[摘要]本文介紹了一種plc與變頻調(diào)速器構(gòu)成的多分支通訊網(wǎng)絡(luò)，闡明了該網(wǎng)絡(luò)控制調(diào)速系統(tǒng)與一般模擬量控制調(diào)速系統(tǒng)相比的優(yōu)越性，給出了系統(tǒng)框圖及plc程序。

　　[關(guān)鍵詞]plc變頻調(diào)速器多電機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議

　　一、引言

　　以變頻調(diào)速器為調(diào)速控制器

　　的同步控制系統(tǒng)、比例控制系統(tǒng)和同速系統(tǒng)等已廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、紡織、化工等行業(yè)。以比例控制系統(tǒng)為例，一般的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

　　工作時(shí)操作人員通過控制機(jī)(可為plc或工業(yè)pc)設(shè)定比例運(yùn)行參數(shù)，然后控制機(jī)通過d/a轉(zhuǎn)換模件發(fā)出控制變頻調(diào)速器的速度指令使各個(gè)變頻調(diào)速器帶動(dòng)電機(jī)按一定的速度比例運(yùn)轉(zhuǎn)。此方案對(duì)電機(jī)數(shù)目不多，電機(jī)分布比較集中的應(yīng)用系統(tǒng)較合適。但對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)自動(dòng)線，一方面電機(jī)數(shù)目較多，另一方面電機(jī)分布距離較遠(yuǎn)。采用此控制方案時(shí)由于速度指令信號(hào)在長距離傳輸中的衰減和外界的干擾，使整個(gè)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性降低;同時(shí)大量d/a轉(zhuǎn)換模件使系統(tǒng)成本增加。為此我們提出了plc與變頻調(diào)速器構(gòu)成多分支通訊控制網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)成本較低、信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)，尤其適合遠(yuǎn)距離，多電機(jī)控制。

　　二、系統(tǒng)硬件構(gòu)成

　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由下列組件構(gòu)成;

　　1、fx0n—24mr為plc基本單元，執(zhí)行系統(tǒng)及用戶軟件，是系統(tǒng)的核心。

　　2、fx0n—485adp為fx0n系統(tǒng)plc的通訊適配器，該模塊的主要作用是在計(jì)算機(jī)—plc通訊系統(tǒng)中作為子站接受計(jì)算機(jī)發(fā)給plc的信息或在多plc構(gòu)成n:n網(wǎng)絡(luò)時(shí)作為網(wǎng)絡(luò)適配器，一般只作為規(guī)定協(xié)議的收信單元使用。本文作者在分析其結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將其作為通訊主站使用，完成變頻調(diào)速器控制信號(hào)的發(fā)送。

　　3、fr—cu03為fr—a044系列比例調(diào)速器的計(jì)算機(jī)連接單元，符合rs—422/rs—485通訊規(guī)范，用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與多臺(tái)變頻調(diào)速器的連網(wǎng)。通過該單元能夠在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速器的運(yùn)行控制(如啟動(dòng)、停止、運(yùn)行頻率設(shè)定)、參數(shù)設(shè)定和狀態(tài)監(jiān)控等功能，是變頻器的網(wǎng)絡(luò)接口。

　　4、fr—a044變頻調(diào)查器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。

　　在1:n(本文中為1:3)多分支通訊網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)變頻器為一個(gè)子站，每個(gè)子站均有一個(gè)站號(hào)，事先由參數(shù)設(shè)定單元設(shè)定。工作過程中，plc通過fx0n—485adp發(fā)有關(guān)命令信息后，各個(gè)子站均收到該信息，然后每個(gè)子站判斷該信息的站號(hào)地址是否與本站站號(hào)一致。若一致則處理該信息并返回應(yīng)答信息;若不一致則放棄該信息的處理，這樣就保證了在網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)只有一個(gè)子站與主站交換信息。

　　三、軟件設(shè)計(jì)

