变频器毕业论文.doc
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山东大学毕业设计
第一章绪论
1．1,变频器的概述
在我国变频器主要用于交流电动机异步电机或同步电机。
转速的调节,是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案,除了具有卓越的调速性能之外,变频器还有显著的节能作用,是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。
自上世纪80年代被引进中国以来,变频器作为节能应用与速度工艺控制中越来越重要的自动化设备,得到了快速发展和广泛的应用。
目前,中国的设备控制水平与发达国家相比还比较低,制造工艺和效率都不高,因此提高设备控制水平至关重要。
由于变频调速具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点,在许多需要精确速度控制的应用中,变频器正在发挥着提升工艺质量和生产效率的显著作用。
变频调速这一技术正越来越广泛的深入到行业中。
它的节能、省力、易于构成自控系统的显著优势应用变频调速技术也是改造挖潜、增加效益的一条有效途径。
尤其是在高能耗、低产出的设备较多的企业,采用变频调速装置将使企业获得巨大的经济利益,同时这也是国民经济可持续发展的需要。
变频器在控制上具体有以下优点：
（一）控制电机的启动电流，
（二）降低电力线路电压波动，（三）启动时需要的功率更低，（四）可控的加速功能，（五）可调的运行速度，（六）可调的转矩极限，（七）受控的停止方式。
1．2，可编程控制器PLC的概述
PLC可编程序控制器：
PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
DCS集散系统:
DCS英文全称DISTRIBUTEDCONTROLSYSTEM,中文全称为集散型控制系统。
DCS可以解释为在模拟量回路控制较多的行业中广泛使用的，尽量将控制所造成的危险性分散,而将管理和显示功能集中的一种自动化高技术产品。
DCS一般由五部份组成：
1：
控制器2：
I/O板3：
操作站4：
通讯网络5：
图形及遍程软件。
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它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。
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）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司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ProgrammableLogicController（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。
PLC的定义有许多种。
国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它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，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
1．3，可编程控制器和变频器通讯的概述
在传统的plc——变频控制集成系统中，变频器的启动/停止与故障监控由PLC通过开关量实现端对端控制。
变频器频率是由PLC通过模拟量输出端口输出0～5（10）V或4～20mA信号控制，需要PLC配置昂贵的模拟量输出端口模块。
变频器出现故障时由PLC读取变频器的故障报警触点，对具体故障原因并不清楚，需查询变频器报警信息后再阅读变频器说明书才知道。
随着交流变频控制系统及通讯技术的发展，可以利用PLC及变频器的串行通讯的方式来实现PLC对变频器的控制。
