基于PLC控制的多段调速系统实现

1、摘要随着工业控制要求的发展，对电机速度的控制越来越高。传统的模拟信号控制方式存在抗干扰能力差、对设备要求复杂、控制精度不高等问题，难以适应日益复杂的工业环境。本文主要介绍了多段调速系统的结构，并完成了以PLC为控制器，以增量式光电编码器为速度采集的闭环PID控制系统，通过RS-485对变频器的控制实现了三相异步电机的多段调速。关键字：PLC；RS-485；多段调速；光电编码器AbstractWith the requirements of the development of industrial control, the speed of motor control is more and

2、more strict. The traditional analog signal control mode has poor capacity of resisting disturbance, the requirement of complex equipment, the control precision low and some other problems, it is difficult to adapt to the increasingly complex industrial environment. In this article, mainly introduces

3、 the structure of various speed system, and completed the closed loop PID control system through the PLC as controller and incremental photoelectric encoder for speed acquisition, achieve the multistage speed control three-phase asynchronous motor through Frequency converter based on RS-485.Key word

4、s: PLC; RS-485; multistage speed; encoder目录第一章 概述41.1 课题研究的背景及意义41.2 课题研究现状51.3 本课题研究的主要内容6第二章 系统分析72.1 PLC基本知识72.1.1 PLC的基本功能82.1.2 PLC的特点92.1.3 PLC的展望112.2 变频器基本知识122.2.1 变频器的应用122.2.2 变频器的分类132.2.3 变频器控制的展望1423 光电编码器152.3.1 增量式编码器152.3.2 绝对式编码器16第三章 系统设计193.1 总体方案193.2 硬件设计193.2.1 变频器的连接193.2.2 光

5、电编码器的配置203.2.3 PLC输入输出口分配213.3 软件设计213.3.1 变频器的参数设置223.3.2 PLC的设计23第四章 结论28结束语29致谢30参考文献31第一章 概述1.1 课题研究的背景及意义随着计算机技术、电子技术的不断进步，PLC(可编程逻辑控制器)技术、变频(变频器)调速技术的发展极为迅速，已渗透到各个领域，以它们为主导的现代生产技术正以史无前例的速度迅猛发展。 PLC有着运算速度高、指令丰富、功能强大、可靠性高、使用方便、编程灵活、抗干扰能力强等特点，常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。组态软件技术作为用户可定制功能的软件平台工具，在PC机上可开发出友

6、好人机界面，通过PLC可以对自动化设备进行“智能”控制。近几年，各行业对其生产设备和系统的自动化程度要求越来越高，采用现代自动化控制技术对减轻劳动强度、优化生产工艺、提高劳动生产率和降低生产成本起着很重要的作用。随着工业控制要求的不断发展，对电机速度控制的要求也越来越高，一般需进行闭环控制，尤其是闭环控制的变频节能系统用途很广，常需要用闭环控制方式来控制温度、压力、流量等的变化。可以消除偏差以获得预期的系统性能执行机构进行控制。现在控制领域采用通信的方式实现PLC对变频变频器的控制作为工控行业的主流产品，PLC与变频器在各种机械设置上的应用可谓无处不在。常见的用法是使用模拟信号（一般是电压）来

7、完成对变频器的控制。这种方法的缺点是成本高，易受干扰（电压方式），控制精度也很难控制，而采用通信方式就可以很好地避免这个缺点。PLC作为一种新型的工业控制装置，以其高抗干扰能力、高可靠性、高性价比且编程简单，不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成各种顺序或定时的闭环控制功能。在诸多领域得到了越来越广泛地应用，采用PLC与变频器组合来构成闭环调速控制系统则能达到理想的效果，大大地节省成本。1.2 课题研究现状变频器的用途不仅仅是速度控制，目前在我国应用较多的是保护环境。电动机驱动是电能消耗的大户，在中国占全部用电量的60%以上。过度的电力消耗使得煤炭和石油（天然气）燃料枯竭，同时由于CO2和NO2的

