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苏州大学 硕士学位论文 变频器和plc在传送带多种速度控制中的应用 姓名：王艳美 申请学位级别：硕士 专业：电子与通信工程 指导教师：邓晶 2010-11-05 变频器和 plc 在传送带多种速度控制中的应用 中文提要 i 变频器和 plc 在传送带多种速度控制中的应用 中文提要 随着工业自动化的步伐逐渐加快，流水线已经在各种制造业和企业中运用。流水 线中的传送带要求在加工生产时流水线上的物料能可靠、 迅速的停止在指定的加工位 置，这就要求皮带传送时有多种速度变化。传统的变速电机都存在体积较大、变速单 一、价格偏高、适用范围较窄等方面的缺点。plc 和变频器组合控制系统的运用有效 的解决了这些难题。plc 控制系统适用于各种普通的电动机，是以应用为中心、计算 机技术为基础、辅助特定设备高质量的完成电动机对各种速度的要求。变频器具有多 种算术逻辑运算和智能控制功能， 输出频率精度高等特点使变频器可以很容易改变电 动机的速度，且具有精度高、稳定性好、可靠性高、存储容量大、灵活性好等优点。 本论文就是在这种背景下，设计了变频器和 plc 两者组合对传送带进行多种速 度控制。本文首先介绍了异步电动机的调速原理和调速方法及变频器和 plc 特点， 对 rs-485 通讯做了详细的分析，然后对硬件选择做相关介绍，进而对该系统的关键 技术做了详细阐述，最后对 plc 控制操作编程，完成变频器和 plc 组合对传送带多 种速度的控制。 关键词：关键词： 变频器 plc 多种速度控制 作作 者：者：王 艳 美 指导老师：指导老师：邓 晶 abstract the application of the frequency changer and plc in the multiple-speed control of the conveyer belt ii t the application of the frequency changer and plc in the multiple-speed control of the conveyer belt abstract with the rapid development of industrial automation, production line has been applied to different sorts of manufacturing industries and enterprises. the materials on the production line should be stopped reliably and quickly at the designated location during the processing, which requires a variety of changes of speed on the conveyor belt. the traditional adjustable speed motors have the disadvantages of large bulk, single speed, high prices, narrow scopes and so on. the application of plc and frequency changer can solve these problems efficiently. plc control system is suitable for all kinds of common motors. centered on application and based on computer technology, it meets motors requirements of speed with high quality supported by specific equipment. frequency changer, with a variety of arithmetic and logical operations, intelligent control functions, high precision output frequency, can easily change the motor speed. it also has the advantages of high precision, good stability, high reliability, storage capacity and flexibility. in this background, this paper designs the multiple-speed control of the conveyer belt by combining the frequency changer and plc. this paper firstly introduces the principle of induction motor speed control, speed control methods and the characteristics of the inverter and the plc, analyzes rs-485 communications in detail, makes an introduction about the choice of hardware, and then gives a full description about the key technologies of the system. finally it programs the plc control and realizes the multiple-speed control of the conveyer belt by combining the frequency changer and plc. key words: frequency changer, plc, the multiple-speed control written by：wang yanmei supervised by：deng jing 变频器和 plc 在传送带多种速度控制中的应用 第 1 章 设计综述 1 第 1 章 设计综述 1.1 课题研究的背景 众所周知，所有的生产机械、运输机械在传动时都需要调速。