基于HMI的电机调速系统.docx

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基于HMI的电机调速系统

1绪论

1.1前言

随着科技的飞速发展，越来越多的机器与现场操作都趋向于使用人机界面，PLC控制器强大的功能及复杂的数据处理也呼唤一种功能与之匹配而操作又简便的人机的出现，触摸屏的应运而生无疑是21世纪自动化领域里的—个巨大的革新。

触摸屏作为一种最新的输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。

触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。

利用这种技术，只要用手指轻轻地指碰触摸屏上的图符或字就能实现对主机操作，从而使人机交互更为直接了当，这种技术极大方便了那些不懂机器操作的用户。

触摸屏的应用范围非常广阔，主要有公共信息的查询，如电信局、银行、电力等部门的业务查询；地铁站的售票系统、企业办公、工业控制、军事指挥等。

触摸屏有如此众多的应用，我们把它使用在机器或生产线上，便于工人进行速度调节，对机器生产过程中的各种异常情况做出反应，是非常有必要的，触摸屏，变频器，PLC是现在机器电控系统中经常出现的元件，用三者组成调速系统，对大部分机器具有实用性，所以这套调速系统的研究具有理论与现实意义。

1.2变频调速原理

变频调速器将电网中的三相交流电整流成直流电后，通过逆变器再将直流电逆变成电压可调、频率可调的三相交流电驱动异步电动机，实现调速和节电。

三相异步电机转速为：

n2=n1（1-s）=60f1（1-s）/p（2-1）……………………………………式1.1

在式1.1中：

n2-------转子转速，r/min;

n1-------同步转速；

p--------极对数；

f1-------电源频率，Hz

s--------转差率。

由上式可知：

转速可以通过改变电源频率、绕组的极对数或转差率等进行改变，一般p、s不变，即n2∝f1。

1.3变频调速的发展现状与前景展望

交流传动与控制技术是目前发展最为迅速的技术之一，这是和电力电子器件制造技术、变流技术控制技术以及微型计算机和大规模集成电路的飞速发展密切相关。

 通用变频器作为早个商品开始在国内上市，是近十年的事，销售额逐年增加，于今全年有超过数十亿元（RMB）的市场。

其中．各种进口品牌居多，功率小至百瓦大至数千千瓦；功能简易或复杂；精度低或高；响应慢或快：

有PG（测速机）或无PG;有噪音或无噪音等等。

 对于许多用户来说,这十年中经历了多次更新，现所使用的变频器大都属于目前最为先进的机型如果从应用的角度来说，我们的水准与发达国家没有什么两样。

作为国内制造商,通过这十年来对国外的先进技术进行销化，也正在积极地进行国产变频器的自主开发．努力追赶世界发达国家的水平。

 回顾近十年来国外通用变频器技术的发展对于深入了解交流传动与控制技术的走向，以及如何站在高起点上结合我国国情开发我国自己的产品应该说具有十分积极的意义.

通用变频器的发展是世界高速经济发展的产物。

其发展的趋势大致为：

1）主控一体化

 日本三菱公司将功率芯片和控制电路集成在一快芯片上的DIPIPM（即双列直插式封装）的研制已经完成并推向市场。

一种使逆变功率和控制电路达到一体化，智能化和高性能化的HVIC（高耐压IC）SOC（SystemonChip）的概念已被用户接受，首先满足了家电市场低成本、小型化、高可靠性和易使用等的要求。

因此叶以展望，随着功率做大，此产品在市场上极具竞争力。

2）小型化

 用日本富士（FUJI）电机的三添胜先生的话说，变频器的小型化就是向发热挑战。

这就是说变频器的小型化除了出自支撑部件的实装技术和系统设计的大规模集成化，功率器件发热的改善和冷却技术的发展已成为小型化的重要原因。

ABB公司将小型变频器定型为Comp－ACTM他向全球发布的全新概念是，小功率变频器应当象接触器、软起动器等电器元件一样使用简单，安装方便，安全可靠。

3）低电磁噪音化

 今后的变频器都要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合EMC国际标准，主要做法足在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正（ActivePowerFactorCorrection．APFC）电路，改善输入电流波形降低电网谐波以及逆变桥采取电流过零的开关技术。

而控制电源用的开关电源将推崇半谐振方式，这种开关控制方式在30－50MhZ时的噪声可降低15－20dB。

4）专用化

 通用变频器中出现专用型家族是近年来的事。

其目的是更好发挥变频器的独特功能并尽可能地方便用户。

如用于起重税负载的ARBACC系列，用广交流电梯的SiemensMICO340系列和FUJIFRN5000G11UD系列，其他还有用于恒压供水、上作机械主轴传动、电源再生、纺织、机车牵引等专用系列。

