本科 毕业设计 PLC张力控制系统的设计5

1、绪论随着科学技术的不断发展，工业生产的自动化程度不断地提高，微处理器、计算机和数字通信技术的应用越来越广泛。工业自动化的主要支柱之一plc在工业生产上具有普遍的应用，如造纸业、纺织业、橡皮业、薄膜加工业等等。而plc张力控制在上述工业中具有关键的作用。在一般的造纸厂、印刷厂、纺织漂染厂、食品厂等，当处理一些如纸张、薄片、丝、布等长尺寸材料或产品时，都会用上卷壳及滚筒组成的加工生产线，因而，放料作业的张力控制，便成为通用的基础技术。张力控制的作用就是在料膜动态处理过程中，保持恒定的张力，抑制外来干扰引起的张力抖动。以料膜为例，在放卷，收卷以及供料过程中，料膜上要保持一定的张力（或者称之为拉伸力）

2、，过大的张力会导致料膜变形甚至短裂，而过小的张力又会使料膜松弛，导致褶皱，或者处理尺寸不准等弊病。这样就要求在料膜的处理过程，要保持恒定的张力。张力控制的作用就是在料膜动态处理过程中，保持恒定的张力，抑制外来干扰引起的张力抖动。本设计使用了伺服电机，三菱变频器、普通电机、西门子可编程控制器（plc）、角度传感器。项目中对两部分张力控制所选用的电机不同，是因为考虑到了生产成本的因素。在卷膜传送部分，需要的控制要求高，因而选用在性能好但价格高的伺服电机，而在卷纸回收部分，需要的控制要求比较低，因而选用了廉价但能满足生产要求的普通电机。设计中的张力控制系统，在使用传感器上选择了角度传感器。通过对传送

3、卷膜、卷纸的可动辊与水平面的夹角的测量，来判断张力大小是否发生变化。把检测出转角的模拟量送入控制器plc中进行控制。第一章：张力控制系统的初步认识1.1 张力控制系统概述1.1.1 张力控制在一般的造纸厂、印刷厂、纺织漂染厂、食品厂等当处理一些如塑料膜卷、纸张、薄片、丝、布长尺寸材料或产品时，都会用上卷壳及滚筒组成的加工生产线，因而，放料作业的张力控制，便成为通用的基础技术。以料膜为例，在放卷，收卷以及供料过程中，料膜上要保持一定的张力（或者称之为拉伸力），过大的张力会导致料膜变形甚至短裂，而过小的张力又会使料膜松弛，导致褶皱，或者处理尺寸不准等弊病。这样就要求在料膜的处理过程，要保持恒定的张

4、力。张力控制的作用就是在料膜动态处理过程中，保持恒定的张力，抑制外来干扰引起的张力抖动。1.1.2 张力控制系统 图1.1-1 张力控制系统示意图所谓的张力控制系统就是为实现张力控制而必须的系统构成，典型的张力控制系统包括张力控制器，张力检测器和磁粉制动器。本项目的张力控制系统包括plc、伺服电机、变频器、传感器。图1.1-1为一放卷张力控制系统示意图:项目中使用角度传感器代替上图张力检测器，其输出反馈回plc，而用伺服电机代替磁粉制动器控制放卷辊。1.2 plc的使用1.2.1 plc介绍可编程逻辑控制器（programmable logic controller）,简称plc，产生于60年

5、代末，当时只能进行逻辑运算，主要用于顺序控制。70年代后期，随着微电子技术个人计算机技术的发展，plc更多的具有了计算机的功能，不仅用逻辑程序取代了硬接线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理等功能，而且做到了小型化或超小型化。这种采用微电脑技术的工业控制器装置的功能远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围，故称为可编程控制器（programmable controller），简称pc。由于pc易于与个人计算机（personal computer）混淆，人们仍习惯用plc作为可编程序控制器的简称。plc本身除了具备可塑性、记忆性，更具可接受多种方式做输出、输入控制的强大功能，且稳定性及寿命皆高，除了单独

6、一台的控制之外，更可进行多台的连接，易于达成整体自动化的目标，因此已广受自动控制界的普遍欢迎。尤其是具可更改性，可重复使用，減少因更改造成的资源浪费，是非常环保的控制器，非常值得推广。plc作为一种特殊形式的计算机控制系统，是利用计算机技术对传统的硬件逻辑控制系统“继电器控制”进行硬件软化的结果。但在运行方式上，plc的软件逻辑也与继电器控制系统的硬件逻辑存在根本性的区别。plc的控制功能是通过存放在储存器内的程序来实现的，如果要对控制功能做必要的修改，只需改变软件指令即可，使硬件软件化。1.2.2 plc的主要特点(1)高可靠性 所有的i/o接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与plc

