毕业设计（论文）-基于PLC和组态软件的闭环调速系统的设计.doc

目 录1 前言11.1 研究背景11.2 课题研究概述22 系统的整体结构、功能42.1 组态软件技术42.1.1 组态软件的发展42.1.2 组态软件的构成42.1.3 组态软件的功能和特点52.2 plc选型52.2. 1 plc的发展62.2.2 plc的组成及各部分作用62.2.3 plc的工作原理72.2.4 plc的选型92.3 变频器调速原理92.3.1 变频器的基本结构102.3.2 变频调速的基本原理102.3.3 变频调速的优点122.4 光电编码器132.4.1 光电编码器的简单认识132.4.2光电编码器的测量方法142.4.2 增量式光电编码器结构及其原理153 系统的调试173.1 mcgs的设计及与plc的调试173.1.1 组态过程183.1.2 元件设置183.1.3 mcgs与plc连接213.2 vfo变频器233.2.1 vfo变频器与电动机连接243.2.2 变频器与plc接线263.3 编码器284 综合调试315 结束语33附 录34参考文献36致 谢38 第ii页 共ii页1 前言1.1 研究背景随着科学技术的发展，现代工业的生产规模不断扩大，自动化程度越来越高，人们逐渐意识到原有的设备已经不能满足现代化生产的要求，于是各式各样的新型软硬件孕育而生，plc和组态软件就是其中的佼佼者。plc具有模块化的接口，体积小，使用方便灵活，与计算机接口方便等优点。1而组态软件是一种新型的开发软件，利用其提供的工具，通过简单形象的组态工作，就可完成我们所需的监控软件。2因电机的种类的不同，我们可以分为直流电动机传动和交流电动机传动。自19世纪80年代起至19世纪末，工业上传动用的电动机一直被直流电机垄断，到了19世纪末，出现了三相电源和结构简单且坚固耐用的交流鼠笼型电机以后，交流电机才在不调速的领域代替了直流电动机传动装置。3随着生产的不断发展，速度可调节成了电动装置的一项基本要求，并且，除了满足一定的调速范围和连续可调的同时，还必须具有持续的稳定性和良好的瞬态性能。4从50年代起，国外开始重视交流电机调速。随着电力电子学与电子技术的发展，使得采用半导体变流调速系统得以实现，尤其是70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，为交流电机拖动系统的发展创造了有利条件，促进了各种类型的交流电机调速系统，如串级调速系统、变频调速系统、无换相器电动机调速系统以及大量控制调速系统等的飞速发展。5组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的。20世纪70年代初，微处理器的出现，促进了计算机控制技术走向成熟。6很多从事工业控制仪表和计算机的公司推出了新型控制系统，其中具有代表性的是美国honeywdl公司于1975年推出的世界上第一套dcs，即tdc-2000。在随后的20年中，dcs及其计算机控制技术日趋成熟，并得到了广泛应用，市场发展迅速。7但当时的dcs软件是专用和封闭的，且成本居高不下。80年代后期，随着个人计算机的普及和开放系统概念的推广，基于个人计算机的监控系统开始进入市场，为组态软件提供了发展空间。目前自动化产品呈现出智能化、小型化、网络化、pc化的发展趋势，并逐渐形成了各种标准的网络结构、硬件规范。组态软件在自动化系统的“水平”和“垂直”集成中起着桥梁和纽带的作用，已成为自动化系统中的重要组成部分。plc是一种取代继电器盘的新的控制装置，在保留了继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代化生产线所要求的时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多高品质与功能。8plc在各个工业部门如汽车制造、食品、金属和制造得到广泛应用。由于大规模集成电路的出现，使8位微处理器和位片处理器相继问世，使可编程控制技术产牛了飞跃。在逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算。闭环控制，提高了运算速度，扩大了输入输出规模。由于超大规模集成电路的出现，使plc向大规模、高速性能方向发展，形成了多种系列化产品。9这时面向工程技术人员的编程语言发展成熟，出现了工艺人员使用的图形语言。变频调速系统具有高效率、宽范围和高精度等特点，是运用最广、最有发展前途的调速方式。交流电机变频调速系统的种类很多，从50年代提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型、脉宽调制型等各种变频器。10目前变频调速的主要方案有：交交变频调速，交一直一交变频调速，同步电动机自控式变频调速系统，正弦波脉宽调制，矢量控制、直接转矩控制变频调速等，而且无速度传感技术日益成熟，许多智能技术逐步渗透到其中，如模糊控制、专家系统、神经网络、自适应控制等，与这些控制方式相结合，大大提高了变频器调速系统的控制效果。变频器调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平以及电力电了技术的发展水平。随着第三代电力半导体器件如f-j极可关断晶闸管gto、绝缘栅双极晶体管igbt的相继出现，交流变频调速技术得到了飞速发展。