现代调速系统综合实训装置的制作方法

本实用新型涉及一种教具，尤其是一种能方便使用plc可编程序控制器、触摸屏、变频器、步进电机驱动器和伺服电机驱动器等器件，可通过变频、步进、伺服等方式进行控制的现代调速系统综合实训装置。

背景技术：

目前公知的教育装备企业生产的调速实训装置多为单一形式，或为变频调速实训装置，或为伺服调速实训装置，当进行变频步进伺服三种常见的现代调速系统相关课程的学习实训时，现有实训装置不全面。

针对上述实训装置存在的问题，研究设计一种新型的现代调速系统综合实训装置，从而克服现有问题并与生产实际接轨是十分必要的。

技术实现要素：

本实用新型针对现有实训装置存在的问题，研究设计了一种结合了变频、步进和伺服控制的现代调速系统综合实训装置，从而解决了现有调速实训装置控制器件和方式单一等问题。

本实用新型采用挂板的形式，挂板由六个部分组成，第一部分安装电源指示灯、指示灯、熔断器；第二部分安装旋转盘、断路器、plc可编程序控制器、电源模块、变频器、步进电机驱动器和伺服电机驱动器；第三部分安装触摸屏、按钮、急停按钮、选择开关、行程开关、精密电位器、三相插座；第四部分安装五个端子排，分别为端子排一至端子排五；第五部分为小车运动系统，交流接触器、中间继电器和端子排六以及端子排七；第六部分安装变频电机；所述的plc可编程序控制器、触摸屏、变频器、步进电机驱动器、伺服电机驱动器及三相插座由不同的断路器分别控制。所述的plc可编程序控制器、触摸屏、变频器、步进电机驱动器、伺服电机驱动器既可以单独使用，也可以通过通讯电缆相互连接进行联机使用；在plc可编程序控制器输入输出的公共端线路上串入熔断器。

进一步地，所述的旋转盘由步进电机驱动，步进电机与所述步进电机驱动器的三相输出端相连，步进电机的转轴穿过旋转盘的中心，与旋转盘紧密连接，所述的旋转盘正上方挂板上安装有金属片；所述的旋转盘均匀地划分为6个区域，每个区域都安装一个接近开关，接近开关的感应面朝外。

进一步地，所述的小车运动系统由伺服电机、减速器、丝杠和滑块组成，伺服电机与所述伺服电机驱动器的三相输出端相连，并通过减速器与丝杠相连，滑块套装在丝杠上，在丝杠左右两侧框架的极限位置处安装限位开关，在框架的顶端设有标尺；在滑块行程范围标尺的上方安装四个接近开关。

进一步地，所述的plc可编程序控制器由plc程序控制器cpu单元和plc程序控制器模拟量单元组成，且模拟量单元通过单元自身的扁平电缆与cpu单元相连。

进一步地，所述的指示灯、按钮、急停按钮、选择开关、行程开关、精密电位器及端子的数量可根据plc可编程序控制器输入/输出端和变频器输入/输出端端子的数量进行设置。

进一步地，所述的指示灯、按钮、急停按钮、选择开关、行程开关、旋转盘上的接近开关、精密电位器的端子连接到端子排一；所述的plc可编程序控制器的输入输出端连接到端子排二；所述的变频器的输入输出端连接到端子排三；所述的步进电机驱动器的输入输出端连接到端子排四；所述的伺服电机驱动器的输入输出端连接到端子排五；所述的变频电机的端子连接到端子排六；所述的小车运动系统中的限位开关、接近开关的端子连接到端子排七。