7、内部电路之间电气上隔离。 各输入端均采用r-c滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms. 各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 采用性能优良的开关电源。 对采用的器件进行严格的筛选。 良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，cpu立即采用有效措施，以防止故障扩大。 大型plc还可以采用由双cpu构成冗余系统或有三cpu构成表决系统,使可靠性更进一步提高。(2) 丰富的i/o接口模块:为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。(3) 采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型plc以外，绝大多数plc均

8、采用模块化结构。plc的各个部件，包括cpu，电源，i/o等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。1.2.3 plc的优点（1）plc的软件简单易学它采用独具特色的以继电器梯形图为基础的形象编程语言，梯形图符号的和定义与常规继电器展开图一致，电气操作人员使用起来的得心应手。（2）使用和维护方便硬件配置方便：plc的硬件都是专门生产厂家接一定标准和规格生产的，市场上可方便买到方便安装：内部不需要接线和焊接，只要编写程序就可以了。使用方便：节点的使用不受次数限制，只需要考虑输入、输出点个数，选用不同类型的plc，即可得到满足。维护方便 plc内部

9、有很多监控程序，能检查出自身的故障，而且接线少，维修时只需要更换插入式模块，为调试和维护提供了方便。（3）运动稳定可靠plc是专门为工业控制设计，在设计和制造过程中采用了多层次抗干扰和精选元件措施，可在恶劣的环境下与强电设备一起工作。目前plc的整机平均无故障工作时间一般可达25万小时，甚至更长。（4）设计施工周期短使用plc来完成一项控制工程，在系统设计完成后，现场施工和plc程序设计可同时进行，周期短，程序的调试和修改都很方便。综上所述，plc在性能上优于继电器逻辑控制，与微型计算机、单片机一样也是一种用于工业控制的理想工具。近年来，plc的集成度越来越高，功能越来越强，应用越来越广泛。p

10、lc可进行数字量/模拟量控制、位置控制。特别是采用多种功能的高级编程语言和先进指令系统，还能实现plc之间和plc与管理计算机之间的通讯，易于实现柔性加工和制造系统(fms)。1.2.4 plc的功能(1) 逻辑控制(2) 定时控制(3)计数控制(4)步进(顺序)控制(5)pid控制(6)数据控制，plc具有数据处理能力。(7)通信和联网 plc还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：定位控制模块，crt模块。1.2.5 plc的一般结构用plc实施控制，是按照一定的算法进行输入输出变换，并将变换以物理实现。因此，plc采用了典型的计算机结构，主要有cpu、rom、ram和专门设计

11、的输入输出接口电路等组成，如图1.2-1、1.2-2所示：（1）中央处理单元(cpu)中央处理单元(cpu)是plc的控制中枢。它按照plc系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、i/o以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当plc投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入i/o映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入i/o映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将i/o映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环

12、运行，直到停止运行。为了进一步提高plc的可靠性，近年来对大型plc还采用双cpu构成冗余系统，或采用三cpu的表决式系统。这样，即使某个cpu出现故障，整个系统仍能正常运行。（2）存储器 plc常用的存储器类型a)ram(randomassessmemory)这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。b)eprom(erasableprogrammablereadonlymemory)这是一种可擦除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。c)eeprom(electricalerasableprogrammabl

13、ereadonlymemory)这是一种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。 plc存储空间的分配虽然各种plc的cpu的最大寻址空间各不相同，但是根据plc的工作原理其存储空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区、系统ram存储区(包括i/o映象区和系统软设备等)、用户程序存储区 a) 系统程序存储区 在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。包括监控程序、管理程序、照明开关或传感器输入 输出 数据 存 储输 入 接 口中央处理单 元存储器输 出 接 口电动机/电磁装置继电器触点模拟量输入行程开关接触器或其他执行装置编 程 单 元电 源 单 元

14、图1.2-1 plc结构示意图计算机a/d，d/aeprom其他接口外存接口其他设备卡式存储器内存 储器(romram)键 盘与显 示中央处理器 cpu输入接口 (继电器或晶体管)输入接口 (光耦合)输入接线端子输出接线端子图1.2-2 plc原理框图命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在eprom中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该plc的性能。 b) 系统ram存储区:系统ram存储区包括i/o映象区以及各类软设备a) i/o映象区由于plc投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设因此，它需要

15、一定数量的存储单元(ram)以存放i/o的状态和数据，这些单元称作i/o映象区。一个开关量i/o占用存储单元中的一个位(bit)，一个模拟量i/o占用存储单元中的一个字(16个bit)。因此整个i/o映象区可看作两个部分组成：开关量i/o映象区、模拟量i/o映象区 b) 系统软设备存储区 除了i/o映象区区以外，系统ram存储区还包括plc内部各类软设备(逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等)的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在plc断电时，由内部的锂电池供电，数据不会遗失；后者当plc断电时，数据被清零。 c) 用户程序存储区 用户程序存储区

