（电气工程专业论文）基于plc和变频器的印染设备电气控制系统的设计和应用.pdf

a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e sa d e s i g n w h i c h p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) m a d e u s e sf p os e r i e sm o d e lf p o 14 c r s b yp a n a s o n i co fj a p a n ，a n dm t 5 0 0s e r i e s m o d e lm t 5 0 6 l vt o u c hp a n e lm a d e b yw e i n v i e wo ft a i w a n ，a n dv f n c1s - - 2 0 0 7 p i n v e r t e rm a d eb yt o s h i b ao f j a p a nt oc o m p l a t et h ec o n t r o lo ft h ea u t o r e g u l a t i v e w a t e r w o r k s w eh a v ef i n i s h e dt h eh a r d w a r ed e s i g na n d s o f t w a r ep r o g r a m m i n g ，a n d t h e nw eh a v ed e b u g g e da n dt e s t e dt h ew h o l e s y s t e m t h es p e e d t r a c k i n gc o n t r o l l e rc o n s t i t u t e so fp l ca n df r e q u e n c y - c o n v e r t e r s w e c a nu s et h i sd e v i c et oc o n t r o lt h et h r e e p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o ri no r d e rt o 1 m p l e m e n tt h es t e p l e s ss p e e dr e g u l a t i o n a l s ow ec a nd i r e c t l yi n p u th u m i d i t yv a i u ei n t h et o u c hd i s p l a ys c r e e nw h i c hh a sb e e na d o p t e d a st h em a n m a c h i n ei n t e r f - a c et o i m p l e m e n ts t e p l e s ss p e e dr e g u l a t i o nc o n t r o l m o r es i m p l ea n dm o r ec o n v e n i e n t o ft h em o t o lw h i c he n a b l et h eo p e r a t i n g t h ep a p e rd e s c r i b e st h ed o m i n a n tf a c t o rt h a ti n f l u e n c e dp l c c o n t r o ls y s t e m r e l i a b i l i t ya n dg i v e sm e t h o d sa n dm e a s u r e sf r o mp l ca n df r e q u e n c yc o n v e r t e r w o r k i n ge n v i r o n m e n t ，s h i e l d ，g r o u n d i n ga n d c o n n e c t i n gm o d e 。a n ds oo n k e yw o r d s ：v a r i a b l ef r e q u e n c ya n ds p e e dr e g u l a t i o n p l c t o u c hp a n e l i n v e r t e r c o n t r o l w a t e r w o r k s 2 第一章电气控制系统概述 1 1 工业现场控制系统的种类 目前，工业现场控制系统主要有以下几类： 1 、继电接触器控制系统 通过开关、按钮、继电器、接触器等电器触点的接通或断开来实现的各种控 制叫做继电接触器控制，这种方式构成的自动控制系统称为继电接触器控制系 统。典型的控制环节有点动控制、单向自锁运行控制、正反转控制、行程控制、 时间控制等。如图1 1 为电动机正反转控制系统。 