(毕业论文)基于PLC的铜材成型机水平牵引电控系统的设计.doc

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1、基于PLC的铜材成型机水平牵引电控系统的设计摘 要本文研究的是基于高效、低耗的铜材加工新技术和新工艺，开发出自动、可靠的控制系统基于PLC的铜材水平牵引变频调速控制系统。本课题主要研制铜材连铸水平牵引机的监控系统，使铜型材在结晶器中的阻力减小，铜型材在结晶过程中晶粒细化，从而提高成材率。本文采用变频电机实现拉、停、反推来取代炉振、打链、棘轮或继电器方式，做到工艺既简单且准确。采用PLC编程控制牵引电机的正转、停止、反转、停止，同时通过控制这四种状态的时间来实现牵引电机四节拍动作。并可以在线改变铸造速度、改变牵引频率和节距，从而提高成材率、降低生产成本。本文首先介绍了课题设计的任务。然后根据任务

2、要求，对监控系统的主要硬件做了选型，尤其是对PLC型号的选择。接着，本文对PLC的自动运行、单行程运行、手动运行的控制程序做了具体的设计， 分析了在设备运行中引锭机构牵拉停牵反推停推四节拍的独特流程，并在此基础上设计出可以在线优化工艺参数的由PLC、VVVF和变频调速异步电动机组成的引锭机构驱动控制系统，实现了连铸工艺的优质、稳定和可靠运行，针对设计中的几个键问题提供了理论上的说明,有助于国内铜型材水平连铸产业的技术更新和发展。关键词：变频器；PLC；变频调速；VVVFThe Design of Level Electrical Traction of CopperMolding Machin

3、e Control System Based on PLC AbstractThe research of this paper based on efficient and Low consumption new technology of Copper processing，exploit Reliably Auto control system-Design of Level Electrical Traction of Copper Molding Machine Control System Based on PLC. The paper introduce frequency va

4、riation Motor replace Furnace vibration Hit chain、Ratchet or Relay with Draught、Stop and Reverse thrust. Achieve simple and accurate technology. Use DSP control Draught Motor to Rotation、Stop、Reverse at and stop，at the same time，we achieve the Motor four Beats by control the time of the four Status.

5、 And increase yield、reduce cost by change speed of foundry, frequency and pitch of draught on line.This paper first introduces the subject of the task of designing. Then, according to the mission requirements, we will do the monitoring system hardware selection, especially the choice of the PLC mode

6、l. Then, we make the designs on the PLC automatically operation, single stroke operation, manual controlling of programs, Analyzes the four-step unique process of draught-stop-push-stop in device function of traction machine. Based on the process, the traction machine drive control system was design

7、ed in which craftwork parameters can be completed on-line, completed by the sin-gl,chip computer controller, VVVF and frequency altering speed variation asynchronous motor. The system prossesses high quality,stable and reliable function of successive foundry craftwork. The theoretical illumination t

8、o some key problems in d,-signing was supplied, which is helpful to the development of domestic horizontal successive foundry industry.Keywords: inverter; PLC; frequency control of motor speed; VVVF目 录引 言1第1章 绪论21.1 铜材加工现状21.2 铜材牵引机控制系统的现实意义和价值21.3 本课题的主要研究内容2第2章 系统方案的设计42.1 总体设计框图42.2 核心控制器的比较与选择72

9、.3 调速方案多种实现方法的比较与确定82.4 异步电机选型92.5 变频器选型10第3章 硬件设计133.1 PLC的选择133.1.1 外部I/O设备指令153.1.2 I/O地址分配173.2 显示单元的设计183.3变频器与电机通信连接193.3.1 控制回路端子说明203.4 变频器与PLC通信连接203.5 变频器防干扰措施21第4章 系统的软件设计234.1自动运行程序设计234.2参数设定程序和显示程序的设计244.3 系统点动运行控制程序的实现26结论与展望27致 谢28参考文献29附录A 系统原理图30附录B 外文文献31附录C 主要参考文献的题录及摘要35附录D 源程序3

