2.2　PLC與變頻器組成調速系統的應用操作

2.2.1　PLC與變頻器的連接操作

通常PLC可以通過下面三種途徑來控制變頻器：

①利用PLC的模擬量輸出模塊控制變頻器。

②PLC通過通信接口控制變頻器。

③利用PLC的開關量輸入/輸出模塊控制變頻器。

那么，這三種方法各有什么特點？通常選擇哪種控制方法？具體的連接過程又是如何的呢？下面就介紹其相關技術知識。

（1）PLC與變頻器的連接的相關技術知識

1）PLC與變頻器的三種連接方法

①利用PLC的模擬量輸出模塊控制變頻器　PLC的模擬量輸出模塊輸出0～5V電壓或4～20mA電流，將其送給變頻器的模擬電壓或電流輸入端，控制變頻器的輸出頻率。這種控制方式的硬件接線簡單，但是PLC的模擬量輸出模塊價格相當高，有的用戶難以接受。

②PLC通過485通信接口控制變頻器　這種控制方式的硬件接線簡單，但需要增加通信用的接口模塊，這種模塊的價格可能較高，熟悉通信模塊的使用方法和設計通信程序可能要花較多的時間。

③利用PLC的開關量輸入/輸出模塊控制變頻器　PLC的開關量輸出/輸入端一般可以與變頻器的開關量輸入/輸出端直接相連。這種控制方式的接線很簡單，抗干擾能力強，用PLC的開關量輸出模塊可以控制變頻器的正反轉、轉速和加減速時間，能實現較復雜的控制要求。雖然只能有級調速，但對于大多數系統來說已足夠了。

這里主要介紹PLC通過485通信接口控制變頻器的方法。

2）PLC通過485通信接口控制變頻器系統　該系統硬件組成如圖2-87所示，主要由下列組件構成。

①FX2N-32MT-001是該系統所用的PLC，為控制系統的核心。

②FX2N-485-BD為FX2N系列PLC的通信適配器，主要用于PLC和變頻器之間數據的發送和接收。

③SC09電纜用于PLC和計算機之間的數據傳送。

④通信電纜采用五芯電纜，可自行制作。

3）PLC與485通信接口的連接方式　變頻器端的PU接口用于RS485通信時的接口端子排定義如圖2-88所示。

如圖2-89所示，五芯電纜線的一端接FX2N-485 BD，另一端（見圖2-88）用專用接口壓接五芯電纜接變頻器的PU口（將FR-DU04面板取下即可，具體操作見2.1通用變頻器的基本操作）。

4）PLC和變頻器之間的RS485通信協議和數據定義

①PLC和變頻器之間的RS485通信協議　PLC和變頻器之間進行通信，通信規格必須在變頻器的初始化中設定，如果沒有進行設定或有一個錯誤的設定，數據將不能進行通信。且每次參數設定后，需復位變頻器，確保參數的設定生效。設定好參數后將按圖2-90所示的協議進行數據通信。

②數據傳送形式

a.從PLC到變頻器的通信請求數據如下所示。

b.數據寫入時從變頻器到PLC的應答數據如下所示。

c.讀出數據時從變頻器到PLC的應答數據如下所示。

d.讀出數據時從PLC到變頻器的發送數據如下所示。

③通信數據定義

a.操作指令見表2-26。

b.變頻器站號　規定與計算機通信的站號，在H00～H1F（00～31）之間設定。

c.指令代碼　由計算機（PLC）發給變頻器，指明程序工作（如運行、監視）狀態。因此，通過響應指令代碼，變頻器可工作在運行和監視等狀態。

d.數據　數據表示與變頻器傳輸的數據，例如，頻率和參數等。依照指令代碼，確認數據的定義和設定范圍。

e.等待時間　規定為變頻器從接收到計算機（PLC）來的數據到傳輸應答數據的等待時間。根據計算機的響應時間在0～150ms之間來設定等待時間，最小設定單位為10ms。若設定值為1，則等待時間為10ms；若設定值為2，則等待時間為20ms。