图1 1 电动机正反转控制系统 2 、p l c 控制系统 p l c 由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的p l c 只有 开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控 制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类 机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入 p l c 的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程 要求的操作。 近1 0 年来，随着p l c 价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的 中小设备丌始采用p l c 进行控制，p l c 在我国的应用增长十分迅速。随着中国 经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内p l c 在我国仍 将保持高速增长势头。 3 、计算机控制系统( 工控机) 工业计算机控制系统( c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，简称c c s ) 是应用计算机 参与控制并借助一些辅助部件与被控对象十h 联系，以获得一定控制目的而构成的 4 系统。这里的计算机通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大型的通 用或专用计算机。辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。与被 控对象的联系和部件间的联系，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字 信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行 联系。被控对象的范围很广，包括各行各业的生产过程、机械装置、交通工具、 机器人、实验装置、仪器仪表、家庭生活设施、家用电器和儿童玩具等。控制目 的可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种要求，也可以是达到某种最优化 目标。 4 、集散控制系统( d s c ) 是以微处理器及微型计算机为基础，融汇计算机技术、数据通信技术、c r t 屏幕显示技术和自动控制技术为一体的计算机控制系统，它对生产过程进行集中 操作管理和分散控制。即分布于生产过程各部分的以微处理器为核心的过程控制 站，分别对各部分工艺流程进行控制，又通过数据通信系统与中央控制室的各监 控操作站联网，因此也称集散控制系统。操作员通过监控站c r t 终端，可以对全部 生产过程的工况进行监视和操作，网络中的专业计算机用于数学模型或先进控制 策略的运算，适时地给各过程站发出控制信息、调整运行工况。 1 2 p l c 与其他工业控制系统的比较 1 、p l c 与继电一接触器控制系统的比较 继电一接触器控制系统的控制性能与p l c 相比，存在着质的差别，如表1 - 1 所示。 表卜1p l c 与继电器控制功能和特点的比较 比较项目继电一接触器控制p l c 控制 控制功能的实现通过对继电器进行硬接软件编程实现所需控制 线完成相应的控制功能 要求 对生产工艺变化的适应需进行重新设计与接线， 只需对程序进行修改，适 性适应性差 应性强 可靠性 元器件多、触点多、容易采用大规模集成电路，绝 出现故障大部分是软继电器，可靠 性高 实时性机械动作时间常数大，实微处理器控制，实时性好 时性差 灵活性差 具有种类齐全的扩展单 元，控制灵活 复杂控制能力极差很强 占用空间与安装时间控制柜体积大、笨重，安体积小、重量轻，安装工 装施工工作量大作量小 维护复杂、工作量大工作量小 使用寿命易损，寿命短寿命长 价格较低较高 2 、p l c 与计算机控制系统的比较 通用计算机具有十分强大的计算与处理能力，同时数据处理的速度己达到极 高的水平，但是应用通用计算机进行工业控制，在很多方面远远没有p l c 功能强 大，表卜2 给出了它们的对比。 表1 - 2p l c 与计算机控制系统功能和特点的比较 比较项目通用计算机 p l c 工作方式中断方式扫描方式 编程语言汇编语言、高级语言语句表、梯形图等 系统软件功能强大，但占用存储空功能专用，占用存储空间 间过大小 对使用者的要求需进行专门的学习培训 语言易学，稍加培训即可 才能掌握使用 工作环境 要求较高可直接在工业现场环境 下工作 可靠性 商业级要求 工业级，且有多种特殊设 计，包括w d t 功能 适用领域 办公、管理、科学计算、工业控制 家庭等 价格i 锸较低 3 、p l c 与集散控制系统的比较 集散控制系统是专门为工业过程控制设计的过程控制装置，它的主要应用场 合是连续量的模拟控制，而p l c 的主要应用场合是开关量的逻辑控制，因此，在 设计思想上有一定区别。 p l c 是按扫描方式工作的，集散控制系统是按用户的程序指令工作的。因此， p l c 对每个采样点的采样速度是相同的，而集散控制系统中，可根掘被检测对象 的特殊性采用不同的采样速度。此外，在集敝控制系统中，可有多绂优先级中断 6 的设胃，而儿( 通常下聚用中断力式。在存储器的容晕上，山- j 。i i lc 所。并的运算 火寥是逻辑运算，田此，所需的存储器弈舒较小，而集散控制系统需进行人呈的 数学运算，存储器容量较九。 除了部分分散过程控制装置安装在现场，需要技现场的1 。