變頻控制交流調(diào)速系統(tǒng)

1、本科生課程設(shè)計（論文）遼 寧工 業(yè) 大 學交流調(diào)速控制系統(tǒng)課程設(shè)計（論文）題目： 直線式拉絲機變頻控制柜的設(shè)計 院（系）： 電氣工程學院 專業(yè)班級： 自動化114 學 號： 110302110 學生姓名： 程巖 指導教師： （簽字）起止時間：2014.12.15-2014.12.26課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：電氣工程學院 教研室： 自動化教研室學 號110302110學生姓名程巖專業(yè)班級自動化114課程設(shè)計（論文）題目直線式拉絲機變頻控制柜的設(shè)計課程設(shè)計（論文）任務(wù)課題完成的功能：拉絲機在金屬加工方面有著不可或缺的地位。拉絲機主要應(yīng)用在對銅絲、不銹鋼絲等金屬線纜材料的加工，屬線纜制造

2、行業(yè)極為重要的加工設(shè)備。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻調(diào)速器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在拉絲機行業(yè)，承擔著拉絲調(diào)速、張力卷取、多級同步控制等環(huán)節(jié)，變頻器的應(yīng)用，大大提高了拉絲機的自動化水平與加工能力、有效降低了設(shè)備的單位能耗與維護成本，得到了行業(yè)的廣泛認同設(shè)計任務(wù)及要求：1、設(shè)計控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖； 2、控制柜的電氣原理圖；3、給出變頻器參數(shù)設(shè)置； 4、對電動機控制方法介紹；5、成品電氣柜圖；技術(shù)參數(shù)：1、最大進線直徑：5.5mm；2、最小出線直徑：1.3mm；3、電動機的額定功率11Kw，額定電壓380V；4、最高線速度：1.6mm,16m/s；5、控制系統(tǒng)的控制精度在±2%以內(nèi)。進度計劃

3、1、熟悉課程設(shè)計題目，查找及收集相關(guān)書籍、資料（2天）；2、設(shè)計系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖（1天）；3、儀表、控制系統(tǒng)等設(shè)備的選型（1天）；4、控制方案設(shè)計及實現(xiàn)（4天）；5、撰寫課設(shè)論文（1.5天）；6、設(shè)計結(jié)果考核（0.5天）；指導教師評語及成績平時： 論文質(zhì)量： 答辯：總成績： 指導教師簽字： 年 月 日注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算摘 要直線式拉絲機是常見的金屬線材加工設(shè)備中的一種。直線式拉絲機，可對高、中、低碳鋼絲、不銹鋼絲、銅絲、合金銅絲、鋁合金絲等，進行伸線加工。直線式拉絲機工藝原理的基礎(chǔ)上,介紹PLC在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用,輔以觸摸屏以及變頻器,為直線拉絲機設(shè)

4、備提供了機電一體化的系統(tǒng)解決方案,實際效果達到預(yù)期設(shè)計提高了拉絲機的可靠性和自動化程度。新型全自動直線拉絲機控制系統(tǒng)，屬于第三代多滾筒連拉式全自動型拉絲機。與傳統(tǒng)采用調(diào)速電機驅(qū)動的懸掛式或水箱式拉絲機相比，具有一系列不可替代的優(yōu)點。如：鋼絲在高速拉拔過程中受力均勻、無扭曲、無損傷、鋼絲表面張力保持恒定，生產(chǎn)效率高，額定拉拔速度可達800m/min，自動化程度高，產(chǎn)品質(zhì)量可達99%優(yōu)等品率。適宜拉拔材料有：焊條；焊絲(氣保焊絲、埋弧焊絲、藥芯焊絲等）；鋼絲（高、中、低碳鋼絲、不銹鋼絲、預(yù)應(yīng)力鋼絲、輪胎鋼絲、膠管鋼絲、彈簧鋼絲、鋼簾線等）；電線電覽（鋁包鋼絲、銅絲、鋁絲等）；合金絲等各種金屬線材。

5、關(guān)鍵詞：拉絲機；PLC；機電一體化；焊絲目 錄第1章 緒論1第2章 直線式拉絲機介紹32.1概述32.2 直線式拉絲機工作原理32.3直線式拉絲機變頻控制系統(tǒng)構(gòu)成4第3章 直線式拉絲機變頻控制系統(tǒng)硬件設(shè)計53.1 直線式拉絲機變頻控制系統(tǒng)主電路設(shè)計53.2 PLC的選型與I/O配置63.3 遠程I/O的設(shè)計73.3 變頻器的配置103.3.1變頻器介紹103.3.2 變頻器選型113.3.3 變頻器參數(shù)配置：123.4 變頻控制柜的通訊系統(tǒng)的設(shè)計133.4.1 PROFIBUS現(xiàn)場總線133.4.2用于DPFMS的RS485傳輸技術(shù)133.5 人機界面設(shè)計15第4章 變頻控制系統(tǒng)軟件設(shè)計174

