2.2 PLC与变频器组成调速系统的应用操作
2.2.1 PLC与变频器的连接操作
通常PLC可以通过下面三种途径来控制变频器：
①利用PLC的模拟量输出模块控制变频器。
②PLC通过通信接口控制变频器。
③利用PLC的开关量输入/输出模块控制变频器。
那么，这三种方法各有什么特点？通常选择哪种控制方法？具体的连接过程又是如何的呢？下面就介绍其相关技术知识。
（1）PLC与变频器的连接的相关技术知识
1）PLC与变频器的三种连接方法
①利用PLC的模拟量输出模块控制变频器 PLC的模拟量输出模块输出0～5V电压或4～20mA电流，将其送给变频器的模拟电压或电流输入端，控制变频器的输出频率。这种控制方式的硬件接线简单，但是PLC的模拟量输出模块价格相当高，有的用户难以接受。
②PLC通过485通信接口控制变频器 这种控制方式的硬件接线简单，但需要增加通信用的接口模块，这种模块的价格可能较高，熟悉通信模块的使用方法和设计通信程序可能要花较多的时间。
③利用PLC的开关量输入/输出模块控制变频器 PLC的开关量输出/输入端一般可以与变频器的开关量输入/输出端直接相连。这种控制方式的接线很简单，抗干扰能力强，用PLC的开关量输出模块可以控制变频器的正反转、转速和加减速时间，能实现较复杂的控制要求。虽然只能有级调速，但对于大多数系统来说已足够了。
这里主要介绍PLC通过485通信接口控制变频器的方法。
2）PLC通过485通信接口控制变频器系统 该系统硬件组成如图2-87所示，主要由下列组件构成。
图2-87 系统硬件组成
①FX2N-32MT-001是该系统所用的PLC，为控制系统的核心。
②FX2N-485-BD为FX2N系列PLC的通信适配器，主要用于PLC和变频器之间数据的发送和接收。
③SC09电缆用于PLC和计算机之间的数据传送。
④通信电缆采用五芯电缆，可自行制作。
3）PLC与485通信接口的连接方式 变频器端的PU接口用于RS485通信时的接口端子排定义如图2-88所示。
图2-88 变频器接口端子排定义
如图2-89所示，五芯电缆线的一端接FX2N-485 BD，另一端（见图2-88）用专用接口压接五芯电缆接变频器的PU口（将FR-DU04面板取下即可，具体操作见2.1通用变频器的基本操作）。
图2-89 PLC和变频器的通信连接示意图
4）PLC和变频器之间的RS485通信协议和数据定义
①PLC和变频器之间的RS485通信协议 PLC和变频器之间进行通信，通信规格必须在变频器的初始化中设定，如果没有进行设定或有一个错误的设定，数据将不能进行通信。且每次参数设定后，需复位变频器，确保参数的设定生效。设定好参数后将按图2-90所示的协议进行数据通信。
图2-90 RS485通信协议
②数据传送形式
a.从PLC到变频器的通信请求数据如下所示。
b.数据写入时从变频器到PLC的应答数据如下所示。
c.读出数据时从变频器到PLC的应答数据如下所示。
d.读出数据时从PLC到变频器的发送数据如下所示。
③通信数据定义
a.操作指令见表2-26。
表2-26 操作指令表
b.变频器站号 规定与计算机通信的站号，在H00～H1F（00～31）之间设定。
c.指令代码 由计算机（PLC）发给变频器，指明程序工作（如运行、监视）状态。因此，通过响应指令代码，变频器可工作在运行和监视等状态。
d.数据 数据表示与变频器传输的数据，例如，频率和参数等。依照指令代码，确认数据的定义和设定范围。
e.等待时间 规定为变频器从接收到计算机（PLC）来的数据到传输应答数据的等待时间。根据计算机的响应时间在0～150ms之间来设定等待时间，最小设定单位为10ms。若设定值为1，则等待时间为10ms；若设定值为2，则等待时间为20ms。
注：Pr.123［响应时间设定］不设定为9999的场合下，数据格式中的“响应时间”字节没有，而是作为通信请求数据，其字符数减少一个。
