无级调速PLC控制系统设计

中北大学中北大学 20122012 届毕业设计说明书届毕业设计说明书 第 1 页 共 40 页 1 1 前言前言 1 11 1 系统的背景及发展系统的背景及发展 随着现在社会科技的飞速发展 人们对生活各个方面品质的要求也在不断地 提要 在速度运行方面 人们要求速度调节范围广 而且平缓 无级调速以其独 特的优势赢得新科技的青睐 各种各样的无级调速方式涌现出来 无级变速与过 去定比变速不同 主 要有三大类 电气无级调速 流体无级调速和机械无级调 速 其中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 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 1 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 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 流体无级调速 是利用流体作 为传动介质的一种调速方式 按照其工作原理的不同分为 泵控调速 阀控 调速 阀 泵控联合调速 调速型液力耦合器 液力变矩器 阀控式是利用 阀来改变流体进出口流量进行调速 泵控式是通过改变泵和马达的有效工作 容积来实现调速 可细分为变量泵 定量马达 变量泵 变量马达 定量泵 变 量马达 3 类 阀 泵控联合调速是阀控和泵控两类调速联合应用 调速型液力 耦合器是通过改变喷嘴阀门的开度或改变导管的位置 以改变工作腔的充油量 进行调速 液力变矩器是通过改变叶片的角度 充油量或泵轮转速进行调速 中北大学中北大学 20122012 届毕业设计说明书届毕业设计说明书 第 2 页 共 40 页 流体无级变速传动具有运动惯性小 动作灵敏 制动迅速 运动平稳 易于实 现无级调速 可以获得很大的调速比 而且在大功率 高承载场合易于实现自 动化及控制等优点 目前已广泛用于汽车 农林业机械 环保机械 矿山机 械 工业机器人驱动系统 太空探测机械等领域 2 机械无级变速传动机械无 级变速器是利用固体作为中间介质 作为一种通用传动装置主要应用于机械化 自动化生产工艺流程中用以改善机械的工作性能 结构简单 适应性强 传 动效率高 恒功率特性好 操作与维修方便 利用 PLC 与变频器的组合 实现 以脉冲信号改变频率 进而改变电动机的转速 即为其中的一种方式 同时设置 监控平台 可使无极变频调速的性能大大提高 1 21 2 课题相关技术的国内外发展现状及趋势课题相关技术的国内外发展现状及趋势 1 2 1 可编程控制器 可编程控制器简称 PLC 是以微处理器为基础 综合了计算机技术 自动 控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置 它具有结构简单 编程 方便 可靠性高等优点 已广泛用于工业过程和位置的自动控制中 3 据统计 可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备 专家认为 可编程控制 器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一 PLC 机器人 CAD CAM 将成为工业生产的三大支柱 PLC 是在继电器控制逻辑基础上 与 3C Computer Control Communication 技术相结合 不断发展完善的 目前已从小规模单机顺序控制 发展到包括过程 控制 位置控制等场合的所有控制领域 自动化系统中所使用的各种类型 PLC 有的是集中安装在控制室 有的是分 散安装在生产现场的各单机设备上 虽然它们大多处在强电电路和强电设备所形 成的恶劣电磁环境中 但 PLC 是专门为工业生产环境而设计的控制装置 在设计 和制造过程中采用了多层次抗干扰和精选元件措施 故具有较强的适应恶劣工业 环境的能力 运行稳定性和较高的可靠性 因此一般不需要采取什么特殊措施就 可以直接在工业环境使用 高可靠性是电气控制设备的关键性能 PLC 由于采用现代大规模集成电路技 术 采用严格的生产工艺制造 内部电路采取了先进的抗干扰技术 具有很高的 可靠性 从 PLC 的机外电路来说 使用 PLC 构成控制系统 和同等规模的继电接 中北大学中北大学 20122012 届毕业设计说明书届毕业设计说明书 第 3 页 共 40 页 触器系统相比 电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一 故障也就大 大降低 4 此外 PLC 带有硬件故障自我检测功能 出现故障时可及时发出警报 信息 在应用软件中 应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序 使系统中 除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护 这样 整个系统具有极高的可 靠性 5 长期以来 plc 始终处于工业控制自动化领域的主战场 