11日、美、德、英等国家在结合现代微处理器控制技术、电力电子技术、电机传动技术的基础上，相继推出了一系列的变频器，且不断进行更新换代。这些高精度、多功能、智能化的变频器将调速效率和精度提高到了前所未有的水平。1.2 课题研究概述本文研究了无级调速技术在三相异步电动机中的控制结构，结合组态软件和plc技术，实现了对三相异步电动机的变频调速和闭环控制系统。电气无级调速是以电磁流为介质的一种调速方式，该种变速方式以电机调速为主体，主要分为直流调速和交流调速。直流调速主要是通过改变电枢的外串电阻、电枢电压或改变磁通量实现调速。 其特点是调速范围大，精度也较高，在过去，直流调速一直作为通过调节电机速度实现无级调速的唯一手段，广泛应用于机械传动领域，直流调速系统具有良好的静态和动态驱动特性，其调速范围宽，力矩特性较硬。12但其设备结构复杂，使用成本高，维护和维修困难，不宜用于大功率场合，仅限于中小功率范围，故现已逐步被交流调速所替代。交流调速主要是通过变极、调压和变频来进行调速的。 根据其调速原理有电磁滑差离合器调速、调压调速、串级调速、变频调速、换向器电动机、无换向器电动机调速等。实际应用最多的为变频调速，即由功率半导体器件为主组成的变频器得到变频电源，向交流电动机供电，实现变频调速。13其特点是调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好；调速范围较大，精度高；起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显；变频器体积小，便于安装、调试、维修简便； 易于实现过程自动化；在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。plc是构成mcgs的基础，是现代工业自动化的3大支柱之一。变频器术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电力电子技术、微电子技术和计算机技术的基础上。增量式光电编码器是码盘随位置的变化输出一系列的脉冲信号，然后根据位置变化的方向用计数器对脉冲进行加/减计数，以此达到位置检测的目的，它是由光源、透镜、主光栅码盘、鉴向盘、光敏元件和电子线路组成。通过plc控制变频器改变异步电动机转速，是自动控制中一种典型的应用，它有数字量和模拟量2种控制方式，这里只用plc控制数字变频器，从而实现改变异步电动机转速的目的。14由于plc的功能强大、容易使用、可靠性高，常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制；组态软件技术作为用户可定制功能的软件平台工具，可以在pc机上开发出友好人机界面，实时显示电机转速；通过plc可以对自动化设备进行智能控制。所以拟采用组态软件技术、plc技术、变频调速技术、增量式光电编码器来实现系统设计要求。2 系统的整体结构、功能2.1 组态软件技术2.1.1 组态软件的发展组态的概念最早来自英文configuration，含义是使用软件工具对计算机及其软件的各种资源进行配置，达到使计算机和软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者要求的目的。组态软件是面向监控和数据采集(supervisory control and data acquistion，scada)的软件平台工具。15具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。组态软件最早出现时，hmi(human machine interface)或mml(man machine interface)是其主要内涵，即主要解决人机界面的问题。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、scada、通信及联网、开放数据接口、对io设备的广泛支持已经成为它的主要内容。16随着时代的发展，组态软件将不断的被赋予新的内容。2.1.2 组态软件的构成1.以使用软件的工作阶段划分：从总体上讲，组态软件是由系统开发环境和系统运行环境两大部分构成。系统开发环境：它是自动化工程设计工程师为实施其控制方案，在组态软件的支持下进行应用程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境。通过建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用系统，供系统运行环境运行时使用。系统开发环境：由若干个组态程序组成，如图形界面组态程序，数据库组态程序等。系统运行环境在系统运行环境中，由系统开发环境下生成的各种应用程序无论是图形或者数据库，可以结合现场的数据实时地运行，同时各种关联关系也可以得到体现。系统运行环境由若干个运行程序组成，如图形界面运行程序和实时数据库运行程序等。17自动化工程设计师最先接触的一定是系统开发环境，通过一定工作量的系统组态和调试，最终将目标应用程序在系统运行环境投入实时运行，完成一个工程项目。2.按照成员构成划分：组态软件因为功能强大，而每个功能相对来说又具有一定的独立性，因此其组成形式是一个集成软件平台，由若干程序组件构成。