毕业论文基于PLC触摸屏变频器控制电动机的多段调速.docx
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毕业论文基于PLC触摸屏变频器控制电动机的多段调速
摘要：
在现代自动化领域可编程控制器（PLC）、触摸屏及变频器是非常重要的元器件，通过本次课程设计可熟悉三菱PLC、触摸屏的编程环境及变频器的调试。
这次课程设计主要内容是对三菱PLC和触摸屏进行编程，对变频器进行调试，来实现对三相异步电动机的三段速控制。
介绍了基于MT506S的触摸屏，FX1N-40MR的PLC，FR-S500的变频器控制电机多段调速系统的组成、控制方案及信号处理方法，设计了硬件电路、相关梯形图程序、触摸屏显示程序及变频器的参数设置。
调试应用表明，该系统简单、实用。
通过该课程综合设计的实践、锻炼，进一步掌握PLC和变频调速控制系统原理及应用，熟练使用触摸屏。
本次课程设计取得了让人满意的效果，学会了各种软件的使用，发挥了想象力、创造力，为今后的工作奠定了基础。
对其他相关课题也具有很好的借鉴作用和参考价值。
关键字：
触摸屏，可编程控制器（PLC），变频器，电机
引言
引言
随着电气工业的不断发展，触摸屏，可编程控制器（PLC），变频器得以普及且应用到人们的生活、生产中，使电气控制更加方便，简洁，实用。
触摸屏不仅适用于中国多媒体信息查询的国情，而且触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。
利用这种技术，我们用户只要用手指轻轻地碰计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作，从而使人机交互更为直截了当。
触摸屏在我国的应用范围非常广阔，主要是公共信息的查询；如电信局、税务局、银行、电力等部门的业务查询。
PLC技术简化了工厂自动化的体系结构，把控制、通信、人机界面及各种特定的应用全都合为一体，运用于同一个硬件平台上。
在工业生产过程中，具有大量的开关量顺序控制，要求按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集等。
PLC在未来的工业电气控制中定会占据重要的席位。
成为继现场总线技术发展的新亮点。
变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的，它实现了电机的多段调速。
变频器的器件的更新促使电力变换技术的不断发展，使变频器投入市场并广泛应用。
例如：
在电梯运行中，速度不能保持不变，应从静止状态到匀加速状态转匀速状态到匀减速状态，再到停止状态，故电梯应具有多段调速功能。
从而可见电机多段调速系统的应用之广泛。
一.主要硬件的介绍
1.1触摸屏
1.1.1触摸屏的发展历程
触摸屏的应用随着信息社会的发展越来越普遍，目前触摸屏产品在中国已开始形成了产业。
随着多媒体信息查询的与日俱增，人们越来越多的谈到触摸屏，因为触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的而且又适用于中国多媒体信息查询国情的输入设备，触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。
这种人机交互方式，它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。
触摸屏应用范围非常广阔，主要有公共信息的查询，如电信局、税务局、银行、电力等部门的业务查询。
随着城市向信息化方向发展和电脑网络在日常生活中的渗透，信息查询都会以触摸屏——显示内容可触摸的形式出现。
1.1.2触摸屏的工作原理
为了操作上的方便，人们用触摸屏来代替鼠标或键盘。
工作时，我们必须首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。
触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器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。
1.2可编程控制器（PLC）
1.2.1PLC的发展历程
在工业生产过程中，具有大量的开关量顺序控制，要求按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集等。
传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。
1968年美国GM（通用汽车）公司公开招标，提出研制能够取代继电器的控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。
个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicControlle（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。
