刨台变频调速zhangyi.docx
《刨台变频调速zhangyi.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《刨台变频调速zhangyi.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
刨台变频调速zhangyi
HarbinInstituteofTechnology
课程设计说明书（论文）
课程名称：
电气传动自动控制系统
设计题目：
龙门刨床刨台的变频调速控制系统
院系：
电气工程系
班级：
1006105
设计者：
张毅1100610527
董宝旭1100610501
唐雪峰1100610531
谌福1100610516
蔡忠毓1100610502
汪芊芊1101000218
指导教师：
陈宏军杨明
设计时间：
2104.4.2
哈尔滨工业大学教务处
哈尔滨工业大学课程设计任务书
姓名：
张毅、董宝旭、唐雪峰、谌福、蔡忠毓、汪芊芊院（系）：
电气工程
专业：
工业自动化班号：
1006105
任务起至日期：
2012年3月21日至2012年4月10日
课程设计题目：
龙门刨床刨台的变频调速控制系统
已知技术参数和设计要求：
利用西门子S7200PLC,触摸屏TP177B和G120变频器，以及刨台运动模拟器，设计龙门刨床刨台拖动的变频调速控制系统。
技术指标：
刨台可根据设定的速度自动往复运动，满足加工要求。
调速精度不低于5％。
工作量：
1）控制系统总体设计。
2）PLC程序设计。
3）在实验设备上进行系统的局部调试和联合调试。
4）整理设计文件，撰写设计说明书。
工作计划安排：
（学时安排为1周，但考虑实验的安排，需分散在2周内完成）
●第1阶段——接受任务和基本实验。
全体开会，布置任务，组成设计小组（每组5人）。
之后参加1次实验，了解变频器的基本操作方法并熟悉实验设备。
●第2阶段——系统设计和调试
实验之后进入系统设计阶段，根据设计要求，查阅有关文献，合作完成系统设计、PLC编程以及变频器参数设计。
系统设计完成后，进入实验室，在实际装置上进行调试，在调试过程中不断改进原设计方案，最终满足课程设计要求。
调试完成后需进行验收。
●第3阶段——撰写设计报告。
同组设计者及分工：
本设计组由5人组成，协作完成设计任务
张毅、董宝旭、唐雪峰的任务：
PLC程序设计和调试；
谌福、蔡忠毓、汪芊芊的任务：
变频器参数设定和撰写设计报告；
指导教师签字___________________
年月日
教研室主任意见：
教研室主任签字___________________
年月日
*注：
此任务书由课程设计指导教师填写
1控制系统总体设计方案
1．1目的和意义
变频调速是交流电机的主要调速方式之一，由于其优越的调速性能已获得广泛的应用。
变频器是一种能实现变频调速的电机驱动电源。
在现代工业自动化中，通用变频器充当了极为重要的角色。
它具有调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、功率因数高、操作方便、节能效果显著等一系列优点。
它已成为当今改造传统工业、改善工艺流程、提高生产过程自动化水平、提高产品质量、推动技术进步的主要手段之一，普遍应用于风机、水泵、生产线、机床、纺织机械、塑料机械、造纸机械、冶炼机械等。
因此，变频器的使用及变频调速系统的设计，是电气传动领域的一门重要的应用技术。
课程设计的主要任务是以变频器为核心，设计一个变频调速控制系统。
目的是通过变频调速系统的设计，学会变频器的基本使用方法和变频调速系统的基本设计方法，将电气传动的有关理论与工程实践相结合，以锻炼和提高工程实践能力。