注：Pr.123［響應時間設定］不設定為9999的場合下，數據格式中的“響應時間”字節沒有，而是作為通信請求數據，其字符數減少一個。

f.總和校驗代碼　是指被校驗的ASCII碼數據的總和，即為二進制數的位數。一個字節最低為8位，表示2個ASCII碼，以十六進制形式表示。

5）程序設計　要實現PLC對變頻器的通信控制，必須對PLC進行編程，通過程序實現PLC對變頻器的各種運行控制和數據的傳送。PLC程序首先應完成FX2N-485 BD通信適配器的初始化、控制命令字的組合、代碼轉換和變頻器應答數據的處理工作。PLC通信程序梯形圖如圖2-91所示。

（2）PLC與變頻器連接的應用操作

①操作要求

a.會設定PLC與變頻器通信所需的參數。

b.能夠編寫控制程序并調試。

②操作材料　三菱PLC（FX2N-32MT-001）一臺、FX2N系列PLC的通信適配器FX2N-485-BD一塊、SC90電纜、五芯通信電纜、萬用表、常用電工工具、直流24V電源、導線、變頻器FR-A500、接觸器、空氣斷路器、接線端子等。

③操作內容

a.對三菱變頻器進行參數設置　需要設定的參數值見表2-27。

Pr.122號參數一定要設成9999，否則，當通信結束以后且通信校驗互鎖時間到時，變頻器會產生報警并且停止（E.PUE）。Pr.79號參數一定要設成1，即PU操作模式。以上參數設置適用于A500和E500。

b.復位變頻器，確保參數的設定有效。

c.對三菱PLC進行設置　三菱FX系列PLC在進行計算機連接（專用協議）和無協議通信（RS指令）時，均需對通信格式（D8120）進行設定，其中，包含波特率、數據長度、奇偶校驗、停止位和數據格式等。在修改了D8120設置后，確保關掉PLC的電源，然后再打開。D8120設置如下。

即數據長度為7位、偶校驗、2位停止位、波特率為9 600Baud、無標題符和終結符、沒有添加和校驗碼，采用無協議通信（RS485）。

d.制作電纜將PLC與變頻器連接。

e.編寫通信程序，實現通信。

PLC通過RS485通信控制變頻器運行的參考程序為：

0　　LD M8002

1　　MOV HOC96 D8120

6　　LD X001

7　　RS D10 D26 D30 D49

16　　LD M8000

17　　OUT M8161

19　　LD X001

20　　MOV H5 D10

25　　MOV H30 D11

30　　MOV H31 D12

35　　MOV H46 D13

40　　MOV H41 D14

45　　MOV H31 D15

50　　MPS

51　　ANI X003

52　　MOV H30 D16

57　　MPP

58　　ANI X003

59　　MOV H34 D17

64　　LDP X002

66　　CCD D11 D28 K7

73　　ASCI D28 D18 K2

80　　MOV K10 D26

85　　MOV K0 D49

90　　SET M8122

92　　END

以上程序運行時，PLC通過RS485通信程序正轉啟動由變頻器控制，停止則由X3端子控制。控制操作指令見表2-26。

④自測試操作　有一臺PLC通過RS485通信控制變頻器，要求：

a.當M10接通一次以后變頻器進入正轉狀態。

b.當M11接通一次以后變頻器進入停止狀態。

c.當M12接通一次以后變頻器進入反轉狀態。

d.當M13接通一次以后讀取變頻器的運行頻率（D700）。

e.當M14接通一次以后寫入變頻器的運行頻率（D400）。

請設置PLC與變頻器的參數、編寫相應的控制程序，并進行安裝及調試操作。

2.2.2　PLC控制變頻器實現電動機的正反轉操作

在生產實踐應用中，電動機的正反轉控制是比較常見的。如圖2-92（a）所示，是大家熟悉的利用繼電器接觸器控制的正反轉控制電路。如圖2-92（b）所示，是利用變頻器實現電動機正反轉控制的電路。那么，利用變頻器是如何實現電動機正反轉控制的呢？根據實際工作的要求，如何設置參數？利用變頻器控制的正反轉電路有什么優點？下面就介紹其相關技術知識。

（1）PLC控制變頻器實現電動機正反轉的相關技術知識

①變頻器控制電動機正反轉的方法　利用普通的電網電源運行的交流拖動系統，為了實現電動機的正反轉切換，必須利用接觸器等裝置對電源進行換相切換。利用變頻器進行調速控制時，只需改變變頻器內部逆變電路換流器件的開關順序，即可達到對輸出進行換相的目的，很容易實現電動機的正反轉切換，而不需要專門的正反轉切換裝置。

