机床电气控制技术(1).ppt

情境七PLC控制恒压供水设计,任务介绍,1、了解恒压供水系统总体的结构框架。2、设计供水系统系统。,任务描述,（1）掌握PLC与变频器的连接及使用方法（2）掌握利用PLC和变频器恒压供水的设计使用。,分发任务书布置工作任务1、小组成员共同查阅资料，学习讨论恒压供水的概念、系统组成、工作原理2、小组制定软硬件系统总体的结构框架3、每名成员安装调试恒压供水系统4、根据每人完成的情况小组互评5、任务评估填写项目考核记录单,,7.1恒压供水系统构成,7.1.1恒压供水系统的构成及各部分的作用,恒压供水泵站一般需设多台水泵及电动机，这比设单台水泵及电动机节能可靠，恒压供水的主要目标是保持管网水压恒定，水泵电动机的转速要跟随用水量而变化，这就要用变频器为水泵电动机供电。方案是数台电动机配一台变频器，变频器与电动机间可以切换，供水运行时，一台水泵变频运行，其余水泵工频运行，以满足不同用水量的需求。,知识链接,任务描述,1、了解人机界面、触摸屏和组态软件等概念2、认识触摸屏TPC7062K3、了解MCGS嵌入版组态软件系统的主要功能和组成4、嵌入版系统的体系结构5、TPC7062K与三菱PLC的接线6、MCGS嵌入版组态软件安装与工程下载7、MCGS嵌入版与三菱FX系列PLC连接的组态过程,,图71变频恒压供水系统的基本构成,,图中压力传感器用于检测管网中的水压，装设在泵站的出水口。用水量大时，水压降低;用水量小时，水压升高。水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给调节器。调节器是一种电子装置，在系统中完成以下功能,1、设定水管压力的给定值。恒压供水水压的高低依需要设定。供水距离越远，用水地点越高，系统所需供水压力越大。给定值即是系统正常工作时的恒压值。,,2、接收传感器送来的管网水压的实测值管网实测水压回送到泵站控制装置称为反馈，调节器是反馈的接收点。,3、根据给定值与实测值的综合，依一定的调节规律发出系统调节信号调节器接收水压的实测反馈信号后，将它与给定值比较，得到给定值与实测值之差。如给定值大于实测值，说明系统水压低于理想水压，要加大水泵电动机的转速;如水压高于理想水压，要降低水泵电动机的转速。这些都由调节器的输出信号控制。传统调节器的调节规律多是PID调节器。调节器的调节参数可由使用者设定，PID调节过程视调节器内部构成有数字式,,及模拟量调节两类，以微计算机为核心的调节器多为数字式调节。调节器的输出信号一般是模拟信号,4～20mA变化的电流信号或0～l0V间变化的电压信号。信号的量值与前边提到的差值成比例，用于驱动执行设备工作。在变频恒压供水系统中，执行设备就是变频器。,,7.2变频器及其控制,7.2.1变频器的结构及工作原理微型计算机是变额器的核心，电力电子器件构成了变频器的主电路。从发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的，在我国是50周／秒。而交流电动机的同步转速为N160f1/P式中N1为同步转速，r／min；f1为定子频率；P为电动机的磁极对数。异步电动机转速NN11-Ss为异步电动机转差率，sN1-N／N1，小于3％。,,图72交-直-交变频器的基本结构,,1.变频器的基本结构变频器分为交～交和交～直～交两种形式。交～交变频器可将工频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电，称为直接式变频器。而交～直～交变频器则是先把工频交流电通过整流变成直流电，然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电，又称间接式变频器。市售通用变频器多是交～直～交变频器，其基本结构图如图7-2所示，由主回路，包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制回路组成，现将各部分的功能分述如下1整流器。电网侧的变流器是整流器，它的作用是把三相也可以是单相交流整流成直流。,,2直流中间电路。其作用是对整流电路的输出进行平滑处理，以保证逆变电路及控制电源得到质量较高直流电源。3逆变器。负载侧的变流器为逆变器。其作用是在控制电路的控制下将输出电路的直流电源转换电为频率压可调交流电源。逆变电路输出就是变频器输出。,,（4）控制电路.包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路及保护电路，完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制及完成各种保护功能。三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成，直流中间电路的储能元件在整流电路是电压源时为大容量的电解电容，电流源时是大容量电感。为了电动机制动的需要，中间电路中有时还包括制动电阻及辅助电路。