作环境| 殳汁外，集 散 孛制系统是技照立装在控制室设计的，而p l c 是按照在现场工作环境的要求设 的，因此，对厄器件的可靠性方面有专门的考虑，在可靠性方嗬两者都柯较高 的要求。 1 3 纺织印染行业对织物加湿的现状 在纺纵印染过程中，连续浸 l e i j 染加工牛产线窖易造成织物经向缩水率过 人，进而使服装严重变形而无浊穿着，对装饰用布加工也有同样的缺陷。对缩水 率较大的产品，一般在成品前经过预缩机处理。过程中先将彭l 物经过个汽蒸箱 进行迅述加湿，再经顸缩橡胶毯加r 一定热压，使织物产生经阳收缩。实践i l l 明， 需要预缩的织物获得一定的含水最对预绵教粜产牛重要影响。乐j ；l j 汽蕉箱( 见图 卜2 、i 刳】一3 ) ，如果容却量小了，布的加湿娥果不明显：容布景大了，反埘会使 经向拉仲，效果更币好。 蚓1 2 汽燕 i f 【z x 2 6 2 6 图卜3m h 9 0 0 型复含汽蕊箱 白的_ lj 采用喷嘴( 见图1 4 ) 直接喷雾，但由 + 喷雾均匀性小蚶容易在 m 面彤成水渍，另外喷雾量大小也小易掌挥。 、o 多 j ， 圈i - 4 喷嘴 近年来，在进ii 的预缩机上大部分配有瑞士威可( w e k o ) 制造的喷盘式均匀给 湿机，对提高预缩教果起到了报大作用。威可自动化摔制程度报陆且能独立运行 的唢髓武均匀给泓机呆用特殊结构的喷盘、自动化给澉系统和控制系统，将液汪 入喷髓在喷盘5 0 0 0 r p m 的高速作h 下形成平整的喷洒面，均匀喷射于织物上， 由于形成的极细雾耗冉足够的冲量，因此能确供极细雾粒被唢射丁织物纤维叫。 政机喷量可按工艺要求在小丁织物重量4 0 给液量范同内设定运转中依l 机台 速度变化岍自动调整给液量，确保左、巾、冉和前后给液最均匀一致 同前， 威可制造的喷盘式均匀给渝机除用j ：预绵机外，碰j 泛用j 拉幅定型帆、轧光 机、燕昵机、蕉化机等一j f 需婪绪湿的i 。2j ：。该机t - n l 方便地城在 机j ，也 以一成钉1 机，给f 道t 穿需耍一定m 班的纵物加湿。 4 基于p l c 及变频器的印染设备电气控制系统 进ii 预缩 = l t # 格较高+ 为节约牛j “成小、提留时够! 物的加湿质 m 要根m 决向世款ii 劬化；m 使系统干控制系统，l e 蚧液： 能拔1 z 篮球n 定j 也 f_川“引嘲崮刚刚刚 围内设定，运转中依主机台速变化而自动调整给液量，并确保左、中、右和前后 给液量均匀一致。 根据前述各类控制系统的种类和比较，考虑到继电一接触器控制系统难以完 成较复杂的控制任务，计算机控制系统和集散控制系统在实际应用中档次偏高， 此外，p l c 与计算机控制相比，具有以下优点：( 1 ) 、对低端应用，p l c 具有极 大的性能价格比优势。工控机的价格较高，将它用于小型开关量控制系统以取代 继电器控制，无论是在体积和价格上都很难接受，可靠性也远不如p l c 。( 2 ) 、 p l c 的可靠性无可比拟，故障停机时间最少。基于w i n d o w sn t 2 0 0 0 x p 操作系 统的计算机控制系统，在实时任务处理、长期稳定运行、抗病毒和恶意攻击等方 面还存在较多的问题。( 3 ) 、p l c 是专为工厂现场应用环境设计的，结构上采取 整体密封或插件组合型，对印刷板、电源、机架、插座的制造和安装，均采取了 严密的措施。( 4 ) 、p l c 使用专门为工控设计的各种编程语言，这些语言简单易 学。工控机如果用v b 、v c 等语言来编程，需要花更多的学习时间，编程的效 率也没有p l c 高。如果使用w i n d o w s 操作系统，其稳定性远远不如p l c ，时间 控制的精度也较差。工控机可以用组态软件来编程，但是每套组态软件只能用于 一个控制系统，需要的软件费用较高。 综上所述，采用p l c 控制系统具有较大的优势。 自动控制系统的总体设计思想为：测速装置安装在定型机、预缩机等施工设 备上。控制装置安装在施工设备旁边，其结构如图1 5 所示。 各部分助能如下： 图1 - 5 自动控制系统结构 9 增压泵( 1 ) 抽取液槽( 2 ) 中的液体或水，通过过滤器( 3 ) 输送到喷盘架 ( 4 ) 上安装的各个喷盘( 5 ) 中。当平幅运行的织物( 6 ) 通过时，液体便以雾 状喷射其上。未被喷射到织物上的液体则通过回流管( 7 ) 流回到液槽。通过预 过滤器( 8 ) 清除回流液体中的杂质。控制单元( 9 ) 根据布速控制喷液量及其它 相关器件，电源线( 1 0 ) 接喷盘电机，当其得电时电机运行，使喷盘高速旋转喷 出雾状液体，电源线( 1 1 ) 控制增压泵的运行，信号线( 1 2 ) 一边与接近开关( 1 3 ) 相连，另一边向控制单元( 9 ) 输入织物移动速度开关量信号。 其中电气控制系统的结构框图如图1 6 所示 图1 - 6 电气控制系统结构 各部分功能为：“触摸屏 用来输入湿度设定值并用于观察机器运行状态数 据；“主令开关”向p l c 发出指令控制设备的运转；“接近开关”用于测速；“p l c ” 根据外部输入信号及内部程序向“变频器”、“喷盘电机”、“报警器”、“电磁阀” 发出动作指令。 1 0 第二章变频器、p l c 的基本组成和工作原理 2 1交频器的基本组成和工作原理 变频器的结构图如图2 i 所示。 运转指令控制电路a 控制电路b 图2 1 变频器的结构 通常由变频器主电路给异步电动机提供调压调频电源。