机电系统集成技术课程内容理论部分：第一部分：系统集成概述第二部分：通用变频器控制系统设计和应用实践部分：任务1：变频器的面板操作与运行任务2：变频器的外部运行操作任务3：变频器的模拟信号操作控制为什么学习系统集成1、市场职位需求，就业压力是必须面对的问题。2、硬件模块化，软件可定制的设计方法适合采用系统集成。如：山寨手机3、高可靠性、稳定性特殊应用场合，必须采用成熟的技术。如：工厂生产线、新产品推出周期越来越短，不可能每个部件都重新设计。第一部分：课程导入（30分钟）1 系统集成技术的提出和发展2 系统集成的基本概念3 本课程的主要内容分布式控制系统DCS1 系统集成的提出和发展 1975年美国Honeywell公司首先推出了以微处理器为基础的TDC-2000型总体分布式控制系统（Total Distributed Control，简称为TDC），实现集中管理、分散控制，称之为集散控制系统。计算机集成制造系统CIMS (Computer Integrated Manufacturing System)大的机电系统集成一台设备、一台仪器、片上系统SoC (System-on-a-Chip)小的机电系统集成 计算机集成制造的概念最早是美国人Harrington J.于1973年提出来的，强调①系统集成的观点，②信息的观点。问题： ·不同厂家的产品由于协议不同而缺乏互操作性。由于协议的不同，造成了现场仪表不能与系统集成而进一步发挥仪表的智能。 ·有些大的产业集团着大力开发出专有大系统，为了保持系统的集成，用户不得不从该厂家购买不一定是最好又很昂贵的部件，形成垄断。 解决以上矛盾的出路就是制定一种独立于卖方的系统集成标准，标准化的总线网络顺势而生。网络是开放式系统的关键要素，因此进一步开发出具有互操作性的现场总线（Fieldbus）。 现场总线控制系统FCS （Fieldbus Control System）于20世纪80年代开始发展，专家们开发新技术作为标准的国际通行的现场总线，以满足总线供电、安全运行、远距离通信等方面的要求。标准化打击了垄断，激发了竞争，促进了科学技术的进步。 20世纪70年代，人们开始考虑将微型机嵌入到机电仪器设备中，实现对象体系的智能化控制。嵌入式系统侧重于控制功能和环境适应性等，通用计算机系统侧重于高速海量的数据文件处理能力。 嵌入式计算机系统发展的核心是单芯片化的发展。三个基本要素专用性嵌入式系统嵌入性计算机系统 嵌入式系统按形态可分为设备级（工控机）、板级（单板、模块）和芯片级（MCU、SoC）。 微型计算机的体积、价位、可靠性无法满足嵌入式应用要求，嵌入式系统将计算机做在一个芯片上，走上芯片化道路，开创了嵌入式系统的单片机时代。Σ模式创新模式 直接芯片化的模式，将通用计算机系统中的基本单元进行裁剪后，集成在一个芯片上，构成单片微型计算机； 完全按嵌入式应用要求设计全新的，满足嵌入式应用要求的体系结构、微处理器、指令系统、总线方式、管理模式等。 嵌入式系统本身就是系统集成的成功实例。·嵌入式系统包括了通信（Communication）、计算（Computation）、自动控制技术（Control）等功能；·嵌入式系统包括数字模拟融合，微机电融合，电路板硅片融合，硬软件设计融合，趋向SoC；嵌入式整机的开发工作从传统的硬件为主向软件比重越来越大的方向发展。2 系统集成的基本概念系 统 《中国大百科全书·自动控制与系统工程》对系统的定义为：由相互制约、相互作用的一些部分组成的具有某种功能的有机整体。 系统从广义上可以定义为两个或两个以上事物组成的相互依存，相互作用，共同完成某种特定功能或形成某种事物现象的一个统一整体的总称。系统集成 相互分离、彼此孤立的模块协调组成有机整体。集成能使组成整体的各部分彼此有机协调地工作，以发挥整体效益，达到整体优化的目的。集成不是各个分离部分简单捏合在一起组成的“拼盘”，而应理解为经过了充分的相互融合，形成了优化的统一整体。系统集成可以减少数据冗余、实现资源和信息共享，便于对数据的合理规划和分布，便于组成部件的协调规划，有利于并行工作、提高工作效率。硬件集成系统集成软件集成工具集成系统集成是根据应用的需求，将机电硬件平台、网络设备、系统软件、工具软件及相应的应用软件等集成为具有优良性价比的机电系统的全过程。系统集成就是按照应用需求，对众多的技术和产品进行合理地选择，最佳配置各种硬件和软件产品与资源，组合成完整的、能够解决具体应用需求的集成方案，使系统的整体性能最优。技术上具有先进性实现上具有可行性使用上具有灵活性发展上具有可扩性投资上具有受益性根据用户的需求，确定硬件平台设备的选型；对已产品化的部件模块进行产品测试、验收；提供对其他设备、网络结构、数据库之间的连接技术；要求大量、广泛地掌握和积累各种产品特性，了解国内外有关的规范和标准；准备各厂商有关的产品的检测验收及工程安装施工标准。硬件集成软件集成以操作系统为核心构建软件平台；已有应用软件和将要开发的应用软件的集成；对应用软件开发商进行约束，使集成时可取得对应用软件系统的控制权和维护权；通过预留接口对应用子系统进行适当的调整，以实现各个应用子系统的可互联、可互操作、可运行。使用开发工具进行系统开发，建立系统原型，使系统的可维护性增强，提高系统开发的质量；开发工具要尽可能开放，独立于硬件平台、软件平台甚至数据库的选择，这样才有利于系统的扩充和联网。