为各种各样的自动 化控制设备提供非常可靠的控制方案 与 dcs 和工业 pc 形成了三足鼎立之势 同 时 plc 也承受着来自其它技术产品的冲击 尤其是工业 pc 所带来的冲击 目前 全世界 plc 生产厂家约 200 家 生产 300 多种产品 国内 plc 市场仍 以国外产品为主 如 siemens modicon a b omron 三菱 ge 的产品 经过多 年的发展 国内 plc 生产厂家约有三十家 但都没有形成颇具规模的生产能力和 名牌产品 可以说 plc 在我国尚未形成制造产业化 6 在 plc 应用方面 我国是 很活跃的 应用的行业也很广 专家估计 2000 年 plc 的国内市场销量为 15 20 万套 其中进口占 90 左右 约 25 35 亿元人民币 年增长率约为 12 预计到 2005 年全国 plc 需求量将达到 25 万套左右 约 35 45 亿元人民币 微型化 网络化 pc 化和开放性是 plc 未来发展的主要方向 在基于 plc 自 动化的早期 plc 体积大而且价格昂贵 但在最近几年 微型 plc 小于 32 i o 已经出现 价格只有几百欧元 随着软 plc soft plc 控制组态软件的进 一步完善和发展 安装有软 plc 组态软件和 pc based 控制的市场份额将逐步得到 增长 7 当前 过程控制领域最大的发展趋势之一就是 Ethernet 技术的扩展 plc 也 不例外 现在越来越多的 plc 供应商开始提供 Ethernet 接口 可以相信 plc 将 继续向开放式控制系统方向转移 尤其是基于工业 pc 的控制系统 目前 PLC 在国内外已广泛应用于钢铁 石油 化工 电力 建材 机械制造 汽车 轻纺 交通运输 环保及文化娱乐等各个行业 1 2 2 变频器 变频器主要用于交流电动机 异步电机或同步电机 转速的调节 是公认的 交流电动机最理想 最有前途的调速方案 除了具有卓越的调速性能之外 变频 器还有显著的节能作用 是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置 8 自 中北大学中北大学 20122012 届毕业设计说明书届毕业设计说明书 第 4 页 共 40 页 上世纪 80 年代被引进中国以来 变频器作为节能应用与速度工艺控制中越来越重 要的自动化设备 得到了快速发展和广泛的应用 变频器产生的最初用途是速度控制 但目前在国内应用较多的是节能 中国 是能耗大国 能源利用率很低 而能源储备不足 在 2003 年的中国电力消耗中 60 70 为动力电 而在总容量为 5 8 亿千瓦的电动机总容量中 只有不到 2000 万千瓦的电动机是带变频控制的 据分析 在中国 带变动负载 具有节能潜力 的电机至少有 1 8 亿千瓦 因此国家大力提倡节能措施 并着重推荐了变频调速 技术 9 应用变频调速 可以大大提高电机转速的控制精度 使电机在最节能的转速 下运行 以风机水泵为例 根据流体力学原理 轴功率与转速的三次方成正比 当所需风量减少 风机转速降低时 其功率按转速的三次方下降 因此 精确调 速的节电效果非常可观 与此类似 许多变动负载电机一般按最大需求来生产电 动机的容量 故设计裕量偏大 而在实际运行中 轻载运行的时间所占比例却非 常高 10 如采用变频调速 可大大提高轻载运行时的工作效率 因此 变动负载 的节能潜力巨大 作为节能目的 变频器广泛应用于各行业 以电力行业为例 由于中国大面 积缺电 电力投资将持续增长 同时 国家电改方案对电厂的成本控制提出了要 求 降低内部电耗成为电厂关注焦点 因此变频器在电力行业有着巨大的发展潜 力 尤其是高压变频器和大功率变频器 11 目前 中国的设备控制水平与发达国家相比还比较低 制造工艺和效率都不 高 因此提高设备控制水平至关重要 由于变频调速具有调速范围广 调速精度 高 动态响应好等优点 在许多需要精确速度控制的应用中 变频器正在发挥着 提升工艺质量和生产效率的显著作用 除了工业相关行业 在普通家庭中 节约电费 提高家电性能 保护环境等 受到越来越多的关注 变频家电成为变频器的另一个广阔市场和应用趋势 带有 变频控制的冰箱 洗衣机 家用空调等 在节电 减小电压冲击 降低噪音 提 高控制精度等方面有很大的优势 12 国内已经有较多的变频器生产厂 但大部分的产品都是 V F 控制和电压空间 矢量控制变频器 使用在调速精度和动态性能要求不高的负载上应该没有问题 中北大学中北大学 20122012 届毕业设计说明书届毕业设计说明书 第 5 页 共 40 页 工业应用中绝大部分都是这种负载 变频器在这种场合应用最重要的要求是可靠 性 国产变频器占国内市场份额不高的主要原因是产品品质不过硬 V F 控制和 电压空间矢量控制变频器比矢量控制变频器从技术上来看要简单得多 由于国内 厂家大部分都是手工作坊式的生产 工艺欠佳 检测手段有限 品质的一致性和 稳定性难以保证 同样是 V F 控制的变频器 国外的产品比国内的产品品质要好 这可能是生产工艺方面的差距 差距最大的是半导体功率器件的制造业 