课程设计（论文）-基于Devicenet设备网电机控制系统的智能节点设计.doc

摘 要 本文主要设计了电动机变频调速网络控制。利用 netlinx 网络及相关部件构 建电动机变频调速系统，以达到对变频器频率设定，从而控制电动机的转速。本 文选取 netlinx 网络中的设备网 devicenet 对电动机进行控制， devicenet 传输速 率为 125kbps,满足了控制的实时性要求。 通过 rslogix5000 软件进行硬件组态和软件组态，在软件组态中编制梯形图 程序，控制 plc 运行和输出，用 plc 控制变频器，改变变频器的频率，则电动机 的转速也相应改变，实现了电动机变频调速的要求。 关键词：devicenet；变频器；三相异步电机 目 录 第 1 章 绪论 1 第 2 章 方案论证 2 2.1 交流电机的调速方法及应用 .2 2.2 方案的设计与论证 .3 第 3 章 系统设计 5 3.1 硬件组态 .5 3.2 软件组态 .8 第 4 章 系统测试与分析11 4.1 调试步骤.11 4.2 调试现象及结果分析.12 第 5 章 课程设计总结错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献.13 附录.15 1 第 1 章 绪论 随着工业技术的发展，微机技术的突飞猛进，交流电动机变频调速技术日趋完 善。变频调速器用于交流电动机转速的调节，是交流电动机最有前途，最理想的调 速方案，由变频器和可编程控制器以及现场总线组成的控制系统，具有较高的控制 精度及较宽的调速范围，便于使用，以及实现自动控制及远程控制等功能。 本次课程设计采用了 devicenet 网络作为控制网络，它具有以下特点： devicenet 将低层工业设备连接到网络，从而消除了昂贵的硬接线成本，直接互 连性改善了设备间的通讯，并同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬 接线 i/o 接口很难实现的。同时，devicenet 是一种简单的网络解决方案，它在提供 多供货商同类部件间的可互换性的同时，减少了配线和安装工业自动化设备的成本 和时间。 devicenet 协议最基本的功能是在设备及其相应的控制器之间进行数据交换。因此， 这种通信是基于面向连接的（点对点或多点传送）通讯模型建立的。这样， devicenet 既可以工作在主从模式，也可以工作在多主模式。 正因如此，利用 devicenet 和变频器组成的系统除了具有卓越的调速性能外， 更是企业技术改造和产品更新换代的调速装置，自 20 世纪 80 年代被引进以来，这 种调速系统得到了广泛的应用。在电力、纺织、建材、石油、化工、冶金、造纸、 食品饮料、烟草等行业以及公用工程（中央空调、供水、水处理、电梯等）中都发 挥着重要的作用。 2 第 2 章 方案论证 2.1 交流电机的调速方法及应用 一、变极对数调速方法 这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达 到调速目的，特点如下：具有较硬的机械特性，稳定性良好； 无转差损耗，效 率高； 接线简单、控制方便、价格低； 有级调速，级差较大，不能获得平滑调 速； 可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特 性。 本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重 设备、风机、水泵等。 二、变频调速方法 变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。 变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流交 流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。其 特点：效率高，调速过程中没有附加损耗； 应用范围广，可用于笼型异步电动 机； 调速范围大，特性硬，精度高； 技术复杂，造价高，维护检修困难。 本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。 三、串级调速方法 串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机 的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产 生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率 吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速 形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为：可将调速过程中的转差损耗回馈到电 网或生产机械上，效率较高； 装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速 7090的生产机械上； 调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产； 晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。 本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。 四、绕线式电动机转子串电阻调速方法 3 绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在 较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控 制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。 五、定子调压调速方法 当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获 得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其 调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采 用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式 电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围，当调速在 2：1 以上的场合应 采用反馈控制以达到自动调节转速目的。调压调速的特点：调压调速线路简单， 易实现自动控制； 调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较 低。 调压调速一般适用于 100kw 以下的中、小功率，要求平滑动、短时低速运行 的生产机械。 2.2 方案的设计与论证 综合 2.1 节所述的调速方案及本课程设计的要求，选择使用变频调速的方法 设计交流调速控制系统。