8、大量排放，造成污染环境，破坏臭氧层，影响甚至危及人类的生存。因此国家大力提倡环境保护措施，据分析，牵引变频机车应用，不用燃煤和烧油，减少排放污染、发展城市轨道交通（地铁和磁悬浮列车）和燃料电池汽车，减少CO2排放、推广风机水泵变频调速节能技术可达到20%30%的节电率，这样可以少建火电厂，少发电，即少排放SO2、SO、CO2及灰尘，减少大气环境污染，并着重推荐了变频调速技术。目前，在发达国家，只要有电机的场合，就会同时有变频器的存在。导致发达国家的技术开发起步早，并具有相当大的产业化规模，产生国内外的发展差异。如今，我国有较多高压大功率变频器生产厂家，变频器在功能上，利用先进的控制理论，使应用

9、系统的构成更加方便和容易，使变频器的应用技术提高到一个新的水平。已经完全取代了直流调速技术，近年来发展很快 ，基于RS485网络的多机控制，与计算机和 PLC 联网组成复杂的控制系统的这一技术深入到不同的领域中。在能源紧缺、环境问题日益严重的今天，随着变频高速技术的发展与综合利用，使变频器行业在水泥、电梯、印刷、电力等现代化以及医学、通讯、交通、运输、电力、电子、环保等领域得到空前的发展和应用，是提高国民经济发展的需求。随着科技的不断发展，控制系统对转速也有了更高的要求。所以转速是各类电机的一个重要物理量，目前国内外常用测量的转速的方法有离心式转速表测速法，微电机测速法。他们的测速都有现成的仪

10、表，但转速表要和电机同轴连接，增加了电机组的安装难度，另一方面有些电机功率很小，转速表和测速机消耗的功率占了电机的大部分。综合考虑光电编码器是一种体积小、精度高、响应速度快和性能稳定的转速与位置传感器，广泛应用在机器人、旋转平台、飞机舰船舵位、导弹发射角度、水位料位、织物计长、电梯楼层肩停、机床刀具定位等等。于是光电编码器在测控领域得到了广泛的应用。光电编码器按工作原理可以将光电编码器分为绝对式光电编码器与增量式光电编码器，光电编码器作为一种光电检测元件，目前在电机速度测量中应用广泛，电机的速度检测在电机控制中是十分重要的。增量式光电编码器起到了很好的作用，增量式光电编码器是码盘随位置的变化输

11、出一系列的脉冲信号，然后根据位置变化的方向用计数器对脉冲进行加/减计数，以此达到位置检测的目的。通过采样固定时间的脉冲数，经过转换获得转速，常常通过M法、T法、M/T法进行速度测量提高控制系统的精确性来实现控制系统的要求。目前大多数生产控制系统需要实时获得电机的位置和转速信息，从而实现高速、高精度的控制电路来实现各种企业的工作需要。系统在闭环控制系统中需要实时获得电机的位置和转速信息来获得更高精度要求，可以在广泛的领域中能够更进一步的保证了工作的正常运行，为科技的发展奠定了坚实的基础。1.3 本课题研究的主要内容通过对变频器的调节和编码器的使用，利用RS-485接口和通信方式将可编程控制器和变

12、频器进行通信联接实现三相异步电动机的段速控制，通过PLC自带的PID控制指令实现电机转速的速度调节，采用光电编码器采集转速实现闭环控制。第二章 系统分析2.1 PLC基本知识PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设

13、计。可编程控制器的构成和计算机是一样的，都由中央处理器（CPU）、存贮器和输入/输出接口等构成。其硬件系统如图2.1所示图2.1 PLC硬件系统简化图2.1.1 PLC的基本功能PLC的功能非常丰富，大致可分为如下方面。1.逻辑控制功能。逻辑控制功能实际上就是位处理功能，是PLC的最基本功能之一。PLC设置有与、或、非等逻辑指令，利用这些指令，根据外部现场在状态，按照指定的逻辑进行运算处理后，将结果输出到现场的被控对象。因此，PLC可供替继电器进行开关控制，完成触点的串联、并联、串并联等各种连接。另外，在PLC中一个逻辑位的状态可以无限次地使用，逻辑关系的修改十分方便。2.定时控制功能。定时控

