1、哈爾濱工業大學課程設計說明書（論文）Harbin Institute of Technology課程設計說明書（論文）課程名稱： 電氣傳動自動控制系統 設計題目：龍門刨床刨臺的變頻調速控制系統院 系： 電氣工程系 班 級： 1006105 設 計 者：張毅 1100610527 董寶旭 1100610501 唐雪峰 1100610531 諶福 1100610516 蔡忠毓 1100610502 汪芊芊 1101000218 指導教師： 陳宏軍 楊明 設計時間： 2104.4.2 哈爾濱工業大學教務處哈爾濱工業大學課程設計任務書 姓 名：張毅、董寶旭、唐雪峰、諶福、蔡忠毓、汪芊芊 院 （系）：電

2、氣工程 專 業：工業自動化 班 號：1006105 任務起至日期：2012 年 3 月 21 日至 2012 年 4 月 10 日 課程設計題目： 龍門刨床刨臺的變頻調速控制系統 已知技術參數和設計要求： 利用西門子S7 200 PLC,觸摸屏TP177B和G120變頻器，以及刨臺運動模擬器，設計龍門刨床刨臺拖動的變頻調速控制系統。技術指標：刨臺可根據設定的速度自動往復運動，滿足加工要求。調速精度不低于5。 工作量：1）控制系統總體設計。2）PLC程序設計。3）在實驗設備上進行系統的局部調試和聯合調試。4）整理設計文件，撰寫設計說明書。 工作計劃安排： (學時安排為1周，但考慮實驗的安排，需分

3、散在2周內完成)l 第1階段接受任務和基本實驗。全體開會，布置任務，組成設計小組（每組5人）。之后參加1次實驗，了解變頻器的基本操作方法并熟悉實驗設備。l 第2階段系統設計和調試實驗之后進入系統設計階段，根據設計要求，查閱有關文獻，合作完成系統設計、PLC編程以及變頻器參數設計。系統設計完成后，進入實驗室，在實際裝置上進行調試，在調試過程中不斷改進原設計方案，最終滿足課程設計要求。調試完成后需進行驗收。l 第3階段撰寫設計報告。 同組設計者及分工：本設計組由5人組成，協作完成設計任務張毅、董寶旭、唐雪峰的任務：PLC程序設計和調試；諶福、蔡忠毓、汪芊芊的任務：變頻器參數設定和撰寫設計報告； 指

4、導教師簽字_ 年 月 日 教研室主任意見： 教研室主任簽字_ 年 月 日*注：此任務書由課程設計指導教師填寫81 控制系統總體設計方案11 目的和意義變頻調速是交流電機的主要調速方式之一，由于其優越的調速性能已獲得廣泛的應用。變頻器是一種能實現變頻調速的電機驅動電源。在現代工業自動化中，通用變頻器充當了極為重要的角色。它具有調速范圍寬、調速精度高、動態響應快、運行效率高、功率因數高、操作方便、節能效果顯著等一系列優點。它已成為當今改造傳統工業、改善工藝流程、提高生產過程自動化水平、提高產品質量、推動技術進步的主要手段之一，普遍應用于風機、水泵、生產線、機床、紡織機械、塑料機械、造紙機械、冶煉機

5、械等。因此，變頻器的使用及變頻調速系統的設計，是電氣傳動領域的一門重要的應用技術。課程設計的主要任務是以變頻器為核心，設計一個變頻調速控制系統。目的是通過變頻調速系統的設計，學會變頻器的基本使用方法和變頻調速系統的基本設計方法，將電氣傳動的有關理論與工程實踐相結合，以鍛煉和提高工程實踐能力。12 設計題目及要求該設計題目要求利用西門子S7 200 PLC、TP177B 觸摸屏和G120 變頻器（由于時間關系，未能實現利用觸摸屏進行測試），以及刨臺運動模擬器，設計龍門刨床刨臺拖動的變頻調速控制系統，并通過實驗調試實現該系統的各種設計功能。下面詳細說明龍門刨床刨臺變頻調速控制系統的基本結構和控制要

