基于PLC的铜材成型机水平牵引电控系统的设计.doc

基于PLC铜材成型机水平牵引电控系统设计
摘 要
本文研究是基于高效、低耗铜材加工新技术和新工艺，开发出自动、可靠控制系统—基于PLC铜材水平牵引变频调速控制系统。本课题关键研制铜材连铸水平牵引机监控系统，使铜型材在结晶器中阻力减小，铜型材在结晶过程中晶粒细化，从而提升成材率。本文采取变频电机实现拉、停、反推来替换炉振、打链、棘轮或继电器方法，做到工艺既简单且正确。采取PLC编程控制牵引电机正转、停止、反转、停止，同时经过控制这四种状态时间来实现牵引电机四节拍动作。并能够在线改变铸造速度、改变牵引频率和节距，从而提升成材率、降低生产成本。
本文首先介绍了课题设计任务。然后依据任务要求，对监控系统关键硬件做了选型，尤其是对PLC型号选择。接着，本文对PLC自动运行、单行程运行、手动运行控制程序做了具体设计，
分析了在设备运行中引锭机构牵拉—停牵—反推—停推四节拍独特步骤，并在此基础上设计出能够在线优化工艺参数由PLC、VVVF和变频调速异步电动机组成引锭机构驱动控制系统，实现了连铸工艺优质、稳定和可靠运行，针对设计中多个键问题提供了理论上说明,有利于中国铜型材水平连铸产业技术更新和发展。
关键词：变频器；PLC；变频调速；VVVF

The Design of Level Electrical Traction of Copper
Molding Machine Control System Based on PLC
Abstract
The research of this paper based on efficient and Low consumption new technology of Copper processing，exploit Reliably Auto control system-Design of Level Electrical Traction of Copper Molding Machine Control System Based on PLC. The paper introduce frequency variation Motor replace Furnace vibration Hit chain、Ratchet or Relay with Draught、Stop and Reverse thrust. Achieve simple and accurate technology. Use DSP control Draught Motor to Rotation、Stop、Reverse at and stop，at the same time，we achieve the Motor four Beats by control the time of the four Status. And increase yield、reduce cost by change speed of foundry, frequency and pitch of draught on line.
This paper first introduces the subject of the task of designing. Then, according to the mission requirements, we will do the monitoring system hardware selection, especially the choice of the PLC model. Then, we make the designs on the PLC automatically operation, single stroke operation, manual controlling of programs,
Analyzes the four-step unique process of draught-stop-push-stop in device function of traction machine. Based on the process, the traction machine drive control system was designed in which craftwork parameters can be completed on-line, completed by the sin-gl,chip computer controller, VVVF and frequency altering speed variation asynchronous motor. The system prossesses high quality,stable and reliable function of successive foundry craftwork. The theoretical illumination to some key problems in d,-signing was supplied, which is helpful to the development of domestic horizontal successive foundry industry.

Keywords: inverter; PLC; frequency control of motor speed; VVVF
目 录

引 言 1
第1章 绪论 2
1.1 铜材加工现实状况 2
1.2 铜材牵引机控制系统现实意义和价值 2
1.3 本课题关键研究内容 2
第2章 系统方案设计 4
2.1 总体设计框图 4
2.2 关键控制器比较和选择 7
2.3 调速方案多个实现方法比较和确定 8
2.4 异步电机选型 9
2.5 变频器选型 10
第3章 硬件设计 13
3.1 PLC选择 13
3.1.1 外部I/O设备指令 15
3.1.2 I/O地址分配 17
3.2 显示单元设计 18
3.3变频器和电机通信连接 19
3.3.1 控制回路端子说明 20
3.4 变频器和PLC通信连接 20
3.5 变频器防干扰方法 21
第4章 系统软件设计 23
4.1自动运行程序设计 23
4.2参数设定程序和显示程序设计 24
4.3 系统点动运行控制程序实现 26
结论和展望 27
致 谢 28
参考文件 29
附录A 系统原理图 30
附录B 外文文件 31
附录C 关键参考文件题录及摘要 35
附录D 源程序 37
插图清单