至今在 国内这仍是一个空白 13 变频器技术的另外一个层面是应用技术 多年来 国家经贸委一直会同国家 有关部门致力于变频器技术的开发及推广应用 在技术开发及技术改造方面给予 了重点扶持 组织了变频调速技术的评测推荐工作 并把推广应用变频调速技术 作为风机 水泵节能技改专项的重点投资方向 同时鼓励单位开展同贷同还方式 抓开发 抓示范工程 抓推广应用 还处理了风机 水泵节能中心 开展信息咨 询和培训 1995 1997 年 3 年间我国风机 水泵变频调速技术改造投入资金 3 5 亿元 改造总容量达 100 万千瓦 可年节电 7 亿度 平均投资回收期约 2 年 据有关资料表明 我国变频调速技术应用已经取得了相当大的成绩 每年有数十 亿元的销售额 说明我国的变频器应用已非常广泛 从简单的手动控制到基于 RS 一 485 网络的多机控制 与计算机和 PLC 联网组成复杂的控制系统 在大型综合 自动化系统 先进控制与优化技术 大型成套专用系统 如连铸连轧生产线 高 速造纸生产线 电缆光纤生产线 化纤生产线 建材生产线等 变频器的作用是 电气传动控制 其控制的复杂性 控制精度和动态响应都有很高的要求 已经完 全取代了直流调速技术 近年来 变频器在功能上 利用先进的控制理论 开发 出了诸如卷取 提升 主从等控制功能 使应用系统的构成更加方便和容易 使 变频器的应用技术提高到一个新的水平 14 变频调速这一技术正越来越广泛的深入到行业中 它的节能 省力 易于构 成自控系统的显著优势应用变频调速技术也是改造挖潜 增加效益的一条有效途 径 尤其是在高能耗 低产出的设备较多的企业 采用变频调速装置将使企业获 得巨大的经济利益 同时这也是国民经济可持续发展的需要 1 2 3 监控软件 中北大学中北大学 20122012 届毕业设计说明书届毕业设计说明书 第 6 页 共 40 页 MCGS Monitor and Control Generated System 监视与控制通用系统 是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows 平台的 用于快速构造和生成上位机监控系统的 组态软件系统 主要完成现场数据的采 集与监测 前端数据的处理与控制 可运行于 Microsoft Windows 95 98 Me NT 2000 xp 等操作系统 它具有功能完善 操作简便 可视性好 可维护性强的突出特点 通过与 其他相关的硬件设备结合 可以快速 方便的开发各种用于现场采集 数据处 理和控制的设备 用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统 如可以灵活组态各种智能仪表 数据采集模块 无纸记录仪 无人值守的现 场采集站 人机界面等专用设备 15 过去工业控制计算机系统的软件功能都靠软件人员编程实现 工作量大 软 件通用性差 且易产生错误 随着工业控制要求的不断提高 专门用于工业控制 的组态软件应运而生 它是一套功能齐全的组态生成工具软件 通用性强 而且 系统的执行程序代码部分一般固定不变 为适应不同的应用对象只需改变数据实 体即可 16 目前国内外有很多公司开发出不少优秀产品 如 Intellution 公司的 Fix Ci 公司的 Citect 清华紫光的组态王等 MCGS 是众多监控软件中的一种 它具有许多优点 可用于任何监控系统 中北大学中北大学 20122012 届毕业设计说明书届毕业设计说明书 第 7 页 共 40 页 2 2 系统整体结构和功能系统整体结构和功能 2 12 1 PLCPLC 2 1 1 PLC 的选择 为实验我们选择松下 FP 系列可编程控制器 其有以下特点 主要特征 1 高速大容量 2 高速脉冲输出功能 3 内置 2 点模拟量旋钮 4 晶体管输出短路保护 5 PID 温度控制功能 具体为 1 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 2 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 3 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 4 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 17 2 1 2 PLC 系统组成及各部分的功能 1 CPU 运算和控制中心 起 心脏 作用 纵 当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中 然后 CPU 根据系统所 赋予的功能 系统程序存储器的解释编译程序 把用户程序翻译成 PLC 内部所 认可的用户编译程序 中北大学中北大学 20122012 届毕业设计说明书届毕业设计说明书 第 8 页 共 40 页 横 输入状态和输入信息从输入接口输进 CPU 将之存入工作数据存储器中 或输入映象寄存器 然后由 CPU 把数据和程序有机地结合在一起 把结果存入输 出映象寄存器或工作数据存储器中 