FX3u-3A-ADP 模擬量模塊的變頻控制研究

張 犇

（江蘇省南京工程高等職業(yè)學(xué)校，江蘇 南京 211135）

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由觸摸屏MCGS、計(jì)算機(jī)、三菱FX3u可編程控制器(PLC）、FX3u-3A-ADP模擬量轉(zhuǎn)換模塊、FRE800變頻器和電動機(jī)這幾部分組成，控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)

觸摸屏MCGS是操作面板，其界面應(yīng)根據(jù)任務(wù)需要設(shè)計(jì)，通過RS-485連接線與PLC相連，也是系統(tǒng)的輸入端；梯形圖編寫、觸摸屏的設(shè)計(jì)都需要使用計(jì)算機(jī)，通過RS-232通信線連接PLC，實(shí)現(xiàn)程序的下載與仿真；PLC作為系統(tǒng)的控制中心，與工業(yè)其他設(shè)備聯(lián)成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動化控制；PLC在進(jìn)行模擬量控制時(shí)，需要使用FX3u-3A-ADP模擬量轉(zhuǎn)換模塊，進(jìn)行A/D、D/A數(shù)據(jù)交換；變頻器的軟啟動使啟動電流從0開始變化，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的無級調(diào)速；同時(shí)，最大值不超過額定電流，減輕了對負(fù)載的沖擊［1-3］。

系統(tǒng)采用的是三菱FX3u-48MT可編程控制器和FX3u-3A-ADP模擬量轉(zhuǎn)換模塊。其中，三菱FX3u-48MT可編程控制器具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1）該P(yáng)LC屬于晶體管輸出類型，只能驅(qū)動直流負(fù)載，一般用于頻率較高的輸出，如溫度PID的控制；(2）I/O端口共48個(gè)，滿足任務(wù)需要；(3）FX3u加裝CNV-BD功能拓展板后，最多可以連接4臺模擬量特殊適配器。

FX3U-3A-ADP模擬量轉(zhuǎn)換模塊具有2個(gè)模擬量輸入通道、1個(gè)模擬量輸出通道，主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 主要性能指標(biāo)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件接線

PLC控制變頻器在硬件裝配上需要通過FX3U-3A-ADP模擬量轉(zhuǎn)換模塊與變頻器相連接。不同類型模擬量輸入信號的硬件連接有區(qū)別。

采用電壓輸入信號控制時(shí)，PLC輸出端分別接變頻器的STF/STR控制電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向；接變頻器的RL/RM/RH控制電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。FX3U-3A-ADP模擬量轉(zhuǎn)換模塊的V0、COM與變頻器端子2(電壓頻率設(shè)定）、5(頻率設(shè)定公共端）相連，提供0～10 V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號來控制變頻器的頻率，系統(tǒng)外部接線如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)外部接線

采用電流輸入信號控制時(shí)，PLC輸出端不需連接變頻器，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速設(shè)定可通過變頻器參數(shù)的設(shè)定實(shí)現(xiàn)。FX3U-3A-ADP模擬量轉(zhuǎn)換模塊的I0、COM與變頻器端子4(電流頻率設(shè)定）、5(頻率設(shè)定公共端）相連，提供4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號來控制變頻器的頻率。

在讀取變頻器當(dāng)前運(yùn)行頻率時(shí)，只需將變頻器端子AM(模擬電壓輸出）、5(頻率設(shè)定公共端）與模擬量模塊的V1＋、COM1相連接。

2.2 變頻器FR-E800參數(shù)設(shè)置

FR-E800變頻器在使用前需要先進(jìn)行恢復(fù)出廠設(shè)置，然后再根據(jù)任務(wù)要求設(shè)置對應(yīng)的參數(shù)，進(jìn)行控制。

2.2.1 電壓模擬量輸入

當(dāng)采用電壓模擬量輸入時(shí)，Pr.73的選擇對應(yīng)不同的電壓范圍，電壓模擬量輸入時(shí)參數(shù)設(shè)定如表2所示。

表2 電壓模擬量輸入時(shí)參數(shù)設(shè)定

Pr.73若選擇0時(shí)，PLC內(nèi)部十進(jìn)制數(shù)字量(0～4 000）對應(yīng)模擬量模塊0～10 V電壓，也對應(yīng)變頻器控制頻率0～50 Hz；數(shù)字量K2000與電壓模擬量的轉(zhuǎn)換程序，如圖3所示。