f.总和校验代码 是指被校验的ASCII码数据的总和，即为二进制数的位数。一个字节最低为8位，表示2个ASCII码，以十六进制形式表示。
5）程序设计 要实现PLC对变频器的通信控制，必须对PLC进行编程，通过程序实现PLC对变频器的各种运行控制和数据的传送。PLC程序首先应完成FX2N-485 BD通信适配器的初始化、控制命令字的组合、代码转换和变频器应答数据的处理工作。PLC通信程序梯形图如图2-91所示。
图2-91 PLC通信程序梯形图
（2）PLC与变频器连接的应用操作
①操作要求
a.会设定PLC与变频器通信所需的参数。
b.能够编写控制程序并调试。
②操作材料 三菱PLC（FX2N-32MT-001）一台、FX2N系列PLC的通信适配器FX2N-485-BD一块、SC90电缆、五芯通信电缆、万用表、常用电工工具、直流24V电源、导线、变频器FR-A500、接触器、空气断路器、接线端子等。
③操作内容
a.对三菱变频器进行参数设置 需要设定的参数值见表2-27。
表2-27 需要设定的参数值
Pr.122号参数一定要设成9999，否则，当通信结束以后且通信校验互锁时间到时，变频器会产生报警并且停止（E.PUE）。Pr.79号参数一定要设成1，即PU操作模式。以上参数设置适用于A500和E500。
b.复位变频器，确保参数的设定有效。
c.对三菱PLC进行设置 三菱FX系列PLC在进行计算机连接（专用协议）和无协议通信（RS指令）时，均需对通信格式（D8120）进行设定，其中，包含波特率、数据长度、奇偶校验、停止位和数据格式等。在修改了D8120设置后，确保关掉PLC的电源，然后再打开。D8120设置如下。
即数据长度为7位、偶校验、2位停止位、波特率为9 600Baud、无标题符和终结符、没有添加和校验码，采用无协议通信（RS485）。
d.制作电缆将PLC与变频器连接。
e.编写通信程序，实现通信。
PLC通过RS485通信控制变频器运行的参考程序为：
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
以上程序运行时，PLC通过RS485通信程序正转启动由变频器控制，停止则由X3端子控制。控制操作指令见表2-26。
④自测试操作 有一台PLC通过RS485通信控制变频器，要求：
a.当M10接通一次以后变频器进入正转状态。
b.当M11接通一次以后变频器进入停止状态。
c.当M12接通一次以后变频器进入反转状态。
d.当M13接通一次以后读取变频器的运行频率（D700）。
e.当M14接通一次以后写入变频器的运行频率（D400）。
请设置PLC与变频器的参数、编写相应的控制程序，并进行安装及调试操作。
2.2.2 PLC控制变频器实现电动机的正反转操作
在生产实践应用中，电动机的正反转控制是比较常见的。如图2-92（a）所示，是大家熟悉的利用继电器接触器控制的正反转控制电路。如图2-92（b）所示，是利用变频器实现电动机正反转控制的电路。那么，利用变频器是如何实现电动机正反转控制的呢？根据实际工作的要求，如何设置参数？利用变频器控制的正反转电路有什么优点？下面就介绍其相关技术知识。
图2-92 电动机的正反转控制电路
（1）PLC控制变频器实现电动机正反转的相关技术知识
①变频器控制电动机正反转的方法 利用普通的电网电源运行的交流拖动系统，为了实现电动机的正反转切换，必须利用接触器等装置对电源进行换相切换。利用变频器进行调速控制时，只需改变变频器内部逆变电路换流器件的开关顺序，即可达到对输出进行换相的目的，很容易实现电动机的正反转切换，而不需要专门的正反转切换装置。
