变频控制交流调速系统.docx
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变频控制交流调速系统
辽宁工业大学
交流调速控制系统课程设计（论文）
题目：
直线式拉丝机变频控制柜的设计
院（系）：
电气工程学院
专业班级：
自动化114
学号：
110302110
学生姓名：
程岩
指导教师：
（签字）
起止时间：
2014.12.15-2014.12.26
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
电气工程学院教研室：
自动化教研室
学号
110302110
学生姓名
程岩
专业班级
自动化114
课程设计（论文）题目
直线式拉丝机变频控制柜的设计
课程设计（论文）任务
课题完成的功能：
拉丝机在金属加工方面有着不可或缺的地位。
拉丝机主要应用在对铜丝、不锈钢丝等金属线缆材料的加工，属线缆制造行业极为重要的加工设备。
随着变频调速技术的不断发展，变频调速器已经被广泛应用在拉丝机行业，承担着拉丝调速、张力卷取、多级同步控制等环节，变频器的应用，大大提高了拉丝机的自动化水平与加工能力、有效降低了设备的单位能耗与维护成本，得到了行业的广泛认同
设计任务及要求：
1、设计控制系统的结构原理图；2、控制柜的电气原理图；
3、给出变频器参数设置；4、对电动机控制方法介绍；
5、成品电气柜图；
技术参数：
1、最大进线直径：
φ5.5mm；
2、最小出线直径：
φ1.3mm；
3、电动机的额定功率11Kw，额定电压380V；
4、最高线速度：
φ1.6mm,16m/s；
5、控制系统的控制精度在±2%以内。
进度计划
1、熟悉课程设计题目，查找及收集相关书籍、资料（2天）；
2、设计系统的结构原理图（1天）；
3、仪表、控制系统等设备的选型（1天）；
4、控制方案设计及实现（4天）；
5、撰写课设论文（1.5天）；
6、设计结果考核（0.5天）；
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
答辩：
总成绩：
指导教师签字：
年月日
注：
成绩：
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
直线式拉丝机是常见的金属线材加工设备中的一种。
直线式拉丝机，可对高、中、低碳钢丝、不锈钢丝、铜丝、合金铜丝、铝合金丝等，进行伸线加工。
直线式拉丝机工艺原理的基础上,介绍PLC在控制系统中的应用,辅以触摸屏以及变频器,为直线拉丝机设备提供了机电一体化的系统解决方案,实际效果达到预期设计提高了拉丝机的可靠性和自动化程度。
新型全自动直线拉丝机控制系统，属于第三代多滚筒连拉式全自动型拉丝机。
与传统采用调速电机驱动的悬挂式或水箱式拉丝机相比，具有一系列不可替代的优点。
如：
钢丝在高速拉拔过程中受力均匀、无扭曲、无损伤、钢丝表面张力保持恒定，生产效率高，额定拉拔速度可达800m/min，自动化程度高，产品质量可达99%优等品率。
适宜拉拔材料有：
焊条；焊丝（气保焊丝、埋弧焊丝、药芯焊丝等）；钢丝（高、中、低碳钢丝、不锈钢丝、预应力钢丝、轮胎钢丝、胶管钢丝、弹簧钢丝、钢帘线等）；电线电览（铝包钢丝、铜丝、铝丝等）；合金丝等各种金属线材。
关键词：
拉丝机；PLC；机电一体化；焊丝
目录
第1章绪论1
第2章直线式拉丝机介绍3
2.1概述3
2.2直线式拉丝机工作原理3
2.3直线式拉丝机变频控制系统构成4
第3章直线式拉丝机变频控制系统硬件设计5
3.1直线式拉丝机变频控制系统主电路设计5
3.2PLC的选型与I/O配置6
3.3远程I/O的设计7
3.3变频器的配置10
3.3.1变频器介绍10
3.3.2变频器选型11
3.3.3变频器参数配置：
12
3.4变频控制柜的通讯系统的设计13
3.4.1PROFIBUS现场总线13
3.4.2用于DP／FMS的RS－485传输技术13
3.5人机界面设计15
第4章变频控制系统软件设计17
4.1PID控制算法介绍17
