丝光机控制系统设计毕业设计论文.doc

唐 山 学 院毕 业 设 计设计题目： 丝光机控制系统设计 系 别： 机电工程系 班 级： 06测控技术与仪器(2)班 姓 名： 指 导 教 师： 2010年6月12 日丝光机控制系统设计摘 要丝光机是国内纺织印染行业大量采用的印染设备，由可控硅直流调速系统实施驱动与控制，由于此直流调速系统存在诸多弊端：如维护量大、可靠性低、灵活性差、响应速度慢、电源污染大、故障停车时间长且不具备故障自检测功能，因而严重影响生产线的正常运行。本文提出了基于PLC控制的交流变频调速系统，构建了一种新型丝光织染系统。在本系统中，为了实现能源的充分利用和满足生产的要求，需要对电机进行转速调节，考虑到电机的启动、运行、调速和制动的特性，采用高功能性v/f控制的通用变频器。系统中由西门子PLC完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。基于STEP 7-Micro软件和组态王软件的编程采用模块化的程序设计方法，大量采用代码重用，减少了软件的开发和维护。本文首先介绍了电动机调速技术的发展和现状，对丝光机交流变频调速系统的方案进行了论证。其次，介绍了交流异步电动机的变频调速原理和电压正弦脉宽调制波(SPWM)的微机算法。再次介绍了PLC的基本组成和各部分的作用及PLC的工作原理。最后，介绍了系统的生产流程、系统的电气结构，硬件配置和软件实现。关键词：布铗 丝光机 可编程控制器 变频调速 组态软件The Design of Control System forMercerizing MachineAbstractMercerizing Machine is widely used in Textile & Printing and Dying industry. It is drived and controlled by Silicon Controlled Direct Current Speed Regulation System. Due to many deficiencies of this System, such as high maintenance, low reliability, low agility, slow responding speed, high electrical pollution, long malfunction time, and lack of self-inspection function, the operation of this product line is severely influenced. This design introduces the indirect current frequency control regulation System based on PLC, thus it results in a new-generation mercerizing weaving and dying system.In this system, in order to actualize the full use of power and to meet the requirements of manufacturing, we need to regulate the rotation speed of electronical machine. And taking account of the start up, operation, regulating and trigging of electronic machine, the functional v/f controlled currency inverter is needed. In this system, the data acquisition, the control of inverter and electronic machineare accomplished by siemens PLC Programming software, STEP 7-Micro and Kingview software adopted the modularized Programming method and the mass use of code repetition. The applyment of these softwares reduces the development and maintenance of the software.Firstly, this design not only introduces the development and current situation of electromotor regulating technology, but also discusses the schemes of the indirect Current Frequency Control regulation system of the Mercering