此电源输出的电压或 电流及频率，由控制电路的控制指令进行控制。而控制指令则根据外部的运转指 令进行运算获得。对于需要更精密速度或快速响应的场合，运算还包含由变频器 主电路和传动系统检测出来的信号和保护电路信号，即防止因变频器主电路的过 电压、过电流引起的损坏外，还应保护异步电动机及传动系统等。 2 2p l c 的基本组成及工作原理 p l c 生产厂家很多，产品结构也各不相同，但其基本组成部分大致如图2 2 所示。 图 图2 2p l c 的典型结构 c p u 的主要任务是：( 1 ) 、接收从编程器输入的用户程序和数据，送入存储 器存储；( 2 ) 、由扫描方式接收输入设备的状态信号，并存入相应的数据区；( 3 ) 、 监测和诊断电源、p l c 内部电路的工作状态和用户编程过程中的语法错误等； ( 4 ) 、执行用户程序，从存储器逐条读取用户指令，完成各种数据的运算、传送 和存储等功能；( 5 ) 、根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出映像 寄存器表的内容，再经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。 存储器主要用于存放系统程序、用户程序和工作状态数据。系统存储器用来 存放由厂家编写的系统程序，并固化在r o m 内，用户不能访问和修改这部分存 储器的内容，它使p l c 具有基本的功能，能够完成p l c 设计者规定的各项工作。 用户存储器包括用户程序存储器( 程序区) 和数据存储器( 数据区) 两部分，用 户程序区用于存放经编程器输入的应用程序，数据区用于存入p l c 在运行过程 中所用到的和生成的各种工作数据。 编程器是p l c 的重要外部设备，利用编程器可将用户编写的程序送到p l c 的用户程序存储区，还可以用编程器检查、修改和调试程序；利用编程器可监视 程序的执行过程；可通过键盘调入及显示p l c 的状态、内部器件及系统的参数， 它通过接口与c p u 联系，实现人机对话。许多厂家对自己的p l c 产品设计了计 算机辅助编程支持软件，当个人计算机安装了p l c 编程支持软件后，也可用作 图形编程器，可编辑、修改用户程序，进行计算机和p l c 之间程序的相互传送， 监控p l c 的运行，并在屏幕上显示其运行状况，还可将程序存储在磁盘上或打 印出来。 电源模块将交流电源转换成供c p u 、存储器等所需的直流电源，是整个p l c 的能源供给中心。 输入接口电路：利用由发光二极管和光电三极管组成光电耦合电路，将限位 开关、触点、按钮、接近开关等现场输入设备的控制信号转换成c p u 能接受和 处理的数字信号。 输出接口电路：采用光电耦合电路，将c p u 处理完的信号转换成现场需要 的强电信号输出，用以驱动执行元件( 如继电器、电磁阀等外部设备) 的通断电。 通信接口：为了实现“人机”或“机机”之间的对话，p l c 配有多 种通讯接口，p l c 通过这些通讯接口可以与监视器、打印机、其他的p l c 或计 算机相连。 扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使p l c 的配置更 加灵活以满足不同控制系统的需要。 2 3 变频器与p l c 的数据通信 p l c 控制变频器的方法有： ( 1 ) 开关量信号控制变频器。p l c 的输出点、c o m 点直接与变频器的“正 转”、“反转”、“高速”、“中速”、“低速”等端口分别相连。p l c 可以通过程序控 制变频器的正转、反转、停止，也可以控制变频器高速、中速、低速端子的不同 组合，实现多段速度运行。因为它是采用开关量来实施控制的，其调速曲线不是 一条连续平滑的曲线，也无法实现精细的速度调节。 ( 2 ) 模拟量信号控制变频器。p l c 配置模拟量输出模块，通过模拟量输出 模块输出的直流电压或电流送给变频器的模拟电压电流转速给定输入端，用模 拟量输出控制变频器的输出频率。这种控制方式的优点是p l c 程序编制简单方 便，调速曲线平滑连续，缺点是在大规模生产线中，当控制电缆较长，尤其是 d a 模块采用电压信号输出时，线路有较大的电压降，影响了系统的稳定性和可 靠性，此外，p l c 的模拟量输出模块价格较高。 ( 3 ) 用高速脉冲输出信号作为频率给定信号。某些变频器有高速脉冲输入 功能，可以用p l c 输出的高速脉冲的频率作为变频器的频率给定信号。 ( 4 ) 用串行通信提供频率给定信号。通过通信，p l c 和变频器之间还可以 传送大量的参数设置信息和状态信息。如果p l c 和变频器都自带串行通信接口， 并且可以使用相同的通信协议，硬件上不需要增加额外的开销。只是熟悉通信协 议和设计通信程序需要一定的专业知识，可能要花较多的时间。串行通信接口有： r s 2 3 2 接口、r s 4 8 5 接口、r s 4 2 2 接口。 第三章电气控制系统电路设计 3 1 元器件的选用 3 1 1 变频器的选用 在电路设计时，变频器的选用主要考虑了以下三个因素： 1 、变频器类型 正确选用变频器的类型，首先按照生产机械的类型、调速范围、静态速度精 度、起动转矩的要求，然后决定选用那种控制方式的变频器最合适。所谓合适是 既要好用，又要经济，以满足工艺和生产的基本条件和要求为前提。