16、存放用户编制的用户程序。不同类型的plc，其存储容量各不相同。(3) 电源plc的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此plc的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将plc直接连接到交流电网上去。1.2.6 plc的工作原理plc的cpu则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而plc扫描用户程

17、序的时间一般均小于100ms，因此，plc采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式-扫描技术。这样在对于i/o响应要求不高的场合plc虽具有微机的许多特点，但它的工作方式与微机有很大的区别。微机一般采用等待命令工作方式，当有键按下或i/o动作则转入相应的子程序，没有则采用继续扫描。plc从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回到第一条指令，如此周而复始不断循环，即从0000首地址存放的第一条用户程序开始，到用户程序的最后一个地址，不停的周期扫描，每扫描一次，用户程序就执行一次。其工作过程如图1.2-3所示：(1)每次扫描用户程序之前，都要先执行故障自诊断程序。自诊断程序。自诊断内容：i

18、/o部分、存储器、cpu等，发现异常，停机显示出错信息；正常则继续向下扫描。plc检查是否有与编程器、计算机等的通信请求，若有则进行相应处理，并把信息送到编程器、计算机显示。输出结果与编程器计算机等通讯自诊断读入现场信号执行用户程序图1.2-3 plc工作过程框图输入采样阶段：cpu对各个输入端进行扫描，将输入端的状态送到输入状态寄存器。程序执行阶段：cpu将指令逐步调出执行输出刷新阶段：当所有的指令执行完毕时，集中把输入状态寄存器的状态通过输出部件转换成控制设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。cpu经过这五个阶段的过程，为一个扫描周期。完成一个周期后，又重新执行上述过程。扫描周期用

19、t来表示。t=（读入1点时间输入点数）（运算速度程序步数）（输出1点时间输出点数）故障诊断时间plc与继电器控制的重要区别之一就是工作方式不同。继电器按“并行”方式工作，plc是以“串行”方式工作的，它避免了继电器控制的触点竞争和时序失配问题。也就是说，实际的plc工作过程总是：公共处理-i/o刷新-运行用户程序-再公共处理-反复不停地重复着。1.2.7 plc的选定（1）选择原则由前面的程序要求，我们可以确定所选定的plc除了可进行数字量逻辑控制外，还应具有较强的数据处理能力（如：数据传送、转换；位操作等等）。而更重要的是，能够让操作人员在现场就能方便地输入参数进行测试。我们决定选择西门子s

20、7-200系列plc，包括主模块：cpu226，模块em235。s7-200 plc 设备设计成安装简便，可以利用安装孔把模块固定在一个标准的（din）的导轨上，体积小巧的s7-200可以使你更为有效地安排空间。其中： 主模块的cpu226本身集成有24输入/16输出共40个数字量i/o点；可连接7个扩展模块，最大扩展至28路数字量i/o点或35路模拟量i/o点；13k字节程序和数字存储空间；6个独立的30khz高速计数器；2个独立的20khz高速脉冲输出，具有pid控制器；2个rs485通讯/编程口，具有ppi通讯协议、mpi通讯协议和自由方式通讯能力；i/o端子排可很容易地整体拆卸；可用于

21、较高要求的控制系统，适用于一些复杂的中小型控制系统。 数字量扩展模块：em222（继电器输出）具有8个数字量输出点，它通过总线电缆与 图1.2-4 plc运行流程图cpu相连，不需额外提供电源。 td200 是专门与西门子s7-200系列plc搭配的文本显示器。（2） 特点：图1.2-5 s7-200 plc这一系列的产品可以满足多种多样的自动化控制需求，上图展示了一台micro plc，它具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的功能指令，使得s7-200可以近乎完美满足小规模的控制要求。此外，丰富的cpu类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。（3）安装：

22、s7-200 plc 设备设计成安装简便，可以利用安装孔把模块固定在一个标准的（din）的导轨上，体积小巧的s7-200可以使你更为有效地安排空间。（4）推荐设备：step 7-microwin 32，3.0版是基windows的应用软件，它支持32位windows 95，windows 98和windowsnt使用环境。使用step 7-micro/win32时，应具有以下设备： 一台pc机，cpu为80586或更高的处理器，16m内存；或者是装有step 7-micro/win32的西门子编程器（例如pg 7400，最低要求为：cpu 80486，8m内存。 以下一种设备：一根连接到通讯口