5）系统化

 作为发展趋势，通用变频器从模拟式、数字式、智能化、多功能向集中型发展。

最近，日本安川由机提出了以变频器，伺服装置，控制器及通讯装置为中心的”D&M&C”概念，并制定了相应的标准。

目的是为用户提供最佳的系统。

因此可以预见在今后．变频器的高速响应件和高性能什将是基本条件。

1.4本课题的任务与要求

利用触摸屏的串口通信控制松下PLC与变频器系统，实现对交流三相异步电动机的多段调速控制。

具体的控制系统连接框图如下：

图1.1系统连接框图

2可编程序控制器PLC

2.1PLC概述

可编程序控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动装置。

国际电工委员会（IEC）与1985年1月对可编程控制器做了如下定义：

“可编程序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储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字、模拟的输入与输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则设计”。

世界上PLC产品可按地域分成三大流派：

美国、欧洲和日本。

日本的PLC技术是由美国引进的，但日本的主推定位在小型PLC上，在小型机领域中颇具盛名。

某些用欧美的中型机或大型机才能实现的控制，日本的小型机就可以解决。

在开发较复杂的控制系统方面明显优于欧美的小型机，所以格外受用户欢迎。

日本有许多PLC制造商，如三菱、欧姆龙、松下、东芝等，在世界小型PLC市场上，日本产品约占有70％的份额。

松下PLC是目前国内比较常见的PLC产品之一，其功能完备，性价比高。

松下的小型PLC有：

FP-X、FP0、FP1、FPΣ、FP-e系列等；中型PLC为：

FP2、FP2SH、FP3系列PLC等。

2.2PLC的结构及其功能

从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。

固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。

模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

2.2.1CPU的构成

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。

内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。

CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。

但工作节奏由震荡信号控制。

运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。

寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

2.2.2I/O模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。

I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。

I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

常用的I/O分类如下：

开关量：

按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：

按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。

除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

2.2.3电源模块

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。

电源输入类型有：

交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。

2.2.4底板或机架

大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：

电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。

2.2.5PLC系统的其它设备

1）编程设备：

编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。

小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。

也就是我们系统的上位机。

2）人机界面：

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。

3）PLC的通信联网：

依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。

因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。

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的通信现在主要采用通过多点接口（MPI）的数据通讯、PROFIBUS或工业以太网进行联网。

2.3松下PLC的基本特点

（1）超高速处理基本指令只需0.32μs，可快速扫描。

小型PLC内，通过高速处理速度0.32μsec，也可对应要求高速扫描的用途。

（2）充裕的大容量充裕的程序容量达到32k步。

注释区域也可以充分保证。

※2通过超过小型PLC范畴的高程序容量32K步，可对应随着将来设备扩展而产生的范围广泛的各种应用。

（3）广泛的扩展性I/O最多300点。

可通过功能扩展插件，使扩展范围更进一步扩大。

也可控制成本。

还有，利用扩展FP0适配器，最多可连3台现有的FP0扩展单元。

（4）可靠的安全性通过8位密码和禁止上传功能，有效保护程序。

（5）配备USB端口※3通过普通USB电缆（AB型），可与计算机实现简便连接。

※1基本指令占35％和高级指令（数据转送、四则运算）占65％组合而成的5K步的程序；

※2C14型为16k步；

※3C14型未具备此功能。

松下公司近几年PLC产品，具有指令系统功能强的特点；有的机型还提供可以用FP-BASIC语言编程的CPU及多种智能模块，为复杂系统的开发提供了软件支持；FP系列各种PLC都配置通信机制，由于它们使用的应用层通信协议具有一致性，这给构成多级PLC网络和开发PLC网络应用程序带来方便。

