变频器状态监控设计

1、力控组态软件课程设计报告书 河南工学院自动控制系 组态软件及应用课程设计报告 题目：变频器状态监控设计系 部: 自动控制系 专 业: 生产过程自动化 班 级: 姓 名: 学 号: 指导老师: 白敬彩 成 绩: 二零一六年六月二十日目录一、 系统总体方案设计11.1设计要求11.2系统工作原理1二、系统硬件设计22.1PLC选型22.2变频器选型32.3步进电机选型5三、系统软件设计63.1力控软件简介63.2界面组态83.3I/O设备组态103.4数据库组态103.5动画连接113.6电机正转指示向导 11四、结论11 1、 系统总体方案设计1.1设计要求 利用组态软件监控变频器的运

2、行状态并实现对变频器的操作，并实现故障追忆、故障报警和报表功能。监控系统要求（1） 要求监控系统保证各项监测数据的实时准确可靠，减少人为因素影响，提供可靠现场数据支持;（2） 要有良好的可维护性，能够方便地维护系统的正常运行;（3） 能提供友好的人机交互界面，方便现场人员操作;（4） 能提供对实时数据的数据处理和历史数据管理功能;（5） 能提供灵活的接口，为用户提供良好的二次开发功能并能与其他管理信息系统进行信息融合。具体要求（1） 信号采集和数据处理： 对来自现场的非标准信号数据通过组态软件转换成标准信号。（2） 状态显示：将变频器启动、停止、就绪、合闸、接通、运转、旁通、告警、外控等状态通

3、过组态软件动态的显示于监控画面上，具有实时、动态效果。（3） 监控操作： 对频率、温度、电流、电压、风压等进行自动实时监测。（4） 操作画面：在操作画面上可查询装置的电压、电流、功率、温度等实时和历史数据，还可查询实时、历史曲线和设备状态并可按要求设定和打印出实时报表和历史报表。 1.2系统工作原理通过力控组态软件界面设计的动画和按键以及参数的设置，来控制步进电 图1 步进电机与PLC的接线启动、停止、正反转等基本动作，同时还要实现对步进电机的监控和报警。通过力控组态软件和PLC和步进电机的结合来完成这次试验。二、系统硬件设计2.1PLC选型在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就

4、是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。PLC的选

5、型要考虑一下几点：（1）.输入输出（I/O）点数的估算。I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。（2）. 存储器容量的估算。存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有

6、固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。（3）. 控制功能的选择。控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。（4）. 编程功能。3 离线编程方式：PLC和编程器

7、公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。

8、选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。所以通过以上要求选择汇H2u-1616MT-XP型号的PLC。2.2变频器选型（1）、根据电机实际工作电流选择变频器电机实际工作电流是变频器选型最关键的因素，变频器在长时间工作时必须满足变频器输出电流大于电机实际工作电流。项目中通常先选电机，再根据电机选变频器。电机实际工作电流并不是电机铭牌上标注的额定电流，变频器选型时应先熟悉工况，初步估算出电机的工作电流与随时间变化的关系，然后才确定相对应变频器的型号。变频器拖动恒转矩负载电机，以电机额定电流为依据选择变频器

9、。变频器拖动风机、泵类负载的电机，以电机额定电流为依据选择变频器。时常短时间过载运行的电机，需要计算过载周期及过载电流。 变频器拖动这类型负载的电机，要求变频器最大输出电流Imax大于电机峰值电流，且变频器的参数I2t在自身所允许的范围之内，变频器选型时有可能放大一档或几档来才能满足现场需求。现以10kW、20A额定电流电机举例：假如电机间歇性工作，1秒内过载运行时峰值电流为40A（额定电流2倍），之后停止运行20秒。此时选型就要用到变频器过载曲线：首先将电机电流随时间变化的曲线出来，其次看变频器的输出电流曲线能否覆盖电机电流曲线（即变频器输出电流超过电机实是否际工作电流），只有变频器输出电流

10、曲线覆盖电机电流曲线的变频器型号才适用于重载负荷的电机。能对于重载变频器选型，往往有一些经验数据可以参考。（2）、变频器选型应充分考虑环境对变频器的影响首先确认变频器的安装环境；  环境温度。温度太高且温度变化较大时，变频器内部易出现结露现象，其绝缘性能就会大大降低，甚至可能引发短路事故。必要时，必须在箱中增加干燥剂和加热器。在水处理间，一般水汽都比较重，如果温度变化大的话，这个问题会比较突出。.腐蚀性气体。使用环境如果腐蚀性气体浓度大，不仅会腐蚀元器件的引线、印刷电路板等，而且还会加速塑料器件的老化，降低绝缘性能。振动和冲击。装有变频器的控制柜受到机械振动和冲击时，会引起电气接触不