4.1.1直进式拉丝机的物理公式17
4.1.2PID控制原理17
4.2矢量控制介绍18
第5章课程设计总结19
参考文献20
附录：
21
第1章绪论
我国的金属制品行业分别从属于冶金、轻工、石油、煤炭、化工、林业、渔业等部门。
改革开放以来，随着国民经济的高速发展，金属制品行业在设备、工艺技术水平、产品质量、产量和品种等方面，有了较大的进步。
目前，全国金属制品企业超过了600家，生产能力超过了300吨/年。
其中能生产中、高碳钢丝、钢绳的企业有150多家，金属制品的品种约有80种。
大部分产品基本能满足国内需求，但在制品品种和质量上仍未能完全满足市场和国民经济发展需要。
与世界上工业发达国家相比，在工艺技术、拉丝机装备水平、产品质量、品种等许多方面，仍有较大的差距。
我国金属制品的骨干企业，大部分是五、六十年代建成投产的，在设备，工艺水平，生产能力、产品质量等方面，远远落后于工业发达国家。
虽然在七十年代末期和八十初期，部分企业引进了各种型号的高速拉丝机、捻股成绳机，以及各种制品生产线等，但全行业的丝机装备水平仍较落后。
据有关部门统计，目前我国拉丝机装备水平：
属八十年代水平的设备约占15%，六十至七十年代水平的设备约占30%，四十至五十年代水平的设备约占55—60%。
许多厂家的拉丝机仍以普通滑轮式拉丝机为主，这在很大程度上限制了制品的质量、产量的提高和品种的增加；进入八十年代后，各制品厂家为了提高产品质量、产量，增加产品品种，纷纷从各发达国家引进各种型式的拉丝机，共计有100多台。
可以说世界止所有先进的和比较先进的拉丝机，我们都有引进过。
在这样的背景环境下使我国的拉丝机形成了以老式滑轮拉丝机为主，兼有双卷筒式、直进式、活套式、调谐辊直线式、组合式及各种水箱拉线机并存的现状。
目前国内金属制品行业的总体技术水平和装备水平，与工业发达国家相比仍有较大的差距，在拉丝机主机、辅助设备、润滑技术、线材生产、拉丝模质量等方面还比较落后；面对我国金属制品行业的实际情况，单纯追求先进的大型、高速拉丝机是不切合实际的.也不可取；对于拉丝机的设计者和制造厂家来说，工作的重点应放在设计、制造运行可靠、操作、维护简单、生产效率较高的拉丝机。
目前国际上拉丝机的设计制造主要有两大指导思想；一个是以意大利、德国、瑞典等欧洲工业发达国家为代表，主张拉丝机向大型、高速的活套式、直线式方向发展；另一个是以日本为代表，主张拉丝机有较高的速度，结合先进的辅助设备，向组合式拉丝机方向发展。
欧洲国家以先进的机械、电气工业体系为依托，首先在拉丝模及其润滑技术和卷筒水冷系统上取得突破，使钢丝的拉拔速度和质量大大提高，其拉丝机主力是活套式、直线式和水箱拉丝机。
但我国的具体情况是操作工人的技术水平较低，拉丝润滑剂性 E、线材的质量等都不能满足高速拉拔的要求，特别是直流系统电气元件的质量及可靠性使制品厂家感到操作维护困难较大。
在目前条件下，我认为我国金属制品行业拉丝机的发展不应追求这类高等级的先进拉丝机。
虽然它的优点人所周知，但国内的辅助、配套水平，会使这类拉丝机在生产实际中达不到机器的性能指标，造成投资浪费、回收时间过长。
我认为我国拉丝机今后将根据不同的金属制品特点，向以下几个方向发展。
（1）对于大规格的低松弛预应力钢丝，钢铰线、大规格高强度高韧性的矿用钢绳钢丝和大规格的异形钢丝生产，调谐辊直线式拉丝机将得到广泛应用。
（2）对于在制品中占最大比例的普通中、小规格钢丝，特别是以中6 5中5 5大盘重线材为原料的钢丝生产， 日本型式的组合式拉丝机将在很长的耐间内，占据这类制品生产拉丝机的主导位置。
（3）对于细小规格的各种钢丝生产，水箱拉丝机将进一步更新换代，具有双向拉拔能力的21/250型高速水箱拉丝机将占据主导地位，如意大的TB4和德国KOCH-1/250等典型代表机型。
另外目前经过各制品厂家的摸索、总结，大规格的水箱拉丝机如9/450，9/550等机型和滑轮—水箱组合拉丝机在今后发展中，将逐渐增加其在水箱拉丝机中的比例。