首先，机械在起动 时，根据不同的要求需有不同的起动时间，这样就要求有不同的起动速度相配合；其 次，机械在停止时，由于转动惯量的不等，所以自由停车时间也各不相同，为了达到 人们所需求的停车时间，就必须在停车时采取一些调速措施，以满足对停车时间的要 求；第三，机械在运行当中，根据不同的情况也要求进行调速。 如传送带在日常生产中是很常用的一种电力输送工具， 但是往往要求传送带在检 测到有物料时能够迅速的启动并运行，当物料运到相应的设备口时能准确的停止，对 物料进行加工处理，其间传送带要根据加工要求以各种速度运行或者快速返回，最后 还需要可靠停车。 传统的电动机一般有单一速度、双速、三速等，但是一个电机的各种速度值是固 定的， 使电动机在变速时会有明显的冲撞， 因为它不能完成各种速度之间的无级变化。 而且价格和单速电机相比高出许多，接线也复杂的多。当传感器检测到信号时电机启 动或者停止往往有滞后现象，使物料不能按照指定的位置启、停，给生产带来了难以 避免的误差。 plc 控制系统和传统的工业控制相比， 它吸收了微电子技术和计算机技术的最新 成果， 得到了更新的发展。 plc 控制系统适用于各种普通的电动机， 是以应用为中心、 计算机技术为基础、辅助特定设备高质量的完成电动机对各种速度的要求。而变频器 可以很容易改变电动机的速度，且具有精度高、稳定性好、可靠性高、存储容量大、 灵活性好等特点。将变频器和 plc 两者运用 rs485 通讯使其相结合，可以充分发挥 两者的忧点，具有良好的可扩展性和可维护性。 若把 plc 程序中所需要的多种速度输出到变频器，然后通过变频器的参数变换 实现迅速、可靠的对电动机多种速度控制，则可以解决传统电动机的速度单一和不能 准确可靠启动、停止等问题和不足。而在变频器和 plc 之间运用 rs-485 通讯可以很 容易和方便把两者相连接起来，而且 rs-485 还具有抗干扰能力强、传输速率高、传 第 1 章 设计综述 变频器和 plc 在传送带多种速度控制中的应用 2 输距离远且造价低廉。 变频器和 plc 之间的组合， 变频器在该系统中所起的作用就是对笼型异步电动机 进行无级调速。 plc 在该系统中所起的作用是对系统进行自动控制。 只要计算出 plc 所需要多种速度大小、时间的要求和变频器的频率控制相结合就可以完成，如启动速 度和时间，低速、高速、刹车时间等。 本课题即是在这种背景下， 对电动机特性和变频器系统及 plc 系统进行硬件及软 件的研究、分析和设计，并给出一套完整的解决方案，实现对一台电动机的起动、停 止、变速等多种速度要求。 1.2 开发环境的介绍 本系统的开发环境由硬件环境与软件环境两部分组成。 其中硬件开发环境采用了亚龙 yl235a 型光机电一体化实训考核装置。 它包 含了三菱 plc 主机、三菱变频器、皮带输送机部件、电动机、电源、按钮、气管、 plc 编程线缆、计算机、键盘。硬件开发环境见图 11。 图 11 系统硬件开发环境 变频器和 plc 在传送带多种速度控制中的应用 第 1 章 设计综述 3 软件开发环境为对应的 plc 编程环境。它提供了一套完备的面向变频器和电动 机的开发和调试工具，包含编程器、编译器、连接器、转换器、调试器。配合变频器 和电动机可以完善直接的在线调试。软件开发环境主界面见图 12。 图 12 plc 编程主界面 1.3 课题的主要任务和论文的组织 1.3.1 课题的主要任务课题的主要任务 课题研究的主要内容是以电脑和键盘对三菱 plc 进行编程，通过 rs485 连接三 菱变频器，根据 plc 和变频器的通信协议，用程序控制变频器工作；根据变频器的 的多种频率变化改变电动机的多种速度控制； 电动机通过联轴器和传送带轴相连使传 送带实现正转、反转、起动、停止、加速、减速等多种速度变化。 重点研究内容主要有： 电动机调速机械特性和调速原理； 变频器基本形式和调速原理； plc 的特点和工作原理； plc 和变频器之间的连接方法和通信协议； 第 1 章 设计综述 变频器和 plc 在传送带多种速度控制中的应用 4 plc 程序控制变频器工作和电动机实现多种速度要求； 1.3.2 论文的组织论文的组织 论文的第一章为设计综述，对论文研究的背景和意义进行概括，并介绍了课题的 主要研究内容以及所使用的硬件、软件开发环境。第二章对变频器的特点和变频原理 及 plc 相关内容进行一般性论述，着重论述了变频调速方法和调速控制的特点。第 三章主要论述 rs-485 通讯的特点和串行接口标准及数据传输协议。第四章介绍了变 频器和 plc 的选择和对应参数设置，及硬件组成和硬件之间的连接。第五章是系统 的软件开发，分析了 rs-485 通信软件的设计和速度控制软件设计。第六章为系统的 调试与实现，将计算机、三菱 plc、三菱变频器、电动机和传送带相连接，根据现实 要求设计 plc 程序，并给出其流程图。第七章是总结与展望，对整篇论文进行概括 与总结。 