6、.1PID控制算法介紹174.1.1直進式拉絲機的物理公式174.1.2 PID控制原理174.2 矢量控制介紹18第5章 課程設(shè)計總結(jié)19參考文獻20附錄：21II第1章 緒論我國的金屬制品行業(yè)分別從屬于冶金、輕工、石油、煤炭、化工、林業(yè)、漁業(yè)等部門。改革開放以來，隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，金屬制品行業(yè)在設(shè)備、工藝技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和品種等方面，有了較大的進步。目前，全國金屬制品企業(yè)超過了600家，生產(chǎn)能力超過了300噸/年。其中能生產(chǎn)中、高碳鋼絲、鋼繩的企業(yè)有150多家，金屬制品的品種約有80種。大部分產(chǎn)品基本能滿足國內(nèi)需求，但在制品品種和質(zhì)量上仍未能完全滿足市場和國民經(jīng)濟發(fā)展需要。與

7、世界上工業(yè)發(fā)達國家相比，在工藝技術(shù)、拉絲機裝備水平、產(chǎn)品質(zhì)量、品種等許多方面，仍有較大的差距。我國金屬制品的骨干企業(yè)，大部分是五、六十年代建成投產(chǎn)的，在設(shè)備，工藝水平，生產(chǎn)能力、產(chǎn)品質(zhì)量等方面，遠遠落后于工業(yè)發(fā)達國家。雖然在七十年代末期和八十初期，部分企業(yè)引進了各種型號的高速拉絲機、捻股成繩機，以及各種制品生產(chǎn)線等，但全行業(yè)的絲機裝備水平仍較落后。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，目前我國拉絲機裝備水平：屬八十年代水平的設(shè)備約占15%，六十至七十年代水平的設(shè)備約占30%， 四十至五十年代水平的設(shè)備約占5560%。許多廠家的拉絲機仍以普通滑輪式拉絲機為主，這在很大程度上限制了制品的質(zhì)量、產(chǎn)量的提高和品種的增加；進

8、入八十年代后，各制品廠家為了提高產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量，增加產(chǎn)品品種，紛紛從各發(fā)達國家引進各種型式的拉絲機，共計有100多臺?？梢哉f世界止所有先進的和比較先進的拉絲機，我們都有引進過。在這樣的背景環(huán)境下使我國的拉絲機形成了以老式滑輪拉絲機為主，兼有雙卷筒式、直進式、活套式、調(diào)諧輥直線式、組合式及各種水箱拉線機并存的現(xiàn)狀。目前國內(nèi)金屬制品行業(yè)的總體技術(shù)水平和裝備水平，與工業(yè)發(fā)達國家相比仍有較大的差距，在拉絲機主機、輔助設(shè)備、潤滑技術(shù)、線材生產(chǎn)、拉絲模質(zhì)量等方面還比較落后；面對我國金屬制品行業(yè)的實際情況，單純追求先進的大型、高速拉絲機是不切合實際的.也不可??；對于拉絲機的設(shè)計者和制造廠家來說，工作的重點應(yīng)

9、放在設(shè)計、制造運行可靠、操作、維護簡單、生產(chǎn)效率較高的拉絲機。目前國際上拉絲機的設(shè)計制造主要有兩大指導思想；一個是以意大利、德國、瑞典等歐洲工業(yè)發(fā)達國家為代表，主張拉絲機向大型、高速的活套式、直線式方向發(fā)展；另一個是以日本為代表，主張拉絲機有較高的速度，結(jié)合先進的輔助設(shè)備，向組合式拉絲機方向發(fā)展。歐洲國家以先進的機械、電氣工業(yè)體系為依托，首先在拉絲模及其潤滑技術(shù)和卷筒水冷系統(tǒng)上取得突破，使鋼絲的拉拔速度和質(zhì)量大大提高，其拉絲機主力是活套式、直線式和水箱拉絲機。但我國的具體情況是操作工人的技術(shù)水平較低，拉絲潤滑劑性 E、線材的質(zhì)量等都不能滿足高速拉拔的要求，特別是直流系統(tǒng)電氣元件的質(zhì)量