　　1、通訊協(xié)議

　　fr—cu03規(guī)定計(jì)算機(jī)與變頻器的通訊過程如圖3所示，

　　該過程最多分5個(gè)階段。?、計(jì)算機(jī)發(fā)出通訊請(qǐng)求;?、變頻器處理等待;?、變頻器作出應(yīng)答;?、計(jì)算機(jī)處理等待;?、計(jì)算機(jī)作出應(yīng)答。根據(jù)不同的通訊要求完成相應(yīng)的過程，如寫變頻器啟停控制命令時(shí)完成?~?三個(gè)過程;監(jiān)視變頻器運(yùn)行頻率時(shí)完成?~?五個(gè)過程。不論是寫數(shù)據(jù)還是讀數(shù)據(jù)，均有計(jì)算機(jī)發(fā)出請(qǐng)求，變頻器只是被動(dòng)接受請(qǐng)求并作出應(yīng)答。每個(gè)階段的數(shù)據(jù)格式均有差別。圖4分別為寫變頻器控制命令和變頻器運(yùn)行頻率的數(shù)據(jù)格式。

　　2、plc編程

　　要實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制，必須對(duì)plc進(jìn)行編程，通過程序?qū)崿F(xiàn)plc與變頻器信息交換的控制。plc程序應(yīng)完成fx0n—485adp通訊適配器的初始化、控制命令字的組合、代碼轉(zhuǎn)換及變頻器應(yīng)答信息的處理等工作。plc梯形圖程序(部分程序)如圖5所示。

　　程序中通訊發(fā)送緩沖區(qū)為d127~d149;接受緩沖區(qū)為d150~d160。電機(jī)1啟動(dòng)、停止分別由x0的上升、下降沿控制;電機(jī)2啟動(dòng)、停止分別由x1的上升、下降沿控制;電機(jī)3啟動(dòng)、停止分別由x2的上升、下降沿控制。程序由系統(tǒng)起始脈沖m8002初始化fx0n—485adp的通訊協(xié)議;然后進(jìn)行啟動(dòng)、停止信號(hào)的處理。以電機(jī)1啟動(dòng)為例，x0的上升沿m50吸合，變頻器1的站號(hào)送入d130，運(yùn)行命令字送入d135，enq、寫運(yùn)行命令的控制字和等待時(shí)間等由編程器事先寫入d131、d132、d133;接著求校驗(yàn)和并送入d136、d137;最后置m8122允許rs指令發(fā)送控制信息到。變頻器受到信號(hào)后立刻返回應(yīng)答信息，此信息fx0n—485adp收到后置m8132，plc根據(jù)情況作出相應(yīng)處理后結(jié)束程序。

　　四、變頻器制動(dòng)的思路和新方法

　　在通用變頻器、異步電動(dòng)機(jī)和機(jī)械負(fù)載所組成的變頻調(diào)速傳統(tǒng)系統(tǒng)中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)所傳動(dòng)的位能負(fù)載下放時(shí)，電動(dòng)機(jī)將可能處于再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài);或當(dāng)電動(dòng)機(jī)從高速到低速(含停車)減速時(shí)，頻率可以突減，但因電機(jī)的機(jī)械慣性，電機(jī)可能處于再生發(fā)電狀態(tài)，傳動(dòng)系統(tǒng)中所儲(chǔ)存的機(jī)械能經(jīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成電能，通過逆變器的六個(gè)續(xù)流二極管回送到變頻器的直流回路中。此時(shí)的逆變器處于整流狀態(tài)。這時(shí)，如果變頻器中沒采取消耗能量的措施，這部分能量將導(dǎo)致中間回路的儲(chǔ)能電容器的電壓上升。如果當(dāng)制動(dòng)過快或機(jī)械負(fù)載為提升機(jī)類時(shí)，這部分能量就可能

　　對(duì)變頻器帶來損壞，所以這部分能量我們就應(yīng)該考慮考慮了。

　　在通用變頻器中，對(duì)再生能量最常用的處理方式有兩種：(1)、耗散到直流回路中人為設(shè)置的與電容器并聯(lián)的“制動(dòng)電阻”中，稱之為動(dòng)力制動(dòng)狀態(tài);(2)、使之回饋到電網(wǎng)，則稱之為回饋制動(dòng)狀態(tài)(又稱再生制動(dòng)狀態(tài))。還有一種制動(dòng)方式，即直流制動(dòng)，可以用于要求準(zhǔn)確停車的情況或起動(dòng)前制動(dòng)電機(jī)由于外界因素引起的不規(guī)則旋轉(zhuǎn)。