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。
多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。
PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。
对于一个自动化工程（特别是中大规模控制系统）来讲，选择网络非常重要的。
首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行；再次综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。
在现代工业控制系统中，PLC和变频器的综合应用最为普遍。
比较传统的应用一般是使用PLC的输出接点驱动中间继电器控制变频器的启动、停止或是多段速;更为精确一点的一般采用PLC加D/A扩展模块连续控制变频器的运行或是多台变频器之间的同步运行。
但是对于大规模自动化生产线，一方面变频器的数目较多，另一方面电机分布的距离不一致。
采用D/A扩展模块做同步运动控制容易受到模拟量信号的波动和因距离不一致而造成的模拟量信号衰减不一致的影响，使整个系统的工作稳定性和可靠性降低。
而使用RS-485通讯控制，仅通过一条通讯电缆连接，就可以完成变频器的启动、停止、频率设定;并且很容易实现多电机之间的同步运行。
该系统成本低、信号传输距离远、抗干扰性强。
1．4，人机界面的概述
从计算机问世以来，早期用户是以计算机专业人员为主，但随着计算机广泛进入人们的工作生活领域，计算机用户发生了改变，非计算机专业的普通用户成了用户的主体。
这一重大转变使计算机的可用性问题变得日益突出起来。
人机界面应当是什么样的？
如何去建造这样的界面？
人们开始关注和研究这些问题。
这些问题既涉及人也涉及计算机及一些相关的学科如：
心理学、人的因素学（HumanFactors）、社会学、语言学等。
八十年代以来，人机界面的研究有了前所未有的发展，微型计算机的迅速普及为此起了重要的推动作用。
研究人机界面的各种理论和方法:
（1）分析与评价技术:
用于分析、评价用户界面有效性的理论和经验方法，如任务分析、话语分析、内容分析及可用性评价等。
（２）设计方法论:
用来产生好的用户界面设计的方法与技术，如：
软件心理学、环境因素设计法、多方参与设计法以及支持设计过程的工具和表记法。
（３）开发工具和方法:
支持用户界面开发的工具箱、用户界面管理系统（UIMS）、快速原型法和程序设计辅助工具等。
（４）交互方式与设备:
新的输入／输出设备和设备运用策略，包括视觉、声音、触觉、姿态等通信模态及多种模态的集成。
（５）关键用户界面成分：
如用户界面隐喻（metaphor）、用户界面风格、智能界面技术、取消、超文本／超媒体以及联机帮助。
（６）用户模型：
包括用户行为模型、关于系统的用户内心模型、用户个体差异等。
（７）特定应用的用户界面设计：
满足某类应用问题对人机交互作用的特定限制条件和要求的用户界面设计。
如：
虚拟现实、智能辅导系统、信息检索、Internet/WWW、CAD/CAM、专家系统过程控制、决策支持等。
人机界面是人与机器进行交互的操作方式,即用户与机器互相传递信息的媒介,其中包括信息的输入和输出。
好的人机界面美观易懂、操作简单且具有引导功能,使用户感觉愉快、兴趣增强,从而提高使用效率.狭义的人机界面（HumanComputerInterface）是计算机学科中最年青的分支学科之一。
它是计算机科学和认知心理学两大科学相结合的产物,它涉及当前许多热门的计算机技术,同时也是吸收了语言学、工业设计、人机工程学和社会学的研究成果,是一门交叉性、边缘性、综合性的学科。
最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。
第二章方案设计与准备工作
2．1,设计准备及方案设计
本设计主要设计变频试验台直线运动结构及基于S7-200速度示教系统控制软件。
需要实现的功能基本上为：