现今，PLC已经具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
在可预见的将来，PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的主导地位，是其他控制技术无法取代的。
1.2.2PLC的构成
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。
每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
进入运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。
按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。
1.3变频器
1.3.1变频技术的发展历程
变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。
20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频（PWM-VVVF）调速研究引起了人们的高度重视。
20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。
20世纪80年代后半期开始,美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器巳投入市场并广泛应用。
1.3.2变频器的基本结构
变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。
对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。
二、系统硬件的选型
2.1触摸屏的型号选择
该系统使用深圳步进触摸屏MT506S，其特点：
·强大的32位嵌入式高性能CPU,支持256色真彩显示与敏捷的反应速度；
·功能强大且简单易用的简体中文编辑软件，使你轻松完成复杂的人机界面设计；
·独特的多视窗操作功能，大大增加可显示信息量；·可与几乎所有的PLC兼容；
·创新的在线模拟功能，大大节省工程时间；
·具有RTC（实时时钟）和配方存储功能，支持“多屏单机”和“单屏多机”连接方式；
·双独立串行通讯口和独立的打印接口（打印接口仅MT510T,MT510S,MT509L,MT508S支持）；
·工业级人机界面，前面板防护等级IP65；
·可为OEM用户的专用控制器开发的通信协议驱动。
2.2PLC的型号选择
该系统使用FX1N-40MR，其特点：
FX1N系列是功能很强大的微PLC，可扩展到多达128I/O点，并且能增加特殊功能模块或扩展板。
通信和数据链接功能选项使得FX1N在体积、通信和特殊功能模块等重要的应用方面非常完美。
定位和脉冲输出功能：
一个PLC单元能同时输出2点100KHz脉冲，PLC配备有7条特殊的定位指令，包括零返回、绝对位置读出、绝对或相对驱动以及特殊脉冲输出控制。
其它功能：
内置式24V直流电源
24V、400mA直流电源可用于外围设备，如传感器或其它元件。
时钟功能和小时表功能
在所有的FX1NPLC中都有实时时钟标准。
时间设置和比较指令易于操作。
小时表功能对过程跟踪和机器维护提供了有价值的信息。
持续扫描功能
为应用所需求的持续扫描时间定义操作周期。
输入滤波器调节功能
可以用输入滤波器平整输入信号（在基本单元中x000到x017）。
元件注解记录功能
元件注解可以记录在程序寄存器中。
在线程序编辑
在线改变程序不会损失工作时间或停止生产运转。
RUN/STOP开关
面板上运行/停止开关易于操作。
远程维护
远处的编程软件可以通过调制解调器通信来监测、上载或卸载程序和数据
密码保护
使用一个八位数字密码保护您的程序。
2.3变频器的型号选择
该系统使用FR-S520SE-□K-CHT，其特点：
·功率范围：
0.2-1.5KW（单相200VFR-S520S系列）。
0.4-3.7KW（三相400VFR-S540系列）。
·自动转矩提升,实现6Hz时150%转矩输出。
·数字式拨盘,设定简单快捷。
·柔性PWM,实现更低噪音运行。
·15段速,PID,4-20mA输入和漏源型转换等多功能。
·可提供RS-485通信功能的机型FR-S5□□-□K-R,此机型更可通过电缆接FR-PU04面板。
三、系统设计
3.1系统的原理图
触摸屏PLC变频器电机
触摸屏：
实现人机对话，控制PLC的输入，显示PLC的输出。
PLC：
采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字量、模拟量的输入和输出，控制控制变频器的运行。
变频器：
设置变频器的参数，实现电机的多段调速
3.2系统的接线图
说明：
