毕业设计（论文）-基于PLC的矿井提升机变频调速系统设计.doc

洛阳理工学院毕业设计（论文）基于PLC的矿井提升机变频调速系统设计摘 要矿井提升机是矿山最重要的设备，肩负着矿石、物料、人员等的运输责任。传统的矿井提升机控制系统主要采用继电器-接触器进行控制，这类提升机通常在电动机转子回路中串接附加电阻进行启动和调速。这种控制系统存在可靠性差、操作复杂、故障率高、电能浪费大、效率低等缺点。随着计算机和PLC技术的不断发展，采用先进的控制技术改造传统矿山行业的传统控制系统，从而使矿井提升机的控制性能得到极大的改善，其自动化水平、安全性、可靠性都达到了新的高度，并采用现代化的管理和监视手段保障提升机的安全运行，保证矿井提升机可靠、准确地运行，实现矿井提升机的计算机控制。变频调速是近年来发展起来的一门新兴的自动控制技术，它利用改变被控对象的电源频率，成功实现了交流电动机大范围的无级平滑调速，在运行过程中能随时根据电动机的负载情况，使电机始终处于最佳运行状态，在整个调速范围内均有很高的效率，节能效果明显。采用变频器对异步电动机进行调速控制，由于使用方便、可靠性高并且经济效益显著，所以得到广泛应用。因此，应用变频器对矿井提升机的控制系统进行改造，将成为历史的必然趋势。关键词：矿井提升机，变频调速， PLCDesign Method of Mine Hoist with Frequency conversion Based on PLCABSTRACTThe shaft hoist is the foremost equipment of mines，it is widely used to transport the materials，staff and equipment. The traditional shaft hoist control system is always controlled by the relay-contactor，and adopts the methods of connect series additional resistant in rotors winding loop to start and adjust speed. The system has many disadvantages such as bad reliability，complicated operation，high fault rate，large energy wasting and low efficiency. Along with the development and application of computer and programmable logical controller, the controller of mine elevator come forth new visage, the level of automatization and safety and security arrived at the new altitude, and provided a new and modern manage and monitor means. Advanced industry control computer are used to monitor and manage the course of elevator.Frequency conversion is developed as a new automatic control technology in recent years, which is used to change the power frequency of the controlled objects, it successfully achieve the speed step less adjusting of the Ac motor in a large scope, and it can make the motor be always in the best state according to the load conditions at any time. It has very high efficiency and the energy-saving effect is obvious in the whole range of speed. Adopting