《电气传动自动控制系统》课程设计指导书部分5.docx
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《电气传动自动控制系统》课程设计指导书部分5
电气传动自动控制系统
课程设计指导书
陈宏钧，杨华编写
哈工大-西门子自动化与驱动实验室
2011年4月
目录
课程设计任务书1
附录1：
“刨台变频调速控制系统”设计要求3
附录2“恒压变频给水控制系统”设计要求7
附录3变频器的基本功能实验10
附录4设计和调试指南17
附录5控制对象模拟器使用说明20
附录6设计所用到的变频器参数集锦23
课程设计任务书
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，使同学们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。
2．题目及技术指标
课程设计提供两个工程设计项目，同学们可任选其一。
项目1：
龙门刨床刨台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％。
并利用触摸屏TP177B设计刨台运动的监控系统。
详细设计要求见附录1。
项目2：
变频给水设备的恒压给水控制系统
技术指标：
在用户流量变化时可自动调节供水量，使给水压力稳定在设定值附近，稳态误差不大于5％，调节时间小于10s。
并利用触摸屏TP177B设计给水压力的监控系统。
详细设计要求见附录2。
课程设计的组织形式为：
每个项目组由3人组成，通过合理的分工和协作共同完成设计任务。
项目的设计要求及分工方法详见附录1或2（设计要求）。
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。
4．时间安排
总学时数为1周，但考虑实验的安排，需分散在2周内完成。
第1阶段：
立题、实验和辅导
全体开会，下达设计题目，成立项目组（每组3人）。
之后安排1次实验，了解变频器的基本操作方法并熟悉实验设备。
实验内容详见附录3。
实验之后安排1次集体辅导，对课程设计中将会用到的知识和技能进行必要的辅导。
第2阶段：
设计、调试和验收
实验之后进入系统设计阶段，同学们根据设计要求，查阅有关文献，合作完成系统设计、PLC编程、触摸屏组态以及变频器的参数设计。
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。
设计和调试指南详见附录4。
调试完成后可立即进行验收。
验收时，项目组的所有成员必须参加，项目组成员应向教师介绍项目的设计要求、演示各项功能，并回答教师的提问。
教师将从设计方案的合理性、先进性，项目完成的质量，设计文件的完整性，回答问题的情况等几个方面进行综合考评。
第3阶段：
整理和总结
验收通过后，应整理设计文件，建立标准化的项目文档；全面总结设计工作，撰写设计说明书，格式见“课程设计说明书”（电子文档），内容应包括：
1）项目的技术要求及总体设计方案
下面内容结合自己的分工来写：
2）系统的硬件设计（硬件组成及接线）
3）系统的软件设计（PLC程序设计、变频器参数设定或触摸屏界面设计）
4）调试过程及结果
5）附录：
电气接线图，文档完备的PLC程序清单，变频器参数设定清单或触摸屏组态文件。
要求每人独立撰写“课程设计说明书”，严禁抄袭，出现雷同者一律返回重写。
说明书写好后，请用A4纸打印、左侧装订，并在项目验收时上交。
5．考核方法
总成绩由三部分组成：
1）实验表现：
20分
2）验收情况：
40分
3）设计说明书：
40分
6．参考资料
第一部分：
设计辅导材料
1）课程设计要求（PPT）
2）课程设计辅导（PPT）
3）课程设计实验系统电路图（VISIO格式）
4）课程设计说明书模板（WORD格式）
第二部分：
设计参考书和手册
1）SINAMICSG120简明操作手册（电子书）
2）SINAMICSG120,ControlUnitsCU240S,OperatingInstructions（变频器操作手册，电子书）
3）SINAMICSG120,ControlUnitsCU240S,ParameterManual（变频器参数手册，电子书）
4）《SIMATICS7-200可编程控制器系统手册》（电子书）
5）《TP177A、TP177B、OP177B_操作手册》（电子书）
6）《WINCCflexible2007用户手册》（电子书）
第三部分：
编程和设计软件
1）S7200编程软件：
STEP7MicroWIN
2）操作面板编程软件：
SIMATICWinCCflexible2007
3）电气制图软件：
VISIO2003
