量进行变频器容量选择时，首先要满足电机电流不大于变频 器的额定电流。当仅驱动1 个电机时，要满足公式2 1 。 l i m 。x 1 1 ( 2 1 ) 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 其中i n 为变频器的额定输出电流，i r o n 为电机额定电流。 风机是二次方律负载，一般不容易发生过载，其负载的阻转矩与转速的平 方成正比，当工作频率高于额定频率时，负载的阻转矩大大超过额定转矩，使 电动机过载。二次方律负载变频调速后的主要问题是如何得到最佳节能效果。 由于整个变频控制系统的控制器和现场总线都是选用三菱公司的产品，为 了缩短系统的开发周期，选择三菱公司的f r - f 7 4 0 系列风机专用变频器来驱动 风机。f r f 7 4 0 系列风机专用变频器的型号为f r - f 7 4 0 a c h t l ，其中a 表示的 是变频器的容量。它具有简易磁通矢量控制方式，实现3 h z 时输出转矩达1 2 0 ； 采用最佳励磁控制方式，能实现更高节能运行；带有节能监控功能，节能效果 一目了然；内置p i d ，变频器工频切换和可以实现多泵循环运行功能；内置独 立的r s 4 8 5 通讯口等特点。汽车面漆生产线风机的额定参数和驱动风机的变频 器的型号如表2 2 所示。 表2 2 风机额定参数和变频器型号 风机名称额定功率 额定电流额定电压 极数变频器型号 面漆区l 撑送风机9 0 k w 1 8 0 a3 8 0 v4 pf r - f 7 4 0 9 0 k c h t l 面漆区2 撑送风机9 0 k w 1 8 0 a3 8 0 v4 pf r f 7 4 0 9 0 k c h t l 罩光漆区送风机1 3 2 k w 2 6 4 a 3 8 0 v4 pf r f 7 4 0 13 2 k - c h tl 面漆区l 群排风机7 5 k w 1 5 0 a3 8 0 v4 pf r - f 7 4 0 7 5 k c h tl 面漆区2 拌排风机7 5 k w 1 5 0 a3 8 0 v4 pf r f 7 4 0 7 5 k c h t1 面漆区3 撑排风机 7 5 k w1 5 0 a3 8 0 v4 pf r f 7 4 0 7 5 k c h tl 准备室排风机 1 8 5 k w3 7 a3 8 0 v4 pf r f 7 4 0 一1 8 5 k c h t l 罩光漆区1 群排风机7 5 k w 1 5 0 a3 8 0 v4 pf r - f 7 4 0 7 5 k c h tl 罩光漆区2 撑排风机 7 5 k w1 5 0 a3 8 0 v4 pf r - f 7 4 0 7 5 k c h t l 2 5 2 变频技术在风机上的节能原理 异步电动机的电机转速不仅和负载扭矩有关，而且和电机的