10、及可靠性使制品廠家感到操作維護困難較大。在目前條件下，我認為我國金屬制品行業(yè)拉絲機的發(fā)展不應(yīng)追求這類高等級的先進拉絲機。雖然它的優(yōu)點人所周知，但國內(nèi)的輔助、配套水平，會使這類拉絲機在生產(chǎn)實際中達不到機器的性能指標，造成投資浪費、回收時間過長。 我認為我國拉絲機今后將根據(jù)不同的金屬制品特點，向以下幾個方向發(fā)展。 （1） 對于大規(guī)格的低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絲，鋼鉸線、大規(guī)格高強度高韌性的礦用鋼繩鋼絲和大規(guī)格的異形鋼絲生產(chǎn)，調(diào)諧輥直線式拉絲機將得到廣泛應(yīng)用。（2） 對于在制品中占最大比例的普通中、小規(guī)格鋼絲，特別是以中6 5中5 5大盤重線材為原料的鋼絲生產(chǎn)，

11、0;日本型式的組合式拉絲機將在很長的耐間內(nèi)，占據(jù)這類制品生產(chǎn)拉絲機的主導位置。（3） 對于細小規(guī)格的各種鋼絲生產(chǎn)，水箱拉絲機將進一步更新?lián)Q代，具有雙向拉拔能力的21/250型高速水箱拉絲機將占據(jù)主導地位，如意大的TB4和德國KOCH-1/250等典型代表機型。另外目前經(jīng)過各制品廠家的摸索、總結(jié)，大規(guī)格的水箱拉絲機如9/450，9/550等機型和滑輪水箱組合拉絲機在今后發(fā)展中，將逐漸增加其在水箱拉絲機中的比例。根據(jù)以上分析， 考慮到各種拉絲機在實際生產(chǎn)中所占的比例，我認為目前我們拉絲機設(shè)計的當務(wù)之急是盡快開發(fā)中550系列的組合式拉絲機和采用變頻技術(shù)控制的各種拉絲機， 以取代目

12、前國內(nèi)大多數(shù)金屬制品廠家所采用的普通滑輪式拉絲機，使我國的金屬制品行業(yè)的裝備水平和制品質(zhì)量盡快趕上國際先進水平。第2章 直線式拉絲機介紹2.1概述在國內(nèi)初期金屬制品行業(yè)的發(fā)展中，對于盤條的拉拔主要是應(yīng)用滑輪式拉絲機及活套式拉絲機，這種拉絲機拉拔的速度慢，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，以此循環(huán)。這種拉拔設(shè)備，速度慢，鋼絲變形大，效率非常低下。后來從國外引進了直線拉絲機，這種直進式拉絲設(shè)備拉拔速度快，多道次連續(xù)拉拔，各個道次速度張力協(xié)調(diào)工作，保證了高速高質(zhì)高效率。后來隨著交流傳動技術(shù)的成熟和廣泛的應(yīng)用，直進式拉絲機過度到了交流電氣傳動控制系統(tǒng)。隨著這些年金屬制品行業(yè)

13、突飛猛進的發(fā)展，各個金屬制品細分行業(yè)對直進式拉絲機有著巨大的需求，市場增長非?？?。在引進國外的直進式拉絲機設(shè)備后，國內(nèi)的金屬制品設(shè)備企業(yè)對其進行了艱苦的國產(chǎn)化過程，經(jīng)過十多年的技術(shù)發(fā)展，對直進式拉絲機的機械和電控已經(jīng)完全消化，現(xiàn)在國產(chǎn)的直進式拉絲機完全達到了進口的各項工藝數(shù)據(jù)，完全實現(xiàn)了進口替代，現(xiàn)在在這個行業(yè)中，已經(jīng)很少再進口國外的直進式拉絲機設(shè)備。如圖2.1為國產(chǎn)十級直線式拔絲機實例圖。2.2 直線式拉絲機工作原理首先盤條從放線設(shè)備一圈一圈的順序繞出然后進入主要拉拔設(shè)備，拉拔設(shè)備主要是拉絲模具和卷筒構(gòu)成，盤條穿過第一道拉絲模具然后再纏繞在第一道卷筒上，經(jīng)過第一道卷筒拉拔鋼絲穿過第一道拉絲模

14、具后較粗的鋼絲的直徑就變成了與拉絲模具孔徑直徑一樣的鋼絲，然后穿過第二道拉絲模具后在纏繞在第二道卷筒上，第二道拉絲模具的孔徑直徑比第一道孔徑直徑小，金屬絲經(jīng)過第二道卷筒后從第二道拉絲模具出來的絲又會變細成與第二道拉絲?？讖街睆揭粯拥慕饘俳z，這樣連續(xù)不斷的經(jīng)過多道次的拉拔，粗口徑的盤條就會變成細口徑的金屬絲了。然后最后一道的成品鋼絲經(jīng)過排線設(shè)備后進入收線設(shè)備。設(shè)備事先設(shè)定好的記米長度到成品鋼絲達到設(shè)定的長度后整個設(shè)備就減速停車，這時一個滿卷的工字輪就收滿拉好的成品金屬絲，待換好空的工字輪在收線設(shè)備上后又可重新起動直進式拉絲機開始新的工作任務(wù)，如圖2.1為國產(chǎn)十級直線式拔絲機實例圖。圖2.1 國產(chǎn)

