降压启动的控制.docx

降压启动的控制.docx

《降压启动的控制.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《降压启动的控制.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

降压启动的控制

摘要

伴随着现代工业的发展，PLC（可编程控制器）的使用已经越来越受到人们的重视，而且与PLC相关的产品的使用也越来越频繁，现在更多的项目需要结合PLC与相关设备一起使用。

设计中，在对触摸屏和变频器及PLC的熟练应用的基础上，结合设计要求，设计了一个用触摸屏和PLC及变频器来控制Y-△降压启动的应用系统，论文中，说明了各硬件选择和相关参数的设置，描述了用触摸屏和PLC及变频器对Y-△降压启动的控制过程。

设计采用了西门子S7-200系列的PLC，TPC7062KS触摸屏，MM440变频器及触摸屏USB通讯线、RS232通讯线各一条。

通过对PLC的硬件组态的设置，变频器及各部分连接的组态最终实现对Y-△降压启动的控制。

目录

第一章绪论1

1.1选题背景1

1.2设计意义2

第二章主要硬件的介绍3

2.1触摸屏3

2.1.1触摸屏的概述3

2.1.2触摸屏的找工作原理及种类4

2.1.3MCGS嵌入版概述6

2.1.4MCGS嵌入版的技术参数7

2.1.5MCGS嵌入版组态软件的体系结构8

2.2PLC10

2.2.1PLC的概述10

2.2.3PLC的工作原理及特点12

2.3.4PLC的的技术性能15

3.3.变频器16

3.3.1变频器的概述16

3.3.2变频器的工作原理16

3.3.3变频器的功能作用18

3.3.4变频器的基本组成19

3.3.5变频器的参数设置20

第三章系统设计23

3.1方案分析23

3.1.1设计要求23

3.1.2方案分析23

3.2软件配置组态24

3.2.1PLC编程24

3.2.2组态控制26

3.3任务设计27

3.3.1　电器控制原理图27

3.3.2电器控制系统接线图28

3.4调试问题及解决办法29

3.4.1触摸屏问题29

3.4.2PLC及变频器的问题30

第四章结论31

参考文献32

致谢33

第一章绪论

1.1选题背景

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,PLC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的出现,触摸屏的应运而生无疑是21世纪自动化领域里的一个巨大的革新。

触摸屏作为一种最新的输入设备,它是目前最简单、方便。

在全球工业计算机控制领域,围绕开放与再开放过程控制系统、开放式过程控制软件、开放性数据通信协议,已经发生巨大变革,几乎到处都有PLC,但这种趋势也许不会继续发展下去。

随着软PLC（SoftPLC）控制组态软件技术的诞生与进一步完善和发展,安装有SoftPLC组态软件和基于工业PC控制系统的市场份额正在逐步得到增长,这些事实使传统PLC供应商在思想上已经发生了戏剧性的变化,他们必须面对现实,在传统PLC的技术发展与提高方面作出更加开放的高姿态。

对于控制软件来讲,这是PLC控制器的核心,PLC供应商正在向工业用户提供开放式的编程组态工具软件,而且对于工业用户表现得非常积极。

此外,开放式通信网络技术也得到了突破,其结果是将PLC融入更加开放的工业控制行业。

可编程序控制器技术、人机界面技术、变频器技术以及各种嵌入式控制器系统的快速发展进一步提升了工业自动化技术的应用水平,使得工业自动化控制更加准确、方便、安全和可靠。

这次设计通过研究利用触摸屏、PLC和变频器等控制设备来组建一个电机控制系统。

触摸屏具有良好的互动性,在PLC中编制控制程序,PLC的数字

输出信号输入到D/A转换模块转换成模拟量,加载到设置成外部电压控制模式的变频器上,使异步电动机根据生产现场的要求运行。

1.2设计意义

触摸屏、变频器、PLC控制Y-△降压启动应用系统设计，使PLC不仅仅像以前一样控制继电器，检测继电器的状态，而是还可以通过采集变频器的状态字，在触摸屏上形象的显示出系统的运行状态，便于工作人员的监控，而且还可以通过触摸屏实现对系统的远程控制。