（1）实现PLC和变频器的通讯
（2）实现变频器控制电机的起停，正反转，加减速等
（3）实现PLC通讯对变频器的控制，从而间接控制电机
（4）实现PLC对变频器的实时数据的存储,管理。
（5）实现操作的在线模拟.
根据这些设计要求，设计以下方案：
（1），第一步，先了解LS的GI5系列变频器的基本操作，熟悉其参数，并基本可以利用变频器的变频来控制电机的起停，加减速等控制。
（2），第二步，利用外部电源，通过设计变频器参数，使变频器根据外部电压的改变，进而对电机进行调压控制。
（3），第三步，利用计算机编写协议，通过计算机编写的协议对变频器进行手动发送。
（4），第四步，将计算编写完的程序编写到PLC程序中去，再程序编写完成过后，再用PLC通过串口发送接收软件对计算机进行程序协议的发送，核对程序发送出的协议正确与否。
（5），第五步，将PLC直接与变频器连接，对变频器进行协议发送，从而控制变频器。
（6），第六步，试着用PLC存储变频器的实时数据。
（7），第七步，将存储的实时数据再次对计算机进行发送，观察串口发送接收软件所接收到协议，计算核对正确与否
硬件方案的设计如下：
设计PLC控制变频器操作，变频器输出到电机，控制电机运行。
电机连接同步带传动，从而使同步带带动传送物件以规定的速度和方向传动。
设计同步带的行程为1m，设计限速为0.2m/s。
由于限速要求，故设计在电机与同步带之间加上V带和减速器，以便达到减速要求，控制速度。
根据此设计方案，初步准备以下器材：
LG的IG5变频器一台，西门子S7-200PLC一台，含有COM口的计算机一台，Eview触摸屏一个，二级减速器一个，交流电机一台，交流继电器和二级管两个，V带轮和同步带轮分别两个，V带n根和同步带1根，滑块一个，电线若干，458转232通讯线一个，PPI电缆一根，PPI转PC电缆一根及其他待定零件若干。
2．2，电路的设计
根据设计原理，画出电路原理图。
并根据电路原理图，参考变频器电路电路接口图，连接电路。
连接当中，应该特别注意通讯线的连接，通讯线是从变频器的S+，S-引出两根线和PLC相连，PLC的通讯线为PORT口的3，8帧，故在连线时，需要做一个公头的串口线，把3，8帧用线给引出来，连在S+S-上。
变频器电线连接时，还应该注意以下几点：
如果电源连接提供到了输出端子（U,V,W），变频器的内部将会损坏。
不要将配线碎片遗留在变频器内。
配线碎片可以导致错误，衰减和故障。
在配线时，要检查是否LCD和电源端子的负荷灯处于OFF。
在电源断开的时候，电容器仍然充满高电压，十分危险，小心。
电源供给必须连接到R,S,T端子.如果连接到端子U,V,W，将导致变频器内部的损坏。
安排相序时不需要考虑。
.
电机应该连接到端子U,V,W。
如果正转开关（FX）处于on，从电机负载的方向看，电机应该按顺时针方向转动计数器。
如果电机处于反转状态，应该转换U和V端子的接线.
变频器的各端子接线如下：
2．3，机械部分的设计
由于同步带的限速为0.2m/s，行程为1000mm，滑块为轻负载，日工作时间小于10小时。
根据此，基本设计和计算如下：
初估滑块的体积为2×10m,材料为45号钢。
则滑块的重量m=7.8×10×2×10
=15.6kg
45号钢的摩擦因数为μ=0.15
则同步带带动滑块时，所需要的拉力F=μG=0.15×156=2.34N
则W=FV=234×0.2=0。
434kw
考虑到同步带两侧有两根支架帮助同步带分担大部分压力。
所以初估设计功率P=0.3kw
由于同步带的转速限制在0.2m/s以内，为了满足速度要求，降低电机转速，所以设计直线运动机构的传动机构为电机连接V带，再连接减速器传动。
根据设计要求，选取减速比为12.5的二级减速器。
选取减速器为河北桥星减速机制造有限公司生产的型号为ZLY112-12.5-IZBJ19004的减速器。
电动机的选择与校核
1、选择电动机系列
同步带的限速为0.2m/s，同步带的传动比为12级
预估同步带轮的直径在100mm以下，
则同步带轮的转速n==
则减速器的主动轴的转动速度n1=n×12=458.60r/min