inverter speed to control the asynchronous motors is widely used because of it is convenient, high reliability and the economic benefit is remarkable. Therefore, adopting inverter to reform the control system of shaft hoist will become the inevitable trend of history.KEY WORDS: mine hoist，Variable frequency speed regulation，PLC11目录前言1第1章 矿井提升机11.1 科技名词定义11.2 矿井提升机的组成11.3 矿井提升机的分类21.4 提升机电动机运行方式31.5 提升机的受力情况4第2章 PLC简介52.1 PLC的基本概念52.1.1 PLC的基本结构52.1.2 PLC的基本特点62.2 PLC的工作原理82.3 PLC的外围接线及各部分细节92.4 PLC的编程语言102.5 梯形图的编程规则10第3章 变频器简介123.1 变频调速的概述123.1.1 变频器的基本结构123.1.2 变频器的选择133.2 变频器的参数设置133.3 变频器在调速系统中的优点143.4 交流电动机变频调速控制技术的发展阶段143.5 变频器MM420的控制面板143.6 变频调速原理153.6.1 变频器的工作原理163.7 变频调速技术的发展现状16第4章 总体设计方案174.1 系统流程框图174.2 设计步骤184.3 硬件部分设计184.3.1 PLC外部接线图184.3.2 系统主电路图194.3.3 系统控制电路图194.3.4 标度变换204.3.5 模拟输出信号规格图204.4 系统控制要求204.5 控制系统总体设计214.5.1 系统软件编程214.5.2 T形图23第5章 人机交互界面265.1 触摸屏概述265.2 触摸屏在工业控制中的应用265.3 PWS3261触屏简介275.4 触摸屏在矿井提升机控制系统中的应用28第6章 调试过程及结果306.1 调试过程306.2 调试结果30结论31谢 辞32参考文献33前言1.1 国内外矿井提升机研究现状与发展趋势矿井提升装置是采矿业的重要设备，随着科学技术的进步和矿井生产现代化要求的不断提高，人们对提升机工作特性的认识进一步深化，提升设备及拖动控制系统也逐步趋于完善，各种新技术、新工艺逐步应用于矿井提升设备中。特别是模拟技术、微电子技术、微电脑技术在提升机控制中的应用已成为必然的发展。1.1.1 国外矿井提升机的现状近三十年来，国外提升机机械部分和电气部分都得到了飞速的发展， 1981年第一台用同步机悬臂传动的提升机在德国Monopol矿问世，1988年由MAVGHH和西门子合作制造的机电一体的提升机(习惯称为内装电机式)在德国Romberg矿诞生了，这是世界上第一台机械和电气融合成一体的同步电机传动提升机。在提升机机械和电气传动技术飞速发展的同时，电子技术和计算机技术的发展，使提升机的电气控制系统更是日新月异。早在上世纪七十年代，国外就将可编程控制器(PLC)应用于提升机控制。上世纪八十年代初，计算机又被用于提升机的监视和管理。计算机和PLC的应用，使提升机自动化水平、安全、可靠性都达到了一个新的高度，并提供了新的、现代化的管理、监视手段。1.1.2 国内矿井提升机的发展趋势1随着国家出台一系列节能降耗、发展低碳经济相关政策，各大煤炭企业将不得不淘汰掉那些高耗能、高污染、生产技术落后的设备。矿井提升机作为生产重要设备，除高耗能以外，还有着工作结构复杂、危险程度大等突出问题，因此，技术落后、设备陈旧逐渐不能满足发展要求，取而代之的将会是节能环保、安全高效的全数字化生产模式。 2. 使用变频器调速的矿井提升机，可以实现启动时的软启动、软停车，减轻对电网的冲击；可根据负载需要，自动输出合适的功率大大降低了不必要的能量耗损；调速平滑连续，使运行更加安全、稳定、高效。据此，变频器以其独特的优势在提升机行业的应用也迎来了发展的新时期。1.2 目前国内的矿井提升机传动方式分类1、交流绕线式异步电动机转子串电阻调速。2、直流可逆调速。3、交流变频调速。（1）异步电动机的交直交变频。（2）大惯量低速同步电动机交交变频。1.3 本文研究意义目前国内各大煤矿的矿井提升机系统的调速方案大多采用继电器接触器控制的转子串电阻调速。