组态软件必备的典型组件包括以下部分：应用程序篱理器、图形界面开发程序、图形界面运行程序、实时数据库系统组态程序、实时数据库系统运行程序、io驱动程序。18组态软件扩展可选组件包括：通用数据库接vi(odbc接口)组态程序；通用数据库接el组件用来完成组态软件的实时数据库与通用数据库(如oracle、sybase、foxpro、db2、sql server等) 。通用数据库接ei(odbc接口)运行程序。策略(控制方案)编辑组态程序；它是以pc为中心的实现低成本监控的核心软件，具有很强的逻辑、算术运算能力和丰富的控制算法。为使用者提供标准的编程环境，共有四种编程方式：梯形图、结构化编程语言、指令助记符、功能化模块。策略运行程序。实用通信程序组件。极大的增强了组态软件的功能，可以实现与第三方程序的数据交换。实用通信组件可以使用以太网、rs485，pstn等多种通信介质和网络来实现数据的远程访问和传输。2.1.3 组态软件的功能和特点1.组态软件具有以下功能：与采集、控制设备之间的进行数据交换；使来自设备的数据与计算机图形界面上的各元素关联起来；处理数据报替和系统报替；存储历史数据并支持历史数据的查询；各类报表的生产和打印输出；为使用者提供灵活、灵活的组态工具，可以适应不同应用领域的需求；最终输出的应用系统运行稳定可靠；具有与第三方程序的接口，方便数据共享。2.组态软件的特点：实时多任务是最大特点。例如数据采集与输出、数据处理与算法实现、图形显示及人机对话、实时数据的存储、检索管理、实时通信等多个任务要在同一台计算机上同时运行。程序设计人员在组态软件中只需要填写一些事先设计的表格，再利用图形功能把被控对象(如温度计、电动机、趋势曲线、报表)形象的画出来，通过内部数据连接把被控对象的属性与io设备的实时数据进行逻辑连接。当由组态软件生成的应用系统投入运行后，与被控对象相连的io设备数据发生变化会直接带动被控对象的属性变化。192.2 plc选型2.2.1 plc的发展可编程程序控制器(programmable controller)是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种专为在工业环境下应用而设计的计算机控制系统。20它采用可编程序的存储器，能够执行逻辑控制、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作功能，并通过开关量、模拟量的输入和输出完成各种机械或生产过程的控制。它具有丰富的输入、输出接口，并且具有较强的驱动能力，其硬件需根据实际需要选配，软件则需根据控制要求进行设计。因为早期的可编程序控制器在功能上只能进行逻辑控制，称为plc (programmable logic controller)，即是可编程逻辑控制器。21随着计算机计数的发展，开始采用微处理器(microprocessor)作为可编程序控制器的中央处理单元，从而扩大了可编程序控制器的功能，现在的可编程序控制器不仅可以进行逻辑控制，也可以对模拟量进行控制15。plc自问世以来，经过20年的发展，己经成为最受欢迎的工业控制类产品。它之所以高速发展，除了工业自动化的客观需求外，还有许多独特的优点。它较好的解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。2.2.2 plc的组成及各部分作用1.微处理器(cpu) 与通常计算机一样，cpu是plc的核心部件，在plc控制系统中的作用类似于人体的神经中枢，整个plc的工作过程都是在cpu的统一指挥和协调下进行的。它的主要功能有以下几点：程器输入的用户程序和数据，送入存储器存储；式接收输入设备的状态信号，并存入相应的数据区(输入映像寄存器)；断电源、plc内部电路工作状态和用户程序编程过程中的语法错误；执行用户程序，完成各种数据的运算、传递和存储等功能。22根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器表的内容，以实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。2.存储器plc配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。系统存储器存放系统程序，用户存储器用来存放用户编制的控制程序。cmos ram是一种可以进行读写操作的随机存储器，存放在其中的用户程序可方便地进行修改，它是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源，一旦失电，即可用锂电池供电，以保持ram中的内容。锂电池的使用寿命一般为510年，若经常带负载可维持25年左右。3.输入腧出(io)部件plc具有多种io模块，常见的有数字量io模块和模拟量io模块，以及快速响应模块、高速计数模块、通信接口模块、温度控制模块、中断控制模块、pid控制模块和位置控制模块等种类繁多、功能各异的专用fo模块和智能io模块。io模块的类型、品种与规格越多plc系统的灵活性越好；io模块的io容量越大，plc系统的适应性越强。234.电源部件plc配有开关式稳压电源的电源模块，用来将外部供电电源转换成供plc内部的cpu、存储器和io接口等电路工作所需的直流电源。