變頻器在漆包線自動稱重系統中的應用

摘 要：論文著重介紹變頻器在自動稱重系統中的應用，主要討論了一個用于工業控制性功能較齊全的自動稱重系統的開發。隨著工業自動化和管理現代化的進展，自動稱重系統有了很大發展，進一步采用新技術，開發各種自動稱重系統，提高稱重準確度。按照八小時每工作日，一個月22個工作日計算，每月能夠實現了3萬線盤的稱重包裝能力。

關鍵詞：變頻器 自動稱重 準確度 數據采集

中圖分類號：TP216.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（b）-0074-03

1 漆包線自動稱重系統的總體設計

1.1 系統的總體結構

LY-ZDB型漆包線自動稱重系統由操作站、電子稱、包裝機、打印機、液壓工作站、PLC控制等部分組成，如所圖1示[12]。

2 漆包線自動稱重系統的硬件設計與實現

2.1 漆包線自動稱重系統硬件的總體設計

漆包線自動稱重系統硬件大致分為生產系統計算機、稱和儀表、打印機、工控機、PLC、掃描槍、傳感和執行機構幾部分，詳見圖2。其中，漆包線自動稱重系統的硬件設計所涉及的基本知識有變頻器及異步電機、模數轉換知識、IGBT模塊柵極驅動的基本知識、PLC知識、485通訊電路、秤的基本知識和工業控制計算機基本知識[2，13]。

軟件部分也是本文的重要組成部分，其中本文的軟件主要分四個模塊，即對PLC執行機構下達控制命令模塊；對稱體儀表的通訊（RS485）模塊；讀取儀表數值，對稱重數據進行數據存儲、打印模塊；對條形碼的讀取、識別模塊。而對于處理所得的大量數據，本軟件系統中采用MS SQL SERVER 2000的大型關系型數據庫來存儲[7，16]。

2.2 變頻器

2.2.1 變頻器對外部控制的實現

變頻器外部接口的主要作用是用戶能夠根據系統的不同需要進行各種功能組態與操作，并與其他電路一起構成自動控制系統[3，14]，如圖3所示。

變頻器的外部接口電路通常包括：邏輯控制指令電路、頻率指令輸入輸出電路、過程參數監測信號電路、通信接口電路和數字信號輸入輸出電路等。變頻器內部結構及外部接線基本，其中包括主動源、電動機、制動單元等。而變頻器對外部的控制也是通過這些外部接口來實現的，其對外部的控制主要包括自動起停控制和速度調節。自動起停控制，即要實現自動稱重就要實現物料傳輸的自動運行和速度自動調節。自動運行指的是電機自動啟動并運行和自動停止，FR端子輸出信號（高電平1、低電平0）來觸動外部中間繼電器從而控制主回路運行。速度調節，它是通過變頻器的+V、VRF、COM三個端口來自動調節電機對物料的傳輸速度，即通過A/D轉換控制運算電路，從而控制逆變電路，實現輸出頻率的變換。

整流器是將交流變為直流，平滑波電路則將直流電平滑，逆變器將直流電逆變為頻率可調的交流電。其中，為了電動機的調速傳動，所需的操作量有電壓、電流、頻率[8～11]。

2.2.2 變頻器的外圍設備及選件

變頻器的外圍設備主要是用來構成更好的調速系統或節能系統，選用外圍設備通常也是為了提高系統的安全性和可靠性，提高變頻器的某種性能，增加對變頻器和電機的保護，減少變頻器對其他設備的影響。

其中，變頻器的外圍設備主要有：輸入變壓器、空氣斷路器、交流接觸器、交流電抗器、濾波器、直流電抗器、制動電阻等。在本系統中，除了低壓斷路器、交流接觸器選件外，還增加了中間控制繼電器、電位器（用于改變輸入模擬量），另外還有PLC開關量模塊。

在實際的自動稱重系統中，變頻器和外圍設備要能實現電機緩慢增長和緩慢停止，避免啟動電流對電機的沖擊，以避免貨物的不穩定和不安全[4]。

2.3 變頻器與異步電機

2.3.1 變頻調速

變頻調速系統控制電路主要包括控制運算電路、信號檢測電路、門極（基極）驅動隔離電路、外部接口電路、保護電路和數字輸入電路等。在變頻器中，控制電路是其核心部分。控制電路的優勢決定了調整系統性能的優勢。而控制電路的主要作用是將檢測得到的各種信號送至運算電路，使運算電路能夠根據要求為主電路提供必要的門極（基極）驅動信號，并同時對異步電機提供必要的保護。此外，控制電路還通過A/D、D/A等外部接口來接收/發送多種形式的外部信號并給出系統內部工作狀態，以便調整系統能使之夠和外部設備配合實現各種高性能的控制。變頻器的控制電路還包括電流、電壓、電機速度檢測電路、為變頻器提供保護的保護電路、對外接口電路和數字操作盒的控制電路等[5]。在采用變頻器進行調速控制時，當時，改變頻率就可改變同步轉速n。而對于異步電機的變頻器傳動，為了避免電機的磁飽和，同時抑制起動電流，產生一定的轉矩實現安全運轉，在改變其頻率時必須控制變頻器的輸出電壓[15]。另外，異步電機傳動變頻器也稱被為VVVF變頻器，即調壓調頻變頻器的略稱。