逆变电路最常见的结构形式是利用6个半导体主开关器件组成的三桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中主开关的通与断．可得到任意频率的三相交流输出。图73为电压型变频器和电流型变频器主电路结构示意图。,,图73电压型变频器和电流型变频器主电路基本结构a电压型变频器主电路b电流型变频器主电路,,2变频器的分类及工作原理通用变频器按工作方式分类1u／f控制。即电压与频率成比例变化控制。U/f控制忽略了电动机漏阻抗的作用，在低频段工作特性不理想。因而实际变频器中常采用E／f控制。采用u/f控制方式的变频器常被称为普通功能变频器。2转差频率控制。转差频率控制是在E／f控制基础上增加转差控制。以电动机的实际运行速度加上该速度下电动机的转差频率确定变频器输出频率的控制方式。在E／f常数条件下，通过对转差频率的控制，实现对电动机转矩的控制。采用转差频率控制的变频器属多功能型变频器。,,3矢量控制。将交流电动机的定子电流矢量分解，算出定子电流的磁场分量及转矩分量，并分别控制，提高了变频器对电动机转速及力矩控制的精度及性能。采用矢量控制的变频器称高功能变频器。普通功能型变频器适用于泵类负载及要求不高的反抗性负载，高功能变颇器适用于位能性负载。,3变频器的操作方式及使用变频器接入电路工作前，要据实际应用修定变频器的功能码。修订是为了变频器性能与实际工作任务更加匹配。变频器与外界交换信息的接口很多，有主电路的输入与输出接线端、控制电路还设有许多输入输出端子、通信接口及一个操作面板，功能码修订一般通过操作面板完成。图8-4为操作面板图，图8-5为变频器的接线端子图。,,变频器的输出频率控制有以下几种方式1操作面板控制方式。通过操作面板上的按钮手动设置输出频率。操作有两种方法一按面板上频率上升或频率下降的按钮调节输出频率;二通过直接设定频率数值调节输出频率。2外输入端子数字量频率选择操作方式。变频器常设有多段频率选择功能。各段频率值通过功能码设定。频率段的选择通过外部端子选择。变频器通常在控制端子中设置一些控制端，如图8-5中的端子x1、x2、x3，它们的7种组合可选定7种工作频率值。这些端子的接通组合可通过机外设备，如PLC控制实现。,,3外输入端子模拟量频率选择操作方式。为方便与输出量为模拟电流或电压的调节器、控制器的连接，变频器还设有模拟量输入端，如图95中的C1端为电流输入端，11、12、13端为电压输入端，当接在这些端口上的电流或电压量在一定范围内平滑变化时．变频器的输出频率在一定范围内平滑变化。,4通信数字量操作方式。变频器设有网络接口，可通过通信方式接收频率控制指令，生产厂家为自己的变频器与PLC通信设计了专用的协议，如西门子公司的uss协议即是西门子MM400系列变频器的专用通信协议。,,图7-4通用变频器的操作面板,,图7-5通用变频器的接线图,,7.3PLC在恒压供水泵站中的主要任务7.3.1PLC在恒压供水泵站中的主要任务1、代替调节器实现水压给定值与反馈值的综合与调节工作，实现数字式PID调节。一只传统调节器往往只能实现一路PID设置，用PLC作调节器可同时实现多路PID设置，在多功能供水泵站各类工况中PID参数可能不一样，使用PLC作数字式调节器十分方便。2、控制水泵的运行与切换。在多泵组恒压供水泵站中，为了使设备均匀地磨损，水泵及电动机是轮换工作的。在设单一变颇器的多泵组泵站中，如称和变频器相连接的泵为变频泵，变频泵也是轮流担任的。变频泵在运行且选到最高频率时，增加一台工频泵投入运行。PLC则是泵组管理的执行设备。,,3、变频器的驱动控制。恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式，这需采用具有模拟量输入输出的PLC或采用PLC的模拟量扩展模块，水压传感器送来的模拟信号输人到PLC或模拟量模块的模拟量输入端，而输出端送出经给定值与反馈值比较并经PID处理后得出的模拟量控制信号。并依此信号的变化改变变频器的输出频率。4、泵站的其他逻辑控制。除了泵组的运行管理工作外，泵站还有许多逻辑控制工作．如手动、自动操作转换，泵站的工作状态指示，泵站工作异常的报警，系统的自检等，这些都可以在PLC的控制程序中安排。,,7.3.2PLC模拟量扩展模块的配置及应用模拟量扩展模块有单独用于模／数转换的，单独用于数／模转换的，也有兼具模／数及数／模两种功能的。FX系列PLC的模拟量模块FX2N-4AD及FX2N-2DA，分别具有4路模拟量输入及2路模拟量输出，可用于恒压供水控制。1、FX2N-4AD4模拟量输入模块的功能及与PLC系统的连接FX2N-4AD4模拟量输入模块有4通道，可同时接收处理4路模拟量输入信号，最大分辨率为12位。输入信号可是-10～10V的电压信号分辨率为5mV，也可是4～20mA分辨率为16A或-20～20mA分辨率为20A的电流信号。模拟量信号可通过双绞屏蔽电缆接入，连接方法如图76，使用电流输入时，需将V及I端短接。