1．2设计题目及要求
该设计题目要求利用西门子S7200PLC、TP177B触摸屏和G120变频器（由于时间关系，未能实现利用触摸屏进行测试），以及刨台运动模拟器，设计龙门刨床刨台拖动的变频调速控制系统，并通过实验调试实现该系统的各种设计功能。
下面详细说明龙门刨床刨台变频调速控制系统的基本结构和控制要求。
1.2.1龙门刨床的结构和工作特点
刨床设备的基本结构分为七个部分：
床身、刨台、横梁、刀架、立柱、龙门顶和自动控制系统（电气系统）。
如下图所示：
其机械结构主要由六部分组成，如图1-1所示。
1、床身；2、刨台；3、横梁；4、刀架；5、立柱；6、龙门顶
图1-1龙门刨床结构示意图
（1）床身：
是一个箱形体，上有V形和U形导轨，用于安装工作台。
（2）刨台：
也叫工作台，用于安置工件。
下有传动机构，可顺着床身的导轨作往复运动。
（3）横梁：
用于安装刀架。
在切削过程中严禁动作，仅在更换工件时移动，用于调整刀架的高度。
（4）刀架：
安装在横梁上，可沿水平方向移动，刨刀也可沿刀架本身的导轨垂直移动。
（5）立柱：
用于安装横梁。
（6）龙门顶：
用于固定立柱。
龙门刨的刨削过程是工件与刨刀相对运动的过程。
因此工作台与工件必须频繁地进行往复运动，切削加工只在正向工作行程中，返回行程刨刀提起，工作台快速返回。
在切削过程中刀架没有进给运动，只有在返回行程中才有刀架的进给运动。
其中，工作台与工件间的往复运动称为主运动，横梁、刀架的运动称作辅助运动。
本设计的目的是实现刨台的自动往复运动。
1.2.2刨台的调速要求
不同系列龙门刨床的调速范围各异，通常的调速范围为10－30。
刨台在刨削过程中不断地作往复周期运动，往复一次为一个加工周期。
一个周期中速度的变化情况如图1-2所示。
图中画出了刨台在6个特征时刻（t1~t6）的位置，以及工件与刀具的位置关系。
下面的速度曲线（纵坐标为速度v，横坐标为位置X）描述了刨台运动过程中，刨台在不同位置及运动方向时速度的变化轨迹。
为了实现自动控制，在刨台下方设置了4个接近开关S1~S4，用来检测刨台的位置。
接近开关的动作规律如下：
当刨台运动到接近开关上方时，开关动作，输出为高电平，图中用填充的矩形来表示。
当刨台离开接近开关后，开关复位，输出为低电平，图中用空心的矩形来表示。
4个接近开关将刨台的运动行程划分为5个区间，在速度曲线中用1～5来表示。
在刨台的左端定义了一个参考点，用圆点表示。
将参考点所在的区间定义为刨台所处的区间。
在上述定义基础上，一个工作周期中，刨台的运动特点和调速要求如下：
1）t1～t2段：
刨刀切入工件阶段。
设一个工作周期从t1时刻开始，此时刨台处于整个行程的最右端。
从t1时刻开始，刨台前进，接近刨刀，为防止工件被崩坏，采用低速v0。
2）t2～t3段：
刨削段。
刨刀切入工件后，为提高加工效率，可将刨台运动速度提高为刨削速度vF。
3）t3～t4段：
刨刀退出工件的阶段。
为防止将工件带坏，采用低速v0。
4）t4～t5段：
返回段。
返回过程属于空行程，为了节省返回时间，提高工作效率，返回速度应尽可能高些，采用高速vR。
5）t5～t6段：
缓冲段。
刨台返回结束位置前，为了减小冲力，使再次反向进入下一周期时能够比较平缓，应将速度降至v0。
之后，便进入下一周期，重复上述过程。
图1-2刨台工作周期示意图
1.2.3刨台变频调速控制系统的组成和控制要求
图1-3刨台变频调速控制系统的结构
为了实现刨台往复运动的自动控制，需组成刨台运动控制系统，其结构如图1-3所示。
控制器采用西门子S7200系列PLC（CPU224XP），刨台拖动电机为异步电动机，采用西门子G120变频器实现电机的变频调速。
