基于Devicenet設(shè)備網(wǎng)電機(jī)控制系統(tǒng)的智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

1、摘 要本文主要設(shè)計(jì)了電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速網(wǎng)絡(luò)控制。利用 Netlinx 網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)部件構(gòu)建電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，以達(dá)到對(duì)變頻器頻率設(shè)定，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。本文選取 Netlinx 網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備網(wǎng) DeviceNet 對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制， DeviceNet 傳輸速率為 125Kbps,滿足了控制的實(shí)時(shí)性要求。通過 RSLogix5000 軟件進(jìn)行硬件組態(tài)和軟件組態(tài)，在軟件組態(tài)中編制梯形圖程序，控制 PLC 運(yùn)行和輸出，用 PLC 控制變頻器，改變變頻器的頻率，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也相應(yīng)改變，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的要求。關(guān)鍵詞：DeviceNet；變頻器；三相異步電機(jī)目 錄第 1 章 緒論 .1第 2 章

2、方案論證 .22.1 交流電機(jī)的調(diào)速方法及應(yīng)用 .22.2 方案的設(shè)計(jì)與論證 .3第 3 章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) .53.1 硬件組態(tài) .53.2 軟件組態(tài) .8第 4 章 系統(tǒng)測試與分析.114.1 調(diào)試步驟.114.2 調(diào)試現(xiàn)象及結(jié)果分析.12第 5 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié).13參考文獻(xiàn).14附錄.151第 1 章 緒論隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)日趨完善。變頻調(diào)速器用于交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，是交流電動(dòng)機(jī)最有前途，最理想的調(diào)速方案，由變頻器和可編程控制器以及現(xiàn)場總線組成的控制系統(tǒng)，具有較高的控制精度及較寬的調(diào)速范圍，便于使用，以及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制及遠(yuǎn)程控制等功能。本次課程設(shè)計(jì)

3、采用了 DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)作為控制網(wǎng)絡(luò)，它具有以下特點(diǎn)：DeviceNet 將低層工業(yè)設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，從而消除了昂貴的硬接線成本，直接互連性改善了設(shè)備間的通訊，并同時(shí)提供了相當(dāng)重要的設(shè)備級(jí)診斷功能，這是通過硬接線 I/O 接口很難實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，DeviceNet 是一種簡單的網(wǎng)絡(luò)解決方案，它在提供多供貨商同類部件間的可互換性的同時(shí)，減少了配線和安裝工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的成本和時(shí)間。 DeviceNet 協(xié)議最基本的功能是在設(shè)備及其相應(yīng)的控制器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。因此，這種通信是基于面向連接的（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或多點(diǎn)傳送）通訊模型建立的。這樣，DeviceNet 既可以工作在主從模式，也可以工作在多主模式。

4、正因如此，利用 DeviceNet 和變頻器組成的系統(tǒng)除了具有卓越的調(diào)速性能外，更是企業(yè)技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代的調(diào)速裝置，自 20 世紀(jì) 80 年代被引進(jìn)以來，這種調(diào)速系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。在電力、紡織、建材、石油、化工、冶金、造紙、食品飲料、煙草等行業(yè)以及公用工程（中央空調(diào)、供水、水處理、電梯等）中都發(fā)揮著重要的作用。2第 2 章 方案論證2.1 交流電機(jī)的調(diào)速方法及應(yīng)用一、變極對(duì)數(shù)調(diào)速方法這種調(diào)速方法是用改變定子繞組的接紅方式來改變籠型電動(dòng)機(jī)定子極對(duì)數(shù)達(dá)到調(diào)速目的，特點(diǎn)如下：具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性良好； 無轉(zhuǎn)差損耗，效率高； 接線簡單、控制方便、價(jià)格低； 有級(jí)調(diào)速，級(jí)差較大，不能獲得平

5、滑調(diào)速； 可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調(diào)速特性。 本方法適用于不需要無級(jí)調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，如金屬切削機(jī)床、升降機(jī)、起重設(shè)備、風(fēng)機(jī)、水泵等。二、變頻調(diào)速方法變頻調(diào)速是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流直流交流變頻器和交流交流變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交直交變頻器。其特點(diǎn)：效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗； 應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動(dòng)機(jī)； 調(diào)速范圍大，特性硬，精度高； 技術(shù)復(fù)雜，造價(jià)高，維護(hù)檢修困難。本方法適用于要求精度高、調(diào)速性能較好場合。三、串級(jí)調(diào)速方法串級(jí)調(diào)速是指繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)