变频器和plc在传送带多种速度控制中的应用 第2章 变频器与plc技术概要 5 第 2 章 变频器与 plc 技术概要 2.1 变频器概述 2.1.1 变频器的组成和变频原理变频器的组成和变频原理 一、变频器的组成 异步电动机用变频器调速运转时通常由变频器主电路给异步电动机提供调压调 频电源。此电源输出的电压或电流及频率，由控制回路的控制指令进行控制。而控制 指令则根据外部的运转指令进行运算获得。对于需要更精密速度或快速响应的场合， 运算还应包含由变频器主电路和传动系统检测出来的信号和保护电路信号， 即防止因 变频器主电路的过电压、过电流引起的损坏外，还应保护异步电动机及传动系统等。 1、主电路 给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。主电路由三部分 构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器” ，吸收在整流和逆变时产生的电压脉 动的“平波回路” ，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器” 。另外，异步电动机 需要制动时，有时要附加“转动回路” 。 2、控制回路 给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，称为控制 电路。控制电路由以下电路组成，频率、电压的“运算电路” ，主电路的“电压/电流 检测电路” ，电动机的“速度检测电路” ，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电 路” ，以及逆变器和电动机的“保护电路” 。 二、变频原理 在交直交变频调速系统中，变频器有 3 种主要结构形式。 1、用可控整流器调压如图 2-1，这种装置结构简单，控制方便。但是，由于输入 环节采用可控整流器，当电压或转速调得较低时，电网端的功率因数较低；输出环节 多采用由功率开关元件组成的三相六拍逆变器（每周换流 6 次） ，输出的谐波较大， 这是该种调压控制方法的缺点。 第2章 变频器与plc技术概要 变频器和plc在传送带多种速度控制中的应用 6 2、用不可控整流器整流，斩波器调压如图 2-2，这种调压控制方法是在主回路增 设的斩波器上用脉宽调压，而整流环节采用二极管不可控整流器。这样显然多增加了 一个功率环节，但输入功率因数高，克服了前种方法的一个缺点，而逆变器输出信号 的谐波仍较大。 3、用不可控整流器整流，pwm 型逆变器调压如图 2-3，在这种控制方法中，由 于采用不可控整流器整流，故输入功率因数高；采用 pwm 型逆变器则输出谐波可以 减少。这样，前两种调压控制方法中存在的缺点问题都解决了。采用可控关断的全控 式功率开关元件以后，开关频率才得以大大提高，逆变器的输出波形几乎是正弦波， 因此成为当前被采用的一种调压控制方法。 可控整流器 逆变器 调压 调频 ac dc ac 图 2-1 整流电压 不控整流器 斩波器逆变器 ac dc dc ac 调压调频 图 2-2 斩波调压 不控整流器 pwm 逆变器 ac dcac 调压调频 图 2-3 pwm 调压 变频器和plc在传送带多种速度控制中的应用 第2章 变频器与plc技术概要 7 2.1.2 变频器的特点变频器的特点 1、转速与转矩特性 采用不同控制方式，转速与转矩特性是不一样的，如采取 u/f 控制时它的调速范围较窄，在低速时运行转差率较大，特性较软。采用矢量控制 时能保证在整个频率范围内实现精确的转矩控制。 2、快速响应功能 变频器采用了单片机控制，特别是采用了高速数字信号处 理器（dsp） ，其计算速度快，转速调整响应快，因此在提升设备中应用，对防止“滑 落”很有效。 3、avr 功能保证了高启动转矩的实现 当线电压下降时，使用 avr（自动电压 调整）功能，可以维持高启动转矩。 4、电动机参数自动调整功能 变频器与电动机参数调整的步骤自动进行，从 而简便了使用操作，因此可以更有效也更易于实现强力运行。 5、模糊逻辑加、减功能 此功能根据电动机负载和制动要求自动地计算出最佳 加速/减速时间，这就省掉了试机并避免了出错，负载固定时在某一电压下电动机的 电流达最小，当电流最小时，功率最小，自动追踪最小的电压。 6、降低能源消耗，自动节能运行功能 变频器会自动地选择操作参数，使电 动机在满足负载转矩要求的情况下以最小电流运行，这就使之与传统变频器相比，更 能降低能源消耗。 7、多段转速功能 内装速度设定和定时器设定功能，因而能进行 7 段转速特 性曲线运转（能选择连续、继续、保持最终值） ，对各种速度，都用任意加速时间、 旋转方向、运转时间。 8、内装 pi 或 pid 调节功能。 9、由于采用 svpwm 控制和高工作频率的 igbt、ipm，其输出电流波形大为改善， 而且消耗电流大为降低。 2.2 plc 概述 2.2.1 plc 的工作原理的工作原理 1、plc 的扫描的扫描 用户程序通过编程器输入并存放在 plc 的用户存储器中，当 plc 运行时，用户 第2章 变频器与plc技术概要 变频器和plc在传送带多种速度控制中的应用 8 程序中有众多的操作需要去执行，但 cpu 是不能同时执行多个操作的，它只能按分 时操作原理工作，即每一时刻只执行一个操作。由于 cpu 的运算处理速度很高，使 得外部出现的结构从宏观上看好像是同时完成的。这种按分时原则、顺序执行程序的 各种操作的过程称为 cpu 对程序的扫描。执行一次扫描的时间称为扫描周期。 当 plc 投入运行时，它首先执行系统程序和 cpu 自检等工作，然后开始顺序执 行用户程序。plc 的用户程序由若干条指令（语句）组成，这些指令在存储器中是按 步序号的顺序排列的。