10、7插图清单图2-1 图基于PLC的铜材成型机控制系统的框图4图2-2 电动机运行时间要求5图2-3 水平牵引连续铸造设备示意图6图2-4 引锭机构速度变化波形图6图2-5 变频器构成示意图11图2-6 外部控制操作的基本电路12图3-1 PLC工作过程14图3-2 数字开关使用指令图15图3-3 数字开关指令梯形图与PLC的连接图16图3-4 Y10-Y13的时序图16图3-5 Y10-Y13的梯形图16图3-6 方向开关指令梯形图17图3-7 高低电平驱动18图3-8 共阴驱动19图3-9 变频器与电机连接图20图3-10 用压敏电阻防止浪涌电压22图3-11 接入噪声滤波器防止噪声干扰22

11、图4-1 自动运行流程23图4-2 参数设定程序和显示程序流程图24图4-3 参数设定程序和显示程序梯形图25图4-4 点动功能的程序梯形等效图26表格清单表2-1 异步电机分类9表2-2 电动机相关参数10表2-3 FR-A540技术参数11表3-1 数字开关指令应用说明15表3-2 方向开关指令应用说明17表3-3 I/O分配表17表4-1 定时器、存储单元以及继电器分配一览表25引 言众所周知，伴随着我国改革开放、经济快速发展，我国的铜材加工发展迅速，铜材加工的产量连续四年居世界第一位。成为世界重要的铜材生产、消费和贸易大国。我国的铜加工业发展潜力巨大，拥有广阔的市场。 目前国内多数中，

12、小型钢材加工企业目前所用的工艺是垂直牵引连铸，设备仍然靠炉振、打链蕀轮或时间继电器来实现拉停牵引，用普通交流电机拖动和机械齿轮变速。而国外广为流行的铜型材加工水平牵引连铸法，因其产品无需校直，性能沿长度方向上的一致性和坯件晶粒较高的致密性导致力学性能和电学性能上的改善，在产品质量和生产效率方面的优势更为明显。本课题主要研制铜材连铸水平牵引机的监控系统，使铜型材在结晶器中的阻力减小，铜型材在结晶过程中晶粒细化，从而提高成材率。本设计有利于实现工业现场的管控一体化,在工业控制的发展中有着广阔的应用前景。 在铜材成型机控制系统中，调速装置也是一个关键部分，它的选择不但涉及到资金、技术问题，同时也关系

13、到生产的安全性。放眼市场，变频器技术的日臻完善，给了我们一个更好的选择，尤其在中、小型工作场合，变频器的应用已经非常广泛。结合上面所述，立足于长远的考虑，本次课题实现方式也将采用上面两者的结合来完成相应的部分的设计。这样，设备便会具有更强的生命力。 本次课题所设计的水平牵引电控系统可以很好的解决之前一般的控制系统响应时间较长精度不够没有人机界面等问题。这种水平牵引机电控系统用可编程控制器控制变频机的正转、停止、反转、停止动作。可以通过编写程序改变电机拖动的速度、改变牵引频率和节距。第1章 绪论1.1 铜材加工现状 随着全球经济的发展，特别是中国国民经济稳定、持续、快速发展，作为经济和高新技术发

14、展支柱性原材料的铜材需求旺盛、发展迅猛。尤其是我国铜加工业发展更是迅速，使我国成为了世界上重要的铜材生产、消费和贸易大国，产量已连续五年居世界第一位，品种不断增加，产品质量逐年提高，工艺技术创新十分活跃，现代化的铜加工工业体系已初步建立和形成。但是，我国铜加工业大而不强、技术经济指标不够先进、企业规模相对偏小与集约化程度不高、技术装备先进与落后并存等弊端尚未彻底改萧今声. 国内外铜加工现状及我国铜加工发展战略J.中国有色金属报，2008(6) ：25-33.。国内多数中、小型铜型材加工企业目前所用的工艺是垂直牵引连铸，设备仍然靠炉振、打链棘轮或时间继电器来实现拉停牵引，用普通交流电机拖动和机械

