变频器的功能设置概述(四)
The Summarization of AC Inveter's Function Setting
浙江工商职业技术学院 李方园
Li Fangyuan
第3讲 变频器的运转指令方式(-2)
摘 要:变频器的运转指令方式是指如何控制变频器的基本运行功能,这些功能包括启动,停止,正转与反转,正向电动与反向点动,复位等.与变频器的频率给定方式一样,变频器的运转指令方式也有操作器键盘控制,端子控制和通讯控制三种.这些运转指令方式必须按照实际的需要进行选择设置,同时也可以根据功能进行相互之间的方式切换.本文主要阐述的就是变频器的运转指令方式.
关键词:变频器 运转指令方式 端子控制 通讯控制
Abstract: The command method of AC inverter is to realize the basic running function , such as run ,stop , forward , reverse , jog ,reset and so on. These method is just like the frequency setting method. Now they can be devided into three kinds ,including keybord contrl , terminal control and communication control. These methods should be set according to the fact and can be exchanged each other. This paper will describe the command method's setting.
Key words: AC inverter C ommand method Terminal control Communication control
[中图分类号] TM921 文献标识码]B 文章编号 1561-0330(2007)10-00
变频器的运转指令方式是指如何控制变频器的基本运行功能,这些功能包括启动,停止,正转与反转,正向电动与反向点动,复位等.
与变频器的频率给定方式一样,变频器的运转指令方式也有操作器键盘控制,端子控制和通讯控制三种.这些运转指令方式必须按照实际的需要进行选择设置,同时也可以根据功能进行相互之间的方式切换.
1 操作器键盘控制
操作器键盘控制是变频器最简单的运转指令方式,用户可以通过变频器的操作器键盘上的运行键,停止键,点动键和复位键来直接控制变频器的运转.
操作器键盘控制的最大特点就是方便实用,同时又能起到报警故障功能,即能够将变频器是否运行或故障或报警都能告知给用户,因此用户无须配线就能真正了解到变频器是否确实在运行中,是否在报警(过载,超温,堵转等)以及通过LED数码和LCD液晶显示故障类型.
按照前面一节的内容,变频器的操作器键盘通常可以通过延长线放置在用户容易操作的5m以内的空间里.同理,距离较远时则必须使用远程操作器键盘.
在操作器键盘控制下,变频器的正转和反转可以通过正反转键切换和选择.如果键盘定义的正转方向与实际电动机的正转方向(或设备的前行方向)相反时,可以通过修改相关的参数来更正,如有些变频器参数定义是"正转有效"或"反转有效",有些变频器参数定义则是"与命令方向相同"或"与命令方向相反".
对于某些生产设备是不允许反转的,如泵类负载,变频器则专门设置了禁止电动机反转的功能参数.该功能对端子控制,通讯控制都有效.
2 端子控制
2.1 基本概念
端子控制是变频器的运转指令通过其外接输入端子从外部输入开关信号(或电平信号)来进行控制的方式.
这时这些由按钮,选择开关,继电器,PLC或DCS的继电器模块就替代了操作器键盘上的运行键,停止键,点动键和复位键,可以在远距离来控制变频器的运转.
图1 端子控制原理
在图1中,正转FWD,反转REV,点动JOG,复位RESET,使能ENABLE在实际变频器的端子中有三种具体表现形式:
(1)上述几个功能都是由专用的端子组成,即每个端子固定为一种功能.在实际接线中,非常简单,不会造成误解,这在早期的变频器中较为普遍.
(2)上述几个功能都是由通用的多功能端子组成,即每个端子都不固定,可以通过定义多功能端子的具体内容来实现.在实际接线中,非常灵活,可以大量节省端子空间.目前的小型变频器都有这个趋向,如艾默生TD900变频器.
(3)上述几个功能除正转和反转功能由专用固定端子实现,其余如点动,复位,使能融合在多功能端子中来实现.在实际接线中,能充分考虑到灵活性和简单性于一体.现在大部分主流变频器都采用这种方式.
2.2 正转和反转
由变频器拖动的电动机负载在实现正转和反转功能非常简单,只需改变控制回路(或激活正转和反转)即可,而无须改变主回路.
常见的正反转控制有两种方法,如图2所示.FWD代表正转端子,REV代表反转端子,K1,K2代表正反转控制的接点信号("0"表示断开,"1"表示吸合).图2a的方法中,接通FWD和REV的其中一个就能正反转控制,即FWD接通后正转,REV接通后反转,若两者都接通或都不接通,则表示停机.图2b的方法中,接通FWD才能正反转控制,即REV不接通表示正转,REV接通表示反转,若FWD不接通,则表示停机.
图2 正反转控制原理
(a)控制方法一 (b)控制方法二
这两种方法在不同的变频器里有些只能选择其中的一种,有些可以通过功能设置来选择任意一种.但是如变频器定义为"反转禁止"时,则反转端子无效.