本设计通过触摸屏USB通讯，把触摸屏，PLC,变频器方便的集合起来，降低的接线的复杂程度，使系统更加紧凑，整个项目的研发周期更短，节约了时间，提高了效率。

第二章主要硬件的介绍

2.1触摸屏

2.1.1触摸屏的概述

2.1

在工业中，人们常把具有触摸输入功能的人机界面产品称为触摸屏。

事实上，“触摸屏”仅是人机界面产品中可能用到的硬件部分，是一种替代鼠标及键盘部分功能，安装在显示屏前端的输入设备，而人机界面产品则是一种包含硬件和软件的人机交互设备。

人机界面实际上也是一种嵌入式系统。

（美国）国际电气和电子工程是协会（IEEE）对嵌入式系统是这样定义的：

Devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipmentorplans.其中文意思是：

嵌入式系统是一种用于控制、监视或辅助装置、机器或工业设备运行的器件。

所谓的工业人机界面，是一种集信息处理、数据通信、远程控制功能于一体的，可以连接PLC、变频器、调整器、仪器仪表等各种工业控制设备，用单色或彩色显示屏显示相关信息，通过触摸屏、键盘、鼠标输入工作参数或操作命令，以实现人机交互的工业设备。

人机界面设备可以取代大部分传统控制面板，将西门子人机界面应用在工业现场，可以节省PLCI/O点数、大量按钮开关、数字设定及指示灯等装置，并且能明确显示重要信息，有利于操作人员正确掌握机器状况，避免出现错误。

人机界面设备能储存多幅组态画面，设计者可以根据需要编辑出各种组态画面，用于显示设备状态、操作指示、参数设定、动作流程、统计资料、报警信息、简易报表等内容。

2.1.2触摸屏的找工作原理及种类

触摸屏的基本原理是，用手指或其他物体触摸安装在显示器前端的触摸屏时，所触摸的位置（以坐标形式）由触摸屏控制器检测，并通过接口（如RS-232串行口）送到CPU，从而确定输入的信息。

触摸屏系统一般包括触摸屏控制器（卡）和触摸检测装置两个部分。

其中，触摸屏控制器（卡）的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行：

触摸检测装置一般安装在显示器的前端，主要作用是检测用户的触摸位置，并传送给触摸屏控制卡。

1．电阻触摸屏

电阻触摸屏的屏体部分是一块与显示器表面相匹配的多层复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层透明的导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防刮的塑料层，它的内表面也涂有一层透明导电层，在两层导电层之间有许多细小（小于千分之一英寸）的透明隔离点把它们隔开绝缘。

当手指触摸屏幕时，平常相互绝缘的两层导电层就在触摸点位置有了一个接触，因其中一面导电层接通Y轴方向的5V均匀电压场，使得侦测层的电压由零变为非零，这种接通状态被控制器侦测到后，进行A／D转换，并将得到的电压值与5V相比即可得到触摸点的Y轴坐标，同理得出X轴的坐标，这就是所有电阻技术触摸屏共同的最基本原理。

电阻类触摸屏的关键在于材料科技。

电阻屏根据引出线数多少，分为四线、五线、六线等多线电阻触摸屏。

电阻式触摸屏在强化玻璃表面分别涂上两层OTI透明氧化金属导电层，最外面的一层OTI涂层作为导电体，第二层OTI则经过精密的网络附上横竖两个方向的+5V至0V的电压场，两层OTI之间以细小的透明隔离点隔开。

当手指接触屏幕时，两层OTI导电层就会出现一个接触点，电脑同时检测电压及电流，计算出触摸的位置，反应速度为10-20ms。

2．红外线触摸屏

红外线触摸屏安装简单，只需在显示器上加上光点距架框，无需在屏幕表面加上涂层或接驳控制器。

光点距架框的四边排列了红外线发射管及接收管，在屏幕表面形成一个红外线网。

用户以手指触摸屏幕某一点，便会挡住经过该位置的横竖两条红外线，电脑便可即时算出触摸点的位置。

了解触摸屏技术的人都知道，红外触摸屏不受电流、电压和静电干扰，适宜恶劣的环境条件，红外线技术是触摸屏产品最终的发展趋势。

采用声学和其它材料学技术的触屏都有其难以逾越的屏障，红外线触摸屏只要真正实现了高稳定性能和高分辨率，必将替代其它技术产品而成为触摸屏市场主流。

最新的技术第五代红外屏的分辨率取决于红外对管数目、扫描频率以及差值算法，分辨率已经达到了1000X720，至于说红外屏在光照条件下不稳定，从第二代红外触摸屏开始，就已经较好的克服了抗光干扰这个弱点。