machine. Secondly the frequency conversion principles of frequency control asynchronous electronic machine and the microcomputer algorithm of Sine Pulse Width Modulation (SPWM) are included. Thirdly this design introduces the basic composition and function of different Programmable Logic Controller (PLC) and the operation principle of PLC is added. Finally, the manufacturing flow of the system, the electric structure of the system, hardware collocation and software actualization are introduced.Key words: Clip; Mercerizing Machine; PLC; Frequency Control; Configuration software目 录1引言11.1课题背景11.2国内外印染行业现状11.2.1我国印染行业现状11.2.2国外印染工业自动化状况21.3丝光工艺和丝光设备21.3.1丝光工艺简介21.3.2丝光设备31.4论文的研究任务与内容32丝光过程变频调速系统总体方案52.1丝光机调速系统方案的论证52.1.1直流调速系统所存在的问题52.1.2交流调速系统的发展和现状及优点52.2.3基于PLC的丝光机交流变频调速系统72.2系统的总体方案83硬件设计113.1变频器的选择113.1.1变频器的功能与构成113.1.2变频器的型号选择133.1.3变频器制动电阻参数的计算153.2 PLC的选择153.2.1PLC的基本组成和工作原理173.2.2 PLC的选择193.3电动机的选择213.4其它元器件的选择223.5电机、变频器以及与模拟量输出模块的连接244软件设计254.1变频器的参数设置254.2 PLC程序设计264.2.1PLC的程序结构264.2.2编程软件264.2.3 PLC控制系统I/O点分配264.2.4梯形图设计284.3抗干扰措施365.系统人机界面设计395.1组态软件395.1.1组态软件概况395.1.2组态软件在自动监控系统中所处的地位405.1.3组态软件国内外主要产品415.1.4组态软件的选择425.2丝光机人机界面的设计426结论45谢辞46参考文献47外文资料49唐 山 学 院 毕 业 设 计1引言1.1课题背景近年来，我国纺织工业有了很大的发展，己成为世界上第一纺织大国。依据中国印染协会“2009年1-5月份全国印染行业经济运行情况”报告，可以发现全国印染行业产销情况良好，进出口贸易走高，利润继续增加。我国纺织业取得目前这样的成绩是值得庆贺的。随着加入WTO，我国已经成世界纺织服装的制造中心，这为我国纺织工业的可持续发展奠定了良好的产业基础和发展空间。但是，总的来说，我国的纺织行业还处在初级发展阶段，而染整业又是我国纺织工业中的最薄弱环节，印染产品在国际市场上竞争力低下，出口的印染加工产品绝大多数为中低档产品，且我国每年都要花费大量外汇进口服装面料。另外，我国染整业落后还表现在装备方面，设备自动化程度不高，精度不够，迫切需要升级改造。在此背景下，为了进一步促进我国纺织业的健康发展，使我国从一个纺织大国转变成一个纺织强国1，我们因此提出了丝光机控制系统的设计。1.2国内外印染行业现状在纺织领域中，印染业是整个纺织产业链中的关键工序，扮演着纺织品化妆师的角色。在整条纺织产业链中，印染业上托织造业，下承服装业;印染产业的集聚与兴衰，直接关系着上下游产业的配套与完善，对于赋予织物的附加价值具有重要的影响，是提升纺织品整体价值的重要加工工业。1.2.1我国印染行业现状(1)我国印染业取得了一定的进步近几年，中国东部沿海地区产业集群带迅速崛起，浙江、江苏、广东、山东、福建和广东产业集群带的形成推动了我国印染业的快速发展，并向这些地区集中。这些地区的产量占全国产量的80%以上2。从整体风格与色彩上来看，中国纺织印染产品己基本与国际流行接轨，我们对丝光机控制系统的设计将会使长期制约我国纺织工业瓶颈的现象得到改善，为印染行业自身的发展和中国纺织业的高速发展奠定了基础。在新一代国产设备的开发方面，我国企业的整体水平在逐步上升。不足之处是己有设备在电气传动、自控、计量和在线检测、关键部件等方面需进一步提高水平。 (2)我国印染业存在的问题我国的印染业虽然取得了很大的进步，但是与发达国家相比，在软硬技术以及信息、开发和销售渠道等重要方面还存在较大差距，印染业已成为我国纺织工业中的最薄弱环节。在装备水平上，上个世纪80年代以来，通过技术引进、合作生产等多种途径，.我国染整机械的总体水平有了很大的提高，然而，与世界先进水平相比，还存在一定的差距，比较突出的有两个方面。