②控制電路　PLC與變頻器控制電動機正反轉的控制電路和程序梯形圖如圖2-93和圖2-94所示，按下SB₁，輸入繼電器X0得到信號并動作，輸出繼電器Y0動作并保持，接觸器KM動作，變頻器接通電源。Y0動作后，Y1動作，指示燈HL₁亮。將SA₂旋至“正轉”位，X2得到信號并動作，輸出繼電器Y10動作，變頻器的STF接通，電動機正轉啟動并運行。同時，Y2也動作，正轉指示燈HL₂亮。如SA₂旋至“反轉”位，X3得到信號并動作，輸出繼電器Y11動作，變頻器的STR接通，電動機反轉啟動并運行。同時，Y3也動作，反轉指示燈HL₃亮。

當電動機正轉或反轉時，X2或X3的常閉觸點斷開，使SB₂（即X1）不起作用，從而防止變頻器在電動機運行的情況下切斷電源。將SA₂旋至中間位置時，則電動機停轉，X2、X3的常閉觸點均閉合。如果再按下SB₂，則X1得到信號，使Y0復位，KM斷電并且復位，變頻器脫離電源。電動機運行時，如果變頻器因為發生故障而跳閘，則X4得到信號，一方面使Y0復位，變頻器切斷電源；同時，Y4動作，指示燈HL₄亮。

③參數設置　參數設置值見表2-28，具體設置方法見表2-1。

④使用變頻器實現電動機正反轉控制的優點

a.操作方便。

b.不需要停機操作，電流小。

（2）PLC控制變頻器實現電動機正反轉的應用操作

①操作要求

a.正確設置用PLC控制變頻器實現電動機正反轉所需要的參數。

設置變頻器的參數，具體是：Pr.7、Pr.8、Pr.20、Pr.3、Pr.1、Pr.2、Pr.79、Pr.42、Pr.43、Pr.50、Pr.116。

b.能夠正確編程并調試、運行。

②操作材料　電工常用工具、直流24V電源、萬用表、導線、變頻器FR-A500、三菱PLC FX2N、接觸器、空氣斷路器、接線端子等。

③操作內容

a.根據控制要求，設置變頻器參數。參數設置值見表2-28。

b.參考程序梯形圖，如圖2-94所示。

c.將PLC和變頻器連接好，如圖2-93所示。

d.將變頻器和電動機的連線接好，如圖2-95所示。

e.通電試驗。

f.測試。

·使用轉速表測量轉速　測量方法：首先把反射紙剪成一正方塊，貼在被測體（電動機轉軸）上。按下“測量”鍵，當光束投射到目標時，用“監視符號”來確認是否正確，當讀數值已確定（大約2s）時松開測量開關。假如測量RPM低于50RPM時，建議把反射紙貼多一些，然后再把讀數值依“反射紙”測量，即可得到穩定的高精度的數值。

·檢測上升和下降時間　秒表和轉速表配合，測量從0速到額定轉速（上升）和從額定轉速到0速（下降）的時間。

④訓練注意事項

a.切不可將R、S、T與U、V、W端子接錯，否則，會燒壞變頻器。

b.PLC的輸出端子只相當于一個觸點，不能短接電源，否則，會燒壞電源。

c.電動機為Y形接法。

d.操作完成后注意斷電，并且清理現場。

e.運行中若出現報警現象，復位后要重新操作。

f.若測量轉速不準確，要檢查參數設定是否準確。

⑤自測試操作　有一臺升降機，用變頻器控制，要求有正反轉指示，正轉運行頻率為45Hz，反轉運行頻率為25Hz。試用PLC與變頻器聯合控制，進行接線、設置有關參數、編寫程序，并進行自測試操作。

2.2.3　變頻與工頻的切換控制操作

一臺電動機變頻運行，當頻率上升到50Hz（工頻）并保持長時間運行時，應將電動機切換到工頻電網供電，讓變頻器休息或另作他用；另一種情況是當變頻器發生故障時，則需將其切換到工頻運行。一臺電動機運行在工頻電網，現工作環境要求它進行無級調速，此時必須將該電動機由工頻切換到變頻狀態運行。

