基于PLC控制的自动贴标机设计

光机电一体化课程设计

题 目： 变频器控制与通信 院 别： 机电学院

专 业： 机械电子工程 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师：

基于PLC控制的自动贴标机设计

——变频器控制与通信

摘要

变频器（VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。

本课程设计主要讨论变频器与可编程控制器(PLC)通信原理，介绍变频器的控制方式、PLC与变频器远程通信控制的硬件连接等。选用三菱FX2N型PLC及三菱FR-S500变频器，介绍串行通信技术在贴标机交流变频调速控制系统中的应用，并通过相应的部分通信控制程序来说明利用可编程控制器实现串行通信编程设计方法。

关键词：通信协议；变频器；PLC；控制

1

目 录

前言 ............................................. 3 一.变频器的选用 .................................. 4 二.变频器的控制方式 .............................. 5 三.PLC与变频器远程通信控制的硬件连接 ............. 5 四.变频器的远程控制原理 .......................... 6 五.对变频器远程控制时参数的设定 .................. 8 六.对变频器远程控制的软件设计 .................... 8 七.变频器仿真 .................................... 9 八.心得体会 ..................................... 14 附录： .......................................... 16

2

前言

变频器调速是集自动控制、微电子、电力电子、通信技术于一体的技术，它因很好的调速、节能性能, 在各行业中获得了广泛的应用。PLC是近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控制装置，它具有体积小、组装灵活、编程简单、抗干扰能力强和可靠性高等优点。现代工业生产的许多领域将变频器与PLC相结合使用, 借助于 PC或(HMI)可以对自动化设备进行智能控制。随着网络技术的发展，PLC既可以地对自动化设备进行控制，也可以作为工作站与整个工厂网络系统的各个单元进行信息交换，有利于“无人化”工厂的实现。

3

一.变频器的选用

不同的变频器各有优缺点，我们小组选用的是三菱变频器，其主要特点有： 特点1：节能

只要降低频率，电机用不完的能量就接生下来了。比如，一台水泥厂的风机，功率是132KW，它一旦启动就是132KW，假如这时风力太大，用不完，就只好关闭一些阀门，但它还是会用132KW的电，浪费是必然的。用了三菱变频器调速器就不同了，需要多大的风力就调到相应的速度，其多余的能量就能节省下来。就这给厂家省下一笔很可观的电费。一家水泥厂250KW的三菱变频器，平时只用到70的功率，自从装上三菱变频器，每小时节省70度电。照此计算，很快就会收回设备投资。 特点2：无极调速

根据需要任意调级电机转速。电机都有一个固定的转速，没有其他调速装置，这个转速固定不变。而有的工况需要电机改变速度，没有三菱变频器，只能通过滑差电机或齿轮变速来实现，很复杂，很护，很笨重，很落后。有了三菱变频器，就使一切变速的需要变的轻而易举，随心所欲。 特点3：启动平稳

速度平稳上升，停止平稳，速度平滑下降，没有冲击。所以你在乘坐配有三菱变频器的电梯时，就感觉不到振动和冲击，很舒适。三菱变频器体积小，重量轻、安装方便、调式简单，作单机控制时，三根电源进线，三根出线接电机就完成了。加速减速，正转反转，所有的操作都在一个小小的键盘上。所以，它深受用户喜爱，它的应用领域也越来越普遍和广泛。

特点4：它具备多种信号输入输出端口，接收和输出模拟信号，电流、电压信号。

与工控机、编程器配合，就能形成自动化控制系统。换一句话说，什么时候加速，什么时候减速，什么时候正转，什么时候反转，什么时候停，什么时候启，一切都可以预先编程，它会忠实准确的执行命令。

本课程设计选用三菱FX2N-32MT可编程控制器与三菱FR-S500变频器，介绍可编程控制器与变频器之间的通信。

三菱变频器 S500 FR-S520E-0.2K-NMR 0.2-1.5KW AC200V-240V（如图）

4

本课程设计主要有四个变频器，分别控制分距电机、送标电机、滚贴电机、传送带电机。

二.变频器的控制方式

（1）通过变频器的操作面板控制,主要应用于对变频器进行本地操作, 且电动机转速不频繁变化的场合。

（2）通过变频器的控制端子控制,即通过对变频器控制端子上逻辑输入口的逻辑组合, 设置各种预置速度,再通过逻辑输入口的启动/停止端子和预置速度端子的通断状态, 实现电动机的启停控制和输出频率的改变, 主要应用于控制电动机按预先设定的几个固定频率运转的场合。