15、齿轮变速。这种情况的存在，严重阻碍着铜型材加工企业市场竞争的进一步提高。因此形成了中国铜材加工工业大而不强、大而不精的状况，结构性矛盾十分突出，造成了国民经济所需高、精、尖产品主要依靠国外进口的尴尬局面。 而国外以美、日、德铜加工发达国家为代表，铜加工企业在20世纪末期已基本完成了优胜劣汰、兼并重组的整合进程，建立了跨国集团并进行全球化经营，如K M E 、Wieland、Olan、日本三菱等公司。最典型的是欧洲金属公司KME ，几乎囊括了全部铜加工材品种，在世界主要地区都设有分支机构，年铜加工能力达到85万t。以日本企业为代表，引导世界铜加工向精细方向发展，在铜合金引线框架等高精带材研发和生

16、产上处于世界领先水平。未来几年国际铜加工业的发展趋势是企业数量和规模不会有太大变化,产能和产量也不会有太大增长，而产品品种会不断增加,产品质量会更加精益求精、更加节能环保。具体来讲，在铜加工工艺上，向着精细化方向发展；在铜加工装备上，向着智能化方向发展；在企业建设上，向着大而强和专而精方向发展。 面临以上及资源短缺问题，我国铜加工行业正在不断通过技术创新、发展短流程工艺，来提高自动化和连续化水平，节能减排，特别是发展利用再生铜资源直接生产铜加工材技术，以确保中国铜加工工业继续稳定、持续、快速发展。我国铜加工业未来发展应在优胜劣汰、企业整合和做大做强、做专做精的基础上，突出发展高端的高精尖铜加工

17、产品，逐步减少物耗和能耗高、污染较重的普通产品的生产。1.2 铜材牵引机控制系统的现实意义和价值目前国内多数中，小型钢材加工企业目前所用的工艺是垂直牵引连铸，设备仍然靠炉振、打链蕀轮或时间继电器来实现拉停牵引，用普通交流电机拖动和机械齿轮变速。而国外广为流行的铜型材加工水平牵引连铸法，因其产品无需校直，性能沿长度方向上的一致性和坯件晶粒较高的致密性导致力学性能和电学性能上的改善，在产品质量和生产效率方面的优势更为明显。本课题主要研制铜材连铸水平牵引机的监控系统，使铜型材在结晶器中的阻力减小，铜型材在结晶过程中晶粒细化，从而提高成材率。本设计有利于实现工业现场的管控一体化，在工业控制的发展中有着

18、广阔的应用前景陈跃东，汪鹏飞，凌牧，陈孟元. 基于单片机的铜材成型机电控系统设计J.工业控制计算机，2008(12) ：78-79.。 1.3 本课题的主要研究内容本课题瞄准世界铜材加工最先进的水平牵引连铸工艺，将成熟的现代交流变频调速和PLC控制技术与先进的水平牵引连铸工艺相结合，研发出一种适合中小企业使用的铜材水平牵引成型设备。该设备具有两大特征：其一，特有的周期性的牵引停牵后推停推四步流程，可使坯料在结晶器中的阻力减小，并使坯料在结晶过程中晶粒细化，有较高的致密性，导致力学性能和电学性能的改善。其二，在引锭机构动作的控制模式上，既可使用自动连续运行，也可以手工点动控制。2、本课题研究的主

19、要内容：设计出由可编程控制器、变频器和变频调速异步电动机组成的水平牵引驱动控制系统。水平牵引机构的推拉时间比为1: 3 1: 4，连铸周期为5 20 s，牵引节矩为 10 40 mm。具体指标为：、牵引停牵后推停推四步流程每段时间在0 - 9.9秒可调，并用LED分别显示；、牵引电机进行变频调速；能双向连续运行和点动控制，速度分别可调。、系统起动从牵引阶段开始，系统停止在停牵阶段内完成。第2章 系统方案的设计 一个产品是否有市场，不但要看能否满足我们的要求，同时也要考虑到的性价比以及它的发展前景是否很好，同样，我们设计一个系统会有很多种途径来实现，具体用那种我们就要通过相互比较从中选优，这样才

