(毕业论文)基于PLC的铜材成型机水平牵引电控系统的设计.doc

i 基于基于 plc 的铜材成型机水平牵引电控系统的设计的铜材成型机水平牵引电控系统的设计 摘摘 要要 本文研究的是基于高效 低耗的铜材加工新技术和新工艺 开发出自动 可靠的 控制系统 基于 plc 的铜材水平牵引变频调速控制系统 本课题主要研制铜材连铸水 平牵引机的监控系统 使铜型材在结晶器中的阻力减小 铜型材在结晶过程中晶粒细 化 从而提高成材率 本文采用变频电机实现拉 停 反推来取代炉振 打链 棘轮 或继电器方式 做到工艺既简单且准确 采用 plc 编程控制牵引电机的正转 停止 反转 停止 同时通过控制这四种状态的时间来实现牵引电机四节拍动作 并可以在 线改变铸造速度 改变牵引频率和节距 从而提高成材率 降低生产成本 本文首先介绍了课题设计的任务 然后根据任务要求 对监控系统的主要硬件做 了选型 尤其是对 plc 型号的选择 接着 本文对 plc 的自动运行 单行程运行 手 动运行的控制程序做了具体的设计 分析了在设备运行中引锭机构牵拉 停牵 反推 停推四节拍的独特流程 并在 此基础上设计出可以在线优化工艺参数的由 plc vvvf 和变频调速异步电动机组成 的引锭机构驱动控制系统 实现了连铸工艺的优质 稳定和可靠运行 针对设计中的 几个键问题提供了理论上的说明 有助于国内铜型材水平连铸产业的技术更新和发展 关键词关键词 变频器 plc 变频调速 vvvf ii the design of level electrical traction of copper molding machine control system based on plc abstract the research of this paper based on efficient and low consumption new technology of copper processing exploit reliably auto control system design of level electrical traction of copper molding machine control system based on plc the paper introduce frequency variation motor replace furnace vibration hit chain ratchet or relay with draught stop and reverse thrust achieve simple and accurate technology use dsp control draught motor to rotation stop reverse at and stop at the same time we achieve the motor four beats by control the time of the four status and increase yield reduce cost by change speed of foundry frequency and pitch of draught on line this paper first introduces the subject of the task of designing then according to the mission requirements we will do the monitoring system hardware selection especially the choice of the plc model then we make the designs on the plc automatically operation single stroke operation manual controlling of programs analyzes the four step unique process of draught stop push stop in device function of traction machine based on the process the traction machine drive control system was designed in which craftwork parameters can be completed on line completed by the sin gl chip computer controller vvvf and frequency altering speed variation asynchronous motor the system prossesses high quality stable and reliable function of successive foundry craftwork the theoretical illumination to some key problems in d signing was supplied which is helpful to the development of domestic horizontal successive