23、的pc/ppi电缆一个通讯处理器（cp）卡 vga显示器 至少50m的硬盘空间 window95、window98、window nt4.0 microsoft windows所支持的鼠标。1.3 伺服电机项目中使用的minas系列交流伺服电机，是日本松下电器公司于1990年投入批量化生产的全新全数字化（位置、速度、电流三环全数字化）的交流伺服。由于内部控制采用32位dsp，运用igbtpwm控制方式，因此系统响应快、精度高、体积小，目前已经广泛应用于数控机床、机器人、轻工机械、纺织机械、自动化生产线、半导体生产等各种有精确调速、定位要求的场合。松下伺服的特点： (1) 操作面板，控制和使用简

24、便易行每套松下伺服驱动器上都配有操作面板，各种参数和控制方式均可通过操作面板实行调整，非常适合于现场调试。面板可显示运行速度、位置脉冲、实际转矩、接线i/o状态、参数设定、错误原因等大量信息。特别是实际转矩的显示给设计、选型提供了极大方便。通过操作面板可以检查接线状态，用户可用此功能判别接线错误，十分有效(2) 稳妥方便的自动调整，刚性调整更方便用户在调试设备时可以启动自动增益调整功能来调节伺服系统的刚性。松下伺服在自动增益调整时运动范围小（电机正转两圈反转两圈）运动速度低（约100rpm），所以在磨床等运动行程非常有限的场合运用时非常安全可靠。(3) 控制方式多样化有三种控制方式可供选择：速

25、度控制方式、位置控制方式、转矩控制方式以上三种方式也可进行复合控制。其中位置控制方式极具特色，用户可以采用电子线路、单片机、pc机及其他方式非常简便而廉价地实现数控功能。系统中还配备了“电子齿轮”功能，也就是说可以通过参数设定对输入指令脉冲任意分/倍频而达到和机械系统的良好配合。(4) 保护设施齐全系统还配有各种自诊断保护措施，硬件软件双重保护，并可以胜任三倍过载。一旦发生错误，便立即停机，并告以报警故障原因，在用户解除故障后方可重新工作，因此可靠性极高。1.4 变频器随着生产力的提高，工业进程化的加快，电动机作为动力拖动的主要驱动源，在工业生产的各个领域中被广泛使用，据不完全统计，其消耗的电

26、能约占了总工业耗电量的60%左右，在经历了70年代的中期的能源危机后，人们充分认识到了节能工作的重要性。因此怎样合理的使用电机，提高其工作效率，显得尤为重要。交流变频调速技术在这一阶段得到了很大的发展，先后出现了变极调速、调压调速、交流串极调速、电磁转差离合器调速等交流调速方式。作为变频调速技术的核心的变频器,也开始逐步进入了实用阶段.近年来随着电力电子技术、自控技术和计算机技术的发展加上变频调速传动理论的逐步完善,变频器的性能不断提高,在各行各业中的应用也越来越广泛,除了传统的电力拖动系统以外,在钢铁、电力、冶金、石油、工业制造等几乎所有的工业生产领域,都可以看到变频器的身影。1.4.1 变

27、频器的定义:变频器是在保证电机原有性能的情况下，通过改变电机的供电频率和电压的方式，实现电机转速的调节的现代电力电子设备。它根据电机不同负载可分别实现节能、提高生产效率、提高产品质量、实现自动化、增加设备使用寿命并使设备下型化等用途，广泛应用在钢铁、轻工，化学、纤维、汽车、电机（机械）、机床、食品、造纸、水泥、矿业、煤气、交通、装卸搬运、工厂建筑、农业、生活服务、电力、实验研究、石油等领域。1.4.2 变频器的用途提高生产率、生产质量、节约能源和控制功能的高度自动化是变频器的主要特点.采用变频器对交流异步电动机进行调速控制,可以很方便地进行电动机的正反转转换,进行高频度的起停运转;可以调节电动

28、机加减速的时间,使变速运行更加平滑,启动电流更加小;可以对电动机进行连续调速,最高速度不受电源的影响;通过内部的制动回路,可以进行电气制动,必要时还可以加入直流电压,进行直流制动；低速时可保持恒转矩输出,进行转矩提升;容易实现对现有交流拖动系统的改造；在功率匹配合适的情况下,可以用一台变频器驱动多台电动机；通过与plc等控制设备的连接可以组成高性能的控制系统；完善的故障诊断和保护功能(过压,欠压、过流、过载、短路等故障的检测与显示)等等。1.4.3 变频器基本构成及工作原理 (1) 变频器基本结构 变频器发展至现在已有几十年的历史，种类繁多，但都有以下的基本结构：逆变电路 中间电路 整流电路外

29、电网频率电压可调的 交流电交流电控制电路图1.4-1 变频器基本结构一般三相变频器的整流电路是由三相全波整流桥组成，主要是对工频外部电源进行整流，给中间电路、逆变电路及控制电路供电。一般情况下，整流输出含有高频电压谐波分量(其频率为电源电压频率的六倍)或电流纹波，影响了直流输出的质量，这就要用到中间电路进行平滑。中间电路的作用是对整流输出进行平滑，以保证逆变电路及控制电路能得到较高质量的直流电源，平滑电路的主要构成与整流电路有关，若整流输出是电压源，则平滑电路的主要元件是大容量是电解电容，若整流输出是电流源，则平滑电路的主要元件是大容量电感。除此之外，中间电路还包括有制动电阻和其它辅助电路。逆