工作时，PLC根据操作面板上的发令元件（如启动按钮）及刨台位置传感器的状态，结合控制逻辑发出控制指令到变频器，使变频器驱动刨台拖动电机按照期望的速度运转。
电机通过传动机构拖动刨台往复运动，满足刨床的自动加工要求。
在实验室里不可能真的安装刨床，在控制系统中刨台的运动是利用电子模拟器来模拟实现的。
模拟器接受变频器发出的输出频率信号，判断出刨台的运动方向和速度，然后利用模拟器上的光柱的运动来代表刨台的运动，同时还可给出刨台位置的检测信号，并连接到PLC的输入，作为被控对象的反馈信号。
有了模拟器后，控制系统的结构就完整了，可以像在实际系统上一样进行逼真的调试，以检验硬件和软件设计的正确性。
下面分别对PLC、变频器、模拟器提供的资源加以介绍。
（1）PLC型号为CPU224XP，本设计中可利用IO资源为8路DI和8路DO；IO口的接线示例，如图1-4所示。
图1-4CPU接线示例
（2）变频器的型号为G120，为模块化变频器，功率部分和控制部分是分开的。
控制单元的型号为CU240SDP-F，控制单元上的几乎全部IO资源都可以利用，包括6路DI，3路DO，以及2路AI。
IO口的接线示例，如图1-5所示。
（3）模拟器的操作资源包括2个按钮，1个开关，2个电位器和6个指示灯。
此外还有从控制对象上反馈的4个接近开关信号，及1个实际给水压力检测信号。
模拟器上部的一排光柱用来模拟刨台的运动轨迹，下面的S1～S4指示灯表示接近开关。
中部的数码管用于显示对象上的参数，其中右侧两个数码管显示变频器的输出频率（单位Hz），左侧两个管上若显示负号，则表示电机反转。
数码管下方的指示灯和电位器、按钮、开关灯代表实际设备的操作面板上的发令和指示元件，这些信号也连接到接线端子上。
电位器P1和P2的电压调节范围是（0V～5V），对应于设定频率的范围是（－50Hz～50Hz）。
如图1-6所示。
图1-5CU240SDP-F接线示例
刨台变频调速控制系统的控制要求如下：
1）工作方式选择
利用操作面板（在模拟器上）上的开关S5实现工作方式选择功能：
自动方式和手动方式。
2）自动方式下的控制要求
在自动方式下，用操作面板上的PB1和PB2按钮来控制系统的启动和停止。
系统启动后，PLC根据刨台上接近开关的位置检测信号及刨台的调速要求，用开关量输出来选择变频器的频率给定源，从而调节电机的速度，实现刨台往复周期运动。
根据1.2节的调速要求，可将速度控制的逻辑关系归纳为表1-1。
表1-1刨台运行状态与接近开关的关系
运动区间
5
4
3
2
1
2
3
4
接近
开关
状态
S4
○
●
●
○
○
○
●
●
S3
○
○
●
●
○
●
●
○
S2
○
○
○
●
●
●
○
○
S1
○
○
○
○
●
○
○
○
频率给定（Hz）
v0
vF
v0
vR
-v0
运行状态
低速切入
高速切削
低速退出
高速返回
减速缓冲
变频器的频率设定方式为：
v0设定好后，刨台工作时不做实时调整。
而vF和vR的设定值在加工过程中，应能够根据不同的工艺要求做实时调节。
所以，可采用模拟器上的电位器P1和P2来设定和调节这两个频率设定值。
图1-6模拟器示意图
3）手动方式下的控制要求
在手动方式下，用模拟器上的PB1和PB2按钮来控制电机点动正转和点动反转，从而手动调整刨台的位置。
点动运行时频率设定值一般较低（10Hz以下），设定好后不需实时调整。
4）状态指示和报警信息
自动方式下，系统启动后，操作面板上L1指示灯亮，停止时，L1灭。
若系统启动后，变频器未进入运行状态，延时5S后，L6指示灯亮，表示系统报警。
系统正常运行时或停止时，L6灭。
1.3设计内容
1）根据项目的技术指标，项目组成员通过集体讨论共同制定系统的总体设计方案，然后将任务分配到每个设计人员。