foundry industry iii keywords inverter plc frequency control of motor speed vvvf iv 目 录 引 言 1 第 1 章 绪论 2 1 1 铜材加工现状 2 1 2 铜材牵引机控制系统的现实意义和价值 2 1 3 本课题的主要研究内容 2 第 2 章 系统方案的设计 4 2 1 总体设计框图 4 2 2 核心控制器的比较与选择 7 2 3 调速方案多种实现方法的比较与确定 8 2 4 异步电机选型 9 2 5 变频器选型 10 第 3 章 硬件设计 13 3 1 plc 的选择 13 3 1 1 外部 i o 设备指令 15 3 1 2 i o 地址分配 17 3 2 显示单元的设计 18 3 3 变频器与电机通信连接 19 3 3 1 控制回路端子说明 20 3 4 变频器与 plc 通信连接 20 3 5 变频器防干扰措施 21 第 4 章 系统的软件设计 23 4 1 自动运行程序设计 23 4 2 参数设定程序和显示程序的设计 24 4 3 系统点动运行控制程序的实现 26 结论与展望 27 致 谢 28 参考文献 29 v 附录 a 系统原理图 30 附录 b 外文文献 31 附录 c 主要参考文献的题录及摘要 35 附录 d 源程序 37 vi 插图清单插图清单 图 2 1 图基于 plc 的铜材成型机控制系统的框图 4 图 2 2 电动机运行时间要求 5 图 2 3 水平牵引连续铸造设备示意图 6 图 2 4 引锭机构速度变化波形图 6 图 2 5 变频器构成示意图 11 图 2 6 外部控制操作的基本电路 12 图 3 1 plc 工作过程 14 图 3 2 数字开关使用指令图 15 图 3 3 数字开关指令梯形图与 plc 的连接图 16 图 3 4 y10 y13 的时序图 16 图 3 5 y10 y13 的梯形图 16 图 3 6 方向开关指令梯形图 17 图 3 7 高低电平驱动 18 图 3 8 共阴驱动 19 图 3 9 变频器与电机连接图 20 图 3 10 用压敏电阻防止浪涌电压 22 图 3 11 接入噪声滤波器防止噪声干扰 22 图 4 1 自动运行流程 23 图 4 2 参数设定程序和显示程序流程图 24 图 4 3 参数设定程序和显示程序梯形图 25 图 4 4 点动功能的程序梯形等效图 26 vii 表格清单表格清单 表 2 1 异步电机分类 9 表 2 2 电动机相关参数 10 表 2 3 fr a540 技术参数 11 表 3 1 数字开关指令应用说明 15 表 3 2 方向开关指令应用说明 17 表 3 3 i o 分配表 17 表 4 1 定时器 存储单元以及继电器分配一览表 25 1 引引 言言 众所周知 伴随着我国改革开放 经济快速发展 我国的铜材加工发展迅速 铜 材加工的产量连续四年居世界第一位 成为世界重要的铜材生产 消费和贸易大国 我国的铜加工业发展潜力巨大 拥有广阔的市场 目前国内多数中 小型钢材加工企业目前所用的工艺是垂直牵引连铸 设备仍然 靠炉振 打链蕀轮或时间继电器来实现拉停牵引 用普通交流电机拖动和机械齿轮变 速 而国外广为流行的铜型材加工水平牵引连铸法 因其产品无需校直 性能沿长度 方向上的一致性和坯件晶粒较高的致密性导致力学性能和电学性能上的改善 在产品 质量和生产效率方面的优势更为明显 本课题主要研制铜材连铸水平牵引机的监控系 统 使铜型材在结晶器中的阻力减小 铜型材在结晶过程中晶粒细化 从而提高成材 率 本设计有利于实现工业现场的管控一体化 在工业控制的发展中有着广阔的应用前 景 在铜材成型机控制系统中 调速装置也是一个关键部分 它的选择不但涉及到 资金 技术问题 同时也关系到生产的安全性 放眼市场 变频器技术的日臻完善 给了我们一个更好的选择 尤其在中 小型工作场合 变频器的应用已经非常广泛 结合上面所述 立足于长远的考虑 本次课题实现方式也将采用上面两者的结合来 完成相应的部分的设计 这样 设备便会具有更强的生命力 本次课题所设计的水平牵引电控系统可以很好的解决之前一般的控制系统响应时 间较长 精度不够 没有人机界面等问题 这种水平牵引机电控系统用可编程控制器控 制变频机的正转 停止 反转 停止动作 可以通过编写程序改变电机拖动的速度 改变牵引频率和节距 2 3 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 铜材加工现状 随着全球经济的发展 特别是中国国民经济稳定 持续 快速发展 作为经济和 高新技术发展支柱性原材料的铜材需求旺盛 发展迅猛 尤其是我国铜加工业发展更 是迅速 使我国成为了世界上重要的铜材生产 消费和贸易大国 产量已连续五年居 世界第一位 品种不断增加 产品质量逐年提高 工艺技术创新十分活跃 现代化的 铜加工工业体系已初步建立和形成 但是 我国铜加工业大而不强 技术经济指标不 够先进 企业规模相对偏小与集约化程度不高 技术装备先进与落后并存等弊端尚未 彻底改 1 国内多数中 小型铜型材加工企业目前所用的工艺是垂直牵引连铸 设备仍然靠 炉振 打链棘轮或时间继电器来实现拉停牵引 用普通交流电机拖动和机械齿轮变速 这种情况的存在 严重阻碍着铜型材加工企业市场竞争的进一步提高 因此形成了中 国铜材加工工业大而不强 大而不精的状况 结构性矛盾十分突出 造成了国民经济 