第五代红外线触摸屏是全新一代的智能技术产品，它实现了1000*720高分辨率、多层次自调节和自恢复的硬件适应能力和高度智能化的判别识别，可长时间在各种恶劣环境下任意使用。

红外线式触摸屏价格便宜、安装容易、能较好地感应轻微触摸与快速触摸。

但是由于红外线式触摸屏依靠红外线感应动作，外界光线变化，如阳光、室内射灯等均会影响其准确度。

而且红外线式触摸屏不防水和怕污垢，任何细小的外来物都会引起误差，影响其性能，不适宜置于户外和公共场所使用。

3．电容式触摸屏

电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜体层，再在导体层外上一块保护玻璃，双玻璃设计能彻底保护导体层及感应器。

电容触摸屏的透光率和清晰度优于四线电阻屏，当然还不能和表面声波屏和五线电阻屏相比。

电容屏反光严重，而且，电容技术的四层复合触摸屏对各波长光的透光率不均匀，存在色彩失真的问题，由于光线在各层间的反射，还造成图像字符的模糊。

电容屏在原理上把人体当作一个电容器元件的一个电极使用，当有导体靠近与夹层ITO工作面之间耦合出足够量容值的电容时，流走的电流就足够引起电容屏的误动作。

我们知道，电容值虽然与极间距离成反比，却与相对面积成正比，并且还与介质的的绝缘系数有关。

因此，当较大面积的手掌或手持的导体物靠近电容屏而不是触摸时就能引起电容屏的误动作，在潮湿的天气，这种情况尤为严重，手扶住显示器、手掌靠近显示器7厘米以内或身体靠近显示器15厘米以内就能引起电容屏的误动作。

电容屏的另一个缺点用戴手套的手或手持不导电的物体触摸时没有反应，这是因为增加了更为绝缘的介质。

电容屏更主要的缺点是漂移：

当环境温度、湿度改变时，环境电场发生改变时，都会引起电容屏的漂移，造成不准确。

2.1.3MCGS嵌入版概述

MCGS嵌入版是在MCGS通用版的基础上开发的，专门应用于嵌入式计算机监控系统的组态软件，MCGS嵌入版包括组态环境和运行环境两部分，它的组态环境能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，运行环境则是在实时多任务嵌入式操作系统WindowsCE中运行。

适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统。

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，在自动化领域有着广泛的应用。

此外MCGS嵌入版还带有一个模拟运行环境，用于对组态后的工程进行模拟测试，方便用户对组态过程的调试。

2.1.4MCGS嵌入版的技术参数

产品特性

尺寸（英寸）7

液晶屏TFT液晶显示，LED背光

显示颜色真彩，65535色

分辨率800×480

液晶屏亮度200cd/㎡

触摸屏电阻式

供电电源24VDC

额定功率5W

CPU主板ARMCPU，400MHz

内存64M

存储设备128MFLASH

组态软件MCGS嵌入式组态软件（运行版）

环境条件

工作温度0℃~45℃

工作湿度5%~90%

储存温度-10℃~60℃

振动频率10-57Hz57-150Hz

振动加速度0.075mm9.8m/s2

振动扫频速率Oct/min≤1

产品规格

结构工业塑料结构

颜色工业灰

面板尺寸226.5mm×163mm

机柜开孔215mm×152mm

外部接口

串口1×RS232、1×RS485

USB1主1从

以太网无

认证防护

认证CE/FCC

防护等级IP65

抗干扰性工业三级

2.1.5MCGS嵌入版组态软件的体系结构

MCGS嵌入式体系结构分为组态环境、模拟运行环境和运行环境三部分。

图2-1MCGS

组态环境和模拟运行环境相当于一套完整的工具软件，可以在PC机上运行。

用户可根据实际需要裁减其中内容。

它帮助用户设计和构造自己的组态工程并进行功能测试。

运行环境则是一个独立的运行系统，它按照组态工程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，必须与组态工程一起作为一个整体，才能构成用户应用系统。

一旦组态工作完成，并且将组态好的工程通过串口或以太网下载到下位机的运行环境中，组态工程就可以离开组态环境而独立运行在下位机上。

从而实现了控制系统的可靠性、实时性、确定性和安全性。

由MCGS嵌入版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。

图2-2MCGS嵌入版生成的用户应用系统

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。

2.2PLC

2.2.1PLC的概述

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController,PLC），它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC。

