变频器应用技术项目六课件

变频器应用技术项目六课件变频器应用技术项目六课件项目引入变频器通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，因此可根据电机的实际需要来为其提供合适的电源电压，进而达到节能、调速的目的。变频器具有功能齐全、调速精度高、稳定性好及可应用范围广等特点。变频器在工程上的应用有很多，如恒压供水、风机自动调速、龙门刨床的自动化控制、自动装箱生产线的控制等。那么，它们又是如何实现变频控制的呢？项目引入变频器通过改变电源的频率来达到改变电项目目标了解变频器控制恒压供水的特点了解恒压供水系统的构成掌握恒压供水系统的硬件组成及变频器的选择方法掌握风机变频器的选择方法了解龙门刨床的构造和工作特点掌握龙门刨床PLC控制系统的构成掌握龙门刨床PLC控制系统的硬件设计方法项目目标了解变频器控制恒压供水的特点了解恒压供水系统的构成掌5

任务一认识恒压供水系统5任务一认识恒压供水系统任务导入城市自来水管网的水压一般规定保证6层以下楼房的用水，其余上部各层均须增加水压才能满足用水要求。以往大多采用水塔、高位水箱或气压罐增压设备来提升水压，但无论实际用水量的多少，这些设施的水泵都在全速运转，并提供固定数值的流量，导致在用水量较小时，水泵的功率有很大一部分被白白地浪费掉了。由于水泵属于二次方律负载，其消耗的电功率与水泵转速的3次方成正比，如果能够控制水泵的转速使之按照用水量的多少来变化，且确保供水压力不变，就可以既不影响正常用水，又能起到节能的效果。采用恒压供水技术，即通过应用变频器根据水压的大小，自动对水泵进行变频调速调节，即可实现上述目标。任务导入城市自来水管网的水压一般规定保证6层相关知识一恒压供水系统概述恒压供水是指在供水网中用水量发生变化时，出水口压力保持不变的供水方式。传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施实现的。随着变频调速技术的日益成熟，现多利用将PID调节器、单片机、PLC等内置器件有机结合的供水专用变频器构成控制系统，通过调节水泵电动机的运转速度来控制水泵的输出流量，以此来实现恒压供水，其原理如图6-1所示。1恒压供水系统的工作原理图6-1恒压供水系统的工作原理相关知识一恒压供水系统概述恒压供水是指在供水从图6-1中可以看出，恒压供水系统是一个闭环调节控制系统，通过安装在供水管网上的压力变送器（压力传感器），将管网中的水压转换为管网压力信号并传送至PID调节器作为反馈信号。PID调节器将反馈的压力信号和给定的压力信号进行PID运算处理后得出控制信号，并将其传送至变频器作为变频器的调速给定信号。如果变频器内置有PID调节功能，则可以将压力变送器的管网压力信号直接传送至变频器，由变频器对反馈信号和给定的压力信号进行PID运算处理，从而实现对其输出频率的控制。从图6-1中可以看出，恒压供水系统是一个闭环2恒压供水的控制对象及目标对供水系统进行控制，归根结底是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是供水系统的基本控制对象。但流量的测量比较复杂，考虑到在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力和用水流量之间的平衡情况有关，以安装压力表的位置作为分界点，把压力表之前的流量称为供水流量Qg，压力表之后的流量称为用水流量Qn，恒压供水示意图如图6-2所示。图6-2恒压供水示意图2恒压供水的控制对象及目标对供水系统进行控制设管网水压为P，则供水流量Qg、用水流量Qn与管网水压P之间的关系如下。当Qg=Qn时，P不变。当Qg

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Qn时，P下降。当Qg

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Qn时，P上升。设管网水压为P，则供水流量Qg、用水流量Qn根据以上3者之间的关系，恒压供水系统的运行可分为以下3种状态。①稳态运行。水泵装置的供水能力与用户用水需求处于平衡状态，供水压力P稳定而无变化，反馈信号与目标信号近乎相等，PID的调节量为0。此时变频器控制的电动机处在匀速运行状态。②用水流量增大。当用户的用水流量增大，超过了供水能力时，供水压力P有所下降，反馈信号减小，合成信号（目标值−反馈值）增大，PID将产生正的调节量，使变频器的输出频率和电动机的转速同步上升，从而使供水能力增大、压力恢复。根据以上3者之间的关系，恒压供水系统的运行可③用水流量减小。当用户的用水流量减小时，供水能力小于用水需求，则供水压力P上升，反馈信号增大，合成信号则减小，PID将产生负的调节量，使变频器的输出频率和电动机的转速同步下降，从而使供水能力下降，管网压力又开始恢复。当压力大小重新恢复到目标值时，供水能力与用水需求又达到新的平衡，系统又恢复到稳态运行状态。供水系统的供水能力与用水流量之间的关系可通过管网水压的变化来体现出来，因此，控制了供水压力也就相应控制了用水流量。恒压供水系统的控制目标就是通过保持系统总管道出水压力的恒定，来实现供水能力和用水流量之间的平衡。③用水流量减小。当用户的用水流量减小时，供3变频调速恒压供水的优点通过变频调速技术实现的恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体，可提高供水系统的稳定性和可靠性；同时，该系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要。变频调速恒压供水系统的应用，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。3变频调速恒压供水的优点通过变频调速技术实现相较于传统的供水方式，变频调速恒压供水主要具有以下优点。①变频调速供水的供水压力可调，可以实现全流量供水。②有的变频器集成了工频切换和多泵切换功能，这为变频调速供水提供了足够的技术基础和物质基础。③水泵属于二次方律负载，实施变频调速后，供水系统的节能效果十分明显。④供水系统采用变频调速后，还能彻底消除水锤效应，使水泵轴所承受的磨损和叶片所承受的应力明显减小，从而大大延长水泵和管道的使用寿命。相较于传统的供水方式，变频调速恒压供水主要具二恒压供水系统的构成恒压供水系统主要由水泵、变频器、PLC、压力变送器及若干辅助部件构成。水泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量时用；变频供水系统采用压力变送器（反馈4～20mA电流）来检测管路压力；变频器是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无级调速、无波动稳压的效果和各项具体功能。变频调速恒压供水系统各部件根据其在系统中功能的不同，可分为执行机构、信号检测装置、控制系统、通信接口及报警装置等部分。二恒压供水系统的构成恒压供水系统主要由水泵、1执行机构

