西门子6ES7223-1BH22-0XA8大量库存

食品的冷冻、冷藏要使用冷冻机，因而在食品行业，制冷机的使用非常普及，其制冷机机的控制正越来越多地采用变频器。

一．变频器使用的目的：

　　对制冷机内的压缩机采用变频控制（压缩机能力可变控制），可以使制冷机对于冷冻负载的变动始终以接近设计条件的高效率进行运行。这就是将变频器应用于冷冻压缩机的主要目的。变频器控制制冷机的主要优点如下

　　1）节能相应于冷却负载的变化改变压缩机转速，使其始终运行在佳点。从而减少所需动力。

　　2）恒温采用连续的容量控制可使冷藏品温度变化很小。另外，即使对于临时的冷却负载增加，也可以依靠迦速来减小冷藏品的温度变化。

　　3）冷冻能力的改善密闭式电机直接连接的压缩机在50hz地区的能力只有60hz地区的80%，而变频器控制则可以做到与电源频率无关，始终保持一定的能力。

二．设备组成

　

　　图1是变频器控制黄河啤酒厂1号制冷机的例子。在该例中，变频器选用艾默生型号为td2000-4t2000g的00kw变频器，制冷机为大连冷冻机厂生产，电机功率为190kw。pid调节是由变频器自带的内置pid调节器完成的。在根据负载变化控制制冷机转速的方法中，我们的目的是想控制制冷机吸入口的温度，由于现场温度的采样比较困难，而吸入口的温度与压力又有着一定的对应关系，且在现场管道上安装压力变送器更容些，因而在本系统中，我们采用压力传感器检测压缩机的吸入压，只要变频器控制该压力维持恒定不变，则吸入口的温度也维持恒定不变。同时考虑到制冷机工作时的安全要求，我们将该制冷机原有的温度保护、油压保护等通过中继接入变频器，保证有温度保护或油压保护动作时，变频器能立即自动停机，防止机械设备的损坏。另外该制冷机原为两地控制，采用变频后我们仍保持原有的两地控制，这样，对操作人员来说，更易于操作。

三．运行模式

　　制冷机基本上是恒转矩特性，所以只要使变频器输出电压与频率成比例就行了。但是制冷机结合实际机的使用范围广，一般都与电机的设计条件不完全一致。在运行条件上电压也需要改变，终仍需要实验确定佳/f模式。另外，为了改善加速时的效率虽然可以改用变频器专用电机，但作为变频器故障时的备用，变频专用电机很难直接用工频电源进行运行。而且改用变频电机的费用会大幅增加，因此我们仍采用原有的电机及机械设备，只是将原有的自耦降压启动改为由变频器控制的压力闭环系统。

　　在闭环系统的构成中，艾默生变频器可定义两种典型的输入输出特性，即正作用和反作用，这两种特性可灵活应用在不同反馈特性的控制系统中。在本系统中，采用反作用特性，反馈增益极性为负极性。也即当吸入口压力增大时，变频器的输出频率也随之增大，当吸入口压力减小时，输出频率也随之减小。

　　为了防止变频器输出频率低时，制冷机散热差及总体效率的降低，在变频器上设定低运行频率为30hz。

四．节能效果

　　压缩机负载基本上是恒转矩负载，对恒转矩负载，电机的输出功率p的一般表达式为

　　p∝t＊n

　　表达式中，t：负载转矩n：电机转速

　　这就是说，即使是恒转矩负载，采用变频器等使电机速度下降，电机的输出功率将减小。变频器输入功率

　　pin可用下式表示：

　　pin=p/（ηinv＊ηm）

　　表达式中，pin：变频器输入功率ηinv：变频器效率ηm：电机的效率

　　由上式，假设总效率（ηinv＊ηm）对于电机的转速为一定。则显然电机转速下降将引起电机输出功率p减小，与其成比例的变频器输入功率pin也减小，即消耗电能降低。但是如图2所示，为使电机转速下降而使变频器输出频率降低，则总效率也降低。但因频率降低的幅度大于总效率降低的幅度，因此，与原先的控制方式相比，仍有显著的节能效果。另外，电磁调速电机、鼠笼电机的定子电压控制等从前的调速电机，转速下降时，总效率将大幅度降低，因而基本上得不到低速时的节能效果。因此采用变频器取代这些从前的调速方式，可以充分的节能。