所需高 精 尖产品主要依靠国外进口的尴尬局面 而国外以美 日 德铜加工发达国家为代表 铜加工企业在 20 世纪末期已基本完 成了优胜劣汰 兼并重组的整合进程 建立了跨国集团并进行全球化经营 如 k m e wieland olan 日本三菱等公司 最典型的是欧洲金属公司 kme 几乎囊括了全 部铜加工材品种 在世界主要地区都设有分支机构 年铜加工能力达到 85 万 t 以日 本企业为代表 引导世界铜加工向精细方向发展 在铜合金引线框架等高精带材研发 和生产上处于世界领先水平 未来几年国际铜加工业的发展趋势是企业数量和规模不 会有太大变化 产能和产量也不会有太大增长 而产品品种会不断增加 产品质量会更加 精益求精 更加节能环保 具体来讲 在铜加工工艺上 向着精细化方向发展 在铜 加工装备上 向着智能化方向发展 在企业建设上 向着大而强和专而精方向发展 面临以上及资源短缺问题 我国铜加工行业正在不断通过技术创新 发展短流程 工艺 来提高自动化和连续化水平 节能减排 特别是发展利用再生铜资源直接生产 铜加工材技术 以确保中国铜加工工业继续稳定 持续 快速发展 我国铜加工业未 来发展应在优胜劣汰 企业整合和做大做强 做专做精的基础上 突出发展高端的高 精尖铜加工产品 逐步减少物耗和能耗高 污染较重的普通产品的生产 4 1 2 铜材牵引机控制系统的现实意义和价值 目前国内多数中 小型钢材加工企业目前所用的工艺是垂直牵引连铸 设备仍然 靠炉振 打链蕀轮或时间继电器来实现拉停牵引 用普通交流电机拖动和机械齿轮变 速 而国外广为流行的铜型材加工水平牵引连铸法 因其产品无需校直 性能沿长度 方向上的一致性和坯件晶粒较高的致密性导致力学性能和电学性能上的改善 在产品 质量和生产效率方面的优势更为明显 本课题主要研制铜材连铸水平牵引机的监控系 统 使铜型材在结晶器中的阻力减小 铜型材在结晶过程中晶粒细化 从而提高成材 率 本设计有利于实现工业现场的管控一体化 在工业控制的发展中有着广阔的应用 前景 2 1 3 本课题的主要研究内容 本课题瞄准世界铜材加工最先进的水平牵引连铸工艺 将成熟的现代交流变频调 速和 plc 控制技术与先进的水平牵引连铸工艺相结合 研发出一种适合中小企业使用 的铜材水平牵引成型设备 该设备具有两大特征 其一 特有的周期性的牵引 停牵 后推 停推四步流程 可使坯料在结晶器中的阻力减小 并使坯料在结晶过程中晶粒细化 有较高的致密性 导致力学性能和电学性能的改善 其二 在引锭机构动作的控制模式上 既可使用自 动连续运行 也可以手工点动控制 2 本课题研究的主要内容 设计出由可编程控制器 变频器和变频调速异步电动机组成的水平牵引驱动控制 系统 水平牵引机构的推拉时间比为 1 3 1 4 连铸周期为 5 20 s 牵引节矩为 10 40 mm 具体指标为 牵引 停牵 后推 停推四步流程每段时间在 0 9 9 秒可调 并用 led 分别显示 牵引电机进行变频调速 能双向连续运行和点动控制 速度分别可调 系统起动从牵引阶段开始 系统停止在停牵阶段内完成 5 1 萧今声 国内外铜加工现状及我国铜加工发展战略 j 中国有色金属报 2008 6 25 33 2 陈跃东 汪鹏飞 凌牧 陈孟元 基于单片机的铜材成型机电控系统设计 j 工业控 制计算机 2008 12 78 79 6 第第 2 章章 系统方案的设计系统方案的设计 一个产品是否有市场 不但要看能否满足我们的要求 同时也要考虑到的性价比 以及它的发展前景是否很好 同样 我们设计一个系统会有很多种途径来实现 具体 用那种我们就要通过相互比较从中选优 这样才能使系统功能更加完善 与之相应的 资源配制就更加合理 在这个设计中 我们要对进行一系列的方案比较与选择 从中 选择出适合的方案 2 1 总体设计框图 本章是该设计的方案部分 对设计中所采用的芯片从多方面综合的进行比较 最后 经过仔细的研究后决定所选的器件由于我国的铜型材加工企业绝大多数是中 小型企 业 它们的经济承受能力有限 技术维护能力较弱 采用新型数控交流伺服调速技术 短期内难以打开市场 若采用直流调速技术又面临着在较短时间内被交流调速技术淘 汰的困境 因此针对客户群的实际 开发一种采用新型数控变频技术的水平牵引连铸 设备就显得尤为必要 其核心工艺要求控制功能较为简单 从高可靠性和高性价比方 面考虑 我们提出了采用 plc 控制器 vvvf 电源 变频调速异步电动机和高达 60 1 的减速器组成的驱动控制系统 不仅可以完成水平牵引工艺的四节拍流程 系统 还便于维护和调试 这种方案与采用晶闸管整流器和直流电机 配以测速发电机构成 闭环直流调速驱动方案相比 在性能和价格相当的条件下 具有可靠性高 节约电能 维护工作量小的优点 与采用工业计算机控制交流伺服电动机的方案比同样具有可靠 性高 节约电能等优点的同时 还具有投资省 维护工作量小的优点 3 本设计采用途径的总框图如图 2 1 所示 7 plc控制器 vvvf变频器 水平牵引连铸设备 减速箱 工频电网 频率给定 变频电机 m 图 2 1 图基于 plc 的铜材成型机控制系统的框图 根据铜加工生产工艺技术与装备对拖动电机的要求 牵引机构在每个周期中速度 的变化规律包含四个时段 如图 2 2 所示 图中为设定的牵引机的线速度 为电动 t 机运行的时间 t1 t2 t3 t4 t v 图 2 2 电动机运行时间要求 控制要求如下 1 设置四段时间 t1 