执行机构是由水泵组成，用于将水供入用户管网。水泵是由变频调速器控制，可以进行变频调整，根据用水量的变化改变电动机的转速，以维持管网的水压恒定。1执行机构执行机构是由水泵组成，用于将水供2信号检测装置信号检测装置包括液位计、压力传感器及变送器等，在系统控制过程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号。反映的是用户管网的水压值，是恒压供水控制系统的主要反馈信号。水压信号反映的是系统是否正常运行、水泵电机是否过载、变频器是否有异常等情况，该信号为开关量信号。报警信号2信号检测装置信号检测装置包括液位计、压力传3控制系统恒压供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器（PLC系统）、变频器和电控设备3个部分。供水控制器是整个恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的工况、压力、报警信号进行采集，对来自人机接口和通信接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频器和接触器对执行机构（即水泵）进行控制。变频器对水泵进行转速控制的单元。变频器根据供水控制器送来的控制信号来控制水泵电动机的运行频率，实现对水泵电动机转速的控制。3控制系统恒压供水控制系统一般安装在供水控制电控设备由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成，用于在供水控制器的控制下完成手动/自动控制方式的切换。电控设备由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成，用4通信接口通信接口是恒压供水系统的重要组成部分。通过通信接口，恒压供水系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换，同时还可以将现代先进的网络技术应用到恒压供水系统中来。例如，通过电脑网络连接实现对恒压供水系统的远程诊断和维护等。5报警装置报警装置是恒压供水系统中必不可少的组成部分。恒压供水系统应能适用于不同的供水领域，为了保证系统安全、可靠、平稳地运行，防止因电动机过载、变频器跳闸、电网电压波动、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等情况造成事故损失，必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，以此进行显示和保护动作控制。4通信接口通信接口是恒压供水系统的重要组成部任务实施某社区供水系统由4台大泵（22kW）与一台小泵（5.5kW）组成。由于采用的是手动调节，导致管网中的水压时常波动，严重影响了人们的日常生活用水，现对其进行恒压供水系统改造，初步设定改造后的恒压供水系统原理图如图6-3所示，请据此设计该恒压供水系统控制方案。图6-3恒压供水系统改造示意图任务实施某社区供水系统由4台大泵（22kW一、控制方案设计思路该恒压供水系统控制方案中的PLC部分由西门子可编程控制器S7－200系列的CPU226、文本显示器TD200组成；变频器采用三菱FR－A540系列，功率为22kW。用户所需的生活用水压力、消防用水压力、运行方式等参数可在TD200文本显示器上设定，压力传感器把用户管网压力转换为0～10V标准信号送进PLC模拟量扩展模块EM235，PLC通过采样程序及PID闭环程序与用户设定压力构成闭环控制，在进行PID运算后将信号转换为PLC模拟量输出信号输入变频器，通过变频器调节水泵电机转速，以达到恒压供水的目的。一、控制方案设计思路该恒压供水系统控制方案中二、选择变频器

变频器的选择包括变频器控制方式的选择、容量的选择和变频器箱体结构的选择３个方面。变频器选择的基本原则是保证满足工艺流程的要求，并尽可能节省资金。1．变频器控制方式的选择变频器控制方式的选择要根据负载的要求进行。对于风机、泵类等二次方律负载，在低速时负载转矩较小，通常可选择U/f

控制式通用变频器。在变频器选型前应掌握传动系统的以下参数。①

电动机的极数。一般电动机极数以不多于4极为宜，否则变频器容量要适当加大。二、选择变频器变频器的选择包括变频器控制方式的②

转矩特性。在电动机同等功率情况下，相对于高过载转矩模式，风机、泵类等二次方律负载所用变频器的规格可以降额选取。③

电磁兼容性。为减少主电源对控制系统的干扰，在实际使用时可在中间或变频器输入电路中增加电抗器，或安装前置隔离变压器。一般当电动机与变频器距离超过50m时，应在它们中间串入电抗器、滤波器或采用屏蔽防护电缆。变频器的选型应满足以下条件。①

变频器的电压等级应与驱动电动机的额定电压相符。②

额定电流为所驱动电动机额定电流的～倍。③

变频器的控制方式应与被驱动设备的负载特性相匹配。②转矩特性。在电动机同等功率情况下，相对于2．变频器容量的选择变频器的容量可以从3个角度表述：额定电流、适用电动机功率和额定容量。其中后两项变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压等级的降低而降低，都很难确切地表达变频器的能力。在选择变频器时，只有变频器的额定电流是反映变频器负载能力的关键量。负载电流不得超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。而对于鼠笼式异步电动机，变频器的容量选择应以变频器的额定电流稍大于或等于电动机最大正常工作电流的倍为宜，以最大限度地节约资金。2．变频器容量的选择变频器的容量可以从3个角

在选用变频器时除了考虑技术性和可靠性外还应考虑经济性，一般不要留有太大功率裕量，变频器与电动机两者的功率应相匹配，这样不但经济性强，输出的波形也较好。在选用变频器时除了考虑技术性和可靠性外还应3．变频器箱体结构的选用变频器的箱体结构要与环境条件相适应，即必须考虑温度、湿度、粉尘、酸碱度、腐蚀性气体等因素，这些因素与变频器能否长期安全、可靠地运行有很大的关系。变频器箱体常见有以下几种结构类型可供选用。①