plc的电源部件有很好的稳压措施，因此对外部电源的稳定性要求不高，一般允许外部电源电压的额定值在+lo-15的范围内波动。小型plc的电源往往和cpu单元合为一体，大中型plc都有专用电源部件。5.编程器编程器是plc的最重要的外围设备，也是plc不可缺少的一部分。它不仅可以写入用户程序，还可以对用户程序进行检查、修改和调试，以及在线监视plc的工作状态。它通过接口与cpu联系，完成人机对话。目前，很多plc都可利用微型计算机作为编程工具，只要配上相应的硬件接口和软件包，就可以用包括梯形图在内的多种编程语言进行编程。2.2.3 plc的工作原理plc靠执行用户程序来实现控制要求。在存储器中设置输入映像寄存器区和输出映像寄存器区(或统称io映像区)，分别存放执行程序之前的各输入状态和执行过程中各结果的状态。plc对用户程序的执行是以循环扫描方式进行的。扫描从第0号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增的方向顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序执行程序，直到程序结束，即完成一个扫描周期，然后再从头开始执行用户程序，并周而复始地重复。24由于cpu的运算处理速度很高，使得从外观上看，用户程序似乎是同时执行的。plc的扫描工作方式同传统的继电器控制系统明显不同。继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式；在执行过程中，如果一个继电器的线圈通电，那么该继电器的所有常开和常闭触点，无论处在控制线路的什么位置，都会立即动作；其常开触点闭合，常闭触点打开。而plc采用循环扫描控制程序的工作方式；在plc的工作过程中，如果某个软继电器的线圈接通，该线圈的所有常开和常闭接点，并不一定都会立即动作，只有cpu扫描到该接点时才会动作；其常开接点闭合，常闭接点打开。扫描工作过程：plc开始运行时，首先清除io映像区的内容，然后进行自诊断，自检cpu及io组件，确认正常后开始循环扫描。每个扫描过程分为三个阶段进行，即输入采样、程序执行、输出刷新。plc重复执行上述三个阶段，每重复一次的时间就是一个工作周期(或扫描周期)，1.输入采样阶段在输入采样阶段，plc以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态 (“o”或“l”，表现在接线端上是否承受外加电压)读入输入映像寄存器区。这个过程称为对输入信号的采样，或称输入刷新，接着转入程序执行阶段。在输入采样阶段结束后，即使输入信号状态发生改变，输入映像寄存器区中的状态也不会发牛改变。2.程序执行阶段在程序执行阶段，plc对程序按顺序进行扫描，又称程序处理阶段。如果程序用梯形图表示，则总是按先上后下、先左后右的顺序对由接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，刷新输出映像寄存器区或系统ram区对应位的状态。在程序执行阶段，只有输入映像寄存器区存放的输入采样值不会发生改变，其他各种元素在输出映像寄存器区或系统ram存储区内的状态和数据都有可能随着程序的执行随时发生改变。值得注意的是，在程序的执行过程中，排在上面的逻辑行被刷新后的逻辑线圈状态或数据，会对排在下面的凡是用到这些逻辑线圈的接点或数据的逻辑行起作用，而排在下面的逻辑行，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据，只有等到下一个扫描周期才可能会对排在上面的逻辑行起作用。其原因就是因为扫描是从上到下顺序进行的，前面执行的结果可能被后面的程序所用到，从而影响后面程序的执行结果；而后面扫描的结果却不可能改变前面的扫描结果，只有到了下一个扫描周期再次扫描前面程序的时候才有可能起作用。如果程序中两个操作相互用不到对方的操作结果，那么这两个操作的程序在整个用户程序中的相对位置是无关紧要的。3.输出刷新阶段当程序执行后，进入输出刷新阶段。此时，将输出映像寄存器区中所有输出继电器的状态转存到输出锁存电路，再通过输出端驱动用户输出设备(负载)，这就是plc的实际输出。2.2.4 plc的选型结合学校资源，我选择松下fp系列可编程控制器，它有以下特点：高速大容量；高速脉冲输出功能；内置2点模拟量旋钮；晶体管输出短路保护； pid温度控制功能。具体为： 小型但可实现高速高精度位置控制，标准配置了最大100khz的脉冲输出功能，并带有直线插补、圆弧插补型（afpg26系列）的产品；可自由选择的通信插件，体积小巧却能完成正规plc间的连接；具有有利于温度控制的指令和功能，并带热敏电阻输入控制单元；拥有可低成本实现高度加热器控制、带热敏电阻输入控制单元的产品并有内置2ch热敏电阻输入、带热敏电阻输入控制单元的产品，可低成本实现pid控制进行的加热器控制。252.3 变频器调速原理变频器是在保证电机原有性能的情况下，通过改变电机的供电频率和电压的方式，实现电机转速调节的现代电力电子设备4。它根据电机的不同负载分别实现节能、提高生产效率、提高产品质量、实现自动化、增加设备使用寿命并使设备小型化等用途，广泛应用在钢铁、轻工、化学、纤维、汽车、电机(机械)、机床、食品、造纸、水泥、矿业、煤气、交通、装卸搬运、工厂建筑、农业、生活服务、电力、试验研究、石油等领域。