2）根据分工，各设计人员分别完成自己的设计任务。
3）在实验设备上进行系统的局部调试和联合调试。
4）以项目组为单位进行项目验收。
5）整理设计文件，撰写设计说明书。
2系统的硬件设计
2．1硬件接口设计
由于模拟器上已经集成了PLC以及变频器的所有输入输出接口，故将模拟器、PLC和变频器通过电缆连接后，仅需要在模拟器上连线即可。
硬件接口得连线如表2-1所示。
此处应注意，三个设备应共地，因此，还需要将U0V、AI0、AI1、M、COM-L连接在GND上，另外，还需要将COM-B、COM-Q连接到24V电源上。
电气原理图如附录一所示。
表2-1硬件接口设计
PLC输入
元件符号
PLC输出
元件符号
I0.0
S1
Q0.0
L1
I0.1
S2
Q0.1
L6
I0.2
S3
Q0.2
DI0
I0.3
S4
Q0.3
DI1、L5
I0.4
S5、L4
Q0.4
DI2、L2
I0.5
PB1
Q0.5
DI3、L3
I0.6
PB2
Q0.6
DI4
I0.7
DO0
Q0.7
DI5
2．2硬件功能设计
模拟器各个元件的功能如表2-2所示。
表2-2模拟器元件功能
模拟器元件符号
功能
模拟器元件符号
功能
L1
变频器运行指示灯
PB1
自动（启动）手动（正转）
L2
模式指示灯
PB2
自动（停止）手动（反转）
L3
反转指示灯
P1
VF模拟给定频率调节电位器
L4
正向点动指示灯
P2
VR模拟给定频率调节电位器
L5
反向点动指示灯
S1-S4
接近开关1，2，3，4
L6
故障指示灯
S5
模式选择开关（1=手动；0=自动）
3系统的软件设计
3．1PLC软件流程
系统的软件流程图如图3-1所示。
图3-1系统软件流程图
3．2PLC程序设计
PLC的详细程序清单（梯形图）如附录二所示。
3．3变频器参数设置
变频器参数的设定按照如下步骤进行：
（1）恢复出厂设定。
（2）快速参数化。
除了快速调试之外，还应该进行“电机参数辨识”，由于本系统采用的是矢量控制方式，因此还要进行“速度控制优化”。
（3）开关量输入的有关功能设定。
变频器的控制单元上有6个开关量输出通道，每个开关闭合后实现的功能，可以通过参数P701~P706来设定其功能。
P701到P706用到的设置值功能如下表3-1所示：
表3-1P701~P706所用到的设定值功能
设置值
功能
设置值
功能
1
ON/OFF1
12
反向
10
JOG正向
99
使能BICO参数化
11
JOG反向
（4）开关量输出的有关功能设定。
变频器的控制单元上有3个开关量输出通道，从开关量输出通道所输出的信号，可以通过参数P731~P733来设定。
本系统将变频器的运行状态显示在DO0上，因此设P731=52.2，即变频器运行时，DO0输出高电平，从而作为变频器运行的指示信号。
变频器输入输出端口功能设置如表3-2所示。
表3-2变频器输入输出端口功能设置
变频器输入输出标号
功能
DI0
变频器启动停止
DI1
变频器反向运行
DI2
频率源选择（低位）
DI3
频率源选择（高位）
DI4
正向点动运行
DI5
反向点动运行
DO0
变频器运行指示
（5）模拟量输入的有关功能设定。
变频器的控制单元上有2个模拟量输入通道，模拟量给定方式即通过变频器的模拟量端子从外部输入模拟量信号（电流或电压）进行给定，并通过调节模拟量的大小来改变变频器的输出频率。
G120变频器有2个的模拟量端子，因此需要选择模拟量给定的输入通道，选择模拟量给定的电压或者电流方式及其调节范围。
模拟量输入通道的功能如图3-2所示。
缺省情况下，输入电压的变化范围是（0V~10V）时，对应AD转换后得到内部数字量的变化范围是为（0％～100％），并存储在变量r0755中。