敞开型IP00。变频器本身无机箱，适合装在电控箱内或电气室内的屏、盘或台架上，尤其是当多台变频器集中使用时，选用这种型号的箱体较好，但环境条件要求较高。②

封闭型IP20。适用于一般用途，可用于有少量粉尘或温度、湿度变化不大的场合。③

密闭型IP65。适用于环境条件差，有水、尘及一定腐蚀气体的场合。3．变频器箱体结构的选用变频器的箱体结构要与该方案可选用三菱FR－A540系列变频器，该变频器采用先进磁通矢量控制方式，实现了在线自动调整功能，调速比为1∶120（0.5～60Hz）；可拆卸风扇和接线端子，维护方便；柔性PWM调制方式，运行时噪声更低；内置RS485通信接口，可插扩展卡，符合国际主要通信标准；内置PID等各种功能，适合各种应用场合。贴心服务窗该方案可选用三菱FR－A540系列变频器，该1．

PLC的选择该恒压供水方案可选用S7－200型PLC。S7－200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行业多种场合中的检测、监测及控制的自动化。三、其他硬件的选型1．PLC的选择该恒压供水方案可选用S7

S7－200型PLC的CPU单元有以下型号可供选择。①CPU221，具有6个输入点和4个输出点。②CPU222，具有8个输入点和6个输出点。③CPU224，具有14个输入点和10个输出点。④CPU224XP，具有14个输入点和10个输出点。⑤CPU226，具有24个输入点和16个输出点。PLC供电电源为集成的24V负载电源，可直接连接到传感器和变送器（执行器），也可用作负载电源。S7－200型PLC的CPU单元有以下型号可供在该恒压供水方案中，根据系统外接端口的需要，PLC的CPU单元选择CPU226型，扩展模块选择EM235型，其接线图分别如图6-4和图6-5所示，PLC的I/O分配表如表6-1所示。图6-4CPU226接线图在该恒压供水方案中，根据系统外接端口的需要，图6-4CPU226接线图图6-4CPU226接线图表6-1本设计中PLCI/O分配表地址编码名称地址编码名称10.0自动启动12.1变频器运行信号10.1自动停止12.2故障信号10.2复位12.3频率信号10.3自动/手动Q0.0水泵运行10.4电磁阀打开Q0.1电磁阀打开10.5电磁阀关闭Q0.2电磁阀关闭10.6手动启动Q0.4液位低故障报警10.7手动停止Q0.5液位高故障报警11.0电磁阀开到位Q0.6变频器故障报警11.1电磁阀关到位Q0.7压力低故障报警11.2液位低信号Q1.0压力高故障报警11.3液位高信号Q1.1变频器启动11.5回路接触器KM1Q1.2工频/变频切换11.6回路接触器KM2表6-1本设计中PLCI/O分配表地址编码名称地址编码S7－200有3种模拟量扩展模块，即EM231、EM232、EM235，其中EM235模块有4个模拟输入（AIW）和1个模拟输出（AQW）信号通道，是集强功率精密线性电流互感器、意法半导体（ST）单片集成变送器ASIC芯片于一体的新一代交流电流隔离变送器模块，它可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的DC4～20mA恒流环标准信号，并将其连续输送到接收装置（计算机或显示仪表）。选择EM235模拟量扩展模块可方便地将水位信号、电机频率信号和同相比较信号传输给PLC，经PLC的比较计算后转换为相应的控制信号。输入/输出信号接入端口时能够自动完成A/D的转换，标准输入信号能够转换成一个字长（16bit）的数字信号；输出信号接出端口时能够自动完成D/A的转换，一个字长（16bit）的数字信号能够转换成标准输出信号。EM235模块可适配不同标准的输入信号，可通过DIP开关进行设置。贴心服务窗S7－200有3种模拟量扩展模块，即EM2该方案中PLC的选型包括一个CPU226主模块，一个EM235模拟量扩展模块。如此PLC总共有24个数字信号输入、16个数字信号输出，以及4个模拟信号输入、1个模拟信号输出。输入和输出均有余量，可以满足日后系统扩充的要求。贴心服务窗该方案中PLC的选型包括一个CPU226主模2．调节阀

调节阀是用来调节水流量的，有电动、液动、气动3种类型。该方案可选用电动调节阀。电动调节阀通过接收工业自动化控制系统的信号（如4～20mA电流信号），来驱动阀门改变阀芯和阀座之间的截面积大小，以此来控制管道介质的流量，实现自动化调节功能。调节阀适配的工作电源有AC220V、380V等电压等级。流通能力是选择调节阀的主要参数之一。使调节阀全开，保持阀两端的压力差为0.1MPa，在流体密度为1g/cm3时，每小时流经调节阀的流量数，即称为调节阀的流通能力，也称流量系数，用Cv表示，单位为t/h。2．调节阀调节阀是用来调节水流量的，有电动、调节阀的流量特性是指在阀两端压差保持恒定的条件下，介质流经调节阀的相对流量与它的开度之间的关系，有等百分比特性、线性特性及抛物线特性3种。该方案中调节阀可采用等百分比特性，通过用户对水的需求量来控制电动调节阀打开的程度，打开的百分比越大，自来水的流量就越多。调节阀的流量特性是指在阀两端压差保持恒定的条件视野拓展调节阀的3种流量特性如下。①

等百分比特性，也称对数特性，其相对行程和相对流量不成直线关系。在行程的每一点上单位行程变化所引起的流量变化与此点的流量成正比，而流量变化的百分比是相等的。等百分比特性的优点是当流量小时，流量变化小；当流量大时，流量变化大。也就是在不同开度上，等百分比特性具有相同的调节精度。②

