【導讀】制系統(tǒng)—基于PLC的銅材水平牽引變頻調速控制系統(tǒng)。本課題主要研制銅材連鑄水平。牽引機的監(jiān)控系統(tǒng)，使銅型材在結晶器中的阻力減小，銅型材在結晶過程中晶粒細化，從而提高成材率。本文采用變頻電機實現(xiàn)拉、停、反推來取代爐振、打鏈、棘輪或繼電。器方式，做到工藝既簡單且準確。采用PLC編程控制牽引電機的正轉、停止、反轉、停止，同時通過控制這四種狀態(tài)的時間來實現(xiàn)牽引電機四節(jié)拍動作。并可以在線改變鑄。造速度、改變牽引頻率和節(jié)距，從而提高成材率、降低生產成本。選型，尤其是對PLC型號的選擇。接著，本文對PLC的自動運行、單行程運行、手動。運行的控制程序做了具體的設計，鍵問題提供了理論上的說明,有助于國內銅型材水平連鑄產業(yè)的技術更新和發(fā)展。

　　

【正文】 生產的優(yōu)點卻不盡相同，比如日本主要在小型 PLC 生產和研發(fā)上占有優(yōu)勢，生產商三菱，歐母龍等。 FX2N系列 PLC 是日本三菱公司近年來推出的高性能小型模塊式 PLC ，其運行高速度，高性能和所有方便都是相當于 FX 系列中最高檔次的超小形程序裝置。綜合考慮課題的設計任務，可選擇三菱 FX2N 系列 [10] 21 外部 I/O 設備指令 PLC 指令主要完成起 PLC 通過一些簡單的 外部設備進行數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)顯示。在這次課題設計中要求整個系統(tǒng)能夠用外部輸入設備對電機運行的四個狀態(tài)參數(shù)進行設置，因此就會有相應的功能指令的運用。下面我就這部分的設計和選擇做一個較詳細的說明 [11]。 數(shù)字開關指令 (1) 數(shù)據(jù)開關指令的助記符、指令代碼、操作數(shù)及程序步見表 31 所示 。 表 31 數(shù)字開關指令應用說明 指令名稱 助記符 代碼 操作數(shù) 程序步 S D1 D2 n 數(shù)字開關指令 DSW FNC72 X Y T、 C、 D、Y、 Z K、 H、n=12 DSW9步 (2)指令梯形圖如圖 32 所示 D S W X 0 1 0 Y 0 1 0 D 0 K 1SD 2D 1n 圖 32 數(shù)字開關使用指令圖 (3)指令說明 1）該指令是用來讀入一組或兩組 4 位數(shù)字開關的設置值。指令中 [S]指定的入 點； [D1] 指定的選通點； [D2] 指定數(shù)據(jù)存儲元件，用來存儲數(shù)字開關讀入的數(shù)值； [n]指定數(shù)字開關的組數(shù)，當 n=1， 表示接一組；當 n=2 ，表示接兩組。 2）數(shù)字開關與 PLC 的連接如圖 33 所示。 3）當 X0 置 ON 時， Y10～ Y13 順次為 ON，一個周期完成后標志 M8029 置 “ 1” ， 其時序圖如圖 34。指令梯形圖如圖 35 所示 。 22 X 7X 4 X 5 X 6Y 1 0 Y 1 1 Y 1 2 Y 1 3C O MX 1 0 X 1 1 X 1 2 X 1 3C O M第 一 組 輸 入第 二 組 輸 入1 001 011 021 03 圖 33 數(shù)字開關指令梯形圖與 PLC 的連接圖 X 0Y 1 0Y 1 1Y 1 2M 8 0 2 9重 復 操 作0 . 1 S0 . 1 S0 . 1 S0 . 1 S 0 . 