20、能使系统功能更加完善，与之相应的资源配制就更加合理。在这个设计中，我们要对进行一系列的方案比较与选择，从中选择出适合的方案。2.1 总体设计框图 本章是该设计的方案部分，对设计中所采用的芯片从多方面综合的进行比较，最后经过仔细的研究后决定所选的器件由于我国的铜型材加工企业绝大多数是中、小型企业，它们的经济承受能力有限，技术维护能力较弱，采用新型数控交流伺服调速技术，短期内难以打开市场；若采用直流调速技术又面临着在较短时间内被交流调速技术淘汰的困境。因此针对客户群的实际，开发一种采用新型数控变频技术的水平牵引连铸设备就显得尤为必要。其核心工艺要求控制功能较为简单，从高可靠性和高性价比方面考虑，我

21、们提出了采用PLC控制器、VVVF、电源、变频调速异步电动机和高达60：1的减速器组成的驱动控制系统，不仅可以完成水平牵引工艺的四节拍流程，系统还便于维护和调试。这种方案与采用晶闸管整流器和直流电机，配以测速发电机构成闭环直流调速驱动方案相比，在性能和价格相当的条件下，具有可靠性高、节约电能、维护工作量小的优点；与采用工业计算机控制交流伺服电动机的方案比同样具有可靠性高、节约电能等优点的同时，还具有投资省、维护工作量小的优点陈澄波，陈跃东，凌牧，郭成. 为铜材水平牵引连铸配置VVVF驱动控制J.安徽工程科技学院学报，2007(2) ：51-54.。本设计采用途径的总框图如图2-1 所示。图2-

22、1 图基于PLC的铜材成型机控制系统的框图 根据铜加工生产工艺技术与装备对拖动电机的要求，牵引机构在每个周期中速度的变化规律包含四个时段，如图2-2所示。图中为设定的牵引机的线速度，为电动机运行的时间。图2-2 电动机运行时间要求控制要求如下: （1）设置四段时间T1正向牵引时间、T2正向停止时间、T3反向后推时间和T4反向停止时间； （2）T1, T2, T3, T4时间在0-9.9秒间独立可调； （3）电机用变频器进行变频调速； （4）起动从T1开始，停止在T2进行； （5）有正、反向点动控制，点动速度单独可调；（6）频率调节范围0100Hz，频率调节精度0.1Hz。本设计采用PLC控制器

23、控制变频电机的正转、停止、反转、停止，通过控制这四种状态的时间来控制变频电机实现铜材水平牵引连铸工艺独特的牵引一停牵一反推一停推四节拍的流程来取代炉振、打链、棘轮或继电器方式控制的垂直牵引连铸工艺。并可在线调整工艺参数、改变铸造速度、牵引频率和节距。铜加工工艺要求电机频繁正、反转，且调速范围要求较高。故须采用带专用于散热的恒速风扇的专用电动机，考虑到变频器供电的特殊性，我们选用专用的变频调速电动机。实现对于异步电机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器：VVVF（Variable Voltage Variable Fr

24、equency）装置。通过变频器可任意改变电源输出频率从而任意调节电机转速,实现平滑的无级调速。根据铜加工生产工艺技术与装备对拖动电机的要求，牵引机构在每个周期中速度的变化规律包含四个时段。用水平牵引连铸工艺替代目前国内尚广为沿用的垂直牵引连铸工艺是一项革新的趋势，因它省去了一道对产品校直的工序，如何为水平牵引连铸工艺配套引锭机构的驱动控制有多种方案可供选择。通过方案论证，本文选用了PLC控制器、VVVF电源和调频调速电动机与蜗轮减速箱的组合，实现了可以在线调节生产工艺参数的定时开环控制。 1、连续铸造工艺过程 连续铸造工艺指的是将具有合适温度的待铸熔体导入通水强迫冷却的结晶器中, 当熔体凝固