线性特性，其相对行程和相对流量成直线关系。单位行程的变化所引起的流量变化是不变的。线性特性的特点是当流量大时，流量变化的相对值变化小；当流量小时，流量变化的相对值变化大。视野拓展调节阀的3种流量特性如下。③

抛物线特性，其流量按行程的二次方成比例变化，大体具有线性特性和等百分比特性的中间特性。从上述3种特性的分析中可以看出，就其调节性能上讲，以等百分比特性最优，其调节稳定、调节性能好；而抛物线特性又比线性特性的调节性能好。具体可根据使用场合的不同要求，挑选不同流量特性的调节阀。③抛物线特性，其流量按行程的二次方成比例变3．液位计

液位计用于测量地下蓄水池液位，为了保证测量信号准确，使系统安全、可靠地运行，该方案可同时采用投入式和浮球式两种液位计。①投入式液位计，是一种测量液位的压力传感器，是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为4～20mA/DC0～5V）。②浮球式液位计，利用浮力来测量液位。连杆内的电阻与磁簧开关组成分压电路，浮球内的磁铁随液位变化来改变电路中的分压信号，并经过转换器变成4～20mA或其他标准信号。磁簧开关的间隙愈小，精度愈高。浮球式液位计可配合其他表头作远距离指示用，是一种原理简单、可靠性极佳的液位指示计。3．液位计液位计用于测量地下蓄水池液位，为4．电机水泵水泵和电动机是供水系统的重要组成部分，水泵规格选择的恰当与否和动力费用有很大的关系，应加以重视。水泵的规格应根据逐时、逐日、逐季的用水量变化，系统要求的水压，机组的效率和功率等因素来确定。在选择水泵时，首先要满足供水系统的以下要求。①

水泵的扬程应大于实际供水高度。②

水泵的流量总和应大于实际最大供水量。③

水泵的能力足以供应最高用水量时的用水需求，扬程应在该泵特性曲线的高效工作区内，以减少耗电量。④

水泵的型号应使泵站建筑面积和泵站的基础埋深为最小，以降低泵站造价。⑤

水泵的构造应使泵站内管线尽可能的简单，以减少水头损失。⑥

所选水泵应方便安装与管理。4．电机水泵水泵和电动机是供水系统的重要组成提示安装卧式离心泵的泵站，其平面尺寸较大而高度较低；立式轴流泵的泵站，情况正好相反，泵站的高度较大而平面尺寸较小。因此在深埋式的地下泵站可优先考虑立式泵，半地下式和地面式泵站可用卧式泵。提示安装卧式离心泵的泵站，其平面尺寸较大而高5．电磁阀

电磁阀的作用是控制水的回流。电磁阀在通电时将开启阀门，而在断电时则关闭阀门。在系统正常工作时电磁阀通常都是关闭的，只有在电机停转时电磁阀才会打开。6．逆止阀

逆止阀的作用是防止水在管道中倒流。水泵的出口应安装逆止阀，以防止水泵停转时管路中的水出现倒流。5．电磁阀电磁阀的作用是控制水的回流。电磁7．远传压力装置远传压力装置包括压力传感器和压力变送器两部分，主要用于将水管中的压力信号变成1～5V或4～20mA的模拟量信号，以作为模拟输入模块（A/D模块）的输入信号。在选择时，为了防止传输过程中的干扰与损耗，该方案应采用输出4～20mA模拟量信号的压力变送器。在运行过程中，为了防止压力传感器和压力变送器出现故障而使水管中的水压上升，出现爆管和超高水压损坏用户家中用水设备（热水器、抽水马桶等）的现象，控制系统可将电极点压力表的压力上限输出作为PLC的一个数字量输入，当压力超出上限时，系统将关闭所有水泵并进行报警输出。7．远传压力装置远传压力装置包括压力传感器和8．其他元件的选择①热继电器FR的选择。作为电动机的过载保护元件，热继电器可选用规格型号为TK－E02T－C、额定电流5～8A的富士继电器。②熔断器FU的选择。在控制回路中可选用RT18系列熔断器。③接触器KM的选择。可选用规格为SC－E03－C的接触器，其功率为3kW。④按钮SB的选择。PLC各输入点回路的额定电压为DC24V，各输入点回路的额定电流均小于40mA，按钮均只需具有1对常开触点，因此按钮均可选用LAY3－11型，其主要技术参数为：UN=24V(DC)

，IN=0.3A

，含1对常开触点和1对常闭触点。8．其他元件的选择①热继电器FR的选择。作将该方案所选择的元件型号和数量填入表6-2所示的元件表中，并将所选水泵和变频器的相关参数分别填入表6-3和表6-4中。四、元件参数表表6-2元件表总图元件型号个数可编程控制器变频器接触器水泵调节阀投入式液位计浮球式液位计电磁阀逆止阀刀闸开关熔断器热继电器按钮将该方案所选择的元件型号和数量填入表6-2所表6-3水泵参数水泵参数符号型号流量（m3/h）扬程（m）转速（r/min）电机功率（kw）M表6-4变频器参数变频器型号适用电机

容量（kW）输出额定

容量（KVA）输出额定

电流（A）过载能车电源额定输入

交流电压/频率冷却方式表6-3水泵参数水泵参数符号型号流量（m3/h）扬程（根据恒压供水系统的控制原理及所选PLC和变频器的外部端子分配情况绘制系统的控制电路连接图，应明确体现配电电路、主电路、PLC与变频器连接电路的具体电路连接。五、控制电路连接图设定范围：～倍。增益取得大时，响应较快，但过大将产生振荡；增益取得小时，响应滞后。此处取。六、PID调试与编程1．