1 S 圖 34 Y10Y13 的時序圖 23 X 0 0 0M 0M 8 0 2 9R S T M 0S E T M 0D S W X 0 1 0 Y 0 1 0 D 0 K 1 圖 35 Y10Y13 的梯形圖 方向開關指令 (1) 方向開關指令的助記符、指令代碼操作數(shù)及程序步見下表 32 所列 。 表 32 方向開關指令應用說明 指令名稱 助記符 代碼 操作數(shù) 程序步 S D1 D2 n 方向 開關指令 A、 R、 W、S FNC75 X、 Y、 M、S T、 C、 D、V、 Z Y K、 H、n=03 ARWS9步 (2) 指令梯形圖如圖 36 所示 。 A R W S X 0 1 0 Y 0 1 0 D 0 K 1 SD2D 1n 圖 36 方向開關指令梯形圖 (3)指令說明： 1）該指令不僅可以把 D0 中數(shù)據(jù)通過帶鎖存的 4 位數(shù)碼顯示出來，還可以利用 X10～X13 修改 D0 的數(shù)據(jù)。 2）當 X0 置 ON 時，指定位是 103，也即 Y7 是 OFF 的，表示該位可以通過增加鍵 X1 24 減少鍵 X10 進行修改，修改范圍是 0～ 9。每按一次右移鍵，指定位按以下順序移動：103～ 102～ 101～ 100。每按 一次左移鍵。指定位按以下順序移動： 100～ 101～ 102～ 103。指令位可通過選通信號 Y4～ Y7 上的 LED 指示來確認。 I/O 地址分配 從前面對課題設計要求的分析， 在進行 PLC 軟件程序設計時必須知道 PLC 控制器的 I/O 接口的分配，本設計的系統(tǒng)的輸入端口有：系統(tǒng)啟動、系統(tǒng)停止信號，電機正，反轉點動信號，數(shù)字開關輸入信號，方向開關輸入信號。輸出端口有：電機正、反轉信號輸出端，電機運行狀態(tài)顯示，數(shù)字開關位選擇端口等。總的說來， 系統(tǒng)的輸入總點數(shù)為 16 點，系統(tǒng)的輸 出 總點數(shù)為 18 點 ， 信號類型都為開關量。 根據(jù)上面所述，系統(tǒng) I/O 地址定義如下表 33 所示。 表 33 I/O 分配表 I/O 端口名稱 端口地址 說明 系統(tǒng)起動按鈕 X17 開啟按鈕動作檢測信號，高電平有效 系統(tǒng)停止按鈕 X16 停止按鈕動作檢測信號，高電平有效 電機反向點動 X15 電機正向點動控制信號，高電平有效 電機正向點動 X14 電機反向點動控制信號，高電平有效 數(shù)字開關輸入 X X X X7 用來選擇寄存器 方向開關輸入 X X1 X1 X13 用來修改參數(shù) 電機運行狀態(tài)顯示 Y Y Y Y7 顯 示電機運行在哪個階段 電機運行狀態(tài)參數(shù)顯示 Y Y1 Y1 Y13 電機運行狀態(tài)顯示，高電平有效 電機反轉輸出 Y1 電機反轉輸出控制信號，高電平接通 電機正轉輸出 Y0 電機正轉輸出控制信號，高電平接通 數(shù)字開關選擇信號輸出 Y1 Y15 選位 參數(shù)設置狀態(tài)輸出 Y Y3 系統(tǒng)參數(shù)所處狀態(tài)，高電平有效 電機自動運行 X1 電機進入自動運行，高電平有效 電機退出按鈕 X3 電機退出自動運行，高電平有效 電機進入 點 動 狀態(tài) X0 電機進入 手 動運行，高電平有效 25 電機退出 點 動按鈕 X2 電機停止 手 動 參數(shù)顯示選通端口 Y1 Y1 Y Y21 對位進行選通 系統(tǒng)電源接通信號輸出 Y22 控制 KM 通斷 由上表可知，此系統(tǒng)屬于小型單機控制系統(tǒng)，其中 PLC 的選型范圍較寬，今選用三菱公司的 FX2N 系列 PLC，其中主控制器為 FX2N16M，另加一 FX2N24M 擴展模塊和一采用繼電器輸出的 FX2N8M 擴展模塊作為控制元件。 