6、求。1.2.1 龍門刨床的結構和工作特點刨床設備的基本結構分為七個部分：床身、刨臺、橫梁、刀架、立柱、龍門頂和自動控制系統(電氣系統)。如下圖所示：其機械結構主要由六部分組成，如圖1-1 所示。1、床身；2、刨臺；3、橫梁；4、刀架；5、立柱；6、龍門頂圖1-1 龍門刨床結構示意圖 (1)床身：是一個箱形體，上有V 形和U 形導軌，用于安裝工作臺。(2)刨臺：也叫工作臺，用于安置工件。下有傳動機構，可順著床身的導軌作往復運動。(3)橫梁：用于安裝刀架。在切削過程中嚴禁動作，僅在更換工件時移動，用于調整刀架的高度。(4)刀架：安裝在橫梁上，可沿水平方向移動，刨刀也可沿刀架本身的導軌垂直移動。(5

7、)立柱：用于安裝橫梁。(6)龍門頂：用于固定立柱。龍門刨的刨削過程是工件與刨刀相對運動的過程。因此工作臺與工件必須頻繁地進行往復運動，切削加工只在正向工作行程中，返回行程刨刀提起，工作臺快速返回。在切削過程中刀架沒有進給運動，只有在返回行程中才有刀架的進給運動。其中，工作臺與工件間的往復運動稱為主運動，橫梁、刀架的運動稱作輔助運動。本設計的目的是實現刨臺的自動往復運動。1.2.2 刨臺的調速要求不同系列龍門刨床的調速范圍各異，通常的調速范圍為1030。刨臺在刨削過程中不斷地作往復周期運動，往復一次為一個加工周期。一個周期中速度的變化情況如圖1-2 所示。圖中畫出了刨臺在6 個特征時刻(t1t6

8、)的位置，以及工件與刀具的位置關系。下面的速度曲線（縱坐標為速度v，橫坐標為位置X）描述了刨臺運動過程中，刨臺在不同位置及運動方向時速度的變化軌跡。為了實現自動控制，在刨臺下方設置了4 個接近開關S1S4，用來檢測刨臺的位置。接近開關的動作規律如下：當刨臺運動到接近開關上方時，開關動作，輸出為高電平，圖中用填充的矩形來表示。當刨臺離開接近開關后，開關復位，輸出為低電平，圖中用空心的矩形來表示。4 個接近開關將刨臺的運動行程劃分為5 個區間，在速度曲線中用15 來表示。在刨臺的左端定義了一個參考點，用圓點表示。將參考點所在的區間定義為刨臺所處的區間。在上述定義基礎上，一個工作周期中，刨臺的運動特

9、點和調速要求如下：1）t1t2 段：刨刀切入工件階段。設一個工作周期從t1 時刻開始，此時刨臺處于整個行程的最右端。從t1 時刻開始，刨臺前進，接近刨刀，為防止工件被崩壞，采用低速v0。2）t2t3 段：刨削段。刨刀切入工件后，為提高加工效率，可將刨臺運動速度提高為刨削速度vF。3）t3t4 段：刨刀退出工件的階段。為防止將工件帶壞，采用低速v0。4）t4t5 段：返回段。返回過程屬于空行程，為了節省返回時間，提高工作效率，返回速度應盡可能高些，采用高速vR。5）t5t6 段：緩沖段。刨臺返回結束位置前，為了減小沖力，使再次反向進入下一周期時能夠比較平緩，應將速度降至v0。之后，便進入下一周期

10、，重復上述過程。圖1-2刨臺工作周期示意圖1.2.3 刨臺變頻調速控制系統的組成和控制要求圖1-3 刨臺變頻調速控制系統的結構為了實現刨臺往復運動的自動控制，需組成刨臺運動控制系統，其結構如圖1-3 所示。控制器采用西門子S7 200 系列PLC(CPU224 XP)，刨臺拖動電機為異步電動機，采用西門子G120變頻器實現電機的變頻調速。工作時，PLC 根據操作面板上的發令元件（如啟動按鈕）及刨臺位置傳感器的狀態，結合控制邏輯發出控制指令到變頻器，使變頻器驅動刨臺拖動電機按照期望的速度運轉。電機通過傳動機構拖動刨臺往復運動，滿足刨床的自動加工要求。在實驗室里不可能真的安裝刨床，在控制系統中刨臺