实物中PLC的输出端COM1（COM2、COM3）、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5分别连接到变频器的SD、STF、STR、RL、RM、RH.
3.3PLC梯形图
说明：
输入:
输出:
X000……停止按钮Y001……正转显示
X001……正转按钮Y002……反转显示
X002……反转按钮Y003……低速显示
X003……低速按钮Y004……中速显示
X004……中速按钮Y005……高速显示
X005……高速按钮
M6……手动/自动切换按钮
梯形图解析：
0～6步实现手动/自动切换7～11步实现电机正转
12～16步实现电机反转17～38步实现电机低速运转
39～59步实现电机中速运转60～80步实现电机高速运转
81～84步实现自动运转时高速到低速的循环
M0被置位时，可实现电机自动状态
其中17～80步中
M0被复位时，可实现电机手动状态
3.4触摸屏操作介面程序
3.4.1首页导航
首页：
该介面包含系统名称、院系名称，使用功能键实现介面跳转功能，点击屏幕进入导航介面。
导航:
该介面包含（院系介绍）（设计介绍）（基本操作）（返回）按钮。
均使用功能键实现介面跳转功能，点击其按钮可进入对应的介面，相应的介面如下。
其中点击（返回）按钮进入首页。
3.4.2院系介绍
院介绍：
该介面包含我院的基本介绍，及（返回）按钮，点击（返回）按钮进入导航介面。
点击（系介绍）按钮，进入系介绍介面。
系介绍：
该介面包含我系介绍，及（返回）按钮。
点击（返回）按钮进入院介绍介面。
3.4.3系统介绍
系统介绍：
该介面包含系统的控制功能，（原理图）（接线图）（PLC梯形图）（返回）按钮。
点击其按钮可进入对应的介面，相应的介面如下。
点击（返回）按钮进入导航介面。
原理图：
该介面包含系统的原理图，（返回）按钮，点击可进入设计介绍介面。
接线图：
该介面包含系统的接线图，（返回）按钮，点击进入设计介绍介面。
PLC梯形图：
该介面包含系统的PLC程序梯形图，（返回）按钮，点击进入设计介绍介面。
3.4.4基本操作
基本操作：
该介面包含（自动/手动切换）（正转）（反转）（低速）（中速）（高速）（停止）（返回）按钮。
点击（返回）按钮进入设计介绍介面。
上图中的各元件输出（读取）地址的<设备类型><设备地址>应和PLC的输入/输出一致。
（例如：
表示正转按钮的设定元件输出地址为X001，表示正转的显示元件读取地址为Y001）但表示手动/自动切换按钮的设定元件读取（输出）地址为M6，表示手动/自动状态的显示元件的读取地址也为M6，开关类型为切换开关。
其余表示各按钮的设定元件类型为复归型开关。
具体操作如下：
可按自动/手动切换按钮进行自动/手动的切换，且屏幕上显示其状态。
手动控制中，点击正转或反转按钮，则表示正转或反转的电机颜色由蓝变红，且闪烁，然后可按低速、中速、高速按钮进行控制电机转速，屏幕上闪烁其对应的电机。
也可按停止按钮控制电机停止。
自动控制中，点击正转或反转按钮，则表示正转或反转的电机颜色由蓝变红，且闪烁，然后代表低速的电机闪烁，10s后代表中速的电机闪烁，再10s后代表高速的电机闪烁，10s后再低速，依次循环。
按停止按钮也可停止。
3.5变频器参数的设置
参数
名称
表示
设定范围
最小设定单位
参数设定值
0
转距提升
P0
0～15%
0.1%
4%
1
上限频率
P1
0～120Hz
0.1Hz
50Hz
2
下限频率
P2
0～120Hz
0.1Hz
0Hz
3
基波频率
P3
0～120Hz
0.1Hz
50Hz
4
3速设定（高速）
P4
0～120Hz
0.1Hz
50Hz
5
3速设定（中速）
P5
0～120Hz
0.1Hz
30Hz
6
3速设定（低速）
P6
0～120Hz
0.1Hz
10Hz
7
加速时间
P7
0～999s
0.1s
5s
8
减速时间
P8
0～999s
0.1s
5s
9
电子过电流保护
P9
0～50A
0.1A
2.5A
30
扩张功能显示选择
P30
0,1
1
0
59
遥控设定功能选择
P59
0，1，2
1
2
60
RL端子功能选择
P60
0～10，14，16,---
1
0
61
RM端子功能选择
P61
0～10，14，16,---
1
1
62
RH端子功能选择
P62
0～10，14，16,---
1
2
63
STR端子功能选择
P63
0～10，14，16,---
1
---
79
操作模式选择
P79
0～4,7,8
1
3
解析：
P0--可以低频领域的电机转矩按负荷要求调整。
起动时，调整失速防止动作。
P30--显示，设定功能参数时设定。
P59--操作盘和控制盘分开的情况下，可以设定遥控设定功能。
0：
无遥控设定功能
1：
有遥控设定功能有频率设定值记忆功能
2：
有遥控设定功能无频率设定值记忆功能
P79--操作模式可以用外部信号操作,也可以用PU（旋钮,RUN键）操作.任何一种操作模式都可固定或组合使用.
0:
用PU/EXT键可切换PU（设定用旋钮,RUN键）操作或外部操作.
1:
只能执行PU操作.
2:
只能执行外部操作.