表3 - 1 为不 同类型变频器的主要性能、应用场合： 表3 - 1 不同类型变频器的主要性能、应用场合 控制方式u fu f电压电流直接 开环闭环相量相量转矩 速度控制 1 ：4 01 ：6 0l ：1 0 01 ：1 0 0 01 ：1 0 0 范围 起动转矩 1 5 0 1 5 0 在3 h z 1 5 0 2 0 0 在2 0 0 在o h z 在3 h z在3 h z 3 h z 静态速度 ( 2 ( 0 2 、0 3 ) 0 20 0 20 2 3 ) 精度( ) 反馈装置不要 p i d 调节器 不要编码器不要 主要应用一般 保持压力、温度、 一般高精工起重机械、 风机、 流量( 较高精度 工业 业设备 电梯、轧机 场合 设备等设备泵类调速，控制) 本文设计的控制系统中，变频器所带负载为水泵，即为泵类负载，故控制方 式为u f 丌环。 2 变频器功率 从效率角度出发，在选用变频器功率时，主要考虑了以下几点： ( 1 ) 变频器功率值与电动机功率值相当时最合适，以利变频器在高的效率值 下运转。 1 4 ( 2 ) 在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时，则变频器的功率要尽 可能接近电动机的功率，但应略大于电动机的功率。 ( 3 ) 当电动机属频繁起动、制动工作或处于重载起动且较频繁工作时，可 选取大一级的变频器，以利变频器长期、安全地运行。 ( 4 ) 若电动机实际使用功率有富余，可以考虑选用功率小于电动机功率的 变频器，但要注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护动作。 3 变频器箱体结构 变频器的箱体结构要与环境条件相适应，即必须考虑温度、湿度、粉尘、酸 碱度、腐蚀性气体等因素，这与能否长期、安全、可靠运行有很大关系。常见有 下列几种结构类型： ( 1 ) 敞开型：本身无机箱，适用装在电控箱内或电气室内的屏、盘、架上， 尤其是多台变频器集中使用时，选用这种型式较好，但环境条件要求较高： ( 2 ) 封闭型：适用一般用途，可有少量粉尘或少许温度、湿度的场合： ( 3 ) 密封型：适用工业现场条件较差些的环境； ( 4 ) 密闭型：适用环境条件差，有水、尘及一定腐蚀性气体的场合。 选用变频器时按负载的特性，可选用的品牌较多，本着满足功能要求、使用 方便、体积小巧、经济实惠的原则，本控制系统选用东芝v f n c l 变频器。东芝 v f n c l 变频器具有以下特点： ( 1 ) 面板简洁。除了有t o s h i b a 字样外，薄膜按键开关，m o n ( 主菜单) 、 八( 上升) 、v ( 下降) 、e n t ( 确认) 、r u n ( 绿色运行) 、s t o p ( 红色停止) ，中 间一个旋钮，操作起来十分方便顺手，而且可以简化面板的作用。键盘清楚、简 洁、一目了然。 ( 2 ) 体积小巧。东芝v f n c l s - 2 0 0 7 p 体积为7 2 m m ( 宽) 幸1 4 2 m m ( 高) 枣1 3 7 m m ( 深) ，几乎是小型变频器的极限。 ( 3 ) 机身材料大部分是合金材料，耐用、轻巧。内部电路采用高集成电路 ( l s i ) ，令变频器更为轻小，机身更轻 ( 4 ) 符合多项主要国际标准：u l c s a ，c e 和c t i c k 。 ( 5 ) 高载波频率能力使电机可昕噪音大大降低。 ( 6 ) 内置累计运转计时器便于定期维护。 ( 7 ) 可检测出4 2 0 m a 模拟输入信号的断线。 ( 8 ) 把内置噪音滤波器的欧洲模式系列化，使其抗干扰，噪音大大降低。 ( 9 ) 方便布线和安装。 ( 1 0 ) 向导功能使参数设置更加简化，具备泵和风机设备p i 控制功能。 ( 1 1 ) 标准配备用于网络连接的串行通信端口。 3 1 2p l c 的选用 在选择p l c 型号时，主要考虑了如下几个因素： 一是对哪一家公司哪个型号的p l c 了解得多，特别是对它的指令和编程软 件熟悉，则优先考虑。因为从可靠性、性能指标上各家公司的产品大同小异； 二是选用品牌知名度较高的产品； 三是要考虑输入输出端口数量的要求； 四是考虑输入输出端口容易匹配的要求。例如：方便与触摸屏通讯，触摸屏 编程时“设置系统参数”菜单项中该类型的p l c 为其默认“p l c 类型”之一， 以便于程序设计和实际应用。 五是考虑对p l c 通信联网功能的要求。如果p l c 需要与别的设备通信，需 要考虑p l c 的通信联网功能，例如其有什么样的通信接口，最多可以配置多少 个接口等。 考虑到上述因素，结合“体积小巧、价格实惠”的原则，本文选用松下 f p 0 c 1 4 c r s 可编程控制器。其特点有以下几点： ( 1 ) 丰富的指令系统。有1 9 0 多条指令，除能实现一般逻辑控n j i - ，还可 进行运动控制、复杂数据处理，可直接控制变频器实现电动机调速控制。 ( 2 ) 快速的c p u 处理速度。其运行速度在同类产品中是最快的，每个基 本指令执行速度为0 9 微秒，5 0 0 步的程序只需0 5 毫秒的扫描时间，还可读取 短至5 0 微秒的窄脉冲，即f p 0 有脉冲捕捉功能。 ( 3 ) 大程序容量。具有5 0 0 0 步的大容量内存及大容量的数据寄存器，可 用于复杂控制及大数据处理。 ( 4 ) 功能强大的编程工具。