PID参数设置1）

比例增益根据恒压供水系统的控制原理及所选PLC和变频定范围：～3600s，表示积分作用不动作。积分时间大时，响应滞后，另外，对外部扰动的控制能力也将变差；积分时间小时，响应速度较快，但过小将产生振荡。此处取1800s。2）积分时间定范围：～3600s，表示积分作用不动作设定范围：～10.0s，表示微分作用不动作。操作量（输出频率）和偏差的微分值成比例动作（即D调节）。微分时间大时，能使发生偏差时P调节引起的振荡很快衰减。微分时间小时，发生偏差时的衰减作用小。此处应关闭微分作用。3）微分时间设定范围：～10.0s，表示微分作用不动作

PID设定值可以在用示波器监视响应波形的同时进行调整，具体可作如下总体调整。①

在不发生振荡条件下增大比例增益。②

在不发生主振荡条件下减小积分时间。③

在不发生振荡条件下增大微分时间。④

通过增大积分时间减小微分时间来抑制超调，调整前后的波形对比如图6-6所示。⑤

如果允许有小量超调的话，可通过减小积分时间、增大微分时间来加快响应速度，调整前后的波形对比如图6-7所示。2．

PID设定值的调整图6-6抑制超调调整前后的波形对比

图6-7加快反应速度调整前后的波形对比PID设定值可以在用示波器监视响应波形的同时⑥

通过增大积分时间来抑制比积分时间长的周期振荡，调整前后的波形对比如图6-8所示。⑦

通过减小微分时间来抑制大约和微分时间同样长周期的振荡，调整前后的波形对比如图6-9所示。图6-8抑制周期振荡积分调整前后的波形对比

图6-9抑制周期振荡微分调整前后的波形对比请根据该方案的具体情况选择合适的调试方法对PID设定值进行调试。⑥通过增大积分时间来抑制比积分时间长的周期根据PLC的输入/输出端子分配情况及供水系统的具体要求来设计PLC控制程序，应包括PLC控制主程序、初始化程序、自动控制程序及手动控制程序。程序设计完成后，利用PLC程序编辑器写入程序并进行调试。3．编程根据PLC的输入/输出端子分配情况及供水系统任务总结在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器控制电源的频率f来改变电动机的转速n，从而改变水泵性能曲线得以实现的。任务实施中的变频调速恒压供水系统由PLC、变频器、水泵电机、远传压力表以及接触器控制柜等构成。系统采用变频器来控制电动机的启动、运行与调速，而用PLC控制水泵的手动装置；利用远传压力装置采集管网压力信号，把此信号反馈到变频器的模拟输入端，通过数字PID运算使变频器输出适当的频率，以此来调节电动机的转速，进而控制水泵电动机的变频调速运行及工频和变频运行方式之间的切换。任务总结在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工④要根据使用环境条件、电网电压等仔细考虑变频器的选型。⑤根据变频器使用场所的不同，须对变频器的防护等级做出不同的要求。为防止鼠、虫及其他异物的进入，应对变频器进行相应等级的防护，常见的IP10、IP20、IP30、IP40防护等级分别能防止φ50mm、φ12mm、φ2.5mm、φ1mm固体物的进入。⑥在矢量控制方式下，一台变频器智能驱动一台电动机。④要根据使用环境条件、电网电压等仔细考虑变56

任务二掌握风机的变频调速56任务二掌握风机的变频调速任务导入在工矿企业中，风机设备应用广泛，诸如锅炉燃烧系统、通风系统和烘干系统等。传统的风机控制是全速运转，即不论生产工艺的需求大小，风机都提供出固定数值的风量。而生产工艺往往需要对炉膛压力、风速、风量及温度等指标进行控制和调节，最常用的方法则是通过调节风门或挡板开度的大小来调整受控对象，这就使得能量以风门、挡板的节流损失的形式消耗掉了。据统计资料显示，在工业生产中，风机的风门、挡板等相关设备的节流损失以及维护、维修费用占到生产成本的7%～25%，这不仅造成大量的能源浪费和设备损耗，而且控制精度也受到限制，直接影响到产品质量和生产效率。由于风机属于二次方律负载，消耗的电功率与风机转速的3次方成比例，由此，当风机所需风量减小时，可以使用变频器降低风机转速的方法来替代风门、挡板控制方案，前者所消耗的功率要小得多，从而降低电动机功率损耗，达到节能的目的。任务导入在工矿企业中，风机设备应用广泛，诸如相关知识一般情况下，风机采用正转控制，所以线路比较简单，但考虑到变频器一旦发生故障时，风机应仍能继续工作，那么系统应具有将风机由变频运行自动切换为工频运行的控制功能。应用变频器的风机控制电路如图6-10所示。一风机应用变频器的控制原理（a）主电路

（b）控制电路图6-10应用变频器的风机控制电路相关知识一般情况下，风机采用正转控制，所以线三相工频电源通过空气断路器QF接入，接触器KM1用于将电源接至变频器的输入端R、S、T；接触器KM2用于将变频器的输出端U、V、W接至电动机；接触器KM3用于将工频电源直接接至电动机。热继电器FR用于工频运行时的过载保护。1主电路注意接触器KM2和KM3绝对不允许同时接通，否则会造成损坏变频器的后果，因此，接触器KM2和KM3之间必须有可靠的互锁。三相工频电源通过空气断路器QF接入，接触器K

