基于Devicenet設備網(wǎng)電機控制系統(tǒng)的智能節(jié)點設計

1、摘 要本文主要設計了電動機變頻調(diào)速網(wǎng)絡控制。利用 Netlinx 網(wǎng)絡及相關部件構(gòu)建電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)，以達到對變頻器頻率設定，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。本文選取 Netlinx 網(wǎng)絡中的設備網(wǎng) DeviceNet 對電動機進行控制， DeviceNet 傳輸速率為 125Kbps,滿足了控制的實時性要求。通過 RSLogix5000 軟件進行硬件組態(tài)和軟件組態(tài)，在軟件組態(tài)中編制梯形圖程序，控制 PLC 運行和輸出，用 PLC 控制變頻器，改變變頻器的頻率，則電動機的轉(zhuǎn)速也相應改變，實現(xiàn)了電動機變頻調(diào)速的要求。關鍵詞：DeviceNet；變頻器；三相異步電機目 錄第 1 章 緒論 .1第 2 章

2、方案論證 .22.1 交流電機的調(diào)速方法及應用 .22.2 方案的設計與論證 .3第 3 章 系統(tǒng)設計 .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 課程設計總結(jié).13參考文獻.14附錄.151第 1 章 緒論隨著工業(yè)技術的發(fā)展，微機技術的突飛猛進，交流電動機變頻調(diào)速技術日趨完善。變頻調(diào)速器用于交流電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，是交流電動機最有前途，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，以及實現(xiàn)自動控制及遠程控制等功能。本次課程設計

3、采用了 DeviceNet 網(wǎng)絡作為控制網(wǎng)絡，它具有以下特點：DeviceNet 將低層工業(yè)設備連接到網(wǎng)絡，從而消除了昂貴的硬接線成本，直接互連性改善了設備間的通訊，并同時提供了相當重要的設備級診斷功能，這是通過硬接線 I/O 接口很難實現(xiàn)的。同時，DeviceNet 是一種簡單的網(wǎng)絡解決方案，它在提供多供貨商同類部件間的可互換性的同時，減少了配線和安裝工業(yè)自動化設備的成本和時間。 DeviceNet 協(xié)議最基本的功能是在設備及其相應的控制器之間進行數(shù)據(jù)交換。因此，這種通信是基于面向連接的（點對點或多點傳送）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)技術改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代的調(diào)速裝置，自 20 世紀 80 年代被引進以來，這種調(diào)速系統(tǒng)得到了廣泛的應用。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 交流電機的調(diào)速方法及應用一、變極對數(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機定子極對數(shù)達到調(diào)速目的，特點如下：具有較硬的機械特性，穩(wěn)定性良好； 無轉(zhuǎn)差損耗，效率高； 接線簡單、控制方便、價格低； 有級調(diào)速，級差較大，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調(diào)速的生產(chǎn)機械，如金屬切削機床、升降機、起重設備、風機、水泵等。二、變頻調(diào)速方法變頻調(diào)速是改變電動機定子電源的頻率，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：效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗； 應用范圍廣，可用于籠型異步電動機； 調(diào)速范圍大，特性硬，精度高； 技術復雜，造價高，維護檢修困難。本方法適用于要求精度高、調(diào)速性能較好場合。三、串級調(diào)速方法串級調(diào)速是指繞線式電動機轉(zhuǎn)

6、子回路中串入可調(diào)節(jié)的附加電勢來改變電動機的轉(zhuǎn)差，達到調(diào)速的目的。大部分轉(zhuǎn)差功率被串入的附加電勢所吸收，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，串級調(diào)速可分為電機串級調(diào)速、機械串級調(diào)速及晶閘管串級調(diào)速形式，多采用晶閘管串級調(diào)速，其特點為：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)機械上； 調(diào)速裝置故障時可以切換至全速運行，避免停產(chǎn)； 晶閘管串級調(diào)速功率因數(shù)偏低，諧波影響較大。本方法適合于風機、水泵及軋鋼機、礦井提升機、擠壓機上使用。四、繞線式電動機轉(zhuǎn)子串電

7、阻調(diào)速方法3 繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串入附加電阻，使電動機的轉(zhuǎn)差率加大，電動機在較低的轉(zhuǎn)速下運行。串入的電阻越大，電動機的轉(zhuǎn)速越低。此方法設備簡單，控制方便，但轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上。屬有級調(diào)速，機械特性較軟。五、定子調(diào)壓調(diào)速方法 當改變電動機的定子電壓時，可以得到一組不同的機械特性曲線，從而獲得不同轉(zhuǎn)速。由于電動機的轉(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，使一般籠型電動機難以應用。為了擴大調(diào)速范圍，調(diào)壓調(diào)速應采用轉(zhuǎn)子電阻值大的籠型電動機，如專供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動機，或者在繞線式電動機上串聯(lián)頻敏電阻。為了擴大穩(wěn)定運行范圍，當調(diào)速在 2：1 以上的場合應采用反饋控制