②控制电路 PLC与变频器控制电动机正反转的控制电路和程序梯形图如图2-93和图2-94所示，按下SB1，输入继电器X0得到信号并动作，输出继电器Y0动作并保持，接触器KM动作，变频器接通电源。Y0动作后，Y1动作，指示灯HL1亮。将SA2旋至“正转”位，X2得到信号并动作，输出继电器Y10动作，变频器的STF接通，电动机正转启动并运行。同时，Y2也动作，正转指示灯HL2亮。如SA2旋至“反转”位，X3得到信号并动作，输出继电器Y11动作，变频器的STR接通，电动机反转启动并运行。同时，Y3也动作，反转指示灯HL3亮。
图2-93 PLC与变频器控制电动机正反转电路
图2-94 程序梯形图
当电动机正转或反转时，X2或X3的常闭触点断开，使SB2（即X1）不起作用，从而防止变频器在电动机运行的情况下切断电源。将SA2旋至中间位置时，则电动机停转，X2、X3的常闭触点均闭合。如果再按下SB2，则X1得到信号，使Y0复位，KM断电并且复位，变频器脱离电源。电动机运行时，如果变频器因为发生故障而跳闸，则X4得到信号，一方面使Y0复位，变频器切断电源；同时，Y4动作，指示灯HL4亮。
③参数设置 参数设置值见表2-28，具体设置方法见表2-1。
表2-28 参数设置值
④使用变频器实现电动机正反转控制的优点
a.操作方便。
b.不需要停机操作，电流小。
（2）PLC控制变频器实现电动机正反转的应用操作
①操作要求
a.正确设置用PLC控制变频器实现电动机正反转所需要的参数。
设置变频器的参数，具体是：Pr.7、Pr.8、Pr.20、Pr.3、Pr.1、Pr.2、Pr.79、Pr.42、Pr.43、Pr.50、Pr.116。
b.能够正确编程并调试、运行。
②操作材料 电工常用工具、直流24V电源、万用表、导线、变频器FR-A500、三菱PLC FX2N、接触器、空气断路器、接线端子等。
③操作内容
a.根据控制要求，设置变频器参数。参数设置值见表2-28。
b.参考程序梯形图，如图2-94所示。
c.将PLC和变频器连接好，如图2-93所示。
d.将变频器和电动机的连线接好，如图2-95所示。
图2-95 变频器和电动机的连接
e.通电试验。
f.测试。
·使用转速表测量转速 测量方法：首先把反射纸剪成一正方块，贴在被测体（电动机转轴）上。按下“测量”键，当光束投射到目标时，用“监视符号”来确认是否正确，当读数值已确定（大约2s）时松开测量开关。假如测量RPM低于50RPM时，建议把反射纸贴多一些，然后再把读数值依“反射纸”测量，即可得到稳定的高精度的数值。
·检测上升和下降时间 秒表和转速表配合，测量从0速到额定转速（上升）和从额定转速到0速（下降）的时间。
④训练注意事项
a.切不可将R、S、T与U、V、W端子接错，否则，会烧坏变频器。
b.PLC的输出端子只相当于一个触点，不能短接电源，否则，会烧坏电源。
c.电动机为Y形接法。
d.操作完成后注意断电，并且清理现场。
e.运行中若出现报警现象，复位后要重新操作。
f.若测量转速不准确，要检查参数设定是否准确。
⑤自测试操作 有一台升降机，用变频器控制，要求有正反转指示，正转运行频率为45Hz，反转运行频率为25Hz。试用PLC与变频器联合控制，进行接线、设置有关参数、编写程序，并进行自测试操作。
2.2.3 变频与工频的切换控制操作
一台电动机变频运行，当频率上升到50Hz（工频）并保持长时间运行时，应将电动机切换到工频电网供电，让变频器休息或另作他用；另一种情况是当变频器发生故障时，则需将其切换到工频运行。一台电动机运行在工频电网，现工作环境要求它进行无级调速，此时必须将该电动机由工频切换到变频状态运行。
那么，如何来连接变频器与PLC呢？如何才能够正确控制变频与工频之间的切换呢？又需要设置哪些参数呢？下面就介绍相关技术知识。
（1）变频与工频的切换控制的相关技术知识
①变频与工频切换控制原理图 变频与工频切换控制原理图如图2-96所示。
图2-96 变频与工频切换控制原理图
②相关参数及端子功能介绍 要实现工频与变频的切换，必须正确地设置相关参数。下面就相关参数及有关端子功能作一介绍。