用户程序的执行是按顺序扫描工作方式完成的。在没有中断或 跳转控制的情况下，cpu 从第一条指令开始，顺序逐条地执行用户程序，直到用户 程序结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再返回第一条指令开始新的 一轮扫描，plc 就是这样周而复始地重复上述的扫描周期。 顺序扫描的工作方式简单直观，它为 plc 的可靠运行提供了非常有用的保证。 一方面，所扫描到的指令被执行后，其结果马上就可以被将要扫描到的指令所利用。 另一方面，通过自诊断，检查 cpu 模块内部的硬件是否正常；通过 cpu 设置的监控 定时器，判断每次扫描是否超过规定时间，从而避免了因 cpu 内部故障使程序执行 进入死循环而造成的影响。第三方面，通过通信功能，使 plc 与编程器、上位计算 机或别的带微处理器的智能装置进行通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显 示内容。 2、plc 的工作过程的工作过程 plc 是在系统软件的控制和指挥下， 采用循环顺序扫描的方式工作的， 其工作过 程就是程序的执行过程，它分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。 1）输入采样阶段。在输入采样阶段，plc 用扫描方式，把所有输入端的外部输 入信号的通/断状态一次写入到输入映像寄存器中，此时，输入映像寄存器被刷新。 接着进入程序执行阶段，在程序执行阶段或输出阶段，输入映像寄存器与外界隔离， 即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的内容也不会随之改变。输入 信号变化了的状态，只能在下一个扫描周期的输入采样阶段才被读入。换句话说，在 输入采样阶段采样结束之后，无论输入信号如何变化，输入映像寄存器的内容保持不 变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入新的内容。 2）程序执行阶段。在程序执行阶段，plc 逐条解释和执行程序。若是梯形图程 变频器和plc在传送带多种速度控制中的应用 第2章 变频器与plc技术概要 9 序，则按先上后下、先左后右的顺序进行扫描（执行） 。若遇到跳转指令，则根据跳 转条件是否满足来决定程序的跳转地址。在顺序执行程序时，所需要的输入状态有输 入映像寄存器读出，所需要的其他软元件的状态从元件映像寄存器中读出，而将执行 结果写入到元件映像寄存器中。对于每个软元件（输入继电器 x 除外）来说，元件 映像寄存器中所存的内容会随着程序执行的进程而变化。 3）输出刷新阶段。当所有的用户程序执行完成后，集中将元件映像寄存器中的 输出元件（即输出继电器）的状态（此状态存放在对应的输出映像寄存器中）转存到 输出锁寄存器中，经过输出模块隔离和功率放大，转换成被控设备所能接收的电压或 电流信号后，再去驱动被控制的用户输出设备（即外部负载） 。 plc 重复执行上述 3 个阶段。 每重复一次的时间即为一个扫描周期。 扫描周期的 长短与用户程序的长短有关。 3、plc 对对 i/o 的处理原则的处理原则 根据上面分析的程序执行过程，可归纳出 plc 在 i/o 处理方面必须遵守的规则 如下： 1）输入映像寄存器的数据，取决于输入端子板在上一个刷新时间的状态； 2）程序如何执行，取决于用户所编的程序和输入映像寄存器、元件映像寄存器 中存放的所需软元件的状态； 3）输出映像寄存器（包含在元件映像寄存器中）的状态，由输出指令的执行结 果决定； 4）输出锁存器中的数据，由上一个刷新时间输出映像寄存器的状态决定； 5）输出端子上的输出状态，有输出锁存器中的状态决定。 4、输入、输入/输出滞后时间输出滞后时间 输入/输出滞后时间又称系统响应时间，是指 plc 的外部输入信号发生变化的时 刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔， 它由输入电路滤波 时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间这三部分组成。 输入模块的 rc 滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声， 消除因外接输入触 点动作时产生的抖动引起的不良影响， 滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长 短，其典型值为 10ms 左右。 第2章 变频器与plc技术概要 变频器和plc在传送带多种速度控制中的应用 10 输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般在 10ms 左右；双向晶闸管型输出电路在负载通电时的滞后时间约为 1ms，负载由通电 到断电时的最大滞后时间为 10ms；晶体管型输出电路的滞后时间一般在 1ms 以下。 由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达两个扫描周期。 plc 总的响应延迟时间一般只有几十 ms，对于一般的系统是无关紧要的。要求 输入输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的 plc 或采取其 他措施。 2.2.2 plc 的特点的特点 1、编程方法简单易学 梯形图是使用得最多的 plc 的编程语言，其电路符号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，易学易懂。 