正向牵引时间 t2 正向停止时间 t3 反向后推时间和 t4 反向停止时间 2 t1 t2 t3 t4 时间在 0 9 9 秒间独立可调 8 3 电机用变频器进行变频调速 4 起动从 t1 开始 停止在 t2 进行 5 有正 反向点动控制 点动速度单独可调 6 频率调节范围 0 100hz 频率调节精度 0 1hz 本设计采用 plc 控制器控制变频电机的正转 停止 反转 停止 通过控制这四 种状态的时间来控制变频电机实现铜材水平牵引连铸工艺独特的牵引一停牵一反推一 停推四节拍的流程来取代炉振 打链 棘轮或继电器方式控制的垂直牵引连铸工艺 并可在线调整工艺参数 改变铸造速度 牵引频率和节距 铜加工工艺要求电机频繁 正 反转 且调速范围要求较高 故须采用带专用于散热的恒速风扇的专用电动机 考虑到变频器供电的特殊性 我们选用专用的变频调速电动机 实现对于异步电机的 变压变频调速 必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源 而电网提供的是 恒压恒频的电源 因此应该配置变压变频器 vvvf variable voltage variable frequency 装置 通过变频器可任意改变电源输出频率从而任意调节电机转速 实现平 滑的无级调速 根据铜加工生产工艺技术与装备对拖动电机的要求 牵引机构在每个 周期中速度的变化规律包含四个时段 用水平牵引连铸工艺替代目前国内尚广为沿用的垂直牵引连铸工艺是一项革新的 趋势 因它省去了一道对产品校直的工序 如何为水平牵引连铸工艺配套引锭机构的 驱动控制有多种方案可供选择 通过方案论证 本文选用了 plc 控制器 vvvf 电源 和调频调速电动机与蜗轮减速箱的组合 实现了可以在线调节生产工艺参数的定时开 环控制 1 连续铸造工艺过程 连续铸造工艺指的是将具有合适温度的待铸熔体导入通水强迫冷却的结晶器中 当熔 体凝固成具有一定强度的凝壳后 借助于引锭杆和牵引辊将已凝固的坯料连续地拉出 结晶器 而当坯料达到其所设定的长度时 将被同步地自动切断 2 设备结构 设备结构如图 2 3 所示 9 1 23 4 5 6 6 1 工频感应线圈 2 炉体3 结晶器 4 引锭装置5 自动锯 6 导轨 图 2 3 水平牵引连续铸造设备示意图 3 设备的特征 该设备具有两大特征 其一 特有的周期性的牵拉 停牵 反推 停推四步流程 可使坯料在结晶器中的阻力减小 并使坯料在结晶过程中晶粒细化 有较高的致密性 导致力学性能和电学性能的改善 其二 在引锭机构动作的控制模式上 既可使用自 动连续运行 也可以手工点动控制 前者是在对不同批号产品的各种规范工艺参数已 摸准的情况下进行的 操作人员只要面对控制屏值班监控就可以了 后者则在需要摸 索优化工艺参数和每炉铜料引锭初始阶段使用 引锭工艺参数 a 牵引周期 t 2 1 21 m m m rs f v pk 为牵引半径 电动机级对数 机械减速比 电动机转差率 为 vvvf 电源rp m ks m f 的输出频率 2 2 t ab t bc t cd t da t 10 ab cd a vm v mm s 1 t s 图 2 4 引锭机构速度变化波形图 为牵拉时间 为牵拉停止时间 为反推时间 为反推停止时间中速度 ab t bc t cd t da t 波形有两次升和降 它是由 vvvf 电源中频率的升降速率所引起的 时值 0 1s 为了 适应不同截面 形状和不同规格产品生产的需要 在保证产品截面上金相质量和较高 生产率的前提下 对周期 t 的选择应能做到在较宽的范围内在线可调 b 反推时间与牵拉时间的比值 2 3 cd ab t t 显然 愈小 生产率愈高 但从铸坯在结晶器中所受的摩擦阻力和在结晶过程 中 对坯料内应力控制方面考虑 的设置是必要的 它的取值不能太小 较佳的才有 较 好的截面晶粒品相 根据调试经验 的最佳范围在 1 3 1 4 c 牵拉停止延时间 它反映从控制器发出牵拉停止指令到发出反推启动指令之间的延时 其中包括了 0 1 s 的频率下降延时 设置为的是使铸坯在结晶器的出口达到合适的冷却温度 具体数 bc t 值的选择需要根据铜水的温度和型材的几何尺寸综合考虑 d 牵拉节矩 它是一个周期中坯料被牵拉的净长 可由 1 2 可以导出 2 4 211 m ab m rfsa yt pk 11 其为牵引辊半径为电动机极对数 为机械减速比 为电动机转差率 rp m ks 为 vvvf 电源的输出频率 和可供优化选择 m f m f ab t 2 2 核心控制器的比较与选择 常见的控制器比如 plc 单片机 继电器控制等等 所谓单片机系统就是采用目 前市场上的单片机 cpu 及其它外围芯片 根据不同系统设计电路板 最终设计成一台 简易的计算机系统 并在此基础上设计程序以达到所要求的控制功能 这种形式在 80 年代国内很流行 但由于受到本身可靠性及其它方面 的限制 目前除了仪表上仍然采 用外 在工业现场的应用已逐步被 plc 所代替 单片机的可靠性 由于目前国内市场上的单片机芯片的品质良莠不齐 很大一部 分还是国外筛选出来的次等品 加上其它外围元件 如电阻 电容等 的参数离散性 也很大 批量小的产品不可能经过筛选配对等技术处理 因此这样的产品很难做到很 好的一致性和高可靠性 因为任一元件的参数偏离设计要求都会引起系统的不稳定 另外 单片机的所有器件均不是工业级的 抗干扰性特别是抗电源干扰能力很弱 