25、成具有一定强度的凝壳后, 借助于引锭杆和牵引辊将已凝固的坯料连续地拉出结晶器, 而当坯料达到其所设定的长度时, 将被同步地自动切断。2、设备结构 设备结构如图2-3所示图2-3 水平牵引连续铸造设备示意图3、设备的特征 该设备具有两大特征：其一，特有的周期性的牵拉停牵反推停推四步流程，可使坯料在结晶器中的阻力减小，并使坯料在结晶过程中晶粒细化，有较高的致密性，导致力学性能和电学性能的改善。其二，在引锭机构动作的控制模式上，既可使用自动连续运行，也可以手工点动控制。前者是在对不同批号产品的各种规范工艺参数已摸准的情况下进行的， 操作人员只要面对控制屏值班监控就可以了，后者则在需要摸索优化工艺参数

26、和每炉铜料引锭初始阶段使用。 引锭工艺参数： a、 牵引周期T (2-1) 为牵引半径，电动机级对数，机械减速比，电动机转差率，为VVVF电源的输出频率。 =+ (2-2)图2-4 引锭机构速度变化波形图为牵拉时间，为牵拉停止时间，为反推时间，为反推停止时间中速度波形有两次升和降，它是由VVVF电源中频率的升降速率所引起的，时值0.1s 。为了适应不同截面、形状和不同规格产品生产的需要，在保证产品截面上金相质量和较高生产率的前提下，对周期T 的选择应能做到在较宽的范围内在线可调。 b、 反推时间与牵拉时间的比值 (2-3) 显然，愈小，生产率愈高，但从铸坯在结晶器中所受的摩擦阻力和在结晶过程中

27、对坯料内应力控制方面考虑，的设置是必要的，它的取值不能太小，较佳的才有较好的截面晶粒品相，根据调试经验，的最佳范围在1:31:4。 c、 牵拉停止延时间它反映从控制器发出牵拉停止指令到发出反推启动指令之间的延时，其中包括了0. 1 s的频率下降延时，设置为的是使铸坯在结晶器的出口达到合适的冷却温度，具体数值的选择需要根据铜水的温度和型材的几何尺寸综合考虑。 d、 牵拉节矩它是一个周期中坯料被牵拉的净长，可由(1)，(2)可以导出 (2-4)其为牵引辊半径为电动机极对数，为机械减速比，为电动机转差率，为VVVF电源的输出频率， 、 和可供优化选择。2.2 核心控制器的比较与选择 常见的控制器比如

28、PLC、单片机、继电器控制等等。所谓单片机系统就是采用目前市场上的单片机CPU及其它外围芯片，根据不同系统设计电路板，最终设计成一台简易的计算机系统，并在此基础上设计程序以达到所要求的控制功能。这种形式在 80年代国内很流行，但由于受到本身可靠性及其它方面 的限制，目前除了仪表上仍然采用外，在工业现场的应用已逐步被PLC所代替。 单片机的可靠性：由于目前国内市场上的单片机芯片的品质良莠不齐，很大一部分还是国外筛选出来的次等品，加上其它外围元件（如电阻、电容等）的参数离散性也很大，批量小的产品不可能经过筛选配对等技术处理，因此这样的产品很难做到很好的一致性和高可靠性，因为任一元件的参数偏离设计要

29、求都会引起系统的不稳定。另外，单片机的所有器件均不是工业级的，抗干扰性特别是抗电源干扰能力很弱，而国内的电源一般都很差，加上压片机的变频调速对电源的干扰很大，因此，更可能引起单片机系统的不稳定。 单片机的可扩展性：由于单片机的线路是根据一定的功能要求特别设计的，所以要增加一个功能就要重新设计线路，而且对应的程序都要重新设计。这样对于增加功能的开发成本和周期都 会增加。 单片机的可维护性：一旦单片机系统出现故障，很难诊断出故障元件，最简单的方法是更换整个系统，这样维修成本增加了。 操作：现在国内单片机系统的操作均采用自设计的键盘，设定数据用拨码开关，显示用LED，整个面板显得繁锁，而且为了减少操

