煤矿机电论文题目

介绍了一种由plc和变频调速器组成的多支路通信网络，阐述了这种网络控制调速系统相对于一般模拟控制调速系统的优点，给出了系统框图和plc程序。

[关键词]plc变频器多电机控制网络通信协议

一.导言

以变频调速器为速度控制器

同步控制系统、比例控制系统和同步调速系统已广泛应用于冶金、机械、纺织、化工等行业。以比例控制系统为例，一般系统结构如图1所示。

工作时，操作人员通过控制机(可以是plc，也可以是工控机)设定比例运行参数，然后控制机发出速度指令，通过d/a转换模块控制变频调速器，使每个变频调速器驱动电机以一定的速比运行。这种方案更适合电机数量少，电机分布集中的应用系统。但是对于量产自动线，一方面电机数量多，另一方面电机分布较远。采用这种控制方案时，由于速度指令信号在长距离传输中的衰减和外界干扰，降低了整个系统的稳定性和可靠性。同时，大量的d/a转换模块增加了系统成本。因此，我们提出了一种由plc和变频调速器组成的多支路通讯控制网络。该系统成本低，信号传输距离远，抗干扰能力强，特别适用于远距离、多电机控制。

二、系统硬件结构

系统的硬件结构如图2所示，主要由以下几个部分组成:

1和fx0n—24mr是plc的基本单元，执行系统和用户软件是系统的核心。

2.fx0n—485adp是fx0n系统plc的通信适配器。该模块的主要功能是接收计算机发送给plc的信息，作为计算机-plc通信系统中的分站，或者当多个plc组成n:n网络时，作为网络适配器。一般只作为指定协议的接收单元。在分析其结构的基础上，作者将其作为通信主站，完成变频调速器控制信号的传输。

3.FR-Cu03是FR-A044系列比例调速器的计算机连接单元，符合RS-422/RS-485通讯规范，用于实现计算机与多台变频调速器的联网。通过该单元，可以在网络上实现变频器的运行控制(如启动、停止、频率设定)、参数设定、状态监控等功能，是变频器的网络接口。

4.FR-A044变频器实现电机调速。

在1:n(本文为1:3)多分支通信网络中，每个变频器为一个分站，每个分站都有一个站号，由参数设置单元预先设置。工作过程中，plc通过fx0n—485adp发送相关命令信息后，各分站接收该信息，然后各分站判断该信息的站号、地址是否与本站站号一致。如果是，则处理该信息并返回响应信息；如果没有，则放弃信息处理，保证同一时间只有一个分站与网络上的主站交换信息。

第三，软件设计

1，通信协议

FR-CU03规定了计算机和变频器之间的通信过程，如图3所示。

这个过程最多可以分为五个阶段。？计算机发送通信请求；？·变频器处理等待；？·变频器做出响应；？，电脑处理等待；？电脑回答。根据不同的通讯要求完成相应的流程，比如编写变频器启停控制命令？~?三个过程；监控变频器的频率时？~?五个过程。无论是写数据还是读数据，计算机发出请求，逆变器只是被动地接受请求并做出响应。每个阶段的数据格式都不一样。图4示出了分别用于写入逆变器控制命令和逆变器工作频率的数据格式。

2、plc编程

为了控制变频器，必须对plc进行编程，通过程序实现对plc和变频器之间信息交换的控制。plc程序应完成fx0n—485adp通信适配器的初始化、控制命令字的组合、代码转换和变频器响应信息的处理。Plc梯形图程序(程序的一部分)如图5所示。

程序中的通信发送缓冲区为D 127 ~ D 149；验收缓冲区为d150~d160。电机1的启停分别由x0的上升沿和下降沿控制；电机2的启动和停止分别由x1的上升沿和下降沿控制；电机3启动和停止分别由x2的上升沿和下降沿控制。fx0n—485adp的通信协议由系统启动脉冲m8002初始化。然后开始和停止信号被处理。以电机1启动为例，吸引x0的上升沿m50，变频器1的站号发送到d130，运行命令字发送到d135。enq，写入操作命令的控制字和等待时间由编程器预先写入d131和d65438。然后核对总和发送到d136和d 137；；最后，设置m8122，允许rs指令向发送控制信息。变频器收到信号后立即返回响应信息。此信息fx0n—485adp接收post m8132，plc根据情况做出相应处理后结束程序。

四、变频器制动的思路和新方法

在传统的由通用变频器、异步电机和机械负载组成的变频调速系统中，当电机驱动的势能负载降低时，电机可能处于再生制动状态；或者当电机从高速减速到低速(包括停止)时，频率可以突然降低，但由于电机的机械惯性，电机可能处于再生发电状态，存储在传动系统中的机械能被电机转化为电能，通过逆变器的六个续流二极管送回逆变器的DC电路。此时，逆变器处于整流状态。此时如果逆变器不采取措施消耗能量，这部分能量会导致中间回路储能电容的电压升高。如果制动太快或机械负载被提升，这部分能量可能。

会损坏变频器，所以要考虑这部分能量。

在一般变频器中，最常用的处理再生能量的方式有两种:(1)，耗散到DC电路中与电容并联的人为设定的“制动电阻”中，称为动态制动状态；(2)、使之反馈到电网，这就叫反馈制动状态(也称再生制动状态)。还有一种制动方式，就是DC制动，这种制动方式可以用在需要精确驻车或者启动前由于外界因素导致制动电机转动不规则的场合。

很多专家在书籍和出版物中都谈到了变频制动的设计和应用，尤其是近年来出现了很多关于“能量回馈制动”的文章。今天笔者提供一种新的制动方式，既有“回馈制动”四象限运行、运行效率高的优点，又有“能耗制动”对电网无污染、可靠性高的优点。