,,图76FX2N-4AD4模块的连接方法l若输入电压波动，或存在外部干扰，可以接一个0.10.47F，25V的电容器；2若使用电流输入，需短接v及I端子；3若存在过多的电气干扰，请连接FG和接地端.,FX系列可编程控制器中，与PLC连接的特殊功能扩展模块位置从左至右依次编号扩展单元不占编号，如图87所示。,,图77特殊功能模块的编号FX2N-4AD使用5VDC电源内部电源30mA电流，24VDC电源外部电源55mA电流。通常转换速度为15ms／通道，高速转换速度为6ms／通道。2、FX2N-4AD4模拟量输入模块缓冲存储器BFM的分配,FX2N-4AD4AD模块利用缓冲存储器简称“BFM”的设置完成编程工作。模拟量输入模块共有32个缓冲存储器，目前使用了以下21个BFM,,1BFM0。用于通道选择。4个通道的模拟输入信号范围用4位16进制数表示。2BFM1～4。1～4通道的采样次数设定范围为l～4096，默认值为8。3BFM5～8。l～4通道的采样平均值。4BFM9～12。1～4通道的采样当前值。5BFM15。选择A／D转换的速度。若设为0，则为正常转换速度，即15ms／通道默认值；若设为1，则选择高速转换，即6ms／通道。,,6BFM20。若将BFM20设为1，则模块的所有设置都复位成默认值。用它可以快速消除不希望的增益和偏置值。BFM20的默认值为0。7BFM2l。若BFM2l的b1、b0分别置为1，0，则禁止调整增益和偏置；若BFM21的b1、b0分别置为0，1此为默认值，则可改变增益和偏置。增益和偏置的意义可由图88说明，图中偏置为横轴上的截距，表示数字量输出为0时的模拟量输入值。增益为输出曲线的斜率，为数字输出为1000时的模拟量输入值。,图7-8FX2N-4AD的偏置和增益,,,8BFM22。BFM22为增益与偏置调整的指定单元。BFM22的b0～b7由低到高两两为一组，分别用于通道1～4的调整指定，当置1时调整，置0时不调整。两位中低位指定偏置，高位指定增益。通道的偏置及增益可分别调整。9BFM23、BFM24。BFM23、BFM24为偏置值与增益值存储单元，单位为mV或A。BFM23偏置的默认值为0，BFM24增益的默认值为5000。当BFM22指定单元中的某些位置1时，偏置值及增益值会送入相应通道的增益和偏置寄存器中。10BFM29中各位的状态是FX4AD错误状态信息。其中，b0为ON，表示有错误；当b1为ON时，表示存在偏置及增益错误；b2为ON时表示存在电源故障；b3为ON时．表示存在硬件错误等。,,11BFM30中存的是模块的识别码K2010。用户在程序中可以方便地利用这一识别码在传送数据前先确认该特殊功能模块。3．FX2N2DA模拟量输出模块的功能及与PLC系统的连接FX2N2DA模块用来将12位数字信号转换成模拟量电压或电流输出。它具有2个模拟量输出通道。这两个通道都可以输出0～10VDC分辨率2．5mV、0～5VDC分辨率1.25mV的电压信号或4～20mA分辨率4A的电流信号。模拟量输出可通过双绞屏蔽电缆与驱动负载相连，连接方法如图89所示。当使用电压输出时，需将IOUT端和COM端短接。,,图7-9FX2N-2DA模块的连接方法,图7-10模拟量输入模块FX2N-4AD应用基本程序,,FX2N2DA安装时装在FX2N基本单元的右边。将消耗基本单元或电源扩展单元的5VDC电源内部电源20mA电流，24VDC电源5mA电流。D／A转换时间为4ms／通道。4．FX2N-2DA模拟量输出模块偏置、增益及BFM分配,FX2N-2DA模块在出厂时，其偏置和增益是经过调整的，数字值为0～4000，电压输出为0～10V。用于电流输出机时可利用自带调节装置重调偏置与增益值.,图8-11FX2N-4AD模块的编程,,FX2N-2DA模块共32个缓冲存储器，只用两个1BFM16B7～B0用于输出数据当前值低8位。2BFM17。BFM17的B0位从“1”变成“0”时，通道2的D／A转换开始；当B1位从“l”变成“0”时，通道l的D／A转换开始；当B2位从“1”变为“0”时，D／A转换的低8位数据被保持。其余各位没有意义。5．模块的读写操作及程序实例扩展模块与主机的数据连通需借助FROM读出指令及T0写入指令,FROM指令用于将模块BFM中的数据读人PLC,和指令可将数据写入模块的缓冲存储器。FROM指令及T0指令可用于模块的配置,偏置及增益调整、模拟量转换生成的数字量或待转换为模拟量的数字量的传递等。,表8-1为BFM读出／写入指令的要素，图8-10、图7-11为FX2N-4AD及FX2n-2DA应用中的编程示例.,5．模块的读写操作及程序实例扩展模块与主机的数据连通需借助FROM读出指令及T0写入指令。FROM指令用于将模块BFM中的数据读人PLC。和指令可将数据写入模块的缓冲存储器。FROM指令及T0指令可用于模块的配置，偏置及增益调整、模拟量转换生成的数字量或待转换为模拟量的数字量的传递等。表81为BFM读出／写入指令要素，图8-10、图8-11为FX2N-4AD及FX2n-2DA应用中的编程示例.,7.4PID调节及PID指令PID调节在改善控制系统品质，保证系统偏差e达到预定指标，使系统实现稳定状态方面具有良好效果。