圖3 數(shù)字量K2000與電壓模擬量的轉(zhuǎn)換程序

依據(jù)上述數(shù)字量輸入與電壓模擬量輸出關(guān)系的轉(zhuǎn)換公式，當(dāng)K＝2 000時(shí)輸入PLC，對應(yīng)模擬量電壓可得5 V，變頻器可得25 Hz的運(yùn)行頻率。

2.2.2 電流模擬量輸入

當(dāng)采用電流模擬量輸入時(shí)，先將變頻器參數(shù)Pr.267設(shè)定為0，選擇輸入模式為電流信號，同時(shí)啟用端子4(電流頻率設(shè)定），將AU信號設(shè)為ON，即將對應(yīng)接線端子的參數(shù)(Pr.178～Pr.182）中1個(gè)設(shè)為4；在使用AU端子時(shí)，端子2(電壓頻率設(shè)定）的功能自動失效，電流模擬量輸入時(shí)參數(shù)設(shè)定如表3所示。

工程教育的發(fā)展必須以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向才能具有持久的生命力，產(chǎn)教融合這一育人模式能夠有效將產(chǎn)業(yè)發(fā)展與人才培養(yǎng)相結(jié)合，是未來高等教育發(fā)展的重要支撐。在建設(shè)新工科的大背景下，產(chǎn)教融合面臨著新的挑戰(zhàn)，主要是來自產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級對學(xué)科專業(yè)布局的挑戰(zhàn)、高校與企業(yè)融合度急需加深的挑戰(zhàn)以及政府行業(yè)協(xié)會等第三方加強(qiáng)協(xié)調(diào)指導(dǎo)的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)也是促使產(chǎn)教融合深入發(fā)展的機(jī)遇，因此，應(yīng)當(dāng)迎難而上，抓住機(jī)會，構(gòu)建新時(shí)期的產(chǎn)教融合育人新模式。

表3 電流模擬量輸入時(shí)參數(shù)設(shè)定

2.2.3 運(yùn)行方式可逆控制

電機(jī)的可逆控制通過機(jī)械接線和變頻器參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)。

(1）通過接線實(shí)現(xiàn)電動正反轉(zhuǎn)的切換，如Y0接正轉(zhuǎn)STF，Y1接反轉(zhuǎn)STR，電機(jī)方向設(shè)定程序，如圖4所示。

圖4 電機(jī)方向設(shè)定程序

當(dāng)M0觸發(fā)時(shí)，Y0啟動，電動機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)。

當(dāng)M1觸發(fā)時(shí)，Y1啟動，電動機(jī)實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)。

(2）以電流模擬量輸入信號為例，通過變頻器參數(shù)設(shè)定進(jìn)行運(yùn)行方向的變化。

首先將變頻器上I/U轉(zhuǎn)換開關(guān)置于I檔，選擇電流輸入信號；然后接線將RL與SD短接，通電運(yùn)行；最后按照表4對變頻器的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

表4 電機(jī)運(yùn)行可逆控制的參數(shù)設(shè)定

在設(shè)定C6(Pr.904）時(shí)，將PLC中K值2 000對應(yīng)電流12 mA，再將PLC置于run記錄中點(diǎn)信號，即可實(shí)現(xiàn)4～12 mA為電動機(jī)正轉(zhuǎn)，12～20 mA為電動機(jī)反轉(zhuǎn)。

3 PLC對變頻器的控制

圖5 特殊軟元件的分配

3.1 特殊輔助繼電器的使用

輸入或輸出模式中電流/電壓的切換，可以通過將各個(gè)FX3u-3A-ADP的特殊輔助繼電器設(shè)置為ON/OFF狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定，如表5所示。

表5 特殊輔助繼電器的設(shè)定

若設(shè)定第2臺FX3u-3A-ADP的第2輸入通道為電流輸入，如圖6所示。

圖6 電流輸入

若設(shè)定第1臺FX3u-3A-ADP的輸出通道為電壓輸出，如圖7所示。

圖7 電壓輸出

3.2 特殊數(shù)據(jù)寄存器的使用

對電機(jī)運(yùn)行頻率的設(shè)定時(shí)，首先在觸摸屏上輸入需要的運(yùn)行頻率，給它對接一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器D0，傳輸?shù)絇LC中，再通過一系列的算術(shù)運(yùn)算后，轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的K值，傳送到第一臺FX3u-3A-ADP的特殊數(shù)據(jù)寄存器D8262中，再由D/A轉(zhuǎn)換成直流電壓或電流來控制電動機(jī)的運(yùn)行頻率。電機(jī)運(yùn)行頻率的設(shè)定程序如圖8所示。