图2-1 图基于PLC铜材成型机控制系统框图 4
图2-2 电动机运行时间要求 5
图2-3 水平牵引连续铸造设备示意图 6
图2-4 引锭机构速度改变波形图 6
图2-5 变频器组成示意图 11
图2-6 外部控制操作基础电路 12
图3-1 PLC工作过程 14
图3-2 数字开关使用指令图 15
图3-3 数字开关指令梯形图和PLC连接图 16
图3-4 Y10-Y13时序图 16
图3-5 Y10-Y13梯形图 16
图3-6 方向开关指令梯形图 17
图3-7 高低电平驱动 18
图3-8 共阴驱动 19
图3-9 变频器和电机连接图 20
图3-10 用压敏电阻预防浪涌电压 22
图3-11 接入噪声滤波器预防噪声干扰 22
图4-1 自动运行步骤 23
图4-2 参数设定程序和显示程序步骤图 24
图4-3 参数设定程序和显示程序梯形图 25
图4-4 点动功效程序梯形等效图 26

表格清单

表2-1 异步电机分类 9
表2-2 电动机相关参数 10
表2-3 FR-A540技术参数 11
表3-1 数字开关指令应用说明 15
表3-2 方向开关指令应用说明 17
表3-3 I/O分配表 17
表4-1 定时器、存放单元和继电器分配一览表 25

引 言
众所周知，伴伴随中国改革开放、经济快速发展，中国铜材加工发展快速，铜材加工产量连续四年居世界第一位。成为世界关键铜材生产、消费和贸易大国。中国铜加工业发展潜力巨大，拥有宽广市场。
现在中国多数中，小型钢材加工企业现在所用工艺是垂直牵引连铸，设备仍然靠炉振、打链蕀轮或时间继电器来实现拉停牵引，用一般交流电机拖动和机械齿轮变速。而国外广为流行铜型材加工水平牵引连铸法，因其产品无需校直，性能沿长度方向上一致性和坯件晶粒较高致密性造成力学性能和电学性能上改善，在产品质量和生产效率方面优势更为显著。本课题关键研制铜材连铸水平牵引机监控系统，使铜型材在结晶器中阻力减小，铜型材在结晶过程中晶粒细化，从而提升成材率。本设计有利于实现工业现场管控一体化,在工业控制发展中有着宽广应用前景。
在铜材成型机控制系统中，调速装置也是一个关键部分，它选择不仅包含到资金、技术问题，同时也关系到生产安全性。放眼市场，变频器技术日臻完善，给了我们一个愈加好选择，尤其在中、小型工作场所，变频器应用已经很广泛。结合上面所述，立足于长远考虑，此次课题实现方法也将采取上面二者结合来完成对应部分设计。这么，设备便会含有更强生命力。
此次课题所设计水平牵引电控系统能够很好处理之前通常控制系统响应时间较长精度不够没有些人机界面等问题。这种水平牵引机电控系统用可编程控制器控制变频机正转、停止、反转、停止动作。能够经过编写程序改变电机拖动速度、改变牵引频率和节距。