进一步地，所述的触摸屏和plc可编程序控制器cpu单元既可以通过通讯端口经由专用通讯电缆进行连接，也可通过各自的通信端口经由专用通信电缆与电脑主机相连。

进一步地，所述plc可编程序控制器的cpu单元、变频器、步进电机驱动器、伺服电机驱动器的接地端与接地铜排连接。

进一步地，所述的交流接触器、中间继电器留做备用不接线。

采用上述结构后，根据实训项目的控制需要，按钮、急停按钮、选择开关、行程开关、限位开关和接近开关等器件可作为plc可编程序控制器的cpu单元和变频器数字量输入端口的输入信号；精密电位器可作为可编程序控制器的模拟量单元和变频器的模拟量输入端口的输入信号；指示灯和中间继电器可作为plc可编程序控制器cpu单元数字量输出端口和变频器数字量输出端口的负载；变频电机可作为变频器的负载；旋转盘可作为步进电机的负载，进而受到步进电机驱动器的控制；小车运动系统中的滑块可作为伺服电机的负载，进而受到伺服电机驱动器的控制；触摸屏不仅可以对本实用新型进行启停控制、速度调节，还可以对本实用新型的状态进行显示。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型具有内容全面，结构简单，构造合理等优点，克服了现有的伺服调速实训装置与变频调速实训装置结构单一等问题。

2、本实用新型的指示灯采用dc24vled，断路器、熔断器等接线螺丝处安装堵头，防止误触，提高安全性。

3、本实用新型中的plc可编程序控制器、触摸屏、变频器、步进电机驱动器和伺服电机驱动器既可以单独使用，也可以通过通讯电缆相互连接联机使用。

4、本实用新型中的小车运动系统和旋转盘既可以选用步进电机驱动也可以选用伺服电机驱动，既可以利用各自的接近开关进行数字量的控制，也可以通过plc可编程序控制器设定的脉冲数量进行精确控制。

5、本实用新型来源于生产实际，不仅结构紧凑、配置全面，而且接线方便、操作便捷、安全可靠，利用plc可编程序控制器和触摸屏相互通讯进行变频、步进、伺服调速控制，使学习者能更直观、全面地了解学习过程，掌握学习内容。

附图说明

图1为本实用新型的主视图。

附图标记说明：1、hl20～hl21电源指示灯，2、hl1～hl12dc24v指示灯，3、fu1～fu5熔断器，4、m2旋转盘，5、mt金属片，6、sq21～sq26旋转盘旋接近开关，7、qf0～qf6断路器，8、g00plc可编程序控制器cpu单元，9、g01plc可编程序控制器模拟量单元，10、g02电源模块，11、g03变频器，12、g05步进电机驱动器，13、g06伺服电机驱动器，14、xs1～xs2三相插座，15、g04触摸屏，16、sa1～sa2选择开关，17、sb1～sb12按钮，18、sb0急停按钮，19、rp1～rp2精密电位器，20、sq1～sq4行程开关，21-1、xt1端子排一，21-2、xt2端子排二、21-3、xt3端子排三、21-4、xt4端子排四，21-5、xt5端子排五，21-6、xt6端子排六，21-7、xt7端子排七，22、m1伺服电机，23、sq5～sq6限位开关，24、sq11～sq14小车运动系统接近开关，25、pe接地铜排，26、km1～km4交流接触器，27、ka1～ka4中间继电器，28、m0变频电机，29、标尺，30、yc减速器，31、丝杠，32、滑块。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细描述。

实施方式：如图1所示，在现代调速系统综合实训装置中，采用挂板的形式，挂板由六个部分组成，第一部分安装电源指示灯1、指示灯2、熔断器3；第二部分安装旋转盘4、断路器7、plc可编程序控制器、电源模块10、变频器11、步进电机驱动器12和伺服电机驱动器13；第三部分安装触摸屏15、按钮17、急停按钮18、选择开关16、行程开关20、精密电位器19、三相插座14；第四部分安装五个端子排，分别为端子排一至端子排五21-1至21-5；第五部分为小车运动系统，交流接触器26、中间继电器27和端子排六21-6以及端子排七21-7；第六部分安装变频电机28；所述的plc可编程序控制器、触摸屏、变频器、步进电机驱动器、伺服电机驱动器及三相插座由不同的断路器分别控制。所述的plc可编程序控制器、触摸屏、变频器、步进电机驱动器、伺服电机驱动器既可以单独使用，也可以通过通讯电缆相互连接进行联机使用；在plc可编程序控制器输入输出的公共端线路上串入熔断器。