變頻調速具有許多優異的性能，它調速范圍較大，平滑性較高，且變頻時U按不同規律變化可實現恒轉矩或恒功率調速，以適應不同負載的要求。其中低速特性的轉差率較高，是異步電機調速最有發展前途的一種方法，其缺點是必須有專用的變頻電源；而且在恒轉矩調速時，低速段電機的過載倍數大為降低，甚至不能帶動負載。

2.3.2 變頻器對異步電動機的控制方式

變頻器對電機的控制，是根據電機的特性參數及運轉要求，進而對電機提供電壓、電流、頻率達到控制負載的要求。因此，變頻器的主電路、逆變器、單片機的位數都相同，只是控制方式不一樣，控制效果也不一樣，所以控制方式很重要，它代表變頻器的水平。目前，變頻器對電機的控制方式大體可分為恒定控制、轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制、速度控制、非線性控制、自適應控制、滑模變結構控制和智能控制。其中前五種已獲得成功應用，有成型的產品，現就第一種控制方式展開討論。endprint

恒定控制的定義。

該控制是在改變電機電源頻率的同時也改變電機電源的電壓，使電機的磁通保持一定，在較寬的調整范圍內，電機的功率、功率因數不下降。因為是控制電壓與頻率的比，故稱為控制。此種控制方式比較簡單，多用于節能型變頻器，如風機、泵類機械的節能運轉及生產流水線的工作臺傳動等。另外，空調等家用電器也采用此控制方式的變頻器。

電壓型變頻器異步電機的比恒定控制的構成。

實現電壓型變頻器異步電動機系統的恒定控制的方式很多，如果采用正弦PWM進行電壓和頻率的控制系統控制部分需要提供頻率可變、幅值隨頻率變化的正弦設定信號。使用模擬電子技術產生正弦信號并不困難，但若需要信號的幅值正比于頻率的變化，或按某種規律變化，則采用數字電路較易實現。

在恒定控制的PWM變頻器中，PWM控制部分原理圖如圖4所示。圖中LA為加、減速控制環節，它將階躍的速度設定信號變為緩慢變化的設定信號，以減小起動和制動時的電流沖擊。μ-COM為微型計算機處理單元，它包括存有正弦波形數據的只讀存儲器EPROM和產生EPROM地址的計數器。VFC為壓頻變換器，它將速度設定的電壓信號變為頻率信號（脈沖），再將速度（電壓）設定的脈沖送入μ-COM中的計數器，以計數器的數據作為EPROM的地址，而改變計數頻率，即可改變EPROM的地址掃描頻率的變化。EPROM的數據送至數/模塊換器（DAC）后，由于DAC有乘法功能，它的電壓參考端直接接至速度（電壓）設定端（VFC的輸入），使DAC輸出電壓波形的幅值正比于速度設定值，從而實現恒定控制[1]。

恒定控制的PWM變頻器的電路通常為交-直-交電壓型變頻器，其輸入接至三相電源，輸出接三相異步電機。中小容量變頻器常采用可關斷電力電子器件如大功率晶體管（GTB）或絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為開關器件，構成三相橋式逆變電路；而大容量變頻器則采用可關斷晶閘管（GTO晶閘管）或晶閘管（SCR）作為開關器件。當采用晶閘管（SCR）作為開關器件時，由于晶閘管不能控制關斷，需要采用輔助換相電路。在主電路中還必須包括整流環節，通常使用普通電力二極管構成三相不可控整流橋，它將三相交流電整流成直流，再經濾波電容器濾成平穩的直流。濾波電容器和整流橋之間接有充電限流電阻，當變頻器接通電源時，由于直流濾波電容器的電壓不能突變，如果沒有充電限流電阻，整流二極管和電容器將會流進很大的充電電流，而充電限流電阻的作用就是要限制充電電流。一旦充電結束，電容器的電壓達到正常工作電壓時，充電限流電阻則被斷電器短接。濾波后的直流電作為逆變器的輸入，經逆變橋逆變成三相交流電提供給三相異步電機。變頻。器的控制電路除了上述PWM生成部分之外，還包括電力電子器件的驅動電路，它將PWM控制信號（通常為邏輯電平）經隔離、放大，變成可控的電力電子器件導通、關斷的電壓或電流信號。不同類型的電力電子器件需要不同的驅動電路，其基本要求是提供足夠的開通電壓或電流，以及可靠的關斷電壓或電流。對于保護部分，應做到保證變頻器不發生永久性破壞。它分為硬件保護和軟件保護，它們均需要對保護對象進行快速檢測，并根據預先設置的保護動作設定值，分別進行處理并給出相應的故障信息[4～6]。