第1章 绪论
1.1 铜材加工现实状况
伴随全球经济发展，尤其是中国国民经济稳定、连续、快速发展，作为经济和高新技术发展支柱性原材料铜材需求旺盛、发展迅猛。尤其是中国铜加工业发展更是快速，使中国成为了世界上关键铜材生产、消费和贸易大国，产量已连续五年居世界第一位，品种不停增加，产品质量逐年提升，工艺技术创新十分活跃，现代化铜加工工业体系已初步建立和形成。不过，中国铜加工业大而不强、技术经济指标不够优异、企业规模相对偏小和集约化程度不高、技术装备优异和落后并存等弊端还未根本改[[]萧今声. 中国外铜加工现实状况及中国铜加工发展战略[J].中国有色金属报，(6) ：25-33.
]。
中国多数中、小型铜型材加工企业现在所用工艺是垂直牵引连铸，设备仍然靠炉振、打链棘轮或时间继电器来实现拉停牵引，用一般交流电机拖动和机械齿轮变速。这种情况存在，严重阻碍着铜型材加工企业市场竞争深入提升。所以形成了中国铜材加工工业大而不强、大而不精情况，结构性矛盾十分突出，造成了国民经济所需高、精、尖产品关键依靠国外进口尴尬局面。
而国外以美、日、德铜加工发达国家为代表，铜加工企业在20世纪末期已基础完成了优胜劣汰、吞并重组整合进程，建立了跨国集团并进行全球化经营，如K M E 、Wieland、Olan、日本三菱等企业。最经典是欧洲金属企业KME ，几乎囊括了全部铜加工材品种，在世界关键地域全部设有分支机构，年铜加工能力达成85万t。以日本企业为代表，引导世界铜加工向精细方向发展，在铜合金引线框架等高精带材研发和生产上处于世界领先水平。未来几年国际铜加工业发展趋势是企业数量和规模不会有太大改变,产能和产量也不会有太大增加，而产品品种会不停增加,产品质量会愈加精益求精、愈加节能环境保护。具体来讲，在铜加工工艺上，向着精细化方向发展；在铜加工装备上，向着智能化方向发展；在企业建设上，向着大而强和专而精方向发展。
面临以上及资源短缺问题，中国铜加工行业正在不停经过技术创新、发展短步骤工艺，来提升自动化和连续化水平，节能减排，尤其是发展利用再生铜资源直接生产铜加工材技术，以确保中国铜加工工业继续稳定、连续、快速发展。中国铜加工业未来发展应在优胜劣汰、企业整合和做大做强、做专做精基础上，突出发展高端高精尖铜加工产品，逐步降低物耗和能耗高、污染较重一般产品生产。

1.2 铜材牵引机控制系统现实意义和价值
现在中国多数中，小型钢材加工企业现在所用工艺是垂直牵引连铸，设备仍然靠炉振、打链蕀轮或时间继电器来实现拉停牵引，用一般交流电机拖动和机械齿轮变速。而国外广为流行铜型材加工水平牵引连铸法，因其产品无需校直，性能沿长度方向上一致性和坯件晶粒较高致密性造成力学性能和电学性能上改善，在产品质量和生产效率方面优势更为显著。本课题关键研制铜材连铸水平牵引机监控系统，使铜型材在结晶器中阻力减小，铜型材在结晶过程中晶粒细化，从而提升成材率。本设计有利于实现工业现场管控一体化，在工业控制发展中有着宽广应用前景[[]陈跃东，汪鹏飞，凌牧，陈孟元. 基于单片机铜材成型机电控系统设计[J].工业控制计算机，(12) ：78-79.
]。

1.3 本课题关键研究内容
本课题瞄准世界铜材加工最优异水平牵引连铸工艺，将成熟现代交流变频调速和PLC控制技术和优异水平牵引连铸工艺相结合，研发出一个适合中小企业使用铜材水平牵引成型设备。
该设备含有两大特征：其一，特有周期性牵引—停牵—后推—停推四步步骤，可使坯料在结晶器中阻力减小，并使坯料在结晶过程中晶粒细化，有较高致密性，造成力学性能和电学性能改善。其二，在引锭机构动作控制模式上，既可使用自动连续运行，也能够手工点动控制。
2、本课题研究关键内容：
设计出由可编程控制器、变频器和变频调速异步电动机组成水平牵引驱动控制系统。水平牵引机构推拉时间比为1: 3 ~1: 4，连铸周期为5 ~ 20 s，牵引节矩为 10 ~ 40 mm。具体指标为：
⑴、牵引—停牵—后推—停推四步步骤每段时间在[0 - 9.9]秒可调，并用LED分别显示；
⑵、牵引电机进行变频调速；能双向连续运行和点动控制，速度分别可调。
⑶、系统起动从牵引阶段开始，系统停止在停牵阶段内完成。