30、变电路是变频器的主要部件，其作用是在控制电路的控制下，将平滑电路输出的直流电转换为频率和电压均任意可调的交流电。逆变器的输出就是变频器的输出。控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路、保护电路等。主要作用是将检测到的各种信号送至运算电路。使运算电路能根据要求为变频器主电路提供必要的门极驱动信号，并对变频器和电机提供必要的保护。控制电路还有a/d和d/a接口，使变频器能与外部设备配合使用。控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣。(2) 变频器基本工作原理逆变电路是变频器的重要部分，要了解变频器的工作原理，只须了解逆变部分的工作原理。我们知道，逆变部分的作用是将直流电转变为频

31、率和电压均可调的交流电。下图为一个简单的三相逆变电路，在这个电路中，六个开关组成一个三相桥式电路，依次打开和关断这六个开关，就可以在输出端得到相位相差120 度的交流电。 s1s3s5直流电压u/v/wes4s6 s2 图1.4-2 三相逆变电路原理 开关频率不同，输出交流电的频率就不同。同时，输出电压的平均值也就不同了，这就达到变频变压的目的。当然，实际变频器内部的电路比这个复杂得多，还包括其它很多的辅助器件及保护电路等等。(3) 变频器控制方式及基本原理在本实验中，采用的是变频变压(vvvf)方式，主要是通过调节电源频率来调速。由电机拖动理论可知，在调频的同时，电机的输出转矩也同时发生变化

32、，为了达到较理想的转矩特性，在改变电流频率时，电枢电压也必须有相应的改变，满足=常数分析如下：因为电机输出转矩与磁通有关，t=ct 1i2cos其中ct为常数，1为每极磁通，i2为转子电流，cos为功率因数。而mim其中m为励磁电感，im为励磁电流。又有e=j2fmim=j2f因此，要使磁通不变，只要使=常数即可。但由于感应电动势e不便测量和控制，而电源电压ve,故只要使=常数便可使条件近似满足。故变频调速就是变频变压调速。1.4.4 变频器的选用变频器种类很多,在进行选型时,应该根据项目的控制要求和所带负载的特性来选择合适自己的产品。下面对变频器的主要规格和基本功能进行进一步的介绍。（1）电

33、压等级 一般的通用变频器可分为交流200v和400v两种,另外某些高、中压大功率变频器电压等级可以达到上千伏。在选型时,应注意选择与供电电源和电动机的电压两者相匹配的电压等级（2）适用电机输出适用的电机输出,是指变频器最大的适用的电动机容量。根据负载选择电动机时,需要注意电动机的输出功率和转矩应大于负载所需的功率和转矩(为过负载和快速启动留一定的余量)。一般单相200v型通用变频器标准适用电动机输出从0.2kv至2.2kv不等。所选的电动机容量应与变频器相符,同时还应注意变频器的额定输出电流是否满足电动机的额定电流。 （3）额定输出 额定输出包括额定输出容量,输出电流,输出电压和过载能力等。其

34、中,额定输出容量是指在额定输出电流和电压的情况下的视在功率；过载能力是指变频器的超载能力,如额定输出电流的150%,1分钟等。 在选择变频器的容量时,应使负载在正常的运行情况下,运行在变频器的额定电流内,瞬时的超载也应不大于变频器的过载能力。否则,即使电动机与变频器的容量相匹配,也应该选择容量更大的变频器。（4）输出频率 包括变频器可调的频率范围,频率精度(指最高设定频率时的波特率)和分辨率(指变频器可设定的最小单位值)。变频器的品牌及型号不同,此类指标也不相同,用户可根据调速系统的实际需要进行选择。1.4.5 变频器的控制方式变频器的控制方式一般可分为开环和闭环两种。开环控制无速度检出反馈,

35、常用于精度要求不太高的通用变频器。而闭环控制具有速度检出反馈,可以根据电机的运行情况自动调整变频器的控制参数,常用于精度要求比较高,含矢量控制功能的变频器中。目前通用变频器的控制方式常采用高载频正弦波pwm控制(v/f)控制，其载波频率一般从0.815khz可调，选择合适的载波频率能降低电动机的机械共振,有效的减少运行噪声。频率设定:除了在面板上直接设定以外,还可通过电位器,模拟量来调节。电压/频率特性:即v/f曲线,分为恒定转矩方式和平方转矩方式,恒定转矩方式一般应用在输送带,起重机,挤压机等设备上,平方转矩方式常用在风机,气泵等流体负载。转矩提升:某些负载在低速运行时,会出现转矩不足的情况