根据以上分析， 考虑到各种拉丝机在实际生产中所占的比例，我认为目前我们拉丝机设计的当务之急是尽快开发中550系列的组合式拉丝机和采用变频技术控制的各种拉丝机， 以取代目前国内大多数金属制品厂家所采用的普通滑轮式拉丝机，使我国的金属制品行业的装备水平和制品质量尽快赶上国际先进水平。
第2章
直线式拉丝机介绍
2.1概述
在国内初期金属制品行业的发展中，对于盘条的拉拔主要是应用滑轮式拉丝机及活套式拉丝机，这种拉丝机拉拔的速度慢，拉拔道次少，主要是拉拔一次，收卷一次，再拉拔一次，再收卷一次，以此循环。
这种拉拔设备，速度慢，钢丝变形大，效率非常低下。
后来从国外引进了直线拉丝机，这种直进式拉丝设备拉拔速度快，多道次连续拉拔，各个道次速度张力协调工作，保证了高速高质高效率。
后来随着交流传动技术的成熟和广泛的应用，直进式拉丝机过度到了交流电气传动控制系统。
随着这些年金属制品行业突飞猛进的发展，各个金属制品细分行业对直进式拉丝机有着巨大的需求，市场增长非常快。
在引进国外的直进式拉丝机设备后，国内的金属制品设备企业对其进行了艰苦的国产化过程，经过十多年的技术发展，对直进式拉丝机的机械和电控已经完全消化，现在国产的直进式拉丝机完全达到了进口的各项工艺数据，完全实现了进口替代，现在在这个行业中，已经很少再进口国外的直进式拉丝机设备。
如图2.1为国产十级直线式拔丝机实例图。
2.2直线式拉丝机工作原理
首先盘条从放线设备一圈一圈的顺序绕出然后进入主要拉拔设备，拉拔设备主要是拉丝模具和卷筒构成，盘条穿过第一道拉丝模具然后再缠绕在第一道卷筒上，经过第一道卷筒拉拔钢丝穿过第一道拉丝模具后较粗的钢丝的直径就变成了与拉丝模具孔径直径一样的钢丝，然后穿过第二道拉丝模具后在缠绕在第二道卷筒上，第二道拉丝模具的孔径直径比第一道孔径直径小，金属丝经过第二道卷筒后从第二道拉丝模具出来的丝又会变细成与第二道拉丝模孔径直径一样的金属丝，这样连续不断的经过多道次的拉拔，粗口径的盘条就会变成细口径的金属丝了。
然后最后一道的成品钢丝经过排线设备后进入收线设备。
设备事先设定好的记米长度到成品钢丝达到设定的长度后整个设备就减速停车，这时一个满卷的工字轮就收满拉好的成品金属丝，待换好空的工字轮在收线设备上后又可重新起动直进式拉丝机开始新的工作任务，如图2.1为国产十级直线式拔丝机实例图。
图2.1国产十级直线式拔丝机实例图
2.3直线式拉丝机变频控制系统构成
拉丝机设备是一个典型的机电一体化的设备，其集成控制系统包括以下几个方面：
变频调速控制、主控制器系统、检测与报警系统、触摸显示技术、以及总线技术实现连接合通信。
各子系统通过RS485总线实现连接和通信，各变频器通过MODBUS实现通信。
Modbus通信协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。
通过此协议，各控制器相互之间、各控制器与其它设备相互之间可以通信。
系统构成图如图2.2所示。
RS485
图2.2系统构成图
第3章直线式拉丝机变频控制系统硬件设计
直进式拉丝机是一个整体的系统设备，在最初的设计中就要计算出各个道次的压缩率、传动比、功率、卷径、出线速度、最大进线线径、最小出线线径、道次等工艺数据，然后根据系统的定型设计再配置相应的机械和电气配置。
本章主要以某种型号的直进式拉丝机实例来做系统的电气设计和元器件选型配置。
3.1直线式拉丝机变频控制系统主电路设计
我们以直进式拉丝机为对象来对整个控制系统进行设计。
放线设备选择自由放线，由第一号卷筒的拉力带动盘条从放线设备中自由的出线。
拉拔设备我们选择10个卷筒，经过10道拉拔，卷筒的直径为560mm，最大进线直径为6.5mm，最小出线直径为1.4mm,计算出的卷筒的拉拔输出为10kw。
成品线速度（即经过第10道卷筒拉拔后的出线线速度）为18m/s，排线设备我们选择等间距排线，也就是排线电机由变频器控制，其排线速度的快慢由收线卷筒的转速决定，收线卷筒转速快，则排线速度快，收线卷筒速度慢，则排险速度慢，这样就保证了在收线工字轮上成品金属丝从里到外都是相同的间距排列。
同时叠加上张力PID的输出作为速度的修正。