无论采用的是手持编程器还是编程工具软件， 其编程及监控功能都很强，其编程软件除已汉化的d o s 版n p s t - g r 外，还有 w i n d o s w s 版的f p s o f t 及f p w i n g r ，这些工具都为用户的软件开发提供了方 便的环境。 ( 5 ) 强大的网络通信功能。其编程口可以直接和p c 机或触摸屏相连，无 需适配器；另一个通信口为r s 2 3 2 c 端口，可通过设定系统寄存器n o 4 1 2 来使 用串行通信功能或计算机链接功能。 ( 6 ) f p 0 维护简单，程序内存使用e e p r o m ，无需备用电池。 3 1 3 触摸屏的选用 人机界面是在操作人员和机器设备之问用作双向沟通的桥梁，用户可以自由 的组合文字、按钮、图形、数字等来处理或监控信息的多功能显示屏幕，使用人 机界面能够明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变得简单，主动， 1 6 并且可以减少操作上的失误，即使是新手也可以很轻松的操作整个机器设备，还 可以使机器的配线标准化、简单化，同时也能减少p l c 控制器所需的i o 点数， 降低生产的成本，同时由于面板控制的小型化及高性能，相对的提高了整套设备 的附加价值。 触摸屏作为人机界面的一种，它的简单易用，强大的功能及优异的稳定性使 它非常适合用于工业环境，甚至可以用于日常生活之中。随着科技的飞速发展， 越来越多的机器与现场操作都趋向于使用人机界面，p l c 控制器强大的功能及复 杂的数据处理也呼唤一种功能与之匹配而操作又简便的人机界面的出现，触摸屏 的应运而生无疑是2 1 世纪自动化领域里的一个巨大的革新。 本论文中的电气控制系统要求触摸屏具有以下基本功能：一是开关功能；二 是数据输入功能；三是数据输出功能；四是静态显示功能；五是和p l c 的连接 方便。 市场上可供选择的触摸屏很多。考虑到价格因素及设计方便，本论文选用 m t 5 0 6 l v 触摸屏。 m t 5 0 6 l v 触摸屏显示屏为5 7 寸蓝屏单色，分辨率为3 2 0 x 2 4 0 ，触控面板为 四线电阻式，c p u 为3 2 b i tr s c ，c p u2 0 0 m h z ，内存为2 mf l a s h ，通讯口二 个：1 个p l c r s 2 3 2 1 端口，用于连接具有r s 2 3 2 通讯端口的控制器，1 个 p c i r s 一2 3 2 & p l c r s 一4 8 5 端1 5 1 ，用于连接p c 机和具有r s 4 8 5 通讯端口的外部 设备。其功能有： ( 1 ) 批示灯( p l ci o 显示、内部节点显示、多段指示灯等) ； ( 2 ) 开关( 位状态型开关、多段开关、切换窗口开关等) ； ( 3 ) 各种动态图像( 棒图、仪表、移动元件、趋势图等) ： ( 4 ) 数据显示( 数值显示、a s c i i 显示、文字显示等) ； ( 5 ) 数据输入( 数值输入、a s c i i 输入、文字输入等) ； ( 6 ) 异常报警( 报警显示、跑马灯显示、事件显示等) ： ( 7 ) 静态显示( 直线、圆、矩形、文字等) ； ( 8 ) 可以同时开启6 个窗口； ( 9 ) 可以拥有和w i n d o w s 9 8 系列操作系统一样的任务栏和快选窗口工作 按钮； ( 1 0 )利用工作按钮可以呼叫快选窗口，可在快选窗口放置要经常显示的 元件或直接切换窗口的开关。也可定义其它窗口为快选窗i s l ，然后利用切换快 选窗口】功能键来切换快选窗口； ( 1 1 ) 可在弹出窗口中放置窗口控制功能键，便弹出窗口可以最小( 大) 化，及任意移动窗口； ( 1 2 ) 留言板功能，可更改笔的粗细，颜色，并可使用橡皮擦功能等； ( 1 3 ) 在线模拟和离线模拟功能，使繁杂的程序设计变得轻松有效，并可 节约大量的工程调试时间； ( 1 4 ) 强大的3 2 位r i s c 处理器的应用使其拥有更快的处理速度； ( 1 5 ) 和绝大多数p l c 可直接连接； ( 1 6 ) e a s y b u i l d e r5 0 0 组态软件使用户能以最快的速度掌握其设计方法。 用户可以在触摸屏上以数据、曲线、图形、动画等各种形式来反映p l c 内部状 态、存储器数值，从而直观反应控制系统的流程、走向，并通过触摸屏操作改变 p l c 内部状态、存储器数值，从而对生产过程进行控制和调节。 3 2 变频器与p l c 外部电路的设计 3 2 1 变频器外部电路的设计 1 、主电路的连接 v f n c l s 2 0 0 7 p 为单相2 2 0 v 变频器，2 2 0 v 交流电源从r l 1 和s l 2 两个端 子输入，三相电动机与变频器的u t 1 、v t 2 、w t 3 相连。 p o 、p a 与直流电抗器相连。 主电路连接见图3 1 所示。 2 、控制电路的连接 f c c 之间短路使变频器工作时正转运行。 通过标准配备用于网络连接的串行通讯端口与p l c 连接，其转速受p l c 控 制，控制电路连接见图3 1 所示。 一2 2 0 v 电源 图3 1 变频器的主电路及控制电路 度1 度2 3 2 2p l c 外部电路的设计 1 、松下f p 0 c 1 4 c r s 可编程控制器的外形结构 f p 0 是超小型p l c ，虽然体积小巧但功能十分强大，其外形结构如图3 2 所 示。 