15、十級直線式拔絲機實例圖2.3直線式拉絲機變頻控制系統(tǒng)構(gòu)成拉絲機設(shè)備是一個典型的機電一體化的設(shè)備，其集成控制系統(tǒng)包括以下幾個方面：變頻調(diào)速控制、主控制器系統(tǒng)、檢測與報警系統(tǒng)、觸摸顯示技術(shù)、以及總線技術(shù)實現(xiàn)連接合通信。各子系統(tǒng)通過RS485總線實現(xiàn)連接和通信，各變頻器通過MODBUS實現(xiàn)通信。Modbus通信協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，各控制器相互之間、各控制器與其它設(shè)備相互之間可以通信。系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖2.2所示。主控制器故障報警系統(tǒng)MODBUS/RS485 變頻器人機界面觸摸 分布式I/O 檢測裝置 RS485圖2.2系統(tǒng)構(gòu)成圖第3章 直線式拉絲機變頻控制系統(tǒng)硬件設(shè)計直進

16、式拉絲機是一個整體的系統(tǒng)設(shè)備，在最初的設(shè)計中就要計算出各個道次的壓縮率、傳動比、功率、卷徑、出線速度、最大進線線徑、最小出線線徑、道次等工藝數(shù)據(jù)，然后根據(jù)系統(tǒng)的定型設(shè)計再配置相應(yīng)的機械和電氣配置。本章主要以某種型號的直進式拉絲機實例來做系統(tǒng)的電氣設(shè)計和元器件選型配置。3.1 直線式拉絲機變頻控制系統(tǒng)主電路設(shè)計我們以直進式拉絲機為對象來對整個控制系統(tǒng)進行設(shè)計。放線設(shè)備選擇自由放線，由第一號卷筒的拉力帶動盤條從放線設(shè)備中自由的出線。拉拔設(shè)備我們選擇10個卷筒，經(jīng)過10道拉拔，卷筒的直徑為560mm，最大進線直徑為6.5mm，最小出線直徑為1.4mm,計算出的卷筒的拉拔輸出為10kw。成品線速度（即

17、經(jīng)過第10道卷筒拉拔后的出線線速度）為18m/s，排線設(shè)備我們選擇等間距排線，也就是排線電機由變頻器控制，其排線速度的快慢由收線卷筒的轉(zhuǎn)速決定，收線卷筒轉(zhuǎn)速快，則排線速度快，收線卷筒速度慢，則排險速度慢，這樣就保證了在收線工字輪上成品金屬絲從里到外都是相同的間距排列。同時疊加上張力 PID的輸出作為速度的修正。通過以上的設(shè)計，機械構(gòu)造部分就基完成。變頻控制柜主電路如圖3.1所示。圖3.1變頻控制主電路3.2 PLC的選型與I/O配置PLC（Programmble Logic Controller）可編程邏輯控制器是現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大支柱（PLC、機器人、電機系統(tǒng)）之一，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用與各種生

18、產(chǎn)機械和生產(chǎn)過程的自動控制中。它是在電器控制技術(shù)和計算機技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)，并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心，把自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)融為一體的工業(yè)控制裝置。在以前的工業(yè)電氣控制領(lǐng)域中，繼電器控制占主導地位，應(yīng)用廣泛。PLC出現(xiàn)后，由于其具有邏輯、定時、計數(shù)等順序控制功能，相對于繼電器控制的巨大優(yōu)勢，就逐步的取代了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。隨著微電子集成電路技術(shù)、通訊技術(shù)、存儲技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)的迅猛發(fā)展，PLC也突破了原有的僅僅替代繼電器控制系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展成為工業(yè)自動化領(lǐng)域核心的控制系統(tǒng)，尤其對于機電一體化設(shè)備而言。PLC如圖3.2所示。圖3.2 SIEMENS S7-300 PLCPLC的選

19、型對于系統(tǒng)的設(shè)計具有全局性的作用，需要考慮PLC需要處理多少I/O 點，需要用什么樣的現(xiàn)場總線通訊模式，程序有多大，CPU的速度和掃描周期應(yīng)該多少滿足要求，PLC的可擴展性，需要什么樣的智能模塊等。對于所設(shè)計的直進式拉絲機系統(tǒng)，選擇了SIEMENS S7300系列PLC。此系列PLC具有模塊化的設(shè)計結(jié)構(gòu)，有 CPU 單元、I/O 單元、接線端子、通訊單元、底座板等，組合搭配非常自由。對于具體的型號，選擇CPU 313C-2 DP PLC。CPU 313C-2 DP 是緊湊型 CPU，可用于具有分布式結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。集成數(shù)字量 I/O，支持與過程的直接連接；PROFIBUS DP