通过以上的设计，机械构造部分就基完成。
变频控制柜主电路如图3.1所示。
图3.1变频控制主电路
3.2PLC的选型与I/O配置
PLC（ProgrammbleLogicController）可编程逻辑控制器是现代工业自动化的三大支柱（PLC、机器人、电机系统）之一，已经被广泛应用与各种生产机械和生产过程的自动控制中。
它是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发，并逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的工业控制装置。
在以前的工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用广泛。
PLC出现后，由于其具有逻辑、定时、计数等顺序控制功能，相对于继电器控制的巨大优势，就逐步的取代了传统的继电器控制系统。
随着微电子集成电路技术、通讯技术、存储技术等现代技术的迅猛发展，PLC也突破了原有的仅仅替代继电器控制系统的应用发展成为工业自动化领域核心的控制系统，尤其对于机电一体化设备而言。
PLC如图3.2所示。
图3.2SIEMENSS7-300PLC
PLC的选型对于系统的设计具有全局性的作用，需要考虑PLC需要处理多少I/O点，需要用什么样的现场总线通讯模式，程序有多大，CPU的速度和扫描周期应该多少满足要求，PLC的可扩展性，需要什么样的智能模块等。
对于所设计的直进式拉丝机系统，选择了SIEMENSS7300系列PLC。
此系列PLC具有模块化的设计结构，有CPU单元、I/O单元、接线端子、通讯单元、底座板等，组合搭配非常自由。
对于具体的型号，选择CPU 313C-2 DPPLC。
CPU313C-2DP是紧凑型CPU，可用于具有分布式结构的系统。
集成数字量I/O，支持与过程的直接连接；PROFIBUSDP主站/从站接口支持与分布式I/O的连接。
因此，CPU313C-2DP既可以用作分布式单元进行快速预处理，也可以用作带下位现场总线系统的上位控制器。
计数、频率测量、周期测量、脉宽调制、PID控制。
；
16个数字量输入（均可用于报警处理）和16个数字量输出。
3.3远程I/O的设计
远程I/O就是具有通信功能的数据采集/传送模块，自身没有控制调节功能。
只是将现场数据送到PLC，或者接受控制中心的数据，对现场设备进行控制。
通信方式很多，各个厂家都有自己标准，比如自由口通信、PROFIBUS、MODBUS等。
以往都是采用控制电缆和PLC连接。
本次所设计的变频控制柜应用在钢丝加工生产线上的，根据实际的生产需求而设计的机械设备生产线长大几十米，因此我们以往都是采用控制电缆和PLC连接。
如果采用了远程I/O，就可以通过一条通信线和PLC连接，节省了布线、节省了PLC自身的I/O点数。
最重要的是也因此也更加的方便维护，降低了维护的成本。
远程I/O是选用台达的PROFIBUSDP通讯从站模块RTU-PD01充当。
该模块可直接挂在35mmDIN导轨上，使用起来非常方便。
此外，此产品还具有以下特色：
1.支持PROFIBUSDP周期性数据传输；
2.自动侦测通讯速率，最高通讯速率支持12Mpbs；
3.自诊断功能；
4.RTU-PD01右侧最多可接8台Slim系列特殊输入/输出模块，以及16台数字量输入/输出模块，数字量输入点数和数字量输出点数总和可达256个；
5.RTU-PD01的RS-485通讯口最多可以接16台标准的Modbus从站；
6.I/O数据最大支持100个字节输出和100个字节输入。
对于拉丝机变频控制柜的输入输出点数而言这款通讯模块完全能够完成相应的控制工作。
如图3.3为从站控制柜内部分布图。
图3.3从站控制柜内部分布图
从左往右一次是断路器、远程I/O模块、RTU-PD01从站通讯模块、DVP-16SM数字量输入模块（16点）、DVP-08SM数字量输入模块（8点）、DVP-16SP数字量输入输出模块（8点入8点出）、DVP06-AD-S模拟量输入模块（4路）、24V电源以及短线检测模块。