为便于对风机进行“变频运行”和“工频运行”的切换，控制电路采用三工位开关SA进行控制。控制过程如下。当SA合至“工频运行”位置时，按下启动按钮SB2，中间继电器KA'‘1动作，控制其触点开关KA1闭合并自锁，进而使接触器KM‘3动作，电动机进入工频运行状态。按下停止按钮SB1，中间继电器KA1和接触器KM‘3均断电，电动机停止运行。当SA合至“变频运行”位置时，按下启动按钮SB2，中间继电器KA'‘1动作，控制其触点开关KA1闭合并自锁，进而使接触器KM‘2动作，控制其触点开关KM'‘2闭合，将电动机接至变频器输出端的同时，使接触器KM‘1也动作，将工频电源接至变频器的输入端，并允许电动机启动；同时使连接到接触器KM‘3线圈控制电路中的接触器KM‘2的常闭触点KM2断开，确保接触器KM‘3不能接通。2控制电路为便于对风机进行“变频运行”和“工频运行”按下按钮SB4，中间继电器KA'‘2动作，控制其触点开关KA2闭合，电动机开始加速，进入“变频运行”状态；KA2闭合后，停止按钮SB1失去作用，以防止直接通过切断变频器电源使电动机停机。在变频运行中，如果变频器因故障而跳闸，则变频器的“B－C”保护触点断开，接触器KM‘1和KM‘2线圈均断电，其主触点切断了变频器与电源之间，以及变频器与电动机之间的连接；变频器的“B－C”保护触点断开的同时，“A－B”触点闭合，接通报警扬声器HA和报警灯HL进行声光报警。同时，时间继电器KT'得电，其触点KT延时一段时间后闭合，使KM‘3动作，电动机进入工频运行状态。操作人员发现报警后，应及时将选择开关SA旋至“工频运行”位，这时声光报警停止，并使时间继电器断电，其触点KT断开，电动机保持工频运行状态。按下按钮SB4，中间继电器KA'‘2动作，控二主要电器的选择1变频器的选择1）变频器容量的选择变频器的容量一般根据用户电动机的功率来计算，计算方法如下。ICN

IMN式中，

ICN

——变频器输出的额定电流（A）；

IMN

——电动机的额定电流（A）。由于风机、水泵在某一转速运行时，其阻转矩一般不会发生变化，只要转速不超过额定值，电动机就不会过载。因此，变频器的额定电流只要选择公式计算得出的最小值即可。二主要电器的选择1变频器的选择1）变频器容量的选择2）变频器类型的选择风机、水泵属于二次方律负载，在低速时，阻转矩很小，不存在低频时能否带动的问题，故采用U/f

控制方式的变频器已经足够。并且从节能的角度，可选最低的

U/f曲线。多数生产厂都生产了比较低廉的专用于风机、水泵的变频器，均可以选用。2）变频器类型的选择风机、水泵属于二次方律负

空气断路器QF应满足以下条件。IQFN=(1.3~1.4)IN式中，IQFN

——空气断路器起跳电流（A）；

IN

——风机额定电流（A）。2空气断路器的选择

接触器KM（KM1、KM2、KM3）应满足以下条件。IKN

⩾IN式中，IKN——接触器额定电流（A）；

IN——风机额定电流（A）。3接触器的选择空气断路器QF应满足以下条件。2空气断路器的任务实施某工厂有5台作业设备共用一台主电动机即11kW的吸尘风机，用来吸取电锯工作时产生的锯屑。不同设备对风量的需求区别不是很大，但设备运转时电锯并非一直工作，而是根据不同的工序投入运行。任务实施某工厂有5台作业设备共用一台主电动机之前，该厂就对此风机实现了变频器控制，当时是用电位器调节风量，如果哪一台设备的电锯要工作时就按一下按钮，打开相应的风口，然后根据吸尘效果调节电位器以得到适当的风量。但由于工人在操作过程中时常会忘记打开或者忘记关闭风口的阀门，这就造成风机工作情况不尽如人意，经常使得车间灰尘太大、工作环境恶劣。最后，该厂干脆把变频器的输出调到50Hz，而不再进行节能调节，变频器只成了一个启动器，造成了资源的浪费。现该厂希望通过利用PLC控制各风口阀门及变频器的多段速运行来实现风机与设备的自动化联动控制，并达到一定的节能效果，请根据以下思路设计控制方案，并验证分析方案的可行性。之前，该厂就对此风机实现了变频器控制，当时是一、设计思路根据上述要求，该方案可选用PLC来接收各台设备中电锯工作的信息，并对投入工作的电锯台数进行确定，根据确定数值选择相应的输出点动作，以此来控制变频器的多段速运行，从而不用人为的干预，自动根据投入电锯的台数进行风量控制。根据工厂作业工序，将各设备运行的时间次序作为参数写入PLC，并以此来控制风机相应风口阀门的开启与关闭，实现对风口阀门的自动化控制。一、设计思路根据上述要求，该方案可选用PLC二、方案实施在电锯工作时，通过控制接触器的一对辅助常开触点来控制一个中间继电器。此处应选用最少有两对常开触点的中间继电器，用其中的一对接入PLC的一个输入点，另一对控制一个气阀，气阀再带动气缸，用气缸启闭设备上的风口。这样就实现了PLC对投入电锯信号的接收，也实现了风口的自动启闭。1．电锯投入运行信号的采集二、方案实施在电锯工作时，通过控制接触器的一该方案可选用三菱变频器FR－A540系列机型。根据多段速控制的需要和风机运行的特点设定变频器的参数，变频器应设定为5段速运行方式。2．变频器的参数设置和接线1）设定变频器的参数该方案可选用三菱变频器FR－A540系列机型

FR－A540系列变频器进行多段速控制的端子为RL、RM、RH，通过这3个端子的组合最多可以实现7段速度运行，因此可进行5段速度控制时的端子组合。2）确定多段速控制时端子的组合根据所选PLC的地址分配情况画出PLC与变频器的连线图，并根据接线图将各端子进行连接。3）