20、主站/從站接口支持與分布式I/O的連接。因此，CPU 313C-2 DP 既可以用作分布式單元進行快速預(yù)處理，也可以用作帶下位現(xiàn)場總線系統(tǒng)的上位控制器。計數(shù)、頻率測量、周期測量、脈寬調(diào)制、PID控制。；16個數(shù)字量輸入(均可用于報警處理)和16個數(shù)字量輸出。3.3 遠程I/O的設(shè)計遠程I/O就是具有通信功能的數(shù)據(jù)采集/傳送模塊，自身沒有控制調(diào)節(jié)功能。只是將現(xiàn)場數(shù)據(jù)送到PLC，或者接受控制中心的數(shù)據(jù)，對現(xiàn)場設(shè)備進行控制。通信方式很多，各個廠家都有自己標準，比如自由口通信、PROFIBUS、MODBUS等。以往都是采用控制電纜和PLC連接。本次所設(shè)計的變頻控制柜應(yīng)用在鋼絲加工生產(chǎn)線上的，根據(jù)實際的

21、生產(chǎn)需求而設(shè)計的機械設(shè)備生產(chǎn)線長大幾十米，因此我們以往都是采用控制電纜和PLC連接。如果采用了遠程I/O，就可以通過一條通信線和PLC連接，節(jié)省了布線、節(jié)省了PLC自身的I/O點數(shù)。最重要的是也因此也更加的方便維護，降低了維護的成本。遠程I/O是選用臺達的PROFIBUS DP通訊從站模塊RTU-PD01充當。該模塊可直接掛在35mm DIN導軌上，使用起來非常方便。此外，此產(chǎn)品還具有以下特色：1. 支持PROFIBUS DP周期性數(shù)據(jù)傳輸；2. 自動偵測通訊速率，最高通訊速率支持12Mpbs；3. 自診斷功能；4. RTU-PD01右側(cè)最多可接8臺Slim系列特殊輸入/輸出模塊，以及16臺數(shù)

22、字量輸入/輸出模塊，數(shù)字量輸入點數(shù)和數(shù)字量輸出點數(shù)總和可達256個；5. RTU-PD01的RS-485通訊口最多可以接16臺標準的Modbus從站；6. I/O數(shù)據(jù)最大支持100個字節(jié)輸出和100個字節(jié)輸入。對于拉絲機變頻控制柜的輸入輸出點數(shù)而言這款通訊模塊完全能夠完成相應(yīng)的控制工作。如圖3.3為從站控制柜內(nèi)部分布圖。圖3.3 從站控制柜內(nèi)部分布圖從左往右一次是斷路器、遠程I/O模塊、RTU-PD01從站通訊模塊、DVP-16SM數(shù)字量輸入模塊(16點)、DVP-08SM數(shù)字量輸入模塊(8點)、DVP-16SP數(shù)字量輸入輸出模塊(8點入8點出)、DVP06-AD-S模擬量輸入模塊(4路)、2

23、4V電源以及短線檢測模塊。如圖3.4所示為DVP-16SM、DVP-08SM模塊的電氣原理圖。圖3.4 輸入模塊電氣原理圖圖3.4 輸出模塊電氣原理圖I/O模塊的數(shù)字量輸入端與柜內(nèi)對應(yīng)的端子一端相聯(lián)接，再經(jīng)由端子排轉(zhuǎn)接到現(xiàn)場設(shè)備。數(shù)字量輸出端與相應(yīng)的繼電器KA20-KA25對應(yīng)相連接在接到端子排相應(yīng)的位置，經(jīng)由端子排轉(zhuǎn)接到現(xiàn)場的設(shè)備。按如上原理圖配好的電氣柜如圖3.5所示。圖3.5 輸出端與繼電器連接圖輸入輸出與端子排的連接圖如圖3.6所示。圖3.6 端子排接線圖3.3 變頻器的配置3.3.1變頻器介紹變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機無級調(diào)速的需要而誕生的，伴隨著電力電子器件的發(fā)展而得到廣泛應(yīng)用。20世紀