a.相关参数如下。
Pr.135：工频电源-变频器切换顺序输出端子选择。
Pr.136：接触器切换互锁时间。
Pr.137：启动等待时间。
Pr.138：报警时的工频电源-变频器切换选择。
Pr.139：自动变频器-工频电源切换选择。
Pr.17：MBS输入选择。
Pr.57：再启动自动运行时间（参考瞬停再启动操作）。
Pr.58：再启动缓冲时间（参考瞬停再启动操作）。
Pr.180～Pr.186：输入端子功能选择。
Pr.190～Pr.195：输出端子功能选择。
b.端子功能 输入端子的状态与功能见表2-29，其输入端对三个接触器线圈的控制效果见表2-30。
表2-29 输入端子的状态与功能
表2-30 输入端对三个接触器线圈的控制效果
注：1.表中接触器KM状态“-”表示：
①变频运行时：KM1，ON；KM2，OFF；KM3，ON。
②工频运行时：KM1，ON；KM2，ON；KM3，OFF。
③“不变”表示保持信号运作前的状态。
2.变频器发生故障时，KM1断开，R1、S1要避开KM1的控制，不论KM1导通与否，保持有电。
3.MRS OFF不能运行。
DF、OL、FU为变频器的三个输出信号端子，分别控制直流接触器KM1、KM2、KM3的线圈，线圈上并联有保护二极管和一个指示灯（或发光二极管），它们可以显示变频器三个输出端子的工况。
③变频参数的设定 变频参数的设定见表2-31。
表2-31 变频参数的设定
注：1.当Pr.135设定为“0”以外的值时，Pr.139的功能才有效。
2.当电动机由变频器启动到达设定的切换频率时，变频器运行自动切换到工频电源运行。如果以后变频器的运行指令值（变频器的设定频率）降低或低于切换频率，工频电源运行不会自动切换到变频器运行。关断变频器运行信号（STF或STR），切换工频电源运行到变频器运行，使电动机减速到停止。
（2）变频与工频切换控制的应用操作
①操作要求
a.能够对变频器的参数进行正确设置。具体参数是：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.能够正确编写控制程序，输入PLC进行模拟调试，并安装及操作运行。
②操作材料 电工常用工具、直流24V电源、万用表、导线、变频器FR-A500、三菱PLC FX2N、接触器、空气断路器、接线端子。
③操作内容
a.连接PLC控制的变频与工频切换电路，如图2-97所示。
图2-97 变频与工频切换电路
b.输入程序，模拟调试。参考程序梯形图如图2-98所示。
图2-98 梯形图程序
A段：工频运行段。
先将选择开关SA2旋至“工频运行”位，使输入继电器X0动作，为工频运行做好准备。
按启动按钮SB1，输入继电器X2动作，使输出继电器Y2动作并保持，从而接触器KM3动作，电动机在工频电压下启动并运行。按停止按钮SB2，输入继电器X3动作，使输出继电器Y2复位，而接触器KM3失电，电动机停止运行。如果电动机过载，热继电器触点FR闭合，输入继电器X6动作，输出继电器Y2、接触器KM3相继复位，电动机停止运行。
B段：变频通电段。
先将选择开关SA2旋至“变频运行”位，使输入继电器X1动作，为变频运行做好准备。
按下SB1，输入继电器X2动作，使输出继电器Y1动作并保持。一方面使接触器KM2动作，将电动机接至变频器输出端；另一方面，又使输出继电器Y0动作，从而接触器KM1动作，使变频器接通电源。
按下SB2，输入继电器X3动作，在Y3未动作或已复位的前提下，使输出继电器Y1复位，接触器KM2复位，切断电动机与变频器之间的联系。同时，输出继电器Y0与接触器KM1也相继复位，切断变频器的电源。
C段：变频运行段。
按下SB3，输入继电器X4动作，在Y0已经动作的前提下，输出继电器Y3动作并保持，继电器KA动作，变频器的FWD接通，电动机升速并运行。同时，Y3的常闭触点使停止按钮SB2暂时不起作用，防止在电动机运行状态下直接切断变频器的电源。