顯示單元的設計 在本設計中，顯示電路采用四種不同顏色的發(fā)光二極管。這四種發(fā)光二極管分別代表了電機的四種不同狀態(tài)。具體如下： （ 1） 電機正轉，黃色二 極管發(fā)光； （ 2） 電機反轉，綠色二極管發(fā)光； （ 3） 電機停轉，紅色二極管發(fā)光； （ 4） 系統(tǒng)處于自動運行時，白色發(fā)光二極管工作，處于手動時則不工作 ； 從數(shù)字電子技術的相關內容中，我們知道發(fā)光二極管是用砷化鎵，磷化鎵等材料制造的特殊二極管。在發(fā)光二極管正向導通時，電子和空穴大量復合，把多余能量以光子形式釋放出來，根據(jù)材料不同發(fā)出不同波長的光。發(fā)光二極管既可以用高電平點亮，也可以用低電平驅動，分別可以圖 37 表示。 1 D1L E DR 0 +VCCD1L E DR1 圖 37 高 低電平驅動 將七個發(fā)光二極管封裝在一起，每個發(fā)光二極管做 成字符的一個段，就是所謂的 7 26 段 LED 字符顯示器。根據(jù)內部連接的不同， LED 顯示器有共陰和共陽之分共陰 LED 顯示器適用于高電平驅動，共陽 LED 顯示器適用于低電平驅動。本次設計采用共陰驅動 LED 顯示控制方式。 共陰驅動如圖 38 所示 。 D1L E DD2L E DD3L E DD4L E D 圖 38 共陰驅動 在本次設計中，顯示器要顯示的范圍是 0～ 秒，所以顯示單元至少是由兩個 LED 組成的顯示單元模塊，但考慮到以后生產工藝的改變，電機在相應 4 段時間的調整范圍會延長，我們在設計中采取的顯示模塊是由 4 個七段 LED 顯示器組成的集成塊。 當然，集成模塊中除了 LED 顯示器外，譯碼器也是必不可少的部分。同其他元件一樣，譯碼器的選擇也有很多方案，在本次設計中我用 CD4513 芯片 作 為顯示電路的譯碼元件 。連接圖詳見附錄 A 系統(tǒng)原理圖 。 變頻調速是系統(tǒng)下位機的重要組成部分，在系統(tǒng)中我們使用了三菱 變頻器。三菱 FRA540 變頻器是帶有中間直流環(huán)節(jié)的交流調速用的變頻器。三菱FRA540 采用先進磁通矢量控制方式，實現(xiàn)在線自動調整功能，調速比可達 1： 120（ ~60Hz）。隨機附帶一個簡易操作面板（ FRDU04），也可使用選件 FRPU04（ LCD顯示帶菜單功能）。它采用柔性 PWM 方式，超低噪音運行。它內置 RS485，也可通過插卡實現(xiàn) CClink、 DeviceNet TM、 Profibus DP 和 Modbus plus 聯(lián)網(wǎng)。操作簡單，有參數(shù)拷貝功能；參數(shù)組自選功能，用戶可自己選擇讀寫的參數(shù)組。內置 PID 控制、工頻切換順序、停電減速停止控制等新功能 [12]。 表 3 4 主回路接線端子功能 27 端子符號 端子名稱 說明 R、 S、 T 交流電源輸入端子 連接工頻電源，當使用高功率因數(shù)轉換器選件時，確保這些端 子不連接（ FRHC） U、 V、 W 變頻器輸出端子 接三相籠型異步電動機 R S1 控制回路電源輸入端子 與交流電源端子 R、 S 連接。