2.3.1 变频器的基本结构变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。它主要由两部分电路构成，一是主电路（整流模块、电解电容和逆变模块），二是控制电路（开关电源板、控制电路板）。26cpu就安装在控制电路板上，变频器的操作软件烧录在cpu上，同一型号的变频器软件是固定的，唯一例外的就是三晶变频器，软件可根据使用需求更改。变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。调制方式有pwm和pam, pwm是英文pulse width modulation(脉冲宽度调制)缩写，按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调值方式。 pam是英文pulse amplitude modulation (脉冲幅度调制)缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。2.3.2 变频调速的基本原理当在一台三相异步电动机的定予绕组上加上三相交流电压时，该电压将产生一个旋转磁场，其速度由定子电压的频率所决定。当磁场旋转时，位于该磁场中的转予绕组将切割磁力线，并在转子绕组中产生相应的感应电动势和感应电流，而此感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力，即转矩，使转子跟随旋转磁场旋转当将三相异步电动机绕组的任意两相进行交换时，所产生的旋转磁场的方向将发生改变。因此，电动机的转向也将发生改变。异步电动机定了磁场的转速被称为异步电动机的同步转速，其同步转速由电动机的磁极个数和电源频率所决定： (式2.1) 同步频率电源频率磁极对数异步电动机的转速总是小于其同步转速，异步电机的实际转速可由下式给出： (式2.2)式中： 电动机实际转速异步电动机的转差率由式(2.2)可知，改变参数f，s中的任意一个就可以改变电动机的转速，即对异步电动机进行调速控制。因此，可以通过改变该电源的频率来实现对异步电动机的调速控制。从某种意义上说，变频器就是一个可以任意改变频率的交流电源。在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通量m为额定值不变。磁通太弱，没有充分利用电机的磁心，是一种浪费；若要增大磁通，又会使磁通饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。对于直流电机来说，励磁系统是独立的，所以只要对电枢反应的补偿合适，保持m不变是很容易做到的。在交流异步电机种，磁通是定子和转子合成产生的。三相异步电机定子每相电动势的有效值是： (式2.3)式中：气隙磁通在定了每相中感应电动势有效值，单位为v；定子频率，单位为h：；定子每相绕组串联匝数；基波绕组系数；每极气隙磁通量，单位为呒；由公式可知，只要控制好和，便可以控制磁通不变。需要考虑基频 (额定频率)以下和基频以上两种情况：1.基频以下调速：即采用恒定的电动势。由上式可知，要保持不变，但频率从额定值n向下调节时，必须同时降低。然而绕组中的感应电动势是难以控制的，但电动势较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定了相电压ue，则得u1/f=常数。低频时，u1和eg都较小，定予阻抗压降所占的份量都比较显著，不能在忽略。这时，可以人为的把电压u1抬高一些，以便近似的补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性为b线，无补偿的为a线。2.基频以上调速在基频以上调速时，频率可以从1n往上增高，但电压u1磁通与频率成反比的降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得到异步电动机的变频调速控制特性。如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，则电动机都能在温升容许的条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。在基频以下，属于“恒转矩调速”的调速，而在基频以上，基本上属于“恒功率调速”。2.3.3 变频调速的优点1.变频调速的节能由于采用变频调速后，风机、泵类负载的节能效果最明显，节电率可达到2060，这是因为风机水泵的耗用功率与转速的三次方成比例，当用户需要的平均流量较小时，风机、水泵的转速较低，其节能效果也是十分可观的。而传统的挡板和法门进行流量调节时，耗用功率变化不大。由于这类负载很多，约占交流电动机总容量的2030，它们的节能就具有非常重要的意义。27对于一些在低速运行的恒转矩负载，如传送带等，变频调速也可节能。除此之外，原有调速方式耗能较大者(如绕线转子电动机等)，原有调速方式比较庞杂，效率较低者(如龙门刨床等)，采用了变频调速后，节能效果也很明显。2.变频调速在电动机运行方面的优势变频调速很容易实现电动机的正、反转。只需要改变变频器内部逆变管的开关顺序，即可实现输出换相，也不存在因换相不当而烧毁电动机的问题。变频调速系统起动大都是从低速开始，频率较低。