该方案耗能大，占地面积大，已不能适应现代矿业发展的需要。因此有必要对其调速方案进行改造。在广泛考察现行的变频调速方案后，本文提升机系统控制单元采用目前工控适用的可编程控制器来控制，具有编程简单和控制可靠性高的优点，电力拖动系统中，选用先进的变频传动装置，运用先进的控制技术，优化了调速系统的性能，这已成为现代交流调速的重要研究方向。就计算机技术在工业现场应用情况而言，可编程控制器(PLC)是目前作为工业控制最理想的机型，它是采用计算机技术、按照事先编好并储存在计算机内部一段程序来完成设备的操作控制。采用PLC控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小，PLC技术己经广泛应用于各种提升机控制。 第1章 矿井提升机1.1 科技名词定义中文名称：矿井提升机。英文名称：mine winder； mine hoist。其他名称：矿井卷扬机;绞车;矿井绞车。定义：安装在地面，借助于钢丝绳带动提升容器沿井筒或斜坡道运行的提升机械。矿井提升机可分为 竖井提升机 和 斜井提升机两种。百度名片：矿井提升机是矿井井下和地面的工作机械。图1-1 矿井提升机剖视图说明：矿井提升机是一种大型绞车。用钢丝绳带动容器（罐笼或箕斗）在井筒中升降，完成输送物料和人员的任务。矿井提升机是由原始的提水工具逐步发展演变而来。现代的矿井提升机提升量大，速度高，已发展成为电子计算机控制的全自动重型矿山机械。 1.2 矿井提升机的组成矿井提升机主要由电动机、减速器、卷筒、制动系统、深度指示系统、测速限速系统和操纵系统等组成，采用交流或直流电机驱动。1.3 矿井提升机的分类按工作方式分为：缠绕式矿井提升机和摩擦式矿井提升机。1. 缠绕式矿井提升机有 单绳缠绕式 和 多绳缠绕式 两种。（1）单绳缠绕式提升机 根据卷筒数目可分为单卷筒和双卷筒两种。单筒大多只有一根钢丝绳，连接一个容器。双筒的每个卷筒各配一根钢丝绳，连接两个容器，运转时一个容器上升，另一个容器下降。缠绕式矿井提升机大多用于年产量在120万吨以下、井深小于400米的矿井中。（2）多绳缠绕式提升机 提升机在超深井运行中，尾绳悬垂长度变化大，提升钢丝绳承受很大交变应力，影响钢丝绳寿命；尾绳在井筒中还易扭转，妨碍工作。20世纪 50年代末，英国人布雷尔（Blair）设计了一台直径3.2m双绳多层缠绕式提升机(又称布雷尔式提升机)，提升高度15802349m，一次提升量1020t。2. 摩擦式矿井提升机分为 井塔式 和 落地式 两种。（1）井塔式提升机 机房设在井塔顶层，与井塔合成一体，节省场地；钢丝绳不暴露在露天，不受雨雪的侵蚀，但井塔的重量大，基建时间长，造价高，并不宜用于地震区（图1-2）。 图1-2 井塔式多绳磨擦式提升系统示意图（2）落地式提升机 机房直接设在地面上，井架低，投资小，抗震性能好；缺点是钢丝绳暴露在露天，弯曲次数多,影响钢丝绳的工作条件及使用寿命。图1-3 落地式多绳磨擦式提升系统示意图目前我国提升机90%以上均采用交流绕线式异步电动机的拖动方式，其电控系统用于单绳缠绕式提升机和多绳磨擦式提升机。1.4 提升机电动机运行方式提升机电动机的运行方式,主要根据系统的力图来确定。1加速阶段F1。提升时为正力 ,采用电动加速 。下放时为负力 ,若负力值较小 ,可考虑自由加速 ,并配合使用盘式制动器 ,若负力值较大 ,则采用动力制动加速。加速阶段不实行闭环调节 ,而以时间、速度为函数 ,逐步短接转子附加电阻 ,使提升电动机从零速升至全速。2匀速阶段F2。提升时为正力 ,采用电动拖动。下放时为负力,采用能耗制动 、闭环控制 ,单闭环速度控制系统由与距离有关的理想速度给定电路、速度负反馈电路、PID调节器、移相触发电路及双向可控硅能耗制动电路组成,下放速度由PID调节。3主减速阶段F3。提升时为正力,采取逐级接入转子附加电阻和机械制动的方式。下放时为负力 ,一方面接入转子附加电阻,另一方面增大制动电流并辅以机械制动方式减速。4爬行阶段F4。当为正力时 ,转子接入几段附加电阻 ,由PLC控制运行；当为负力时 ,在能耗制动方式下接入转子附加电阻。5停车阶段F5。将盘式制动器的KT线圈断电，抱闸迅速抱住卷筒，提升机停转。图1-4 提升机力图1.5 提升机的受力情况由直线运动的运动方程可得： F = + ma 式（11）式中：F提升机在某运动阶段的力，N；提升机的静阻力（包括车重、提升机重量和绳重），N；m把旋转运动的部件折算到直线运动的变位质量，kg；a各阶段的加速度、减速度值，m/。