PLC输出端与变频器控制端子接线3．PLC程序的编写根据PLC的地址分配情况及控制思路中的要求，编写PLC的控制程序。FR－A540系列变频器进行多段速控制的端子三、系统运行调试通电后启动变频器，送入设备运行信号，观察变频器多段速运行情况及风口气阀开关情况，记录运行结果并核查设备与变频器的联动情况是否符合生产要求。四、节能效果分析分别检测在变频器各段速运行时风机的工作电流，根据工序设计中各设备的运行情况计算变频器各段速运行的时间，计算出每天风机实际消耗的电能以及改造前风机每天消耗的电能。按每年工作250天，计算出采用变频调速控制下的风机相对于改造前所节省的电能，对节能效果做出评估。三、系统运行调试通电后启动变频器，送入设备运任务总结由于风机属于二次方律负载，当风机所需风量减小时，可以使用变频器降低风机转速的方法取代风门、挡板控制方案，从而降低电动机功率损耗，达到节能的目的。任务总结由于风机属于二次方律负载，当风机所需73

任务三认识变频器在龙门刨床自动化改造中的应用73任务三认识变频器在龙门刨床自动化改造中的应用任务导入金属切削机床的种类很多，主要有车床、铣床、磨床、钻床、刨床、镗床等。金属切削机床的基本运动是切削运动，即工件与刀具之间的相对运动。切削运动由主运动、进给运动和辅助运动组成。在切削运动中，承受主要切削功率的运动称为主运动。在车床、磨床和刨床等机床中，主运动是指工件的运动，主运动的拖动系统通常采用电磁离合器配合齿轮箱进行调速，此调速系统存在体积大、结构复杂、噪声大、电磁离合器损坏率较高、调速性能差等缺点；而在铣床、镗床和钻床等机床中，主运动则是刀具的运动，主运动的拖动系统为直流电动机，设备造价高、效率低。因此，如果采用变频器对机床进行调速控制，可以克服上述不足，提高机床的综合性能。任务导入金属切削机床的种类很多，主要有车床、相关知识龙门刨床多用于加工大工件平面（尤其是狭长工件的平面），也用来加工沟槽或同时加工数个中小零件的平面，主要由床身、工作台、立柱、横梁、左/右侧及垂直刀架组成，其横梁和立柱组成龙门式框架结构，所以称为龙门刨床，其结构如图6-11所示。一龙门刨床的构造与工作特点1龙门刨床的基本结构1－右侧刀架；2－横梁；3－右立柱；4－顶梁；5－垂直右刀架；6－垂直左刀架；7－左立柱；8－左侧刀架；9－工作台；10－机座图6-11龙门刨床示意图相关知识龙门刨床多用于加工大工件平面（尤其是2龙门刨床的机械运动龙门刨床的床身是一个箱形体，其上有V形和U形导轨。工作台也称刨台，下面由齿条与传动机构齿轮相啮合，可作往复运动。工作台带着工件频繁地通过龙门框架而作的直线往复运动则称为龙门刨床的主运动。以国产A系列龙门刨床为例，其工作台往复运动周期示意图如图6-12所示。图6-12工作台往复运动周期示意图2龙门刨床的机械运动龙门刨床的床身是一个箱形

龙门刨床的所有刀架都可在水平和垂直方向进行平动。横梁在平常加工时严禁动作，只在更换工件时才移动，以调整刀架的高度；垂直刀架可沿横梁导轨在水平方向快速移动或沿滑板导轨在垂直方向作工作进给运动；左/右侧刀架及进给箱可沿立柱导轨上下快速移动或作自动进给运动。龙门刨床的所有刀架都可在水平和垂直方向进行

龙门刨床在工作时，工件的切削加工仅在的工作进程内进行，而返回进程时只作空运转，工作台在返回进程时刀架可机动抬刀，以免滑伤工作表面。刀架的进给运动是在工作台于返回行程到工作行程的换向期间进行的，期间还会进行抬刀、落刀和快速移动，横梁的夹紧、放松和升降，以及工作台的步进、步退等辅助运动。龙门刨床在工作时，工件的切削加工仅在的工作3龙门刨床的工作特点龙门刨床由直流电机带动，并可进行无级调速，运动平稳，既能快速启动和制动，又要保证机械冲击不能太大，以免对机械部件造成损害；能实现快速提速、降速和平稳地调节速度，换向时要尽可能地减小对齿轮的冲击；能实现慢速切入、稳速加工、快速换向、点动调节等各种加工工艺要求。机床工作台具有恒功率负载相关特性，其驱动可采用发电机－电动机组方式或可控硅直流调速方式，应具有较大的调速范围，且要保证电动机在低速时也能获得较大的驱动力。3龙门刨床的工作特点龙门刨床由直流电机带动，在龙门刨床传统的控制方式中，拖动电路的电动机数量较多，电路及控制方式较为复杂，维护、检修比较困难。随着工业自动化的发展，变频器、PLC在龙门刨床的自动化控制中得到了广泛应用。龙门刨床在对原有的控制方式进行自动化改造后，主拖动系统只需要一台异步电动机，结构更加简单；且由于采用了变频调速控制，从而减小了静差，爬行距离更易控制，节能效果非常可观。二龙门刨床的自动化改造在龙门刨床传统的控制方式中，拖动电路的电动机1龙门刨床的控制要求在龙门刨床的自动化改造中，变频调速的主要控制对象是工作台，控制目标是工作台自动地周期性往复运动，在进行自动化改造时应注意以下几点。①工作台的往复运动必须能够满足刨床的转速变化和控制要求。②刨床的刨削速度和高速返回时的速度必须可以十分方便地调节。③工作台必须具有电动功能，为刨床提供步进和步退操作控制，以方便进行切削前的调整。④工作台的往复运动与横梁的移动、刀架的运动之间，以及工作台电动机与油泵电动机之间必须有可靠的联锁控制。1龙门刨床的控制要求在龙门刨床的自动化改造中2龙门刨床变频调速控制系统的工作原理如图6-13所示为龙门刨床变频调速控制系统原理图，图中，空气断路器Q1为系统电源总开关，SB1为启动按钮，SB2为停止按钮。图6-13龙门刨床变频调速控制系统原理图2龙门刨床变频调速控制系统的工作原理如图6-当Q1闭合时，按下SB1，接触器KM将得电闭合，使变频器通电；按下SB2，接触器KM将失电断开，使变频器断电。变频器的通、断电状态由指示灯HL1来显示。电位器RP1用来调节刨床的切削速度，RP2用来调节工作台的返回速度，通过点动按钮SF1和SR1控制变频器的点动运行，以此来控制工作台的步进和步退运动及运动的速度。SF2和SR2为工作台往复运动的启动按钮，应根据工作台所在的初始位置来选择具体的启动方式。当Q1闭合时，按下SB1，接触器KM将得电闭