（3）通过变频器模拟量输入0~20mA 或4~20mA信号,改变给定频率。 对于按既定时间变速要求的情况，采用PLC控制具有较高的自动化程度和“智能”性。

三.PLC与变频器远程通信控制的硬件连接

PLC对变频器控制时，可以通过变频器的RS-485串行通信接口，用通信电缆把RS-485接口与PLC的FX2N-485-BD通信模块相连，通过用户程序对变频器的运行进行控制和监视，以及参数的读写进行操作。其组成的RS-485通信网络硬件连接如图1所示。其中，EIA规格为RS-485；多段字节连接方式；MAX速度19200bps；总长度：500m。由于传送速度、距离的原因，有可能受到反射的影响。由于反射造成通信障碍时，可安装终端阻抗。用RS-485接口时，由于不能安装

5

终端阻抗，可使用分配器。终端阻抗安装在离计算机最远的变频器上（RDA与RDB，终端阻抗器：100欧。变频器通过网线与PLC(FX-2N) 485-BD通信板连线如图2所示。

四.变频器的远程控制原理

PLC在对变频器进行控制时，在遵循PLC与变频器通信协议的前提下，还要对变频器进行一些参数设定，如变频器机号的设定，通信速度的设定，停止位长、有无奇偶校验、通信再试次数 、通信检验时间、等待时间设定以及CR、LF有无的选择等等，同时，还要按照变频器所规定的数据格式进行数据通信，具体包括以下几方面的内容： （1） 通信协议

计算机与变频器之间的数据通信执行过程如图3所示。

通信过程中，如果发现数据错误，变频器将要求进行再试，从用户程序执行再试操作。如果连续再试次数超过参数设定值，变频器进入到报警停止状态。

通信过程中，如果发生接收一个错误数据，变频器给计算机返回再试数据。

6

如果连续数据错误次数达到或超过参数设定值，变频器进入到报警停止状态。

（2）数据格式[3]

主机（PLC）和变频器之间通信使用十六进制数，数据在主机和变频器之间自动使用ACKⅡ传输。数据格式有以下几种类型：

（1）从主机到变频器的通信请求数据； （2）写入数据时从变频器到主机的发送数据， 格式如图4：

（3）读出数据时从变频器到主机的应答数据 （3）变频器参数的设置

以PLC与变频器站号1通信为例，对变频器设置如下：

n1=1,n2=48,n3=10,n4=0,n11=0,pr30=1；其中“n1→0”表示为 0 号站点，“n2→48”表示设定通信波特率为4800, “n3→10”表示停止位长1位/数据长7位，n4=0表示无奇偶校验，n11=0表示无CR、LF, pr30=1表示显示全部参数。同时为了让变频器与PLC进行RS485通信，必须把运行模式设定为“计算机联网运行模式”，即Pr.79运行模式选择”=0，而且通信参数n10（联网启动模式选择）=“1”。

7

五.对变频器远程控制时参数的设定

变频器设定完后，还要对照变频器的设定对PLC进行设定，其中“M8161=1”为8位数据处理模式，D8021为通信形式设定寄存器。同样以PLC与站号1通信为例，其中波特率为4800、停止位1、无奇偶校验。PLC设置如图5。

六.对变频器远程控制的软件设计

软件设计时，首先需进行初始化，包括波特率、停止位、奇偶校验等，然后按照变频器的通信数据格式，将需要传送的数据依次存入数据存储器，通过PLC的串行数据传送指令RS，按照一定的波特率将数据依次传送给变频器，变频器再将内部的一些信息反馈给PLC，流程如图6。