那么，如何來連接變頻器與PLC呢？如何才能夠正確控制變頻與工頻之間的切換呢？又需要設置哪些參數呢？下面就介紹相關技術知識。

（1）變頻與工頻的切換控制的相關技術知識

①變頻與工頻切換控制原理圖　變頻與工頻切換控制原理圖如圖2-96所示。

②相關參數及端子功能介紹　要實現工頻與變頻的切換，必須正確地設置相關參數。下面就相關參數及有關端子功能作一介紹。

a.相關參數如下。

Pr.135：工頻電源-變頻器切換順序輸出端子選擇。

Pr.136：接觸器切換互鎖時間。

Pr.137：啟動等待時間。

Pr.138：報警時的工頻電源-變頻器切換選擇。

Pr.139：自動變頻器-工頻電源切換選擇。

Pr.17：MBS輸入選擇。

Pr.57：再啟動自動運行時間（參考瞬停再啟動操作）。

Pr.58：再啟動緩沖時間（參考瞬停再啟動操作）。

Pr.180～Pr.186：輸入端子功能選擇。

Pr.190～Pr.195：輸出端子功能選擇。

b.端子功能　輸入端子的狀態與功能見表2-29，其輸入端對三個接觸器線圈的控制效果見表2-30。

DF、OL、FU為變頻器的三個輸出信號端子，分別控制直流接觸器KM₁、KM₂、KM₃的線圈，線圈上并聯有保護二極管和一個指示燈（或發光二極管），它們可以顯示變頻器三個輸出端子的工況。

③變頻參數的設定　變頻參數的設定見表2-31。

（2）變頻與工頻切換控制的應用操作

①操作要求

a.能夠對變頻器的參數進行正確設置。具體參數是：Pr.160、Pr.57、Pr.58、Pr.78、Pr.135、Pr.136、Pr.137、Pr.138、Pr.139、Pr.184、Pr.193、Pr.194。

b.能夠正確編寫控制程序，輸入PLC進行模擬調試，并安裝及操作運行。

②操作材料　電工常用工具、直流24V電源、萬用表、導線、變頻器FR-A500、三菱PLC FX2N、接觸器、空氣斷路器、接線端子。

③操作內容

a.連接PLC控制的變頻與工頻切換電路，如圖2-97所示。

b.輸入程序，模擬調試。參考程序梯形圖如圖2-98所示。

A段：工頻運行段。

先將選擇開關SA₂旋至“工頻運行”位，使輸入繼電器X0動作，為工頻運行做好準備。

按啟動按鈕SB₁，輸入繼電器X2動作，使輸出繼電器Y2動作并保持，從而接觸器KM₃動作，電動機在工頻電壓下啟動并運行。按停止按鈕SB₂，輸入繼電器X3動作，使輸出繼電器Y2復位，而接觸器KM₃失電，電動機停止運行。如果電動機過載，熱繼電器觸點FR閉合，輸入繼電器X6動作，輸出繼電器Y2、接觸器KM₃相繼復位，電動機停止運行。

B段：變頻通電段。

先將選擇開關SA₂旋至“變頻運行”位，使輸入繼電器X1動作，為變頻運行做好準備。

按下SB₁，輸入繼電器X2動作，使輸出繼電器Y1動作并保持。一方面使接觸器KM₂動作，將電動機接至變頻器輸出端；另一方面，又使輸出繼電器Y0動作，從而接觸器KM₁動作，使變頻器接通電源。

按下SB₂，輸入繼電器X3動作，在Y3未動作或已復位的前提下，使輸出繼電器Y1復位，接觸器KM₂復位，切斷電動機與變頻器之間的聯系。同時，輸出繼電器Y0與接觸器KM₁也相繼復位，切斷變頻器的電源。

C段：變頻運行段。

按下SB₃，輸入繼電器X4動作，在Y0已經動作的前提下，輸出繼電器Y3動作并保持，繼電器KA動作，變頻器的FWD接通，電動機升速并運行。同時，Y3的常閉觸點使停止按鈕SB₂暫時不起作用，防止在電動機運行狀態下直接切斷變頻器的電源。