然后输出到输出接口 控制外部驱动器 组成 CPU 由控制器 运算器和寄存器组成 这些电路集成在一个芯片上 CPU 通 过地址总线 数据总线与 I O 接口电路相连接 18 2 存储器 具有记忆功能的半导体电路 分为系统程序存储器和用户存储器 系统程序存储器用以存放系统程序 包括管理程序 监控程序以及对用户程 序做编译处理的解释编译程序 由只读存储器 ROM 组成 厂家使用的 内容不 可更改 断电不消失 19 用户存储器 分为用户程序存储区和工作数据存储区 由随机存取存储器 RAM 组成 用户使用的 断电内容消失 常用高效的锂电池作为后备电源 寿 命一般为 3 5 年 20 3 输入 输出接口 1 输入接口 光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成 发光二级管 在光电耦合器的输入端加上变化的电信号 发光二极管就产生 与输入信号变化规律相同的光信号 光电三级管 在光信号的照射下导通 导通程度与光信号的强弱有关 在光 电耦合器的线性工作区内 输出信号与输入信号有线性关系 21 输入接口电路工作过程 当开关合上 二极管发光 然后三极管在光的照射 下导通 向内部电路输入信号 当开关断开 二极管不发光 三极管不导通 向 内部电路输入信号 也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成 PLC 内部 所能接受的数字信号 22 2 输出接口 PLC 的继电器输出接口电路 工作过程 当内部电路输出数字信号 1 有电流流过 继电器线圈有电流 然后常开触点闭合 提供负载导通的电流和电压 当内部电路输出数字信号 0 中北大学中北大学 20122012 届毕业设计说明书届毕业设计说明书 第 9 页 共 40 页 则没有电流流过 继电器线圈没有电流 然后常开触点断开 断开负载的电流或 电压 也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不 动作 23 三种类型 继电器输出 有触点 寿命短 频率低 交直流负载 晶体管输出 无触点 寿命长 直流负载 晶闸管输出 无触点 寿命长 交流负载 4 编程器 编程器分为两种 一种是手持编程器 方便 我们实验室使用的就是手持编 程器 二种是通过 PLC 的 RS232 口 与计算机相连 然后敲击键盘 通过 NSTP GR 软件 或 WINDOWS 下软件 向 PLC 内部输入程序 24 2 1 3 PLC 执行程序的过程及功能 PLC 执行程序的过程分为三个阶段 即输入采样阶段 程序执行阶段 输出 刷新阶段 1 输入采样阶段 在输入采样阶段 PLC 以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行 采样 并存入输入映象寄存器中 此时输入映象寄存器被刷新 接着进入程序处 理阶段 在程序执行阶段或其它阶段 即使输入状态发生变化 输入映象寄存器 的内容也不会改变 输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能 被采样到 25 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执行 若程序用梯形图来表示 则总是按先上后下 先左后右的顺序进行 当遇到程序跳转指令时 则根据跳转 条件是否满足来决定程序是否跳转 当指令中涉及到输入 输出状态时 PLC 从 输入映像寄存器和元件映象寄存器中读出 根据用户程序进行运算 运算的结果 再存入元件映象寄存器中 对于元件映象寄存器来说 其内容会随程序执行的过 程而变化 26 3 输出刷新阶段 中北大学中北大学 20122012 届毕业设计说明书届毕业设计说明书 第 10 页 共 40 页 当所有程序执行完毕后 进入输出处理阶段 在这一阶段里 PLC 将输出映 象寄存器中与输出有关的状态 输出继电器状态 转存到输出锁存器中 并通过 一定方式输出 驱动外部负载 因此 PLC 在一个扫描周期内 对输入状态的采 样只在输入采样阶段进行 当 PLC 进入程序执行阶段后输入端将被封锁 直到下 一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样 这方式称为集中采样 即在一个扫描周期内 集中一段时间对输入状态进行采样 27 在用户程序中如果对输出结果多次赋值 则最后一次有效 在一个扫描周期 内 只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出 对输出接口进行 刷新 在其它阶段里输出状态一直保存在输出映象寄存器中 这种方式称为集中 输出 对于小型 PLC 其 I O 点数较少 用户程序较短 一般采用集中采样 集中 输出的工作方式 虽然在一定程度上降低了系统的响应速度 但使 PLC 工作时大 多数时间与外部输入 输出设备隔离 从根本上提高了系统的抗干扰能力 增强了 系统的可靠性 而对于大中型 PLC 其 I O 