算上V带的传动比，V带传动比预估在2~3左右
所以电机的预估计转动速度在1000r/min~1500r/min
电动机的功率应该大与同步带功率0.3KW
根据以上预算，初步选用YS系列三相异步电动机（JB90s）。
2、电动机校核
（1）、同步带传动所需有效功率
（2）、传动装置总效率
（3）、所需电动机功率
过载系数K取1，=0.35kw
所选电机的功率为370W，转速为1440r/min
所以所选电机符合设计要求
电动机型号选择YSJB90S,选取电动机的外形及安装尺寸：
总长L＝310mm，总高A＝140㎜，轴伸长直径D＝20mm，长度E=50㎜。
带传动设计
工作情况系数
计算功率kw
选带型号选取Z型
初选带传动的传动比为2.5
小带轮直径选取
大带轮直径
大带轮转速
验算传动比误差
设计的传动比
实际传动比
传动比误差合适
计算带长
初取中心距
带长
基准长度
求中心距和包角
中心距
求带根数
根据传动比为2.525，计算功率为0.3KW，
取带的根数为2根
求轴上载荷
张紧力q=0.10kg/m，
结构设计
小带轮；大带轮；
带轮宽度B＝（z－1）×e＋2×f
＝（2－1）×15＋2×10=35mm
同步带的设计
同步带的主动轮转速n=1440/（2.525×12）=47.52r/min
选择设计功率
选择带型和节距
选取带型为H型则节距
根据带型H和小带轮转速n1
最小齿轮，此处取Z=16
小带轮节圆直径d1
则根据标准选取其外径
设计Z2=Z1=16
带速v=
定轴间距=1000mm
带长及其齿数
应选用带长代号为900的H型同步带，其节线长，节线上的齿数Z=180
实际轴间距a=
小带轮啮合齿数
基本额定功率
得
所需带宽
则根据标准取H型带
所以应选择带宽代号为200的H型带，其
带轮结构和尺寸
传动选用同步带为H200
带轮Z1=Z2=16，d1=d2=64,71mm,da1=da2=63.31mm
轴和轴承的设计
设计同步带的从动轮，用轴和轴承固定，连接。
选取轴的直径为24mm，选取其材料为45号钢。
轴的最大弯距集中在与齿轮配合的中间处。
从动轮的转距M＜F×R=234×31.6=7.4N.m，根据类比法，此轴的强度符合设计。
滚动轴承在类型选择时，应该考虑多种因素的影响。
如轴承所受载荷的大小，方向及性质；轴向固定型式；调心性能要求；刚度要求；转速与工作环境；经济性等。
由于本设计中和轴承配合的轴的转速较低，载荷较小，轴承需要受到径向和轴向双向的力，所以选用深沟球轴承。
深沟球轴承的价格较低，经济性好。
并且轴向和径向均可以受力，精度较高，噪声较低，摩擦性能好，使用寿命长。
根据轴承所需内径d=20mm,选择16004型号的深沟球轴承。
此深沟球轴承外径D=42mm,厚度B=8mm，轴向载荷=4.45KN，径向载荷=7.9KN远远大于设计载荷。
极限转速15000r/min＞45.72r/min。
故此轴承符合设计要求。
第三章通讯协议的编写与计算
3.1变频器的参数设置
运用到的参数如下
编码
说明
显示键
设定范围
单位
出厂值
DRV-00
运行中：
输出频率,
停止时：
显示给定频率
0.00
0–最高频率.（FU1-20）
0.01
0.00[Hz]
DRV-01
加速时间
ACC
0to6000秒
0.1
10.0秒
DRV-02
减速时间
DEC
0to6000秒
0.1
20.0秒
DRV-03
运行模式
（Run/Stop方式）
Drv
0（操作面板）
-
Fx/Rx-1
1
1（Fx/Rx-1）
2（Fx/Rx-2）
3（RS485）
DRV-04
频率模式
（Freq.设定方式）
Frq
0[操作面板-1]
-
操作面板-1
0
1（操作面板-2）
2（V1）
3（V2）
4（V1+I）
5（RS485）
DRV-13
显示旋转方向
drc
F（正向运行）
-
F
r（反向运行）
变频器的控制面板的主要按键和显示灯如下：
区分
显示
名称
说明
键
FUNC
设定值
数据设定模式开始/结束
▲（Up）
Upkey
使用于移动代码或增加设定值时.
