变频调速恒张力控制设计.docx

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变频调速恒张力控制设计

扬州大学水利与能源动力工程学院

本科生课程设计

题目：

变频调速恒张力控制设计

课程：

电力拖动自动控制系统

专业：

电气工程及其自动化

班级：

电气班

学号：

姓名：

指导教师：

王永华

完成日期：

2016.03.11

第一部分

任

务

书

电力拖动自动控制系统课程设计任务书

一、课程设计的目的

通过电力拖动自动控制系统的设计、了解一般交直流调速系统设计过程及设计要求，并巩固交直流调速系统课程的所学内容，初步具备设计电力拖动自动控制系统的能力。

为今后从事技术工作打下必要的基础。

二、课程设计的要求

1、熟悉交直流调速系统设计的一般设计原则，设计内容以及设计程序的要求。

2、掌握控制系统设计制图的基本规范，熟练掌握电气控制部分的新图标。

3、学会收集、分析、运用自动控制系统设计的有关资料和数据。

4、培养独立工作能力、创造能力及综合运用专业知识解决实际工程技术问题的能力。

三、课程设计的内容

完成某一给定课题任务，按给出的工艺要求、运用变频调速对系统进行控制。

四、进度安排：

共1.5周

本课程设计时间共1.5周，进度安排如下：

1、设计准备，熟悉有关设计规范，熟悉课题设计要求及内容。

（1.5天）

2、分析控制要求、控制原理设计控制方案（1.5天）

3、绘制控制原理图、控制流程图、端子接线图。

（2天）

4、编制程序、梯形图设计、程序调试说明。

（1.5天）

5、整理图纸、写课程设计报告。

（1.5天）

五、课程设计报告内容

完成下列课题的课程设计及报告（课题工艺要求由课程设计任务书提供）

1、退火炉温度控制系统

2、变频液位自动控制系统设计

3、变频流量自动控制系统设计

4、变频供水系统设计

5、变频调速恒张力控制系统设计

6、变频器在温度控制系统中的应用

7、线缆设备恒张力变频器控制设计

六、参考书

1、陈伯时主编电力拖动自动控制系统（第二版）机械工业出版社1992

2、陈伯时,陈敏逊交流调速系统机械工业出版社1998

3、张燕宾著SPWM变频调速应用技术  机械工业出版社1997

4、王兆义主编《可编程控制器教程》主编

5、徐世许主编《可编程控制器教程原理、应用、网络》主编

6、《工厂常用电气设备手册》（第2版）上、下册中国电力出版社

第二部分

课

程

设

计

报

告

目录

一、变频调速恒张力控制系统方案设计6

1、概述6

2、系统控制方案设计6

3、课程设计要求7

二、系统硬件选型8

1、PLC的选型8

2、变频器选型12

3、传感器选型14

三、变频调速恒张力控制系统的原理图16

1、主电路16

2、PLC控制电路16

3、变频器控制电路18

4、PLC梯形图程序16

四、小结20

五、参考文献21

一、变频调速恒张力控制系统方案设计

1、概述

随着电力电子技术以及工业自动控制技术的发展,使得交流变频调速系统在工业电机拖动领域得到了广泛应用。

另外,由于PLC的功能强大、容易使用、高可靠性,常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。

此处的设计就是利用变频器和PLC实现变频调速恒张力控制系统的控制。

变频技术是一种把直流电逆变成不同频率的交流电的转换技术。

它可把交流电变成直流电后再逆变成不同频率的交流电，或是把直流电变成交流电后再把交流电变成直流电。

总之这一切都只有频率的变化，而没有电能的变化。

随着科学的发展，变频器的使用也越来越广泛，不管是工业设备上还是家用电器上都会使用到变频器，可以说，只要有三相异步电动机的地方，就有变频器的存在，要熟练地使用变频器，还必须掌握三相异步电动机的特性，因为变频器与三相异步电动机有着密切的联系。