开发工具要有与高级语言的接口，有结构优良的数据字典，使各分立产品容易集成；要考虑开发工具制造厂商的技术支持、售后服务和厂商本身的稳定性等因素。工具集成第二部分：通用变频器控制系统设计和应用1、什么是变频器？ 变频器 变频器是将交流工频电源转换成电压、频率均可 变的适合交流电机调速的电力电子变换装置，英文简称VVVF ( Variable Voltage Variable Frequency）变频器的控制对象 三相交流异步电机和三相交流同步电机，标准适配电机极数是2/4极变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）早调速方式名称控制对象特点变极调速交流异步电动机有级调速，系统简单，最多4段速调压调速无级调速，调速范围窄电机最大出力能力下降，效率低系统简单，性能较差转子串电阻调速变频调速交流异步电动机交流同步电动机真正无级调速，调速范围宽电机最大出力能力不变，效率高系统复杂，性能好可以和直流调速系统相媲美发 展 时 间晚变频调速原理：n=60?f(1-s)/p调压调速：通过异步电动机的三相交流电压大小来调节转子转速的方法。2 变频器的作用和功能变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，得到广泛应用。变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器+交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新阶段。 变频器可以优化电机运行，所以也能够起到增效节能的作用。根据全球著名变频器生产企业ABB的测算，单单该集团全球范围内已经生产并且安装的变频器每年就能够节省1150亿千瓦时电力，相应减少9,700万吨二氧化碳排放，这已经超过芬兰一年的二氧化碳排放量。变频调速能够应用在大部分的电机拖动场合，由于它能提供精确的速度控制，因此可以方便地控制机械传动的上升、下降和变速运行。变频应用可以大大地提高工艺的高效性(变速不依赖于机械部分)，同时可以比原来的定速运行电机更加节能。下面例举使用变频调速的10个理由，来说明变频器应用日趋普及的基本认识:? (1)?控制电机的启动电流。?当电机通过工频直接启动时，它将会产生7到8倍的电机额定电流。这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量，从而降低电机的寿命。而变频调速则可以在零速零电压启动(也可适当加转矩提升)。一旦频率和电压的关系建立，变频器就可以按照V/F或矢量控制方式带动负载进行工作。使用变频调速能充分降低启动电流，提高绕组承受力，用户最直接的好处就是电机的维护成本将进一步降低、电机的寿命则相应增加。 (2)?降低电力线路电压波动。?在电机工频启动时，电流剧增的同时，电压也会大幅度波动，电压下降的幅度将取决于启动电机的功率大小和配电网的容量。电压下降将会导致同一供电网络中的电压敏感设备故障跳闸或工作异常，如PC机、传感器、接近开关和接触器等均会动作出错。而采用变频调速后，由于能在零频零压时逐步启动，则能最大程度上消除电压下降??3)?启动时需要的功率更低。?电机功率与电流和电压的乘积成正比,?那么通过工频直接启动的电机消耗的功率将大大高于变频启动所需要的功率。在一些工况下其配电系统已经达到了最高极限，其直接工频启动电机所产生的电涌就会对同网上的其他用户产生严重的影响,?从而将受到电网运行商的警告,?甚至罚款。如果采用变频器进行电机起停,?就不会产生类似的问题。?(4)?可控的加速功能。?变频调速能在零速启动并按照用户的需要进行均匀地加速，而且其加速曲线也可以选择(直线加速、S形加速或者自动加速)。而通过工频启动时对电机或相连的机械部分轴或齿轮都会产生剧烈的振动。这种振动将进一步加剧机械磨损和损耗，降低机械部件和电机的寿命。另外，变频启动还能应用在类似灌装线上，以防止瓶子倒翻或损坏。 (5)?可调的运行速度。?运用变频调速能优化工艺过程，并能根据工艺过程迅速改变，还能通过远控PLC或其他控制器来实现速度变化。? (6)?受控的停止方式。?如同可控的加速一样,?在变频调速中,?停止方式可以受控，并且有不同的停止方式可以选择(减速停车、自由停车、减速停车＋直流制动)，同样它能减少对机械部件和电机的冲击，从而使整个系统更加可靠，寿命也会相应增加。 (7)?节能?离心风机或水泵采用变频器后都能大幅度地降低能耗，这在十几年的工程经验中已经得到体现。由于最终的能耗是与电机的转速成立方比，所以采用变频后投资回报就更快。(8)?可逆运行控制?在变频器控制中，要实现可逆运行控制无须额外的可逆控制装置，只需要改变输出电压的相即可，这样就能降低维护成本和节省安装空间。 分类变频器分为 :1 交---交型 输入是交流，输出也是交流 将工频交流电直接转换成频率、电压均可控制的交流 （又称直接式变频器）2 交—直---交型 输入是交流，变成直流 再变成交流输出 将工频交流电通过整流变成直流电，然后再把直流电变成频率、电压、均可控的交流电 （又称为间接变频器）交流低压交直交通用变频器系统框图M整流部分直流中间电路～逆变部分交流直流直流交流控制系统整流电路: 交流?