上述资料可从研究所网站下载：
（教学资源）
（注：
上述资料中与《逻辑与可编程控制器》课程设计相同的部分不再提供）
附录1：
“刨台变频调速控制系统”设计要求
该设计题目要求利用西门子S7200PLC、TP177B触摸屏和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，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。
1.1龙门刨床的结构和工作特点
龙门刨床作为机械工业中的主要工作机床之一，主要用来加工机床床身、箱体、横梁、立柱、导轨等大型机件的水平面、垂直面、倾斜面以及导轨面等,在工业生产中占有重要的地位。
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。
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
1.3刨台变频调速控制系统的组成和控制要求
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。
模拟器的使用说明详见附录6。
图1-3刨台变频调速控制系统的结构
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
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。
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。
5）远程监控的要求
利用触摸屏设计远程监控系统，实现对“刨台变频调速控制系统”运行状态的监视及远程控制。
附录2“恒压变频给水控制系统”设计要求
该设计题目要求利用西门子S7200PLC、TP177B触摸屏和G120变频器，以及刨台运动模拟器，设计一个变频给水设备的恒压给水控制系统，并通过实验调试实现该系统的各种设计功能。
下面详细说明应用变频给水设备的组成及恒压给水控制系统的控制要求。
2.1变频给水系统的结构和工作原理
变频给水设备由变频控制柜、稳流罐、水泵机组、仪表、阀门及管路、基座等组成，适用于一切需要增高水压，恒定流量的供水系统。
其简化结构如图2－1所示。
从市政管网来的低压水源，经过水泵增压后，为用户提供稳定的供水。
图2-1变频给水系统的简化结构
变频给水能自动24小时维持恒定压力，并根据压力信号自动启动备用泵，无级调整压力，供水质量好。
在工业和民用中应用十分广泛。
变频给水系统采用一个电位器设定压力（也可采用面板设定压力），采用一个压力传感器检测管网中压力，压力传感器将信号送入变频器PID回路，PID回路处理之后，送出一个水量增加或减少信号，控制水泵马达的转速。
为了节约成本同时提高水泵效率，系统中一般配有多台水泵。
只有一个泵由变频器供电，工作于变频调速状态，其他泵或不运行，或直接连接到电网上运行于工频状态。
当用水量较小时，只有一个泵工作于变频状态，在PID控制下自动调节给水压力，如在一定延时时间内，压力还是不足，则对该泵进行变频/工频切换（即将该泵与变频器脱开，直接连接到电网上运行），然后利用变频器启动另一台水泵，提高供水量，使实际管网压力与设定压力相一致。
随着用水量的减少，变频器自动减少输出频率或切除某一个工频运行的水泵，减少供水量，使实际管网压力仍然与设定压力相一致。
2.2恒压给水控制系统的组成和控制要求
为了实现无人值守自动供水，可采用PLC（CPU224XP）和变频器（G120），组成恒压给水自动控制系统，其结构如图2－2所示。
工作时，变频器内部的PID调节器根据由电位器设定的压力给定，以及从用户管路中检测的实际压力，经运算后调节变频器输出频率，从而自动调节水泵的供水量，使实际压力与给定压力一致。
PLC的作用是：
根据操作面板上的发令元件（如启动按钮）启动变频器，并根据变频器计算出的压力超限指示信号，结合合理的控制逻辑发出控制指令到泵站，决定哪台泵启动，是工频运行还是通过变频器变频运行。
图2-2恒压给水控制系统的结构
在实验室里不可能真的安装供水管路，在控制系统中泵站的功能是利用电子模拟器来模拟实现的。
如图2－2所示，模拟器接受变频器发出的输出频率信号，及各个泵的启控制信号，根据流体特性计算出用户管路中的可能压力，将这个估计值作为实际压力信号，反馈给PID调节器。
模拟器上的数码管可以显示给定压力和实际压力。
此外在模型上还可改变用户的用水量，使压力出现波动，进而观察控制系统的动态响应。
有了模拟器后，给水压力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。