而 国内的电源一般都很差 加上压片机的变频调速对电源的干扰很大 因此 更可能引 起单片机系统的不稳定 单片机的可扩展性 由于单片机的线路是根据一定的功能要求特别设计的 所以 要增加一个功能就要重新设计线路 而且对应的程序都要重新设计 这样对于增加功 能的开发成本和周期都 会增加 单片机的可维护性 一旦单片机系统出现故障 很 难诊断出故障元件 最简单的方法是更换整个系统 这样维修成本增加了 操作 现在国内单片机系统的操作均采用自设计的键盘 设定数据用拨码开关 显示用 led 整个面板显得繁锁 而且为了减少操作键 设计时往往一键多用 操作 人员很难脱开说明书操作 特别是故障显示只能显示故障代码 一旦发生故障 操作 人员必须翻阅说明书方能发现故障所在 最终按说明书指示排除故障 这样排除故障 的时间相对较长 总之 这样的人机对话不够友善 4 而继电器控制逻辑采用硬接线逻辑 利用继电器机械触点的串联或并联及延时继 电器的滞后动作等组合成控制逻辑 其连线多而复杂 一旦系统构成后 想再改变或 增加功能都很困难 另外继电器触点数目有限 每只只有 4 8 对触点 因此灵活性和 12 扩展性很差 而 plc 采用存储逻辑 其控制逻辑以程序方式存储在内存中 要改变 控制逻辑 只需改变程序 其连线少 体积小 功耗小 1 工作方式 当电流接通时 继电器控制线路中各继电器都处于受约状态 即 该吸合的都应吸合 不该吸合的因某种条件限制不能吸合 而 plc 的控制逻辑中 每 个继电器受制约接通的时间是短暂的 2 限时控制 继电器控制逻辑利用时间继电器的滞后动作进行限时控制 时间 继电器一般分外为空气阻尼式 半导体等 其定时精度不高 且受环境和温度的影响 调整时间困难等问题 plc 使用半导体集成电路作定时器 时钟脉冲由晶体振荡器产 生 精度相当高 定时范围一般从 0 1s 到若干分钟甚至更长 用户可根据需要在程序 中设定定时值 后由软件和硬件计数器来控制定时时间 定时精度小于 10ms 定时时间 不受环境的影响 3 设计与施工 使用继电器控制逻辑完成一项控制工程 其设计 施工须依次 进行 周期长 而且修改困难 而用 plc 完成一项控制工程 在系统设计完成以后 现场施工和控制逻辑的设计可以同时进行 周期短 且调试和修改都很方便 4 可靠性和可维护性 继电器逻辑控制所有大量的机械触点 连线多 触点开 闭时会受到电弧的影响 因此可靠性和可维护性差 而 plc 采用微电子技术 大量开 关动作由无触点的半导体电路来完成 它体积小 可靠性高 plc 还配有自检和监督 功能 能检查出自身的故障 可编程控制器 plc 所谓 plc 系统就是采用目前市场上各大工业控制厂家生 产的可编程控制器 根据要求选用不同的模块 在此基础上设计程序以达到所设计的 功能 这种形式目前在工业现场应用最为广泛 plc 的可靠性 进口 plc 采用的 cpu 都是生产厂家专门设计的工业级专用处理 器 其余各元件也是直接向生产厂家购买的 经过严格挑选的工业级元件 另外它的 电源模块也是集各大公司工业控制的经验而特别设计的 抗干扰性特别是抗电源干扰 能力有很大提高 即使在电源很差和变频调速的干扰下仍能正常工作 plc 的可扩展性 要增加一个功能只要增加相应的模块和修正对应的程序 而 plc 的编程相对比较简单 这样对于开发周期会缩短 plc 的可维护性 plc 本身有 很强的自诊断功能 一旦系统出现故障 根据自诊断很容易诊断出故障元件 即使非 专业人员也能维修 如果故障由于程序设计不合理引起 由于它提供完善的调试工具 13 要找出故障也较为简单 特点 价格与前二种控制器相比略贵 可靠性好 操作简单 综合以上的分析和 比较 最终决定采用 plc 2 3 调速方案多种实现方法的比较与确定 就目前市场上的同类产品来说 其调速模块主要有两种实现方式 直流电源型和 利用变频器构成的调速系统 然而相比较而言变频器调速具有更多的优势 发展前景 也十分广阔 下面是最显著的特点也是我在本次设计中选择变频器作为调速模块核心 设备的原因 5 首先 它控制电机的启动电流 当电机通过工频直接启动时它将会产生 7 到 8 倍 的电机额定电流 这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量 从而降低电 机的寿命 而变频调速则可以在零速零电压启动 当然可以适当加转矩提升 一旦频率 和电压的关系建立 变频器就可以按照 v f 或矢量控制方式带动负载进行 工作使用 变频调速能充分降低启动电流提高绕组承受力 用户最直接的好处就是电机的维护成 本将进一步降低 电机的寿命则相应增加 再次 它具有可控的加速功能 变频调速能在零速启动 并按照用户的需要进行 光滑地加速 而且其加速曲线也可以选择 直线加速 s 形加速或者自动加速 而通过 工频启动时 对电机或相连的机械部分轴或齿轮都会产生剧烈的振动 这种振动将进 一步加剧机械磨损和损耗 降低机械部件和电机的寿命 又次之 可调的运行速度 运用变频调速不但能优化工艺过程 而且能根据工艺 过程迅速改变 还能通过远控 plc 或其他控制器来实现速度变化 这一点是我选择它 的主要原因之一 最后 在全世界倡导绿色能源 节约能源 保护环境的大趋势下 是否具有节能 的优点已经成为一个新产品 一个新技术能否更好的发展的主要因素 而相对与直流 调速系统 以变频器为调速核心设备的系统正具有上述优势 例如 离心风机或水泵 