30、作键，设计时往往一键多用，操作人员很难脱开说明书操作。特别是故障显示只能显示故障代码，一旦发生故障，操作人员必须翻阅说明书方能发现故障所在，最终按说明书指示排除故障，这样排除故障的时间相对较长。总之，这样的人机对话不够友善 董艺. 单片机与PLC的区别及其对控制系统设计方案选择的影响 J。巢湖学院学报，2007(03) ：36-40.。 而继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其连线多而复杂，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。另外继电器触点数目有限，每只只有48 对触点，因此灵活性和扩展性很差。而 PLC 采用存储逻辑，其

31、控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序，其连线少，体积小，功耗小。 （1）工作方式：当电流接通时，继电器控制线路中各继电器都处于受约状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的因某种条件限制不能吸合。而PLC 的控制逻辑中，每个继电器受制约接通的时间是短暂的。 （2）限时控制：继电器控制逻辑利用时间继电器的滞后动作进行限时控制。时间继电器一般分外为空气阻尼式，半导体等，其定时精度不高，且受环境和温度的影响，调整时间困难等问题。PLC 使用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度相当高，定时范围一般从 0.1s 到若干分钟甚至更长，用户可根据需要在程序中设定定时值，后

32、由软件和硬件计数器来控制定时时间，定时精度小于10ms定时时间不受环境的影响。 （3）设计与施工：使用继电器控制逻辑完成一项控制工程，其设计，施工须依次进行，周期长，而且修改困难。而用PLC 完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。 （4）可靠性和可维护性：继电器逻辑控制所有大量的机械触点，连线多。触点开闭时会受到电弧的影响，因此可靠性和可维护性差。而PLC 采用微电子技术，大量开关动作由无触点的半导体电路来完成，它体积小，可靠性高。PLC 还配有自检和监督功能，能检查出自身的故障。 可编程控制器（PLC）： 所谓PLC系统就是

33、采用目前市场上各大工业控制厂家生产的可编程控制器，根据要求选用不同的模块，在此基础上设计程序以达到所设计的功能。这种形式目前在工业现场应用最为广泛。 PLC的可靠性：进口PLC采用的CPU都是生产厂家专门设计的工业级专用处理器，其余各元件也是直接向生产厂家购买的，经过严格挑选的工业级元件，另外它的电源模块也是集各大公司工业控制的经验而特别设计的，抗干扰性特别是抗电源干扰能力有很大提高，即使在电源很差和变频调速的干扰下仍能正常工作。 PLC的可扩展性：要增加一个功能只要增加相应的模块和修正对应的程序，而PLC的编程相对比较简单，这样对于开发周期会缩短。PLC的可维护性：PLC本身有很强的自诊断功

34、能，一旦系统出现故障，根据自诊断很容易诊断出故障元件，即使非专业人员也能维修，如果故障由于程序设计不合理引起，由于它提供完善的调试工具，要找出故障也较为简单。 特点：价格与前二种控制器相比略贵，可靠性好，操作简单。综合以上的分析和比较，最终决定采用PLC。 2.3 调速方案多种实现方法的比较与确定就目前市场上的同类产品来说，其调速模块主要有两种实现方式：直流电源型和利用变频器构成的调速系统。然而相比较而言变频器调速具有更多的优势，发展前景也十分广阔，下面是最显著的特点也是我在本次设计中选择变频器作为调速模块核心设备的原因张燕宾.变频器应用教程M. 北京：机械工业出版社，2007.。 首先，它控

35、制电机的启动电流。当电机通过工频直接启动时它将会产生7到8倍的电机额定电流，这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量，从而降低电机的寿命。而变频调速则可以在零速零电压启动(当然可以适当加转矩提升)，一旦频率和电压的关系建立，变频器就可以按照V/F或矢量控制方式带动负载进行，工作使用变频调速能充分降低启动电流提高绕组承受力。用户最直接的好处就是电机的维护成本将进一步降低，电机的寿命则相应增加。 再次，它具有可控的加速功能。变频调速能在零速启动，并按照用户的需要进行光滑地加速。而且其加速曲线也可以选择(直线加速S 形加速或者自动加速)。而通过工频启动时，对电机或相连的机械部分轴或齿轮都会产生