24、60年代以后，電力電子器件經(jīng)歷了SCR（晶閘管）、GTO（門極可關(guān)斷晶閘管）、BJT（雙極型功率晶體管）、MOSFET（金屬氧化物場效應(yīng)管）、SIT（靜電感應(yīng)晶體管）、SITH（靜電感應(yīng)晶閘管）、MGT（MOS控制晶體管）、MCT（MOS 控制晶閘管）、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、HVIGBT（耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管）的發(fā)展過程，器件的更新促進了電力電子變換技術(shù)的不斷發(fā)展。再將直流電壓通過IGBT變成可變電壓可變頻率的交流電壓，該類型變頻器主回路結(jié)構(gòu)都基本一致，易于控制與維護，下圖所示為交直交變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖，同時也顯示了電壓由交流到直流再到交流的轉(zhuǎn)化過程。隨著新型電力電子器件和高性能

25、微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器也不斷更新?lián)Q代，性能價格比越來越高，體積越來越小，而變頻器廠家仍然在不斷地提高可靠性實現(xiàn)變頻器的進一步小型輕量化、模塊化、高性 能化和多功能化以及無公害化而做著新的努力?，F(xiàn)在的低功率低電壓段變頻器都是交直交變頻方式，先將進線交流電壓變成平穩(wěn)的直流電壓，再將直流電壓通過IGBT變成可變電壓可變頻率的交流電壓，該類型變頻器主回路結(jié)構(gòu)都基本一致，易于控制與維護，下圖所示為交直交變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖，同時也顯示了電壓由交流到直流再到交流的轉(zhuǎn)化過程。如圖3.7。圖3.7 PWM變頻器電能變換過程圖3.3.2 變頻器選型對變頻器的選型，我們選用了國產(chǎn)匯川MD380系列

26、變頻器。匯川Inoflex MD380系列變頻器的主力機型?；趨R川對于客戶需求的準確了解，秉承匯川對于高品質(zhì)、高可靠性的一貫追求，MD380系列變頻器將以卓越的性能和強大的功能，為您帶來渙然一新的使用感覺該系列變頻器。如圖3.8為匯川Inoflex MD380系列高性能矢量變頻控制器。圖3.8 匯川MD380變頻器相對于MD320系列變頻器MD380在以下幾個方面有所提升：1）豐富的電壓等級：支持單相220V、三相220V、三相380V、三相480V、三相690V、三相1140V六個電壓等級。2）豐富的電機種類支持：支持三相交流異步電機、三相交流永磁同步電機的矢量控制。3

27、）豐富的控制方式：除有速度傳感器矢量控制、無速度傳感器矢量控制、V/F控制外，還支持V/F分離控制。4）豐富的現(xiàn)場總線：支持Modbus-RTU、Profibus-DP、CANlink、CANopen四種總線。5）豐富的編碼器類型：支持差分編碼器、開路集電極編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、UVW編碼器等。6）全新的無速度傳感器矢量控制算法：全新的SVC（無速度傳感器矢量控制）相比MD320變頻器，帶來更好的低速穩(wěn)定性，更強的低頻帶載能力，而且支持SVC的轉(zhuǎn)矩控制。7）支持用戶可編程 通過MD38PC1用戶可編程卡，用戶可實現(xiàn)二次開發(fā)功能，可以用梯形圖等方式進行程序編寫，編程環(huán)境與我司H1u PLC完全兼容

28、。 8）強大的后臺軟件 后臺軟件可實現(xiàn)變頻器參數(shù)的上傳、下載、實時示波器等功能。3.3.3 變頻器參數(shù)配置：F0組 基本功能組F0-00設(shè)置值為1。F0-03設(shè)置為9，含義是頻率值由通訊口輸入變頻器。F0-19為加速時間單位設(shè)定，提供三種加速時間單位分別為：1秒、0.1秒和0.01秒。F0-28為通訊方式設(shè)定，MD380提供四種通訊方式。當F0-28分別為：0代表ModBus通訊卡；1代表Profibus通訊卡；2代表CANopen通訊卡；4代表CANlink通訊卡。F2組 矢量控制參數(shù)設(shè)定。F2-00：速度環(huán)比例增益（1-100）；F2-00：速度積分時間設(shè)定（0.01s-10.0s）；F2

29、-09：速度控制方式下轉(zhuǎn)矩上限源設(shè)定；現(xiàn)在的低功率低電壓段變頻器都是交直交變頻方式，先將進線交流電壓變成平穩(wěn)的直流電壓，再將直流電壓通過IGBT變成可變電壓可變頻率的交流電壓，該類型變頻器主回路結(jié)構(gòu)都基本一致，易于控制與維護，下圖所示為交直交變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖，同時也顯示了電壓由交流到直流再到交流的轉(zhuǎn)化過程。3.4 變頻控制柜的通訊系統(tǒng)的設(shè)計3.4.1 PROFIBUS現(xiàn)場總線PROFIBUS由三個兼容部分組成，即PROFIBUSDP、PROFIBUSPA、PROFIBUS-FMS 。主要使用主-從方式，通常周期性地與傳動裝置進行數(shù)據(jù)交換。PROFIBUSDP：是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級