8、以達到自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速目的。調(diào)壓調(diào)速的特點：調(diào)壓調(diào)速線路簡單，易實現(xiàn)自動控制； 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、短時低速運行的生產(chǎn)機械。2.2 方案的設計與論證綜合 2.1 節(jié)所述的調(diào)速方案及本課程設計的要求，選擇使用變頻調(diào)速的方法設計交流調(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，應用范圍廣，可用于一些機加工類的場合，部分風機泵類的調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如 2.1 所示，本課程設計是基于遼寧工業(yè)大學 Rockwell 自動化工業(yè)控制網(wǎng)絡實驗室中的DeviceNet（設備網(wǎng)）

9、進行系統(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；電動機的型號為上海金陵雷戈勃勞伊特電機廠的 YSJ6324。PC 機編程可編程邏輯控制器變頻器電動機圖 2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖該系統(tǒng)根據(jù)調(diào)速要求對 PLC 進行編程，從而達到對電動機轉(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)設計3.1 硬件組態(tài)1.建立 I/O 點分配表1756-DNB模塊I/O點分配表如表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Local:3:O.Data0.3清錯Local:3:O.Data0.16頻率設定 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Local:5:I.Data0.3清錯Local:5:I.Data0.16頻率設定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號模塊Logix5561和3號模塊1756-DNB和5號模塊1756-IB16D，滿足了控制和擴展要求

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

12、模塊和 1756-IB16D 數(shù)字輸入模塊，只需對這兩個模塊進行配置即可。7在工程目錄列表中選擇 I/O Configuration，點擊鼠標右鍵，選擇 New Module，彈出 I/O 配置對話框，只勾選 Communication 選項，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，其起始槽號是 0，但本實驗的1756-DNB 模塊均配置在 3 槽，然后點擊 Next 按鈕，在出現(xiàn)的對話框中點擊Browse 按鈕，載入在 DeviceNet 網(wǎng)絡配置步驟中保存的 dnt 文件。同理配置 1756-IB16D 數(shù)字輸入模塊。4. 組建De

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

14、覽 DeviceNet 網(wǎng)絡設備，查找在RSLinx 中所配置的驅(qū)動設備，點擊 OK 按鈕確定所選 DeviceNet 網(wǎng)絡設備并顯示詳細信息，如圖 3.6 所示。 圖3.6 DeviceNet網(wǎng)絡上的設備由圖 3.6 可見，設備網(wǎng)上掛接的設備有 PowerFlex40 變頻器和 1756-DNB 模塊，并可知變頻器在節(jié)點 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，設置變頻器和 1756-DNB 模塊的相關參數(shù)然后將參數(shù)上載到設備中。93.2 軟件組態(tài) 1.組建控制程序項目.配置RSLogix5000工程項目進入 RSLogix50

15、00 軟件，打開操作界面，點擊新建工程項目，在隨后彈出的對話框(New Controller)中選擇處理器型號為 1756-L62 Logix5561,槽號（Slot）選擇 0 槽,其他選項默認即可，點擊 OK 確認。.編制 Controllogix 控制程序打開圖 3.4 所示的 TasksMainTaskMainProgram 前面的+號，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按鈕，觀察頻率變化和三相異步電機轉(zhuǎn)動情況；按動停止按鈕，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是否停止啟動定時器 T1，同時變頻器50Hz 運行是否停止T1 停止，啟動 T2，同時變頻器 25Hz 運行是否停止T2 停止，T3 啟動，同時變頻器 40Hz 運行停 止YYY圖3.7 程序流程圖.梯形圖程序見附錄啟 動11第 4 章 系統(tǒng)測試與分析4.1 調(diào)試步驟1、點擊通信菜單（Communications）中的 Who Active 按鈕彈出框中查找PLC 的 CPU 型號，然后單擊右側(cè)的下載(Download)按鈕，將程序下載到 CPU 中，下完完成后再將運行狀態(tài)設置到 RUN 模式。2、按下面板上的啟動按鈕，觀察變頻器和

17、電動機是否啟動并運行，并啟動趨勢圖觀察。3、如果變頻器和電動機已經(jīng)啟動并運行，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、如果變頻器和電動機沒有啟動，檢查梯形圖程序，排查原因。5、按下停止按鈕，停止電動機的運行。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)果分析所設計的系統(tǒng)的變頻器輸出頻率按照時間規(guī)律改變的趨勢和所要求的變化幾乎完全一致，由此說明本次設計的合理性，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1 康梅, 朱莉，陳山.變頻器使用指南.北京：化學工業(yè)出版社，2008：1-962 張燕賓.變頻器的安裝、使用與維護.北京:中國電力出版社,2009:154-177,178-1953 李華德.交流