14、制功能是PLC的最基本功能之一。PLC中有许多可供用户使用的定时器，其功能类似于继电器线路中的时间继电器。定时器的设定值可以在编程时设定，可以在运行过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。程序执行时，PLC将根据用户用定时器指令指定的定时器对某个操作进行限时或延时控制，以满足生产工艺的要求。3.计数控制功能。计数控制功能是PLC的最基本功能之一。PLC为用户提供了许多计数器，计数器计数到某一数值时，产生一个状态信号，利用该状态信号实现对某个操作的计数控制。计数器的设定可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改。程序执行时，PLC将根据用户计数器指令指定的计数器对某个控制信号的状态改变次

15、数进行计数，以完成对某个工作过程的计数控制。4.步进控制功能。PLC为用户提供了若干个移位寄存器，可以实现由时间、计数或其他指定逻辑信号为转步条件的步进控制。即在一道工序完成以后，在转步条件控制下，自动进行下一道工序。有些PLC还专门设置了用于步进控制的步进指令和鼓形控制器操作指令，编程和使用都极为方便。5.数据处理功能。大部分PLC都具有数据处理功能，可以实现算术运算、数据比较、数据传送、数据移位、数制转换、译码编码等操作。中、大型PLC数据处理功能更加齐全，可完成开方、PID运算、浮点运算等操作。还可以和CRT、打印机相连，实现程序、数据的显示和打印。6.回程控制功能。许多PLC具有A/D

16、、D/A转换功能，可以方便地完成对模拟量的控制和调节。7.通信联网功能。许多PLC采用通信技术，实现远程I/O控制、多台PLC之间的同位链接、PLC与计算机之间的通信等。8.监控功能。PLC设置了较强的监控功能。利用编程器或监视器，操作人员可对PLC有关部分的运行状态进行监视。利用编程器，可以调整定时器、计数器的设定值和当前值，并可以根据需要改变PLC内部逻辑信号的状态及数据区的数据内容，为调试和维护提供了极大的方便。9.停电记忆功能。PLC内部的部分存储器所使用的RAM设置了停电保持器件，以保证断电后这部分存储器中的信息能够长期保存。利用某些记忆指令，可以对工作状态进行记忆，以保持PLC断电

17、后的数据内容不变。PLC电源恢复后，可以在原工作基础上继续工作。10.故障诊断功能。PLC可以对系统构成、某些硬件状态、指令的合法性等进行自诊断，发现异常情况，发出报警并显示错误类型，如属严重错误则自动停止运行。PLC的故障自诊断功能，大大提高了PLC控制系统的安全性和可维护性。为了实现PLC所承担的各种功能，PLC的工作速度要快。速度快、执行指令时间短，是PLC实现控制的基础。事实上，它的速度是很快的，执行一条指令，多的几微秒、几十微秒，少的才零点几，或零点零几微秒。而且这个速度还在不断提高中。2.1.2 PLC的特点PLC的主要特点如下：1.梯形图是使用得最多的PLC和编程语言，其电路符号

18、和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易用，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。2.功能强，性能价格比高。一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能与相同的继电器系统相比，具有很高的性价比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。配件配置确定后，通过修改用

19、户程序，就可以方便快速地适应工艺条件的变化。4.可靠性高，抗干扰能力强。PLC用软件代替继电器控制系统中大量的中间继电器和时间继电器，接线可减少到继电器控制系统的十分之一以下，大大减少了因触点接触不良造成的故障。PLC使用了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。5.系统的设计、安装、调试工作量少。PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序可以用顺序控制设计法来设计。这种设计方法很有规律，很容易掌握

20、。用这种方法设计梯形图的时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。可以在实验室模拟调试PLC的用户程序，用小开关来模拟输入信号，勇冠各输出点对应的发光二极管的状态来观察输出信号的状态，系统的调试时间要比继电器系统少得多。6.维修工作量少，维修方便。PLC的故障率很低，并且有完善的故障诊断功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，根据PLC上的发光二极管或编程软件提供的信息，可以很方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。7.体积小，能耗低。对于复杂的控制系统，使用PLC后，由于减少了大量的中间继电器和时间继电器，开关柜的体积比继电器控制系统小得多。图为本例中用到的PLC