一是产品开发缺乏创新性。二是传感技术和在线检测、控制方面与国外先进水平差距很大。前己提及，我国在纺织助剂方面成绩不错，但是从整体来看，我国是染料大国但不是染料强国，染料总产量己占世界染料总量的45%以上，但大部分为原染料或滤饼，在国际上只占据着低端市场。高档染料的染料由于国内不能生产，需要从国外进口。印染产业的能耗量在纺织业首屈一指，对能源质量的需求标准高，尤其是印染的高耗水量。1.2.2国外印染工业自动化状况在国际上，德国、瑞士、意大利等欧洲国家及日本的新型印染装备自动化水平相当高，除电气传动自动化、生产过程自动化、工业系统管理自动化外，机械手、机器人也进入了染整生产操作自动化的实用阶段。染整过程中，由于自然或人为的原因，工艺变量值往往发生波动，偏离产生偏差。要达到稳定操作，实现良好的工艺再现性，就必须对它们及时地进行检测，并对生产过程实现自动控制，以消除这种偏差而使工艺变量恢复到规定值。对工艺变量的设定值进行有效的检测与控制，有利于提高产品质量，对整个染整行业具有重要意义。1.3丝光工艺和丝光设备1.3.1丝光工艺简介丝光是印染工艺中的基础工序之一，它对产品质量起着重要作用，绝大部分棉及其混纺织物在进行染色和印花加工前都需进行丝光处理。通常，丝光是指棉及其混纺织物在经纬向都受到一定张力的情况下，用浓烧碱其它化学药品处理，以改变棉纤维的结构和形态，从而达到改善纤维性能的加工过程。丝光工艺是使棉纤维在浓烧碱的作用下生成碱纤维，并且纤维发生了不可逆的剧烈膨胀3。其主要原因是:由于钠离子体积小，不仅能进入纤维的无定形区，而且还能进入纤维的部分结晶区;同时钠离子又是一种水化能力很强的离子，钠离子周围有很多的水分子，其水化层很厚。当钠离子进入纤维内并与纤维结合时，大量的水分子也被带入，因而引起纤维的剧烈膨胀。一般来说，随着碱液浓度的提高，与纤维结合的钠离子数就增多，水化程度就提高，因而纤维的膨胀程度也相应增大4。当烧碱浓度增大到一定的程度后，水全部以水化状态存在，此时若再继续提高烧碱的浓度，对每个钠离子来说，能结合到的水分子数量有减小的趋势，即离子的水化层变薄，因而纤维的膨胀程度反而减小。总的来说，丝光工艺主要有以下几个功能:(1)棉纤维在浓碱和一定张力的共同作用下，纤维发生膨化，排列更加整齐，对光线反射更有规律，因而产生丝般光泽。(2)棉纤维在浓碱作用下，生成碱纤维素，物理结构发生了变化，所以对染料的吸附能力有所增加，改善了染色性能，使色泽鲜艳。(3)在浓碱作用下，纤维被充分膨润，消除了纤维的不均匀变形，排列整齐，增加了相互作用的活动力，提高了棉布的强力。(4)丝光可以消除绳状皱痕，纤维的膨化拆散了原分子键的作用，丝光后的分子键结合比丝光前更牢固，因此丝光具有定形作用，降低了缩水率。目前丝光用剂仍以烧碱(NaOH)为主，主要原因是烧碱的膨化性能好、价廉、操作也方便。1.3.2丝光设备丝光机有纱线丝光机和织物丝光机两类。织物丝光机又分为针织物丝光机和机织物丝光机两类，主要有布铗丝光机、弯辊丝光机和直辊丝光机三种5。目前也出现布铗弯辊、布铗直辊、弯辊直辊联合丝光机。布铗丝光机因扩幅及对降低纬向缩水、提高丝光光泽有较好效果，所以被广泛使用，如54型的LM22l(单层丝光机)，LM222(双层丝光机)采用50-303型布铗，车速一般在50-60m/min。布铗丝光机是一种被广泛应用的丝光设备，其最大优点是扩幅较好，光泽及缩水率均能满足要求，但缺点甚多，由于浸轧时间短，使布面带碱量低，限制了碱液向布芯的进一步渗透扩散，另外能源消耗高，噪声大，易产生破边，脱铁，皱条等，此外织物二边与中间径向密度不一，特别当幅宽增大时更严重，所以对门幅宽的织物不适宜采用布铗丝光机。直辊丝光机的优点在于无布铗丝光机的诸多缺点，而且结构简单，操作方便。因为织物品种适应性广，尤适用于幅宽厚重织物，所以在欧洲被广泛使用。但由于对织物纬向不能施加张力，扩幅不足，落布门幅窄，影响了其在国内的广泛使用。由于当今纺织品市场的新品种不断出现，传统的丝光设备因品种适应性有局限而不能满足用户要求，所以国内外纷纷开发以直辊为主拉幅为辅的混合型丝光机，它主要使直辊丝光和布铗丝光的优点结合起来。最大特点是:织物在丝光反应区里以直辊丝光原理受到加工处理，针对它对织物门幅控制有缺陷，在直辊反应区后增加针(布)铁拉幅，使织物在拉幅区纬向处于全控制状态，这两个作用的结果使织物收缩明显减小，从而使织物在长度和幅宽方向均能达到尺寸稳定的要求。1.4论文的研究任务与内容在各种异步电动机调速系统中，效率最高、性能最好的系统是变压变频调速系统。变压变频调速系统中，调速时，必须同时调节定子电压和频率，在这种情况下，机械特性基本上平行移动，而转差率不变，调速特性较好，因而它是当前交流调速的主要发展方向6。本文研究了变频调速技术在生产中的应用，并且考虑到原系统所存在的问题，提出了基于PLC控制的交流变频调速系统，构建了新一代的丝光织染系统。(1)对印染行业的现状，国内外印染行业的自动化状况进行了研究。阐述了丝光过程，介绍了丝光设备。(2)通过查阅资料调比较了电机的直流调速系统与交流调速系统，对丝光机交流变频调速系统的总体方案进行了论证。(3)对系统的总体方案进行了设计。