36、,此时需要进行适当的转矩提升。一般变频器都具有此类补偿功能。但应注意转矩提升太强，可能会马达过热或噪声增加现象。加减速时间:加减速时间一般是指变频器从某一频率加速到高频段和从一高频段减速到低频段所需的时间。146 变频器的安装设计基本要求（1）变频器应该安装在控制柜内部。 图1.4-3 变频器安装图（2）变频器最好安装在控制柜内的中部；变频器要垂直安装，正上方和正下方要避免安装可能阻挡排风、进风的大元件。（3） 变频器上、下部边缘距离控制柜顶部、底部、或者隔板、或者必须安装的大元件等的最小间距，应该大于300mm。如图中的h1，h2间距所示。（4） 如果特殊用户在使用中需要取掉键盘，则变频器面

37、板的键盘孔，一定要用胶带严格密封或者采用假面板替换，防止粉尘大量进入变频器内部。（5）对变频器要进行定期维护，及时清理内部的粉尘等。（6）其它的基本安装、使用要求必须遵守用户手册上的有关规定。1.5 传感器1.5.1 传感器的定义将各种非电量变换为电量的装置就是传感器。传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么无论是信号转换或信息处理，或都最佳数据的显示与控制都是不可能实现的。角度传感器：角度传感器测量范围从10度一直到120度。测量原理是非接触（利用霍尔效应）。适合各种工业机械，摩托车，和民用上的应用。价格便宜，性能稳定。我公司提供各种技术服务

38、并可集成各种应用系统。1.5.2 传感器的分类传感器的检测对象非常多，主要有数量、长度、面积、立体、位置、含量、线性变位、旋转变位、畸变、压力、转矩、流量、流速、加速度、振动、成分配比、水分、离子浓度、混浊度、粒状体、比重密度、伤痕、湿度、热量、温度、火灾、烟、有害气体和气味等29 种。按检测功能可分为检测温度、压力、湿度、流量、流速、磁场、光通道等，其中最常用的是温度传感器，其次是压力、流量传感器。 传感技术的重要性，可以毫不夸张地说，从飞往茫茫太空的宇宙飞船到游弋于浩瀚海洋的各种舰艇船只，从各种复杂的工程系统到人们生活中的衣食住行，几乎都离不开各种各样的传感器，传感技术对科学的各个领域起着

39、不可估量的巨大的作用。本项目主要研究的是压力传感器和温度变送器在热熔焊接机中的应用。传感器的选则用原则：传感器千差万别，即便对于相同种类的测定量也可采用不同工作原理的传感器，因此，要根据需要选用最适宜的传感器。1.5.3 传感器的选用 (1)测量条件如果误选传感器，就会降低系统的可靠性。为此，要从系统总体考虑，明确使用的目的以及采用传感器的必要性，绝对不要采用不适宜的传感器与不必要的传感器。测量条件列举如下，即测量目的，测量量的选定，测量的范围，输入信号的带宽，要求的精度，测量所需要的时间，过输入发生的频繁程度。(2)传感器的性能选用传感器时，要考虑传感器的下述性能，即精度，稳定性，响应速度，

40、模拟信号或者数字信号，输出量及其电平，被测对象特性的影响，校准周期，过输人保护。(3)传感器的使用条件传感器的使用条件即为设置的场所，环境(湿度、温度、振动等)，测量的时间，与显示器之间的信号传输距离，与外设的连接方式，供电电源容量。第二章：项目说明及定型2.1 项目要求 本设计能使卷膜匀速地输送,自动使卷膜均匀地粘贴在铝带上,卷纸能够正常回收.能够适应安全、快速、准确、均匀加工的要求2.2 项目总体设计构思221 本系统原理图设想图2.2-1原理设想图222 本系统构件设想（1） s7-200 plc中央处理单元采用cpu226，cpu226集成了24输入/16输出共40个数字量i/o点。可

41、连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量i/o点或35路模拟量i/o点，13k字节程序和数字存储空间。6个独立的30khz高速计数器，2路独立的20khz高速脉冲输出，具有pid控制器。用于较高要求的控制，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。（2） 模拟量扩展模块em235尺寸：71.2*80*62mm 重量：186g 功耗：2w点数：4路模拟量输入，2路模拟量输出图2.2-2 em235示意图（3） 伺服电机： 本项目选用伺服电机是minas a系列全数字式交流伺服电机，具体采用额定输出功率较小的ms

