【導(dǎo)讀】制系統(tǒng)—基于PLC的銅材水平牽引變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。本課題主要研制銅材連鑄水平。牽引機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)，使銅型材在結(jié)晶器中的阻力減小，銅型材在結(jié)晶過程中晶粒細(xì)化，從而提高成材率。本文采用變頻電機(jī)實(shí)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(zhǔn)確。采用PLC編程控制牽引電機(jī)的正轉(zhuǎn)、停止、反轉(zhuǎn)、停止，同時(shí)通過控制這四種狀態(tài)的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)四節(jié)拍動(dòng)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(chǎn)成本。選型，尤其是對PLC型號的選擇。接著，本文對PLC的自動(dòng)運(yùn)行、單行程運(yùn)行、手動(dòng)。運(yùn)行的控制程序做了具體的設(shè)計(jì)，鍵問題提供了理論上的說明,有助于國內(nèi)銅型材水平連鑄產(chǎn)業(yè)的技術(shù)更新和發(fā)展。

　　

【正文】 生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)卻不盡相同，比如日本主要在小型 PLC 生產(chǎn)和研發(fā)上占有優(yōu)勢，生產(chǎn)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(yùn)行高速度，高性能和所有方便都是相當(dāng)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(shè)計(jì)任務(wù)，可選擇三菱 FX2N 系列 [10] 21 外部 I/O 設(shè)備指令 PLC 指令主要完成起 PLC 通過一些簡單的 外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)顯示。在這次課題設(shè)計(jì)中要求整個(gè)系統(tǒng)能夠用外部輸入設(shè)備對電機(jī)運(yùn)行的四個(gè)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，因此就會有相應(yīng)的功能指令的運(yùn)用。下面我就這部分的設(shè)計(jì)和選擇做一個(gè)較詳細(xì)的說明 [11]。 數(shù)字開關(guān)指令 (1) 數(shù)據(jù)開關(guān)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(guān)指令應(yīng)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(guān)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(guān)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(guān)的設(shè)置值。指令中 [S]指定的入 點(diǎn)； [D1] 指定的選通點(diǎn)； [D2] 指定數(shù)據(jù)存儲元件，用來存儲數(shù)字開關(guān)讀入的數(shù)值； [n]指定數(shù)字開關(guān)的組數(shù)，當(dāng) n=1， 表示接一組；當(dāng) n=2 ，表示接兩組。 2）數(shù)字開關(guān)與 PLC 的連接如圖 33 所示。 3）當(dāng) X0 置 ON 時(shí)， Y10～ Y13 順次為 ON，一個(gè)周期完成后標(biāo)志 M8029 置 “ 1” ， 其時(shí)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(guān)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(fù) 操 作0 . 1 S0 . 1 S0 . 1 S0 . 1 S 0 . 1 S 圖 34 Y10Y13 的時(shí)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(guān)指令 (1) 方向開關(guān)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(guān)指令應(yīng)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(guān)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(guān)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(dāng) X0 置 ON 時(shí)，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(jìn)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(dòng)：103～ 102～ 101～ 100。每按 一次左移鍵。指定位按以下順序移動(dòng)： 100～ 101～ 102～ 103。指令位可通過選通信號 Y4～ Y7 上的 LED 指示來確認(rèn)。 I/O 地址分配 從前面對課題設(shè)計(jì)要求的分析， 在進(jìn)行 PLC 軟件程序設(shè)計(jì)時(shí)必須知道 PLC 控制器的 I/O 接口的分配，本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的輸入端口有：系統(tǒng)啟動(dòng)、系統(tǒng)停止信號，電機(jī)正，反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)信號，數(shù)字開關(guān)輸入信號，方向開關(guān)輸入信號。輸出端口有：電機(jī)正、反轉(zhuǎn)信號輸出端，電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)顯示，數(shù)字開關(guān)位選擇端口等?？偟恼f來， 系統(tǒng)的輸入總點(diǎn)數(shù)為 16 點(diǎn)，系統(tǒng)的輸 出 總點(diǎn)數(shù)為 18 點(diǎn) ， 信號類型都為開關(guān)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(dòng)按鈕 X17 開啟按鈕動(dòng)作檢測信號，高電平有效 系統(tǒng)停止按鈕 X16 停止按鈕動(dòng)作檢測信號，高電平有效 電機(jī)反向點(diǎn)動(dòng) X15 電機(jī)正向點(diǎn)動(dòng)控制信號，高電平有效 電機(jī)正向點(diǎn)動(dòng) X14 電機(jī)反向點(diǎn)動(dòng)控制信號，高電平有效 數(shù)字開關(guān)輸入 X X X X7 用來選擇寄存器 方向開關(guān)輸入 X X1 X1 X13 用來修改參數(shù) 電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)顯示 Y Y Y Y7 顯 示電機(jī)運(yùn)行在哪個(gè)階段 電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)顯示 Y Y1 Y1 Y13 電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)顯示，高電平有效 電機(jī)反轉(zhuǎn)輸出 Y1 電機(jī)反轉(zhuǎn)輸出控制信號，高電平接通 電機(jī)正轉(zhuǎn)輸出 Y0 電機(jī)正轉(zhuǎn)輸出控制信號，高電平接通 數(shù)字開關(guān)選擇信號輸出 Y1 Y15 選位 參數(shù)設(shè)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(jī)自動(dòng)運(yùn)行 X1 電機(jī)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行，高電平有效 電機(jī)退出按鈕 X3 電機(jī)退出自動(dòng)運(yùn)行，高電平有效 電機(jī)進(jìn)入 點(diǎn) 動(dòng) 狀態(tài) X0 電機(jī)進(jìn)入 手 動(dòng)運(yùn)行，高電平有效 25 電機(jī)退出 點(diǎn) 動(dòng)按鈕 X2 電機(jī)停止 手 動(dòng) 參數(shù)顯示選通端口 Y1 Y1 Y Y21 對位進(jìn)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(jī)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(kuò)展模塊和一采用繼電器輸出的 FX2N8M 擴(kuò)展模塊作為控制元件。 