如图3.4所示为DVP-16SM、DVP-08SM模块的电气原理图。
图3.4输入模块电气原理图
图3.4输出模块电气原理图
I/O模块的数字量输入端与柜内对应的端子一端相联接，再经由端子排转接到现场设备。
数字量输出端与相应的继电器KA20-KA25对应相连接在接到端子排相应的位置，经由端子排转接到现场的设备。
按如上原理图配好的电气柜如图3.5所示。
图3.5输出端与继电器连接图
输入输出与端子排的连接图如图3.6所示。
图3.6端子排接线图
3.3变频器的配置
3.3.1变频器介绍
变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的，伴随着电力电子器件的发展而得到广泛应用。
20世纪60年代以后，电力电子器件经历了SCR（晶闸管）、GTO（门极可关断晶闸管）、BJT（双极型功率晶体管）、MOSFET（金属氧化物场效应管）、SIT（静电感应晶体管）、SITH（静电感应晶闸管）、MGT（MOS控制晶体管）、MCT（MOS控制晶闸管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶闸管）的发展过程，器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展。
再将直流电压通过IGBT变成可变电压可变频率的交流电压，该类型变频器主回路结构都基本一致，易于控制与维护，下图所示为交直交变频器主回路结构图，同时也显示了电压由交流到直流再到交流的转化过程。
随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频器也不断更新换代，性能价格比越来越高，体积越来越小，而变频器厂家仍然在不断地提高可靠性实现变频器的进一步小型轻量化、模块化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力。
现在的低功率低电压段变频器都是交直交变频方式，先将进线交流电压变成平稳的直流电压，再将直流电压通过IGBT变成可变电压可变频率的交流电压，该类型变频器主回路结构都基本一致，易于控制与维护，下图所示为交直交变频器主回路结构图，同时也显示了电压由交流到直流再到交流的转化过程。
如图3.7。
图3.7PWM变频器电能变换过程图
3.3.2变频器选型
对变频器的选型，我们选用了国产汇川MD380系列变频器。
汇川Inoflex MD380系列变频器的主力机型。
基于汇川对于客户需求的准确了解，秉承汇川对于高品质、高可靠性的一贯追求，MD380系列变频器将以卓越的性能和强大的功能，为您带来涣然一新的使用感觉该系列变频器。
如图3.8为汇川Inoflex MD380系列高性能矢量变频控制器。
图3.8汇川MD380变频器
相对于MD320系列变频器MD380在以下几个方面有所提升：
1）丰富的电压等级：
支持单相220V、三相220V、三相380V、三相480V、三相690V、三相1140V六个电压等级。
2）丰富的电机种类支持：
支持三相交流异步电机、三相交流永磁同步电机的矢量控制。
3）丰富的控制方式：
除有速度传感器矢量控制、无速度传感器矢量控制、V/F控制外，还支持V/F分离控制。
4）丰富的现场总线：
支持Modbus-RTU、Profibus-DP、CANlink、CANopen四种总线。
5）丰富的编码器类型：
支持差分编码器、开路集电极编码器、旋转变压器、
UVW编码器等。
6）全新的无速度传感器矢量控制算法：
全新的SVC（无速度传感器矢量控制）相比MD320变频器，带来更好的低速稳定性，更强的低频带载能力，而且支持SVC的转矩控制。
7）支持用户可编程通过MD38PC1用户可编程卡，用户可实现二次开发功能，可以用梯形图等方式进行程序编写，编程环境与我司H1uPLC完全兼容。
8）强大的后台软件后台软件可实现变频器参数的上传、下载、实时示波器等功能。
3.3.3变频器参数配置：