当 a =0时，F = ，匀速运行；a0时，F，加速运行；a0时，F，减速运行。根据以上分析，F = f（t）的力图见图14。第2章 PLC简介2.1 PLC的基本概念 1969年，出现了可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller），其特点是：具备逻辑控制、定时、计数、等功能，编程语言采用直观的梯形图语言，软件更改方便，通用性和灵活性好。目前，可编程控制器PLC主要是朝着小型化、廉价化、标准化、高速化、智能化、大容量化、网络化的方向发展，与计算机技术相结合，形成工业控制及系统、分布式控制系统DCS（Distributed Control System）、现场总线控制系统FCS（Field bus Control System），这将是PLC的功能更强，可靠性更高，使用更方便，适用范围更广。 国际电工委员会（IEC）于1982年11月1985年1月对可编程序控制器作了如下的定义：“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、计数和算术运算等操作的命令，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。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计。 2.1.1 PLC的基本结构如图2-1所示，PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器等组成。PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。PLC主要由CPU模块、I/O模块、变成装置和电源组成。根据硬件结构的不同，可以将PLC分为整体式、模块式和混合式。整体式PLC又叫做单元式或箱体式，他的体积小、价格低、小型PLC一般采用整体结构。模块式PLC一般用于大、中型PLC，它由机架和模块组成。按PLC的控制规模分类，PLC可分为小型机、中型机、大型机。 图2-1 PLC基本组成2.1.2 PLC的基本特点PLC的诞生给工业控制带来革命性的飞跃,与传统的继电器控制相比有着突出的特点。1. 灵活性、通用性强。继电器控制系统如果工艺要求稍有变化,控制电路必须随之作相应的变动,所有布线和控制柜极有可能重新设计,耗时且费力然而是利用存储在机内的程序实现各种控制功能的。因此当工艺过程改变时,只需修改程序即可,外部接线改动极小,甚至可以不必改动,其灵活性和通用性是继电器控制电路无法比拟的。2. 可靠性高,抗干扰能力强。继电器控制系统中,由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象是不可避免的,大大降低了系统的可靠性。而在控制系统中,大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的,加之在硬件和软件方面都采取了强有力的措施 ,使产品具有极高的可靠性和抗干扰能力可以直接安装在工业现场稳定地工作。PLC在硬件方面采取电磁屏蔽、光电隔离、多级滤波等措施在软件方面采取警戒时钟、故障诊断、自动恢复等措施 ,并利用后备电池对程序和数据进行保护,因此被称为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”。3. 编程简单 ,使用方便 。PLC采用面向过程 ,面向问题的“自然语言”编程方式 ,直观易懂,主要采用梯形图和语句表编写程序,使得广大电气技术人员更容易接纳和理解。同时设计人员也可根据自己的喜好和实际应用的要求选择其他编程语言 。标准是编程语言的标准 ,除了梯形图语句表之外,还存在顺序流程图结构化文本和功能块图三种编程语言的表达方式。一个程序的不同部分可用任何一种语言来描述,支持复杂的顺序操作功能处理以及数据结构。4. 功能强大,可扩展。的主要功能包括开关量的逻辑控制、模拟量控制部分还具备控制或模糊控制功能、数字量智能控制、数据采集和监控、通信、联网及集散控制等功能。PLC的功能扩展也极为方便,硬件配置相当灵活,根据控制要求的改变,可以随时变动特殊功能单元的种类和个数 ,再相应修改用户程序就可以达到变换和增加控制功能的目的。PLC以原有的继电器、逻辑运算、顺序控制为基础逐步发展起来的。