(4)对变频器的基本结构、交流异步电动机的变频调速原理进行了研究与分析。对PLC的组成、各部分的作用和工作原理进行了较为详细的研究与分析。完成了对变频器的选择和PLC的选择，并对所选型号变频器和PLC的特性进行了介绍。(5)对变频器的结构和控制方法进行深入的学习和研究，掌握其主要的特点和正确的使用方法。(6)对PLC主要的硬件结构和编程语言进行了深入学习和研究，掌握了其主要特点和编程方法。(7)调查分析了组态软件的发展和现状，设计了丝光机控制系统的监控程序。(8)最后对设计进行了总结。2丝光过程变频调速系统总体方案2.1丝光机调速系统方案的论证丝光机的动力主要由电动机驱动，根据生产的工艺要求对电动机的旋转速度进行控制和调节就是一项经常而重要的工作。电动机的调速性能如何，对提高产品质量、提高生产效率和节省电能有着决定性的影响。传统的丝光机控制系统多采用直流调速系统，但是直流调速系统存在较多的弊端。如果采用交流的调速系统，不仅会提升丝光机的质量，而且可以大大减低系统的能耗，大幅度的节约电能。2.1.1直流调速系统所存在的问题直流电动机的转速易于控制和调节，在额定转速以下，保持励磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法进行恒转矩调速；在额定转速以上，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法进行恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。所以，20世纪80年代以前，在变速传动领域中，直流调速一直占据主导地位。但由于直流电动机本身结构上存在机械式换向器和电刷这一致命弱点，这给直流调速系统的开发和应用带来了一系列的限制，即:(1)机械式换向器表面线速度及换向电流、电压有一极限允许值，这就限制了单机的转速和功率。如果要超出极限允许值，则将大大增加电机的制造难度和成本，以及调速系统的复杂性。(2)为了使机械式换向器能够可靠工作，往往增大电枢和换向器直径，导致电机转动惯量很大。对于要求快速响应的生产工艺，采用直流调速方式难以实现。(3)机械式换向器必须经常检查和维修，电刷必须定期更换。这就使得直流调速系统维护工作量大、费用高，同时停机检修和更换电刷也直接影响了正常的生产。(4)在一些易燃、易爆的生产场合，在一些多粉尘、多腐蚀性气体的生产场合不能或不宜使用直流电动机7。2.1.2交流调速系统的发展和现状及优点交流电动机，尤其是鼠笼式异步电动机，具有结构简单、制造容易、价格便宜、坚固耐用、转动惯量小、运行可靠、很少维修、使用环境及结构发展不受限制等优点。但是长期以来，由于受科技发展的限制，把交流电动机作为调速电机的困难、问题没能得到较好的解决，所以只有一些调速性能差、能耗低的调速方法得以应用，如:绕线式异步电动机的串级调速、鼠笼式异步电动机定子调压调速及电磁滑差离合器调速等8。20世纪七十年代以后，由于科学技术的迅速发展为交流调速的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础，交流调速理论及应用技术大致沿以下四个方面发展:(1)电力电子器件的蓬勃发展和迅速换代促进了变流技术的迅速发展和变流装置的现代化。(2)脉宽调制(PWM)技术脉宽调制(PWM)技术的发展和应用优化了变频装置的性能，适用于各类交流调速系统，为交流调速技术的普及发挥了重要的作用。脉宽调制(PWM)技术基本上可分为四类:等宽PWM法、正弦PWM法(SPWM)、磁链追踪型PWM法及电流跟踪型PWM法。PWM技术的应用克服了相控原理的所有弊端，使交流电动机定子得到了接近正弦波形的电压和电流，提高了电机的功率因素和输出效率。(3)矢量变换控制技术的诞生和发展奠定了现代交流调速系统高性能化的基础交流电动机是个多变量、非线性、强祸合的被控对象，采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解藕，实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程，使交流调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高，从而使交流调速最终取代直流调速成为可能。(4)微型计算机控制技术与大规模集成电路的迅速发展和广泛应用为现代交流调速系统的成功应用提供了重要的技术手段和保证。交流调速技术的发展过程表明，现代工业生产的需要推动了交流调速的飞速发展；现代控制理论的发展和应用，电力电子技术的发展和应用，微机控制技术及大规模集成电路的发展和应用为交流调速的飞速发展创造了技术和物质条件。实践证明，交流调速技术的应用为工农业及节省电能方面带来了巨大的经济和社会效益。现在，交流调速系统已全面、逐步取代直流调速系统。随着电力电子技术、微电子技术和计算机控制技术的飞速发展，交流变频调速技术的发展也十分迅速。电动机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速性能和起制动平稳性能、高效率、高功率因数和节电效果、广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。