　　在書籍、刊物上有許多專家談?wù)撨^有關(guān)變頻器制動(dòng)方面的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，尤其是近些時(shí)間有過許多關(guān)于“能量回饋制動(dòng)”方面的文章。今天，筆者提供一種新型的制動(dòng)方法，它具有“回饋制動(dòng)”的四象限運(yùn)轉(zhuǎn)、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，也具有“能耗制動(dòng)”對(duì)電網(wǎng)無污染、可靠性高等好處。

　　1、能耗制動(dòng)

　　利用設(shè)置在直流回路中的制動(dòng)電阻吸收電機(jī)的再生電能的方式稱為能耗制動(dòng)。

　　其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單;對(duì)電網(wǎng)無污染(與回饋制動(dòng)作比較)，成本低廉;缺點(diǎn)是運(yùn)行效率低，特別是在頻繁制動(dòng)時(shí)將要消耗大量的能量且制動(dòng)電阻的容量將增大。

　　一般在通用變頻器中，小功率變頻器(22kw以下)內(nèi)置有了剎車單元，只需外加剎車電阻。大功率變頻器(22kw以上)就需外置剎車單元、剎車電阻了。

　　2、回饋制動(dòng)

　　實(shí)現(xiàn)能量回饋制動(dòng)就要求電壓同頻同相控制、回饋電流控制等條件。它是采用有源逆變技術(shù)，將再生電能逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率同相位的交流電回送電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

　　回饋制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是能四象限運(yùn)行,電能回饋提高了系統(tǒng)的效率。其缺點(diǎn)是：(1)、只有在不易發(fā)生故障的穩(wěn)定電網(wǎng)電壓下(電網(wǎng)電壓波動(dòng)不大于10%)，才可以采用這種回饋制動(dòng)方式。因?yàn)樵诎l(fā)電制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)電壓故障時(shí)間大于2ms，則可能發(fā)生換相失敗，損壞器件。(2)、在回饋時(shí)，對(duì)電網(wǎng)有諧波污染。(3)、控制復(fù)雜，成本較高。

　　3、新型制動(dòng)方式(電容反饋制動(dòng))

　　3.1主回路原理

　　整流部分采用普通的不可控整流橋進(jìn)行整流，濾波回路采用通用的電解電容，延時(shí)回路采用接觸器或可控硅都行。充電、反饋回路由功率模塊igbt、充電、反饋電抗器l及大電解電容c(容量約零點(diǎn)幾法，可根據(jù)變頻器所在的工況系統(tǒng)決定)組成。逆變部分由功率模塊igbt組成。保護(hù)回路，由igbt、功率電阻組成。

　　(1)電動(dòng)機(jī)發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)

　　cpu對(duì)輸入的交流電壓和直流回路電壓νd的實(shí)時(shí)監(jiān)控，決定向vt1是否發(fā)出充電信號(hào)，一旦νd比輸入交流電壓所對(duì)應(yīng)的直流電壓值(如380vac—530vdc)高到一定值時(shí)，cpu關(guān)斷vt3，通過對(duì)vt1的脈沖導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)對(duì)電解電容c的充電過程。此時(shí)的電抗器l與電解電容c分壓，從而確保電解電容c工作在安全范圍內(nèi)。當(dāng)電解電容c上的電壓快到危險(xiǎn)值(比如說370v)，而系統(tǒng)仍處于發(fā)電狀態(tài)，電能不斷通過逆變部分回送到直流回路中時(shí)，安全回路發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)(電阻制動(dòng))，控制vt3的關(guān)斷與開通，從而實(shí)現(xiàn)電阻r消耗多余的能量，一般這種情況是不會(huì)出現(xiàn)的。

　　(2)電動(dòng)機(jī)電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)