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，有很强的功能，可以 实现非常复杂的控制功能。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，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户 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。硬件配置 确定后，通过修改用户程序，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 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器， 仅剩下与输入和输出有关的少 量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的十分之一到百分之一，因触点接触不良 造成的故障大为减少。 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，平均无故障时间达到数万小时以上。 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。 6、维修工作量小、维修方便 plc 的故障率很低，具有完善的自诊断和显示功能。plc 或外部的输入装置和 变频器和plc在传送带多种速度控制中的应用 第2章 变频器与plc技术概要 11 执行机构发生故障时，可以根据 plc 上的发光二极管或编程器提供的信息方便地查 明故障的原因，用更换模块的方法迅速地排除故障。 7、体积小，能耗低 对于复杂的控制系统，使用 plc 后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器， 小型 plc 的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的 1 21 10。plc 控制系统的配线比继电器控制系统的少得多，故可以省下大量的配 线和附件，减少很多安装接线工时，加上开关柜体积的缩小，可以节省大量的费用。 2.2.3 plc 控制的优点控制的优点 一、高可靠性 1、所有的 i/o 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与plc内部电路 之间电气上隔离。 2、各输入端均采用 r-c 滤波器，其滤波时间常数一般为 1020ms。 3、各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 4、采用性能优良的开关电源。 5、对采用的器件进行严格的筛选。 6、良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，cpu 立即采用 有效措施，以防止故障扩大。 7、大型plc还可以采用由双 cpu 构成冗余系统或有三 cpu 构成表决系统,使可 靠性更进一步提高。 二、丰富的 i/o 接口模块 plc针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流； 脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应的 i/o 模块与工业现场的器件或设备，如：按 钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。另外为 了提高操作性能， 它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络， 它还有 多种通讯联网的接口模块，等等。 三、采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型plc以外，绝大多数plc均采 用模块化结构。plc的各个部件，包括 cpu，电源，i/o 等均采用模块化设计，由机 第2章 变频器与plc技术概要 变频器和plc在传送带多种速度控制中的应用 12 架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 四、编程简单易学 plc的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需 要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 五、安装简单，维修方便 plc不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的 各种设备与plc相应的 i/o 端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指 示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块 发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。 2.3 异步电动机调速 2.3.1 变频调速方法变频调速方法 从异步电动机的转速关系式()() 1 0 60 11 f ns ns p =可知，若要改变异步电动 机转速，可以有以下 3 种方法： 1、改变电动机的极对数p，以改变电动机的同步转速 0 n，从而达到调速的目的。 这种调速方法称为变极调速； 2、改变电动机的转差率s，可采取的方法很多，如对笼型异步电动机，改变定 子电压及电磁型调速、绕线转子异步电动机改变转子电阻或电动势等； 3、改变异步电动机的电源频率 1 f，以改变 0 n进行调速，称为变频调速。 