11、良。淮安热电就出现这样的问题。这时除了提高控制柜的机械强度、远离振动源和冲击源外，还应使用抗震橡皮垫固定控制柜外和内电磁开关之类产生振动的元器件。设备运行一段时间后，应对其进行检查和维护。电磁波干扰。变频器在工作中由于整流和变频，周围产生了很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰。因此，柜内仪表和电子系统，应该选用金属外壳，屏蔽变频器对仪表的干扰。所有的元器件均应可靠接地，除此之外，各电气元件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽控制电缆，且屏蔽层应接地。如果处理不好电磁干扰，往往会使整个系统无法工作，导致控制单元失灵或损坏。<1> 温度变频器的影响 变频器选型时要

12、考虑到使用环境温度一般在-1040，工作环境的温度如果高于40的情况下，每升高1，变频器应降额5使用；工作环境的温度每升10,那么变频器的寿命就会减半，所以周围环境及变频器散热的问题一定要解决好。<2> 湿度对变频器的影响 给变频器选型时，若在湿度低于90的环境中工作，空气的相对湿度小于或等于90，无结露。湿度若太高且湿度变化比较大的时候，变频器的内部比较容易出现结露现象，那么绝缘性能就会大幅度降低，甚至会引发短路。必要时，必须在箱中增加干燥剂或加热器。<3>海拔高度对变频器的影响 变频器安装在海拔高度在1000m以下可以输出额定功率。当海拔高度超过了1000m，其输出

13、功率会呈下降。<4> 粉尘对变频器的影响 在有金属导电性粉尘的场合，不宜安装变频器。因为导电性粉尘会侵入变频器的内部，容易导致变频器的内部线路短路，严重情况下会烧毁变频器。在变频器选型时一定要想到这一点。 （3）、变频器进线电源选择 常用的电压为单相交流电220V、三相交流电220V、三相交流电380V和三相交流电690V。进线电源由既有的上游变压器电压等级决定，在变频器选型初期就应明确。电压等级大小决定着电机接线盒的接线方式的不同。星形接法比三角接法有更高的耐压能力和更小的工作电流。进线电源频率一般在50Hz，变频器对进线频率的波动有比较高的承受能力，变频器二极管整流桥

14、对频率不敏感。（4）、正确选用变频器冷却方式 常见的1000VAC以下低压变频器，多为内部风冷。在大功率变频器的成组传动时，变频器散热风机的工作噪音很大。在必要的情况下，可以选用水冷系列变频器。通用低压变频器选型步骤在变频器选型时候，可以按照以下的六个步骤进行：、明确设备的工作运行方式、容量及负载类型、明确设备的工艺、性能指标及控制要求、确定内部系统的组建方式、I/O接口、通信接口等、对各项性能指标和要求进行归纳、对归纳后的结果进行技术咨询或直接进行招标、对变频器性能、变频器使用寿命、变频器价格、变频器服务进行综 根据以上选型的要求，所以这次试验选择汇川的变频器。2.3步进电机选型步进电机是一

15、种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度(称为“步距角”)一步一步运行的，其特点是没有积累误差(精度为百分之100)，所以广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

16、 为了让更多的用户了解步进电机及步进电机驱动器，选择到最适合自己使用要求的步进电机和步进电机驱动器，特将有关选型原则介绍如下：(仅供参考)。  <1> 首先确定步进电机拖动负载所需要的扭矩。最简单的方法是在负载轴上加一杠杆，用弹簧秤拉动杠杆，拉力乘以力臂长度既是负载力矩。或者根据负载特性从理论上计算出来。由于步进电机是控制类电机，所以目前常用步进电机的最大力矩不超过 45Nm ，力矩越大，成本越高，如果您所选择的电机力矩较大或超过此范围，可以考虑加配减速装置。  <2> 确定步进电机的最高运行转速。转速指标在步进电机的选取时至关重要，步进电