交流变频调速控制的优点主要有:(1)交流变频调速使用的是异步电动机，比同容量的直流电动机具有体积小、占空间小，结构简单，维护方便、可靠性高、价格低等优点。(2)变频调速电源使用了先进的SPWM技术，明显改善了电机运行质量和性能，调速范围宽、控制精度高，动态性能好，安静、快捷，己逐渐取代直流电机调速。(3)交流变频调速使用先进的SPWM技术，明显改善了电动机供电电源的质量，减少了谐波，提高了效率和功率因数，节能明显。(4)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。(5)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。(6)电机在带动较大负载启动时，会有较大的冲击电流，采用变频时，可以实现软启动，减小冲击电流，解决大负载的启动问题。(7)电源功率因素高，所需容量小，对电网的公害小。(8)具有完善的保护功能: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。2.2.3基于PLC的丝光机交流变频调速系统20世纪80年代以后，国外大量推广应用PLC控制的交流变频调速系统，在节能和节约设备维护成本上取得了非常可观的效益。例如:丹麦FAERCH塑料包装厂真空泵的控制由于采用变频技术对真空泵进行了改造，使该厂每年节约电费23500欧元，而且真空泵系统加装滤波器也取得了可观的节能效果。每单位产品生产所需的能量消耗也降为了原来(1996年)的80%。节能效果非常明显，16100欧元的设备改造总投资预计可以在三年以内收回。20世纪90年代，国内各生产厂家逐渐采用PLC控制的交流变频调速系统。尤其是最近几年，PLC的推广应用在我国得到了迅猛的发展。我国近年来引进的设备中，很大一部分是由PLC控制的，国外厂家的PLC产品已打入我国市场。我国各行各业也涌现出大批应用PLC改造设备的成果，机械行业生产的设备越来越多地采用PLC作控制装置。改用PLC后，把工艺规定的工序和加工时间写入了软件，杜绝了人为因素的影响，提高了产品的质量9。变频调速技术已成为节约能源及提高产品质量的有效措施。很多用户实践的结果证明，节电率一般在10%-30%，有的高达40%，更重要的是生产中一些技术难点也得到解决。例如包钢1150轧机采用变频装置后，年平均事故时间达到工作时间的0.1%以下，大幅度提高了产品质量和产量，且年节约电费约50万元。综上所述，我们可以看出，交流变频调速相对于直流调速具有优越性，PLC控制相对于传统的继电接触器控制又带来了技术革命，同时，基于PLC控制的交流变频调速在国内外也得到大量的成功使用，并带来了良好的经济效益。所以，丝光机所采用PLC控制的交流变频调速系统是必要的和可行的。2.2系统的总体方案丝光过程设备流程:整个丝光过程由一条生产流水线自动完成，其中主要包括进布、直辊、布铗、蒸洗、烘干、冷却、拖布、摆布、落布和卷装等环节，其流程如下:平幅进布1#轧车5.5KW 直辊区传动3.OKW2#轧车 5.5KW 直辊区传动3.OKW3#轧车11KW 直辊区传动3.OKW布铗主传动37KW4#轧车11KW直辊区传动3.OKW三柱烘筒(30只烘筒 )4.OKW*3冷水辊1.5KW拖布1.5KW摆布1.5KW落布2.2KW卷装3.OKW10。本系统以各电机的速度实际值(即各速度传感器的输出电压信号)作为PLC的模拟量输入，以按钮开关，限位开关，热继电器的输出信号作为PLC的开关量输入，通过PLC内部算法输出模拟量，输送到变频器，改变其频率来控制各电机的转速，最终目的是控制丝光机生产线的自动运行。在本系统中，轧车轧辊的每一台电机采用一台变频器来进行频率的调节控制。采用PLC输出的模拟量信号作为变频器的控制端输入信号。变频调速器对电机的控制具有完善的自我保护和电机保护功能的完成。它通过接受PLC的信号控制电机转速大小。由于变频调速是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现的，故在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差功率，因此具有高效率、宽范围、高精度的调速性能。控制系统框图如图2-1：图2-1 控制系统框图根据系统的工艺流程设计系统的软件流程图如图2-2：在系统流程运行之前，首先进行初始化，通过开关元件及组态软件将设备运行参数送至PLC，检查空气开关等设备运行是否正常，若不正常，则等待；直到正常，调节布铗等设备的宽度。根据生产需要，设定各个设备转速值。吸边器运行，检测(a) 变频调速传动模块程序流程(b) 变频调速传动模块程序流程图2-2 变频调速传动模块程序流程图1#直辊是否越位，若未越位，等待，直至1#直辊越位，1#轧车运行。延时60秒，检测2#直辊是否越位，若60秒内2#直辊未越位，则故障报警，停车制动，结束工作，由工作人员排除故障。若60秒内2#直辊越位，则2#轧车运行，延时10秒，3#直辊运行，延时60秒，检测3#直辊是否越位，若10秒内3#直辊未越位，则故障报警，若越位3#轧车运行。