采用变频器后都能大幅度地降低能耗 这在十几年的工程经验中已经得到充分体现 由于最终的能耗是与电机的转速成立方比 所以采用变频后 投资回报就更快 厂家 也乐意接受 鉴于变频器具有如此多的优点 所以我决定在本次课题设计中采用变频 器作为调速装置的核心控制元件 具体型号的选择将在后续内容给以详细阐述 14 2 4 异步电机选型 异步电动机 asynchronous motor 又称感应电动机 是由气隙旋转磁场与转子绕组 感应电流相互作用产生电磁转矩 从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机 异步电机的分类如表 2 1 所示 表 2 1 异步电机分类 分类方式类别及特点 系列产品用 途 基本系列 生产量大 适用范围广的一 般用途电动机派生系列 按照不同的使 用要求 在基本系列的基础上作部分变 动 零部件与基本系列有较高的通用性 和一定程度的统一性专用系列 与一般 用途不同 是为适应某种特殊需要而专 门设计制造的 电机尺寸或 功率 大型电机 轴中心高 h 630mm 中小型电机 轴中心高 h 在 80 63omm 范围内 小功率电机 折算至 1500r min 时的最 大连续定额不超过 1 ikw 转子结构型 式 笼型转子 分为铸铅笼和焊接铜 或铅 笼两种 绕组本身自成闭合回路 结构 简单牢固 应用广泛 绕线型转子 转子绕组 集电环和电刷 组成回路 回路中可接入外加电阻以改 善起动性能或进行调速 换向器电机 转子回路有换向器和电刷 用于调速或高速运行场合 具有串励特 15 性 电源相数单相 三相电机 变频调速异步电动机为经特殊设计的鼠笼式异步电动机 其电磁负荷和槽绝缘强 度均有较大的裕量 为了适应能在超低速下连续运行 电动机外部配置了强制通风的 冷却风扇 在调频调速和频繁正反转的恶劣运行状态下 其机械强度和转动惯量也有 特殊的要求 选型的主要依据是其容量和过载能力 应使其生产上限规格产品时 也能输 出足够的牵引力矩 参照下式 1 选择 1 kfmvmp 式中 fm 为铸锭牵引或推入结晶器时的最大摩擦阻力 kn k 为大于 1 的裕量系数 由 于电动机的价格在整个硬件配置中只占较小的比例 选取较大的 k 值 即功率等级裕 量上的放宽所引起的投资增量微乎其微 但系统工作的可靠性却大大提高 我们便选 用了功率裕量较大的 6 极 yvp 系列 3 0 kw 电动机 yvp 系列变频调速电动机与 spwm 变频装置构成的调速系统与其他调速方式相比 具有节能效果明显 调速性能 好 调速比宽 快速响应性优良 应用范围广 性能价格比高等优点 是目前交流调 速方案中最先进的系统之一 下面给出其技术参数如表 2 2 所示 表 2 2 电动机相关参数 极数标称功率 kw 机座号额定转矩电流 a 63 0132s28 57 9 2 5 变频器选型 变频器自 80 年代进入实际应用以来 主要以交流电动机的节能应用为主 但是进 入 90 年代后 变频器得到了迅猛发展 变频器的应用主要有两个方面 一方面是为了 节能需要而进行的变频器的应用 另一方面是为了满足生产工艺调速的要求而进行的 变频器的应用 目前通用变频器己经在机械 冶金 石化 医药 造纸等行业得到了 广泛的应用 16 实现对于异步电机的变压变频调速 必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交 流 电源 而电网提供的是恒压恒频的电源 因此应该配置变压变频器 又称 vvvf variable voltage variable frequency 装置 在变频调速中使用最多的 vvvf 装置是电压型变频 器 由整流器 滤波环节和逆变器三部分组成 其构成如图 2 5 所示 工作时首先将 工频三相交流电经桥式整流为直流电 脉动的直流电压经电容滤波后在微处理器的调 控下 用逆变器将直流电再逆变为电压和频率可调的三相交流电源 施加到需要调速 的电动机上 由电机原理可知电机的转速与电源频率成正比 通过变频器可实现电机 平滑的无级调速 根据控制功能可将通用变频器分为三种类型 普通功能型 u f 控 制变频器 具有转矩控制功能的高性能型 u f 控制变频器和矢量控制型高性能变频器 变频器类型的选择要根据负载的要求进行 对于要求精度高 动态性能好 响应快的 生产机械 如造纸机械 轧钢机等 6 应采用矢量控制型高功能变频器 因为电动机 的功率是 3 0kw 所以所选用变频器的额定容量也必须大于 3 0kw 我们选择了三 菱公司 a500 系列的 fra540 3 7k 变频器 其具体参数如表 2 3 所示 m m交流器 平波电 路 逆变器 控制电路 电源 异步电机 变频器 图 2 5 变频器构成示意图 17 表 2 3 fr a540 技术参数 变频器型号 fr a540 适用电机容量 3 7kw 输出额定容量 6 9 kv a 输出额定电流 9a 输出额定电压 三相 380v 至 480v 50hz 60hz 电源额定输入 交流电压 频率 三相 380v 至 480v 50hz 60hz 允许频率波动范围 5 电 源 容 量 9 kv a 过 载 能 力150 60s 200 0 5s 制 动 电 阻 fxg20 100 500w 三菱 fr 540 变频器具有以下特点 7 1 用磁通矢量控制技术 2 用 soft pwm 原理和智能功率模块 ipm 