与继电器控制系统相比较 ,它以软器件代替了硬器件,以软触点代替了硬触点,以软接线代替了硬接线 ,从而使其器件、触点的寿命达数万甚至十万小时,而改变接线的速度则极为迅速。它是由计算机简化而来的，又有着诸多自身独特的优势。如下所述：（1）系列化。各大生产公司一般都有小型、中型、大型三种系列产品。（2）多处理器。一般小型机是单处理器系统中型机是双处理器系统,包括位处理器和字处理器大型机则为多处理器系统,由字处理器!位处理器和浮点处理器等组成。（3）较大的存储能力。（4）很强的I/O口。（5）智能外围接口。（6）网络化。PLC可连成功能很强的网络系统,一般有低速网络和高速网络两种。这两类网络可级连,网上可兼容不同类型的和计算机,从而组成控制范围很大的局域网络。（7）紧凑及高可靠性。（8）通俗化的编程语言和丰富的指令。2.2 PLC的工作原理PLC通电后，需要对硬件和软件做一些初始化工作。为了使PLC的输出及时地响应各种输入信号，初始化后PLC要反复不停地分段处理各种不同的任务，这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。整个扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段，全过程扫描一次所需要的时间称为扫描周期。内部处理阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器等。在通信服务阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令、更新编程器的显示内容等。当PLC处于停止(STOP)状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在PLC处于运行(RUN)状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。1、初始化过程。与其它单片机运行一样，上电运行或复位时进行处理。（1）硬件初始化，复位输出输入模块，清零。（2）清除数据区。（3）输出输入地址分配。2、扫描过程。（1）扫描输入，将输入口状态读入至输入口映像区。（2）时钟处理，特殊寄存器更新。（3）执行用户程序 。（4）输出，将输出口映像区输出至输出端口刷新。（5）自诊断检查。3、出错处理。检查PLC内部电路 CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通讯异常。致命错误，CPU强制STOP方式，所有扫描停止。图2-2 小型PLC的典型工作过程可编程控制器是以微处理器为基础8，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。它面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。PLC控制技术代表着当前程序控制的先进水平，PLC装置已成为自动化系统的基本装置。2.3 PLC的外围接线及各部分细节PLC的外围接线图图2-3 PLC的外围接线原理图2.4 PLC的编程语言1. 顺序控制用的梯形图用以进行逻辑运算,完成时间上的顺序控制。2. 适用于数值控制的系统流程图,具有算术运算、比较、滤波等功能。3. 类似汇编语言的指令表。4. 高级编程功能语言。本文主要重点介绍指令语句表语言和梯形图语言编程。2.5 梯形图的编程规则梯形图语言作为一种标准PLC编程语言，在编制时必须遵循一定的规则，具体如下：1. 梯形图的每一行指令都在母线右边开始画起。2. 输出指令不能直接跟母线连接。3. 触点应在水平线上，不能在垂直分支上，且应遵循自左至右、自上而下的原则。4. 不包含触点的分支应放在垂直方向，不可放在水平位置，以便于识别触点的组合和对输出线圈的控制路径。5. 在有几个串联回路相并联时，应将触点最多的那个串联回路放在梯形图的最上面；而在有几个并联回路相串联时，应将触点最多的并联回路放在梯形图的最左面。6. 不能将触点画在输出线圈的右边，线圈仅能画在同一行中所有触点的最右边。示 例：2-4 梯形图和指令表简图第3章 变频器简介3.1 变频调速的概述传统调速系统中，直流调速以其控制容易，调速精度高等特点长期占据了主导地位，但是由于结构复杂，过流能力不强，环境适应差，难以实现高速度化等原因，一直限制了其应用范围的进一步扩大。相比较而言，交流异步电机具有环境适应能力强、过流能力大、牢固耐用、结构简单、容易维护及价格低廉等优点，但异步电机的调速性能难以满足生产要求。