变频器由正向运装过渡到反向运转,或者由反向运转过渡到正向运转的过程中,中间都有输出零频的阶段,在这个阶段中,设置一个等待时间,即称为"正反转死区时间",如图3所示.
图3 正反转死区时间
2.3 二线制和三线制控制模式
所谓三线制控制,就是模仿普通的接触器控制电路模式,当按下常开按钮SB2时,电动机正转启动,由于X多功能端子自定义为保持信号(或自锁信号)功能,松开SB2,电动机的运行状态将能继续保持下去;当按下常闭按钮SB1时,X与COM之间的联系被切断,自锁解除,电动机停止运行.如要选择反转控制,只需将K吸合,即REV功能作用(反转).
三线制控制模式的"三线"是指自锁控制时需要将控制线接入到三个输入端子,与此相对应的就是以上讲述的"二线制"控制模式.
三线制控制模式共有两种类型,如下图4a和图4b.两者的唯一区别是右边一种可以接收脉冲控制,即用脉冲的上升沿来替代SB2(启动),下降沿来替代SB1(停止).在脉冲控制中,要求SB1和SB2的指令脉冲能够保持时间达50ms以上,否则为不动作.
a)控制方法一 b)控制方法二
图4 三线制端子控制
2.4 点动
端子控制的点动命令将比键盘更简单,它只要在变频器运行的情况下(无论正转还是反转),都能设置单独的两个端子来实现正向点动和反向点动,其点动运行频率,点动间隔时间以及点动加减速时间跟键盘控制和通讯控制方式下相同,均可在参数内设置.
2.5 操作器STOP键的功能
在进行端子控制时,变频器的操作器键盘的大部分运转功能键都没有作用,但对于"STOP"键却还可以选择是否有效.至于"STOP"键是否有效必须基于用户的具体情况:
(1)如果变频器拖动的电动机在其运行过程中不允许随意停机,只能通过现场停止按钮由现场人员进行停机操作时,则需定义操作器"STOP"键无效;
(2)如果现场控制按钮离开变频器本体较远,而一旦出现变频器异常情况或电动机异常,用户可以从变频器的操作器键盘直接停机的话,或者需要定义操作器键盘"STOP"键为紧急停止按钮,则需定义操作器"STOP"键有效;
(3)许多变频器的操作器"STOP"键与"RESET"常常为同一个键,而且用户需要在变频器异常停机后,需要在故障出现时直接从操作器键盘复位,则同样需定义操作器"STOP"键有效.
2.6 数字量输入端子
数字量输入端子是用于控制输入变频器运行状态的信号,这些信号包括待机准备,运行,故障以及其他与变频器频率有关的内容.这些数字开关量信号,除固定端子(正转,反转和点动)外,其余均为多功能数字量输入端子.
常见的数字量输入端子都采用光电耦合隔离方式,且应用了全桥整流电路,如下图5,PL是数字量输入FWD正转,REV反转,Xi多功能输入端子的公共端子,流经PL端子的电流可以是拉电流,也可以是灌电流.
图5 数字量输入结构示意
数字量输入端子与外部接口方式非常灵活,主要有以下几种:
(1)干接点方式.它可以使用变频器内部电源,也可以使用外部电源9-30VDC.这种方式常见于按钮,继电器等信号源.
(2)源极方式.当外部控制器为NPN型的共发射极输出的连接方式时,为源极方式.这种方式常见于接近开关或旋转脉冲编码器输入信号,用于测速,计数或限位动作等.
(3)漏极方式.当外部控制器为PNP型的共发射极输出的连接方式时,为源极方式.这种方式的信号源与源极相同.
多功能数字量输入端子的信号定义包括多段速度选择,多段加减速时间选择,频率给定方式切换,运转命令方式切换,复位和计数输入等.综合各类变频器的输入定义,具体有以下主要参数:
2.6.1带切换或选择功能的输入信号
(1)多段速选择.通过选择这些功能的端子ON/OFF组合,最多可以定义4种(二个输入端子)或8种(二个输入端子)或16种(四个输入端子)速度的运行曲线.
(2)多种加减速时间的选择.通过选择相应数字量输入端子的ON/OFF组合,最多可以定义2种(一个输入端子)或4种(二个输入端子)的加减速时间值.
(3)多种频率给定方式的选择.通过选择相应数字量输入端子的ON/OFF组合,可以选择操作器键盘给定,接点给定,模拟量给定,脉冲给定,通讯给定的一种,或者进行运行时的切换选择.有些变频器还增加了提供同一种给定方式下不同通道的选择功能,如一台变频器通常有2～3模拟量通道,2个脉冲输入通道以及几个接点通道,为了在同一频率给定方式下不同通道的输入选择,就必须进行第二次选择.