检测3#轧车是否越位，若未越位，等待，直至3#轧车越位，布铗主传动运行，延时10秒，4#轧辊运行，轧辊越位时4#轧车运行，到蒸洗箱进行蒸洗。1#、2#、3#烘筒依次运行，检测是否越位，若未越位，继续运行，直到3#烘筒越位。冷水辊运行，检测冷水辊是否越位，若未越位，则等待，直到冷水辊越位，冷水辊运行。检测牵引辊是否越位，若未越位，则等待，直到牵引辊越位，牵引辊运行，进行拖布，摆布电机运行，进行摆布。检测落布是否越位，若未越位，则等待，直到落布越位，落布电机运行，落布，最后进行卷装，完成工作流程7。3硬件设计3.1变频器的选择3.1.1变频器的功能与构成变频器实现的功能：(1)节能的应用利用变频器实现调速节能运行，是变频器应用的一个最典型的优点，也成为节约能源的有效措施。其中以风机和泵类机械的节能效果最显著。(2)提高生产效率提高生产效率是变频器传动的重要目的：保证加工工艺中的最佳转速适应负载不同工况的最佳转速提升机、传送带、货物搬运车的最恰当运行速度的确定，往往遇到快速搬运和准确停车之间的矛盾。可采用两段(或多断)速度运行。高速运行可以缩短搬运时间，低速运行速度虽慢但有利于提高定位停车的精度。原有设备的增速运转各类搬运机械、金属加工机械等的运行速度往往直接关系到产品的质量。原来不调速的机械设备常由主机和传动机构两部分组成，原动机则多数采用异步电动机。其运行速度被异步电动机的额定速度所限制。如果机械设备的工作情况总是保持使异步电动机工作在额定状态下，则保持着最大的生产能力。但实际上不可能如此，因为生产机械的轻载运行使很常见的一种工况，这时，采用变频器传动，适当的提高转速(超过电网频率)，则很容易提高生产率。高精度准确停车提升机和自动仓库等在生产过程中间歇时间的缩短，对提高生产效率起到了很大的作用。在预定位置的准确停车，对减小间歇时间来说是十分必要的。(3)提高产品质量生产中引入变频器传动，可使机械、装置性能提高，而装置、机械性能的提高又使生产过程中的产品质量提高。适应生产工艺的多方面要求质量的例子很多，变频器可以通过提供：加工对象的最佳速度；平滑的加/减速;高精度的转矩控制来提高装置性能和产品质量。(4)设备的合理化高性能的调速系统实现交流化，逐步取代直流电动机，以克服直流电动机电刷、换向器难于维护的困难。另一方面，则是充分利用通用变频器的功能，改造传统的恒速运行的异步电动机传动的生产机械，使一大部分生产机械的功能得以“升级”。(5)适应和改善环境对环境的适应性强，并且对环境引起的危害小，是变频传动的又一个特点。变频器可用于某些有爆炸危险性的气体和可燃性溶剂的生产设备，也可用于有腐蚀性气体的场合，户外、极度潮湿的场合或者水中电动机的调速传动11。变频器的基本原理见图3-1。图3-1变频器基本原理图变频器由整流、滤波、逆变及控制回路等部分组成。交流电源经整流、滤波后变成直流电源，控制回路有规则地控制逆变器的导通与截止，使之向异步电动机输出电压和频率可变的电源，驱动电动机运行。(1)整流器一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是把工频电源变换为直流电源，供给逆变电路和控制电路所需。整流电路按其控制方式，可以是直流电压源，也可以是直流电流源。(2)滤波电路在整流器整流后的直流电压中，含有六倍电源频率的脉动电压，此外，逆变器回路产生的脉动电流也使直流电压波动。为了抑制这些电压波动，采用直流电抗器和电容器吸收脉动电压(电流)。(3)逆变器逆变器是变频器的主要部分之一。它是利用六个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中的主开关元器件的通与断，得到任意频率的三相交流电输出。它的主要作用是在控制电路的控制下，将整流电路输出的直流电源转换为频率和电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。控制回路向变频器主回路提供各种控制信号，如图3-1所示。控制回路主要由以下部分组成:决定V/F特性的频率电压“运算回路”、主回路的“电压/电流检测回路”、电动机的“转速检测回路”、根据运算回路的结果生成相应的PWM脉冲并进行隔离和放大的“PWM生成及驱动回路”以及变频器和电动机的“保护回路”。(1)运算回路将外部的转速、转矩等指令同检测回路的电流、电压信号进行比较运算，决定变频器的输出电压、频率。(2)电压/电流检测回路通过传感器、互感器等检测主回路的电压、电流等。(3)驱动回路为驱动主回路功率开关器件的回路。它与控制回路隔离，使主回路功率器件导通、关断。(4)速度检测回路在异步电动机轴上装上转速检测器(TG、PG等)检测转速信号并送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令转速运转。(5)保护回路检测主回路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，停止变频器工作或抑制电压、电流值，以防止变频器和异步电动机损坏。