6、子回路中串入可調(diào)節(jié)的附加電勢(shì)來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差，達(dá)到調(diào)速的目的。大部分轉(zhuǎn)差功率被串入的附加電勢(shì)所吸收，再利用產(chǎn)生附加的裝置，把吸收的轉(zhuǎn)差功率返回電網(wǎng)或轉(zhuǎn)換能量加以利用。根據(jù)轉(zhuǎn)差功率吸收利用方式，串級(jí)調(diào)速可分為電機(jī)串級(jí)調(diào)速、機(jī)械串級(jí)調(diào)速及晶閘管串級(jí)調(diào)速形式，多采用晶閘管串級(jí)調(diào)速，其特點(diǎn)為：可將調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)差損耗回饋到電網(wǎng)或生產(chǎn)機(jī)械上，效率較高； 裝置容量與調(diào)速范圍成正比，投資省，適用于調(diào)速范圍在額定轉(zhuǎn)速7090的生產(chǎn)機(jī)械上； 調(diào)速裝置故障時(shí)可以切換至全速運(yùn)行，避免停產(chǎn)； 晶閘管串級(jí)調(diào)速功率因數(shù)偏低，諧波影響較大。本方法適合于風(fēng)機(jī)、水泵及軋鋼機(jī)、礦井提升機(jī)、擠壓機(jī)上使用。四、繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電

7、阻調(diào)速方法3 繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串入附加電阻，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率加大，電動(dòng)機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。串入的電阻越大，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越低。此方法設(shè)備簡單，控制方便，但轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上。屬有級(jí)調(diào)速，機(jī)械特性較軟。五、定子調(diào)壓調(diào)速方法 當(dāng)改變電動(dòng)機(jī)的定子電壓時(shí)，可以得到一組不同的機(jī)械特性曲線，從而獲得不同轉(zhuǎn)速。由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，因此最大轉(zhuǎn)矩下降很多，其調(diào)速范圍較小，使一般籠型電動(dòng)機(jī)難以應(yīng)用。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，調(diào)壓調(diào)速應(yīng)采用轉(zhuǎn)子電阻值大的籠型電動(dòng)機(jī)，如專供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動(dòng)機(jī)，或者在繞線式電動(dòng)機(jī)上串聯(lián)頻敏電阻。為了擴(kuò)大穩(wěn)定運(yùn)行范圍，當(dāng)調(diào)速在 2：1 以上的場合應(yīng)采用反饋控制

8、以達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速目的。調(diào)壓調(diào)速的特點(diǎn)：調(diào)壓調(diào)速線路簡單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制； 調(diào)壓過程中轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電阻中，效率較低。調(diào)壓調(diào)速一般適用于 100KW 以下的中、小功率，要求平滑動(dòng)、短時(shí)低速運(yùn)行的生產(chǎn)機(jī)械。2.2 方案的設(shè)計(jì)與論證綜合 2.1 節(jié)所述的調(diào)速方案及本課程設(shè)計(jì)的要求，選擇使用變頻調(diào)速的方法設(shè)計(jì)交流調(diào)速控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)效率高，調(diào)速范圍大，特性硬，精度高，調(diào)速過程中沒有附加損耗，應(yīng)用范圍廣，可用于一些機(jī)加工類的場合，部分風(fēng)機(jī)泵類的調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如 2.1 所示，本課程設(shè)計(jì)是基于遼寧工業(yè)大學(xué) Rockwell 自動(dòng)化工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室中的DeviceNet（設(shè)備網(wǎng)）