第2章 系统方案设计
一个产品是否有市场，不仅要看能否满足我们要求，同时也要考虑到性价比和它发展前景是否很好，一样，我们设计一个系统会有很多个路径来实现，具体用那种我们就要经过相互比较从中选优，这么才能使系统功效愈加完善，和之对应资源配制就愈加合理。在这个设计中，我们要对进行一系列方案比较和选择，从中选择出适合方案。
2.1 总体设计框图
本章是该设计方案部分，对设计中所采取芯片从多方面综合进行比较，最终经过仔细研究后决定所选器件因为中国铜型材加工企业绝大多数是中、小型企业，它们经济承受能力有限，技术维护能力较弱，采取新型数控交流伺服调速技术，短期内难以打开市场；若采取直流调速技术又面临着在较短时间内被交流调速技术淘汰困境。所以针对用户群实际，开发一个采取新型数控变频技术水平牵引连铸设备就显得尤为必需。其关键工艺要求控制功效较为简单，从高可靠性和高性价比方面考虑，我们提出了采取PLC控制器、VVVF、电源、变频调速异步电动机和高达60：1减速器组成驱动控制系统，不仅能够完成水平牵引工艺四节拍步骤，系统还便于维护和调试。这种方案和采取晶闸管整流器和直流电机，配以测速发电机组成闭环直流调速驱动方案相比，在性能和价格相当条件下，含有可靠性高、节省电能、维护工作量小优点；和采取工业计算机控制交流伺服电动机方案比一样含有可靠性高、节省电能等优点同时，还含有投资省、维护工作量小优点[[]陈澄波，陈跃东，凌牧，郭成. 为铜材水平牵引连铸配置VVVF驱动控制[J].安徽工程科技学院学报，(2) ：51-54.
]。
本设计采取路径总框图图2-1 所表示。

图2-1 图基于PLC铜材成型机控制系统框图

依据铜加工生产工艺技术和装备对拖动电机要求，牵引机构在每个周期中速度改变规律包含四个时段，图2-2所表示。图中为设定牵引机线速度，为电动机运行时间。

图2-2 电动机运行时间要求
控制要求以下:
（1）设置四段时间T1—正向牵引时间、T2—正向停止时间、T3反向后推时间和T4—反向停止时间；
（2）T1, T2, T3, T4时间在[0-9.9]秒间独立可调；
（3）电机用变频器进行变频调速；
（4）起动从T1开始，停止在T2进行；
（5）有正、反向点动控制，点动速度单独可调；
（6）频率调整范围0~100Hz，频率调整精度0.1Hz。
本设计采取PLC控制器控制变频电机正转、停止、反转、停止，经过控制这四种状态时间来控制变频电机实现铜材水平牵引连铸工艺独特牵引一停牵一反推一停推四节拍步骤来替换炉振、打链、棘轮或继电器方法控制垂直牵引连铸工艺。并可在线调整工艺参数、改变铸造速度、牵引频率和节距。铜加工工艺要求电机频繁正、反转，且调速范围要求较高。故须采取带专用于散热恒速风扇专用电动机，考虑到变频器供电特殊性，我们选择专用变频调速电动机。实现对于异步电机变压变频调速，必需含有能够同时控制电压幅值和频率交流电源，而电网提供是恒压恒频电源，所以应该配置变压变频器：VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）装置。经过变频器可任意改变电源输出频率从而任意调整电机转速,实现平滑无级调速。依据铜加工生产工艺技术和装备对拖动电机要求，牵引机构在每个周期中速度改变规律包含四个时段。
用水平牵引连铸工艺替换现在中国尚广为沿用垂直牵引连铸工艺是一项革新趋势，因它省去了一道对产品校直工序，怎样为水平牵引连铸工艺配套引锭机构驱动控制有多个方案可供选择。经过方案论证，本文选择了PLC控制器、VVVF电源和调频调速电动机和蜗轮减速箱组合，实现了能够在线调整生产工艺参数定时开环控制。
1、连续铸造工艺过程
连续铸造工艺指是将含有适宜温度待铸熔体导入通水强迫冷却结晶器中, 当熔体凝固成含有一定强度凝壳后, 借助于引锭杆和牵引辊将已凝固坯料连续地拉出结晶器, 而当坯料达成其所设定长度时, 将被同时地自动切断。
2、设备结构
设备结构图2-3所表示