加、减速时间可以任意设定，故加、减速时间比较平缓，起动电流较小，可以进行较高频率的起停。变频调速系统制动时，变频器可以利用自己的制动回路，将机械负载的能量消耗在制动电阻上，也可回馈给供电电网，但回馈给电网需增加专用附件，投资较大。27除此之外，变频器还具有直流制动功能，需要制动时，变频器给电动机加上一个直流电压，进行制动，则无需另加制动控制电路。3.以提高工艺水平和产品质量为目的的应用变频调速除了在风机、泵类负载上的应用以外，还可以广泛应用于传送、卷绕、起重、挤压、机床等各种机械设备控制领域。它可以提高奇特的产成品率，延长设备的正常工作周期和使用寿命，使操作和控制系统得以简化，有的甚至可以改变原有的工艺规范，从而提高了整个设备控制水平。变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制；容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。可以实现软肩动，减小冲击电流，解决大负载的启动问题。电源功率因数大，所需容量小，可以组成高性能的控制系统等。变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别(如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等)，并立即封锁输出电压这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。2.4 光电编码器2.4.1 光电编码器的简单认识光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器的工作原理是在圆盘上有规则地刻有透光和不透光的线条，在圆盘两侧，安放发光元件和光敏元件。当圆盘旋转时，光敏元件接收的光通量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经过整形后变为脉冲，码盘上有之相标志，每转一圈输出一个脉冲。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90 的两路脉冲信号。28根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。1.增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲a、b 和z 相；a、b 两组脉冲相位差90，从而可方便地判断出旋转方向，而z 相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。2.绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是：（1）可以直接读出角度坐标的绝对值；（2）没有累积误差；（3）电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10 位、14 位等多种。3.混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理 转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。2.4.2光电编码器的测量方法光电编码器在电机控制中可以用来测量电机转子的磁场位置和机械位置以及转子的磁场和机械位置的变化速度与变化方向。下面就光电编码器在这几方面的应用方法做一下介绍。使用光电编码器来测量电机的转速：可以利用定时器/计数器配合光电编码器的输出脉冲信号来测量电机的转速。具体的测速方法有m法、t法和m/t法3 种。m法又称之为测频法，其测速原理是在规定的检测时间tc内，对光电编码器输出的脉冲信号计数的测速方法。在实际的测量中，时间tc内的脉冲个数不一定正好是整数，而且存在最大半个脉冲的误差。如果要求测量的误差小于规定的范围，比如说是小于百分之一，那么m1就应该大于50。在一定的转速下要增大检测脉冲数m1以减小误差，可以增大检测时间tc单考虑到实际的应用检测时间很短，例如伺服系统中的测量速度用于反馈控制，一般应在0.01 秒以下。由此可见，减小测量误差的方法是采用高线数的光电编码器。m法测速适用于测量高转速，因为对于给定的光电编码器线数n机测量时间tc条件下，转速越高，计数脉冲m1越大，误差也就越小。t法也称之为测周法，该测速方法是在一个脉冲周期内对时钟信号脉冲进行计数的方法。为了减小误差，希望尽可能记录较多的脉冲数，因此t法测速适用于低速运行的场合。但转速太低，一个编码器输出脉冲的时间太长，时钟脉冲数会超过计数器最大计数值而产生溢出;另外，时间太长也会影响控制的快速性。与m法测速一样，选用线数较多的光电编码器可以提高对电机转速测量的快速性与精度。m/t法测速是将m法和t法两种方法结合在一起使用，在一定的时间范围内，同时对光电编码器输出的脉冲个数m1和m2进行计数，实际工作时，在固定的tc时间内对光电编码器的脉冲计数，在第一个光电编码器上升沿定时器开始定时，同时开始记录光电编码器和时钟脉冲数，定时器定时tc时间到，对光电编码器的脉冲停止计数，而在下一个光电编码器的上升沿到来时刻，时钟脉冲才停止记录。