点数较多 控制功能强 用户程序较 长 为提高系统响应速度 可以采用定期采样 定期输出方式 或中断输入 输 出方式以及采用智能 I O 接口等多种方式 28 从上述分析可知 当 PLC 的输入端输入信号发生变化到 PLC 输出端对该输入 变化作出反应 需要一段时间 这种现象称为 PLC 输入 输出响应滞后 对一般 的工业控制 这种滞后是完全允许的 应该注意的是 这种响应滞后不仅是由于 PLC 扫描工作方式造成 更主要是 PLC 输入接口的滤波环节带来的输入延迟 以 及输出接口中驱动器件的动作时间带来输出延迟 同时还与程序设计有关 滞后 时间是设计 PLC 应用系统时应注意把握的一个参数 29 目前典型的 PLC 功能有下面几点 顺序控制 这是可编程控制器最广泛应用的领域 取代了传统的继电器顺序控制 例如注塑机 印刷机械 订书机械 切纸机 组合机床 磨床 装配生产线 包 装生产线 电镀流水线及电梯控制等 程控 在工业生产过程中 有许多连续变化的量 如温度 压力 流量 液体 速度 电流和电压等 称为模拟量 可编程控制器有 A D 和 D A 转换模块 这样 可编程控制器可以作模拟控制用于程控 中北大学中北大学 20122012 届毕业设计说明书届毕业设计说明书 第 11 页 共 40 页 数据处理 一般可编程控制器都设有四则运算指令 可以很方便地对生产过程中 的资料进行处理 用 PLC 可以构成监控系统 进行数据采集和处理 控制生产过 程 较高档次的可编程控制器都有位置控制模块 用于控制步进电动机 实现对 各种机械的位置控制 通信联网 某些控制系统需要多台 PLC 连接起来使用或者由一台计算机与多台 PLC 组成分布式控制系统 可编程控制器的通信模块可以满足这些通信联网要求 30 显示打印 可编程控制器还可以连接显示终端和打印等外围设备 从而实现显示 和打印的功能 2 22 2 变频器变频器 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 CPU 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 31 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 32 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 中北大学中北大学 20122012 届毕业设计说明书届毕业设计说明书 第 12 页 共 40 页 2 2 1 各部分名称及其作用 图 2 1 变频器结构 2 2 2 控制电路的接线方法 中北大学中北大学 20122012 届毕业设计说明书届毕业设计说明书 第 13 页 共 40 页 图 2 2 变频器端口 各种端子有关参数的功能 如下表 表 2 1 端子有关参数的功能 由上表可知 在端子 NO 8 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 OFF PWM 信号 ON 用 P09 的参数的设定信号进行控制 中北大学中北大学 20122012 届毕业设计说明书届毕业设计说明书 第 14 页 共 40 页 NO 9 PWM 信号输入端子 注 1 用 PWM 信号进行输出频率控制 必须设定 P22 23 24 的参数 注 2 PWM 信号用晶体管 Tr 请 使用具有如下能力的晶体管 33 1 最大额定电压 DC50V 以 上 2 额定电流 50mA 以上 图 2 3 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 3 NO 5 ON 正转 OFF 停止 NO 6 ON 反转 OFF 停止 2 P08 2 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 控制电路端子的连接和功能说明 1 端子 NO 8 频率信号切换输入端子 ON 用参数 P09 设定的信号 OFF PWM 频率信号 中北大学中北大学 20122012 届毕业设计说明书届毕业设计说明书 第 15 页 共 40 页 2 端子 NO 9 PWM 频率信号输入端子 图 2 4 控制电路端子 PWM 信号与频率指令值之间的关系 图 2 5 PWM 信号与频率指令之间的关系 最大输出频率 周期 时间 频率指令值 Hz PWM ON Hz 波形图为端子 NO 9 3 之间的电压波形 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 假定 ON 的时间为 10ms 即 频率指令值为 50 2 32 3 组态软件组态软件 2 3 1 MCGSE MCGS Monitor and Control Generated System 通用监控系统 是一套用 于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件 它能够在基于 Microsoft 的各种 32 位 Windows 