　　变频器方式由于除电力变换损耗外还有约5%的损耗，这个损耗基本与变频器功率无关，因而电机功率越大，这个损耗所点的比例也越小，节能效果越显著。同时变频器方式具有耐夏季短时高峰负载（依靠增速）和精细温度控制等优点。

五．注意事项

　　以下叙述采用变频器控制冷冻机时主要应注意的问题。

　　1）往复式压缩机在额定转速以下减速时，活塞环等的油膜厚度减小，可能造成汽缸等部件的异常磨损。特别是对于离心供油、溅喷式供油方式，减速会引起供油量极端减少，更应注意润滑。

　　2）在5-10hp级的半密闭型压缩机的场合，由于上述润滑问题以及低负载时的电机效率、绕组温度上升、防震装置的谐振频率等问题，限制了其低频率约为30hz。

　　3）在往复式的场合，考虑到振动、噪音、阀门耐久性等问题，高频率的实际上限为额定频率的。

　　4）使用氟利昂系列制冷闪电战的冷冻装置在容量控制运行时，将面临蒸发器的油回归问题。一般在容量控制运行中，有必要定期进行回油运行。

1、预缩机原理简述

　　预缩机是印染行业中织物后整理的后一道工序，它是将织物经过机械物理预缩（橡胶毯）的方法，使其预缩率降低，手感改善。基本配置由四个单元组成：给湿单元、橡胶毯预缩单元、呢毯整理单元和出布单元。给湿单元完成预缩前的给湿准备，以使织物拥有一定的含湿量，便于织物预缩。其拖动部分为一只糙皮辊。由一个2.2kw电机拖动。橡胶毯预缩单元是本机的核心，主要是通过橡胶毯挤压以使织物经向产生收缩。挤压由一个φ616mm的辊筒和另一个辊筒的相对运动完成，拖动由一个15kw的电机完成。呢毯整理单元主要用以烘干织物和改善手感，由一个3kw的电机拖动一个φ2000mm的大滚筒完成。出布单元由一个1.5kw的电机拖动摆布斗完成。其工艺流程如下：

进布单元－橡胶毯预缩单元－呢毯整理单元－落布单元

2、系统配置方案

　　在本方案中，触摸屏采用日本proface公司生产的gp系列，plc采用西门子公司s7-226系列，变频器采用丹佛斯vlt2900系列，由于该系列变频器内已经内置了rs485接口且支持modbus协议，故这使该系统性价比非常高。s7－226系列的cpu内置了两个通信口，这两个通信口都为rs485接口，均可在三种方式下工作，即ppi方式、mpi方式及自由通信口方式。ppi是point-to-point的缩写，即点对点方式，是西门子公司专为s7－200系列开发的一个通信协议，在本案中，我们可把其中的一个通信口设置为该方式，用以连接hmi，进而做人机交换信息用。而第二个通信口我们把它设置成自由口通信方式。自由口通信方式是s7－200系列非常有特色的功能。在该方式下，依据和他通信的其他设备的公开的通信协议来编程s7－200的通信。我们在本方案中用它连接变频器以实现它们之间的相互通信。相关系统框图如下图所示：（基于本文阐述的重点，其它的如变频器和电机组成的自反馈系统不再画出和赘述。）

3、 自由口通信和modbus协议在s7-226和丹佛斯vlt2900系列变频器的应用

a. 通讯协议及其在plc和变频器上的基本设置

　　既然双方控制器要建立通信，它们必将共同遵循一定的规约，这即称之为协议。本系统中，plc建立的通讯规约将依从于变频器的规约，即modbus协议，这是因为s7-200支持自由口通信模式。

l 自由口通信模式：

　　cpu串行通信口可由用户程序控制，这种操作模式称作自由口通信模式。在该模式下，用户程序可以使用接受中断、发送中断、发送指令（xmt）和接受指令（rcv）来进行通信操作。利用该模式，plc可以和任意第三方串口进行通信。smb30（用于端口0）和smb130（用于端口1）用于选择波特率、奇偶校验、数据位数和通信协议。

l modbus通信协议

a．modbus通信是一种被用于在智能设备间建立主从方式的通信，它可以通过如rs232c、rs485等多种传输方式进行传播。它分为两种串行传输方式：ascii和rtu（remoteterminalunit，远程测控中断）。它们定义了数据如何打包、解码的不同方式。丹佛斯vlt2900系列支持的是rtu方式，其格式是：