17、机的特性是随着电机转速的升高，扭矩下降，其下降的快慢和很多参数有关，如 : 驱动器的驱动电压、电机的相电流、电机的相电感、电机大小等等，一般的规律是：驱动电压越高，力矩下降越慢；电机的相电流越大，力矩下降越慢。在设计方案时，应使电机的转速控制在 1500转/分或1000转/分，当然这样说很不规范,可以参考矩 - 频特性。 <3> 根据负载最大力矩和最高转速这两个重要指标，再参考矩 - 频特性，就可以选择出适合自己的步进电机。如果您认为自己选出的电机太大，可以考虑加配减速装置，这样可以节约成本，也可以使您的设计更灵活。要选择好合适的减速比，要综合考虑力矩和速度的关系，选择出最佳方案。

18、  <4> 最后还要考虑留有一定的(如百分之30)力矩余量和转速余量。 <5> 尽量选择混合式步进电机，它的性能高于反映式步进电机。  <6> 尽量选取细分驱动器，且使驱动器工作在细分状态。  <7> 选取时且勿走入只看电机力矩这一个指标的误区，也就是说并非电机的扭矩越大越好，要和速度指标一起考虑。 <8>在转速要求较高的情况下可以选择驱动电压高一点的驱动器。  <9>在选购时是采用两相的还是三相的，这并没有什么具体的要求，只要步距角能满足使用要求就行。三、系统软件设计3.1力控软件

19、简介该软件是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，系统包括组态环境和运行环境两个部分。在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、实时曲线、历史曲线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。简单灵活的可视化操作界面。我们可以使用系统的缺省构架也可以根据需要自己组态配置图形界面生成各种类型和风格的图形界面。该组态软件能够避开复杂的计算机软、硬件问题集中精力去解决工程问题本身根据工程作业的需要和特点,组态配置出

20、高性能、高可靠性和高度专业化的工业控制监控系统。 <1>实时性强、良好的并行处理性能。 <2>丰富、生动的多媒体画面。 <3>多样化的报警功能。 <4>实时数据库为用户分步组态提供极大方便。 <5>支持多种硬件设备实现“设备无关”。 <6>良好的可维护性和可扩充性。力控是一套基于windows95/98/nt操作系统（或更高版本），可用来快速构造和生成各种监控系统的组态软件系统，它为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和操作工具。力控组态软件具有多任务

21、、多线程功能，其系统框架采用VC+语言编程，通过OLE技术向用户提供VB编程接口，提供丰富的设备驱动构件、动画构件、策略构件，用户可随时方便地扩充系统的功能。力控组态软件的主要特性如下：（1）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、快速完成大多数简单的工程项目，使其能集中精力解决工程本身的问题，而不需了解太多的计算机系统复杂的软硬件问题，就可组态出高性能、高可靠性、高度专业化的监控系统。（2）真正的32位多任务应用系统该系统支持windows的多任务技术，有效地优化了计算机资源，打印任务作为一个独立工作而运行于后台，实现多任务的并行处理。（3）提供丰富的设备驱动程序提

22、供足够多的功能组件和丰富的常用图形库，真正做到只使用组态软件就可快速组态完成工程项目的大多数工作，而对使用者没有太苛刻的要求。通过activedll把设备驱动挂接在系统中，配置简单、速度快、可靠性高。（4）提供强大的网络功能力控组态软件强大的网络功能可把tcp/ip网、485/422网、modem网结合在一起构成大型的监控系统和管理系统。提供4级安全保密机制。（5）提供开放的ole接口力控组态软件是以ole自动化技术为基础的开放式扩充接口，允许用户使用VB来快速编制各种设备驱动构件、动画构件和各种策略构件，通过ole接口，用户可以方便地定制自己特定的系统。（6）组态软件与设备无关在力控组态软件

23、中，设备被实现成独立的构件形式，不同的设备对应于不同的构件。设备构件不仅仅包括设备驱动程序，还有不同的方法和属性供系统调用，每个设备构件都由一个独立的线程来管理。对不同的外部硬件设备，只需提供相应的设备构件，而系统的其它部分和设备无关，不需作任何改动。（7）丰富和方便的动画组态能快速构造出各种复杂的动画画面。图元图符对象可实现自由构图和定义动画，包括颜色、位置、大小、可见度、闪烁、输入输出、按钮动作等多种动画效果。动画构件对象完成特定类型的动画功能，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。（8）运行策略用运行策略来完成和实现对系统运行流程的自由控制，使系统能够按照设定的顺