若要改变这种对应关系，可通过设定参数P757~P760来实现。
图3-2模拟量输入通道
（6）模拟量输出的有关功能设定。
变频器的控制单元上有2个模拟量输出通道，本系统从AO0输出变频器的实际频率值，从而作为模拟器的输入信号以确定光柱的移动速度。
模拟量输入通道的功能如图3-3所示。
缺省情况下，内部数字量的变化范围是为（0％～100％）时，经DA转换输出电压的变化范围是（0V~10V）。
若要改变这种对应关系，可通过设定参数P777~P780来实现。
要转换的内部变量，可通过参数P0771来设定。
图3-3模拟量输出通道
（7）频率源选择。
本系统的关键难点在于：
在刨台控制过程中，如何实现不同频率给定源之间的自动切换。
本项目组是通过参数组的切换来实现的，P1000中可同时存储3个参数，用索引标号in000，in001，in002来区分，它们分别属于3个不同的参数组（用cds0,cds1,cds2表示）。
运行中可在线选择使用哪一个参数组（参数组切换时，参数组中所有参数均进行切换）。
每个参数组中，一般采取不同的参数设定，本系统中P1000[0]=3，P1000[1]=2，P1000[2]=7，cds0的给定频率来自固定频率，cds1的给定频率来自AI0，cds2的给定频率来自AI1。
（8）固定频率设置。
固定频率储存在P1001中，因此，要使P1023=0，P1022=0，P1021=0，P1020=0，已选择固定频率FF1，这里应当注意的是，要将P1016设置为2，将固定频率的选择方式设定为二进制码选择。
（9）点动频率设定。
所谓点动运行，就是变频器在停机状态时，接到点动运转指令后按点动频率和点动加减速时间运行。
点动的参数设置包括点动运行频率、点动加速时间和点动减速时间。
如图3-4所示，t1、t3为实际运行的点动加速和点动减速时间，t2为点动时间。
图3-4 点动运行示意图
（10）数据组复制。
由于变频器要在不同的数据组之间切换，为了使参数设置方便，需要进行参数组复制。
本项目中要使用三个参数组，要将CDS0中的数据分别复制到CDS1和CDS2中，即P0809[0]=0（从CDS0中复制），P0809[1]=1（复制到CDS1中），P0809[2]=1（开始复制），P0809[0]=0（从CDS0中复制），P0809[1]=2（复制到CDS2中），P0809[2]=1（开始复制）。
（11）数据组选择。
参数组选择采用DI2和DI3来控制，首先要使能BICO参数化，即P702=99，P703=99，然后将DI2和DI3分别设置为CDS的位0和位1，即P810=722.2（DI2），P811=722.3（DI3）。
变频器的详细参数设置如附录三所示。
4调试过程及结果
4．1调试过程
调试过程分以下几个步骤：
（1）在模拟器上将变频器，PLC，模拟器的相关元件以及电源和地按照所设计的连线连接好。
（2）按照系统预订功能，对变频器参数进行设置。
（3）将编写好的PLC程序下载并运行系统，分别测试自动模式和手动模式的功能是否正确，并调节电位器P1和P2，看电机能否按照电位器给定的电压调节速度。
4．2调试结果
系统调试的结构如下：
（1）系统能够实现自动模式和手动模式的切换。
（2）自动运行状态下，刨台能够实现自动往复运行，在各个区间能够按照预设的速度运行，在高速切削状态下，能够利用电位器P1进行调速，在高速返回状态下，能够利用电位器P2进行调速。
若系统启动5s中后，变频器没有运行，则报警。
（3）手动运行状态下，刨台能够实现正向点动运行和反向点动运行，从而手动调节刨台的位置。
附录
附录一电气接线图
图5-1刨台变频调速系统模拟器接线图