1起始位

8位数据

1奇/偶校验

1停止位

其中奇偶校验和停止位可以是0.即可以没有。

　　modbus由一个主站（plc）和多31个从站（本系统中为4个）组成。主站负责发送指令，从站则是响应指令。在某一时刻，只能有一个从站能和主站进行连接。

b．丹佛斯vlt2900系列变频器内置了rs485物理接口，且同时支持modbus协议。其相关的参数如站地址、波特率、校验等在561＃、500＃、570＃及501＃参数组内设置。

b. plc和变频器通信的信号格式

l 丹佛斯vlt2900系列变频器支持标准的modbus－rtu信号，其格式如下：

驱动器地址

功能码

数据

故障检查

驱动器地址：本文为变频器地址。值为0～32.若设定为0，即为广播方式，则从plc同时向所有的变频器传送指令信号，而变频器不反馈响应信号。

功能码：丹佛斯vlt2900系列支持以下几种功能码（16进制）。

功能码

功能

功能码

功能

01h

读位存储器状态

06h

写一个字存储器

03h

读字存储器状态

0f

写多个位存储器

05h

写一个位存储器

10h

写多个字存储器

数据：存储寄存器地址和数据组合构成一组数据。因指令的内容不同数据长度不同。

故障检查：对于rtu方式，一般采用crc－16的方式进行，后面我们将做进一步的说明

l 丹佛斯vlt2900系列变频器编址

　　既然plc与变频器通信时操作对象是存储器，故变频器内部必须有plc能识别的存储器地址相对应。变频器生产厂家不同会导致其编址方法的不同。丹佛斯vlt2900系列变频器编址和你在其说明书上看到的参数号是遵从一等式的，即参数地址（hex）＝[（参数号×10）－1>（dec）。

l modbus信号举例

a) 通过重写控制字与参考值的方式，启动电机并使之运行在50％的转速下。

指令信号：[01> [0f> [00> [00> [00> [20> [04>[7c> [04> [00> [20> [9d> [01>

该指令中

[01>为驱动器地址

[0f>为功能码，是指本命令为写多个位存储器指令；

[00> [00>指出将要写入数据的起始地址为位存储器的首地址。

[00> [20>为写入长度，20hx＝32dec位数据。

[04>为要写入位的总字节数为4个。

[7c> [04> 047c是启动电机的控制字内容，在实际传输中为低位前置。

[00> [20>为电机运行的参考值，在实际传输中低位前置。

[9d> [01>为计算出的crc-16值

正常时其响应信号应为：

[01> [0f> [00> [00> [00> [20> [54>[13>

b) 按频率指令60.0hz传送到1＃变频器（地址为01），

指令信号：[01>[06>[04>[0f>[00>[3c>[b8>[e8>

正常时响应信号为：[01>[06>[04>[0f>[00>[3c>[b8>[e8>

c. 信号的发送和接受指令：

　　当信号格式被确定后，我们所要做的是从plc如何把它们发送出去和如何接收变频器的响应信号了，在自由口模式当中，信号可以用xmt命令发送，用rcv命令接收，另外我们还可以利用smb2（接收缓冲字节）配合其它如mov指令等来实现字符的接收。在s7-200系统中，设计了诸如发送完成、接收完成等中断事件，我们将很方便的通过它们来控制整个程序的运行。

4、 plc程序的设计

a)数学模型：由于各个单元间是采用线性比例同步的，所以构建其数学模型非常简单，只要使某单元的转速和其相邻上一级单元遵循数学公式v1＝k×v2即可。为了调节两单元之间的张力，我们只需调节两单元间比例k即可。这里需提醒注意的是：某一单元的转速必须以上一级为基础进行比例调节，这样才不至于在调节单元的速度时，影响其它单元间的张力。

b) 程序框图

c) 程序结构

　　程序结构包括主程序、初始化子程序、停车子程序、开车子程序、比例设定子程序和速度计算子程序。其中与通信有关的程序有crc-16校验程序、发送中断程序、接收中断程序等。下面主要介绍一下crc-16校验程序。