21、。图2.2 三菱FX2n系列PLC2.1.3 PLC的展望由于工业生产对自动控制系统需求的多样性，PLC的发展方向有两个：一是朝着小型、简易、价格低廉的方向发展。单片机的出现，促进了PLC向紧凑型发展，体积减小，价格降低，可靠性不断提高。这种PLC可以广泛取代继电器控制系统，应用于单片机和规模比较小的自动化控制。二是朝着大型、高速、多功能方向发展。大型PLC一般为多处理器系统，由字处理器、位处理器和浮点处理器等组成，有较大的存储能力和和功能很强的输入输出接口，通过丰富的智能外围接口，可以独立完成位置控制、闭环调节等特殊功能；通过网络接口，可以级连不同类型的PLC和计算机，从而组成控制范围很大的

22、局部网络，适用于大型自动化控制系统。PLC总的发展趋势是：1.CPU处理速度进一步加快。2.控制系统将分散化。3.可靠性进一步提高。4.控制与管理功能一体化。为了满足现代化大生产的控制与管理的需要，PLC将广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使PLC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体从PLC的发展趋势来看，PLC控制技术将成为今后工业自动化的主要手段。在未来的工业生产中，PLC技术、机器人技术和CAD/CAM技术将成为实现工业生产自动化的三大支柱。2.2 变频器基本知识变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控

23、制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。2.2.1 变频器的应用变频器的应用范围和优点很广泛。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(当然可以适当加转矩提升)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

24、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

25、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光滑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.可调的转矩极限。通过变频调速后能够设置

26、相应的转矩极限来保护机械不致损坏从而保证工艺过程的连续性和产品的可靠性。目前的变频技术使得转矩极限可调甚至转矩的控制精度都能达到在工频状态下电机只能通过检测电流值或热保护来进行控制而无法像在变频控制一样设置精确的转矩值来动作。7.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，从而使整个系统使用寿命也会相应增加。8.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，投资回报就更快厂家

27、也乐意接受。9.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序即可，这样就能降低维护成本和节省安装空间。10.减少机械传动部件。由于目前矢量控制变频器加上同步电机就能实现高效的转矩输出，从而节省齿轮箱等机械传动部件，最终构成直接变频传动系统从而就能降低成本和空间，提高稳定性。2.2.2 变频器的分类变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按

28、照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制、最优控制等。图为三菱RF-A540系列变频器。图2.3 三菱RF-A540系列变频器2.2.3 变频器控制的展望随着电力电子技术、微电子技术、计算机网络等高新技术的发展，变频器的控制方式今后将向以下几个方面发展。1.数字控制变频器的实现。现在，变频器的控制方式用数字处理器可以实现比较复杂的运算，变频器数字化将是一个重要的发展方向，目前进行变频器数字化主要采用单片机MCS51或80C196MC等，辅助以SLE4520或E

29、PLD液晶显示器等来实现更加完善的控制性能。2.多种控制方式的结合。单一的控制方式有着各自的优缺点，并没有“万能”的控制方式，在有些控制场合，需要将一些控制方式结合起来，例如将学习控制与神经网络控制相结合，自适应控制与模糊控制相结合，直接转矩控制与神经网络控制相结合，或者称之为“混合控制”，这样取长补短，控制效果将会更好。3.远程控制的实现。计算机网络的发展，使“天涯若咫尺”，依靠计算机网络对变频器进行远程控制也是一个发展方向。通过RS485接口及一些网络协议对变频器进行远程控制，这样在有些不适合于人类进行现场操作的场合，也可以很容易的实现控制目标。4.绿色变频器。随着可持续发展战略的提出，对

30、于环境的保护越来越受到人们的重视。变频器产生的高次谐波对电网会带来污染，降低变频器工作时的噪声以及增强其工作的可靠性、安全性等等这些问题，都试图通过采取合适的控制方式来解决，设计出绿色变频器。23 光电编码器光电编码器是一种码盘式角度数字检测元件。它有两种基本类型：一种是增量式编码器，一种是绝对式编码器。增量式编码器具有结构简单、价格低、精度易于保证等优点，所以目前采用最多。绝对式编码器能直接给出对应于每个转角的数字信息，便于计算机处理，但当进给数大于一转时，须作特别处理，而且必须用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组成多级检测装置，使其结构复杂、成本高。2.3.1 增量式编码器增量式编码器