3：
运行频率：
用设定用旋钮设定，多段速选择，4～20mA（仅当AU信号ON时有效）
启动信号：
外部端子（STF、STR）
4:
运行频率:
外部端子信号（多段速,DC0～5V等）
启动信号:
RUN键
7:
PU操作互锁
8:
操作模式外部信号切换（运行中不可）
根据X16信号的ON/OFF移往操作模式选择
P60,P61,P62，P63--可以选择下述输入信号。
0：
PL（多段速低速运行指令）1：
PM（多段速中速运行指令）
2：
RH（多段速高速运行指令）3：
RT（第2功能选择）
4：
AU（输入电流选择）5：
STOP（启动自保持选择）
6：
MRS（输出停止）7：
OH（外部过流保护输入）
8：
REX（多段速15速选择）9：
JOG（点动运行选择）
10：
RES（复位）14：
X14（PID控制有效端子）
16：
X16（PU操作/外部操作切换）---：
STR（反转启动（仅在STR端子上可安排））
3.6系统各部件的通讯处理
数据通信就是将数据信息通过适当的传送线路从一台机器传送到另一台机器。
这里的机器可以是计算机，变频器，PLC，触摸屏以及远程I/O模块。
将计算机三菱编程软件中的PLC梯形图通过RS232下载到PLC中。
将计算机触摸屏软件中的程序通过RS232下载到触摸屏中。
最后将触摸屏，PLC，变频器，电机按系统接线图连起来,完成调试运行系统。
3.7结论
通过本次系统的设计，基本掌握了触摸屏，PLC，变频器的应用。
该系统可以完成电机的多段调速控制。
触摸屏使PLC的输入控制更加简单，输出显示更加明确。
PLC与变频器相结合容易控制电机多段调速。
PLC程序编写中自动操作没有使用步进控制，及正转、反转、低速、中速、高速输出没有使用置位复位，均可尝试编写，其程序可见附录。
四、致谢
在求学的道路上，我不断感受到师长、家长、同学和朋友的关怀及帮助，让我能安心于学业、求学上进，充满信心和勇气面对挑战，战胜挫折，这是我一生中宝贵的财富和经历，我将永远珍藏。
尽管普通的话语远远无法表达出我内心的感激之情，但仍愿借此方寸之地，对所有关心和帮助过我的人道一声：
谢谢！
首先我要感谢李厥瑾老师。
本论文的工作是在指导教师的悉心指导下完成的，从论文选题到具体的研究过程以及论文撰写的每一个细节，无不渗透着指导老师的心血。
老师渊博的理论知识，丰富的实践工作经验，严谨求实、精益求精的治学精神，朴实无华、平易近人的风范，使学生受益匪浅，永志难忘。
我同样要感谢所有曾经教我知识的老师们，你们给与我无私的帮助和关怀。
学生无以为报，只有再次致以深深的谢意。
PLC实验室是我学习的地方，我要致以对PLC实验室同学们的谢意。
数载同窗之谊，是大家的缘分，我祝愿同学们都能够学业有成。
此外还要感谢张修建同学对我的帮助和在学术上对我提出的许多宝贵意见及建议。
最后我还要感谢我的家人，他们对我倾注了全部的爱和心血，这份亲情给我无限动力，没有他们的养育和支持，就没有我的成长。
父母之恩无法回报，感谢的话语也显得浅陋，子女的成才和努力奋发才是对他们最后的报答。
五、参考文献
1、《EasyBuilder500编程使用手册》深圳市步进科技有限公司
2、《三菱微型可编程控制器FX1S，FX1N，FX2N，FX2NC编程手册》MITSUBISHIELECTRICCORPORATION2005
3、《变频器使用说明书》三菱机电有限公司
4、《艾默生EC20PLC编程手册》艾默生有限公司
5、《EV1000变频器使用手册》艾默生有限公司
6、《PLC应用技术问答》机械工业出版社．2006廖常初
7、《PLC基础应用》机械工业出版社．2003廖常初
8、《PLC应用技术》机械工业出版社．2007徐国林
9、《工业变频器原理及应用》电子工业出版社．2006魏召刚等
西门子：
中国自动化网：
中国工控网：
三菱电机自动化：
工控大世界：
六、附录
使用置位/复位及步进控制的梯形图：
接下图:
说明：
输入:
输出:
X000……停止按钮Y001……正转显示
X001……正转按钮Y002……反转显示
X002……反转按钮Y003……低速显示
X003……低速按钮Y004……中速显示
X004……中速按钮Y005……高速显示
X005……高速按钮
M6……手动/自动切换按钮
梯形图解析：
M0被置位时，可实现电机自动状态
0～8步实现手动/自动切换
M0被复位时，可实现电机手动状态
9～22步实现电机正反转
23～45步实现电机手动控制的低中高三速运转
46～56步实现电机停止运转
57～107步实现自动运转由低速到高速的循环
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