　　crc是 “cyclical rendundancy check” （循环冗余码校验）的英文简称。crc码为2个字节，16位的二进制值。故又叫crc-16。由发送设备计算crc值，并把它附到信息中去。接收设备在接收信息过程中再次计算crc值并与crc的实际值进行比较，若二者不一致，亦产生一个错误，校验开始时，把16位寄存器的各位都置为“1”，然后把信息中的相邻2个8位字节数据放到当前寄存器中处理，只有每个字符的8位数据用于crc处理。起始位，停止位和校验位不参与crc计算。crc校验时，每个8位数据与该寄存器的低位内容进行异或运算，然后向低有效位(lsb)方向移位，同时用零填入高有效位(msb)后，再对lsb检查，若lsb=1，则寄存器与生成多项式（16＃a001）异或，若lsb=0，不作异或运算。重复上述处理过程，直至移位8次，后一次(第8次)移位后，下一个8位字节数据与寄存器的当前值异或，再重复上述过程。全部处理完信息中的数据字节后，终得到的寄存器值为crc值。在程序编制时，可以使用for/next指令，并使用一次嵌套。在发送时，crc值附加到信息时，低位在先，高位在后。

 链斗提升机是循环流化床锅炉除渣系统中的主要运行设备，我公司的170t/h循环流化床锅炉使用的链斗提升机采用变频控制。变频器为acs800-01单传动变频器，功率为7.5kw，分为远程控制和就地控制，就地控制为acs800配套的控制盘，远程控制为dcs系统控制。在运行过程中，锅炉一般在80－－-120%负荷下运行，链斗提升机运行在40－－-50hz之间。经过多年运行，变频控制回路发生过多次问题，在处理问题时只能是停运设备，此设备停运致使锅炉负荷大幅减少，影响机组的运行效率，给公司的经济效益带来较大影响。在此情况下，我对此设备的控制进行改动，实现变频和工频双路控制，以此增加设备运行的可靠性，两路控制完全分开，互不影响，一路出现问题，另一路投入，出问题的回路可进行修理。

具体的方案如下：
1.重新设计控制回路，原来的变频控制回路复杂，变频器自身具有较多保护，应充分利用，外部控制回路保护部分多余，且增加危险点，此次设计也一并取消，重新设计，设计本着简单、安全的原则进行。
变频器还使用原变频器acs800-01单传动变频器，接触器、热继电器、小型断路器使用西门子低压产品，按钮、指示灯等使用质量较好的国产品牌，中间继电器采用omron的产品。采用质量较好的电器元件，可使整个控制回路的工作较为稳定，且使用寿命也较长。
电气控制回路图如下:

2.由于控制回路发生了变化，原来dcs系统中的组态也相应进行改变，组态图如下：

      左图为变频单路控制时的组态图纸，右图为变频和工频双路控制时的组态图纸。
      把原来的控制柜拆除，按照新设计的图纸进行安装，变频和工频动力输出线路分开接，以实现变频和工频完全分开。

简述控制回路工作过程：
1.变频控制回路工作过程：合qf1、qf4，给变频器和远控控制回路送电，转换开关qk置变频位，启动和停止由dcs系统控制，变频器加转和减转由dcs系统控制。变频器故障由变频器输出接点，在控制柜上显示（一红色指示灯）。变频就地控制可用变频器配套控制盘进行控制，并且变频器远程/就地控制可由控制盘进行切换。
2.工频控制回路工作过程：合qf2、qf3、qf4，给工频远控和就地控制回路送电，转换开关qk置工频位，工频远控启动和停止由dcs系统控制，工频就地启动和停止由控制柜上的按钮控制，工频控制回路故障由热继电器输出接点，在控制柜上显示（一红色指示灯）。
3. 远控变频和工频运行显示在dcs系统操作站画面上显示。

实现的控制系统具有成本低、使用灵活的特点，广泛应用于、机器人，定量进给、工业自动控制以及各种可控的有定位要求的机械工具等应用领域。步进电机是数字控制电机，将脉冲信号转换成角位移，电机的转速、停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，非超载状态下，根据上述线性关系，再加上步进电机只有周期性误差而无累积误差，因此步进电机适用于单片机控制。步进电机通过输入脉冲信号进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲总数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路是根据单片机产生的控制信号进行工作。因此，单片机通过向步进电机驱动电路发送控制信号就能实现对步进电机的控制。

1.系统设计原理

步进电机控制系统主要由单片机、键盘led、驱动／放大和pc上位机等4个模块组成，其中pc机模块是软件控制部分，该控制系统可实现的功能：1)通过键盘启动／暂停步进电机、设置步进电机的转速和改变步进电机的转向；2)通过led管显示步进的转速和转向等工作状态；3)实现三相或四相步进电机的控制：4)通过pc上位机实现对步进电机的控制(启停、转速和转向等)。为保护单片机控制系统硬件电路，在单片机和步进电机之间增加过流保护电路。图l为步进电机控制系统框图。