本课题就是应该PLC和变频器，设计变频调速恒张力控制系统。

PLC的作用是对系统进行控制，而变频器的作用则是对电机进行调速，最终达到织轴转速恒定的目的。

2、系统控制方案设计

变频调速整经机恒张力控制系统控制的方案

整经是织前准备的重要工序之一，其任务是将一定根数的经纱按工艺设计要求平行、均匀地卷绕在整经轴上。

为了保证织物的品质.在整经过程中，要求经轴整片经纱张力均匀，并保持恒定。

在整经过程中，经纱线速度保持不变，即整经轴的转速n随着其直径D的不断增大而减小。

根据这一卷绕特性，提出了用变频器实现整经机恒张力控制的方案。

该方案是由电动机通过减速机构传动整经轴，电动机的转速通过PLC控制变频器输出电压信号的频率调节，保持纱线在整经过程中线速度恒定。

其传动示意简图

式中f—电源信号频率（Hz）

V—纱线线速度（m/s）

D-一一整经轴直径（m）

P一一电动机极对数

卷经检测装置检测出整经过程中整经轴直径D的变化，输入plc中，由平流层计算出所要求的电源信号频频值，控制变频器产生该频率的电源信号，调节电动机的转速，保证纱线线速度V恒定，即保持纱线张力恒定。

卷经检测装置采用电动变位器。

用以存储整经机的工艺参数，如纱线支数、线速度v、张力F、滚筒直径D、卷绕厚度等。

这些参数可以根据实际需要进行调节。

纱线支数（tex）19

工作幅宽（mm）1600滚筒直径（mm）800卷绕厚度（mm）140整经速度（m/min）01000

落轴方式液压式张力传感器LZ-1型电动机功率（（10kW）筒子架矩形筒子架

3、课程设计要求

1、分析控制要求、控制原理设计控制方案；画出控制系统结构框图；

2、PLC、变频器、电动变位器的选择；

3、画出该控制系统的原理图。

（主电路、plc控制电路、变频器控制电路）

4、plc控制程序软件编程与调试。

二、系统硬件选型

1、PLC的选型

1.1、输入输出（I/O）点数的估算  

I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。

实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。

1.2、存储器容量的估算  

存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。

设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。

为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。

存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。

1.3、控制功能的选择  

该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。

（一）运算功能  

简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。

随着开放系统的出现，目前在PLC中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。

设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。

大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。

要显示数据时需要译码和编码等运算。

（二）控制功能  

控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。

PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。

例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。

（三）通信功能  

大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。

通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。

 PLC系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mbps，通信负荷不大于60%。

PLC系统的通信网络主要形式有下列几种形式：

1）PC为主站，多台同型号PLC为从站，组成简易PLC网络；2）1台PLC为主站，其他同型号PLC为从站，构成主从式PLC网络；3）PLC网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网；4）专用PLC网络（各厂商的专用PLC通信网络）。

为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、工业以太网）通信处理器。

（四）编程功能  

离线编程方式：

PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。

完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。

离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。

在线编程方式：

CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。

这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。

五种标准化编程语言：

顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。

选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。

（五）诊断功能  

PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。

硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位臵，软件诊断分内诊断和外诊断。

通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。

PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。

（六）处理速度  

PLC采用扫描方式工作。

从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。

处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。

目前，PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.2～0.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。

扫描周期（处理器扫描周期）应满足：

小型PLC的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型PLC的扫描时间不大于0.2ms/K。

1.4、机型的选择  

（一）PLC的类型  

PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。

从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。

整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配臵控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。

（二）输入输出模块的选择  

输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。

例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。

对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。

输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。

可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。

考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。

（三）电源的选择  

PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。

重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。

如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。

为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。

（四）存储器的选择  

由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。

需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。

（五）冗余功能的选择  

<1>控制单元的冗余  

（1）重要的过程单元：

CPU（包括存储器）及电源均应1B1冗余。

（2）在需要时也可选用PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、2重化或3重化冗余容错系统等。

<2>I/O接口单元的冗余  

（1）控制回路的多点I/O卡应冗余配臵。

（2）重要检测点的多点I/O卡可冗余配臵。

3）根据需要对重要的I/O信号，可选用2重化或3重化的I/O接口单元。

（六）经济性的考虑  

选择PLC时，应考虑性能价格比。

考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。

输入输出点数对价格有直接影响。

每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。

当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。

在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。

2、变频器选型

2.1、变频器简介

变频器（Variable-frequencyDrive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。

变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。

随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。

变频器主要是由主电路、控制电路组成。

主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:

电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。

电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。

它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

2.2、变频器选型

通用变频器的选择包括通用变频器的型式选择和容量选择两个方面，选择的原则是：

首先其功能特性能保证可靠地事项工艺要求，其次是获得较好的性能价格比。

通用变频器类型的选择要根据负载特性进行。

对于风机、泵类等平方转矩，低速下负载转矩较小，通常可选择专用或普通功能型通用变频器。

对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械应选用具有转矩控制功能的高功能型通用变频器，这种通用变频器低速转矩、静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。