图2-3 水平牵引连续铸造设备示意图

3、设备特征
该设备含有两大特征：其一，特有周期性牵拉—停牵—反推—停推四步步骤，
可使坯料在结晶器中阻力减小，并使坯料在结晶过程中晶粒细化，有较高致密性，造成力学性能和电学性能改善。其二，在引锭机构动作控制模式上，既可使用自动连续运行，也能够手工点动控制。前者是在对不一样批号产品多种规范工艺参数已摸准情况下进行， 操作人员只要面对控制屏值班监控就能够了，后者则在需要探索优化工艺参数和每炉铜料引锭初始阶段使用。
引锭工艺参数：
a、 牵引周期T
(2-1)
为牵引半径，电动机级对数，机械减速比，电动机转差率，为VVVF电源输出频率。
=+++ (2-2)

图2-4 引锭机构速度改变波形图
为牵拉时间，为牵拉停止时间，为反推时间，为反推停止时间中速度波形有两次升和降，它是由VVVF电源中频率升降速率所引发，时值0.1s 。为了适应不一样截面、形状和不一样规格产品生产需要，在确保产品截面上金相质量和较高生产率前提下，对周期T 选择应能做到在较宽范围内在线可调。
b、 反推时间和牵拉时间比值
(2-3)
显然，愈小，生产率愈高，但从铸坯在结晶器中所受摩擦阻力和在结晶过程中
对坯料内应力控制方面考虑，设置是必需，它取值不能太小，较佳才有较
好截面晶粒品相，依据调试经验，最好范围在1:3—1:4。
c、 牵拉停止延时间
它反应从控制器发出牵拉停止指令到发出反推开启指令之间延时，其中包含了0. 1 s频率下降延时，设置为是使铸坯在结晶器出口达成适宜冷却温度，具体数值选择需要依据铜水温度和型材几何尺寸综合考虑。
d、 牵拉节矩
它是一个周期中坯料被牵拉净长，可由(1)，(2)能够导出
(2-4)
其为牵引辊半径为电动机极对数，为机械减速比，为电动机转差率，为VVVF电源输出频率， 、 和可供优化选择。