2.系统硬件电路设计

2．1 单片机模块

单片机模块主要由msp430fg4618单片机及外围滤波、管理和晶振等电路组成。msp430fg4618单片机内部的8 kbram和116 kbflash满足控制系统的存储要求，p1和p2端口在步进电机工作过程中根据按键状态判断是否跳入中断服务程序来改变步进电机的工作状态，usart模块实现单片机和pc上位机之间的通信，实现pc机对步进电机控制。电源管理电路提供稳定的3．3v和5 v电压，分别给单片机、晶振电路和驱动和功率放大电路供电。32khz晶振给单片机、键盘／显示接口器件8279和脉冲分配器pmm8713提供时钟；当采用usart模块时需开启8mhz晶振设置通信模块。图2为单片机模块结构框图。

2．2 键盘／led模块

为实现人机对话，该系统设计扩展了3x4按钮矩阵键盘和4片8段led数码管，可手动直接操作该控制系统。系统上电后，通过键盘输入步进电机的启停、步数转速和转向等，由led管动态显示步进电机的转速和转向。键盘的输入和led管的输出由8279进行控制，减少单片机工作负担。8279编程工作在键盘扫描输入方式，读入键盘时具有去抖动功能，避免误触发。图3为键盘led模块设计结构框图。

2．3 驱动／放大模块

控制系统采用步进电机控制用的脉冲分配器(又称逻辑转换器)pmm8713，该器件是cmos，相输出驱动能力(源电流或吸入电源)为20ma，适用于控制三相或四相步进电机，可选择下列6种激励方式：三相步进电进：1相，2相，1-2相；四相步进电进：1相，2相，1-2相。输入方式可选择单时钟(加方向信号)和双时钟(正转或反转时钟)两种方式，具有正反转控制、初始化复位、原点监视、激励方式监视和输入脉冲监视等功能。器件pmm8713由时钟选通、激励方式控制、激励方式判断和可逆环形计数器等部分构成，所有输入端内都设有施密特电路，可提高抗干扰能力。pmm8713输出需接功率驱动电路，选用功率驱动器pmm2101，大输出电流为1．4a，满足驱动步进电机的要求。驱动／放大电路如图4所示。msp430单片机通过调节pmm8713的端口1～4输入脉冲信号控制步进电机的启停、速度和转向等。

3.系统软件设计

3．1 单片机程序

利用单片机的定时器timer_a(ta)中断产生脉冲信号，通过在响应的中断程序中实现步进电机步数和圈数的准确计数，通过pwm实现转速控制；利用p1．0端口的中断关闭ta中断程序，并推入堆栈，停止电机；p1．1中断则开启ta中断，堆栈推入程序计数器(pc)，开启电机；p3．1端口输出高电平由pmm8713的u／d端口控制电机的转向；p3．0～p3．7端口接8279的8个数据接口，当单片机扫描到矩阵键盘有键按下时，利用p2端口的中断设置ta，控制启停、调速和转向等，同时单片机反馈给8279控制led管显示转速和转向。其程序流程如图5所示。

3．2 pc上位机模块

pc上位机模块实现pc机对步进电机的控制。利用msp430单片机的usart模块实现与pc上位机的通信，pc机通过串口向单片机发送控制命令，实现电机控制。单片机所接收到控制命令暂存在rxbuffer中，然后与存储在片内flash的中断程序的入口地址相比较，相同就进入中断，实现步进电机的控制。操作该模块时需要开启8mhz晶振为usart模块设置波特率(设置波特率为9600)。控制软件由vb6．0编写，利用mscomm控件实现串行通讯功能。其控制软件界面如图6所示。

4.系统检测

为检验该控制系统的实际工作情况，在给定pmm2101输出工作电流的状态下采用能量转化法测得步进电机输出的大静转矩。选取输出电流间隔0．2a，测到步进电机大静转矩与电流之间关系的静特性曲线，如图7所示，说明该控制系统设计较合理。

5.结论

该系统通过msp430单片机控制步进电机运转情况，可靠性高，在电机运行时能够方便设定步进电机的启／停、转速和方向，提高步进电机的步进精度；能够控制三相或四相步进电机；由pc上位机完全控制步进电机的各种运行方式，使系统能够应用于恶劣环境中，保证人员安全，适用范围较广，且电路简单，成本较低，控制方便，移植性强，实用价值高。