随着电力电子器件的产生和控制理论的飞速发展，现代控制理论越来越多的应用到交流调速系统中，使得交流调速性能可以和直流调速相媲美、相竞争，交流调速系统的应用领域不断扩大。近年来，电力电子技术的发展和DSP微处理器的推出，更为高性能交流调速系统的实现奠定了基础，目前己经进入了实用化阶段，作为众多调速方案之一的变频调速，其发展不超过40年，却取得了长足的进步，变频调速以其节能和可平滑调速，调速范围宽等优点得到了广泛的应用。3.1.1 变频器的基本结构变频器由变流器、平滑电路、逆变器、控制器四大部分组成，变流器将交流电变为直流电，平滑电路将此直流电平滑后，由逆变器将它变换为频率可调的交流电，向电动机提供电压、电流和频率。图3-2 变频器的基本结构3.1.2 变频器的选择正确选择通用型变频器对于传动系统能够正常运行时至关重要的，首先要明确使用通用变频器的目的，按照生产机械的类型、调速范围、速度响应和控制精度、启动转矩等要求，充分了解变频器所驱动负载特性，决定采用什么功能的通用变频器构成控制系统，然后决定选用哪种控制方式最合适。若对通用变频器选型、系统设计及使用不当，往往会使通用变频器不能正常的运行、达不到预期目标，甚至引发设备故障，造成不必要的损失。另外，为了确保通用变频器长期可靠的运行，变频器的地线的连接也是非常重要的。3.2 变频器的参数设置如果所用的变频器刚刚出厂的变频器，则需对它进行快速调试，试验中用到的变频器都已经完成了快速调试。表3-1 变频器的快速调试序号变频器参数出厂值设定值功能说明1P0304230380电动机的额定电压( 380V )2P03053.250.35电动机的额定电流( 0.35A )3P03070.750.06电动机的额定功率( 60W )4P031050.0050.00电动机的额定频率( 50Hz )5P031101430电动机的额定转速( 1430 r/min )6P100021频率设定为键盘设定值7P108000电动机的最小频率( 0Hz )8P10825050.00电动机的最大频率( 50Hz )9P11201010斜坡上升时间( 10S )10P11211010斜坡下降时间( 10S )11P070022由端子输入12P070111ON接通正转13P07021211反向点动14P10585.0030正向点动频率（30Hz）15P10595.0020反向点动频率（20Hz）16P106010.0010点动斜坡上升时间（10S）17P106110.005点动斜坡下降时间（5S）注:（1）设置参数前先将变频器参数复位为工厂的缺省设定值。（2）设定P0003=2 允许访问扩展参数。（3）设定电机参数时先设定P0010=1(快速调试),电机参数设置完成设定P0010=0(准备)。3.3 变频器在调速系统中的优点1控制电机的启动电流。2降低电力线路的电压波动 。3启动时需要的功率更低。4可控的加速功能 。5可调的运行速度。6可调的转矩极限。7受控的停止方式。8节能。9可逆运行控制。10减少机械传动部件。11. 调速平滑、调速范围大。12. 调速精度高。13. 动态品质好。14. 节电效果显著。15. 易实现电动机的换向。3.4 交流电动机变频调速控制技术的发展阶段1. 第一个阶段为电压/频率(U/f)恒定控制。2. 第二个阶段是矢量变换控制。3. 第三个阶段为直接转矩控制，也叫直接自控。3.5 变频器MM420的控制面板在本系统中，选用了由西门子生产的通用变频器MM420。变频器MM420 为我们提供了很好的BOP控制面板具体如下图：图3-1 BOP控制面板操作步骤如下：1. 按 （功能键），最右边的一个数字闪烁。2. 按 / ，修改这位数字的数值。3. 再按 （功能键），相邻的下一位数字闪烁。4. 执行2至4步，直到显示出所要求的数值。5. 按 ，退出参数数值的访问级。3.6 变频调速原理异步电机的VVVF调速系统一般简称变频调速系统 。由于在变频调速时转差功率不变，在各种异步电机调速系统中效率较高，同时性能也最好，故是交流调速的主要发展方向。交流调速系统的控制量最基本上是转矩、速度、位置，根据不同的用途适当组合可构成各种闭环系统。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。 n=60 f (1-s)/p 式（3-1）对于成品电机，其磁极对数p已经确定，转差率s变化不大，故电机的转速n与电源的频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机的调试目的。