　　當(dāng)cpu發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)不再充電時(shí)，則對(duì)vt3進(jìn)行脈沖導(dǎo)通，使得在電抗器l上行成了一個(gè)瞬時(shí)左正右負(fù)的電壓，再加上電解電容c上的電壓就能實(shí)現(xiàn)從電容到直流回路的能量反饋過程。cpu通過對(duì)電解電容c上的電壓和直流回路的電壓的檢測(cè)，控制vt3的開關(guān)頻率以及占空比,從而控制反饋電流，確保直流回路電壓νd不出現(xiàn)過高。

　　3.2系統(tǒng)難點(diǎn)

　　(1)電抗器的選取

　　(a)、我們考慮到工況的特殊性，假設(shè)系統(tǒng)出現(xiàn)某種故障，導(dǎo)致電機(jī)所載的位能負(fù)載自由加速下落，這時(shí)電機(jī)處于一種發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，再生能量通過六個(gè)續(xù)流二極管回送至直流回路，致使νd升高，很快使變頻器處于充電狀態(tài)，這時(shí)的電流會(huì)很大。所以所選取電抗器線徑要大到能通過此時(shí)的電流。

　　(b)、在反饋回路中，為了使電解電容在下次充電前把盡可能多的電能釋放出來，選取普通的鐵芯(硅鋼片)是不能達(dá)到目的的，最好選用鐵氧體材料制成的鐵芯，再看看上述考慮的電流值如此大，可見這個(gè)鐵芯有多大，素不知市面上有無這么大的鐵氧體鐵芯，即使有，其價(jià)格也肯定不會(huì)很低。

　　所以筆者建議充電、反饋回路各采用一個(gè)電抗器。

　　(2)控制上的難點(diǎn)

　　(a)、變頻器的直流回路中，電壓νd一般都高于500vdc，而電解電容c的耐壓才400vdc，可見這種充電過程的控制就不像能量制動(dòng)(電阻制動(dòng))的控制方式了。其在電抗器上所產(chǎn)生的瞬時(shí)電壓降為，電解電容c的瞬時(shí)充電電壓為νc=νd-νl，為了確保電解電容工作在安全范圍內(nèi)(≤400v)，就得有效的控制電抗器上的電壓降νl，而電壓降νl又取決于電感量和電流的瞬時(shí)變化率。

　　(b)、在反饋過程中，還得防止電解電容c所放的電能通過電抗器造成直流回路電壓過高，以致系統(tǒng)出現(xiàn)過壓保護(hù)。

　　3.3主要應(yīng)用場(chǎng)合及應(yīng)用實(shí)例

　　正是由于變頻器的這種新型制動(dòng)方式(電容反饋制動(dòng))所具有的優(yōu)越性，近些來，不少用戶結(jié)合其設(shè)備的特點(diǎn)，紛紛提出了要配備這種系統(tǒng)。由于技術(shù)上有一定的難度，國外還不知有無此制動(dòng)方式?國內(nèi)目前只有山東風(fēng)光電子公司由以前采用回饋制動(dòng)方式的變頻器(仍有2臺(tái)在正常運(yùn)行中)改用了這種電容反饋制動(dòng)方式的新型礦用提升機(jī)系列，到目前為止，這種電容反饋制動(dòng)的變頻器正長期正常運(yùn)行在山東寧陽保安煤礦及山西太原等地，填補(bǔ)了國內(nèi)這一空白。

　　隨著變頻器應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，這個(gè)應(yīng)用技術(shù)將大有發(fā)展前途，具體來講，主要用在礦井中的吊籠(載人或裝料)、斜井礦車(單筒或雙筒)、起重機(jī)械等行業(yè)。總之需要能量回饋裝置的場(chǎng)合都可選用。

　　五、結(jié)語

　　1、實(shí)際使用表明，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)plc通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)變頻調(diào)速器的運(yùn)行控制、參數(shù)設(shè)定和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。

　　2、該系統(tǒng)最多可控制變頻調(diào)速器32臺(tái)，最大距離500m。

　　3、控制多臺(tái)變頻器，成本明顯低于d/a控制方式。

　　4、隨著變頻器的增加，通訊延遲加大，系統(tǒng)響應(yīng)速度低于d/a控制方式。