11、的運動是利用電子模擬器來模擬實現的。模擬器接受變頻器發出的輸出頻率信號，判斷出刨臺的運動方向和速度，然后利用模擬器上的光柱的運動來代表刨臺的運動，同時還可給出刨臺位置的檢測信號，并連接到PLC的輸入，作為被控對象的反饋信號。有了模擬器后，控制系統的結構就完整了，可以像在實際系統上一樣進行逼真的調試，以檢驗硬件和軟件設計的正確性。下面分別對PLC、變頻器、模擬器提供的資源加以介紹。（1）PLC 型號為CPU224XP，本設計中可利用IO 資源為8 路DI 和8 路DO；IO 口的接線示例，如圖1-4 所示。圖1-4 CPU接線示例（2）變頻器的型號為G120，為模塊化變頻器，功率部分和控制部分是

12、分開的。控制單元的型號為CU240S DP-F，控制單元上的幾乎全部IO 資源都可以利用，包括6 路DI，3 路DO，以及2 路AI。IO 口的接線示例，如圖1-5 所示。（3）模擬器的操作資源包括2 個按鈕，1 個開關，2 個電位器和6 個指示燈。此外還有從控制對象上反饋的4 個接近開關信號，及1 個實際給水壓力檢測信號。模擬器上部的一排光柱用來模擬刨臺的運動軌跡，下面的S1S4指示燈表示接近開關。中部的數碼管用于顯示對象上的參數，其中右側兩個數碼管顯示變頻器的輸出頻率（單位Hz），左側兩個管上若顯示負號，則表示電機反轉。數碼管下方的指示燈和電位器、按鈕、開關燈代表實際設備的操作面板上的發令

13、和指示元件，這些信號也連接到接線端子上。電位器P1 和P2 的電壓調節范圍是（0V5V），對應于設定頻率的范圍是（50Hz50Hz）。如圖1-6所示。圖1-5 CU240S DP-F接線示例刨臺變頻調速控制系統的控制要求如下：1）工作方式選擇利用操作面板（在模擬器上）上的開關S5 實現工作方式選擇功能：自動方式和手動方式。2）自動方式下的控制要求在自動方式下，用操作面板上的PB1 和PB2 按鈕來控制系統的啟動和停止。系統啟動后，PLC 根據刨臺上接近開關的位置檢測信號及刨臺的調速要求，用開關量輸出來選擇變頻器的頻率給定源，從而調節電機的速度，實現刨臺往復周期運動。根據1.2 節的調速要求，可

14、將速度控制的邏輯關系歸納為表1-1。表1-1 刨臺運行狀態與接近開關的關系運動區間54321234接近開關狀態S4S3S2S1頻率給定(Hz)v0vFv0vR-v0運行狀態低速切入高速切削低速退出高速返回減速緩沖變頻器的頻率設定方式為：v0 設定好后，刨臺工作時不做實時調整。而vF和vR的設定值在加工過程中，應能夠根據不同的工藝要求做實時調節。所以，可采用模擬器上的電位器P1 和P2 來設定和調節這兩個頻率設定值。圖1-6 模擬器示意圖3）手動方式下的控制要求在手動方式下，用模擬器上的PB1 和PB2 按鈕來控制電機點動正轉和點動反轉，從而手動調整刨臺的位置。點動運行時頻率設定值一般較低（10

15、Hz 以下），設定好后不需實時調整。4）狀態指示和報警信息自動方式下，系統啟動后，操作面板上L1 指示燈亮，停止時，L1 滅。若系統啟動后，變頻器未進入運行狀態，延時5S 后，L6 指示燈亮，表示系統報警。系統正常運行時或停止時，L6 滅。1.3 設計內容1）根據項目的技術指標，項目組成員通過集體討論共同制定系統的總體設計方案，然后將任務分配到每個設計人員。2）根據分工，各設計人員分別完成自己的設計任務。3）在實驗設備上進行系統的局部調試和聯合調試。4）以項目組為單位進行項目驗收。5）整理設計文件，撰寫設計說明書。2 系統的硬件設計21硬件接口設計由于模擬器上已經集成了PLC以及變頻器的所有輸