1，能耗制动

利用布置在DC电路中的制动电阻吸收电机再生电能的方式称为能耗制动。

其优点是结构简单；对电网无污染(与反馈系统相比)，成本低；缺点是运行效率较低，尤其是频繁制动时，会消耗大量能量，制动电阻容量增大。

一般在通用变频器中，小功率变频器(22kw以下)内置制动单元，只需要增加制动电阻即可。大功率变频器(22kw以上)需要外部制动单元和制动电阻。

2.反馈制动

要实现能量回馈制动，需要控制电压同频同相，控制回馈电流。它采用有源逆变技术，将再生电能逆变为与电网同频同相的交流电送回电网，从而实现制动。

回馈制动的优点是可以四象限运行，电能回馈提高了系统的效率。其缺点是:(1)，这种反馈制动方式只能在电网电压稳定的情况下采用(电网电压波动不超过10%)。由于发电制动操作时电网电压故障时间大于2ms，可能会发生换相失败，造成设备损坏。(2)反馈时，对电网有谐波污染。(3)控制复杂，成本高。

3.新制动模式(电容反馈制动)

3.1主电路原理

整流部分采用普通不可控整流桥整流，滤波电路采用通用电解电容，延时电路采用接触器或可控硅。充电和反馈回路由功率模块igbt、充电和反馈电抗器L和大电解电容C组成(容量约为几十分之一法拉，可根据变频器所在的工况系统确定)。逆变部分由功率模块igbt组成。保护电路由igbt和功率电阻组成。

(1)电机发电运行状态

cpu实时监控输入交流电压和DC回路电压νd，决定是否向vt1发送充电信号。一旦νd高于输入交流电压(如380vac—530vdc)对应的DC电压值到一定值，cpu就关断vt3，通过向vt1导通脉冲来实现电解电容C的充电过程。此时电抗器L与电解电容C分压，保证电解电容C工作在安全范围内。当电解电容C上的电压接近危险值(例如370v)，而系统仍处于发电状态，电能通过逆变器不断反馈到DC回路时，安全回路就会发挥作用，实现能耗制动(电阻制动)，控制vt3的关断和导通，从而实现电阻r消耗多余的能量，一般不会出现这种情况。

(2)电机的电气运行状态

当cpu发现系统不再充电时，在vt3上传导脉冲，使电抗器L上产生瞬时左正右负电压，电解电容C上的电压可以实现电容到DC回路的能量反馈过程。cpu通过检测电解电容C上的电压和DC回路的电压来控制vt3的开关频率和占空比，从而控制反馈电流，保证DC回路电压νd不会太高。

3.2系统困难

(1)电抗器的选择

(一)考虑到工况的特殊性，我们假设系统存在某种故障，导致电机所承载的势能负载自由加速。此时电机处于发电运行状态，再生能量通过6个续流二极管送回DC电路，使νd上升，逆变器很快处于充电状态。这个时候电流会很大。因此所选择电抗器的导线直径应该足够大以在此时通过电流。

(b)在反馈回路中，为了使电解电容在下次充电前释放尽可能多的电能，不可能选择普通的铁芯(硅钢片)。最好选择铁氧体材料的铁芯。看看上面考虑的电流值，就知道这个铁芯有多大了。不知道市面上有没有这么大的铁氧体铁芯，就算有，价格肯定也不会很低。

因此，作者建议在充电回路和反馈回路中使用一个电抗器。

(2)控制困难

(a)变频器的DC电路中，电压νd一般高于500vdc，而电解电容C的耐压只有400vdc。可以看出，这种充电过程的控制并不像能量制动(电阻制动)的控制方式。电抗器上产生的瞬时压降，电解电容C的瞬时充电电压为ν c =νd-νl，为了保证电解电容工作在安全范围(≤400v)，需要有效控制电抗器上的压降νl，压降νl取决于电感和电流的瞬时变化率。

(b)在反馈过程中，还要防止电解电容C放出的电能通过电抗器，造成DC回路电压过高，使系统产生过压保护。

3.3主要应用场合和应用实例

正是因为变频器这种新的制动方式(电容反馈制动)的优点，近年来，很多用户结合自己设备的特点，提出配备这种系统。由于一些技术上的困难，国外有这样的制动方式吗？目前只有山东冯光电子有限公司将以前的带反馈制动的变频器(其中两台仍在正常运行)换成了这种电容反馈制动方式的新系列矿井提升机。迄今为止，这种电容反馈制动变频器已在山东宁阳保安煤矿和山西太原长期正常运行，填补了国内这一空白。

随着变频器应用领域的拓宽，这项应用技术将会有很大的发展前景。具体来说，主要用于矿山吊笼(载人或载重)、倾斜矿车(单缸或双缸)、起重机械等行业。简而言之，能量回馈装置可以用在任何场合。

动词 （verb的缩写）结论

1.实际应用表明，该方案可以通过网络实现plc对变频调速器的运行控制、参数设置和运行状态监控。

2.该系统可以控制多达32个变频调速器，最大距离为500米。

3.控制多个逆变器的成本明显低于d/a控制方式。

4.随着变频器的增加，通信延迟增加，系统响应速度低于d/a控制方式。

参考

1，韩。通用变频器及其应用(第二版)[m]。北京:机械工业出版社，

2.刘文兵(1981-)一直从事变频器的应用，现在台州富菱机电制造有限公司从事变频器的设计和制造。

正式表示感谢

论文完成之际，衷心感谢在设计中帮助我的荀延龙老师和同事们，让我按时完成毕业论文，受益终身。

在完成论文的过程中，系里的老师给了我很大的帮助。非常感谢！其他同学也给了我很多关心和帮助，真心感谢。