36、剧烈的振动。这种振动将进一步加剧机械磨损和损耗，降低机械部件和电机的寿命。 又次之可调的运行速度。运用变频调速不但能优化工艺过程，而且能根据工艺过程迅速改变，还能通过远控PLC或其他控制器来实现速度变化。这一点是我选择它的主要原因之一。 最后，在全世界倡导绿色能源，节约能源，保护环境的大趋势下，是否具有节能的优点已经成为一个新产品，一个新技术能否更好的发展的主要因素。而相对与直流调速系统，以变频器为调速核心设备的系统正具有上述优势。例如，离心风机或水泵采用变频器后都能大幅度地降低能耗，这在十几年的工程经验中已经得到充分体现。由于最终的能耗是与电机的转速成立方比，所以采用变频后，投资回报就更快，

37、厂家也乐意接受。 鉴于变频器具有如此多的优点，所以我决定在本次课题设计中采用变频器作为调速装置的核心控制元件，具体型号的选择将在后续内容给以详细阐述。2.4 异步电机选型异步电动机(asynchronous motor) 又称感应电动机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。异步电机的分类如表2-1所示。表2-1 异步电机分类分类方式类别及特点系列产品用途基本系列：生产量大、适用范围广的一般用途电动机派生系列:按照不同的使用要求，在基本系列的基础上作部分变动，零部件与基本系列有较高的通用性和一定程度的统一性专用系列:与一般用途不同

38、，是为适应某种特殊需要而专门设计制造的电机尺寸或功率大型电机：轴中心高H630mm中小型电机：轴中心高H在80-63omm范围内小功率电机：折算至1500r/min时的最大连续定额不超过1Ikw转子结构型式笼型转子：分为铸铅笼和焊接铜(或铅)笼两种，绕组本身自成闭合回路，结构简单牢固，应用广泛绕线型转子：转子绕组、集电环和电刷组成回路，回路中可接入外加电阻以改善起动性能或进行调速换向器电机：转子回路有换向器和电刷，用于调速或高速运行场合，具有串励特性电源相数单相、三相电机 变频调速异步电动机为经特殊设计的鼠笼式异步电动机，其电磁负荷和槽绝缘强度均有较大的裕量。为了适应能在超低速下连续运行，电动

39、机外部配置了强制通风的冷却风扇。在调频调速和频繁正反转的恶劣运行状态下，其机械强度和转动惯量也有特殊的要求.选型的主要依据是其容量和过载能力，应使其生产上限规格产品时,也能输出足够的牵引力矩.参照下式(1)选择： (1)式中Fm为铸锭牵引或推入结晶器时的最大摩擦阻力(kN)，K为大于1的裕量系数.由于电动机的价格在整个硬件配置中只占较小的比例，选取较大的K值，即功率等级裕量上的放宽所引起的投资增量微乎其微，但系统工作的可靠性却大大提高，我们便选用了功率裕量较大的6极YVP系列3.0 kW电动机。YVP 系列变频调速电动机与SPWM 变频装置构成的调速系统与其他调速方式相比，具有节能效果明显、调

40、速性能好、调速比宽、快速响应性优良、应用范围广、性能价格比高等优点，是目前交流调速方案中最先进的系统之一。下面给出其技术参数如表2-2所示。表2-2 电动机相关参数 极数标称功率（KW）机座号额定转矩电流（A）63.0132S28.57.92.5 变频器选型 变频器自80年代进入实际应用以来，主要以交流电动机的节能应用为主，但是进入90年代后，变频器得到了迅猛发展。变频器的应用主要有两个方面：一方面是为了节能需要而进行的变频器的应用；另一方面是为了满足生产工艺调速的要求而进行的变频器的应用。目前通用变频器己经在机械、冶金、石化、医药、造纸等行业得到了广泛的应用。实现对于异步电机的变压变频调速，