采用m/t法既具有m法测速的高速优点，又具有t法测速的低速的优点，能够覆盖较广的转速范围，测量的精度也较高，在电机的控制中有着十分广泛的应用。2.4.2 增量式光电编码器结构及其原理增量式光电编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成，码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期；检测光栅上刻有a、b 两组与码盘相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。它们的节距和码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开1/4 节距，使得光电检测器件输出的信号在相位上相差90电度角。当码盘随着被测转轴转动时，检测光栅不动，光线透过码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差90电度角的近似于正弦波的电信号，电信号经过转换电路的信号处理，可以得到被测轴的转角或速度信息。增量式光电编码器的优点是：原理构造简单、易于实现；机械平均寿命长，可达到几万小时以上；分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。其缺点是它无法直接读出转动轴的绝对位置信息。增量式光电编码器的工作原理，是由旋转轴转动带动在径向有均匀窄缝的主光栅码盘旋转，在主光栅码盘的上面有与其平行的鉴向盘，在鉴向盘上有两条彼此错开90相位的窄缝，并分别有光敏二极管接收主光栅码盘透过来的信号。工作时，鉴向盘不动，主光栅码盘随转子旋转，光源经透镜平行射向主光栅码盘，通过主光栅码盘和鉴向盘后由光敏二极管接收相位差90的近似正弦信号，再由逻辑电路形成转向信号和计数脉冲信号。为了获得绝对位置角，在增量式光电编码器有零位脉冲，即主光栅每旋转一周，输出一个零位脉冲，使位置角清零。利用增量式光电编码器可以检测电机的位置和速度。增量式光电编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，但是不能通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，其作用是提供一种对连续位移量离散化或增量化以及位移变化（速度）的传感方法，它是相对于某个基准点的相对位置增量，不能够直接检测出轴的绝对位置信息。一般来说，增量式光电编码器输出a、b 两相互差90电度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），从而可方便地判断出旋转方向。同时还有用作参考零位的z 相标志（指示）脉冲信号，码盘每旋转一周，只发出一个标志信号。标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零。3 系统的调试3.1 mcgs的设计及与plc的调试mcgs 软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。如图3.1所示。组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。图3.1 组态软件的组成组态环境和模拟运行环境相当于一套完整的工具软件，可以在pc机上运行，用户可根据实际需要裁减其中内容。它帮助用户设计和构造自己的组态工程并进行功能测试运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态工程中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。运行环境本身没有任何意义，必须与组态工程一起作为一个整体，才能构成用户应用系统。一旦组态工作完成，并且将组态好的工程通过usb通讯或以太网下载到下位机的运行环境中，组态工程就可以离开组态环境而独立运行在下位机上。从而实现了控制系统的可靠性、实时性、确定性和安全性。 由mcgs生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成，如图3.2所示。图3.2 mcgs生成的用户应用系统窗口是屏幕中的一块空间，是一个“容器”，直接提供给用户使用。在窗口内，用户可以放置不同的构件，创建图形对象并调整画面的布局，组态配置不同的参数以完成不同的功能。在mcgs中可以有多个用户窗口和多个运行策略，实时数据库中也可以有多个数据对象。mcgs用主控窗口、设备窗口和用户窗口来构成一个应用系统的人机交互图形界面，组态配置出各种不同类型和功能的对象或构件，同时可以对实时数据进行可视化处理。3.1.1 组态过程使用mcgs完成一个实际的应用系统，首先必须在mcgs的组态环境下进行系统的组态生成工作，然后将系统放在mcgs的运行环境下运行。在此简单介绍在mcgs组态环境下构造一个用户应用系统的过程，以便对mcgs系统的组态过程有一个全面的了解和认识。这些过程包括：工程整体规划、工程建立、构造实时数据库、组态用户窗口、组态主控窗口、组态设备窗口、组态运行策略、组态结果检查、工程测试3.1.2 元件设置本设计mcgs平台设立频率输入值、指示灯、正转、反转、停止按钮。