平台上运行 通过对现场数据的采集处理 以动画显示 报警处理 流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案 它充分利 用了 Windows 图形功能完备 界面一致性好 易学易用的特点 比以往使用专用 机开发的工业控制系统更具有通用性 在自动化领域有着更广泛的应用 34 2 3 2 MCGS 组态软件的功能和特点 概念简单 易于理解和使用 普通工程人员经过短时间的培训就能正确掌握 快速完成多数简单工程项目的监控程序设计和运行操作 用户可避开复杂的计算 机软硬件问题 集中精力解决工程本身的问题 按照系统的规定 组态配置出高 性能 高可靠性 高度专业化的上位机监控系统 中北大学中北大学 20122012 届毕业设计说明书届毕业设计说明书 第 16 页 共 40 页 功能齐全 便于方案设计 MCGS 为解决工程监控问题提供了丰富多样的手段 从设备驱动 数据采集 到数据处理 报警处理 流程控制 动画显示 报表输 出 曲线显示等各个环节 均有丰富的功能组件和常用图形库可供选用 用户只 需根据工程作业的需要和特点 进行方案设计和组态配置 即可生成用户应用软 件系统 实时性与并行处理 MCGS 充分利用了 Windows 操作平台的多任务 按优先级 分时操作的功能 使 PC 机广泛应用于工程测控领域成为可能 工程作业中 大量 的数据和信息需要及时收集 即时处理 在计算机测控技术领域称其为实时性任 务关键任务 如数据采集 设备驱动和异常处理等 另外许多工作则是非实时性 的 或称为非时间关键任务 如画面显示 可在主机运行周期时间内插空进行 而像打印数据一类的工作 可运行于后台 称为脱机作业 MCGS 是真正的 32 位 系统 可同时运行于 Microsoft Windows95 98 和 Microsoft Windows NT 平台 以线程为单位进行分时并行处理 建立实时数据库 便于用户分步组态 保证系统安全可靠运行 MCGS 组态软 件由主控窗口 设备窗口 用户窗口 实时数据库和运行策略五部分构成 其中 的 实时数据库 是整个系统的核心 在生成用户应用系统时 每一部分均可分 别进行组态配置 独立建造 互不相干 而在系统运行过程中 各个部分都通过 实时数据库交换数据 形成互相关联的整体 实时数据库是一个数据处理中心 是系统各个部分及其各种功能性构件的公用数据区 各个部件独立地向实时数据 库输入和输出数据 并完成自己的差错控制 设立 设备工具箱 针对外部设备的特征 用户从中选择某种 构件 设置于设备窗口内 赋予相关的属性 建立系统与外部设备的连接关系 即可实 现对该种设备的驱动和控制 不同的设备对应于不同的构件 所有的设备构件均 通过实时数据库建立联系 而建立时又是相互独立的 即对某一构件的操作或改 动 不影响其它构件和整个系统的结构 从这一意义上讲 MCGS 是一个 设备无 关 的系统 用户不必因外部设备局部改动 而影响整个系统 面向窗口 的设计方法 增加了可视性和可操作性 以窗口为单位 构造 用户运行系统的图形界面 使得 MCGS 的组态工作既简单直观 又灵活多变 用户 可以使用系统的缺省构架 也可以根据需要自己组态配置 生成各种类型和风格 中北大学中北大学 20122012 届毕业设计说明书届毕业设计说明书 第 17 页 共 40 页 的图形界面 包括 DOS 风格的图形界面 标准 Windows 风格的图形界面以及带有 动画效果的工具条和状态条 利用丰富的 动画组态 功能 快速构造各种复杂生动的动态画面 以图象 图符 数据 曲线等多种形式 为操作员及时提供系统运行中的的状态 品质及 异常报警等有关信息 用变化大小 改变颜色 明暗闪烁 移动翻转等多种手段 增强画面的动态显示效果 图元 图符对象定义相应的状态属性 即可实现动画 效果 同时 MCGS 为用户提供了丰富的动画构件 模拟工程控制与实时监测作业 中常用的物理器件的动作和功能 每个动画构件都对应一个特定的动画功能 如 实时曲线构件 历史曲线构件 报警显示构件 自由表格构件等 引入 运行策略 的概念 复杂的工程作业 运行流程都是多分支的 用传 统的编程方法实现 既繁琐又容易出错 MCGS 开辟了 策略窗口 用户可以选 用系统提供的各种条件和功能的 策略构件 用图形化的方法构造多分支的应 用程序 实现自由 精确地控制运行流程 按照设定的条件和顺序 操作外部设 备 控制窗口的打开或关闭 与实时数据库进行数据交换 同时 也可以由用户 创建新的策略构件 扩展系统的功能 MCGS 系统由五大功能部件组成 主要的功能部件以构件的形式来构造 不同 的构件有着不同的功能 且各自独立 三种基本类型的构件 设备构件 动画构 件 策略构件 完成了 MCGS 系统三大部分 设备驱动 动画显示和流程控制 的 所有工作 用户也可以根据需要 定制特定类型构件 使 MCGS 系统的功能得到扩 充 这种充分利用 面向对象 的技术 大大提高了系统的可维护性和可扩充性 支持 OLE Automation 技术 MCGS 允许用户在 Visual Basic 