▼（Down）
Downkey
使用于移动代码或减少设定值时
RUN
运行key
用于运行变频器
STOP/RESET
停止/复位键
运行中暂停指令键
故障发生时，解除故障
LED
REV
反向显示
反向运行时点灯
FWD
正向显示
正向运行时点灯
SET
设定值
使用FUNC键，设置参数时点灯
RUN
运行
定速时点灯，加减速度中时闪亮
变频器的参数设置方法：
变频器内存很多参数。
使用LCD运行时可以设必要的参数或可以根据负荷和运行输入适当的值。
首先移动欲变更的编码
按下FUNC键LCD的LED（SET）会点灯。
按下▲或▼键移动到想得到的参数代码，再按下FUNC键数据显示闪亮及设定
设定数据不变更时
在变频器运行期间不能调整参数。
在FU2-94[参数闭锁]中启动参数闭锁功能。
（1）变频器变频调速时的参数设计
先将运行模式设定为0，即操作面板模式，再将频率模式设定为0，即操作面板1模式。
最后将显示键的0.00键调到需要的频率即可
（2）变频器外部电压控制调速
先将运行模式设定为1，即Fx/Rx-1模式，再将频率模式设定为0，即操作面板1模式。
（3）加减速，正反转的设定
设定如上表格所示
3.2变频器调频调速
通过变频器面板的频率控制，来直接控制电机的转速。
这种方法为最直接的控制电机转速的方法。
优点：
调控比较准确。
缺点：
调控不方便，效率低，实时性较差。
3.3变频器外部电压控制调速
按电路图将外部调压的电路线给接上，设置完参数后，旋转电压调控按钮即可调控变频器频率，从而控制电机的转速，起停。
优点：
调控方便，快捷。
缺点：
调控不准确。
3.4协议的撰写
（1）计算机的串口调试
用一根含两232串口的数据线连接计算机，进行16进制数的对发，测试串口的好坏，并熟悉串口数据发送软件。
（2）协议的计算与编写
LG变频器版本5.0C以上可以选择两种通讯方式。
一个是LG变频器专用协议另外是MODBUS-RTU方式。
这里选用专用协议进行计算与编写。
通讯架构是iG5变频器作为从机，计算机作为主机。
协议的基本格式：
请求:
ENQ
DriveNo.
CMD
Data
SUM
EOT
1byte
2bytes
1byte
nbytes
2bytes
1byte
应答回复:
ACK
DriveNo.
CMD
Data
SUM
EOT
1byte
2bytes
1byte
n*4bytes
2bytes
1byte
拒绝应答回复:
NAK
DriveNo.
CMD
ErrorCode
SUM
EOT
1byte
2bytes
1byte
2bytes
2bytes
1byte
说明:
以头码‘ENQ’尾码‘EOT’发送请求.
应答回复头码是‘ACK’，尾码是‘EOT’.
拒绝回复应答头码为‘NAK’，尾码为‘EOT’.
变频器编号（‘DriveNo.’）是‘I/O48’中的设定值，该编号是两位ASCII-HEX.（ASCII-HEX:
hexadecimalconsistsof‘0’-‘9’,‘A’-‘F’）
‘CMD’:
特征字符
Character
ASCII-HEX
Command
‘R’
52h
读取
‘W’
57h
写入
‘X’
58h
监控请求
‘Y’
59h
监控作用
‘Data’:
ASCII-HEX（例如.当数据值是3000时:
先十进制的3000转换成十六进制的‘0’’B’’B’’8’h再将其转换成ASCII码30h42h43h38h
‘ErrorCode’:
ASCII（20h-7Fh）
接收/发送缓冲区大小：
发送=39byte,接收=44byte
监控器注册缓冲区：
8Word
‘SUM’:
用以检测通讯错误.
SUM=（DriveNO.+CMD+DATA）ASCII-HEX格式时的低8位
例如.）请求读取地址‘3000’
ENQ
DriveNo.
CMD
Address
TheNumberofAddress
toread
SUM
EOT
05h
“01”
“R”
“3000”
“1”
“A7”
04h
1byte
2bytes
1byte
4bytes
1byte
2bytes
1byte
SUM=‘0’+‘1’+’R’+‘3’+‘0’+‘0’+‘0’+‘1’
=30h+31h+52h+33h+30h+30h+30h+31h
=1A7h
详细请求写入的通讯协议
请求写入
ENQ
DriveNo.
CMD
Address
ThenumberofAddress
toWrite
Data
SUM
EOT
05h
“01”-“1F”
“W”
“XXXX”
“1”-“8”=n
“XXXX…”
“XX”
04h
1byte
2bytes
1byte
4bytes
1byte
n*4bytes
2bytes
1byte
总共的字节=12+n*4=最大44bytes
应答回复（写入请求时）
ACK
DriveNo.
CMD
Data
SUM
EOT
06h
“01”-“
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