进一步地，所述的旋转盘由步进电机驱动，步进电机与所述步进电机驱动器的三相输出端相连，步进电机的转轴穿过旋转盘的中心，与旋转盘紧密连接，步进电机将带动旋转盘旋转，所述的旋转盘正上方挂板上安装有金属片5，供旋转盘上的接近开关检测使用；所述的旋转盘均匀地划分为6个区域，每个区域都安装一个接近开关6，接近开关的感应面朝外，用于检测旋转盘正上方的金属片。

进一步地，所述的小车运动系统由伺服电机22、减速器30、丝杠31和滑块32组成，伺服电机与所述伺服电机驱动器的三相输出端相连，并通过减速器与丝杠相连，滑块套装在丝杠上，丝杠在伺服电机和减速器的驱动下旋转，丝杠的旋转(正转/反转)会带动滑块在丝杠上左右移动，滑块模拟小车在丝杠上左行或右行；在丝杠左右两侧框架的极限位置处安装限位开关23，在框架的顶端设有标尺29；在滑块行程范围标尺的上方安装四个接近开关24。

进一步地，所述的plc可编程序控制器由plc程序控制器cpu单元8和plc程序控制器模拟量单元9组成，且模拟量单元通过单元自身的扁平电缆与cpu单元相连。

进一步地，所述的指示灯、按钮、急停按钮、选择开关、行程开关、精密电位器及端子的数量可根据plc可编程序控制器输入/输出端和变频器输入/输出端端子的数量进行设置。

进一步地，所述的指示灯、按钮、急停按钮、选择开关、行程开关、旋转盘上的接近开关、精密电位器的端子连接到端子排一；所述的plc可编程序控制器的输入输出端连接到端子排二；所述的变频器的输入输出端连接到端子排三；所述的步进电机驱动器的输入输出端连接到端子排四；所述的伺服电机驱动器的输入输出端连接到端子排五；所述的变频电机的端子连接到端子排六；所述的小车运动系统中的限位开关、接近开关的端子连接到端子排七。

进一步地，所述的触摸屏和plc可编程序控制器cpu单元既可以通过通讯端口经由专用通讯电缆进行连接，也可通过各自的通信端口经由专用通信电缆与电脑主机相连。

进一步地，所述plc可编程序控制器的cpu单元、变频器、步进电机驱动器、伺服电机驱动器的接地端与接地铜排25连接。

进一步地，所述的交流接触器、中间继电器留做备用不接线。

所述的qf0为实训装置的电源开关；所述的plc可编程序控制器、触摸屏g04、插座xs1～xs2、变频器g03、步进电机驱动器g05、伺服电机驱动器g06的电源端由断路器qf1、qf2、qf3、qf4、qf5、qf6分别控制；所述的电源模块g02和plc可编程序控制器共用qf1断路器，其电源输入端串入熔断器fu1～fu2，plc可编程序控制器的输出公共端线路上串入熔断器fu3～fu5。

所有器件之间的连接导线要穿过挂板上的穿线孔走在挂板背面。

工作原理：

plc可编程序控制器cpu单元和模拟量单元、变频器、触摸屏、步进电机驱动器、伺服电机驱动器的品牌和型号，可根据实训课程的需要进行选取。

在具体的实施中，cpu单元选用siemenss7-200系列cpu224(晶体管输出)，扩展单元选用siemens模拟量模块em235，变频器选用siemensmm440，触摸屏选用tpc7062k，步进电机驱动器选用3m458，伺服电机驱动器选用asda-b2400w。

1、plc可编程序控制器的应用

例如：根据实训项目的控制要求，选择合适数量的按钮接入plc可编程序控制器的cpu单元g00的数字量输入端口，选择合适数量的指示灯接入plc可编程序控制器的cpu单元g00的数字量输出端口，通过编制控制程序，在输入点(按钮)和输出点(指示灯)之间建立起相应的逻辑关系，实现实训项目的控制要求。