2.4松下FPΣPLC的介绍

2.4.1单元的特点与功能

1）存储容量大

FPΣ体积小，功能强大，它拥有一个中型的PLC的所有功能。

12K的编程容量已经成为FPΣ的一个典型特性。

因此在编程时，你不必担心有剩余多少存储空间。

另外，数据寄存器的容量为32K字，因此设备能够处理大量的数据的编译和重复操作。

2）全方位的通信功能

使用工具口（RS232C）是主机单元的又一典型特征，通过它主机能够与触摸屏或电脑实现通信。

此外，我们还可选择带有RS232C和RS485接口的通信卡实现通信功能。

安装一个双通道的RS232C型通讯卡，主机就能通过RS232口实现与两套外设的连接。

全方位通讯功能意味着不仅能实现1：

N通讯，而且能实现PLC链接功能（最多达16站）。

3）一台FPΣ通过RS232口能控制两台外设

使用双通道RS232型通讯卡实现与两套设备之间的通信。

图2.1通信特征1（RS232口）

4）1：

N通信功能（最多达99站）

当使用单通道RS485型通讯卡时，最多可实现99个站之间的通信。

图2.2通信特征2（C-NET）

5）通过PLC-LINK功能，每台PLC都能共享网络中的数据。

当使用单通道RS485型通讯卡时，通信连接如下：

图2.3通信特征3（PLC-LINK）

6）通过高速计数器和脉冲输出实现位置控制

高速计数器和脉冲输出功能是FPΣ又一个典型特征。

脉冲输出功能实现高达100KHZ的梯形加减控制，通过步进电机和伺服电机就能实现位置控制。

7）高速计数器的五种方式

加输入模式，减输入模式，双向输入，单个输入，方向偏差输入

最大计数速度：

单向：

50KHZ

双向：

20KHZ

图2.4高速计数器

8）脉冲输出实现位置控制

脉冲输出能实现四种形式：

脉冲/信号输出，CW/CWW输出

使用单通道：

最大可达100KHZ

使用双通道：

最大可达60KHZ

图2.5脉冲输出

9）模拟量控制

模拟电位计是FPΣ的又一典型特征，它能够用作为模拟计数器，而且模拟单元也可用作为智能模块。

2.4.2FPΣ端子排列图

　　　　　　图2.6FP∑端子接线图（I/O连接器）

注：

输入电路的四个COM接线端的内部是连接的。

输出电路的两个（+）接线端的内部是连接的。

输出电路的两个（-）接线端的内部是连接的。

2.4.3FP∑系列控制单元的I/O点数

FP∑控制单元的I/O点数是固定的，如下表2.1

I/O分配

晶体管的输出类型

输入（16点）

X0～XF

输出（16点）

Y0～YF

2.4.4FPΣ的电源接线方法

1）电源的接线

使用电源电缆（附件）来连接电源设备的方法。

图2.7FP∑电源的接线

2）电源与设备的接线

使用单元自带的电源电缆来连接电源

-灰：

24VDC

-蓝：

0V

-绿：

接地

3）电源电缆

将电源电缆的灰色线和蓝色线绞在一起，以减少噪音的不利影响。

4）电源设备类型

为了避免非正常电压从电源设备电缆中传给系统，使用一个带有内部保护电路的隔离电源。

这个单元是一个非隔离的设备。

如果使用一个没有内部保护电路的隔离电源，就务必在电源供电电路中加入保护元件，如保险丝。

5）电源设备电压

电源的额定电压为24VDC，操作电压范围21.6-26.4VDC。

电源接通先后的顺序（接通的顺序）：

控制单元的电源先关，然后再关断输入/输出设备的电源。

如果输入/输出设备的电源在控制单元的电源控制之前关闭，则控制单元会检测到干扰信号，引起设备的误动作。

确认控制单元和扩展单位的电源来自同一个电源，而且两者的电源应同时地打开和关闭。

2.4.5松下FPΣPLC的应用

FPΣ型的PLC采用通信模块插件充实通信功能，可以实现最大100KHZ的位置控制，体现免维护性及考虑数据备份的结构，具有高速、丰富的实数运算功能。

　　FPΣ依照小型PLC的标准在保持机身小巧、使用简便的同时，加载中型PLC的功能。

大幅度充实通信功能、大幅度提升位置控制性能，实现卓越的维护性。

考虑到设备组装后的维护问题，采用FlashRom内置方式。

FPΣ可以对数据寄存器区进行完全备份，日历时钟的数据也能由电池后备，配备有2个分辨率为1/1000的模拟量调节旋钮，可以作为模拟量定时器等使用。

在16点输出中的12点，采用了带短路保护功能的晶体管。

为了防止出厂后的意外改写程序或保护原始程序不被窃取，FPΣ可以设置密码功能。

其I/O注释可以与程序一同写入本体，大幅提高了系统保存性。

同时，FPΣPLC实现了PID控制的指令化，可以进行自整定，实现简便、高性能的控制。

2.5PLC的发展前景

PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力，机械制造、汽车装卸、造纸、纺织、环保及娱乐等各行各业。

