變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)研究

易 銘，黃遠(yuǎn)民，楊 曼

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東佛山 528137）

變頻技術(shù)現(xiàn)在越來越多被應(yīng)用在各行各業(yè)，變頻調(diào)速往往作為動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)用在需要精確速度控制上［1］，而皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)就是運(yùn)用之一。某系統(tǒng)中的皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)，由于要配合主系統(tǒng)工件檢測(cè)、裝配和儲(chǔ)藏的工作任務(wù)，需要精確速度控制而采用變頻調(diào)速控制。本文對(duì)該系統(tǒng)硬件和軟件進(jìn)行研究，并通過變頻器的參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)其功能。

1 系統(tǒng)功能

皮帶運(yùn)輸控制系統(tǒng)如圖1所示。由圖1可知，該系統(tǒng)由主動(dòng)軸組件、皮帶、從動(dòng)軸組件傳送帶支架等組成，主動(dòng)軸由變頻器電機(jī)驅(qū)動(dòng)，是一個(gè)基于PLC技術(shù)、變頻技術(shù)的皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)。

圖1 皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)示意

皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的主要功能如下所述。

（1）按下啟動(dòng)按鈕SB2后，如果入料口有料（工件），則皮帶左行。運(yùn)行t s后，工件被送到儲(chǔ)料盒里。若皮帶上無工件，則皮帶自動(dòng)停止。系統(tǒng)啟動(dòng)后，綠燈HL2亮。

（2）按下停止按鈕SB3，皮帶送完當(dāng)前工件后自動(dòng)停。紅燈HL3亮。

（3）皮帶運(yùn)行時(shí)間t由數(shù)字開關(guān)設(shè)定，不能低于2 s。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 變頻器（VVVF）選擇

FR-E700系列變頻器是三菱FR-E500系列變頻器的升級(jí)產(chǎn)品，是一種小型、高性能通用變頻器，此處選用三菱FR-E720S-0.4K-CHT型變頻器，E720變頻器控制電路的接線如圖2所示［2］。

圖2 E720變頻器控制電路的接線

圖2中各組成如下所述。

（1）開關(guān)量輸入信號(hào)。開關(guān)量輸入信號(hào)有7個(gè)，STF正轉(zhuǎn)啟動(dòng)，ON時(shí)正轉(zhuǎn)，OFF時(shí)停止。STR反轉(zhuǎn)啟動(dòng)，OF時(shí)反轉(zhuǎn)，OFF時(shí)停止。STF和STR同時(shí)ON時(shí)，為停止指令。

（2）頻率設(shè)定。RH為高速頻率設(shè)定（默認(rèn)50 Hz），RM為中速頻率設(shè)定（默認(rèn)30 Hz），RL為低速頻率設(shè)定（默認(rèn)10 Hz）［3］。通過RH、RM和RL信號(hào)的組合可以進(jìn)行4～7段速度的頻率設(shè)定。

（3）模擬量輸入信號(hào)。模擬量輸入信號(hào)有2組，10接點(diǎn)用于電位器的電源，5接點(diǎn)是模擬公共端。2、5接點(diǎn)用于頻率設(shè)定（電壓），如果輸入DC0～5 V，在5 V時(shí)為最大輸出頻率，輸入輸出成正比。4、5接點(diǎn)用于頻率設(shè)定（電流），如果輸入DC4～20 mA，在20 mA時(shí)為最大輸出頻率，輸入輸出成正比。4、5接點(diǎn)用于電壓輸入時(shí)，請(qǐng)將電壓/電流輸入切換開關(guān)切換至“V”位置。

（4）開關(guān)量輸出信號(hào)。開關(guān)量輸出信號(hào)有3個(gè)，A、B、C是變頻器異常信號(hào)（繼電器輸出），異常時(shí)，A-C間接通，B-C間斷開。RUN是變頻器正在運(yùn)行信號(hào)（集電極開路輸出），變頻器輸出頻率大于等于啟動(dòng)頻率時(shí)為低電平，停止或直流制動(dòng)時(shí)為高電平。FU是頻率檢測(cè)信號(hào)（集電極開路輸出），輸出頻率大于等于任意設(shè)定的檢測(cè)頻率時(shí)為低電平，未達(dá)到時(shí)為高電平。

（5）FR-E720變頻器的運(yùn)行模式。FR-E720變頻器的運(yùn)行模式有3種：PU運(yùn)行模式、外部運(yùn)行模式、組合運(yùn)行模式，均是通過操作面板或通訊的命令代碼來進(jìn)行運(yùn)行模式的切換。本系統(tǒng)采用組合運(yùn)行模式。