2、变频器的单机应用(变频器直接控制电动机进行速度的调整)

根据实训项目的控制要求，选择合适数量的按钮接入变频器g03的数字量输入端口，选择合适数量的指示灯接入变频器g03的数字量输出端口，选择合适数量的精密电位器接入变频器g03的模拟量输入端口；

将端子排xt3上的变频器g03的电源输出端(u、v、w)接至端子排xt6上的变频电机m0的端子上；

合上断路器qf0和qf4，在变频器中设置相应的参数，可利用按钮对变频器进行点动和长动控制，可利用精密电位器对变频电机进行(频率调节)速度控制，可利用指示灯显示当前变频器的某种状态，实现实训项目的控制要求。

3、plc变频器的联机应用(plc和变频器联机对电动机进行速度的调整)

根据实训项目的控制要求，选用合适数量的按钮(sb1～sb12)、选择开关(sa1、sa2)、行程开关(sq1～sq4)、急停按钮sb0与plc可编程序控制器的cpu单元g00的数字量输入端口相连，选用精密电位器(rp1、rp2)与plc可编程序控制器的模拟量单元g01的模拟量输入端口相连；选用plc可编程序控制器的cpu单元g00的数字量输出端口与指示灯相连；选用plc可编程序控制器的cpu单元g00的数字量输出端口与变频器g03的数字量输入端口相连；选用plc可编程序控制器的模拟量单元g01的模拟量输出端口与变频器g03的模拟量输入端口相连；将端子排xt3上的变频器g03的电源输出端(u、v、w)接至端子排xt6上的变频电机m0的端子上；

将plc可编程序控制器的cpu单元g00与电脑经专用通信电缆相连；

合上断路器qf0、qf1和qf4；

在变频器上设置相应的参数；

在电脑上进行控制程序的编制，并下载到plc可编程序控制器的cpu单元g00中。

运行时，通过不同的按钮，可以控制变频电机以变频器参数设定的速度或精密电位器调节的速度进行正转或反转或点动，还可以控制变频电机在遇到行程开关时进行速度和方向的改变；指示灯可以用于指示变频电机的旋转方向等。

4、触摸屏的应用

根据实训项目的控制要求，选用合适数量的按钮(sb1～sb12)、选择开关(sa1、sa2)、行程开关(sq1～sq4)等与plc可编程序控制器的cpu单元g00的数字量输入端口相连，选用精密电位器(rp1、rp2)与plc可编程序控制器的模拟量单元g01的模拟量输入端口相连；选用plc可编程序控制器的cpu单元g00的数字量输出端口与指示灯相连；

将plc可编程序控制器的cpu单元g00通过专用通信电缆与电脑相连；合上断路器qf0、qf1，在电脑上进行控制程序的编制，并下载到plc可编程序控制器的cpu单元g00中；

将触摸屏g04通过专用通信电缆与电脑相连；合上断路器qf0、qf2，在电脑上进行触摸屏画面的编制，根据控制要求，在触摸屏画面上设计相应的输入/输出元件，并下载到触摸屏g04中；

通过专用通信电缆将plc可编程序控制器的cpu单元g00与触摸屏g04相连，合上断路器qf0、qf1、qf2，进行控制系统的调试；通过触摸屏和控制程序，在按钮、触摸屏上的输入元件和指示灯、触摸屏上的输出元件之间建立起相应的逻辑关系，实现实训项目的控制要求。

5、步进控制

根据实训项目的控制要求，选择合适数量的按钮、行程开关、旋转盘上的接近开关接入cpu224的数字量输入端口，将cpu224的数字量输出点q0.0、q0.1接至步进驱动器的pls+和dir+端口，选择合适数量的指示灯接入cpu224的数字量输出端口；

将plc可编程序控制器的cpu单元g00通过专用通信电缆与电脑相连；合上断路器qf0、qf1、qf5，在电脑上进行控制程序的编制，并下载到plc可编程序控制器的cpu单元g00中；