2.2.2PLC的基本结构

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：

1、电源

PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。

如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。

一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。

2、中央处理单元（CPU）

中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。

它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。

等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

为了进一步提高PLC的可靠性，对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。

这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

3、存储器

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

4、输入输出接口电路。

1．现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。

2．现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。

5、功能模块

如计数、定位等功能模块。

6、通信模快

图2-3的基本结构：

2.2.3PLC的工作原理及特点

1、PLC的工作原理

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

（一）输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

（二）用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。

即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。

（三）输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时，才是PLC的真正输出。

2、PLC的特点

PLC具有以下鲜明的特点。

（1）功能完善，组合灵活，扩展方便，实用性强。

现代PLC所具有的功能及其各种扩展单元、智能单元和特殊功能模块，可以方便、灵活地组成不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。

以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。

（2）使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。

PLC的运用能够做到在线修改程序，改变控制的方案而无需拆开机器设备。

它能在不同环境下运行，可靠性十分强悍。

（3）安装简单，容易维修。

PLC可以在各种工业环境下直接运行，只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，写入程序即可运行。

各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。

（4）抗干扰能力和可靠性能力都强，远高于其他各种机型。

隔离和滤波，是抗干扰的两大主要措施。

对PLC的内部电源还采取了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保证供电质量。

另外使输入/输出接口电路的电源彼此独立，以免电源之间的干扰。

正确的选择接地地点和完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。

（5）环境要求低。

PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作。

2.3.4PLC的的技术性能

2-1表S7-200CPU224一般性能

电源电压

DC24V，AC100~230V

电源电压波动

DC20.4-28.8V，AC84-264V（47-63Hz）

环境温度、湿度

水平安装0~550C，垂直安装0~450C，5~95%

大气压

860~1080hPa

保护等级

IP20到IEC529

输出给传感器的电压

DC24V（20.4-28.8V）

输出给传感器的电流

280mA，电子式短路保护（600mA）

为扩展模块提供的输出电流

660mA

程序存储器

8K字节/典型值为2.6K条指令

数据存储器

2.5K字

存储器子模块

1个可插入的存储器子模块

数据后备

整个BD1在EEPROM中无需维护

在RAM中当前的DB1标志位、定时器、计数器等通过高能电容或电池维持，后备时间190h（400C时120h），插入电池后备200天

编程语言

LAD，FBD，STL

程序结构

一个主程序块（可以包括子程序）

程序执行

自由循环。

中断控制，定时控制（1~255ms）

子程序级

8级

用户程序保护

3级口令保护

指令集

逻辑运算、应用功能

位操作执行时间

0.37μs

扫描时间监控

300ms（可重启动）

内部标志位

256，可保持：

EEPROM中0~112

计数器

0~256，可保持：

256，6个高速计数器

定时器

可保持：

256，

4个定时器，1ms~30s

16个定时器，10ms~5min

236个定时器，100ms~54min

接口

一个RS485通信接口

可连接的编程器/PC

PG740PII，PG760PII，PC（AT）

本机I/O

数字量输入：

14，其中4个可用作硬件中断，14个用于高速功能

数字量输出：

10，其中2个可用作本机功能，

模拟电位器：

2个

可连接的I/O

数字量输入/输出：

最多94/74

模拟量输入/输出：

最多28/7（或14）

AS接口输入/输出：

496

最多可接扩展模块

7个

3.3.变频器

3.3.1变频器的概述

变频器（Variable-frequencyDrive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。

变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。

随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。

测量方式

变频器输出为PWM波，含有较多的高次谐波。

变频功率传感器通过对输入的电压、电流信号进行交流采样，再将采样值通过电缆、光纤等传输系统与数字量输入变频功率分析仪，数字量输入变频功率分析仪对电压、电流的采样值进行运算，可以获取电压有效值、电流有效值、基波电压、基波电流、谐波电压、谐波电流、有功功率、基波功率、谐波功率等参数。

3.3.2变频器的工作原理

主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，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。

它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

整流器

大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。

也可用两组晶体管变

流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。

平波回路

在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。

为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。

装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。

逆变器

同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。

以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。

控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，