30、控制系統(tǒng)與分散式IO的通信。使用PROFIBUSDP可取代24VDC或420mA信號傳輸。 PORFIBUSPA：專為過程自動化設(shè)計，可使傳感器和執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)在一根總線上，并有本征安全規(guī)范。PROFIBUSFMS：用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個令牌結(jié)構(gòu)、實時多主網(wǎng)絡(luò)。與其它現(xiàn)場總線系統(tǒng)相比，PROFIBUS的最大優(yōu)點在于具有穩(wěn)定的國際標準EN50170作保證，并經(jīng)實際應(yīng)用驗證具有普遍性?，F(xiàn)場設(shè)備信息格式及功能描述規(guī)范稱為“行規(guī)”(Profile)，行規(guī)可有效實現(xiàn)各種現(xiàn)場設(shè)備應(yīng)用層互聯(lián)。PROFIBUS提供了三種數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)（物理行規(guī)）：（1）用于DP和FMS的RS485傳輸。（2）用于PA的IEC1

31、1582傳輸。（3）光纖：用于提高抗干擾性和增大網(wǎng)絡(luò)距離。Profibus 是一種多主站系統(tǒng)，可以實現(xiàn)多個控制、配置或可視化系統(tǒng)在一條總線上相互操作。擁有訪問權(quán) (令牌)的主站無需外部請求就可以發(fā)送數(shù)據(jù)。而從站是一種被動設(shè)備，不享有總線訪問權(quán)。從站只能對接收到的消息進行確認，或者在主站請求時進行發(fā)送。波特率支持9.6k至12M?？偩€上最多可連接126個設(shè)備。Profibus 也支持廣播和多點通訊。3.4.2用于DPFMS的RS485傳輸技術(shù)RS-485傳輸是PROFIBUS最常用的的一種傳輸技術(shù)。采用的電纜是屏蔽雙絞銅線。RS-485傳輸技術(shù)基本特征：（1） 網(wǎng)絡(luò)拓撲：總線型，兩端有

32、有源的總線終端電阻。（2） 傳輸速率：9.6K bit /s12M bit/ s。（3） 介質(zhì)：屏蔽雙絞電纜，也可取消屏蔽，取決于環(huán)境條件（EMC）。（4） 站點數(shù)：每分段32個站（不帶中繼器），可多到126個站（帶中繼器）。（5） 插頭連接：最好使用9針D型插頭2 RS485傳輸設(shè)備安裝要點（1） 全部設(shè)備均與總線連接。（2） 每個分段上最多可接32個站（主站或從站）。（3） 每段的頭和尾各有一個總線終端電阻，確保操作運行不發(fā)生誤差。兩個總線終端電阻必須永遠有電源。（4）&

33、#160;當分段站超過32個時，必須使用中繼器用以連接各總線段。串聯(lián)的中繼器一般不超過3個。（注：中繼器沒有站地址，但被計算在每段的最多站數(shù)中）（5） 電纜最大長度取決于傳輸速率。（6） RS485傳輸技術(shù)的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)最好使用9針D型插頭。（7） 當連接各站時，應(yīng)確保數(shù)據(jù)線不要擰絞，系統(tǒng)在高電磁發(fā)射環(huán)境（如汽車制造業(yè)）下運行應(yīng)使用帶屏蔽的電纜,屏蔽可提高電磁兼容性（EMC）。（8） 如用屏蔽編織線和屏蔽箔，應(yīng)在兩端與保護接地連接，并通過盡可能的大面積屏蔽接線來復(fù)蓋，以保持良好的傳導性。另外建議數(shù)據(jù)線必須與高壓線隔離。（9） 超過500

34、K bit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率時應(yīng)避免使用短截線段，應(yīng)使用市場上現(xiàn)有的插頭可使數(shù)據(jù)輸入和輸出電纜直接與插頭連接，而且總線插頭連接可在任何時候接通或斷開而并不中斷其它站的數(shù)據(jù)通信?？刂葡到y(tǒng)Profibus通信原理圖3.9所示。 圖3.9 Profibus通信原理圖3.5 人機界面設(shè)計人機界面是人與機器做信息交互的平臺，對于直進式拉式機而言，需要通過觸摸屏設(shè)定一些參數(shù)如收線速度、傳動比、線徑等傳遞給 PLC 程序做速度計算，同時需要從PLC程序計算中讀取一些信息如實際速度、速比等顯示出來供現(xiàn)場的操作人員。人機界面與PLC是通過通訊相互交換數(shù)據(jù)的，相互之間的通訊設(shè)置比較簡單，下面主要具體分析