41、必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源， 因此应该配置变压变频器，又称VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）装置。在变频调速中使用最多的VVVF装置是电压型变频器，由整流器、滤波环节和逆变器三部分组成。其构成如图2-5所示，工作时首先将工频三相交流电经桥式整流为直流电，脉动的直流电压经电容滤波后在微处理器的调控下，用逆变器将直流电再逆变为电压和频率可调的三相交流电源，施加到需要调速的电动机上。由电机原理可知电机的转速与电源频率成正比，通过变频器可实现电机平滑的无级调速。根据控制功能可将通用变频器分为三种类型：普通功

42、能型、U/F控制变频器、具有转矩控制功能的高性能型U/F控制变频器和矢量控制型高性能变频器。变频器类型的选择要根据负载的要求进行。对于要求精度高、动态性能好、响应快的生产机械（如造纸机械、轧钢机等） 魏蕾.基于PLC及变频调速器的多电机控制研究D大连交通大学，2010，应采用矢量控制型高功能变频器。因为电动机的功率是3.0kW ，所以所选用变频器的额定容量也必须大于3.0kW ，我们选择了三菱公司A500系列的FRA5403.7K 变频器。其具体参数如表2-3 所示。图2-5 变频器构成示意图表2-3 FR-A540技术参数变频器型号 FR-A540 适用电机容量 3.7KW 输出额定容量 6

43、.9 KVA 输出额定电流 9A输出额定电压 三相，380V至480V，50Hz/60Hz电源额定输入 （交流电压，频率）三相，380V至480V，50Hz/60Hz 允许频率波动范围 5% 电 源 容 量 9 KVA 过 载 能 力150% 60s,200% 0.5s制 动 电 阻 FXG20-100 /500W 三菱FR-540变频器具有以下特点 李玲莉.三菱变频器(FR-A540)在染整联合机上的应用J.电气传动，2001(02) ：51-53.： （1） 用磁通矢量控制技术； （2） 用Soft-PWM原理和智能功率模块(IPM) ,使变频器输出波形更好，噪音更低，抗干扰性能更强； （

44、3） 停电时减速停止功能，内置PID 控制功能，变频/工频切换功能和顺序控制功能； （4） 符合国标标准的现场总线通信功能； （5） 具有过电流、过载、过电压、欠电压、接地过电流、输出短路、失速防止等保护。三菱变频器的外部操作模式通过外接的启动开关、频率设定电位器等产生外部操作信号，控制变频器的运行。外部频率设定信号为0-5v 、0-10v、4-20mA的直流信号。启动开关与变频器的正转起动STF 端/反转起动STR 端连接，频率设定电位器与变频器的10、2、5端相连，如图2-6所示为外部控制操作的基本电路。图2-6 外部控制操作的基本电路第3章 硬件设计PLC英文全名为Programable

45、 Controller，即可编程控制器，包括逻辑运算、时序、计数以及算术运算等程序。它用一串指令形式存放在存储器中，然后根据存储的控制内容，经过模拟、数字等输入输出部件，对生产设备与生产过程进行控制。一套典型的PLC通常包括CPU模块、电源模块和一些I/0模块，这些模块被插在一块背板上。如果配置增加，可能会包括一个操作员界面、监控计算机、通信模块、软件以及一些可选的特殊功能模块。可编程控制器不仅容易安装，占用空间小，能源消耗小，带有诊断指示器可以帮助故障诊断，而且可以被重复使用到其他的项目中去。现在，尽管PLC的功能，如运行速度、接口种类、数据处理能力已经获得了很大的提高，但PLC一直保持了最

46、初设计的原则，那就是简单之上的原则 邹进慧.可编程控制器及其系统M. 重庆:重庆大学出版社，2011.。3.1 PLC的选择(一)PLC的类型 PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。 整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统 张发玉.可编程序控制器应用技术M. 西安: 西安电子科技大学出版社，2006。(二)输入输出模块的选择 输入输出模块的选择应考