0 引言

變頻調(diào)速技術(shù)近年來發(fā)展很快，應(yīng)用于各行業(yè)在節(jié)約電能的同時可以減少排放、降低能耗，因此理解并掌握變頻器的控制，具有十分重要的現(xiàn)實意義。變頻器的控制可以采用PLC、單片機(jī)等作為控制核心，由于PLC 具備可靠性高、編程簡單、維護(hù)方便等突出優(yōu)點，越來越多的工業(yè)控制場合選用PLC和變頻器用于電機(jī)的調(diào)速控制。

基于PLC的變頻器的控制包括模擬方式控制和串口通信方式控制，其中，串口通信包括有協(xié)議通信和無協(xié)議通信，有協(xié)議通信如文獻(xiàn)[1]所述，幾乎不用編程，正確連接后就能實現(xiàn)串口通信。本文著重介紹了基于歐姆龍CP1H 系列PLC 的臺達(dá)VFD 系列變頻器的模擬方式控制和無協(xié)議通信方式控制。

1 VFD系列變頻器與CP1H系列PLC簡介

VFD系列變頻器是臺達(dá)電子集團(tuán)驅(qū)動類自動化產(chǎn)品之一，具有節(jié)能效果好、供電范圍寬、控制精度高等特點，可任意設(shè)定V/f 曲線，廣泛應(yīng)用于恒壓供水、空調(diào)、風(fēng)機(jī)、鍋爐、水處理、城市建設(shè)等自動化控制領(lǐng)域。

CP1H 系列PLC 是歐姆龍公司推出的一款小型PLC，性能與西門子S7-200 相當(dāng)，包括CP1HX標(biāo)準(zhǔn)型、CP1H-XA模擬量內(nèi)置型和CP1H-Y 高速定位型三種型號，適用于紡織、印刷、包裝、橡塑及醫(yī)療等行業(yè)的機(jī)械設(shè)備控制。該機(jī)型外形小巧、速度極快、功能強(qiáng)大，具備1 個USB 口、2 個RS232C或RS485 可選的串行通信口，可實現(xiàn)上位鏈接、無協(xié)議通信、NT 鏈接、串行網(wǎng)關(guān)功能、串行PLC鏈接等功能。

2 模擬量控制方式

2.1 模擬量控制方式的變頻調(diào)速系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，包括PLC、變頻器、電機(jī)以及測速反饋裝置四個組成部分，PLC 和變頻器之間以模擬控制方式(電壓)連接，該電壓由變頻器內(nèi)部的V/f 變換單元將電壓的變化量轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率的變化量，電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)以兩個輸出點來進(jìn)行控制，電機(jī)的轉(zhuǎn)速由測速裝置轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柗答佒罰LC，再通過軟件實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。

2.2 CP1H-XA40DT-D的設(shè)置與調(diào)試

歐姆龍PLC CP1H-XA40DT-D 內(nèi)置4 點電壓/電流輸入、2 點電壓/電流輸出，分辨率可設(shè)為1/6000 和1/12 000，輸入、輸出分別可選擇：0耀5 V、1耀5 V、0耀10 V、-10耀10 V、0耀20 mA 和1耀20 mA等6 種方式，內(nèi)存CIO200耀203為輸入模擬量對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，CIO210耀211對應(yīng)D/A 輸出的數(shù)字量結(jié)果。

PLC 的模擬量調(diào)試主要涉及系統(tǒng)DIP 開關(guān)狀態(tài)設(shè)置、輸入和輸出模擬量形式以及范圍選擇、模擬量采集結(jié)果的處理等環(huán)節(jié)，調(diào)試時可先調(diào)開環(huán)系統(tǒng)，然后根據(jù)測速裝置反饋電壓和轉(zhuǎn)速的關(guān)系，通過軟件判斷調(diào)節(jié)模擬量單元的輸出信號大小，實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。

2.3 VFD變頻器的設(shè)置與調(diào)試

變頻器的調(diào)試相對簡單，須注意的是：將參數(shù)Pr.-00 設(shè)置為“d0001”，Pr.-01 設(shè)置為“d0001”或“d0002”，線路連接如圖1 所示，PLC 的正反相控制端輸出分別和REV 與FWD 相連，PLC 的COM端和變頻器的DCM端相連。模擬控制方式的連線可參照文獻(xiàn)[3]的注意事項，錯誤的連接可能會損壞PLC的輸出端口。

3 無協(xié)議通信控制方式

眾多的變頻器品牌，由于技術(shù)和市場的原因，通信協(xié)議五花八門，兼容性很差，針對這種現(xiàn)狀，無協(xié)議通信得到了很好的應(yīng)用。所謂無協(xié)議通信，即是自由協(xié)議方式，協(xié)議的格式由用戶自己定義，用戶根據(jù)具體變頻器的協(xié)議格式組織數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與變頻器的通信。

參照文獻(xiàn)[2] 提出的方案，我們設(shè)計了基于RS485 的無協(xié)議通信控制方式，系統(tǒng)框圖如圖2所示，PLC 的串口連接端子也可以使用“RDB+”和“RDA-”兩個端口，變頻器輸出三相相位差120毅的交流電壓至三相異步電機(jī)定子繞組。

3.1 RS485通信模式

歐姆龍CP1H 系列PLC 設(shè)有RS485 的串行通信口，可采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，結(jié)合其抗共模干擾能力強(qiáng)，抗噪聲干擾性能優(yōu)越的特性，可以實現(xiàn)有協(xié)議通信和無協(xié)議通信。