2.3.2 变频调速控制的特点变频调速控制的特点 从异步电动机的转速关系式()() 1 0 60 11 f ns ns p =可知，只要平滑地调节异步 电动机的供电频率 1 f， 就可以平滑调节异步电动机的同步转速 0 n， 从而实现一般电动 机的无级调速，从机械特性分析，其调速性能比调磁极对数与转差率好得多，近似直 流电动机调压的机械特性。改变笼型异步电动机的供电频率，也就是改变电动机的同 步转数n。就可以实现调速，这就是变频调速的基本工作原理。 变频器和plc在传送带多种速度控制中的应用 第2章 变频器与plc技术概要 13 实现变频调速的关键是如何获得一个单独向感应电动机供电的经济可靠的变频 电源。目前在变频调速系统中广泛采用的是静止变频装置。它是利用大功率半导体器 件，先将 50hz的工频电源经整流器整流成直流，然后再经逆变器换成频率与电压均 可调节的变频电压输出给受控感应电动机，这种系统称为交直交变频系统。当然 也可以将三相 50hz的工频电源直接经三相变频器转成变频电压而输出给电动机，这 种系统称为交交变频系统。 一、基频以下恒磁通（恒转矩）变频调速 恒磁通变频调速实质上就是调速时要保证电动机的电磁转矩恒定不变。 这是因为 电磁转矩与磁通是成正比的。如果磁通太弱，铁心利用不充分，同样的转子电流下， 电磁转矩就小，电动机的负载能力下降，要想负载能力恒定就得加大转子电流，这就 会引起电动机过电流发热而烧毁；如果磁通太强，电动机会出于过励磁状态，使励磁 电流过大，同样会引起电动机过电流发热。所以变频调速一定要保持磁通恒定。 从上式可知，每极磁通 1 的值是由 1 e和 1 f共同决定，对 1 e和 1 f进行适当控制， 就可以使气隙磁通 1 保持额定值不变。由于 1 1 4.44n f对某一电动机来讲是一个固定常 数，所以只要保持 11 ef为常数，即保持电动势与频率之比为常数进行控制。 当 1 e和 1 f的值较高时，定子的漏阻抗压降相对比较小，如忽略不计，即可认为 u1和 e1是相等，这就是恒压频比控制方程式 1 1 u f =常数 当频率较低时，u1和 e1都变得小，此时定子电流却基本不变，所以定子的阻抗 压降，特别是电阻压降，相对此时的 u1来说是不能忽略的。可以在低速时人为地提 高定子相电压 u1以补偿定子的阻抗压降的影响， 使气隙磁通 1 保持额定值基本不变。 笼型异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率提 供电源，即所谓变频器（vvvf）调速控制。 二、基频以上恒功率（恒电压）变频调速 恒功率变频调速又称为弱磁通变频调速。这是考虑有基频 1n f开始向上调速的情 况，频率有额定值 1n f向上增大，如果按照 1 1 u f =常数规律控制，电压也必须由额定 第2章 变频器与plc技术概要 变频器和plc在传送带多种速度控制中的应用 14 值 u1n向上增大，但实际上电压 u1受额定电压 u1n的限制不能再升高，只能保持 11n uu=不变。根据公式 1111 4.44uf n分析主磁通1随着 1 f的上升而应减小，这 与直流电动机弱磁调速的情况一样，属于近似的恒功率调速方式。证明如下： 在 11n ff、 11n uu时， 111 1 4.44ef n=可近似为 111 1 4.44 n uf n 可见，随 1 f升高，即转速升高， 1 增大，主磁通 1 必须相应下降，才能保持电压 恒定，而电磁转矩越低这样 t 与 1 可以近似为乘积不变， 1n pt=常数，随着转速 的提高， 要使电压恒定， 磁通就自然下降， 当转子电流不变时， 其电磁转矩就会减小， 而电磁功率却保持恒定不变，其控制条件为 2 1 e f 常数。 变频调速平滑性好，效率高，机械特性硬调速范围广，只要控制端电压随频率变 化的规律，可以适用不同负载特性的要求。 变频器和plc在传送带多种速度控制中的应用 第3章 rs-485串行通讯 15 第 3 章 rs485 串行通讯 3.1 rs485 串行通讯的特点 1、rs-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（26）v表示；逻辑“0” 以两线间的电压差为-（26）v表示。接口信号电平较低，就不易损坏接口电路的 芯片， 且该电平与ttl电平兼容，可方便与ttl 电路连接。 2、rs-485的数据最高传输速率为10mbps 。 3、rs-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强， 即抗噪声干扰性好。 4、rs-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺， 实际上可达 3000米。rs-485 接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单 一的rs-485接口方便地建立起设备网络。 因rs-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点 就使其成为首选的串行接口。 因为rs-485接口组成的半双工网络一般只需二根连线， 所以rs-485接口均采用屏蔽双绞线传输。 rs-485接口连接器采用db-9的9芯插头 座，与智能终端rs-485接口采用db-9（孔） ，与键盘连接的键盘接口rs-485采用 db-9（针） 。 3.2 rs485串行接口标准串行接口标准 一、平衡传输一、平衡传输 rs-485数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将 其中一线定义为a，另一线定义为b。