按下SM4，输入继电器X5动作，输出继电器Y3复位，继电器KA失电断开，变频器的STF断开，电动机开始降速并停止。
D段：变频器跳闸段。
如果变频器因故障而跳闸，则输入继电器X7动作，一方面Y1和Y3复位，从而输出继电器Y0、接触器KM2和KM1、继电器KA也相继复位，变频器停止工作；另一方面，输出继电器Y4和Y5动作并保持，蜂鸣器HA和指示灯HL工作，进行声光报警。同时，在Y1已经复位的情况下，时间继电器T1开始计时，其常开触点延时后闭合，使输出继电器Y2动作并保持，电动机进入工频运行状态。
E段：故障处理段。
报警后，操作人员应立即将SA旋至“工频运行”位。这时，输入继电器X0动作，一方面使控制系统正式转入工频运行方式；另一方面，使Y4和Y5复位，停止声光报警。
c.合上电源开关，将外部操作模式转换为面板操作模式，初始化变频器，使变频器内的所有参数恢复到出厂设定值。
d.在面板操作模式下，设定下面参数。
有关参数典型值如下。
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.将面板操作模式转换为外部操作模式。
f.进行系统调试、运行 按下启动按钮使变频器运行，具体过程见图2-98。
g.结束，关机，最后切断电源开关。
h.自测试操作 某学校的供水系统，由3台水泵控制供水，经过试验运行发现到了夜里，只需要一台电动机工频运行即可达到正常供水的压力。现在要求画出此系统的控制原理图、设置变频器的参数、编写控制程序，并进行安装及调试操作。
2.2.4 多段速调速的控制操作
现有一台生产机械共有7挡转速，相应的频率如图2-99所示，通过7个按钮来控制其速度的转换。通过前面的介绍可知变频器的调速可以连续进行，也可以分段进行，很显然此生产机械不需要连续调速，只需分段调速即可。
图2-99 7挡转速频率
那么，应该如何实现对变频器的多段速调速呢？下面将通过具体的应用来介绍用PLC的开关量直接对变频器实现多段速调速的方法。
（1）变频器多段速控制的相关技术知识
①变频器的多段速控制功能及参数设置 变频器实现多段转速控制时，其转速挡的切换是通过外接开关器件改变其输入端的状态组合来实现的。以三菱FR系列变频器为例，要设置的具体参数有Pr.4～Pr.6、Pr.24～Pr.27。用设置功能参数的方法将多种速度先行设定，运行时由输入端子控制转换，其中，Pr.4、Pr.5、Pr.6对应高、中、低三个速度的频率。设置时要注意以下几点。
a.通过对RH、RM、RL进行组合来选择各种速度。
b.借助点动频率Pr.15、上限频率Pr.1、下限频率Pr.2，最多可以设定18种速度。
c.在外部操作模式PU/外部并行模式下多段速才能运行。
②控制特点 一方面，变频器的输出频率需要由三个输入端的状态来决定；另一方面，操作者切换转速所用的开关器件（通常是按钮开关或触摸开关），每次只有一个触点。因此，必须解决好转速选择开关的状态和变频器各控制端状态之间的变换问题。常用方法是通过PK来控制变频器的RH、RM、RL端子的组合来切换。
③多段速运行操作
a.7段速度运行曲线 7段速度运行曲线如图2-100所示，运行频率在图中已经注明。
图2-100 7段速度运行曲线
b.基本运行参数设定 需要设定的基本运行参数见表2-32。
表2-32 基本运行参数
c.七段速运行参数设定 七段速运行参数见表2-33。
表2-33 七段速运行参数
（2）变频器多段速控制的应用操作
①操作要求
a.能正确设置变频器多段速调速的参数。
b.能正确编写控制程序，并接线及调试运行操作。
②操作材料 电工常用工具、直流24V电源、万用表、导线、变频器FR-A540、三菱PLC FX2N、接触器、空气断路器、接线端子等。
③操作内容
a.如图2-101所示进行控制回路接线。
图2-101 多段速控制接线图
