[摘要]本文介紹了一種plc與變頻調(diào)速器構成的多分支通訊網(wǎng)絡，闡明了該網(wǎng)絡控制調(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。

　　[關鍵詞]plc變頻調(diào)速器多電機控制網(wǎng)絡通訊協(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)等已廣泛應用于冶金、機械、紡織、化工等行業(yè)。以比例控制系統(tǒng)為例，一般的系統(tǒng)構成如圖1所示。

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

　　二、系統(tǒng)硬件構成

　　系統(tǒng)硬件結構如圖2所示，主要由下列組件構成;

　　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算機—plc通訊系統(tǒng)中作為子站接受計算機發(fā)給plc的信息或在多plc構成n:n網(wǎng)絡時作為網(wǎng)絡適配器，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構的基礎上，將其作為通訊主站使用，完成變頻調(diào)速器控制信號的發(fā)送。

　　3、fr—cu03為fr—a044系列比例調(diào)速器的計算機連接單元，符合rs—422/rs—485通訊規(guī)范，用于實現(xiàn)計算機與多臺變頻調(diào)速器的連網(wǎng)。通過該單元能夠在網(wǎng)絡上實現(xiàn)變頻調(diào)速器的運行控制(如啟動、停止、運行頻率設定)、參數(shù)設定和狀態(tài)監(jiān)控等功能，是變頻器的網(wǎng)絡接口。

　　4、fr—a044變頻調(diào)查器，實現(xiàn)電機調(diào)速。

　　在1:n(本文中為1:3)多分支通訊網(wǎng)絡中，每個變頻器為一個子站，每個子站均有一個站號，事先由參數(shù)設定單元設定。工作過程中，plc通過fx0n—485adp發(fā)有關命令信息后，各個子站均收到該信息，然后每個子站判斷該信息的站號地址是否與本站站號一致。若一致則處理該信息并返回應答信息;若不一致則放棄該信息的處理，這樣就保證了在網(wǎng)絡上同時只有一個子站與主站交換信息。

　　三、軟件設計

　　1、通訊協(xié)議

　　fr—cu03規(guī)定計算機與變頻器的通訊過程如圖3所示，

　　該過程最多分5個階段。?、計算機發(fā)出通訊請求;?、變頻器處理等待;?、變頻器作出應答;?、計算機處理等待;?、計算機作出應答。根據(jù)不同的通訊要求完成相應的過程，如寫變頻器啟停控制命令時完成?~?三個過程;監(jiān)視變頻器運行頻率時完成?~?五個過程。不論是寫數(shù)據(jù)還是讀數(shù)據(jù)，均有計算機發(fā)出請求，變頻器只是被動接受請求并作出應答。每個階段的數(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行頻率的數(shù)據(jù)格式。

　　2、plc編程

　　要實現(xiàn)對變頻器的控制，必須對plc進行編程，通過程序實現(xiàn)plc與變頻器信息交換的控制。plc程序應完成fx0n—485adp通訊適配器的初始化、控制命令字的組合、代碼轉換及變頻器應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1啟動、停止分別由x0的上升、下降沿控制;電機2啟動、停止分別由x1的上升、下降沿控制;電機3啟動、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;然后進行啟動、停止信號的處理。以電機1啟動為例，x0的上升沿m50吸合，變頻器1的站號送入d130，運行命令字送入d135，enq、寫運行命令的控制字和等待時間等由編程器事先寫入d131、d132、d133;接著求校驗和并送入d136、d137;最后置m8122允許rs指令發(fā)送控制信息到。變頻器受到信號后立刻返回應答信息，此信息fx0n—485adp收到后置m8132，plc根據(jù)情況作出相應處理后結束程序。

　　四、變頻器制動的思路和新方法

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

　　對變頻器帶來損壞，所以這部分能量我們就應該考慮考慮了。

　　在通用變頻器中，對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置的與電容器并聯(lián)的“制動電阻”中，稱之為動力制動狀態(tài);(2)、使之回饋到電網(wǎng)，則稱之為回饋制動狀態(tài)(又稱再生制動狀態(tài))。還有一種制動方式，即直流制動，可以用于要求準確停車的情況或起動前制動電機由于外界因素引起的不規(guī)則旋轉。