通常情况下，发送驱动器a、b之间的正电平 在+2+6v，是一个逻辑状态，负电平在-2v6v，是另一个逻辑状态。另有一个信号 地c，在rs-485中还有一“使能”端， “使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切 断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是 有别于逻辑“1”与“0”的第三态。 第3章 rs-485串行通讯 变频器和plc在传送带多种速度控制中的应用 16 二、二、rs-485电气规定电气规定 rs-485采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。rs-485可以采用 二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。rs-485总线，在要求通信距 离为几十米到上千米时， 广泛采用rs-485 串行总线标准。rs-485采用平衡发送和差 分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至 200mv的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 rs-485采用半双工工作方式， 任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。rs-48 5用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用rs-485 可以联网构成分布 式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。rs-485的共模输出电压是-7v 至+12v之间， rs-485满足所有rs-422的规范，所以rs-485的驱动器可以用在rs -422网络中应用。rs-485其最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10mbps。 平衡双绞线的长度与传输速率成反比， 在100kbps速率以下， 才可能使用规定最长的 电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传 输速率仅为1mbps。 三、三、rs-485的网络安装注意要点的网络安装注意要点 rs-485支持32个节点，因此多节点构成网络。网络拓扑一般采用终端匹配的总 线型结构，不支持环形或星形网络。在构建网络时，应注意如下几点： * 采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出 线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。 * 应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点就会发生信号的反射。下列几 种情况易产生这种不连续性：总线的不同区段采用了不同电缆，或某一段总线上有过 多收发器紧靠在一起安装，再者是过长的分支线引出到总线。 总之，应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线。 3.3 rs485数据传输协议数据传输协议 rs-485 是主从式多机通讯协议 ，此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结 构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的 过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格 局和内容的公共格式。 变频器和plc在传送带多种速度控制中的应用 第3章 rs-485串行通讯 17 此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决 定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息按本协议发出。 一、一、 数据在网络上传输数据在网络上传输 控制器通信使用主从技术，即仅一设备（主设备）能初始化传输（查询） 。其 它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。 主设备可单独和从设备通信， 也能以广播方式和所有从设备通信。 如果单独通信， 从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则从设备不作任何回应。协 议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、 一错误检测域。 从设备回应消息也由协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据和一错 误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误(无相应的功能码)，或从设备不能执行 其命令，从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。 在对等网络上，控制器使用对等技术通信，故任何控制都能初始和其它控制器的 通信。这样在单独的通信过程中，控制器既可作为主设备也可作为从设备。 