中操作 MCGS 中 的对象 提供了一套开放的可扩充接口 用户可根据自己的需要用 VB 编制特定的 功能构件来扩充系统的功能 MCGS 中数据的存储不再使用普通的文件 而是用数据库来管理一切 组态时 系统生成的组态结果是一个数据库 运行时 数据对象 报警信息的存储也是一 个数据库 利用数据库来保存数据和处理数据 提高了系统的可靠性和运行效率 同时 也使其它应用软件系统能直接处理数据库中的存盘数据 中北大学中北大学 20122012 届毕业设计说明书届毕业设计说明书 第 18 页 共 40 页 设立 对象元件库 解决了组态结果的积累和重新利用问题 所谓对象元 件库 实际上是分类存储各种组态对象的图库 组态时 可把制作完好的对象 包括图形对象 窗口对象 策略对象 以至位图文件等等 以元件的形式存入 图库中 也可把元件库中的各种对象取出 直接为当前的工程所用 随着工作的 积累 对象元件库将日益扩大和丰富 组态工作将会变得越来越简单方便 提供对网络的支持 考虑到工控系统今后的发展趋势 MCGS 充分运用现今发 展的 DCCW Distributed Computer Cooperator Work 技术 即分布式计算机协同 工作方式 来使分散在不同现场之间的采集系统和工作站之间协同工作 通过 MCGS 不同的工作站之间可以实时交换数据 实现对工控系统的分布式控制和管 理 2 3 3 MCGS 的构成 MCGS 系统包括组态环境和运行环境两个部分 用户的所有组态配置过程都在组态环境中进行 组态环境相当于一套完整的 工具软件 它帮助用户设计和构造自己的应用系统 用户组态生成的结果是一个 数据库文件 称为组态结果数据库 运行环境是一个独立的运行系统 它按照组态结果数据库中用户指定的方式 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 必须与组态结果数据库一起作为一个整体 才能构成用户应用系统 一旦组态工 作完成 运行环境和组态结果数据库就可以离开组态环境而独立运行在监控计算 机上 组态结果数据库完成了 MCGS 系统从组态环境向运行环境的过渡 它们之间的 关系如下图所示 图 2 6 组态环境与运行环境的关系 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 如下图所示 中北大学中北大学 20122012 届毕业设计说明书届毕业设计说明书 第 19 页 共 40 页 图 2 7 用户应用系统结构 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 的单机版中 每个应用系统只能有一个主控窗口和一个设备窗口 但 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 实时数据库是 MCGS 系统的核心 实时数据库相当于一个数据处理中心 同时也起到公用数据交换区的作用 MCGS 用实时数据库来管理所有实时数据 从外部设备采集来的实时数据送入实时 数据库 系统其它部分操作的数据也来自于实时数据库 实时数据库自动完成对 实时数据的报警处理和存盘处理 同时它还根据需要把有关信息以事件的方式发 送给系统的其它部分 以便触发相关事件 进行实时处理 因此 实时数据库所 存储的单元 不单单是变量的数值 还包括变量的特征参数 属性 及对该变量 的操作方法 报警属性 报警处理和存盘处理等 这种将数值 属性 方法封 装在一起的数据我们称之为数据对象 实时数据库采用面向对象的技术 为其它 部分提供服务 提供了系统各个功能部件的数据共享 主控窗口构造了应用系统的主框架 中北大学中北大学 20122012 届毕业设计说明书届毕业设计说明书 第 20 页 共 40 页 主控窗口确定了工业控制中工程作业的总体轮廓 以及运行流程 菜单命令 特性参数和启动特性等项内容 是应用系统的主框架 设备窗口是 MCGS 系统与外部设备联系的媒介 设备窗口专门用来放置不同类型和功能的设备构件 实现对外部设备的操作 和控制 设备窗口通过设备构件把外部设备的数据采集进来 送入实时数据库 或把实时数据库中的数据输出到外部设备 一个应用系统只有一个设备窗口 运 行时 系统自动打开设备窗口 管理和调度所有设备构件正常工作 并在后台独 立运行 注意对用户来说 设备窗口是不可见的 用户窗口实现了数据和流程的 可视化 用户窗口中可以放置三种不同类型的图形对象 图元 图符和动画构件 图 元和图符对象为用户提供了一套完善的设计制作图形画面和定义动画的方法 动 画构件对应于不同的动画功能 它们是从工程实践经验中总结出的常用的动画显 示与操作模块 用户可以直接使用 通过在用户窗口内放置不同的图形对象 搭 制多个用户窗口 用户可以构造各种复杂的图形界面 用不同的方式实现数据和 流程的 可视化 组态过程中的多个用户窗口 最多可定义 512 个 所有的用户窗口均位于主控窗 口内 其打开时窗口可见 关闭时窗口不可见 允许多个用户窗口同时处于打开 状态 用户窗口的位置 大小和边界等属性可以随意改变或设置 