变频调速基本原理由电机学知识可知，交流异步电动机的转速公式为 (3-1)式中 n电动机转速(r/min)；s转差率；p电动机磁极对数；f电源频率Hz。由式(3-1)可见，通过改变交流异步电动机的转差率、磁极对数p或电源频率f均可实现对电动机转速的调节。其中，改变电源频率可实现交流异步电动机的平滑无级调速，这就是变频调速。3.1.2变频器的型号选择随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速己应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速在印染行业也得到广泛应用。本设计没有采用专用变频器，而是选用了通用变频器，通过合理的配置、设计和编程，同样可以达到专用变频器的控制效果。目前，市场流行的通用变频器的种类繁多，而印染行业中使用的变频器的品牌也不少，其控制系统的结构也不尽相同，但其总的控制思想却是大同小异。(1)通用变频器概况上个世纪80年代初，通用变频器实现了商品化。在近20年的时间内，经历了由模拟控制到全数字控制和由采用BJT到采用IGBT两个大发展过程。容量不断扩大、结构的小型化、多功能和智能化、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。应用领域不断扩大。(2)VS-616G5型变频器简介7VS-616G5型变频器是安川电机公司面向世界推出的21世纪通用型变频器。这种变频器不仅考虑了V/f控制，而且还实现了矢量控制，通过其本身的自动调谐功能与无速度传感器电流矢量控制，很容易得到高起动转矩与较高的调速范围。VS-616G5变频器的特点如下:该变频器是基于现代控制理论的磁通观测器、神经元控制，直接控制转矩，真正的电流矢量控制达到高精度转矩控制速度控制范围:1:1000(1:100不带PG)。速度控制精度:土0.02%(士0.2%不带PG)。起动转矩:150%/r/min(150%/1Hz不带PG)。操作设置简单多种控制功能以满足各种机械需要。应用软件更加丰富，适用于各种系统，易于维护。完善的保护功能VS-616G5型变频器具有电机保护、变频器过载、瞬间过电流、电压下降、过电压、输入缺相等保护功能。基于VS-616G5系列变频器如上所述的许多优点，因此本系统选用日本安川电机公司生产的VS-616G5系列变频器。(3)容量选择常规设计的交流电动机，通常都是在额定频率、额定电压下工作的。此时，轴上输出转矩、输出功率都可以达到额定值。在变频调速的情况下，供电频率是变化的，电机的实际输出也会变化。由于变频器有一定的通用性，因此在与不同拖动场合的电机配合时，必须合理选择容量。对于现场己使用或己选定的电动机，需要选配相应的变频器12。在一台变频器驱动一台电机的情况下，变频器的容量选择要保证变频器的额定电流大于该电动机的额定电流，或者是变频器所适配的电动机功率大于当前该电动机的功率。按连续恒负载运转时所需的变频器容量(KVA)的计算式计算: (3-2) (3-3) (3-4)式中:PM负载所要求的电动机的轴输出功率；电动机的效率(通常约0.85)；cos电动机的功卒因数(通常约0.75)；UM电动机电压(V)；IM电动机电流(A)，工频电源时的电流；k电流波形的修正系数，对PWM方式，取 k=1.05；PCN变频器的额定容量(KVA)；ICN变频器的额定电流(A)。这三个式子是统一的，选择变频器容量时，应同时满足三个算式的关系，尤其变频器电流是一个较关键的量13。考虑到电机性能上的差异及机械负载的不同，变频器容量应是电机容量的1-2倍。另外，也可根据生产机械所需的实际转矩与稳定运行时的转速，求其乘积，得到所需电机的轴上功率，据此确定变频器容量。3.1.3变频器制动电阻参数的计算由于丝光机传动装置运行过程中惯性较大，所以变频调速装置应具有制动功能。带有逆变功能的变频调速装置通过逆变器虽然能够将再生能量回馈电网，但成本太高。采用能耗制动方式通过制动单元将再生能量消耗在制动电阻上，成本较低而且具有良好的使用效果。能耗制动电阻Rz的大小应使制动电流Iz的值不超过变频器额定电流的一半，即Iz=Uo/Rz In (3-5)其中Uo为额定情况下变频器的直流母线电压。由于制动电阻的工作不是连续长期工作，因此其功率可以大大小于通电时消耗的功率。3.2 PLC的选择PLC(可编程序控制器)是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其相关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第一台PLC。70年代初期出现了微处理器，它的体积小、功能强、价格便宜，很快被用于PLC，使PLC的功能增加，工作速度加快，体积减小，可靠性提高，成本下降。PLC还借鉴微型计算机的高级语言，采用极易为工厂电气人员掌握的梯形图编程语言1415。PLC具有如下的特点:(1)编程方法简单易学PLC中配备了企业中一般电气技术人员和技术工人易于接受的和掌握的梯形图语言。梯形图语言的电路符号和表达方式与继电器电路原理图相当接近，只用PLC的开关量逻辑控制指令就可以实现继电器电路的功能。