附录二PLC程序清单
附录三变频器参数清单
分类
参数值
功能
恢复出厂设定
P0003=1
用户访问级为标准级，允许
对最常用的参数进行访问
P0004=0
参数过滤器：
所有参数
P0010=30
调试参数过滤器，出厂设置
P0970=1
工厂复位，将参数恢复为出厂默认值
快速参数化
P0003=3
用户访问级为专家级，仅限于高级用户
P0004=0
参数过滤器：
所有参数
P0010=1
调试参数过滤器，快速调试
P0100=0
电源频率50Hz
P0205=0
输入负载为重载
P0300=1
电机为异步电机
P304=400
额定的电机电压
P305=4.7
额定的电机电流
P307=2.2
额定的电机功率
P308=0.82
额定的电机电cosPhi
P310=50
额定的电机频率
P311=1500
额定的电机转速
P335=0
电机的冷却方式采用自冷方式
P400=0
选择编码器类型为无编码器
P500=0
技术应用为重载
P610=2
电机I2t过温的响应
P625=20
电机环境温度
P640=150
电机的过载因子为150%
P700=2
命令源选择接线端子
P727=0
线制采用西门子（star/dir）
P1080=0
最小频率
P1082=50
最大频率
P1120=10
上升斜坡时间
P1121=10
下降斜坡时间
P1135=10
OFF3下降斜坡时间
P1300=20
控制方式采用无传感器矢量控制
P1500=0
输入转矩设定值的来源，无主设定值
P3900=3
只进行电机参数计算，其余参数不进行复位
END
快速调试/变频器设置结束
电机参数识别
P0010=0
调试参数过滤器，准备就绪
P1900=3
进行电机参数识别，识别所有静止状态下的参数及饱和曲线
ON命令
进行电机参数识别
速度控制优化
P0010=0
调试参数过滤器，准备就绪
P1930=1
速度控制优化使能
ON命令
开始速度控制优化
模拟量输入
P756=0
单极性电压输入
P757=0
AI标定值x1
P758=0.0
AI标定值y1
P759[1]=4.5
P759[2]=4.2
AI标定值x2
P760=100
AI标定值y2
开关量输入
P0701=1
变频器启停
P0702=12
变频器反向
P0703=99
使能BICO参数化
P0704=99
使能BICO参数化
P0705=10
正向点动
P0706=11
反向点动
开关量输出
P731=52.2
将驱动器的运行状态显示在DO0上
模拟量输出
P776=1
设置AO0为电压输出
P771.0=21
输出实际频率（以P2000为基准标定）
P777.0=-100
AO标定值x1
P778.0=0
AO标定值y1
P779.0=100
AO标定值x2
P780.0=10
AO标定值y2
点动频率设定
P1057=1
点动使能
P1058=5
正向点动频率为5Hz
P1059=5
反向点动频率为5Hz
P1060=10
点动上升斜坡时间
P1061=10
点动下降斜坡时间
频率源选择
P1000[0]=3
固定频率
P1000[1]=2
模拟量设定值1
P1000[2]=7
模拟量设定值2
固定频率设置
P1001=10
固定频率为10Hz
P1016=2
固定频率方式采用二进制选择
P1023=0
固定频率选择位3
P1022=0
固定频率选择位2
P1021=0
固定频率选择位1
P1020=1
固定频率选择位0
参数组选择
P810=722.2
CDS选择位0=DI2
P811=722.3
CDS选择位1=DI3
参数组复制
P0809[0]=0
从CDS0中复制
P0809[1]=1
复制到CDS1中
P0809[2]=1
升级会员 