35、直進式拉絲機必須要設(shè)計的幾頁主要的觸摸屏人機交互界面，由于這里是選用同SIEMENS品牌的 PLC與觸摸屏，相互之間的通訊設(shè)置比較簡單，下面主要具體分析直進式拉絲機必須要設(shè)計的幾頁主要的觸摸屏人機交互界面。如圖界面圖3.2所示，需要設(shè)定各個道次出線的線徑給PLC程序，點擊線徑確認按鈕后就會計算出各個道次的速比顯示在界面上。長度顯示的是最后一道卷筒轉(zhuǎn)一圈發(fā)一個脈沖，這一個脈沖對應(yīng)的拉好的鋼絲長度，通過 該數(shù)據(jù)和接受的計米脈沖，就能計算出已經(jīng)拉好的金屬絲長度。如何進行人機界面的開發(fā)編輯，如何處理好畫面信息，以及如何與PLC通信及控制等是編輯人機界面要考慮的首要問題。熟悉所采用的PLC的品牌、型號及

36、其軟件，并注意所采用的人機是否支持所采用的PLC，如果不支持需考慮升級。一切就緒后才能進行人機的軟件開發(fā)。人機軟件的編輯主要是以安全可靠、美觀實用。如何把人機界面做得更加美觀，能夠隨 時顯示重要信息，把人機界面做得更加人性化、智能化，可以從多方面來設(shè)計。圖3.1 人機界面1圖3.2 線徑輸入界面圖3.2 電機運行狀態(tài)監(jiān)控界面第4章 變頻控制系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1PID控制算法介紹4.1.1直進式拉絲機的物理公式金屬絲經(jīng)過拉絲模具的壓縮拉伸后其直徑就變成與拉絲模具孔徑一樣大小，依據(jù)被拉金屬變形前后體積不變定律，我們可以得出如下公式:其中，表示第K級鋼絲出絲的直徑，代表第K級鋼絲在滾輪上的速度。4.1

37、.2 PID控制原理如圖4.1所示為PID控制算法的原理圖。圖4.1 PID控制算法的原理圖上圖中sp(t)是給定值，pv(t)是測量反饋值，e(t)=sp(t)-pv(t)是偏差值，M（t）是PID調(diào)節(jié)器輸出值，c(t)是實際運行值。PID 控制算法如下公式所示上式中Pout(t)是PID輸出，Kp、Ki、Kd分別稱為比例常數(shù)、時間常數(shù)和微分常數(shù)但是過大的比例會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。如果有誤差，積分調(diào)節(jié)就起作用，如果無誤差，積分調(diào)節(jié)就輸出一常值。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) Ti，Ti越小，積分作用越強，反之越大積分作用

38、越弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)結(jié)合，組 成PI調(diào)節(jié)器或者PID調(diào)節(jié)器。4.2 矢量控制介紹矢量控制基本原理：微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)知偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間常數(shù)選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對于噪聲干擾有放大作用，因此過強地加入微分調(diào)節(jié)對系統(tǒng)抗噪聲不利。此外微分反應(yīng)的是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。所以微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)相結(jié)合，組成PI或PID控制器。矢

39、量控制系統(tǒng)的基本思路是以產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準則,將異步電動機在靜止三相坐標系上的定子交流電流通過坐標變換等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系上的直流電流,并分別加以控制,從而實現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制,以達到直流電機的控制效果。所謂矢量控制，就是通過矢量變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，得到等效直流電動機模型，在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標系中，用直流電動機的方法控制電磁轉(zhuǎn)矩與磁鏈,然后將轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標系中的控制量經(jīng)坐標變換得到三相坐標系的對應(yīng)量，以實施控制。在三相坐標系上的定子交流電流,通過3/2變換可以等效成兩相靜止正交坐標系上的交流和再通過與轉(zhuǎn)子磁鏈同步的旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)正交坐標系上的直流電流和。m繞組相當于

40、直流電動機的勵磁繞組，相當于勵磁電流，t繞組相當于電樞繞組，相當于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流。其中矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖4.2所示。圖4.2矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖第5章 課程設(shè)計總結(jié)通過此次課程設(shè)計，使我更加扎實的掌握了有關(guān)交流調(diào)速系統(tǒng)方面的知識，在設(shè)計過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗不足。實踐出真知，通過親自動手制作，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。過而能改，善莫大焉。在課程設(shè)計過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。最終的檢測調(diào)試環(huán)節(jié)，本身就是在踐行“過而能改，善莫大焉的知行觀。這次課程設(shè)計終于順利完成了，在設(shè)計中遇到了很多問題，最后在老師的指導下，終于游逆而解。在今后社會的發(fā)展