状态 显示 u 如 梗式 切换 开关 编程口 连接器 r 9 2 3 2 端口 电塬 褐蓝绿 4 -一 ( 底面) ( 正面) 图3 2f p 0 c 1 4 c r s 可编程控制器的外形结构 “状态显示l e d ”用于显示p l c 当前工作状态。 “模式切换开关”处于r u n 位置时，p l c 正常工作。当处于p r o g 位置时， p l c 与计算机进行程序交换。 “输入端口”用于接收控制信号。 “输出端口”用于输出控制信号。 “编程口连接器”为r s 2 3 2 c 口，连接电脑仅需一根电缆，无需适配器。 “r s 2 3 2 端口”初始设置为不使用r s 2 3 2 c 端口，可根据系统寄存器n o 4 1 2 选 择功能( k 0 ：不使用；k 1 ：计算机链接功能；k 2 ：通用通信功能) 。其中“s ” 端用于发送数据、“r ”端用于接收数据、“g ”端为信号用接地。 “电源接连器”用于接入2 4 v 直流电源。 2 、p l c 与变频器的通信连接 在p l c 与变频器的综合应用中，比较传统的应用一般是使用p l c 的硬接点 输出控制变频器的运行及停止，使用多段速度或d a 输出控制变频器的转速变 化，在这种应用方式中，p l c 与变频器通过外部接线完成连接，不能进行内部数 据的传递；本论文采用通信控制，仅通过一条通讯电缆连接，无须其他外部接线， 不但能完成传统应用的所有功能，实现无级调速，还能进行内部的数据通信。 1 9 入口 出口 梳端 输端 、i_l_、i_ri_、 舯m船船抖豹踮盯咖如n他阳洲嘣吼 p l c 与变频器通信连接时，将r j 4 5 水晶头插入变频器的串行通信接口，另 一端接在p l c 的r s 2 3 2 端口上。 3 、p l c 与触摸屏的通信连接 把p l c 的“编程口连接器”端l ：j 与触摸屏上的“p l c r s 2 3 2 ”端i ；3 相连， 如图3 3 所示，p l c 引脚中的“s ”、“r ”、“g ”分别与触摸屏端口中的“r ”、“s ”、 “g ”相连。 p l c 编程口 触模屏 p l c r s - 2 3 2 j 端口 图3 3p l c 与触摸屏的通信连接 3 3电气控制系统的可靠性设计 影响电气控制系统可靠性的因素较多，其故障表现主要有以下几类： 第一类故障是可编程序控制器的i o 端口。虽然可编程序控制器成功之一是 在端口，它有与现场相当可靠的隔离和端口之间的隔离，端口输入输出信号与总 线信号之间的隔离，但伴随着可编程序控制器应用场合越来越广，越来越复杂， 它要克服的干扰总是没有尽头。 第二类故障多发点在阀门和闸板这一类设备。因为这类设备是关键的执行部 位，相对移动距离一般比较大，或者是经过电气转换等几个步骤才能完成阀门或 闸板位置转换，机械、电气、液压等各个环节稍不到位就可能产生误差或故障。 第三类故障多发生在开关、极限位置、安全保护、就地操作一些元器件或设 备上，原因可能是长期使用的磨损，也可能是长期不使用而锈蚀。对于这类丌关， 注意定期维护，以保证它们总是处于良好的备用状态。 第四类故障点，发生在可编程序控制器系统中的子设备，如接线盒、接线端 子、螺栓螺母等。 第五类是传感器和仪表故障。 第六类故障是电源、地线及信号线的噪声。 其余的故障有电机、设备等。 本论文讨论变频器和p l c 的可靠性设计。 2 0 3 3 1 变频器的工作环境 1 、变频器安装的环境 ( 1 ) 环境温度：变频器正常工作时环境温度要求在1 0 。c 一5 0 。c 之阃， 这是变频器内部的电子器件、功率器件所决定的，超出该温度范围，这些器件容 易损坏。 ( 2 ) 环境湿度：变频器所要求的环境相对湿度为4 0 9 0 ，如果安装处 的环境湿度过高，易使线路板腐蚀、电气绝缘破坏，造成高压打火、器件击穿、 线路短路。 ( 3 ) 安装空间：由于变频器直接与电机相连接，消耗功率较大，散发热量 较多，所以安装时应注意与周围器件保持一定距离，一般要求上下空间大于 1 2 0 m m ，左右空间大于5 0 r a m ，以利于变频器的散热。 ( 4 ) 振动要求：变频器安装场所要求振动小，如果振动过大，会使变频器 紧固件松动，损坏内部元器件。 2 、变频器箱体的安装 ( 1 ) 安装的一般要求 a 、变频器必须固定在耐热、阻燃、耐振动的坚固物体上； b 、变频器必须垂直安装； c 、变频器必须可靠接地。 ( 2 ) 安装的防护 由于本文所述控制系统中的变频器用于印染车间，为防止细小物体与较大灰 尘进入，采用挂箱式内安装。把变频器安装在电气柜内，周围留有足够的散热空 间，柜内下方与上方有遮护式的迸气孔与排气孔，在进排气孔处安装金属丝网， 且在排气孔处加装排气扇，保证排气气压，使空气对流畅通； 3 3 2p l c 的工作环境 p l c 适用于大多数工业现场，但它对使用场合、环境温度等还是有一定要求。 控制p l c 的工作环境，可以有效地提高它的工作效率和寿命。在安装p l c 时，要 避开下列场所： ( 1 ) 环境温度超过o 、5 0 的范围； ( 2 ) 相对湿度超过8 5 或者存在露水凝聚( 由温度突变或其他因素所引起的) ； ( 3 ) 太阳光直接照射； ( 4 ) 有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等； ( 5 ) 有大量铁屑及灰尘； ( 6 ) 频繁或连续的振动。 