在步进驱动器上调整相应的拨码开关位置；

运行时，按下起动按钮，可以看到旋转盘在步进电机的驱动下旋转。旋转盘旋转时，位于旋转盘最上面的那个接近开关将会检测到金属片，由此可知旋转盘的旋转角度。旋转盘的停止位置可以通过接近开关与金属片的感应进行数字量控制，还可以通过plc设定脉冲数量进行精确控制；通过指示灯可以监测步进电机的运行状态。

6、伺服控制

根据实训项目的控制要求，选择合适数量的按钮、行程开关、小车运动系统上的接近开关接入cpu224的数字量输入端口，将cpu224的数字量输出点q0.0、q0.1接至伺服驱动器的pulse和sign端口，将限位开关sq5、sq5接至伺服驱动器的cwl和ccwl端口，选择合适数量的指示灯接入cpu224的数字量输出端口；

将plc可编程序控制器的cpu单元g00通过专用通信电缆与电脑相连；合上断路器qf0、qf1、qf6，在电脑上进行控制程序的编制，并下载到plc可编程序控制器的cpu单元g00中；

在伺服驱动器上设置相应的参数；

运行时，按下起动按钮，可以看到小车运动系统中滑块在伺服电机的驱动下随着丝杠的旋转(正转/反转)在丝杠上移动(左行/右行)。滑块在丝杠上移动时，位于滑块正上方的接近开关将会得到感应信号，由此可知滑块的行进位置。滑块的行进距离可以通过接近开关的通断进行数字量控制，还可以通过plc设定脉冲数量进行精确控制，并通过标尺进行验证；通过指示灯可以监测伺服电机的运行方向等状态。

通过触摸屏也可以进行伺服电机的启停控制及目标速度的设定和当前速度的显示。

7、变频调速控制系统的综合应用

根据实训项目的控制要求，选用合适数量的按钮(sb1～sb12)、选择开关(sa1、sa2)、行程开关(sq1～sq4)、合适数量的限位开关(qs5、qs6)和接近开关(sq11～sq14)与plc可编程序控制器的cpu单元g00的数字量输入端口相连，选用精密电位器(rp1、rp2)与plc可编程序控制器的模拟量单元g01的模拟量输入端口相连；选用plc可编程序控制器的cpu单元g00的数字量输出端口与指示灯相连；选用plc可编程序控制器的cpu单元g00的数字量输出端口与变频器g03的数字量输入端口相连；选用plc可编程序控制器的cpu单元g00的数字量输出端口与伺服驱动器和步进驱动器相连；选用plc可编程序控制器的模拟量单元g01的模拟量输出端口与变频器g03的模拟量输入端口相连；

将端子排xt3上的变频器g03的电源输出端(u、v、w)接至端子排xt6上的变频电机m0的端子上；

将plc可编程序控制器的cpu单元g00与电脑经专用通信电缆相连；

合上断路器qf0、qf1和qf4；

在变频器上设置相应的参数；

在电脑上进行控制程序的编制，并下载到plc可编程序控制器的cpu单元g00中。

将触摸屏g04通过专用通信电缆与电脑相连；合上断路器qf0、qf2，在电脑上进行触摸屏画面的编制，根据控制要求，在触摸屏画面上设计相应的输入/输出元件，并下载到触摸屏g04中；

合上断路器qf0、qf5和qf6；

在步进驱动器上调整相应的拨码开关位置；

在伺服驱动器上设置相应的参数；

通过专用通信电缆将plc可编程序控制器的cpu单元g00与触摸屏g04相连，进行实训项目的调试；

合上断路器qf0、qf1、qf2、qf4、qf5和qf6；

运行时，可由按钮或触摸屏上的控制按钮共同对变频器、旋转盘和小车运动系统进行正反转、左行/右行控制，指示灯或触摸屏上的指示灯可以指示变频器和旋转盘的旋转方向、滑块的行进方向等；触摸屏上的显示区还可以根据项目要求，显示滑块当前的运行速度等信息。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。