在消息位，本协议仍提供了主从原则，尽管网络通信方法是“对等” 。如果一 控制器发送一消息，它只是作为主设备，并期望从设备得到回应。同样，当控制器接 收到一消息，它将建立一从设备回应格式并返回给发送的控制器。 二、二、 查询回应查询回应 1、查询 1、查询 查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。 数据段包含了从设 备要执行功能的任何附加信息。 错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正 确的方法。 2、回应 2、回应 如果从设备产生一正常的回应， 在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功能 代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据。如果有错误发生，功能代码将被修改 以用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了描述此错误信息的代码。错误检测 域允许主设备确认消息内容是否可用。 第3章 rs-485串行通讯 变频器和plc在传送带多种速度控制中的应用 18 三、三、 消息帧消息帧 1、 帧格式 1、 帧格式 传输设备将消息转为有起点和终点的帧， 这就允许接收的设备在消息起始处开始 工作，读地址分配信息，判断哪一个设备被选中（广播方式则传给所有设备） ，判知 何时信息已完成。错误消息也能侦测到并能返回结果。 消息发送至少要以 10ms 时间的停顿间隔开始。传输的第一个域是设备地址。网 络设备不断侦测网络总线，包括停顿间隔时间内。当第一个域（地址域）接收到，每 个设备都进行解码以判断是否发往自己的。 在最后一个传输字符之后， 一个至少 10ms 时间的停顿标定了消息的结束。一个新的消息可在此停顿后开始。 整个消息帧必须作为一连续的流转输。 如果在帧完成之前有超过 5ms 时间的停顿 时间， 接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的地址域。 同样地， 如果一个新消息在小于 5ms 的时间内接着前个消息开始， 接收的设备将认为它是前一 消息的延续。这将导致一个错误，因为在最后的 crc 域的值不可能是正确的。一典型 的消息帧如下所示：起始间隔 设备地址 功能代码 数据数量及数据 crc 校验 结束 2、 地址域 2、 地址域 消息帧的地址域包含一个字符 8bit。可能的从设备地址是 0.247 (十进制)。 单个设备的地址范围是 1.247。主设备通过将要联络的从设备的地址放入消息中的 地址域来选通从设备。当从设备发送回应消息时，也把自己的地址放入回应的地址域 中，以便主设备知道是哪一个设备作出回应。 地址 0 是用作广播地址，以使所有的从设备都能认识。 3、 如何处理功能域 3、 如何处理功能域 消息帧中的功能代码域包含了一个字符 8bits。可能的代码范围是十进制的 1.255。当然，有些代码是适用于所有控制器，有此是应用于某种控制器，还有些 保留以备后用。 当消息从主设备发往从设备时，功能代码域将告之从设备需要执行哪些行为。 例如去读取当前检测参量的值或开关状态，读从设备的诊断状态，允许调入、记录、 校验在从设备中的程序等。 当从设备回应时， 它使用功能代码域来指示是正常回应(无误)还是有某种错误发 变频器和plc在传送带多种速度控制中的应用 第3章 rs-485串行通讯 19 生（称作异议回应） 。对正常回应，从设备仅回应相应的功能代码。对异议回应，从 设备返回一等同于正常代码的代码，但功能代码的最高位为逻辑 1。 例如：一从主设备发往从设备的消息要求读一组保持寄存器，将产生如下功能代 码： 0 0 0 0 0 0 1 1 （十六进制 03h） 对正常回应，从设备仅回应同样的功能代码。对异议回应，它返回： 1 0 0 0 0 0 1 1 （十六进制 83h） 除功能代码因异议错误作了修改外， 从设备将一独特的代码放到回应消息的数据 域中，这能告诉主设备发生了什么错误。 主设备应对程序得到异议的回应后，典型的处理过程是重发消息，或者诊断发 给从设备的消息并报告给操作员。 从主设备发给从设备消息的数据域包含附加的信息： 从设备用于进行执行由功能 代码所定义的行为所必须的数据。 如果没有错误发生，从设备返回的数据域包含请求的数据。如果有错误发生，此 域包含一异议代码，主设备应用程序可以用来判断采取下一步行动。 在某种消息中数据域可以是 0 长度。 例如， 主设备要求从设备回应通信事件记录， 从设备回应不需任何附加的信息。数据域最长为 70 字节。 错误检测域包含一字节 8bits。错误检测域的内容是通过对消息内容进行循环冗 长检测方法得出的。crc 域附加在消息的最后，故 crc 字节是发送消息的最后一个字 节。具有竞争力。 第 4 章 系统的硬件开发 变频器和 plc 在传送带多种速度控制中的应用 20 第 4 章 系统的硬件开发 4.1 变频器的选择 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控 制装置。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式（vvvf 变频或矢量控制变 频） ， 先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源， 然后再把直流电源转换成频率、 电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、 逆变和控制 4 个部分组成。整流