2.2 关键控制器比较和选择
常见控制器比如PLC、单片机、继电器控制等等。所谓单片机系统就是采取现在市场上单片机CPU及其它外围芯片，依据不一样系统设计电路板，最终设计成一台简易计算机系统，并在此基础上设计程序以达成所要求控制功效。这种形式在 80年代中国很流行，但因为受到本身可靠性及其它方面 限制，现在除了仪表上仍然采取外，在工业现场应用已逐步被PLC所替换。
单片机可靠性：因为现在中国市场上单片机芯片品质良莠不齐，很大一部分还是国外筛选出来次等品，加上其它外围元件（如电阻、电容等）参数离散性也很大，批量小产品不可能经过筛选配对等技术处理，所以这么产品极难做到很好一致性和高可靠性，因为任一元件参数偏离设计要求全部会引发系统不稳定。另外，单片机全部器件均不是工业级，抗干扰性尤其是抗电源干扰能力很弱，而中国电源通常全部很差，加上压片机变频调速对电源干扰很大，所以，更可能引发单片机系统不稳定。
单片机可扩展性：因为单片机线路是依据一定功效要求尤其设计，所以要增加一个功效就要重新设计线路，而且对应程序全部要重新设计。这么对于增加功效开发成本和周期全部 会增加。 单片机可维护性：一旦单片机系统出现故障，极难诊疗出故障元件，最简单方法是更换整个系统，这么维修成本增加了。
操作：现在中国单片机系统操作均采取自设计键盘，设定数据用拨码开关，显示用LED，整个面板显得繁锁，而且为了降低操作键，设计时往往一键多用，操作人员极难脱开说明书操作。尤其是故障显示只能显示故障代码，一旦发生故障，操作人员必需翻阅说明书方能发觉故障所在，最终按说明书指示排除故障，这么排除故障时间相对较长。总而言之，这么人机对话不够友善[[] 董艺. 单片机和PLC区分及其对控制系统设计方案选择影响 [J]。巢湖学院学报，(03) ：36-40.
]。
而继电器控制逻辑采取硬接线逻辑，利用继电器机械触点串联或并联及延时继电器滞后动作等组合成控制逻辑，其连线多而复杂，一旦系统组成后，想再改变或增加功效全部很困难。另外继电器触点数目有限，每只只有4—8 对触点，所以灵活性和扩展性很差。而 PLC 采取存放逻辑，其控制逻辑以程序方法存放在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序，其连线少，体积小，功耗小。
（1）工作方法：当电流接通时，继电器控制线路中各继电器全部处于受约状态，即该吸合全部应吸合，不该吸合因某种条件限制不能吸合。而PLC 控制逻辑中，每个继电器受制约接通时间是短暂。
（2）限时控制：继电器控制逻辑利用时间继电器滞后动作进行限时控制。时间继电器通常分外为空气阻尼式，半导体等，其定时精度不高，且受环境和温度影响，调整时间困难等问题。PLC 使用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度相当高，定时范围通常从 0.1s 到若干分钟甚至更长，用户可依据需要在程序中设定定时值，后由软件和硬件计数器来控制订时时间，定时精度小于10ms定时时间不受环境影响。
（3）设计和施工：使用继电器控制逻辑完成一项控制工程，其设计，施工须依次进行，周期长，而且修改困难。而用PLC 完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑设计能够同时进行，周期短，且调试和修改全部很方便。
（4）可靠性和可维护性：继电器逻辑控制全部大量机械触点，连线多。触点开闭时会受到电弧影响，所以可靠性和可维护性差。而PLC 采取微电子技术，大量开关动作由无触点半导体电路来完成，它体积小，可靠性高。PLC 还配有自检和监督功效，能检验出本身故障。
可编程控制器（PLC）： 所谓PLC系统就是采取现在市场上各大工业控制厂家生产可编程控制器，依据要求选择不一样模块，在此基础上设计程序以达成所设计功效。这种形式现在在工业现场应用最为广泛。
PLC可靠性：进口PLC采取CPU全部是生产厂家专门设计工业级专用处理器，其它各元件也是直接向生产厂家购置，经过严格挑选工业级元件，另外它电源模块也是集各大企业工业控制经验而尤其设计，抗干扰性尤其是抗电源干扰能力有很大提升，即使在电源很差和变频调速干扰下仍能正常工作。
PLC可扩展性：要增加一个功效只要增加对应模块和修正对应程序，而PLC编程相对比较简单，这么对于开发周期会缩短。PLC可维护性：PLC本身有很强自诊疗功效，一旦系统出现故障，依据自诊疗很轻易诊疗出故障元件，即使非专业人员也能维修，假如故障因为程序设计不合理引发，因为它提供完善调试工具，要找出故障也较为简单。
特点：价格和前二种控制器相比略贵，可靠性好，操作简单。综合以上分析和比较，最终决定采取PLC。
2.3 调速方案多个实现方法比较和确定
就现在市场上同类产品来说，其调速模块关键有两种实现方法：直流电源型和利用变频器组成调速系统。然而相比较而言变频器调速含有更多优势，发展前景也十分宽广，下面是最显著特点也是我在此次设计中选择变频器作为调速模块关键设备原因[[]张燕宾.变频器应用教程[M]. 北京：机械工业出版社，.
]。
首先，它控制电机开启电流。当电机经过工频直接开启时它将会产生7到8倍电机额定电流，这个电流值将大大增加电机绕组电应力并产生热量，从而降低电机寿命。而变频调速则能够在零速零电压开启(当然能够合适加转矩提升)，一旦频率和电压关系建立，变频器就能够根据V/F或矢量控制方法带动负载进行，工作使用变频调速能充足降低开启电流提升绕组承受力。用户最直接好处就是电机维护成本将深入降低，电机寿命则对应增加。
再次，它含有可控加速功效。变频调速能在零速开启，并根据用户需要进行光滑地加速。而且其加速曲线也能够选择(直线加速S 形加速或自动加速)。而经过工频开启时，对电机或相连机械部分轴或齿轮全部会产生猛烈振动。这种振动将深入加剧机械磨损和损耗，降低机械部件和电机寿命。
又次之—可调运行速度。利用变频调速不仅能优化工艺过程，而且能依据工艺过程快速改变，还能经过远控PLC或其它控制器来实现速度改变。这一点是我选择它关键原因之一。
最终，在全世界提倡绿色能源，节省能源，保护环境大趋势下，是否含有节能优点已经成为一个新产品，一个新技术能否愈加好发展关键原因。而相对和直流调速系统，以变频器为调速关键设备系统正含有上述优势。比如，离心风机或水泵采取变频器后全部能大幅度地降低能耗，这在十几年工程经验中已经得到充足表现。因为最终能耗是和电机转速成立方比，所以采取变频后，投资回报就愈加快，厂家也愿意接收。 鉴于变频器含有如此多优点，所以我决定在此次课题设计中采取变频器作为调速装置关键控制元件，具体型号选择将在后续内容给以具体叙述。