　　在書籍、刊物上有許多專家談論過有關變頻器制動方面的設計與應用，尤其是近些時間有過許多關于“能量回饋制動”方面的文章。今天，筆者提供一種新型的制動方法，它具有“回饋制動”的四象限運轉、運行效率高等優(yōu)點，也具有“能耗制動”對電網(wǎng)無污染、可靠性高等好處。

　　1、能耗制動

　　利用設置在直流回路中的制動電阻吸收電機的再生電能的方式稱為能耗制動。

　　其優(yōu)點是構造簡單;對電網(wǎng)無污染(與回饋制動作比較)，成本低廉;缺點是運行效率低，特別是在頻繁制動時將要消耗大量的能量且制動電阻的容量將增大。

　　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

　　實現(xiàn)能量回饋制動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，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)，從而實現(xiàn)制動。

　　回饋制動的優(yōu)點是能四象限運行,電能回饋提高了系統(tǒng)的效率。其缺點是：(1)、只有在不易發(fā)生故障的穩(wěn)定電網(wǎng)電壓下(電網(wǎng)電壓波動不大于10%)，才可以采用這種回饋制動方式。因為在發(fā)電制動運行時，電網(wǎng)電壓故障時間大于2ms，則可能發(fā)生換相失敗，損壞器件。(2)、在回饋時，對電網(wǎng)有諧波污染。(3)、控制復雜，成本較高。

　　3、新型制動方式(電容反饋制動)

　　3.1主回路原理

　　整流部分采用普通的不可控整流橋進行整流，濾波回路采用通用的電解電容，延時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。保護回路，由igbt、功率電阻組成。

　　(1)電動機發(fā)電運行狀態(tài)

　　cpu對輸入的交流電壓和直流回路電壓νd的實時監(jiān)控，決定向vt1是否發(fā)出充電信號，一旦νd比輸入交流電壓所對應的直流電壓值(如380vac—530vdc)高到一定值時，cpu關斷vt3，通過對vt1的脈沖導通實現(xiàn)對電解電容c的充電過程。此時的電抗器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)。當電解電容c上的電壓快到危險值(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，安全回路發(fā)揮作用，實現(xiàn)能耗制動(電阻制動)，控制vt3的關斷與開通，從而實現(xiàn)電阻r消耗多余的能量，一般這種情況是不會出現(xiàn)的。

　　(2)電動機電動運行狀態(tài)

　　當cpu發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)不再充電時，則對vt3進行脈沖導通，使得在電抗器l上行成了一個瞬時左正右負的電壓，再加上電解電容c上的電壓就能實現(xiàn)從電容到直流回路的能量反饋過程。cpu通過對電解電容c上的電壓和直流回路的電壓的檢測，控制vt3的開關頻率以及占空比,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

　　(1)電抗器的選取

　　(a)、我們考慮到工況的特殊性，假設系統(tǒng)出現(xiàn)某種故障，導致電機所載的位能負載自由加速下落，這時電機處于一種發(fā)電運行狀態(tài)，再生能量通過六個續(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)，這時的電流會很大。所以所選取電抗器線徑要大到能通過此時的電流。

　　(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，其價格也肯定不會很低。

　　所以筆者建議充電、反饋回路各采用一個電抗器。

　　(2)控制上的難點

　　(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(電阻制動)的控制方式了。其在電抗器上所產(chǎn)生的瞬時電壓降為，電解電容c的瞬時充電電壓為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。

　　3.3主要應用場合及應用實例

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

　　隨著變頻器應用領域的拓寬，這個應用技術將大有發(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)、起重機械等行業(yè)。總之需要能量回饋裝置的場合都可選用。

　　五、結語

　　1、實際使用表明，該方案能夠實現(xiàn)plc通過網(wǎng)絡對變頻調(diào)速器的運行控制、參數(shù)設定和運行狀態(tài)監(jiān)控。

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

　　3、控制多臺變頻器，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)響應速度低于d/a控制方式。