9、進(jìn)行系統(tǒng)的組建，其中 PLC 為 ControlLogix5561,為系統(tǒng)的核心部件；變頻器為 A-B 公司的 PowerFlex40 變頻器；電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為上海金陵雷戈勃?jiǎng)谝撂仉姍C(jī)廠的 YSJ6324。PC 機(jī)編程可編程邏輯控制器變頻器電動(dòng)機(jī)圖 2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖該系統(tǒng)根據(jù)調(diào)速要求對(duì) PLC 進(jìn)行編程，從而達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。調(diào)速要求如圖 2.2 所示4T25Hz40Hz50Hz45S30S15S0SF圖 2.2 控制要求5第 3 章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 硬件組態(tài)1.建立 I/O 點(diǎn)分配表1756-DNB模塊I/O點(diǎn)分配表如表3.1所示 表3.1 1756-DNB模塊I/O配置地址功能Lo

10、cal:3:O.Data0.0停止Local:3:O.Data0.1啟動(dòng)Local:3:O.Data0.3清錯(cuò)Local:3:O.Data0.16頻率設(shè)定 1756-IB16D模塊I/O分配表如表3.2所示 表3.2 1756-IB16D模塊I/O配置地址功能Local:5:I.Data0.0停止Local:5:I.Data0.1啟動(dòng)Local:5:I.Data0.3清錯(cuò)Local:5:I.Data0.16頻率設(shè)定2. 控制模塊選擇 控制模塊如圖3.1所示 圖3.1 控制模塊 在上圖中選擇了0號(hào)模塊Logix5561和3號(hào)模塊1756-DNB和5號(hào)模塊1756-IB16D，滿足了控制和擴(kuò)展要求

11、本文選用了遼寧工業(yè)大學(xué)RockWell實(shí)驗(yàn)室的DeviceNet模塊，其實(shí)物圖如圖3.2所示。6圖 3.2 DeviceNet 模塊實(shí)物圖選取的變頻器是PowerFlex40變頻器，實(shí)物圖如圖3.3所示。對(duì)變頻器的相關(guān)參數(shù)設(shè)定如下：顯示面板中的d表示查看變頻器的參數(shù)；p表示編程；A表示高級(jí)編程；F表示故障顯示。根據(jù)調(diào)速要求，必須通過設(shè)置p36，p38兩個(gè)參數(shù)為5，即選擇變頻器為通信口進(jìn)行控制；p39和p40設(shè)置為5，即加減速時(shí)間為5秒。圖3.3 PowerFlex40變頻器實(shí)物圖本次設(shè)計(jì)還選取了控制面板上的啟停按鈕、三相異步電機(jī)等器件。3.配置 I/O 組態(tài)本課程設(shè)計(jì)只用了 1756-DNB

12、模塊和 1756-IB16D 數(shù)字輸入模塊，只需對(duì)這兩個(gè)模塊進(jìn)行配置即可。7在工程目錄列表中選擇 I/O Configuration，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇 New Module，彈出 I/O 配置對(duì)話框，只勾選 Communication 選項(xiàng)，工程目錄圖如圖3.4 所示。 圖3.4 工程目錄圖需要注意的是，在配置 1756-DNB 模塊時(shí)，其起始槽號(hào)是 0，但本實(shí)驗(yàn)的1756-DNB 模塊均配置在 3 槽，然后點(diǎn)擊 Next 按鈕，在出現(xiàn)的對(duì)話框中點(diǎn)擊Browse 按鈕，載入在 DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)配置步驟中保存的 dnt 文件。同理配置 1756-IB16D 數(shù)字輸入模塊。4. 組建De

13、viceNet網(wǎng)絡(luò)利用 RSLinx 軟件配置驅(qū)動(dòng)程序RSLinx 是在 Microsoft、WinNT 以及 Win9X 操作系統(tǒng)下建立網(wǎng)絡(luò)所有通信方案的工具。啟動(dòng) RSLinx 后， 添加 TCP 驅(qū)動(dòng)程序,填入 IP 值，將 RSLinX 置于后臺(tái)運(yùn)行，然后可以啟動(dòng)其它軟件。添加驅(qū)動(dòng)如圖 3.5 所示。8 圖3.5 RSLinx添加驅(qū)動(dòng)圖. 配置 DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)RSNetWorx For DeviceNet 是 32 位網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具軟件，RSNetWorx 提供了一個(gè)圖形化的網(wǎng)絡(luò)視圖，并具有在線和離線組態(tài)的功能。首先啟動(dòng) RSNetWorx For DeviceNet 軟件，瀏