F0组基本功能组
F0-00设置值为1。
F0-03设置为9，含义是频率值由通讯口输入变频器。
F0-19为加速时间单位设定，提供三种加速时间单位分别为：
1秒、0.1秒和0.01秒。
F0-28为通讯方式设定，MD380提供四种通讯方式。
当F0-28分别为：
0代表ModBus通讯卡；1代表Profibus通讯卡；2代表CANopen通讯卡；4代表CANlink通讯卡。
F2组矢量控制参数设定。
F2-00：
速度环比例增益（1-100）；
F2-00：
速度积分时间设定（0.01s-10.0s）；
F2-09：
速度控制方式下转矩上限源设定；
现在的低功率低电压段变频器都是交直交变频方式，先将进线交流电压变成平稳的直流电压，再将直流电压通过IGBT变成可变电压可变频率的交流电压，该类型变频器主回路结构都基本一致，易于控制与维护，下图所示为交直交变频器主回路结构图，同时也显示了电压由交流到直流再到交流的转化过程。
3.4变频控制柜的通讯系统的设计
3.4.1PROFIBUS现场总线
PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS－DP、PROFIBUS－PA、PROFIBUS-FMS。
主要使用主-从方式，通常周期性地与传动装置进行数据交换。
PROFIBUS–DP：
是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I／O的通信。
使用PROFIBUS－DP可取代24VDC或4－20mA信号传输。
PORFIBUS－PA：
专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。
PROFIBUS－FMS：
用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。
与其它现场总线系统相比，PROFIBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。
现场设备信息格式及功能描述规范称为“行规”（Profile），行规可有效实现各种现场设备应用层互联。
PROFIBUS提供了三种数据传输技术（物理行规）：
（1）用于DP和FMS的RS485传输。
（2）用于PA的IEC1158－2传输。
（3）光纤：
用于提高抗干扰性和增大网络距离。
Profibus是一种多主站系统，可以实现多个控制、配置或可视化系统在一条总线上相互操作。
拥有访问权（令牌）的主站无需外部请求就可以发送数据。
而从站是一种被动设备，不享有总线访问权。
从站只能对接收到的消息进行确认，或者在主站请求时进行发送。
波特率支持9.6k至12M。
总线上最多可连接126个设备。
Profibus也支持广播和多点通讯。
3.4.2用于DP／FMS的RS－485传输技术
RS-485传输是PROFIBUS最常用的的一种传输技术。
采用的电缆是屏蔽双绞铜线。
RS-485传输技术基本特征：
（1） 网络拓扑：
总线型，两端有有源的总线终端电阻。
（2） 传输速率：
9.6K bit /s～12M bit/ s。
（3） 介质：
屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件（EMC）。
（4） 站点数：
每分段32个站（不带中继器），可多到126个站（带中继器）。
（5） 插头连接：
最好使用9针D型插头
2． RS－485传输设备安装要点
（1） 全部设备均与总线连接。
（2） 每个分段上最多可接32个站（主站或从站）。
（3） 每段的头和尾各有一个总线终端电阻，确保操作运行不发生误差。
两个总线终端电阻必须永远有电源。
（4） 当分段站超过32个时，必须使用中继器用以连接各总线段。
串联的中继器一般不超过3个。
（注：
中继器没有站地址，但被计算在每段的最多站数中）
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