變頻器運(yùn)行模式如表1所示。1）Pr.79=0，外部/PU運(yùn)行模式，通過鍵可以進(jìn)行切換。2）Pr.79=1，固定為PU運(yùn)行模式。3）Pr.79=2，固定為外部運(yùn)行模式，可以在外部/網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行模式間切換。4）Pr.79=3，外部/PU組合運(yùn)行模式1，頻率指令用操作面板設(shè)定或外部多段速設(shè)定，啟動(dòng)指令由外部信號(hào)輸入。5）Pr.79=4，PU/外部組合運(yùn)行模式2，頻率指令由外部信號(hào)輸入（2、4模擬量輸入端子、多段速選擇等），啟動(dòng)指令通過操作面板的鍵來輸入。

表1 變頻器運(yùn)行模式

2.2 PLC選擇

（1）輸入信號(hào)。根據(jù)對(duì)控制系統(tǒng)工作任務(wù)分析，輸入信號(hào)共7個(gè)，分別為：?jiǎn)?dòng)按鈕和停止按鈕共2個(gè)，料口有料現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)光纖式光電開關(guān)信號(hào)1個(gè)，數(shù)字開關(guān)BCD輸入端4個(gè)。

（2）輸出信號(hào)。輸出信號(hào)共8個(gè)，分別為：指示類信號(hào)有運(yùn)行指示HL2和停止指示HL3，計(jì)2個(gè)；皮帶電機(jī)由變頻器驅(qū)動(dòng)，需要正轉(zhuǎn)啟動(dòng)信號(hào)1個(gè)，中速頻率設(shè)定信號(hào)1個(gè)；數(shù)字開關(guān)片選信號(hào)4個(gè)。本項(xiàng)目選擇 FX3U-48MT/ES-A 型 PLC［2］。

2.3 I/O接線原理

由于PLC為晶體管集電極開路輸出，電流從其端口流入，故VVVF的電流應(yīng)從端口流出（SINK）。使用內(nèi)部電源，端子SD是VVVF輸入信號(hào)的公共端子（負(fù)端），變頻器應(yīng)設(shè)置為漏型邏輯，硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖3所示。

3 變頻器參數(shù)設(shè)置

由于皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)加減速調(diào)節(jié)，需要設(shè)定變頻器的上下限頻率、多段速設(shè)定、加減速時(shí)間設(shè)定、運(yùn)行模式選擇等［3］。驅(qū)動(dòng)皮帶的電機(jī)型號(hào)為80YS25GY30，其參數(shù)如下：PN=25 W，UN=380 V，IN=0.13 A、fN=50 Hz，nN=1 300 r/min。根據(jù)電機(jī)銘牌上的參數(shù)正確設(shè)置變頻器輸出的額定功率、額定頻率、額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速以及電動(dòng)機(jī)的加減速時(shí)間等參數(shù)，如表2所示。

圖3 I/O接線原理

表2 變頻器參數(shù)設(shè)定

4 軟件設(shè)計(jì)

（1）現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)。指令信號(hào)、傳感器信號(hào)等現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)通過PLC的輸入繼電器輸入，CPU處理程序的結(jié)果由輸出繼電器控制外部負(fù)載的運(yùn)動(dòng)情況，因此要進(jìn)行I/O分配［4］。根據(jù)對(duì)控制系統(tǒng)工作任務(wù)分析，輸入信號(hào)共7個(gè)，分別為：?jiǎn)?dòng)按鈕和停止按鈕共2個(gè)；料口有料現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)光纖式光電開關(guān)信號(hào)1個(gè)；數(shù)字開關(guān)BCD輸入端4個(gè)。

（2）輸出信號(hào)。輸出信號(hào)共8個(gè)，分別為：指示類信號(hào)有運(yùn)行指示HL2和停止指示HL3，計(jì)2個(gè)；皮帶電機(jī)由變頻器驅(qū)動(dòng)，需要正轉(zhuǎn)啟動(dòng)信號(hào)1個(gè)；中速頻率設(shè)定信號(hào)1個(gè)；數(shù)字開關(guān)片選信號(hào)4個(gè)。其具體分配如表3所示。

（3）DSW指令。用DSW指令處理從連接在X20～X23端口上的BCD碼數(shù)字開關(guān)SW-1、SW-2、SW-4、SW-8中，用Y14～Y17依次選擇個(gè)、十、百、千位并且讀入各位數(shù)字，還原為4位數(shù)據(jù)后以二進(jìn)制的形式存入數(shù)據(jù)寄存器D1中；用觸點(diǎn)型指令解決設(shè)定值（不小于2 s）存放到數(shù)據(jù)寄存器中［5］；皮帶上工件的移動(dòng)狀態(tài)用移位指令SFTL或SFTR記錄在K2M60中。

表3 I/O分配表

5 小結(jié)

變頻調(diào)速作為動(dòng)力系統(tǒng)是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與對(duì)應(yīng)工作電源輸入頻率成正比而調(diào)速的，現(xiàn)已在工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)化設(shè)備、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，也在控制算法、復(fù)雜的觀測(cè)等任務(wù)中得到很好的運(yùn)用，因此其傳動(dòng)性能也達(dá)到前所未有的高度。在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置好變頻器的上下限頻率、基準(zhǔn)頻率、中速頻率，控制器要有較強(qiáng)的PWM生成能力。