顯示單元的設(shè)計(jì) 在本設(shè)計(jì)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(jī)的四種不同狀態(tài)。具體如下： （ 1） 電機(jī)正轉(zhuǎn)，黃色二 極管發(fā)光； （ 2） 電機(jī)反轉(zhuǎn)，綠色二極管發(fā)光； （ 3） 電機(jī)停轉(zhuǎn)，紅色二極管發(fā)光； （ 4） 系統(tǒng)處于自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，白色發(fā)光二極管工作，處于手動(dòng)時(shí)則不工作 ； 從數(shù)字電子技術(shù)的相關(guān)內(nèi)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?qū)〞r(shí)，電子和空穴大量復(fù)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(diǎn)亮，也可以用低電平驅(qū)動(dòng)，分別可以圖 37 表示。 1 D1L E DR 0 +VCCD1L E DR1 圖 37 高 低電平驅(qū)動(dòng) 將七個(gè)發(fā)光二極管封裝在一起，每個(gè)發(fā)光二極管做 成字符的一個(gè)段，就是所謂的 7 26 段 LED 字符顯示器。根據(jù)內(nèi)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(qū)動(dòng)，共陽 LED 顯示器適用于低電平驅(qū)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)采用共陰驅(qū)動(dòng) LED 顯示控制方式。 共陰驅(qū)動(dòng)如圖 38 所示 。 D1L E DD2L E DD3L E DD4L E D 圖 38 共陰驅(qū)動(dòng) 在本次設(shè)計(jì)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(gè) LED 組成的顯示單元模塊，但考慮到以后生產(chǎn)工藝的改變，電機(jī)在相應(yīng) 4 段時(shí)間的調(diào)整范圍會延長，我們在設(shè)計(jì)中采取的顯示模塊是由 4 個(gè)七段 LED 顯示器組成的集成塊。 當(dāng)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(shè)計(jì)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(diào)速是系統(tǒng)下位機(jī)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(diào)速用的變頻器。三菱FRA540 采用先進(jìn)磁通矢量控制方式，實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)調(diào)整功能，調(diào)速比可達(dá) 1： 120（ ~60Hz）。隨機(jī)附帶一個(gè)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(yùn)行。它內(nèi)置 RS485，也可通過插卡實(shí)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(nèi)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(dāng)使用高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器選件時(shí)，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(dòng)機(jī) 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(shí)或當(dāng)使用高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器（ FRHC）時(shí)，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(dòng)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(dòng)電阻器（ FRABR） P、 N 連接制動(dòng)單元端子 連接選件 FRBU型制動(dòng)單元或電源再生單元（ FRRC）。 或高功率因數(shù)轉(zhuǎn)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(nèi)部制動(dòng)回路端子 用短路片將 PXPR 間短路時(shí)（出廠設(shè)定）內(nèi)部制動(dòng)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(jī)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(jī) 圖 39 變頻器與電機(jī)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(yīng)使用屏蔽線或雙絞線，而且必須與主回路、強(qiáng)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(diǎn)輸入的場合，為了防止接觸不良，微小信號接點(diǎn)應(yīng)使用兩個(gè)并聯(lián)的接點(diǎn)或使用雙生接點(diǎn)。 (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(jī)的部分功能，但按照設(shè)計(jì) 任務(wù)，電機(jī)的所有功能應(yīng)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(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過仔細(xì)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(jìn)行開關(guān)動(dòng)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(chǎn)生的干擾，造成變頻器自身和周 29 邊設(shè)備無法正常的工作。因此，變頻器在安裝使用時(shí)，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(chǎn)生的電勢。 措施：加大與干擾源電纜的距離，達(dá)到導(dǎo)體直徑 40 倍以上時(shí)，干擾程度就不大明顯。在兩電纜間設(shè)置屏蔽導(dǎo)體，再將屏蔽導(dǎo)體接地。 (2) 靜電感應(yīng)干擾：指周圍電氣回路產(chǎn)生的磁通變化在電纜中感應(yīng)出的電勢。干擾的大小取決干擾源電纜產(chǎn)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(dòng)力電纜分離鋪設(shè)，分離距離通常在30cm 以上（最低為 10cm），分離困難 時(shí)，將控制電纜穿過鐵管鋪設(shè)。將控制導(dǎo)體絞合間距越小，鋪設(shè)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(chǎn)生電勢。 措施：同 (1)和 (2)所述。必要時(shí)將變頻器放入鐵箱內(nèi)進(jìn)行電波屏蔽，屏蔽用鐵箱要接地。 (4)接觸不良干