进入工作面，打开工具箱，如图3.3所示，点击输入框，然后将元件放置工作台，其他元件依次从元件库中取出放置工作台，进行标注。建立实时数据库，分别设定频率输入值、指示灯、正转、反转、停止等相关信息。如图3.4所示。 图3.3 工具箱 图3.4 设定频率分别设定各元件的属性，使得实现，当输入数值后能分别正传、反转、停止的动态图。如设定正转，数据对象中，按钮输入选中正转，动画连接中，脚本程序设定为：正转=1，反转=0；同样反转设定为：反转=1，正转=0，保证正反转能够切换，不同时运行，防止程序出现错误。如图3.5所示。动态图如图3.6所示。 图3.5 设定元件属性 图3.6 动态图3.1.3 mcgs与plc连接plc由mcgs控制，当mcgs的控制面板上进行操作，给plc发出信号，plc进行动作。在mcgs设备窗口中，右击窗口，从设备工具箱中添加通用串口父设备，然后将松下fp系列plc设备挂接在串口父设备下，最后进行属性编辑。松下fp系列plc设备的通信参数建议设置为：波特率9600，1位停止位，奇校验，8位数据位。如图3.7所示。图3.7 plc设备的通信参数松下fp系列plc设备属性设置如图3.8所示。图3.8 plc设备属性设置内部属性设置：单击“设置设备内部属性”，再点击“增加通道”，弹出对话框，设置如图3.9所示。 图3.9 内部属性设置3.2 vfo变频器vfo变频器各种端子有关参数的功能，如表3.1。表3.1 端子参数表端子no.端子功能关联数据1频率设定用电位器连接端子（+5v）p092频率设定模拟信号的输入端子p093（1）、（2）、（4）（9）输入信号的功用端子4多功能模拟信号输出端子（05v）p58、595运行/停止、正转运行信号的输入端子p086运行/停止、反转运行信号的输入端子p087多功能控制信号sw1的输入端子p19、20、218多功能控制信号sw2的输入端子pwm控制的频率切换用输入端子p1921p22249多功能控制信号sw2的输入端子pwm控制时的pwm信号输入端子p1921p222410开路式集电极输出端子（c：集电极）p2511开路式集电极输出端子（e：发射极）p25a继电器接点输出端子（no：出厂配置）p26b继电器接点输出端子（nc：出厂配置）p26c继电器接点输出端子（com）p26由上表可知，在端子no.8 、no.9处可用信号控制运行频率。no.8:频率设定信号切换输入端子（sw2）；no.9:pwm信号输入端子。由此可知，端子no.8处于off状态，接通no.9端子，用pwm信号进行输出频率控制，然后设定p22,23,24的参数。选择控制方式为外控操作输入pwm信号进行操作控制，放弃操作面板操作。运用外控输入信号进行运行/停止和正转/反转。可选外控方式：(1) p08=5 no.5 on:正转/off:停止no.6 on:反转/off:停止(2) p08=4 no.5 on:运行/off:停止no.6 on:反转/off:正转选定方式(1)，最大输出频率设定,参数p15=100，设定最大输出频率为100赫兹；pwm频率信号选择、平均次数、周期(参数p22、p23、p24)；设定p22=1，有pwm频率信号选择。注：选择pwm频率信号时，sw2(端子no.8)和sw3(端子no.9)的功能将强制性变为pwm控制专用。pwm信号与频率指令值之间的关系是：频率指令值（hz）=on时间/pwm周期最大输出频率（hz）pwm信号平均次数，设定p23=50,pwm信号周期设定范围为p24=20。接线方式由rs232接通到no.9端子，输入pwm信号。设定on的时间为10ms，即频率指令值为50。3.2.1 vfo变频器与电动机连接一.接线方式：变频器与电动机的接线方式如图3.10所示。图3.10变频器与电动机的接线操作方法：利用操作板设定频率及正反转功能，在操作板上设定频率和正转/反转功能有两种方式。1.设定频率：电位器设定方式、数字设定方式2.正转/反转运行：正转运行/反转运行方式、运行/停止旋转方向模式设定方式二.设定频率1.电位器设定方式（将参数p09设定为“0”：出厂时设定）旋转操作板上的频率设定钮的角度进行设定。min的位置是停止，max的位置是最大设定频率。此处设定最小为0赫兹，最大为100赫兹，连接电动机，通过频率变化，控制电机的转数。2.数字设定方式（将参数p09设定为“1”）按下操作板上的mode键，选择频率设定模式（fr）。按下set键之后，显示出用上升键或下降键所设定的频率，按下set键进行设定确定。另外，在运行过程中可以通过持续按着上升键或下降键而改变频率。三. 正转/反转功能1.正转运行/反转运行方式（将参数p08设定为“1”）按下操作板上的键（正转）或键（反转）来选择旋转方向，按下run键则开始运行。按下stop键为停止运行。注：仅按下run键时不会运行。当频率设定为数字设定方式时，mop功能不能使用。2.运行/停止旋转方向模式设定方式（参数p08设定为“0”）最初按两次mode键使其变为旋转方向设定模式，用set键显示旋转方向数据，用上升键或下降键改变旋转方向，用set键进行设定。（出厂时已设定为正转状态）然后，按下run键使其开始运行，按下stop键使其停止运行。本次变频器操作运用操作板运行操作，正转/反转功能：正转运行/反转运行（参数p08=1）；频率设定：电位器设定（参数p09=0）。此时运行频率为