通过阅读PLC的使用手册或接受短期培训，电气技术人员或工人只要几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序，简易编程器的操作和使用也很简单。(2)硬件配套齐全，用户使用方便PLC配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户只是确定PLC的硬件配置和设计外部接线图而已。PLC一般用接线端子连接外部接线，因而安装接线也很方便。PLC的输入/输出可以直接与AC220V或DC24V的强电信号相接，它还具有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器的线圈。(3)通用性和适应性强由于PLC的系列化和模块化，硬件配置相当灵活，可以组成能满足各种控制要求的控制系统。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化16。(4)可靠性高，抗干扰能力强PLC用软件取代了继电器系统中容易出现故障的大量触点和接线，因而可靠性高。为了削弱和消除干扰对系统的影响，PLC采取了很多硬件和软件措施，以切断干扰进入PLC的途径。(5)系统的设计、安装、调试工作量小PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序也很容易掌握。(6)维修方便，且工作量小PlC的故障率很低，并且有完善的诊断和显示功能，一旦发生故障，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除PLC的故障。(7)体积小，能耗低3.2.1PLC的基本组成和工作原理PLC实质上是一种专用的计算机控制系统，它具有比一般计算机更强的与工业过程相连的接口，具有更适宜于控制要求的编程语言。可编程控制器的组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。整体式PLC是将中央处理单元(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的I/O扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，I/O单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/O单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m。无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配置与组合。PLC各组成部分的作用(1)中央处理单元(CPU)CPU模块相当于大脑和心脏，它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务:接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误；用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来；PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作；将用户程序的执行结果送至输出端。(2)存储器PLC的存储器根据其在系统中的作用，可以把它们分为以下3种:系统程序存储器:和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序由PLC生产厂家设计并固化在ROM内，用户不能直接读取，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM。用户程序存储器:用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。工作数据存储器:工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。(3)I/O接口数字I/O接口主要实现CPU模板与I/O装置和外设之间的数字信号(开关量)的联系，它完成电平转换、电气隔离以及提供足够驱动能力的各种数字驱动信号等工作，有时还可提供各种中断和通信方面的控制信号。模拟I/O接口实现可编程控制器与I/O装置之间的模拟信号的连接。其中输入部分主要完成阻抗匹配、I/V变换、小信号放大、信号滤波以及A/D转换等功能，以及实现被控对象送出的模拟量转换成可编程控制器易于处理的数字量的作用。输出部分主要完成阻抗匹配、功率放大和波形矫正等功能，以便向被控对象提供正常工作所需要的模拟控制信号。(4)通信接口为实现“人一机过程”或“机一机”之间的对话，可编程控制器配有各种通信接口。通过这些通信接口可以与监视器、打印机、其它可编程控制器和计算机相连。使用通信接口，使可编程控制器与外围设备的连接能力进一步加强，从而也丰富了可编程控制器的各种功能。(5)扩展接口当用一个中心单元不能满足所要求的控制任务时，就要对系统进行扩展。扩展接口就是用于连接中心单元与扩展单元，扩展单元与扩展单元的模板。使用