臺達(dá)VFD-A 交流馬達(dá)驅(qū)動器內(nèi)建RS485 串聯(lián)通信界面，串聯(lián)通信連接端口標(biāo)注SG+、SG-，其中，“SG+”表示信號正相端，“SG-”表示信號負(fù)相端。使用RS485 串聯(lián)通信接口時，每臺VFD-A 必須預(yù)先在Pr.78 指定其通信地址，PLC 便根據(jù)預(yù)定地址實施控制。當(dāng)將參數(shù)“A”設(shè)為“02H”時，PLC可同時對多個變頻器實施控制。

3.2 臺達(dá)VFD-A變頻器參數(shù)設(shè)置與通信格式

3.2.1 參數(shù)的設(shè)定

相關(guān)的參數(shù)涉及Pr.-00、Pr.-01、Pr.-78，其中，Pr.-00 指定主頻率輸入來源，Pr.-01 設(shè)定運轉(zhuǎn)信號來源，Pr.-78 選取了串口通信的波特率，對應(yīng)的設(shè)定值分別為：d002、d003、d002，即主頻率與運轉(zhuǎn)信號由RS485 串聯(lián)通信接口控制，且令面板STOP鍵有效，波特率設(shè)定為4 800 bit/s。

3.2.2 通信資料格式

臺達(dá)VFD 變頻器控制命令格式為“C，S，A，UU，MM，F(xiàn)FFF”，其中，“C”為控制命令字符串“CONTROL”字頭;“S”為和檢查(CheckSum) (03H);“A”為命令認(rèn)可，01H 代表單臺，02H 表示所有連線交流驅(qū)動器;“UU”表述通信地址(00-31)“陰陰”=ASCII 碼;“MM”給定運轉(zhuǎn)命令(X=無定義)，“陰陰”=ASCII 碼，其中，“X0”為停止，“X1”為正轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)“X2”為停止，“X3”為反轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)，“X4”、“X5”表示寸動、正轉(zhuǎn)，“X6”、“X7”為寸動、反轉(zhuǎn)，“X8”為當(dāng)異常發(fā)生后重置交流馬達(dá)驅(qū)動器;

“FFFF”為頻率指令，設(shè)定范圍從0000 到4000，代表的設(shè)定頻率值為0.0到400.0 Hz。

正確接收命令或參數(shù)后，變頻器自動回發(fā)一串應(yīng)答數(shù)據(jù)，格式為“C，S，B，UU，MM，F(xiàn)FFF”，其中，B 為回復(fù)認(rèn)可，正確時為06H，錯誤時為07H，其它參數(shù)含義同發(fā)送數(shù)據(jù)。字符串長度是11 字符，每個字符的11 位字元串如圖3 所示。

3.3 軟件設(shè)計與調(diào)試

3.3.1 PLC串口設(shè)置

在程序編寫調(diào)試之前需要對串口進(jìn)行設(shè)定，PLC 串口設(shè)置如圖4 所示。

3.3.2 命令或參數(shù)發(fā)送

發(fā)送流程如圖5 所示，關(guān)鍵環(huán)節(jié)為裝填數(shù)據(jù)，要嚴(yán)格按照變頻器的資料格式組織數(shù)據(jù)，尤其注意“A”的值為十六進(jìn)制，其它參數(shù)為ASCII 碼。只要串口參數(shù)設(shè)定正確，數(shù)據(jù)取值合適，發(fā)送數(shù)據(jù)相對容易實現(xiàn)。

主要涉及的指令為“TXD S C N”，其中，“S”指定發(fā)送數(shù)據(jù)開頭通道編號，“C”為控制字，“N”指定發(fā)送字節(jié)長度。“C”的“11耀08”位決定將數(shù)據(jù)輸出到指定的串行通信口，包括串行端口1 和串行端口2，值得注意的是，選裝串口通信模塊(RS485和RS232C)自身無確定地址，安裝在選件槽位1時稱之為串行端口1，安裝在選項槽位2 時稱之為串行端口2，串行端口1、串行端口2 發(fā)送準(zhǔn)備完成標(biāo)志分別為A392.13、A392.05;“C”的“03耀00”位決定了發(fā)送數(shù)據(jù)的高位字節(jié)和低位字節(jié)的順序。“N”最大值為259，其中，數(shù)據(jù)包最大值為256 字節(jié)，包括開始代碼、結(jié)束代碼。

3.3.3 接收應(yīng)答數(shù)據(jù)

變頻器正確接收數(shù)據(jù)后，自動回發(fā)一串應(yīng)答數(shù)據(jù)，PLC 根據(jù)該應(yīng)答數(shù)據(jù)可判別變頻器工作狀況，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，詳細(xì)接收流程如圖6 所示。

串行端口1、串行端口2 接收完成標(biāo)志分別為A392.14和A392.06，狀態(tài)位為“1”時，執(zhí)行接收命令，接收數(shù)據(jù)來自接收緩沖器。

4 結(jié)語

模擬控制方式連線相對復(fù)雜，且需要占用PLC的端口資源，尤其是要求PLC 必須具備模擬量模塊，而且只能控制單臺變頻器，同時要借助于測速反饋裝置才能構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。串口通信控制方式通過發(fā)送命令和接收應(yīng)答數(shù)據(jù)可實現(xiàn)電機(jī)運轉(zhuǎn)控制和狀態(tài)監(jiān)控，連線簡單，能同時控制多臺變頻器，適用于網(wǎng)絡(luò)化的工業(yè)控制系統(tǒng)。