如可以让一个 用户窗口在顶部作为工具条 也可以放在底部作为状态条 还可以使其成为一个 普通的最大化显示窗口等等 多个用户窗口的灵活组态配置 就构成了丰富多彩 的图形界面 运行策略是对系统运行流程实现有效控制的手段 运行策略本身是系统提供的一个框架 其里面放置有策略条件构件和策略构 件组成的 策略行 通过对运行策略的定义 使系统能够按照设定的顺序和条 件操作实时数据库 控制用户窗口的打开 关闭并确定设备构件的工作状态等 从而实现对外部设备工作过程的精确控制 一个应用系统有三个固定的运行策略 启动策略 循环策略和退出策略 同 时允许用户创建或定义最多 512 个用户策略 启动策略在应用系统开始运行时调 中北大学中北大学 20122012 届毕业设计说明书届毕业设计说明书 第 21 页 共 40 页 用 退出策略在应用系统退出运行时调用 循环策略由系统在运行过程中定时循 环调用 用户策略供系统中的其它部件调用 综上所述 一个应用系统由主控窗口 设备窗口 用户窗口 实时数据库和 运行策略五个部分组成 组态工作开始时 系统只为用户搭建了一个能够独立运 行的空框架 提供了丰富的动画部件与功能部件 如果要完成一个实际的应用系 统 应主要完成以下工作 首先 要象搭积木一样 在组态环境中用系统提供的或用户扩展的构件构造 应用系统 配置各种参数 形成一个有丰富功能可实际应用的工程 然后 把组态环境中的组态结果提交给运行环境 运行环境和组态结果一起 就构成了用户自己的应用系统 2 3 4 MCGS 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 本章逐步介绍在 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 新工程的提交 中北大学中北大学 20122012 届毕业设计说明书届毕业设计说明书 第 22 页 共 40 页 3 3 系统调试系统调试 3 13 1 变频器与电动机变频器与电动机 变频器与电动机的接线方式 图 3 1 变频器与电动机的接线方式 接线时注意事项 中北大学中北大学 20122012 届毕业设计说明书届毕业设计说明书 第 23 页 共 40 页 1 将电源连接到输入端子 L N 上 电动机连接到输出端子 U V W 上 2 电源和电动机的端子请使用带套筒的圆形压紧式端子 3 主电路接线后 一定要确认连接的是否牢靠 否则一旦控制电路接线后会因电 线的进出受到限制而不能重新拧紧主电路 4 以最短方式连接到大容量电源变压器时 500KVA 以上 在变频器的输入端 一定要设置改善功率因数的扼流圈 可选件 5 为了适应 CE 标记的要求 变频器的电源输入端 必须设置过电流 短路以及 漏电的保护设备 3 1 1 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 3 1 2 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 3 1 3 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 中北大学中北大学 20122012 届毕业设计说明书届毕业设计说明书 第 24 页 共 40 页 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 25 赫兹时的正转 电源 ON 显示部显示灯亮 设定正转 按下 上升键将旋转方向设定为正转 现行状态 O 为停止 F 为正转 r 为反转 状态为 运行指令 按下 RUN 键 虽已变为运行状态 但因频率受设定钮在 Min 位置上 所以处于零电压 停止状态 状态为 设定频率 慢慢向右转动频率设定钮 使电动机 开始运行 当显示为 25 0 时 即在 25 赫兹下运行 状态为 改变频 率 将频率设定钮向右转动 使之达到 50 赫兹 电动机旋转速度上升 将达到 50 赫兹 状态为 停止指令 按下 STOP 键 电机开始转速 约 5 秒后 停止 状态为 反转运行操作一致 状态出现正常 可通过频率改变实现电机转速的变化 但是操作比较麻烦 人力需要多 3 23 2 PLCPLC 变频器和电动机 变频器和电动机 添加 PLC 控制变频器 再间接改变电动机的转速 3 2 1 PLC 设置 PLC 要实现正转 反转 停止等 通过按钮实现相关的操作 1 确定 I O 点数 正转 反转 停止三个外部按钮是 PLC 的输入变量 接在三个 输入端子上 分配为 X0 X1 X2 输入数据端接另一个端子 接入到寄存器 中 输出有三个继电器 K0 K1 K2 它们是 PLC 的输出端所要控制的设备 要占三个输出端子 分配为 Y0 Y1 Y2 整个系统需要用 7 个 I O 点 35 I O 分配表 中北大学中北大学 20122012 届毕业设计说明书届毕业设计说明书 第 25 页 共 40 页 输入 停止 X0 输出 K0 Y0 正转 X1 K1 Y1 反转 X2 K2 Y2 输入数据端 DT20 用于自锁 互锁的那