它的应用大致可分为以下几种类型：

用于开关逻辑量的控制、用于机械加工的数字控制、用于机器人控制、用于闭环过程控制及构成DCS、用于实现工厂的无人化管理。

3触摸屏简介

触控屏（Touchpanel）又称为触控面板，是个可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。

3.1触摸屏的工作原理

为了操作上的方便，人们用触摸屏来代替鼠标或键盘。

工作时，我们必须首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。

触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。

3.2触摸屏的特点及发展

随着社会信息化的快速发展，触摸屏的应用日趋普及。

到目前为止，在我国触摸屏产品已逐渐形成了产业。

触摸屏输入是一种新颖输入技术，它靠触摸显示器的屏幕来输入数据的。

操作方式简单，使用者无需再通过鼠标和键盘，仅用手指触摸屏幕上的图形、表格或提示标志，便可从屏幕上得到其所需的各种信息。

因此，触摸屏的功能的强大与否将会直接影响使用者的操作意愿。

触摸屏输入完全摒弃了键盘的繁琐输入，使得人机交互只需手指轻轻一触即可。

我们可用触摸屏输入来代替诸如键盘、光笔、操纵杆、滚球、鼠标及数字转换器等数据输入设备，或取代分立开关与薄膜开关之类的面板操作装置。

它的优点在于操作简更直观、图像清晰、坚固耐用及节省空间。

并且，它适用范围广泛，可配用于一切电子显示器，也可与显示器制成一体，具有人机交互性佳，操作方便，使用灵活，效率高及输入速度快等特点。

因此，触摸屏输入装置将会成为未来各种电子信息产品的主流技术之一。

触摸屏输入以其人机交互简便性，已广泛应用于工业过程控制、公共信息咨询（如银行、电信局、税务局、邮政、电力、公用电话机与公共问询系统）、金融证券交易市场、商业自动化、翻译机、办公室自动化（OA）、家用电器及军事指挥控制系统等众多领域。

在消费领域内，触摸屏输入日趋增多地应用于家用电器、多媒体教学、销售终端机（POS）、房地产预售、餐馆预约、游戏机、飞机与车船预订和城市导游机等，可以说触摸屏的应用真是无处不在。

它能有如此广泛应用的最重要的因素就是使用方便和经久耐用。

在商业应用中，金融业务部门已普遍使用此种触摸屏输入，如医疗器械、银行自动出纳机。

高档的先进电子测量仪器仪表、医疗信息管理系统及办公室自动化系统亦使用触摸屏输入。

当前触摸屏大致有电容式、电阻式【15】、表面声波式和红外式等类型。

其中在触摸屏中四线式电阻触摸屏使用最广泛,且符合简便、高效的原则,与迅猛发展的计算机网络和多媒体技术相结合,使用者仅需通过手指点触屏幕,就能进行信息检索、数据分析。

随着使用计算机作为信息来源的与日俱增，触摸屏以其坚固耐用、易于操作、反应速度快、节省空间等优点，使得系统设计师们感到使用触摸屏的确具有相当大的优越性。

触摸屏对于各种应用领域的嵌入式设备已经不再是可有可无的东西，而是必不可少的设备。

它极大的简化了嵌入式产品的使用，即使是对计算机一无所知的人，也照样能够信手拈来，使计算机展现出更大的魅力。

解决了公共信息市场上计算机所无法解决的问题。

4变频器的介绍

4.1变频器的组成和工作原理

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

它主要由两部分电路构成，一是主电路（整流模块、电解电容和逆变模块），二是控制电路（开关电源板、控制电路板）。

CPU就安装在控制电路板上，变频器的操作软件烧录在CPU上，同一型号的变频器软件是固定的，唯一例外的就是三晶变频器，软件可根据使用需求更改。

变频器实际上就是一个逆变器.它首先是将交流电变为直流电.然后用电子元件对直流电进行开关.变为交流电.一般功率较大的变频器用可控硅.并设一个可调频率的装置.使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数.使转数在一定的范围内可调.变频器广泛用于交流电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。

变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。

因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水等领域。

一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。

1）整流电路

整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。

整流电路一般都是单独的一块整流模块.

2）平波电路

平波电路在整流器、整流后的直流电压中含有电源6倍频率脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动，为了抑制电压波动采用电感和电容吸收脉动电压（电流），一般通用变频器电源的直流部分对主电路而言有余量，故省去电感而采用简单电容滤波平波电路。

3）控制电路

现在变频调速器基本系用16位、32位单片机或DSP为控制核心，从而实现全数字化控制。

变频器是输出电压和频率可调的调速装置。

提供控制信号的回路称为主控制电路，控制电路由以下电路构成:

频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”。

运算电路的控制信号送至“驱动电路”以及逆变器和电动机的“保护电路

变频器采取的控制方式，即速度控制、转拒控制、PID或其它方式

4）逆变电路

逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。

从而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互差120°电角度的三相交流电压。

、

4.2松下变频器VFO系列的特点

1）操作简单：

采用了新设计的调频电位器，使调频操作简单轻松；而且用操作盘就可容易地操作正转/反转；

2）可由PLC直接调节频率：

可直接接收PLC的PWM信号并可控制电动机频率；同时可与我公司PLC（FP0等）配套使用，无需模拟I/O单元；

3）功能齐全的小型产品：

8段速控制制动功能；再试功能；根据外部SW调整频率增减和记忆功能；再生制动功能的充实；400V系列型:

内置制动电路；200V系列型:

内置0.4-1.5kW电阻；0.2kW电路没有制动电阻；0.4kW是外部设置的同包装电阻；

4.3变频器的安装

4.3.1垂直安装

如不垂直安装，会降低变频器的散热效果，导致发生问题和故障。

4.3.2避开