三菱FX系列PLC的PID运算指令如表82所示。,PID运算指令梯形图如图8-12所示。图中[S1]为设定调节目标值，[S2]为当前测定值，参数[S3]占用从s3开始的25个数据寄存器，其中[S3]～[S3]6为设定控制参数，执行PID运算的输出结果存于[D]中。对于[D]最好选用非电池保持的数据寄存器。否则应在PLC开始运行时使用程序清空旧存的数据。在使用PID指令前，需事先对目标值、测定值及控制参数进行设定。其中测定值是传感设备反馈量在PLC中产生的数字量值，因而目标值则也为结合工程实际值、传感器测量范围、模数转换字长等参数的量值，它应当是控制系统稳定运行的期望值。控制参数则为PID运算相关的参数。表83给出了控制参数[S3]的25个数据寄存器的名称及参数的设定内容。,图7-12PID运算指令,表7-3控制参数（S3）数据寄存器设定表,7.5PLC控制的恒压供水泵站实例以下介绍一个以三台泵组构成的生活／消防双恒压无塔供水泵站的实例。如图8-13所示，市网自来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀YVl，自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水池注水。水池的高／低水位信号也直接送给PLC，作为高／低水位报警。为了保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离较小。生活用水和消防用水共用三台泵，平时电磁阀YV2处于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，维持生活用水低恒压。当有火灾发生时，电磁阀YV2得电，关闭生活用水管网，三台泵供消防用水使用，并维持消防用水的高恒压值。火灾结束后，三台泵再改为生活供水使用。,下面开始工作任务的实施,图7-13生活消防双恒压供水系统构成图,7.5系统控制要求7.5.1基本要求1生活供水时，系统低恒压值运行，消防供水时高恒压值运行。2三台泵根据恒压的需要，采取“先开先停”的原则接入和退出。3在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长。4三台泵在启动时都要有软启动功能。5要有完善的报警功能。6对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。,7.5.2控制系统的I／O点及地址分配根据图8-13及以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号如表9-4所示。水位上下限信号分别为X001、X002，它们在水淹没时为0，露出时为1。表7-4输入输出点代码及地址编号,7.5.3PLC系统选型系统有开关量输入点6个、开关量输出点12个；模拟量输入点1个、模拟量输出点1个。选用三菱FX1N-40MR一台、加上一台模拟量扩展模块FX2N-4AD、一台模拟量扩展模块FX2N-2DA构成系统。整个PLC系统的配置如图8-14所示。,图7-14PLC系统组成,7.5.4电气控制系统原理图1．主电路图如图8-15为电控系统主电路。三台电动机分别为M1、M2、M3。接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行；FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电动机过载保护用的热继电器；QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和三台泵电动机主电路的隔离开关；FU1为主电路的熔断器，VVVF为通用变频器.,7-15电控系统主电路图,2．控制电路图中SA为手动／自动转换开关，SA打在1的位置为手动控制状态；打在2的状态为自动控制状态。手动运行时，可用按钮SB1-SB8控制三台泵的启／停和电磁阀YV2的通／断；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。图中的HLl0为自动运行状态电源指示灯。对变频器频率进行复位时只提供一个干触点信号，由于PLC为4个输出点为一组共用一个COM端，而本系统又没有剩下单独的COM端输出组，所以通过一个中间继电器KA的触点对变频器进行复频控制。图中的Y000。Y005及Y0I0～Y015为PLC的输出继电器触点，它们旁边4、6、8等数字为接线编号。,图7-16电控系统控制电路,3．PLC外围接线图,图8-17为PLC及扩展模块外围接线图。火灾时，火灾信号SA1被触动，X000为l。本例忽略了以下因素1直流电源的容量;2电源方面的抗干扰措施;3输出方面的保护措施;4系统保护措施。,图7-17恒压供水控制系统PLC及扩展模块外围接线,表75程序中使用的PLC机内器件及功能,任务检查、考核,总评根据同学们对本组实施过程的自评和小组间的互评，指导老师对各小组完成情况进行汇总评价。最后材料整理、提升,