24、序和条件来操作实时数据库、控制用户窗口的显示、关闭和设备构件的工作状态，从而做到对对象工作过程的精确控制。图形化的构造方法和功能强大的策略构件使运行策略的组态更加快捷方便。（9）充分利用数据库技术力控组态软件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。（10）出于保护企业数据的考虑，力控组态软件很好地解决了授权及安全性问题。依据系统的授权，用户被允许或禁止对系统进行操作，允许或禁

25、止对数据进行访问。力控组态软件在确保安全的情况下可以对多个系统模块进行安全授权。力控组态软件工控组态软件系统包括组态环境和运行环境两大部分，用户所有的组态配置过程都是在组态环境中进行的，用户组态后可生成一个“组态结果数据库”的文件。力控组态软件的运行环境是一个独立的运行系统，它能按照“组态结果数据库”中的组态方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。3.2界面组态本系统人机界面所有画面均由力控组态软件全中文组态软件进行设计，有主画面、参数设定、曲线画面、历史数据、报警记录和帮助等画面，经力控组态软件软件编译无误后，从个人电脑中下载到人机界面即可使用。人机界面与变频控制柜之间通过RS-23

26、2方式进行连接，与PLC之间通过RS-485方式进行连接。由控制柜对人机界面进行读写操作，从而实现了对变频器的操作以及变频器状态的显示。PLC读人机界面状态显示区中的数据，得到当前设备运行和报警的情况，从而做出相应的处4.3.1 系统的组态图2 界面设计具体组态过程如下：（1）用户窗口组态：设置工程的人机交互界面，如系统的主控界面、动画、报表、趋势曲线等。（2）主控窗口组态：本窗口为工程主窗口。用户窗口组态完成后，在主控窗口中，通过对系统菜单和参数的定义和设置来调度、管理用户窗口的打开或关闭。（3）实时数据库组态：工程组态各数据交换处理的核心部分，将力控组态软件的各部分有机地连成一体。根据设计

27、的要求，在力控组态软件的实时数据库窗口中对创建数据对象的基本属性、存盘属性、报警属性等进行定义和设置。（4）设备构件组态：这是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。在基本属性中设置plc的地址和通信方式等；在通道连接窗口中，输入通道和实时数据库中的数据对象连接起来；添加虚拟通道，用于连接可在线调整的系统参数；在数据处理窗口，设置数据处理方法，如滤波、工程转换（即把采集进来的数据或输出的数据转换为具有实际意义的工程数据），即通过在设备窗口中对数据的预处理便可得到所需要的数据类型。（5）运行策略组态：完成工程运行流程的

28、控制。根据运行策略的不同作用和功能，力控组态软件把运行策略分为启动策略、退出策略、循环策略、用户策略、报警策略、事件策略、热键策略共7种，每种策略都由一系列功能模块组成。由于该系统侧重于现场数据的时实监控和统计查询功能，根据系统的控制流程和操作处理，在力控组态软件的运行策略窗口中，对以上运行策略分别进行组态设置，如在用户策略中，利用策略工具箱添加脚本构件、存盘数据提取构件等，以实现所需的功能。3.3I/O设备组态 在Draw导航器中双击“I/O设备组态”项出现如下对话框在展开项目中选择“PLC”项并双击使其展开然后继续选择“汇川”并双击使其展开后选择项目“DVP SERIES PLC”双击 “

29、DVP SERIES PLC”出现如下图所示的“I/O设备定义”对话框在“设备地址”输入框内选择地址“0”,“通信方式”选择“串口RS232/422/485”。完成后点击“下一步”在打开的新窗口中选择“串口3”串口设置波特率9600、数据位7、停止位1、偶校验。 点击保存并进入下一步选择设备型号“ES/EX/SS”型传输方式“ASC3.4数据库组态 在Draw导航器中双击“实时数据库”项使其展开在展开项目中双击“数据库组态”启动组态程序DbManager。 启动DbManager后出现DbManager主窗口。 单击菜单条的“点”选项选择新建或双击单元格出现“请指定区域、点类型” 然后双击该点类型出现的对话框在输，转速信号存放的地址D区字偏移量按上述步骤创建所有对应的数字点和模拟点创建完成。  3.5动画连接电机设置 双击“异步电机”按钮对象出现异步电机向导对话框。异步电机向导 单击变量名右侧的选择按钮打开变量