14、覽 DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，查找在RSLinx 中所配置的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，點(diǎn)擊 OK 按鈕確定所選 DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并顯示詳細(xì)信息，如圖 3.6 所示。 圖3.6 DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備由圖 3.6 可見，設(shè)備網(wǎng)上掛接的設(shè)備有 PowerFlex40 變頻器和 1756-DNB 模塊，并可知變頻器在節(jié)點(diǎn) 2 位置。然后分別雙擊圖 3.6 中的 PowerFlex40 變頻器和 1756-DNB 模塊的圖標(biāo)，設(shè)置變頻器和 1756-DNB 模塊的相關(guān)參數(shù)然后將參數(shù)上載到設(shè)備中。93.2 軟件組態(tài) 1.組建控制程序項(xiàng)目.配置RSLogix5000工程項(xiàng)目進(jìn)入 RSLogix50

15、00 軟件，打開操作界面，點(diǎn)擊新建工程項(xiàng)目，在隨后彈出的對(duì)話框(New Controller)中選擇處理器型號(hào)為 1756-L62 Logix5561,槽號(hào)（Slot）選擇 0 槽,其他選項(xiàng)默認(rèn)即可，點(diǎn)擊 OK 確認(rèn)。.編制 Controllogix 控制程序打開圖 3.4 所示的 TasksMainTaskMainProgram 前面的+號(hào)，在下拉列表中選擇 MainRoutine 雙擊，在右側(cè)顯示梯形圖編輯界面，根據(jù)要求在梯形圖編輯界面編制控制程序，并將程序下載程序到PLC中.操作并觀察現(xiàn)象到控制面板上按下啟動(dòng)按鈕，觀察頻率變化和三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)情況；按動(dòng)停止按鈕，觀察變頻器是否停止工作。

16、2.PLC 梯形圖的編制.程序流程圖如圖3.7所示 10NNN是否停止啟動(dòng)定時(shí)器 T1，同時(shí)變頻器50Hz 運(yùn)行是否停止T1 停止，啟動(dòng) T2，同時(shí)變頻器 25Hz 運(yùn)行是否停止T2 停止，T3 啟動(dòng)，同時(shí)變頻器 40Hz 運(yùn)行停 止YYY圖3.7 程序流程圖.梯形圖程序見附錄啟 動(dòng)11第 4 章 系統(tǒng)測試與分析4.1 調(diào)試步驟1、點(diǎn)擊通信菜單（Communications）中的 Who Active 按鈕彈出框中查找PLC 的 CPU 型號(hào)，然后單擊右側(cè)的下載(Download)按鈕，將程序下載到 CPU 中，下完完成后再將運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置到 RUN 模式。2、按下面板上的啟動(dòng)按鈕，觀察變頻器和

17、電動(dòng)機(jī)是否啟動(dòng)并運(yùn)行，并啟動(dòng)趨勢(shì)圖觀察。3、如果變頻器和電動(dòng)機(jī)已經(jīng)啟動(dòng)并運(yùn)行，觀察變頻器頻率變化軌跡是否按照既定要求變化。如果沒有按照要求變化，修改梯形圖程序，排查原因。4、如果變頻器和電動(dòng)機(jī)沒有啟動(dòng)，檢查梯形圖程序，排查原因。5、按下停止按鈕，停止電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。硬件連接圖如圖 4.1 所示 圖 4.1 硬件連接圖124.2 調(diào)試現(xiàn)象及結(jié)果分析所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的變頻器輸出頻率按照時(shí)間規(guī)律改變的趨勢(shì)和所要求的變化幾乎完全一致，由此說明本次設(shè)計(jì)的合理性，由 Logix5000 軟件監(jiān)測到的變頻器輸出頻率變化曲線如圖 4.2 所示。 圖4.2 變頻器輸出頻率變化曲線13參考文獻(xiàn)1 康梅, 朱莉，陳山.變頻器使用指南.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：1-962 張燕賓.變頻器的安裝、使用與維護(hù).北京:中國電力出版社,2009:154-177,178-1953 李華德.交流