b.在PU模式（参数单元操作）下设定参数。
·设定基本参数 需要设置的参数有Pr.4、Pr.5、Pr.6、Pr.24、Pr.25、Pr.26、Pr.27等。在外部、组合、PU模式下均可设定。
·设定Pr.79=3，“EXT”灯和“PU”灯均亮。
·如图2-99所示设定七段速度运行参数，填入表2-34。
表2-34 七段速度运行参数
图2-101中，SA1用于控制PLC的运行；SF1和ST1用于控制接触器KM，从而控制变频器的通电与断电；SF2和ST2用于控制变频器的运行；RST用于变频器排除故障后的复位；SB1～SB7是7挡转速的选择按钮。各挡转速与输入端状态之间的关系见表2-35。
表2-35 7挡转速与输入端状态关系表
c.编写、输入程序，调试运行 根据控制要求，该功能程序梯形图如图2-102所示，具体控制过程说明如下。
图2-102 梯形图
A段：变频器的通电控制。
按下SF1→X0动作→在Y4未工作、变频器的STF和SD之间未接通的前提下自锁→接触器则得电并动作→变频器接通电源。
按下ST1→X1动作→在Y4未工作、变频器的STF和SD之间未接通的前提下，Y10释放→接触器KM失电，变频器切断电源。
B段：变频器的运行控制。
按下SF2→X2动作→若Y10已经动作、变频器已经通电，则Y4动作并自锁→变频器的STF和SD之间接通，系统开始升速并运行。
按下ST2→X3动作→Y4释放，系统开始降速并停止。
C段：故障处理段。
如变频器发生故障，变频器的故障输出端B和A之间接通→X14动作→Y10释放→接触器KM失电，变频器切断电源。与此同时，Y11和Y12动作，进行声光报警。
当故障排除后，按下RST→X4动作→Y0动作，变频器的RES与SD之间接通，变频器复位。
D～J段：多挡速切换。以D段为例，说明如下。
按下SB1→M1动作并自锁，M1保持第1转速的信号。当按下SB2～SB7中任何一个按钮开关时，M1释放。即：M1仅在选择第1挡转速时动作。F～J段以此类推。
K～M段：多挡速控制。
由表2-34可知：Y1在第1、第3、第5、第7挡转速时都处于接通状态，故M1、M3、M5、M7中只要有一个接通，则Y3动作，变频器的RH端接通；Y2在第2、第3、第6、第7挡转速时都处于接通状态，故M2、M3、M6、M7中只要有一个接通，则Y2动作，变频器的RM端接通；Y3在第4、第5、第6、第7挡转速时都处于接通状态，故M4、M5、M6、M7中只要有一个接通，则Y1动作，变频器的RH端接通。
现在以用户选择第3挡转速（f4=30Hz）为例，说明其工作情况。
按下SB3→X7动作、M3动作（梯形图中的F段）。同时，如果在此之前M1、M2、M4、M5、M6、M7中有处于动作状态的话，则释放（梯形图中的D、E、G、H、I、J段），Y1、Y2动作（梯形图中的K、L段），变频器的Y1、Y2端子接通，变频器将在第3挡转速下运行。
d.注意事项
·运行中出现图2-103中所示字样，表示变频器输出至电动机的连线有一相断线（即缺相保护），这时返回PU模式下，进行清除操作，然后关掉电源重新开启即可消除，具体操作如图2-103所示。若不要此保护功能，设定Pr.25=0。
图2-103 报警记录清除操作示意图
·出现图2-104中所示字样，表示电子过流保护动作，同样在PU模式下，进行清除操作（见图2-104）。
图2-104 清除操作
·Pr.79=4的运行方式属于组合操作的另一种形式，即外部控制运行频率，参数单元控制电动机启停，实际中应用很少。
e.自测试操作 某高楼为了实现恒压供水，使用压力传感器检测管内压力，当压力增大（用水量小）到上限压力时，减小泵的速度；当压力减小（用水量大）到下限压力时，提高泵的速度，从而实现管内压力的恒定。要求画出恒压供水PLC与变频器的接线图、设置运行参数、编写控制程序及运行操作。变频调速运行曲线如图2-105所示。
图2-105 变频调速运行曲线