f p 0 c 1 4 c r s 可编程控制器外壳的4 个角上，均有安装孔。有两种安装方法， 一是用螺钉固定；另一种是d i n 轨道固定。d i n 轨道配套使用的安装央板，左右 各一对。在轨道上，先装好左右夹板，装上p l c ，然后拧紧螺钉。本文介绍的控 制系统中的p l c 采用d i n 轨道固定。 3 3 3 电气控制系统的抗干扰措施 在本文所述电气控制系统中，因为有变频器的使用，变频器在运行中将产生 大量的电磁噪声而对外围电子设备产生干扰，甚至产生误动作或停机。其干扰有 时能直接造成系统的硬件损坏，有时使微处理器的系统程序运行失控，从而造成 设备和生产事故。为此，在电路设计时采用了如下几项措施： l 、隔离。从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使它们不发生电 的联系。隔离措施有： ( 1 ) 使所有的信号线很好的绝缘，使其不漏电，防止由于接触引入干扰。 ( 2 ) 将不同种类的信号线分类隔离敷设，使其不在同一电缆槽中。 ( 3 ) 模拟量信号对高频的脉冲信号的抗干扰能力很差。所以在设计电路时 不使用模拟信号。 ( 4 ) 开关信号、数据通信线路( r s 2 3 2 ，e i a 4 8 5 等) 对低频的脉冲信号 的抗干扰能力比模拟信号强，在设计时采用了屏蔽双绞线连接，且单独走线，不 和动力线和大负载信号线在一起平行走线。 ( 5 ) 系统的控制电源采用隔离变压器供电，以免传导干扰。电源隔离变压 器的屏蔽层可靠接地。 2 、屏蔽。即用金属导体把要屏蔽的元件、组合件、信号线包围起来。 ( 1 ) 通信线屏蔽接地。本电路设计时采用p l c 通过r s 2 3 2 与变频器通信， 变频器通信控制信号一般低于1 0 0 k h z ，所以不用带状电缆，而采用屏蔽电缆。 ( 2 ) 传感器信号屏蔽接地。本电路设计中有速度传感器用于检测织物移动 速度，为了提高抗干扰能力，信号线采用屏蔽线。 3 、接地 安装时，将变频器、p l c 的外壳部分与地之间形成良好的电气连接，以保护 设备和人身安全。 3 4 电气控制系统总电路设计及其工作原理分析 l 、总电路图设计 电路图的核心器件为触摸屏、可编程控制器、变频器，其电路原理图如图 3 4 所示。 蜗nh 暑 礴鳖蒙甘睾艟车牛皇 n n 丑剐隧留111寸n丑 2 、工作原理分析 “总电源丌关”：用于控制整机电路的电源供应； “单相断路器1 ”：用于控制和保护变频器； “变频器”：一方面受“p l c ”程序控制，另一方面用于控制“电动机1 ” ( 水泵) 的转速： “电动机1 ”( 水泵) ：其转速受“变频器”控制，当转速增加时，喷液量增 加，当转速减小时，喷液量减少； “三相断路器”：用于控制“电动机2 ”的电源供应、同时具有保护电动 机的作用； “交流接触器”：其通断受“p l c 程序控制，从而控制“电动机2 ”( 喷 盘电机) 的运行或停止； “电动机2 ”( 喷盘电机) ：其工作受p l c 程序控制，当其工作时，带动 喷盘高速旋转，喷出雾状水珠； “单相断路器2 ”：控制“开关电源”、“p l c ”、“触摸屏”等的电源供应； “小型继电器j 1 ”：受p l c 控制，当其得电时，交流接触器工作，“电动 机2 ”工作； “小型继电器j 2 ”：受p l c 控制，当其得电时，报警器工作； “小型继电器j 3 ”：受p l c 控制，当期得电时，油泵工作，油泵控制喷盘 架中的滑板，阻止水喷向织物表面，以防止织物过分给液； “开关电源”：提供+ 2 4 v 直流稳压电源，分别送至p l c 、触摸屏、接近 开关； “p l c ”：内部程序按工作要求进行编写，分别控制变频器、小型继电器1 、 小型继电器2 、小型继电器3 。同时它的工作受到触摸屏、接近丌关( 信号从x 0 端输入) 、印染机电源开关( 信号从x 1 端输入) 的控制； “触摸屏”：内部程序按工作要求进行编写，其一方面用于显示当前工作 状态，另一方面用于调整p l c 内部程序中的数据、发布操作指令。 “电风扇”：用于电箱散热，使电箱内安装的元器件工作温度不致过高。 “接近开关”：用于检测织物的移动速度，p l c 根据其传送过来的信号来 调整喷液量； “开关k 1 ”( 主令开关) ：受印染机电源控制，用于提取丌、关机信号， 当印染机在工作或停机时，通过k 1 把信号送至p l c ，p l c 再控制相应器件的动 作。 “电源指示灯”：用于显示控制箱的通电情况。 2 4 第四章电气控制系统的软件设计及参数设置 41 东芝v f n c i s2 0 0 7 p 变频器的参数设置 变频嚣要实现正常工作井和p l c 顺利通信，参数设置是f 。分重要的h ，节。 v i 州l s - 2 0 0 7 1 ，变频器有近1 0 0 个参数值，在使用中，人多数可1 ；变动，_ ! _ 要按 出厂默认值即可，若在使用时原出厂值不合适! l ! 【j 需重新设置进仃训整。 4 1 1 、参数调整时的基本操作 l 、v f n c i 变频器具有以下= 种监控模式 标准模州： 该模式在变频器电源丌启后起动。 设霄监控模刘： 该模式j 十设置变频嚣参数。 愀态雌控模式： 泼模式用于监控变频器的所有状态。 按住变频器面板上的“m o n ” 键一u 以