使变频器输出波形更好 噪音更低 抗干扰性能更强 3 停电时减速停止功能 内置 pid 控制功能 变频 工频切换功能和顺序控制功 能 4 符合国标标准的现场总线通信功能 5 具有过电流 过载 过电压 欠电压 接地过电流 输出短路 失速防止等 保护 三菱变频器的外部操作模式通过外接的启动开关 频率设定电位器等产生外部操 作 信号 控制变频器的运行 外部频率设定信号为 0 5v 0 10v 4 20ma 的直流信号 启动开关与变频器的正转起动 stf 端 反转起动 str 端连接 频率设定电位器与变频 器的 10 2 5 端相连 如图 2 6 所示为外部控制操作的基本电路 18 uvw m rst km acps f t s r t s p o t s d s 10e1025 图 2 6 外部控制操作的基本电路 第第 3 章章 硬件设计硬件设计 plc 英文全名为 programable controller 即可编程控制器 包括逻辑运算 时序 计数以及算术运算等程序 它用一串指令形式存放在存储器中 然后根据存储的控制 内容 经过模拟 数字等输入输出部件 对生产设备与生产过程进行控制 一套典型 19 的 plc 通常包括 cpu 模块 电源模块和一些 i 0 模块 这些模块被插在一块背板上 如果配置增加 可能会包括一个操作员界面 监控计算机 通信模块 软件以及一些 可选的特殊功能模块 可编程控制器不仅容易安装 占用空间小 能源消耗小 带有 诊断指示器可以帮助故障诊断 而且可以被重复使用到其他的项目中去 现在 尽管 plc 的功能 如运行速度 接口种类 数据处理能力已经获得了很大的提高 但 plc 一直保持了最初设计的原则 那就是简单之上的原则 8 3 1 plc 的选择 一 plc 的类型 plc 按结构分为整体型和模块型两类 按应用环境分为现场安装和控制室安装两 类 按 cpu 字长分为 1 位 4 位 8 位 16 位 32 位 64 位等 从应用角度出发 通 常可按控制功能或输入输出点数选型 整体型 plc 的 i o 点数固定 因此用户选择的 余地较小 用于小型控制系统 模块型 plc 提供多种 i o 卡件或插卡 因此用户可较 合理地选择和配置控制系统的 i o 点数 功能扩展方便灵活 一般用于大中型控制系 统 9 二 输入输出模块的选择 输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一 例如对输入模块 应考虑信号电 平 信号传输距离 信号隔离 信号供电方式等应用要求 对输出模块 应考虑选用 的输出模块类型 通常继电器输出模块具有价格低 使用电压范围广 寿命短 响应 时间较长等特点 可控硅输出模块适用于开关频繁 电感性低功率因数负荷场合 但 价格较贵 过载能力较差 输出模块还有直流输出 交流输出和模拟量输出等 与应 用要求应一致 可根据应用要求 合理选用智能型输入输出模块 以便提高控制水平和降低应用成本 考虑是否需要扩展机架或远程 i o 机架等 三 电源的选择 plc 的供电电源 除了引进设备时同时引进 plc 应根据产品说明书要求设计和选 用外 一般 plc 的供电电源应设计选用 220va 电源 与国内电网电压一致 重要的应 用场合 应采用不间断电源或稳压电源供电 如果 plc 本身带有可使用电源时 应核对提供的电流是否满足应用要求 否则应 20 设计外接供电电源 为防止外部高压电源因误操作而引入 plc 对输入和输出信号的 隔离是必要的 有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离 四 存储器的选择 由于计算机集成芯片技术的发展 存储器的价格已下降 因此 为保证应用项目 的正常投运 一般要求 plc 的存储器容量 按 256 个 i o 点至少选 8k 存储器选择 需要复杂控制功能时 应选择容量更大 档次更高的存储器 五 冗余功能的选择 1 控制单元的冗余 1 重要的过程单元 cpu 包括存储器 及电源均应 1b1 冗余 2 在需要时也可选用 plc 硬件与热备软件构成的热备冗余系统 2 重化或 3 重化冗余 容错系统等 2 i o 接口单元的冗余 1 控制回路的多点 i o 卡应冗余配置 2 重要检测点的多点 i o 卡可冗余配置 3 根据需要对重要的 i o 信号 可选用 2 重化或 3 重化的 i o 接口单元 六 经济性的考虑 选择 plc 时 应考虑性能价格比 考虑经济性时 应同时考虑应用的可扩展性 可操作性 投入产出比等因素 进行比较和兼顾 最终选出较满意的产品 输入输出点数对价格有直接影响 每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用 当点数增加到某一数值后 相应的存储器容量 机架 母板等也要相应增加 因此 点数的增加对 cpu 选用 存储器容量 控制功能范围等选择都有影响 在估算和选用 时应充分考虑 使整个控制系统有较合理的性能价格比 21 初始化 监视器 wdt 与编程交换信息 与dpu交换信息 与外设交换信息 执行用户程序 输入输出处理 启动 图 3 1 plc 工作过程 plc 的工作过程是以循环扫描的方式执行用户程序来完成控制任务 其中包括程 序 对各个过程输入信号进行采样 对采样的信号进行运算和处理 并把运算结果输出到 生 产过程之中 其工作过程如图 3 2 当今 