模拟器的使用说明详见附录6。
恒压给水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，用模拟器上的PB1和PB2按钮来控制系统的启动和停止。
系统启动后，要求能够实现压力自动调节、压力超限判断、水泵切换等功能。
系统停止时，所有泵均不工作。
系统启动时模拟器上指示灯L1亮，停止时L1灭。
压力调节功能：
用模拟器上的电位器P1设定给水压力，压力设定值及从模拟器反馈的实际压力，作为变频器的模拟输入信号，经变频器内部PID功能模块的运算后，调节变频器输出频率，改变水泵的供水流量，从而调节给水压力使其跟随给定值。
调节模拟器上的电位器P2可改变用户的用水量，从而观察控制系统的抗扰特性。
压力超限判断功能：
变频器应提供实际压力超限信号，PLC将根据该信号控制水泵的切换。
当实际压力超过（给定值＋阀值）时，变频器的某一开关量输出端为高电平，为PLC提供压力超上限的检测信号，延时5秒后，模拟器上指示灯L4亮。
当实际压力低于（给定值－阀值）时，变频器的另一开关量输出端为高电平，为PLC提供压力超下限的检测信号，延时5秒后，模拟器上指示灯L5亮。
当压力超上限或超下限的时间超过20S后，L6亮，作为报警指示。
当压力正常时，开关量输出为低电平，且指示灯L6灭。
水泵切换功能：
系统中共有2个水泵，但只有1个变频器，所以任何时刻只能有1个泵在变频器驱动下工作于变频状态，另1个泵或者不工作，或者直接接到电网上工作于工频状态。
系统启动后，若当前没有泵在运行，则启动1号泵，并使其工作于变频状态。
运行过程中，若检测到压力超下限，表明供水不足，则延时5秒后，将当前工作泵切换到工频状态，然后用变频器启动另1个泵。
若检测到压力超上限，则表明供水量过大，则延时5秒后，应停止当前工作于工频状态的泵，仅保留变频泵在工作。
水泵的切换控制由PLC实现，由PLC向模拟器提供泵的控制信号。
若1号泵工作于变频状态，则要求向模拟器上PUMP1输入端提供1Hz的方波信号；若1号泵工作于工频状态，则要求向PUMP1输入端提供高电平；若1号泵停止，则要求向PUMP1输入端提供低电平。
2号泵的控制与1号泵相似，不同在于要向PUMP2输入端提供控制信号。
为了便于观察，要求用L2和L3指示灯分别显示1号泵和2号泵的控制信号。
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按钮来控制系统的启动和停止。
系统启动后，利用模拟器上的电位器P1直接设定变频器输出频率，手动调节P1达到期望的给水压力。
手动方式下只有1号泵工作于变频状态。
系统停止时，所有泵均不工作。
系统启动时模拟器上指示灯L1亮，停止时L1灭。
调节模拟器上的电位器P2可改变用户流量，从而观察控制系统的抗扰特性。
4．远程监控的要求
利用触摸屏设计远程监控系统，实现对“恒压给水控制系统”运行状态的监视及远程控制。
附录3变频器的基本功能实验
本实验的目的是帮助同学们了解变频器的基本功能，掌握变频器的参数的设定方法。
实验可按照如下步骤进行。
3.1恢复出厂设定
按下表顺序设定参数使变频器的控制单元恢复出厂缺省设定值。
3.2快速参数化
按如下“快速参数化流程图”，依次设定参数，完成变频器控制单元的基本功能设定。
注意：
快速参数化后，修改参数P0776=1（使AO0为电压型输出）
继续实验前，修改参数P003=3（可访问所有参数）
变频器运行时，可通过参数r0000观察变频器的输出频率。
3.3利用基本操作面板（BOP）启动和调速
修改下面两个参数（参数含义见快速参数化流程图）。
P700=1on/offfromBOP
P1000=1frequencysettingfromMOP（指BOP上的增、减按钮）
之后，可利用BOP上的启、停按钮控制变频器启动或停止。
利用BOP上的增、减按钮可调节变频器的输出频率。
若选择其它启、停方式或频率设定方式，则可需更改上述两个参数。
快速参数化1/4
快速参数化2/4
快速参数化3/4
快速参数化4/4
3.4开关量输入的有关功能
变频器的控制单元（CU240S）上有6个开关量输入通道（DI0~DI5），在实验装置的操作面板上有6个开关分别连接到这6个输入通道上。
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，参数P701的说明如下表所示。
例如：
欲用开关DI0作为变频器的启停开关，需修改如下参数
P0700=2Controlenabledusingtheterminalstrip（digitalinputs）
P0701=1ON/OFF1usingdigitalinput0（DI0）.