2.4 异步电机选型
异步电动机(asynchronous motor) 又称感应电动机，是由气隙旋转磁场和转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现机电能量转换为机械能量一个交流电机。异步电机分类如表2-1所表示。
表2-1 异步电机分类
分类方法
类别及特点
系列产品用途

基础系列：生产量大、适用范围广通常见途电动机派生系列:根据不一样使用要求，在基础系列基础上作部分变动，零部件和基础系列有较高通用性和一定程度统一性专用系列:和通常见途不一样，是为适应某种特殊需要而专门设计制造

电机尺寸或功率
大型电机：轴中心高H>630mm
中小型电机：轴中心高H在80-63omm范围内
小功率电机：折算至1500r/min时最大连续定额不超出1·Ikw

转子结构型式

笼型转子：分为铸铅笼和焊接铜(或铅)笼两种，绕组本身自成闭合回路，结构简单牢靠，应用广泛
绕线型转子：转子绕组、集电环和电刷组成回路，回路中可接入外加电阻以改善起动性能或进行调速
换向器电机：转子回路有换向器和电刷，用于调速或高速运行场所，含有串励特征

电源相数
单相、三相电机
变频调速异步电动机为经特殊设计鼠笼式异步电动机，其电磁负荷和槽绝缘强度全部有较大裕量。为了适应能在超低速下连续运行，电动机外部配置了强制通风冷却风扇。在调频调速和频繁正反转恶劣运行状态下，其机械强度和转动惯量也有特殊要求.选型关键依据是其容量和过载能力，应使其生产上限规格产品时,也能输出足够牵引力矩.参考下式(1)选择：
(1)
式中Fm为铸锭牵引或推入结晶器时最大摩擦阻力(kN)，K为大于1裕量系数.因为电动机价格在整个硬件配置中只占较小百分比，选择较大K值，即功率等级裕量上放宽所引发投资增量微乎其微，但系统工作可靠性却大大提升，我们便选择了功率裕量较大6极YVP系列3.0 kW电动机。YVP 系列变频调速电动机和SPWM 变频装置组成调速系统和其它调速方法相比，含有节能效果显著、调速性能好、调速比宽、快速响应性优良、应用范围广、性能价格比高等优点，是现在交流调速方案中最优异系统之一。下面给出其技术参数如表2-2所表示。
表2-2 电动机相关参数
极数
标称功率（KW）
机座号
额定转矩
电流（A）
6
3.0
132S
28.5
7.9

2.5 变频器选型
变频器自80年代进入实际应用以来，关键以交流电动机节能应用为主，不过进入90年代后，变频器得到了迅猛发展。变频器应用关键有两个方面：首先是为了节能需要而进行变频器应用；其次是为了满足生产工艺调速要求而进行变频器应用。现在通用变频器己经在机械、冶金、石化、医药、造纸等行业得到了广泛应用。
实现对于异步电机变压变频调速，必需含有能够同时控制电压幅值和频率交流
电源，而电网提供是恒压恒频电源， 所以应该配置变压变频器，又称VVVF（Variable
Voltage Variable Frequency）装置。在变频调速中使用最多VVVF装置是电压型变频器，由整流器、滤波步骤和逆变器三部分组成。其组成图2-5所表示，工作时首先将工频三相交流电经桥式整流为直流电，脉动直流电压经电容滤波后在微处理器调控下，用逆变器将直流电再逆变为电压和频率可调三相交流电源，施加到需要调速电动机上。由电机原理可知电机转速和电源频率成正比，经过变频器可实现电机平滑无级调速。依据控制功效可将通用变频器分为三种类型：一般功效型、U/F控制变频器、含有转矩控制功效高性能型U/F控制变频器和矢量控制型高性能变频器。变频器类型选择要依据负载要求进行。对于要求精度高、动态性能好、响应快生产机械（如造纸机械、轧钢机等）[[] 魏蕾.基于PLC及变频调速器多电机控制研究[D]大连交通大学，
]，应采取矢量控制型高功效变频器。因为电动机功率是3.0kW ，所以所选择变频器额定容量也必需大于3.0kW ，我们选择了三菱企业A500系列FRA540－3.7K 变频器。其具体参数如表2-3 所表示。