(4)运转命令方式的选择.通过选择相应数字量输入端子的ON/OFF组合,可以选择操作器键盘控制,端子控制和通讯控制的切换或选择.有些变频器还能提供强制信号电平,保证运行命令的及时性.
(5)多段闭环PID给定值的选择.通过选择相应数字量输入端子的ON/OFF组合,最多可以定义2种(一个输入端子)或4种(二个输入端子)或8种(三个输入端子)的闭环给定值.
2.6.2 计数或脉冲输入信号
多功能输入端子能够接受脉冲输入信号,这些脉冲信号可以用于计数,也可以用于复位等命令,具体可定义为以下内容:
(1)计数器清零信号.即对变频器的内置计数器进行清零操作.
(2)计数器触发信号.该使能信号允许变频器对该数字量输入端子进行计数,脉冲的最高频率大约在几百个赫兹左右,掉电时可以存储记忆当前计数值.
(3)外部复位输入.当变频器发生故障报警后,通过该端子的定义,对变频器故障进行复位,其作用与操作器键盘的RESET复位键一致.
(4)摆频状态复位.当选择变频器的摆频功能时,无论是自动投入还是手动投入,闭合该端子将清楚变频器内部记忆的摆频状态信息.断开该端子,摆频重新开始.
(5)简易程序控制方式下的停机状态复位.在简易程序控制下的停机状态中,该功能端子有效时将清楚简易程序停机时记忆的运行阶段,运行时间,运行频率等信息.
(6)三线制定义.具体可以见前面章节.
(7)接点给定方式.可以在定义频率给定方式为接点给定后,定义两个端子为UP或DOWN功能.
2.6.3其他运行输入信号
(1)变频器运行禁止.该端子有效时,运行中的变频器则自由停车,若是在待机状态,则禁止起动.本功能主要用于需要安全联动的场合.
(2)外部停机命令.该端子有效时,则无论变频器处于什么运转模式状态或是什么运转给定通道中,都会按照预先定义的停机方式进行停机.它与(1)的区别在于停机方式不同,后者只能是自由停车.
(3)外部设备故障的常开或常闭信号输入.通过该端子可以输入外部设备的故障信号,便于变频器对外部设备进行故障监视.变频器在接到外部设备故障信号后,可显示"外部故障".该故障信号可以是常开,也可以是常闭输入方式.
(4)外部中断的常开或常闭信号输入.变频器在运行过程中,接到外部中断信号后,封锁输出,以零频运行.一旦外部中断信号解除,变频器自动转为跟踪起动,恢复运行.其输入信号也可以是常开和常闭两种输入方式.它与(3)的区别在于外部中断不会引起变频器的报警,中断解除后还能正常运行.
(5)停机直流制动输入指令.用外部控制端子对停机过程中的电动机实施直流制动,实现电动机的紧急停车和精确定位.
(6)简易程序控制暂停指令.用于对运行中的简易程序控制实现暂停控制,该端子有效时则以零频运行,简易程序控制不计时;该端子命令无效后,变频器自动转为跟踪起动,继续简易程序运行.
(7)加减速禁止指令.保持电动机不受任何外来信号的影响,除停机命令外,维持当前转速运转.
(8)正转点动和反向点动.通过端子的ON/OFF动作,让变频器按点动频率运行的功能,按照运行方式的衍变逻辑,点动功能优先于其他运行方式.
常见的数字量输入信号是继电器触点,按钮开关等,这些触点在闭合时容易发生颤动.又由于变频器内部接受信号的都是晶体管电路,反映速度极快.因此,输入触点的颤动有可能使变频器内部的接受电路反复接受信号而导致误动作.为此,有的变频器设置了防止输入信号颤动的功能.如西门子440系列变频器中,功能码P0724为"1"时,表示防颤动时间为2.5ms;为"2"时,表示防颤动时间为8.2ms: 为"3"时,表示防颤动时间为12.3ms.
3 通讯控制
3.1 基本概念
通讯控制的方式与通讯给定的方式相同,在不增加线路的情况下,只需对上位机给变频器的传输数据改一下即可对变频器进行正反转,点动,故障复位等控制.当然,在通讯控制方式下,操作器STOP键的功能设置可以参照端子控制方式.
通讯端子是所有变频器都会配置的,但接线方式却因变频器的通讯协议不同而不同.基本上,通讯接口端子提供RS-232或RS-485接口,这是一种最基本的控制端子.
变频器的通讯方式可以组成单主单从或单主多从的通讯控制系统,利用上位机(PC机,PLC控制器或DCS控制系统)软件可实现对网络中变频器的实时监控,完成远程控制,自动控制,以及实现更复杂的运行控制,如无限多段程序运行.