圖8 電機(jī)運(yùn)行頻率的設(shè)定程序

當(dāng)?shù)谝慌_FX3u-3A-ADP通道1為輸出直流電壓，技術(shù)人員需要讀取某個(gè)電壓下的電動機(jī)頻率。

首先在觸摸屏上設(shè)定一個(gè)輸出框顯示頻率，對接一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器D0；程序中先將M8262設(shè)置為OFF狀態(tài)，設(shè)定為電壓輸出；再將通道1特殊寄存器D8260中數(shù)據(jù)傳送到D2，經(jīng)過除法算術(shù)運(yùn)算后傳送到D0中，這時(shí)觸摸屏上就可以顯示出變頻器運(yùn)行頻率。電機(jī)運(yùn)行頻率的讀取程序，如圖9所示。

圖9 電機(jī)運(yùn)行頻率的讀取程序

4 案例分析

任務(wù)要求：轉(zhuǎn)換開關(guān)置于左位時(shí)進(jìn)入5段速調(diào)試，5段速依次為：10 Hz，20 Hz，30 Hz，40 Hz，50 Hz。電機(jī)以10 Hz速度開始轉(zhuǎn)動，隨后每隔2 s速度提升一級，實(shí)現(xiàn)5段速循環(huán)運(yùn)行；要求電機(jī)的加減速時(shí)間為0.5 s。

轉(zhuǎn)換開關(guān)置于右位時(shí)，選擇無級變速調(diào)試，電機(jī)按圖10的V(Hz）—T變化曲線運(yùn)行，考慮到誤差，允許實(shí)際曲線有一定的滯后和偏差。

圖10 無極調(diào)速速度曲線

4.1 參數(shù)設(shè)置

在硬件裝配連接正確的基礎(chǔ)上，按照下表對變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如表6所示。

表6 參數(shù)設(shè)置

4.2 梯形圖設(shè)計(jì)

根據(jù)任務(wù)控制要求，可確定PLC需要3個(gè)輸入點(diǎn)，1個(gè)輸出點(diǎn)，其I/O通道地址分配，如表7所示。

表7 I／O端口分配表

根據(jù)I/O通道地址分配表及任務(wù)控制要求分析，電機(jī)可實(shí)現(xiàn)5級指定段速調(diào)試、無極變速調(diào)試兩種調(diào)試方法。

5級指定段速調(diào)試程序：首先確認(rèn)模擬量模塊輸出類型為電壓輸出，將特殊繼電器M8262設(shè)置為OFF狀態(tài)；轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1-1置于左位時(shí)，傳輸脈沖指令MOVP將k800(對應(yīng)電壓2 V，頻率10 Hz）傳送到D0，D0中的數(shù)值傳輸?shù)紻8262(輸出通道的寄存器），時(shí)間繼電器T10每隔2 s做一次加法運(yùn)算(D0＝D0＋800），每次增加10 Hz，直到D0中數(shù)據(jù)大于4 000(即大于50 Hz）時(shí)，對D0進(jìn)行復(fù)位為0，開始下一個(gè)循環(huán)。5級指定段速調(diào)試程序如圖11所示。

圖11 5級指定段速調(diào)試程序

無極變速調(diào)試：轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1-2置于右位時(shí)，當(dāng)技術(shù)人員改變輸入電壓0～10 V時(shí)，通道1的特殊寄存器D8260中數(shù)值將會隨之在0～4 000間變化，并將數(shù)值傳送到D8262(輸出通道寄存器），從而實(shí)現(xiàn)V(Hz）-T曲線變化，再通過除法運(yùn)算轉(zhuǎn)換為電機(jī)轉(zhuǎn)動頻率保存至D2中。無級變速調(diào)試程序如圖12所示。

圖12 無級變速調(diào)試程序

5 結(jié)語

PLC基于FX3u-3A-ADP模擬量轉(zhuǎn)換模塊對變頻器FR-E800的控制，由有級調(diào)速到無極調(diào)速，控制的精度越來越高，數(shù)模間的轉(zhuǎn)換更加便捷，在生產(chǎn)實(shí)踐中模擬量模塊對變頻器控制的應(yīng)用也將更加廣泛。