直流直流中间电路:滤波\(平滑电流\斩波\制动\输助电路)逆变电路:直流?交流控制电路:实现主电路与控制电路隔离\检测\接口 实现主电路各开关器件的通断控制 交流变频算法, 需要高性能的CPU,如DSP核心部分!工作原理：交—直—交第一章 MICROMASTER440(MM440)变频器概述一、认识MM440通用型变频器电路结构 变频器控制电路输入输出电路简图 MM440变频器的接线端子 用SDP进行基本操作 基本操作板（BOP） 高级操作板（AOP）PROFIBUS模块外形尺寸为A～F MM440变频器电动机和电源的接线 变频器的DIP开关用状态显示屏SDP 进行调试采用SDP 进行操作时变频器的预设定必须与以下的电动机数据兼容：（1）电动机的额定功率（2）电动机电压（3）电动机的额定电流（4）电动机的额定频率此外, 变频器还必须满足以下条件:（1）按照线性V/f 控制特性，由模 拟电位计控制电动机速度。（2）频率为50Hz 时最大速度为3000 转/分钟(60Hz 时为3600 转/分钟)，可通过变频器的模拟输入端用电位计控制。（3）斜坡上升时间/斜坡下降时间 = 10s。使用变频器上装设的SDP 可进行以下操作：（1）启动和停止电动机(数字输入DIN1 由外接开关控制)（2）电动机反向(数字输入DIN2 由外接开关控制)（3）故障复位(数字输入DIN3 由外接开关控制)基本操作面板上的按钮说明 选择命令/设定值源P0719MM440变频器调试步骤参数复位，是将变频器参数恢复到出厂状态下的默认值的操作。一般在变频器出厂和参数出现混乱的时候进行此操作。（1）设置P0010=30（2）设置P0970=1复位过程约需3分钟才能完成。 快速调试状态，需要用户输入电机相关的参数和一些基本驱动控制参数，使变频器可以良好的驱动电机运转。一般在复位操作后，或者更换电机后需要进行此操作。功能调试，指用户按照具体生产工艺的需要进行的设置操作。这一部分的调试工作比较复杂，常常需要在现场多次调试。用 BOP/AOP 进行的基本操作条件P0010 = 0 (电机准备运行， 修改参数时，必须设置P0010 = 1，否则不能修改电动机参数)。P0700 = 1 (使能 BOP的起动 / 停止按钮)。P1000 = 1 (使能电动电位计的设定值)。访问等级 P0003等级 1 =标准级PPPPPPPPPPPPP等级 2 =扩展级PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP等级 3 =专家级PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP等级 4 =服务级PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPMICROMASTER 系统参数的简要介绍r xxxx表示一个用于显示的只读参数，Pxxxx是一个设定参数。 P0010 起动“快速调试”。如果 P0010 被访问以后没有设定为 0，变频器将不运行。如果 P39000，这一功能是自动完成的。P0004 的作用是过滤参数，据此可以按照功能去访问不同的参数。如果试图修改一个参数，而在当前状态下此参数不能修改，例如，不能在运行时修改该参数或者该参数只能在快速调试时才能修改，那么将显示 。 忙碌信息某些情况下 - 在修改参数的数值时 - BOP 上显示：busy，最多可达 5秒。这种情况表示变频器正忙于处理优先级更高的任务参数概览 当p0004=2时，可以查看或访问的数据指令源的选择 P0700P0700 =1BOP 或 AOP上的 I/O 键2端子排 (= 开关量输入端)指令通过 RS 232 接口的USS 总线 (PC-变频器安装组件)4通过 RS 485 接口的USS 总线通讯模板 (例如: Profibus)6?切换“频率设定值源的选择 P1000P1000 =电动电位器上升1下降2端子排 (= 模拟量输入端) 固定频率FF1 ...FF2 ...FF3 ...3选择固定频率设定值通过 RS 232 接口的USS 总线 (PC-变频器安装组件)4通过 RS 485 接口的USS 总线通讯模板 (例如: Profibus)6?切换“P0701 =1ON/OFF13OFF24OFF3DIN 19故障应答12反向. . . 输入端端子功能选择P0702 =1ON/OFF13OFF24OFF3DIN 29故障应答12反向. . . DIN 3etc.DIN 4DIN 5DIN 6P0731 =52.0运行准备52.3故障52.7报警DOUT 152.10达到了最大频率52.13电机过载. . . 输出端端子功能选择P0732 =52.0运行准备52.3故障52.7报警DOUT 252.10达到了最大频率52.13电机过载. . . DOUT 3笔记： ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................笔记： ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

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