按下SM₄，輸入繼電器X5動作，輸出繼電器Y3復位，繼電器KA失電斷開，變頻器的STF斷開，電動機開始降速并停止。

D段：變頻器跳閘段。

如果變頻器因故障而跳閘，則輸入繼電器X7動作，一方面Y1和Y3復位，從而輸出繼電器Y0、接觸器KM₂和KM₁、繼電器KA也相繼復位，變頻器停止工作；另一方面，輸出繼電器Y4和Y5動作并保持，蜂鳴器HA和指示燈HL工作，進行聲光報警。同時，在Y1已經復位的情況下，時間繼電器T1開始計時，其常開觸點延時后閉合，使輸出繼電器Y2動作并保持，電動機進入工頻運行狀態。

E段：故障處理段。

報警后，操作人員應立即將SA旋至“工頻運行”位。這時，輸入繼電器X0動作，一方面使控制系統正式轉入工頻運行方式；另一方面，使Y4和Y5復位，停止聲光報警。

c.合上電源開關，將外部操作模式轉換為面板操作模式，初始化變頻器，使變頻器內的所有參數恢復到出廠設定值。

d.在面板操作模式下，設定下面參數。

有關參數典型值如下。

Pr.135=1

Pr.136=2.0s

Pr.137=1.0s

Pr.138=1

Pr.139=50Hz

Pr.57=0.5s

Pr.58=0.5s

Pr.185=7（JOG→0H）

Pr.186=6（CS）

Pr.192=17（IPF）

Pr.193=18（OL）

Pr.194=19（FU）

e.將面板操作模式轉換為外部操作模式。

f.進行系統調試、運行　按下啟動按鈕使變頻器運行，具體過程見圖2-98。

g.結束，關機，最后切斷電源開關。

h.自測試操作　某學校的供水系統，由3臺水泵控制供水，經過試驗運行發現到了夜里，只需要一臺電動機工頻運行即可達到正常供水的壓力。現在要求畫出此系統的控制原理圖、設置變頻器的參數、編寫控制程序，并進行安裝及調試操作。

2.2.4　多段速調速的控制操作

現有一臺生產機械共有7擋轉速，相應的頻率如圖2-99所示，通過7個按鈕來控制其速度的轉換。通過前面的介紹可知變頻器的調速可以連續進行，也可以分段進行，很顯然此生產機械不需要連續調速，只需分段調速即可。

那么，應該如何實現對變頻器的多段速調速呢？下面將通過具體的應用來介紹用PLC的開關量直接對變頻器實現多段速調速的方法。

（1）變頻器多段速控制的相關技術知識

①變頻器的多段速控制功能及參數設置　變頻器實現多段轉速控制時，其轉速擋的切換是通過外接開關器件改變其輸入端的狀態組合來實現的。以三菱FR系列變頻器為例，要設置的具體參數有Pr.4～Pr.6、Pr.24～Pr.27。用設置功能參數的方法將多種速度先行設定，運行時由輸入端子控制轉換，其中，Pr.4、Pr.5、Pr.6對應高、中、低三個速度的頻率。設置時要注意以下幾點。

a.通過對RH、RM、RL進行組合來選擇各種速度。

b.借助點動頻率Pr.15、上限頻率Pr.1、下限頻率Pr.2，最多可以設定18種速度。

c.在外部操作模式PU/外部并行模式下多段速才能運行。

②控制特點　一方面，變頻器的輸出頻率需要由三個輸入端的狀態來決定；另一方面，操作者切換轉速所用的開關器件（通常是按鈕開關或觸摸開關），每次只有一個觸點。因此，必須解決好轉速選擇開關的狀態和變頻器各控制端狀態之間的變換問題。常用方法是通過PK來控制變頻器的RH、RM、RL端子的組合來切換。