之后，可利用实验装置的操作面板上的DI0开关实现变频器的启、停控制。
3.5开关量输出的有关功能
变频器的控制单元（CU240S）上有3个开关量输出通道（DO0~DO2），在实验装置的操作面板上有3个指示灯分别接到每一路输出上。
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。
例如：
欲将驱动器的运行状态显示在DO0上，可如下设定参数：
P731=52.2DO0=driverunning
变频器运行时，DO0指示灯亮。
3.6模拟量输入的有关功能
变频器的控制单元（CU240S）上有2个模拟量输入通道（AI0~AI1），在实验装置的操作面板上有2个电位器分别接到每一路输入上，电位器给定的电压值可通过面板上的电压表来观测。
模拟输入通道的功能如下图所示。
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。
模拟量输入也可作为频率设定的信号源，例如：
欲利用面板上的电位器AI0来调节变频器输出频率，可修改以下参数：
P1000=2AnalogueSetpoint（参数含义见快速参数化流程图）
AI0设定电压的范围是（0V~10V）时，对应的频率给定是（0％～100％）的额定频率，即（0Hz～50Hz）。
3.7模拟量输出的有关功能
变频器的控制单元（CU240S）上有2个模拟量输出通道（AO0~AO1），其输出的电压值可通过面板上的电压表来观测。
模拟输出通道的功能如下图所示。
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。
例如：
欲从AO0输出变频器的实际输出频率值，可修改以下参数：
P0776=1setAO0tobevoltageoutput
P771=21AQ0=Actualfilteredfrequency
当变频器的实际输出频率的范围是（0Hz～50Hz）时，AO0的输出电压范围是（0V~10V）。
附录4设计和调试指南
进行控制系统设计可利用的硬件资源如图4－1所示：
图4-1控制系统中的硬件资源
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4－2所示。
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4－3所示。
3）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。
上述所有硬件资源并没有事先连接好，而是将全部端口连接到模拟器的端子排上，由设计人员自己进行连接。
总体设计时，首先要根据设计要求，在合理地利用这些硬件资源的基础上，提出解决方案，并画出系统接线图。
调试时可根据接线图在模拟器上完成设备间控制信号的互连。
调试时建议先调试手动功能，通过调试手动功能，可以帮助大家直观地的了解模拟器的工作特点，检验系统接线的正确性，为自动功能的调试打好基础。
图4-2CPU224接线示例
图4-3CU240SDP-F接线示例
附录5控制对象模拟器使用说明
控制对象模拟器的核心部分是单片机，可根据变频器输出频率、给水压力设定等控制信号，模拟出被控对象的工作状态，并通过模拟器上的指示元件（数码管、光柱）等形象地反映出来。
模拟器还可为控制器提供来自被控对象的反馈信号。
模拟器对被控对象的模拟是通过单片机中的软件实现的，因此，在同一个模拟器上即可模拟刨床刨台运动轨迹，也可模拟恒压给水管路压力变化。
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