31、是指随转轴旋转的码盘给出一系列脉冲，然后根据旋转方向用计数器对这些脉冲进行加减计数，以此来表示转过的角位移量。增量式编码器的工作原理如图2.4所示。图2.4 增量式编码器工作原理它由主码盘、鉴向盘、光学系统和光电变换器组成。在图形的主码盘（光电盘）周边上刻有节距相等的辐射状窄缝，形成均匀分布的透明区和不透明区。鉴向盘与主码盘平行，并刻有a、b两组透明检测窄缝，它们彼此错开1/4节距，以使A、B两个光电变换器的输出信号在相位上相差90°。工作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线被全部遮住，

32、光电变换器输出电压为最小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换器A、B的输出电压相位差为90°。经逻辑电路处理就可以测出被测轴的相对转角和转动方向。利用增量式编码器还可以测量轴的转速。方法有两种，分别应用测量脉冲的频率和周期的原理。2.3.2 绝对式编码器绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。图2.5所示为

33、四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分别代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上印制黑白等间隔图案，形成一套编码。黑色不透光区和白色透光区分别代表二进制的“0”和“1”。在一个四位光电码盘上，有四圈数字码道，每一个码道表示二进制的一位，里侧是高位，外侧是低位，在360°范围内可编数码数为24=16个。图2.5 四位二进制的码盘工作时，码盘的一侧放置电源，另一边放置光电接受装置，每个码道都对应有一个光电管及放大、整形电路。码盘转到不同位置，光电元件接受光信号，并转成相应的电信号，经放大整形后，成为相应数码电信号。但由于制造和安装精度的影响，当码盘回转在两码段交替过程中，会产生读数误差。例如

34、，当码盘顺时针方向旋转，由位置“0111”变为“1000”时，这四位数要同时都变化，可能将数码误读成16种代码中的任意一种，如读成1111、1011、1101、0001等，产生了无法估计的很大的数值误差，这种误差称非单值性误差。为了消除非单值性误差，可采用以下的方法。1.循环码盘（或称格雷码盘）图2.6 四位二进制循环码盘循环码习惯上又称格雷码，它也是一种二进制编码，只有“0”和“1”两个数。图2.6所示为四位二进制循环码。这种编码的特点是任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化，即“0”变为“1”或“1”变为“0”。因此，在两数变换过程中，所产生的读数误差最多不超过“1”，只可能读成相邻两个数

35、中的一个数。所以，它是消除非单值性误差的一种有效方法。2.带判位光电装置的二进制循环码盘这种码盘是在四位二进制循环码盘的最外圈再增加一圈信号位。图2.7所示就是带判位光电装置的二进制循环码盘。该码盘最外圈上的信号位的位置正好与状态交线错开，只有当信号位处的光电元件有信号时才读数，这样就不会产生非单值性误差。图2.7 带判位光电装置的二进制循环码盘第三章 系统设计3.1 总体方案根据设计要求，系统主要有PLC、变频器、编码器等组成。其工作原理为给定的速度与经过PLC的高速计数器反馈回来的实际速度相减产生误差，经过PLC的PID得到控制量，经过转换为变频器能识别的ASCII码，再由RS-485接口

36、输出到变频器，通过改变变频器频率而改变电机转速，从而达到闭环调节电机转速的目的。图3.1 系统总体方案3.2 硬件设计本系统硬件主要由PLC、变频器、光电编码器、通信接口和电缆组成。PLC与变频器FR-A540间通过FX2N-485-BD通信板卡使用RS485通信电缆连接，光电编码器通过屏蔽电缆连接PLC。三菱变频器的操作面板接口即PU口是一个RS-485串行数据通讯接口，在三菱FX系列PLC通信扩展口上安插一个RS-485通讯板卡(型号：FX2N-485-BD)，再配备1根5芯的通讯电缆，将变频器485通讯接同PLC的485通讯板卡相连接，就能够实现PLC与变频器的RS-485通讯。3.2.