式中f 定子绕组电源频率；P电机磁极对数。异步电动机转差率； 式（3-2）则异步电动机转速； 式（3-3）由上式可知，异步电动机调速方法有如下几种：1.变同步转速：变极p、变频、2.变转差率: 定子调压、转子串电阻、电磁转差离合器、串极调速。3.6.1 变频器的工作原理变频器的工作原理是把市电（380V 、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO、GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电。3.7 变频调速技术的发展现状从80年代初通用变频器问世以来，经过近20年，通用变频器更新换代了五次:第一代是80年代初模拟式通用变频器，第二代是80年代中期数字式通用变频器；第三代是90年代初智能型通用变频器:第四代是90年代中期的多功能型通用变频器，最近研制上市第五代集中通用变频器。通用变频器的发展情况可以从几个方面来说明：1. 通用变频器的应用范围不断扩大。2. 通用变频器使用的功率器件不断更新换代。3. 通用变频器的控制技术性能达到了直流电机调速水平。目前国外变频调速技术发展较快，性能也非常好，在各行各业中得到了广泛的应用，如日本富士、瑞典ABB等变频调速系统应用领域非常广泛。国内变频调速技术发展较慢，产品性能较差，很难满足连续化工生产的需求，而且无法实现闭环自动控制。因此国内使用单位主要以进口为主，很少使用国内生产的产品。16 第4章 总体设计方案本次设计是实现控制变频调速系统，选用PLC和变频器的组合可完成数字量的输入，实现模拟量和数字量的输出控制。可以通过对频率的调节来实现对速度的控制，使得速度变化更加平滑和实现精确调速。4.1 系统流程框图图4-1系统流程框图4.2 设计步骤1. 使用PLC的两个输入点I0.0和I0.1分别作为系统的启动和停止信号的输入点。2. 使用PLC的一个模拟量输出点AQWO作为使电机正转启动的输出信号，接到MM420变频器的AIN1+，AIN1-端子上。3. 调节变频器使其输出频率受模拟量输入电压控制。4. 然后编制输出按时间函数循环的梯形图程序。5. 最后调试并运行。4.3 硬件部分设计4.3.1 PLC外部接线图图4- 2 PLC外部接线4.3.2 系统主电路图图4-3 系统主电路图4.3.3 系统控制电路图图4-4 系统控制电路图4.3.4 标度变换输出范围：0-10V所对应的十进制数为：00000-32000；标度变换公式：V=AIWO/3200；4.3.5 模拟输出信号规格图图4-5 输出规格图如果设置值超过下面提供的规定，将发生输出设置错误，并将输出有输出保持功能规定的输出量。根据设计要求选取输出范围：0-10V。4.4 系统控制要求1. 变频调速器受0-10V输入电压控制：0V输出频率为0HZ，对应同步转速为0 r/min；5V输出频率为50HZ，对应同步转速为1500 r/min；10V输出频率为100HZ，对应同步转速为3000 r/min；输入电压与输出频率按线性关系变化。 2. 要求输出转速按函数变化，请编写控制程序，并完成调试。3. 按照图4-2 转速与时间的函数关系运行，重复上述过程.。图4-6 转速与时间的函数关系4.5 控制系统总体设计基于PLC的矿井提升机变频调速控制系统由动力装置、液压站、变频器、操作台和控制监视系统组成。图4-7 控制系统框图4.5.1 系统软件编程系统的软件设计是根据系统给定的时间函数运行的，所以软件的设计主要是以时间原则来设计。主体程序包含四个主要部分：1. 控制主程序、0-20秒上升子程序、30-40秒下降子程序、60-65秒下降子程序。2. 部分程序（0-20秒上升子程序）如下：LD SM0.0AN T96TON T32, 5R C3, 1Network 2 LD T32= M0.1TON T96, 5Network 3 LD M0.1LD C1CTU C1, 2000Network 4 LD SM0.0MOVD 12, VD70DTR VD70, VD70Network 5 LD SM0.0ITD C1, VD60DTR VD60, VD60MOVR VD60, VD80*R VD70, VD80ROUND VD80, VD80Network 6 LD SM0.0DTI VD80, VW90MOVW VW90, AQW04.5.2 T形图第5章 人机交互界面5.1 触摸屏概述随着计算机技术的普及，在90年代初，出现了一种新的人机交互技术触摸屏技术。