42、ma系列：额定输出功率400w；额定转速5000r/min。其特征如下： 采用松下公司独特算法，使速度频率响应提高2倍，达到500hz；定位超调整定时间缩短为以往产品的1/4。 具有共振抑制和控制功能：可函盖机械的刚性不足，从而实现高速定位。 具有全闭环控制功能：通过外接高精度的光栅尺，构成全闭环控制，进一步提高系统精度。 具有一系列方便使用的功能：（a）内藏频率解析功能（fft）,从而可检测出机械的共振点，便于系统调整；（b）有两种自动增益调整方式：常规自动增益调整和实时自动增益调整；（c）配有rs485，rs232c通信口，上位控制器可同时控制多达16个轴。 电机防护等级达ip65,环境适

43、应性强。 电机可配用多种编码器，适应各种用户需要：（a）普通型：2500p/r增量式编码器； （b）高精度型：17位型（217）增量式编码器；（c）特殊型217位型（217）绝对式编码器。 图2.2-3电机型号说明（4） 三菱fr-a540系列变频器功能范围：0.4800kw（3相380v，fr-a540（l）系列）；具有以下特点： 配备各种功能配备pid功能，更适合风机、水泵负载；高速频率控制和碰停功能；停电时减速停止控制；顺序制动控制；风机水泵专用控制功能。 维护方便通过风扇on/off控制，延长风扇寿命，更换方便；可拆卸式的控制段子使维修和安装方便；参数设定可保存在参数单元中。（5） 角

44、度传感器本传感变送器采用新型的smr(磁敏电阻)元件作为敏感元件，利用内部磁迴路的机械结构, 把角度的机械转动转化为电信号变化，实现无电接触点的测量角度，角位移的变化，并经精密集成放大电路,在确定的角度区间，线性输出420ma电流信号或05v，1-5v电压信号，实现传感器和变送器一体化.本产品带有基准和满度的调节，方便修正和调节测量范围。特点及应用：寿命长，可靠性高、可连续分辨、耐环境污染。方便应用于各类需要测量角度和角位移的设备和工作场合。特别适合应用在钢铁、石油、电力、交通等行业，角度、角位移监控的设备上。主要技术指标:型 号：wyt-at-2工作电压：dc24v10%线性量程：0 90(

45、 *可选择其他量程 )输出信号：420ma 或 *05v 使用温度：-30 +60相对湿度：953% rh精 度：0.1% ;0.2% fs防护等级：ip65抗电绝缘：500v外形尺寸：* 83(77mm) 轴为6 长22 mm外壳材料：铝合金*传感器360度可转.长度77,以实际说明书为准正面（角度刻度端）反面（引线输出端） 图2.2-4 角度传感器外行尺寸示意图第三章：plc/伺服电机/变频器原理接线图3.1 系统结构框图见附录图13.2 驱动器控制电气图见附录图23.3 电气回路控制图见附录图33.4 plc接线图 见附录图4第四章：技术难点及其解决办法4.1 变频器对微机控制板的干扰系

46、统设计或者改造过程中，一定要注意变频器对微机控制板的干扰问题。由于用户自己设计的微机控制板一般工艺水平差，不符合emc国际标准，在采用变频器后，产生的传导和辐射干扰，往往导致控制系统工作异常，因此需要采取必要措施。 图4.4-1微机控制板的电源抗干扰措施(1) 良好的接地。电机等强电控制系统的接地线必须通过接地汇流排可靠接地，微机控制板的屏蔽地，最好单独接地。对于某些干扰严重的场合，建议将传感器、i/o接口屏蔽层与控制板的控制地相连。 (2) 给微机控制板输入电源加装emi滤波器、共模电感、高频磁环等，成本低。如图所示，可以有效抑制传导干扰。另外在辐射干扰严重的场合，如周围存在gsm、或者小灵

47、通机站时，可以对微机控制板添加金属网状屏蔽罩进行屏蔽处理。（3）对拟传感器检测输入和模拟控制信号进行电气屏蔽和隔离。在变频器组成的控制系统设计过程中，建议尽量不要采用模拟控制，特别是控制距离大于1m，跨控制柜安装的情况下。因为变频器一般都有多段速设定、开关频率量输入输出，可以满足要求。如果非要用模拟量控制时，建议一定采用屏蔽电缆，并在传感器侧或者变频器侧实现远端一点接地。如果干扰仍旧严重，需要实现dc/dc隔离措施。可以采用标准的dc/dc模块，或者采用v/f转换，光藕隔离再采用频率设定输入的方法。4.2 plc对变频器的控制本项目的难点之二就是通过plc实现对变频器的控制及plc对伺服电机的