16、入輸出接口，故將模擬器、PLC和變頻器通過電纜連接后，僅需要在模擬器上連線即可。硬件接口得連線如表2-1所示。此處應注意，三個設備應共地，因此，還需要將U0V、AI0、AI1、M、COM-L連接在GND上，另外，還需要將COM-B、COM-Q連接到24V電源上。電氣原理圖如附錄一所示。表2-1 硬件接口設計PLC輸入元件符號PLC輸出元件符號I0.0S1Q0.0L1I0.1S2Q0.1L6I0.2S3Q0.2DI0I0.3S4Q0.3DI1、L5I0.4S5、L4Q0.4DI2、L2I0.5PB1Q0.5DI3、L3I0.6PB2Q0.6DI4I0.7DO0Q0.7DI522硬件功能設計模擬器

17、各個元件的功能如表2-2所示。表2-2 模擬器元件功能模擬器元件符號功能模擬器元件符號功能L1變頻器運行指示燈PB1自動（啟動） 手動（正轉）L2模式指示燈PB2自動（停止） 手動（反轉）L3反轉指示燈P1VF模擬給定頻率調節電位器L4正向點動指示燈P2VR模擬給定頻率調節電位器L5反向點動指示燈S1-S4接近開關1，2，3，4L6故障指示燈S5模式選擇開關（1=手動；0=自動）3 系統的軟件設計31 PLC軟件流程 系統的軟件流程圖如圖3-1所示。圖3-1 系統軟件流程圖32 PLC程序設計 PLC的詳細程序清單(梯形圖)如附錄二所示。33 變頻器參數設置變頻器參數的設定按照如下步驟進行：（

18、1）恢復出廠設定。（2）快速參數化。除了快速調試之外，還應該進行“電機參數辨識”，由于本系統采用的是矢量控制方式，因此還要進行“速度控制優化”。（3）開關量輸入的有關功能設定。變頻器的控制單元上有6個開關量輸出通道，每個開關閉合后實現的功能，可以通過參數P701P706來設定其功能。P701到P706用到的設置值功能如下表3-1所示：表3-1 P701P706所用到的設定值功能設置值功能設置值功能1ON/OFF112反向10JOG正向99使能BICO參數化11JOG反向（4）開關量輸出的有關功能設定。變頻器的控制單元上有3個開關量輸出通道，從開關量輸出通道所輸出的信號，可以通過參數P731P7

19、33來設定。本系統將變頻器的運行狀態顯示在DO0上，因此設P731=52.2，即變頻器運行時，DO0輸出高電平，從而作為變頻器運行的指示信號。變頻器輸入輸出端口功能設置如表3-2所示。表3-2 變頻器輸入輸出端口功能設置變頻器輸入輸出標號功能DI0變頻器啟動停止DI1變頻器反向運行DI2頻率源選擇（低位）DI3頻率源選擇（高位）DI4正向點動運行DI5反向點動運行DO0變頻器運行指示（5）模擬量輸入的有關功能設定。變頻器的控制單元上有2個模擬量輸入通道，模擬量給定方式即通過變頻器的模擬量端子從外部輸入模擬量信號（電流或電壓）進行給定，并通過調節模擬量的大小來改變變頻器的輸出頻率。G120變頻器

20、有2個的模擬量端子，因此需要選擇模擬量給定的輸入通道，選擇模擬量給定的電壓或者電流方式及其調節范圍。模擬量輸入通道的功能如圖3-2所示。缺省情況下，輸入電壓的變化范圍是（0V10V）時，對應AD轉換后得到內部數字量的變化范圍是為（0100），并存儲在變量r0755中。若要改變這種對應關系，可通過設定參數P757P760來實現。圖3-2 模擬量輸入通道（6）模擬量輸出的有關功能設定。變頻器的控制單元上有2個模擬量輸出通道，本系統從AO0輸出變頻器的實際頻率值，從而作為模擬器的輸入信號以確定光柱的移動速度。模擬量輸入通道的功能如圖3-3所示。缺省情況下，內部數字量的變化范圍是為（0100）時，經D

21、A轉換輸出電壓的變化范圍是（0V10V）。若要改變這種對應關系，可通過設定參數P777P780 來實現。要轉換的內部變量，可通過參數P0771來設定。圖3-3 模擬量輸出通道（7）頻率源選擇。本系統的關鍵難點在于：在刨臺控制過程中，如何實現不同頻率給定源之間的自動切換。本項目組是通過參數組的切換來實現的，P1000中可同時存儲3個參數，用索引標號in000，in001，in002來區分，它們分別屬于3個不同的參數組(用cds0,cds1,cds2表示)。運行中可在線選擇使用哪一個參數組（參數組切換時，參數組中所有參數均進行切換）。每個參數組中，一般采取不同的參數設定，本系統中P10000=3