利用这种技术，使用者只要用手指轻轻地触碰计算机显示屏上的图符或文字，就能实现对主机的操作或查询，这样就摆脱了键盘和鼠标操作，从而大大地提高了计算机的可操作性。触摸屏是一种最直观的操作设备，只要触摸屏幕上的图形对象，计算机便会执行相应的操作。人的行为和机器的行为变得简单、直接、自然，达到完美的统一。触摸屏具有方便直观、图像清晰、坚固耐用和节省空间等优点。触摸屏的基本原理如下：用户用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏时，所触摸的位置的坐标被触摸屏控制器检测，并通过通信接口（例如RS-232CRS-485串行口）送到CPU，从而得到输入的信息。触摸屏系统一般包括两个部分：触摸屏控制器和触摸检测装置。触摸屏控制器的主要作用是接收来自触摸点检测装置的触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行，例如动态地显示开关量和模拟量。触摸检测装置安装在显示器的显示表面，用于检测用户的触摸位置，再将该处的信息传送给触摸屏控制器。触摸屏也从低档向高档发展，从红外线式、电阻式到电容感应式，现在发展到了表面声波触摸屏和五线电阻触摸屏，性能越来越可靠，技术越来越先进。5.2 触摸屏在工业控制中的应用PLC是一种以微处理器为基础的通用的工业自动控制装置，具有体积小、功能强、程序设计简单、维护方便、可靠性高等优点，特别适于在恶劣的工业环境使用，被称为现代工业自动化的三大支柱之一。很多工业被控对象要求控制系统具有很强的人机接口功能，用来实现操作人员与计算机控制系统之间的对话和相互作用。它们用来显示控制器的I/O 状态及各种系统信息，接收并执行操作人员发出的各种命令。很多设备需要在现场环境使用的人机接口装置，它们一般安装在控制屏上。触摸屏的按键在屏幕上，总的面积小，每个画面可以设置不同的按键，每个按键的意义可由用户设置，使用直观方便，可以在恶劣的工业现场环境下使用，在工业控制中得到广泛的应用。触摸屏是在操作人员和机器设备之间作双向沟通的桥梁，用户可以自由的组合文字、按钮、图形、数字等，来处理或监控不断变化的信息。过去的操作界面需要熟练的操作员才能操作，而且操作困难。使用触摸屏和计算机控制后，能明确告知操作员机器设备目前的状况，给出操作的提示，使操作变得简单生动，可以减少操作失误，即使是新手也可以很轻松的操作整个机器设备。使用触摸屏还可以使机器的配线标准化、简单化，用画面上的按钮和指示灯等代替相应的硬件元件，减少PLC 所需的I/O 点数，降低系统的成本。由于显示面板的小型化及高性能，提高了整套设备的附加价值。5.3 PWS3261触屏简介DELTA公司生产的PWS-3261触屏式彩色HMI是免维护型工业级可编程终端，适合于在恶劣的工业环境下使用。它可用于振动、潮湿和高粉尘的环境中作为监控和人机操作介面，可以显示状态、故障和过程变量，显示文字、曲线和图形。操作人员可在触摸屏上实现对工业生产现场的过程控制，操作简便易学，方便直观。触摸屏上的触摸键取代了传统的控制面板功能，可使操作者把触摸屏当作一个操作面板，只要操纵触摸屏上配置的虚拟按钮，即可进行简单直观的操作。输入给触摸屏的数据可以传递给PLC，省去了大量现场的硬件按钮开关、数字设定等易损器件，大大提高了系统的可靠性，使系统尽可能地工作于最佳状态。本系统以西门子S-200系列PLC为控制核心，配以DELTA公司的PWS-3261型HMI，二者通过RS485接口互连，传输速率为9600 bps，8位偶校验，1位停止位。RS485的PLC站号为2，PWS端通信口为COM2。HMI的监控及参数设置画面在计算机上使用ADP 6.0编程软件进行规划、定义和编制，通过这些图形介面完成系统的现场监控和参数设置。系统通过对HMI画面上所设元件属性和与PLC的数据交换地址的定义，实现HMI相关元件对应的暂存器对PLC存储单元的读写。通过HMI上的软键盘对矿井提升机的动作进行控制。对PLC内部的数据以位、字节、字或双字及无符号方式，以BCD码数据格式、二进制数据格式进行数据读写控制。5.4 触摸屏在矿井提升机控制系统中的应用根据矿井提升机对控制系统的要求，本系统的控制界面设计如图5-1所示。控制面板主要包括启动、停止、正转、反转、时间和日期显示等。控制面板设定了一些功能按钮。通过时间设置按钮操作人员可以很方便地设置时间。操作面板上还有一个仪表可以显示出电机的转速。图5-1 控制面板主