为了实现大调速比的恒转矩调速，常采用加大通用变频器容量的办法。

对于要求精度高、动态性能好、速度响应快的生产机械（如造纸机械、注塑机、轧钢机等），应采用矢量控制或直接转矩控制型通用变频器。

此次课程设计选择两台变频器，互为备用，保证系统可靠运行。

变频器选FR—E540—2.2KW三菱变频器。

2.3变频器主要参数选定

根据控制要求，设置变频器的运行模式为外部运行模式，运行频率为外部运行频率设定方式，Pr.79=2;模拟频率输入电压信号为0~5V，所以，Pr.73=0;其余参数根据电机功率、额定电压、负载等情况进行设定。

3、传感器选型

现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。

当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。

测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。

（1）、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 

要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。

因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：

量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。

在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。

（2）、灵敏度的选择 

通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。

因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。

但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。

因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的厂扰信号。

传感器的灵敏度是有方向性的。

当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。

（3）、频率响应特性 

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。

传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。

在动态测量中，应根据信号的特点（稳态、瞬态、随机等）响应特性，以免产生过火的误差。

（4）、线性范围

传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。

以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。

传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。

在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。

但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。

当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。

（5）、稳定性 

传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。

影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。

因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。

在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。

传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。

在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。

（6）、精度 

  精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。

传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。

这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。

如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。

   对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。

自制传感器的性能应满足使用要求。

三、变频调速恒张力控制系统的原理图

1、主电路

主电路如图3-1所示。

电机容量一般选用容量较大的电机，即存在着大马拉小车现象，除非机械有故障不会出现过载现象，因此变频器的容量只须与各单元的电动机容量相符即可。

图3-1主电路

2、PLC控制电路

变频调速恒张力控制系统控制电路的主接线图如图3-2所示。

图中按钮SB1E为外部停车按钮，SB2E为开启按钮。

图3-2控制电路

在电机数量较多的同步调速控制系统中，一般采用PLC的输出控制中间继电器，再用中间继电器的触点控制变频器和信号灯。

以上电路使用施耐德PLC控制后，图3-1所示的主电路改为图3-3，图3-2所示的控制电路如图3-3所示。

图3-3PLC接口图

3、变频器控制电路

变频器的作用是用于电机的起、停和调速控制，其控制电路图图3-4。

图3-4变频器控制电路接线图

4、梯形图程序

四、小结

不知不觉已经来到了大学时代的最后一个学期，对于我来说，此时的心情还是有点复杂的。

所以对于开学就进行的课程设计，一开始我的心情有点浮躁，没法静下心来认真的完成课设。

随着老师的不断检查，我才慢慢端正了态度，认识到自己心态的问题，开始调整自己的状态，投入到课设之中。

我们组的课题有点难，所以在经过两天的查阅资料后，我有了初步的设计方案。

通过不断的阅读、理解网上的一些电路图，再对应我们自己的课题，经过不断的修改，最终才确定我们自己的主电路图。

一开始刚拿到课题时，我很茫然。

因为电力拖动这门课我学的就不是很好，再加上这么长时间过去了，学过的知识早就忘记了。

幸亏老师给了我们很多的资料，所以我们开始课设的第一步就是学习老师给的资料。

老师给的资料很多，很全面，我还着重看了一下变频器的应用方面。

由于学习过PLC有很长的一段时间了，对于它的使用方法我很多都已经忘记了。

由此我开始不断的向别人请教，不断的学习，算是温故而知新吧。

通过上网查阅，我开始在PLC软件上仿真。

开始时程序总是不对，经过一遍遍对电路仿真的修改，才最终出现令人满意的结果。

这次的课设难度不是太大，但是让我意识到心态的重要性。

没有一个端正的心态，什么事都没有好的状态去完成。

不能因为其他的事情影响而导致自己任务的完成不了。

其次，这次课设也让我复习了电力拖动相关的知识和PLC软件的应用。

正所谓“温故而知新”，不能因为时间的过去而忘记过去学过的知识，不然等运用到的时候才发现脑中已空白一片。

大学时代即将过去，我将永远记住其中所得，运用到生活中、工作中！

活出一个新的自己！

五、参考文献

1、陈伯时主编电力拖动自动控制系统（第二版）机械工业出版社1992

2、陈伯时,陈敏逊交流调速系统机械工业出版社1998

3、张燕宾著SPWM变频调速应用技术  机械工业出版社1997

4、王兆义主编《可编程控制器教程》主编

5、徐世许主编《可编程控制器教程原理、应用、网络》主编

6、《工厂常用电气设备手册》（第2版）上、下册中国电力出版社