37、1 变频器的连接本设计采用PU接口与PLC连接，从变频器正面看，PU接口插针号如图3.2所示。图3.2 PU接口插针号两者之间通过网线连接（网线的RJ45插头和变频器的PU插座接），使用两对导线连接，即将变频器的SDA与PLC通讯板（FX2N-485-BD）的RDA接，变频器的SDB与PLC通讯板（FX2N-485-BD）的RDB接，变频器的RDA与PLC通讯板（FX2N-485-BD）的SDA接，变频器的RDB与PLC通讯板（FX2N-485-BD）的SDB接，变频器的SG与PLC通讯板（FX2N-485-BD）的SG接。具体连接方式如图3.3所示。图3.3 电缆连接及信号方向3.2.2 光

38、电编码器的配置增量型光电编码器安装在交流电动机轴上，编码器的输出脉冲接入PLC的高速计数器模块。电动机的旋转通过传动机构转化为控制对象的运动，高速计数器的值记录脉冲个数，从而得出电动机轴旋转速度，PLC根据指令值与实际值的差值，利用自动控制理论中闭环反馈控制的原理产生控制信号，再次加到变频器上改变旋转速度，这一调节过程持续进行直至控制对象的实际位置与指令位置之间的差处于允许的误差范围以内。本设计不用判断电机正反转，因此只用接一个接口即可。FX2N有C235C255共21点高速计数器，适合用来作为高速计数器输入的PLC输入端口有X0X7，本设计选用X0000作为光电编码器的输入口。3.2.3 P

39、LC输入输出口分配本例中，虽然PLC对变频器的控制主要通过通信来实现，但是对每段速度的控制仍然需要通过外部器件连接I/O口来实现。具体I/O口分配，如表3.1所示。端子号接线名称端子号接线名称X0000光电编码器X0006速度三选择（30Hz）X0001启动按钮X0007速度四选择（40Hz）X0002停止按钮X0010速度五选择（50Hz）X0003正/反转选择按钮X0011速度六选择（60Hz）X0004速度一选择（10Hz）X0012速度七选择（70Hz）X0005速度二选择（20Hz）X0013速度八选择（80Hz）表3.1 I/O口分配表3.3 软件设计软件部分主要由PLC程序设计和

40、变频器参数设置组成，实现PLC与变频的通信，以及PLC对变频器频率的控制。通过光电编码器采集的速度送至PID运算器运算，然后传送至变频器，实现对电机转速的控制。对速度控制的总体流程如图3.4所示。图3.4 速度控制总体流程3.3.1 变频器的参数设置变频器仅用于变速运行时，可按出厂设定的参数运行即可，若考虑负荷、运行方式时，必须设定必要的参数。对于三菱FRA540变频器(有几百个参数)，可以根据实际需要来设定。1）变频器通信参数设置PLC和变频器之间进行通讯，通讯规格必须在变频器的初始化中设定，如果没有进行初始设定或有一个错误的设定，数据将不能进行传输。每次参数初始化设定完以后，需要复位变频器

41、。相关设置参数如表3.2所示。参数号名称设置值说明Pr117站号000号变频器站Pr118通信速率19219.2kbpsPr119停止位长/字长11表示字长8位，停止位2位Pr120奇偶校验有/无2偶校验Pr121通信重试次数9999通信错误发生是变频器没有报警停止Pr122通信校验时间9999无通信时间超过允许值，变频器报警停止Pr123等待时间设置9999通信数据设定Pr124CR、LF有无选择0无CR、LFPr79操作模式3外部/PU组合操作模式表3.2 变频器通信参数设置说明：1. 通信参数必须在变频器初始化中设定，如果没有初始化设定或有错误设定，将不能通信；2. 设置参数后，须将变频

42、器断电再送电，以使参数设置生效。2）变频器其他参数设置除了通信参数外，根据本例实际情况，还应对其他的相关参数进行设置，具体设置如表3.3所示。参数号名称设置值说明Pr1上限频率100将上限频率设定为100HzPr77参数写入禁止选择2即使运行时也可以写入Pr79操作模式3外部/PU组合操作模式表3.3 变频器其他参数设置3.3.2 PLC的设计PLC是实现本例的核心部件，主要负责对变频器的命令以及接受来自高速计数器的信号。1）PLC通信参数设置在PLC与变频器的串行通信中，通信双方必须遵守相同的通信协议，PLC需要通过特殊寄存器D8120设定数据通信格式，通常以二进制的格式进行设置，各位的意义