plc 市场 其种类很多 在基本功能相同的同时 各国所生产的优点却不尽 相同 比如日本主要在小型 plc 生产和研发上占有优势 生产商三菱 欧母龙等 fx2n 系列 plc 是日本三菱公司近年来推出的高性能小型模块式 plc 其运行高速 22 度 高性能和所有方便都是相当于 fx 系列中最高档次的超小形程序装置 综合考虑课 题的设计任务 可选择三菱 fx2n 系列 10 3 1 1 外部 i o 设备指令 plc 指令主要完成起 plc 通过一些简单的外部设备进行数据输入和数据显示 在这次课题设计中要求整个系统能够用外部输入设备对电机运行的四个状态参数进行 设置 因此就会有相应的功能指令的运用 下面我就这部分的设计和选择做一个较详 细的说明 11 数字开关指令 1 数据开关指令的助记符 指令代码 操作数及程序步见表 3 1 所示 表 3 1 数字开关指令应用说明 操作数指令名 称 助记符代码 sd1d2n 程序步 数字开 关指令 dswfnc72xyt c d y z k h n 12 dsw 9 步 2 指令梯形图如图 3 2 所示 d ds sw w x x0 01 10 0 y y0 01 10 0 d d0 0 k k1 1 s sd d2 2d d1 1n n 图 3 2 数字开关使用指令图 3 指令说明 1 该指令是用来读入一组或两组 4 位数字开关的设置值 指令中 s 指定的入 点 d1 指定的选通点 d2 指定数据存储元件 用来存储数字开关读入的数值 n 指 定数字开关的组数 当 n 1 表示接一组 当 n 2 表示接两组 2 数字开关与 plc 的连接如图 3 3 所示 3 当 x0 置 on 时 y10 y13 顺次为 on 一个周期完成后标志 m8029 置 1 23 其时序图如图 3 4 指令梯形图如图 3 5 所示 x7x4x5x6 y10 y11 y12y13com x10 x11 x12x13com 第一组输入 第二组输入 100101102103 图 3 3 数字开关指令梯形图与 plc 的连接图 x0 y10 y11 y12 m8029 重复操作 0 1s 0 1s 0 1s 0 1s0 1s 图 3 4 y10 y13 的时序图 24 x000 m0 m8029 rst m0 set m0 dsw x010 y010 d0 k1 图 3 5 y10 y13 的梯形图 方向开关指令 1 方向开关指令的助记符 指令代码操作数及程序步见下表 3 2 所列 表 3 2 方向开关指令应用说明 操作数指令名 称 助记符代码 sd1d2n 程序步 方向开 关指令 a r w s fnc75x y m s t c d v z yk h n 0 3 arws 9 步 2 指令梯形图如图 3 6 所示 a ar rw ws s x x0 01 10 0 y y0 01 10 0 d d0 0 k k1 1 s s d d2 2 d d1 1 n n 图 3 6 方向开关指令梯形图 3 指令说明 1 该指令不仅可以把 d0 中数据通过带锁存的 4 位数码显示出来 还可以利用 x10 x13 修改 d0 的数据 25 2 当 x0 置 on 时 指定位是 103 也即 y7 是 off 的 表示该位可以通过增加键 x11 减少键 x10 进行修改 修改范围是 0 9 每按一次右移键 指定位按以下顺序 移动 103 102 101 100 每按一次左移键 指定位按以下顺序移动 100 101 102 103 指令位可通过选通信号 y4 y7 上的 led 指示来确认 3 1 2 i o 地址分配 从前面对课题设计要求的分析 在进行 plc 软件程序设计时必须知道 plc 控制 器的 i o 接口的分配 本设计的系统的输入端口有 系统启动 系统停止信号 电机 正 反转点动信号 数字开关输入信号 方向开关输入信号 输出端口有 电机正 反转信号输出端 电机运行状态显示 数字开关位选择端口等 总的说来 系统的输 入总点数为 16 点 系统的输出总点数为 18 点 信号类型都为开关量 根据上面所述 系统 i o 地址定义如下表 3 3 所示 表 3 3 i o 分配表 i o 端口名称端口地址说明 系统起动按钮x17开启按钮动作检测信号 高电平有 效 系统停止按钮x16停止按钮动作检测信号 高电平有 效 电机反向点动x15电机正向点动控制信号 高电平有 效 电机正向点动x14电机反向点动控制信号 高电平有 效 数字开关输入x4 x5 x6 x7用来选择寄存器 方向开关输入x10 x11 x12 x1 3 用来修改参数 电机运行状态显示y4 y5 y6 y7显示电机运行在哪个阶段 电机运行状态参数显示y10 y11 y12 y1 3 电机运行状态显示 高电平有效 26 电机反转输出y1电机反转输出控制信号 高电平接 通 电机正转输出y0电机正转输出控制信号 高电平接 通 数字开关选择信号输出y14 y15选位 参数设置状态输出y2 y3系统参数所处状态 高电平有效 电机自动运行x1电机进入自动运行 高电平有效 电机退出按钮x3电机退出自动运行 高电平有效 电机进入点动状态x0电机进入手动运行 高电平有效 电机退出点动按钮x2电机停止手动 参数显示选通端口y16 y17 y20 y2 1 对位进行选通 系统电源接通信号输出y22控制 km 通断 由上表可知 此系统属于小型单机控制系统 其中 plc