22、，P10001=2 ，P10002=7，cds0的給定頻率來自固定頻率，cds1的給定頻率來自AI0，cds2的給定頻率來自AI1。（8）固定頻率設置。固定頻率儲存在P1001中，因此，要使P1023=0，P1022=0，P1021=0，P1020=0，已選擇固定頻率FF1，這里應當注意的是，要將P1016設置為2，將固定頻率的選擇方式設定為二進制碼選擇。（9）點動頻率設定。所謂點動運行，就是變頻器在停機狀態時，接到點動運轉指令后按點動頻率和點動加減速時間運行。點動的參數設置包括點動運行頻率、點動加速時間和點動減速時間。如圖3-4所示，t1、t3為實際運行的點動加速和點動減速時間，t2為點動時

23、間。圖3-4點動運行示意圖（10）數據組復制。由于變頻器要在不同的數據組之間切換，為了使參數設置方便，需要進行參數組復制。本項目中要使用三個參數組，要將CDS0中的數據分別復制到CDS1和 CDS2中，即P08090=0(從CDS0中復制)，P08091=1(復制到CDS1中)，P08092=1(開始復制) ，P08090=0(從CDS0中復制)，P08091=2(復制到CDS2中)，P08092=1(開始復制)。（11）數據組選擇。參數組選擇采用DI2和DI3來控制，首先要使能BICO參數化，即P702=99，P703=99， 然后將DI2和DI3分別設置為CDS的位0和位1，即P810=7

24、22.2 (DI2)，P811=722.3 (DI3)。變頻器的詳細參數設置如附錄三所示。4 調試過程及結果41 調試過程調試過程分以下幾個步驟：（1）在模擬器上將變頻器，PLC，模擬器的相關元件以及電源和地按照所設計的連線連接好。（2）按照系統預訂功能，對變頻器參數進行設置。（3）將編寫好的PLC程序下載并運行系統，分別測試自動模式和手動模式的功能是否正確，并調節電位器P1和P2，看電機能否按照電位器給定的電壓調節速度。42 調試結果 系統調試的結構如下： （1）系統能夠實現自動模式和手動模式的切換。（2）自動運行狀態下，刨臺能夠實現自動往復運行，在各個區間能夠按照預設的速度運行，在高速切削

25、狀態下，能夠利用電位器P1進行調速，在高速返回狀態下，能夠利用電位器P2進行調速。若系統啟動5s中后，變頻器沒有運行，則報警。（3）手動運行狀態下，刨臺能夠實現正向點動運行和反向點動運行，從而手動調節刨臺的位置。附錄附錄一 電氣接線圖圖5-1 刨臺變頻調速系統模擬器接線圖附錄二 PLC程序清單附錄三 變頻器參數清單分類參數值功能恢復出廠設定P0003=1用戶訪問級為標準級，允許對最常用的參數進行訪問P0004=0參數過濾器：所有參數P0010=30調試參數過濾器，出廠設置P0970=1工廠復位，將參數恢復為出廠默認值快速參數化P0003=3用戶訪問級為專家級，僅限于高級用戶P0004=0參數過

26、濾器：所有參數P0010=1調試參數過濾器，快速調試P0100=0電源頻率50HzP0205=0輸入負載為重載P0300=1電機為異步電機P304=400額定的電機電壓P305=4.7額定的電機電流P307=2.2額定的電機功率P308=0.82額定的電機電cosPhiP310=50額定的電機頻率P311=1500額定的電機轉速P335=0電機的冷卻方式采用自冷方式P400=0選擇編碼器類型為無編碼器P500=0技術應用為重載P610=2電機I2t過溫的響應P625=20電機環境溫度P640=150電機的過載因子為150%P700=2命令源選擇接線端子P727=0線制采用西門子（star/dir）P1080=0最小頻率P1082=50最大頻率P1120=10上升斜坡時間P1121=10下降斜坡時間P1135=10OFF3下降斜坡時間P1300=20控制方式采用無傳感器矢量控制P1500