在保持異常顯示和異常輸出時或當使用高功率因數(shù)轉換器（ FRHC）時，必須拆下RR1 和 SS1 之間的短路片，并提供外部電源到此端子。 P、 PR 連接制動電阻器端子 拆開端子 PRPX 之間的短路片，在PPR 之間連接選件制動電阻器（ FRABR） P、 N 連接制動單元端子 連接選件 FRBU型制動單元或電源再生單元（ FRRC）。 或高功率因數(shù)轉換器（ FRHC） P 、 P1 連接改善功率因數(shù) DC電抗器端子 拆開端子 PP1 間的短路片，連接選件改善功率因數(shù)用電抗器（ FRBEL） PR、 PX 連接內部制動回路端子 用短路片將 PXPR 間短路時（出廠設定）內部制動回路便生效（ 7． 5kW 以下裝有） 接地 變頻器外殼接地用，必須接大地 知道了變頻器的端子功能后，就可以將變頻器同電機連接起來了，接線圖如圖 39所示 。 28 無 熔 絲 斷路 器變頻器RSTUVW電 源M電 機 圖 39 變頻器與電機連接圖 控制回路端子說明 (1)端子 SD、 SE 和 5 為 I/O 信號的公共端子，相互隔離，不要將這些公共端子互相連 接或接地。 (2)控制回路端子的接線應使用屏蔽線或雙絞線，而且必須與主回路、強電回路（含200V 繼電器程序回路）分開布線。 (3)由于控制回路的頻率輸入信號是微小電流，所以在接點輸入的場合，為了防止接觸不良，微小信號接點應使用兩個并聯(lián)的接點或使用雙生接點。 (4)輸入信號中 RL、 RM、 RH、 RT、 AU、 JOG、 CS 等端子以及輸出信號中 RUN、 SU、IPF、 OL、 FU、 A、 B、 C 等端子是多功能端子，又稱為可編程端子。 變頻器與 PLC通信連接 雖然變頻器可以控制電機的部分功能，但按照設計 任務，電機的所有功能應該受到PLC 的控制，所以， PLC 與變頻器的通信連接顯得尤為重要。 查閱了變頻器使用說明后，結合系統(tǒng)設計要求，經(jīng)過仔細考慮，就變頻器和 PLC 的如何連接， 請參考附錄 A 的系統(tǒng)原理圖 [13]。 變頻器防干擾措施 由于主回路的非線性（進行開關動作），變頻器本身就是諧波干擾源，而其周邊控制回路卻是小能量、弱信號回路，極易遭受其他裝置產生的干擾，造成變頻器自身和周 29 邊設備無法正常的工作。因此，變頻器在安裝使用時，必須對控制回路采取抗干擾措施。 干擾的基本類型及抗干擾措施 [14]： (1)靜電耦合干擾：指控制電纜與周圍電氣回路的靜電容耦合，在電纜中產生的電勢。 措施：加大與干擾源電纜的距離，達到導體直徑 40 倍以上時，干擾程度就不大明顯。在兩電纜間設置屏蔽導體，再將屏蔽導體接地。 (2) 靜電感應干擾：指周圍電氣回路產生的磁通變化在電纜中感應出的電勢。干擾的大小取決干擾源電纜產生的磁通大小，控制電纜形成的閉環(huán)面積和干擾電纜與控制電纜間的相對角度。 措施：一般將控制電纜與主回路電纜或其他動力電纜分離鋪設，分離距離通常在30cm 以上（最低為 10cm），分離困難 時，將控制電纜穿過鐵管鋪設。將控制導體絞合間距越小，鋪設的路線越短，抗干擾效果越好。 (3) 電波干擾：指控制電纜成為天線，由外來電波在電纜中產生電勢。 措施：同 (1)和 (2)所述。必要時將變頻器放入鐵箱內進行電波屏蔽，屏蔽用鐵箱要接地。 (4)接觸不良干