③多段速運行操作

a.7段速度運行曲線　7段速度運行曲線如圖2-100所示，運行頻率在圖中已經注明。

b.基本運行參數設定　需要設定的基本運行參數見表2-32。

c.七段速運行參數設定　七段速運行參數見表2-33。

（2）變頻器多段速控制的應用操作

①操作要求

a.能正確設置變頻器多段速調速的參數。

b.能正確編寫控制程序，并接線及調試運行操作。

②操作材料　電工常用工具、直流24V電源、萬用表、導線、變頻器FR-A540、三菱PLC FX2N、接觸器、空氣斷路器、接線端子等。

③操作內容

a.如圖2-101所示進行控制回路接線。

b.在PU模式（參數單元操作）下設定參數。

·設定基本參數　需要設置的參數有Pr.4、Pr.5、Pr.6、Pr.24、Pr.25、Pr.26、Pr.27等。在外部、組合、PU模式下均可設定。

·設定Pr.79=3，“EXT”燈和“PU”燈均亮。

·如圖2-99所示設定七段速度運行參數，填入表2-34。

圖2-101中，SA₁用于控制PLC的運行；SF₁和ST₁用于控制接觸器KM，從而控制變頻器的通電與斷電；SF₂和ST₂用于控制變頻器的運行；RST用于變頻器排除故障后的復位；SB₁～SB₇是7擋轉速的選擇按鈕。各擋轉速與輸入端狀態之間的關系見表2-35。

c.編寫、輸入程序，調試運行　根據控制要求，該功能程序梯形圖如圖2-102所示，具體控制過程說明如下。

A段：變頻器的通電控制。

按下SF₁→X0動作→在Y4未工作、變頻器的STF和SD之間未接通的前提下自鎖→接觸器則得電并動作→變頻器接通電源。

按下ST₁→X1動作→在Y4未工作、變頻器的STF和SD之間未接通的前提下，Y10釋放→接觸器KM失電，變頻器切斷電源。

B段：變頻器的運行控制。

按下SF₂→X2動作→若Y10已經動作、變頻器已經通電，則Y4動作并自鎖→變頻器的STF和SD之間接通，系統開始升速并運行。

按下ST₂→X3動作→Y4釋放，系統開始降速并停止。

C段：故障處理段。

如變頻器發生故障，變頻器的故障輸出端B和A之間接通→X14動作→Y10釋放→接觸器KM失電，變頻器切斷電源。與此同時，Y11和Y12動作，進行聲光報警。

當故障排除后，按下RST→X4動作→Y0動作，變頻器的RES與SD之間接通，變頻器復位。

D～J段：多擋速切換。以D段為例，說明如下。

按下SB₁→M1動作并自鎖，M1保持第1轉速的信號。當按下SB₂～SB₇中任何一個按鈕開關時，M1釋放。即：M1僅在選擇第1擋轉速時動作。F～J段以此類推。

K～M段：多擋速控制。

由表2-34可知：Y1在第1、第3、第5、第7擋轉速時都處于接通狀態，故M1、M3、M5、M7中只要有一個接通，則Y3動作，變頻器的RH端接通；Y2在第2、第3、第6、第7擋轉速時都處于接通狀態，故M2、M3、M6、M7中只要有一個接通，則Y2動作，變頻器的RM端接通；Y3在第4、第5、第6、第7擋轉速時都處于接通狀態，故M4、M5、M6、M7中只要有一個接通，則Y1動作，變頻器的RH端接通。

現在以用戶選擇第3擋轉速（f₄=30Hz）為例，說明其工作情況。

按下SB₃→X7動作、M3動作（梯形圖中的F段）。同時，如果在此之前M1、M2、M4、M5、M6、M7中有處于動作狀態的話，則釋放（梯形圖中的D、E、G、H、I、J段），Y1、Y2動作（梯形圖中的K、L段），變頻器的Y1、Y2端子接通，變頻器將在第3擋轉速下運行。

d.注意事項

·運行中出現圖2-103中所示字樣，表示變頻器輸出至電動機的連線有一相斷線（即缺相保護），這時返回PU模式下，進行清除操作，然后關掉電源重新開啟即可消除，具體操作如圖2-103所示。若不要此保護功能，設定Pr.25=0。

·出現圖2-104中所示字樣，表示電子過流保護動作，同樣在PU模式下，進行清除操作（見圖2-104）。

·Pr.79=4的運行方式屬于組合操作的另一種形式，即外部控制運行頻率，參數單元控制電動機啟停，實際中應用很少。

e.自測試操作　某高樓為了實現恒壓供水，使用壓力傳感器檢測管內壓力，當壓力增大（用水量小）到上限壓力時，減小泵的速度；當壓力減小（用水量大）到下限壓力時，提高泵的速度，從而實現管內壓力的恒定。要求畫出恒壓供水PLC與變頻器的接線圖、設置運行參數、編寫控制程序及運行操作。變頻調速運行曲線如圖2-105所示。