图2-5 变频器组成示意图

表2-3 FR-A540技术参数
变频器型号
FR-A540
适用电机容量
3.7KW
输出额定容量
6.9 KV·A
输出额定电流
9A
输出额定电压
三相，380V至480V，50Hz/60Hz
电源额定输入
（交流电压，频率）
三相，380V至480V，50Hz/60Hz
许可频率波动范围
±5%
电 源 容 量
9 KV·A
过 载 能 力
150% 60s,200% 0.5s
制 动 电 阻
FXG20-100 Ω /500W

三菱FR-540变频器含有以下特点[[] 李玲莉.三菱变频器(FR-A540)在染整联合机上应用[J].电气传动，(02) ：51-53.
]：
（1） 用磁通矢量控制技术；
（2） 用Soft-PWM原理和智能功率模块(IPM) ,使变频器输出波形愈加好，噪音更低，
抗干扰性能更强；
（3） 停电时减速停止功效，内置PID 控制功效，变频/工频切换功效和次序控制功
能；
（4） 符合国家标准标准现场总线通信功效；
（5） 含有过电流、过载、过电压、欠电压、接地过电流、输出短路、失速预防等
保护。
三菱变频器外部操作模式经过外接开启开关、频率设定电位器等产生外部操作
信号，控制变频器运行。外部频率设定信号为0-5v 、0-10v、4-20mA直流信号。开启开关和变频器正转起动STF 端/反转起动STR 端连接，频率设定电位器和变频器10、2、5端相连，图2-6所表示为外部控制操作基础电路。

图2-6 外部控制操作基础电路

第3章 硬件设计
PLC英文全名为Programable Controller，即可编程控制器，包含逻辑运算、时序、计数和算术运算等程序。它用一串指令形式存放在存放器中，然后依据存放控制内容，经过模拟、数字等输入输出部件，对生产设备和生产过程进行控制。一套经典PLC通常包含CPU模块、电源模块和部分I/0模块，这些模块被插在一块背板上。假如配置增加，可能会包含一个操作员界面、监控计算机、通信模块、软件和部分可选特殊功效模块。可编程控制器不仅轻易安装，占用空间小，能源消耗小，带有诊疗指示器能够帮助故障诊疗，而且能够被反复使用到其它项目中去。现在，尽管PLC功效，如运行速度、接口种类、数据处理能力已经取得了很大提升，但PLC一直保持了最初设计标准，那就是简单之上标准[[] 邹进慧.可编程控制器及其系统[M]. 重庆:重庆大学出版社，.
]。
3.1 PLC选择
(一)PLC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，通常可按控制功效或输入输出点数选型。 整体型PLCI/O点数固定，所以用户选择余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多个I/O卡件或插卡，所以用户可较合理地选择和配置控制系统I/O点数，功效扩展方便灵活，通常见于大中型控制系统[[] 张发玉.可编程序控制器应用技术[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社，
]。
(二)输入输出模块选择
输入输出模块选择应考虑和应用要求统一。比如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方法等应用要求。对输出模块，应考虑选择输出模块类型，通常继电器输出模块含有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场所，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，和应用要求应一致。
可依据应用要求，合理选择智能型输入输出模块，方便提升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)电源选择
PLC供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应依据产品说明书要求设计和选择外，通常PLC供电电源应设计选择220VA电源，和中国电网电压一致。关键应用场所，应采取不间断电源或稳压电源供电。
假如PLC本身带有可使用电源时，应查对提供电流是否满足应用要求，不然应设计外接供电电源。为预防外