该系统效率高，调速范围大，特性硬，精度高，调速过 程中没有附加损耗，应用范围广，可用于一些机加工类的场合，部分风机泵类的 调速系统。 系统的结构框图如 2.1 所示， 本课程设计是基于辽宁工业大学 rockwell 自动化工业控制网络实验室中的 devicenet（设备网）进行系统的组建，其中 plc 为 controllogix5561,为系统的 核心部件；变频器为 a-b 公司的 powerflex40 变频器；电动机的型号为上海金陵 雷戈勃劳伊特电机厂的 ysj6324。 pc 机编程可编程逻辑控制器变频器电动机 图 2.1 系统结构框图 该系统根据调速要求对 plc 进行编程，从而达到对电动机转速的控制。 调速要求如图 2.2 所示 4 t 25hz 40hz 50hz 45s30s15s0s f 图 2.2 控制要求 5 第 3 章 系统设计 3.1 硬件组态 1.建立 i/o 点分配表 1756-dnb模块i/o点分配表如表3.1所示 表3.1 1756-dnb模块i/o配置 地址功能 local:3:o.data0.0停止 local:3:o.data0.1启动 local:3:o.data0.3清错 local:3:o.data0.16频率设定 1756-ib16d模块i/o分配表如表3.2所示 表3.2 1756-ib16d模块i/o配置 地址功能 local:5:i.data0.0停止 local:5:i.data0.1启动 local:5:i.data0.3清错 local:5:i.data0.16频率设定 2. 控制模块选择 控制模块如图3.1所示 图3.1 控制模块 在上图中选择了0号模块logix5561和3号模块1756-dnb和5号模块1756- ib16d，满足了控制和扩展要求 本文选用了辽宁工业大学rockwell实验室的devicenet模块，其实物图如 图3.2所示。 6 图 3.2 devicenet 模块实物图 选取的变频器是powerflex40变频器，实物图如图3.3所示。对变频器的相关 参数设定如下：显示面板中的d表示查看变频器的参数；p表示编程；a表示高级 编程；f表示故障显示。根据调速要求，必须通过设置p36，p38两个参数为5，即 选择变频器为通信口进行控制；p39和p40设置为5，即加减速时间为5秒。 图3.3 powerflex40变频器实物图 本次设计还选取了控制面板上的启停按钮、三相异步电机等器件。 3.配置 i/o 组态 本课程设计只用了 1756-dnb 模块和 1756-ib16d 数字输入模块，只需对这两 个模块进行配置即可。 7 在工程目录列表中选择 i/o configuration，点击鼠标右键，选择 new module，弹出 i/o 配置对话框，只勾选 communication 选项，工程目录图如图 3.4 所示。 图3.4 工程目录图 需要注意的是，在配置 1756-dnb 模块时，其起始槽号是 0，但本实验的 1756-dnb 模块均配置在 3 槽，然后点击 next 按钮，在出现的对话框中点击 browse 按钮，载入在 devicenet 网络配置步骤中保存的 dnt 文件。 同理配置 1756-ib16d 数字输入模块。 4. 组建devicenet网络 利用 rslinx 软件配置驱动程序 rslinx 是在 microsoft、winnt 以及 win9x 操作系统下建立网络所有通信方 案的工具。启动 rslinx 后， 添加 tcp 驱动程序,填入 ip 值，将 rslinx 置于后 台运行，然后可以启动其它软件。添加驱动如图 3.5 所示。 8 图3.5 rslinx添加驱动图 . 配置 devicenet 网络 rsnetworx for devicenet 是 32 位网络组态工具软件，rsnetworx 提供了一 个图形化的网络视图，并具有在线和离线组态的功能。 首先启动 rsnetworx for devicenet 软件，浏览 devicenet 网络设备，查找在 rslinx 中所配置的驱动设备，点击 ok 按钮确定所选 devicenet 网络设备并显示 详细信息，如图 3.6 所示。 图3.6 devicenet网络上的设备 由图 3.6 可见，设备网上挂接的设备有 powerflex40 变频器和 1756-dnb 模 块，并可知变频器在节点 2 位置。 然后分别双击图 3.6 中的 powerflex40 变频器和 1756-dnb 模块的图标，设 置变频器和 1756-dnb 模块的相关参数然后将参数上载到设备中。 9 3.2 软件组态 1.组建控制程序项目 .配置rslogix5000工程项目 进入 rslogix5000 软件，打开操作界面，点击新建工程项目，在随后弹出的 对话框(new controller)中选择处理器型号为 1756-l62 logix5561,槽号（slot） 选择 0 槽,其他选项默认即可，点击 ok 确认。 .编制 controllogix 控制程序 打开图 3.4 所示的 tasksmaintaskmainprogram 前面的+号，在下拉列表 中选择 mainroutine 双击，在右侧显示梯形图编辑界面，根据要求在梯形图编辑 界面编制控制程序，并将程序下载程序到plc中 .操作并观察现象 到控制面板上按下启动按钮，观察频率变化和三相异步电机转动情况；按动 停止按钮，观察变频器是否停止工作。 2.plc 梯形图的编制 .程序流程图如图3.7所示 10 n n n 是否停止 启动定时器 t1，同时变频器 50hz 运行 是否停止 t1 停止，启动 t2，同时变 频器 25hz 运行 是否停止 t2 停止，t3 启动，同时变 频器 40hz 运行 停 止 y y y 图3.7 程序流程图 .梯形图程序见附录 启 动 11 第 4 章 系统测试与分析 4.1 调试步骤 1、点击通信菜单（communications）中的 who active 按钮弹出框中查找 plc 的 cpu 型号，然后单击右侧的下载(download)按钮，将程序下载到 cpu 中， 下完完成后再将运行状态设置到 run 模式。 2、按下面板上的启动按钮，观察变频器和电动机是否启动并运行，并启动 趋势图观察。 3、如果变频器和电动机已经启动并运行，观察变频器频率变化轨迹是否按 照既定要求变化。如果没有按照要求变化，修改梯形图程序，排查原因。 4、如果变频器和电动机没有启动，检查梯形图程序，排查原因。 5、按下停止按钮，停止电动机的运行。 硬件连接图如图 4.1 所示 图 4.1 硬件连接图 12 4.2 调试现象及结果分析 所设计的系统的变频器输出频率按照时间规律改变的趋势和所要求的变化几 乎完全一致，由此说明本次设计的合理性，由 logix5000 软件监测到的变频器输 出频率变化曲线如图 4.2 所示。 图4.2 变频器输出频率变化曲线 13 参考文献 1 康梅, 朱莉，陈山.变频器使用指南.北京：化学工业出版社，2008：1-96 2 张燕宾.变频器的安装、使用与维护.北京:中国电力出版社,2009:154-177,178-195 3 李华德