通讯接口的配线需注意以下事项:
(1)每台变频器的PE端就近单点接地;
(2)每台变频器的地线GND连在一起;
(3)RS-485通讯采用屏蔽电缆,且屏蔽电缆采用单端接地方式,屏蔽电缆的地线和RS-485通讯模块的外壳PE接在一起.
在采用以上标准配线仍不能满足要求时,可以继续采取以下措施:
(1)采用隔离的RS-485通讯模块;
(2)当由于干扰是从GND线串入变频器或外部设备的,导致变频器或外部设备不能正常工作时,可断开各台变频器相连的GND连线.
常规的通讯端子接线分为三种:
(1)变频器RS-232接口与上位机RS-232通讯;
(2)变频器通过RS-232口后再接调制解调器MODEM与上位机联机;
(3)变频器RS-485接口与上位机RS-485通讯.
3.2 通讯端子的接线及网络
这里以安川VS G7变频器为例介绍通讯端子的连接以及MEMOBUS网络.所谓MEMOBUS通讯时由一台上位机与最多31台从站构成.主站与从站之间的串行通讯通常是主站发出信号,从站响应信号.在某一时刻,主站和一台从站进行通讯.
因此,用户首先必须设置每个从站的地址,主站通过指定地址进行信号传送.从站接到来自主站的指令执行预定功能,并发送一个响应信号给主站.
下图6是MEMOBUS的连接示意,连接非常简单,这也体现了通讯控制的优点.
图6 MEMOBUS通讯连接示意
MEMOBUS网络的通讯规则如表1所示.
表1 MEMOBUS通讯规格
项目
规格
接口
RS-422,RS-485
同步方式
异步(起止同步)
通讯参数
速率:从1200/2400/4800/9600/19200bps中选择
数据位:八位固定
数据校验:从"奇/偶/无"中选择
停止位:一位固定
通讯协议
MEMOBUS(只有RTU模式)
刻连接台数
最多31台(使用RS-485时)
MEMOBUS通讯采用下述端子的S+/S-/R+/R-,并需在设置终端变频器的终端电阻,S1拨码开关为ON时则是终端电阻,如图7所示.
图7 通讯连接端子
MEMOBUS通讯可以实现以下的操作功能:
(1)上位机PLC可以监视运行状态;
(2)参数的设定和监视;
(3)故障复位;
(4)多功能输入指令.
MEMOBUS通讯是主控制器对驱动装置进行指令传送,驱动装置采取接受指令响应形式,表2为信号格式.
表 2 信号格式
驱动器地址
功能码
数据
故障检查
变频器对于MEMOBUS通讯否正确具有自我测试的功能,即有自己诊断串行通讯I/F回路动作的功能.只要将发送端子和接收端子连接,接受变频器自己发出的数据,检查是否可以正常接受信号.自我测试按以下顺序进行,如图8所示:
开启变频器的电源ON,设定参数端子S7为传送测试模式;
关闭变频器的电源OFF;
在电源OFF状态下,如图8接线;
将终端电阻开关SW1拨向ON侧;
开启变频器电源ON.
正常时,操作器键盘显示"PASS"表示通过;若显示"CE",则表示异常,即MEMOBUS通讯出错.
图8 通讯自我测试
4 运转指令方式之间的切换
为了增加运转指令方式的可靠性,几乎所有的变频器都有操作器键盘按键来对上述即几种方式进行切换,如艾默生EV2000变频器可以通过PANEL/REMOTE来切换,安川VS G7变频器可以通过MENU来切换,当然前提是进行必要的参数设置,具体可以参见相关说明书.
除了键盘按键切换之外,还有一种就是通过多功能输入端子的组合来实现运转指令方式的切换.如图9所示,将多功能端子X1,X2定义为运转指令方式切换1和运转指令方式切换2,根据表3中的逻辑方式组合就能在操作器键盘控制,端子控制和通讯控制之间切换.
图9 运转指令方式间的切换
表3 运转指令方式的切换
多功能输入端子X2
多功能输入端子X1
运转指令方式
OFF
OFF
运转指令方式保持
OFF
ON
操作器键盘控制
ON
OFF
端子控制
ON
ON
通讯控制
参考文献
[1] 李方园. 变频器行业应用实践. 中国电力出版社,2006,5
[2] 李方园. 变频器自动化工程实践. 电子工业出版社,2007,4
[3] 张燕宾,胡纲衡,唐瑞球. 使用变频调速技术培训教程. 机械工业出版社,2004,8
[4] 吴忠智,吴加林. 变频器应用手册(第2版) . 机械工业出版社,2003,4
[5] 吴忠智,黄立培,吴加林. 调速用变频器及配套设备选用指南. 机械工业出版社,2002,4
作者简介
李方园(1973-) 高级工程师 长期从事于变频器等现代工控产品的应用与研究工作.