当变频器发生故障时，异常输出触点KF闭合，PLC将控制工作台在当次往复周期运动结束之后停止继续运动，同时报警指示灯HL2点亮。ST2为正常运行情况下的停机按钮，按下ST2时工作台将在当次往复周期运动结束之后切断变频器的电源。ST1为紧急情况下工作台停止运动按钮。当变频器发生故障时，异常输出触点KF闭合，任务实施一、设计的主要内容根据B2010A型3m龙门刨床的工艺对控制系统的相关要求，现对其电气控制系统进行整体化改造方案设计。系统主拖动采用调速范围宽、节能效果显著的变频器控制，并采用PLC取代传统继电器控制方式，实现开关量逻辑控制和变频电动机的转速控制，充分发挥PLC可靠性高、功耗低、维修方便等优势，以达到投资小、改造周期短、降低能量损耗、提高生产效率等目的。任务实施一、设计的主要内容根据B2010A型二、设计思路PLC作为系统的主控制器，是整个系统的核心部件，通过输入端接收来自按钮操作站和转换开关的操作信号及其他设备的状态信息，并将这些信号经PLC内部的程序运算。根据运算结果，PLC通过输出端控制直流调速器完成主拖动，同时控制各交流电动机的接触器完成辅助拖动。整个系统是一个多输入、多输出的自动控制系统，而且输入、输出大多为开关量，但由于系统的主要被控量只有一个，即工作台的速度，这就使得以主拖动系统局部优化来实现整个系统的优化成为可能。采用PLC控制可使各电机的运行，各刀架的移动、抬刀，横梁夹紧等主传动电磁制动器的动作实现程序化控制；同时，与直流调速器配合使用，可使工作台实现自动减速、换向、多步速度变化及往复运行等功能，从而大大简化了操作步骤。二、设计思路PLC作为系统的主控制器，是整个三、硬件设计龙门刨床PLC控制系统原理框图如图6-14所示。1．系统原理框图图6-14龙门刨床PLC控制系统原理框图三、硬件设计龙门刨床PLC控制系统原理框图如龙门刨床电气化控制主要涉及主拖动，油泵、风机的运行，横梁的升降、夹紧，垂直刀架及左、右侧刀架的运动等。油泵和风机只有在主拖动电动机启动运行时才可启动，其余电机在正、反向运行之间形成电气互锁，主电路设计如图6-15所示。2．主电路图图6-15电力拖动系统主回路设计龙门刨床电气化控制主要涉及主拖动，油泵、风机3．器件的选择目前，国内外众多生产厂家提供了多种系列功能各异的PLC产品，但不管选择哪种系列的PLC，要以满足系统功能需要为宗旨，不可以盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源的浪费。PLC型号的选择应从以下两个方面考虑。①对输入/输出点的选择。盲目选择点数多的PLC机型会造成一定的浪费，应先弄清控制系统的输入/输出点数，再按实际所需点数的15%～20%留以备用，为系统的改造留有余地，且应保证在系统运行时同时接通的输入点不得超过总输入点的60%。1）

PLC的选型3．器件的选择目前，国内外众多生产厂家提供了②对存储容量的选择。一般按估算容量的50%～100%留有裕量，对缺乏经验的设计者在选择容量时留有裕量应稍大一些。该方案可选择基本单元型号为FX2N－80MR－001的PLC。FX2N系列是FX系列中功能最强、速度最高的微型PLC，其输入/输出端接线图如图6-16所示。图6-16PLC输入输出外部接线图②对存储容量的选择。一般按估算容量的50%2）主拖动电机的选型

B2010A型龙门刨床原直流调速系统的直流电机型号是ZBD－93－BL，功率为60kW，额定转速为1000r/min，额定转矩为N·m式中，P——功率（kW）；

T——转矩（N·m）；

n——转速（r/min）。通过计算比较，与直流电动机参数比较接近的交流电动机为55kW的6极电动机，其额定转矩为525.53N·m。由于变频器的低速调速性能不是很好，为了提高实际使用的变频器最低频率，可选用55kW的8极变频电动机，其额定转矩为700.7N·m。为了解决低速时电动机的散热问题，电动机上还应安装配备一个风机，在电动机工作时风机也应处于运转状态。2）主拖动电机的选型B2010A型龙门刨床原3）变频器的选型在选择变频器时应注意以下几点。①应根据系统工作特点来选择恒电压或恒电流输出的变频器。②所选变频器应与负载的额定电压、额定电流及运行转矩相匹配。③所选用变频器的容量应稍大于普通电机所选用变频器的容量。3）变频器的选型在选择变频器时应注意以下几点4）其他器件的选型

①热继电器。根据电动机的额定电流来确定热继电器型号，该方案可选JR16－20/3D型热继电器。②接触器。