43、如表3.4。位号意义说明bit 0异步通信数据长度设定0：7位； 1：8位bit 2、bit 1异步通信奇偶校验设定00：无校验； 01：奇校验； 11：偶校验bit 3异步通信停止位设定0：1位； 1：2位bit 7 bit 4传输速率设定1001:19200bit/sbit 8起始符设定0：无； 1：由D8124设定起始符bit 9终止符设定0：无； 1：由D8125设定终止符bit 11、bit 10控制线设定00：RS-485通信； 01：RS-232通信bit 12不使用bit 131：附加“求和校验”； 0：不附加bit 141：附加通信协议； 0：不附加bit 151：控制顺序为

44、方式4； 0：控制顺序为方式1表3.4 PLC通信格式意义本例中，选择数据长度为8位、停止位2位、偶校验、传输速度为19200bit/s、无起始符、无终止符的RS-485连接，应设定D8120为9FH（0000 0000 1001 1111）。该命令通过MOV指令传送至D8120。2）通信程序设计PLC对变频器的通讯可分为5个阶段：1. PLC通讯请求发送到变频器；2. 变频器数据处理；3. 从变频器返回数据给PLC；4. PLC 处理返回数据；5. PLC 再次返回应答。十六进制数据在PLC 与变频器之间使用的是ASCII码传输。在完成不同的指令功能时通讯格式不一样，常用的指令有HED (运

45、行频率写入)、H6F(输出频率)、 HFA (运行)指令。从PLC发送数据到变频器，写入数据时可根据通信的需要，选择使用格式A或格式A，具体格式如图3.5、图3.6所示。图3.5 数据格式A图3.6数据格式A注：*1：表示控制代码； *2：Pr. 123（响应时间设定）不设定为9999的场合下，数据格式的“响应时间”没有，请作成通讯请求数据； *3：表示CR或LF代码。用户程序请求变频运行指令时用数据格式A，运行频率、参数写入、变频器复位等操作用数据格式A。3）程序主要数据寄存器程序涉及到的主要寄存器如表3.5所示。名称说明名称说明M1正转标志D4实际速度M2反转标志D10设定速度M3正转按钮

46、检测D30PID输出数据M4反转按钮检测M5运行标志表3.5 主要寄存器说明4）电机转速测定选用1/300精度的光电编码器，利用SPD指令即可实现对电机速度的采集。S1.指定输入点，S2.指定计数时间，单位为ms，D.共有3个单元指定存放计数结果。其中D0存放计数个数，D1存放计数当前值，D2存放剩余时间。所以有转速为：其中n为每转脉冲个数。根据本例光电编码器的选定，以及时间选定为100ms，则有N=2*(D0)。则有梯形图为如下图3.7所示。图3.7 电机速度测定5）正反转控制为防止电机过热，应在正反转切换的时候留有一定的延时。延时启动程序如图3.8所示。图3.8 延时启动6）PID控制本例

47、电机选用极对数为2，因此转速与频率的关系为n=30*f，可直接将与频率对应的转速存入相应的寄存器，送入PID处理。再将PID处理的结果乘以100后转换成ASCII码，通过RS指令传送至变频器。以命令电机10Hz运行为例，具体指令如图3.9所示。图3.9 PID控制7）运行频率写入运行频率格式为格式A，其中变频器站号为00，等待时间为2，写入频率指令代码为HED，因此写入运行频率为图3.10所示。图3.10 运行频率写入第四章 结论经过一段时间的努力，基于PLC与变频器RS-485 通信控制的多段调速系统终于实现。相比于传统的控制模式，该系统具备了如下特点：1. 通过RS-485通信与变频器连接，与传统的模拟量控制相比，不仅降低了对硬件的要求，还增加了抗干扰能力，提高了系统的可靠性；2. 通过光电编码器测定电机转速，提高了电机转速测量的精确性；3应用了闭环PID