8

下面给出PLC控制变频器正转启动程序（图7），以及总和校验码的部分程序（图8）。

七.变频器仿真

注：由于三菱仿真软件无破解版，使用的仿真软件为安川v1000，具体仿似度基本相同，功能相似。

9

（1） 仿真软件（软件下载地址：http://pan.baidu.com/s/1qWE2Mfy）

仿真软件对应的LED操作器各部分的名称与功能如下：

10

（2） 端子接线图

（3） 基本操作仿真 a.参数调整

本课程设计主要控制传送带的速度，参数最佳值如下

11

先按上或下键进入如下图界面

然后按确认键后进入如下图通过上或下键调节最佳参数

b.控制运行

主要如下图，我们主要使用两种，一种是通过LED操作器（本地控制）调整，另一种是通过控制回路端子（远程控制）调整。

下面介绍远程控制，即通过PLC控制信号来调整。 对应软件位置如下图：

12

接线图如下：

H1-01~H1-07端子S1~S7的功能选择：

多功能输入的设定值：

要设定17段速时， 需要在H1-01～H1-07 （端子S1～S7的功能选择） 上设定

13

多段速指令1～4和点动运行频率：

多段速指令及多功能接点输入的组合：

LED操作器与端子控制运行具体需看三菱变频器操作说明书，这里不一一模拟。

八.心得体会

通过这次对变频器的控制与通信设计，暴露了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足，也使得我在整个设计过程中受益非浅。首先，在做课程设计之前深入地了解变频器的控制方式与通信过程，在做的过程中加深了自己对变频器的理解以及应用，真正做到将书本上面学到的知识和实际应用相结合。

在控制与通信方面，主要是通过PLC控制变频器端子来实现电机的正转、反转、变频调速等过程，也可以通过直接操作变频器来实现。由于在大四上学期之前我们学的都是一些变频器的理论知识，没能体会到亲自仿真或实际操作过程是怎样的，不通过大量的查找资料，也不知自己的知识有多么的欠缺。在仿真过程当中我深深的感觉到，仿真操作看似简单的，实际上可能并非如此，变频器的参

14

数说明至少有一百多页，参数设置过程要严谨，不然在运行时容易发生不必要的情况。没有亲自去做它，就不会懂理论与实践是有很大区别的，看一个简单参数，也会遇到一些从来没想过的问题。

总的来说，从通过理论设计，到确定具体方案，再到软件仿真等，整个过程都需要充分利用所有知识进行思考、借鉴。在查阅的过程中，不仅丰富了我们的一些课外知识，还巩固了课堂上所学的知识。本次设计是针对相关知识进行的一次比较综合的检验，也是目前为止我觉得收获最大的一次课程设计，为自己的毕业设计添加了经验， 打下了扎实的基础。

参考文献：

[1] 崔光照.工业现场中PLC对变频器远程控制的实现[J].低压电器,2005. [2] 三菱变频调速器FR-S500使用手册.详细篇[M].三菱电气株会社,2000. [3] 王兆义.可编程控制器控制器教程[M].北京:机械工业出版社,2005.

15

附录：

三菱变频器基本操作

按键表示

按键 MODE键 SET键 增减键 说明 可用于选作操作模式或设定模式 用于确定频率和参数设定 用于连续增加或降低运行频率，按下可改变频率 在设定模式中按下此键，可连续设定参数 FWD键 REV键 STOP/RESET键 用于给出正转指令 用于给出反转指令 用于停止运行 用于保护功能动作输出停止复位变频器

单位/运行状态显示

显示 Hz A V MON PU EXT FWD REV 显示频率时点亮 显示电流时点亮 显示电压时点亮 监视显示模式时点亮 PU操作模式时点亮 外部操作模式时点亮 正转闪烁 反转闪烁 说明

操作面板

16

1 按MODE键改变监视状态

单次按MODE键，将一次切换到监视模式、频率设定模式、参数设定模式、运行模式、帮助模式。

2 显示

监视器显示运转中的指令 1）EXT指示灯亮表示外部操作 2）PU指示灯亮表示PU操作

3）EXT和PU灯同时亮表示PU和外部操作组合方式

17

注：1）按SET键超过1.5秒能把电流监视模式改为上电监视模式

2）在报警监视模式按SET键超过1.5秒能显示最近4次的错误指示 进入参数设定模式

1、更改参数P77（参数写入禁止选择）为2。

2、更改参数P79（操作模式选择）：按现场实际控制方式选择。（一般设定为3--外部和PU组合方式设定）。

3、设定参数P1（上限频率,一般为50hz）、参数P7（加速时间）、参数P8（减速时间）、参数P9（电子过电流保护—1.1倍电机额定电流）。升降段注意多段速频率设定，根据端子接线情况设定是使用高P4、中P5、低P6哪两个参数设定。 4、在参数写入时应按住SET键1.5秒写入设定值并更新。 5、如在设定时依旧有问题可查找说明书的出错对策。 参数拷和复制

18