48、控制，也就是达到调节电机转速的目的。作为变频调速系统中的控制核心部分的变频器，可以通过变频器的控制面板或端子进行运行参数的设置,启动或停止变频器运行,读取各种变频器运行数据等等。在该项目的设计中我们采用了用pid控制的方法用plc控制变频器。第五章：项目小结毕业设计是大学学习的最后环节，也是四年所学知识的综合运用，是对学生个人的自学能力、创新能力、分析解决问题能力的一次考验。我们在设计过程中学到了很多新知识，接触到了以前很多没有遇到过的问题.本毕业设计对项目进行了的初步论述。绪论分析了plc在张力控制的应用。第一章详细地介绍张力控制系统的特性和各种应用场合，以及详细的介绍了plc、变频器、伺服

49、电机、传感器的工作原理及概况。第二章对方案进行确定。方案中采用的plc、传感器、伺服电机、变频器的详细参数、型号。在选择构成项目的各种构件时，考虑到了技术因素和经济因素。第三章是对整个项目的个部分电气连接图和输入输出的断口方配方案及程序的设计。第四章是对整体项目中可能会遇到的问题难题及其解决的办法思路。 本毕业设计在实际应用中是有巨大现实意义及很大的经济效应，利用plc来控制张力的方法被广泛应用在造纸业、印刷业、纺织漂染业、食品业当中，极大的提高了生产效率和产品的合格率，随着科学技术的不断成熟和发展，plc张力控制技术将越来越深入到社会的各行业。此次设计，还有以下几点的体会：（1） 计之前要有

50、一个宏观系统的思路。宏观系统思路不仅仅是要对设计任务的进行结构细化，还要将这些细化任务进行合理科学的安排，这样才能使得设计的整个过程进行得有序，提高设计质量。（2） 以严谨的科学态度对待设计中的每一个细节。首先在思想上必须重视毕业设计，对于设计中的任何一个问题都要认真对待。（3） 阅读大量的参考资料，综合运用学过的知识。认真阅读设备的手册和资料，有助我们熟悉设备的操作，减少不必要的错误，提高工作效率。（4） 要有团体合作精神。本次设计，由四个同学共同完成。在设计过程中，我们始终保持良好的团队精神，互相学习和交流经验，终于顺利完成了设计任务。通过毕业设计，我们都得到了一次很好的锻炼，自身能力有了

51、较大的提高，这必将对我们今后的学习、工作、生活产生重要影响。致谢本次设计能够顺利完成，我们必须要衷心的感谢我们的指导老师 李老师的指导和学院老师的关心。由于本次设计涉及到一些新内容和新方向，李老师在百忙中抽出宝贵的时间给予我们硬件和技术上最大的指导和支持。我们在设计的过程中也遇到了很多自己解决不了的问题，而李老师也给予我们要注意的问题的提示和一些细节的解决方案。使我们受益非浅。 四年来，学院的各位领导、老师给予我许多热忱的关怀和无私的教导，在此表示最忠心的感谢！对于参加我的论文答辩的各位老师，在此献上我崇高的敬意和诚挚的感谢！参考文献1 松下panasonnic minas aseries 伺

52、服电机2 三菱电机变频调速器500系列3 邓则名 邝穗芳编 电器与可编程控制器应用技术 机械工业出版社4 s7-200中文系统手册5 王永华主编 王东云 宋寅卯 郑安平副主编 现代电气及可编程控制技术 北京航天航空大学出版社6 林德杰主编 电气测试技术 机械工业出版社附 录附录一：三菱变频器fr-a540控制特性控制方式柔性pwm控制/高载波频率pwm控制可选择v/f控制）最佳励磁控制输出频率范围0.5至120hz频率设定分辨率模拟输入0.015hz/60hz(端子2输入：12位/010v，11位/05v，端子：12位/-10+10v，11位/-5+5v）数字输入0.01hz频率精度模拟量输入

53、时最大输出频率的0.2%以内(2510），数字量输入时设定输入频率的0.01%以内电压/频率特性基底频率可在0120hz任意设定，可选择恒转矩或变转矩曲线。转矩提升手动转矩提升加/减速时间设定03600秒（可分别设定加速和减速时间），可选择直线型或s-型加/减速模式直流制动动作频率（0120hz，动作时间（010sec),电压（030%）可变失速防止动作水平可设定动作电流（0120%可变），可选择是否使用这种功能运行特性频率设定信号模拟量输入05vdc，010vdc。010vdc，420madc数字量输入使用操作面板或参数单元3位bcd或12位二进制输入（当使用fr-a5ax选件时）启动信号可分别选择正转，反转和启动信号自保持输入（三线输入）输入信号多段速度选择最多可选择7种速度（每种速度可在0120hz内设定，运行速度可通过pu（fr-du04/fr-pu04）改变第二加/减速度选择03600秒（最多可分别设定2种不同的加/减速时间）点动运行选择具有点动运行模式选择端子电流输入选择可选择输入频率设定信号420madc（端子四）瞬时停止再启动选择瞬时停止时是否再启动外部过热保护输入在外部安装的过热继电器当使变