3 漆包線自動稱重系統軟件設計

在本漆包線自動稱重系統中，由其軟件流程見圖5可知，其軟件的設計包括數據庫的設計、PLC控制設計、電機控制電路的設計、儀表通訊的設計（圖6）、條形碼讀取設計和人機界面設計。

4 工作總結與展望

4.1 工作總結

本人在做課題期間，查閱大量與課題相關的書籍和資料，在對現有自動稱重系統進行分析比較后，針對課題的具體應用背景，提出了漆包線自動稱重系統的設計方案，具體總結如下：

（1）優勢：它可以提高生產效率，實現產、銷、存一體化管理，該體系還可以融入企業資源規劃，實現企業資源的優化。

（2）自動稱重包裝系統，在國內屬空白，目前仍深受歡迎。它把PLC、工控機、數據庫、變頻技術等進行有機組合，達到先進的自動稱重功能。比人工勞動生產率提高10倍以上；精度±5 g，傳統稱法是±100 g，人為讀取因素誤差更大，甚至出現數據錯誤，造成兩種結果，誤差超過客戶要求，造成大量退貨，太大的誤差造成企業原材料的損失。按照年產值2億計算，造成的損失可達到上百萬。這套系統就徹底解決上述問題。

（3）變頻技術，PLC控制技術、數據庫、自動控制計算機、智能儀表、電機控制、弱電控制強電的基礎知識、通訊接口協議的基本工作原理等綜合運用于現代控制領域。數據庫共享給銷售部門提供產和存精確數據，數據庫系統讓我們準確掌握每個產品的來龍去脈，比如：生產時間，生產機臺號，當班工人，銷售時間，客戶信息等。

（4）發展方向：實現完全自動控制，“貼標、上下料”完全自動化仍在進一步研究中。

4.2 工作展望

目前系統已處應用階段，在今后的調試和現場運行期間還會有許多未曾考慮的問題有待解決。初步測試表明，該系統可進行基本的通信，數據處理功能。目前，本系統實現了對稱重信號的智能采集，實現了靜態稱重，望今后能實現動態稱重以及在稱重精度方面有待進一步提高。在變頻控制方面做了有益的探索，使之在自動稱重中發揮更重要的作用；進一步使用智能儀表，使整個系統更完善；對輸送線結構的優化，盡量降低由于輸送線自身重量造成稱重的誤差。

參考文獻

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[16] 耿文蘭.SQL Server 2000數據庫管理與開發[M].北京：電子工業出版社，2003：48，82-83，94.endprint

恒定控制的定義。

該控制是在改變電機電源頻率的同時也改變電機電源的電壓，使電機的磁通保持一定，在較寬的調整范圍內，電機的功率、功率因數不下降。因為是控制電壓與頻率的比，故稱為控制。此種控制方式比較簡單，多用于節能型變頻器，如風機、泵類機械的節能運轉及生產流水線的工作臺傳動等。另外，空調等家用電器也采用此控制方式的變頻器。

電壓型變頻器異步電機的比恒定控制的構成。

實現電壓型變頻器異步電動機系統的恒定控制的方式很多，如果采用正弦PWM進行電壓和頻率的控制系統控制部分需要提供頻率可變、幅值隨頻率變化的正弦設定信號。使用模擬電子技術產生正弦信號并不困難，但若需要信號的幅值正比于頻率的變化，或按某種規律變化，則采用數字電路較易實現。

在恒定控制的PWM變頻器中，PWM控制部分原理圖如圖4所示。圖中LA為加、減速控制環節，它將階躍的速度設定信號變為緩慢變化的設定信號，以減小起動和制動時的電流沖擊。μ-COM為微型計算機處理單元，它包括存有正弦波形數據的只讀存儲器EPROM和產生EPROM地址的計數器。VFC為壓頻變換器，它將速度設定的電壓信號變為頻率信號（脈沖），再將速度（電壓）設定的脈沖送入μ-COM中的計數器，以計數器的數據作為EPROM的地址，而改變計數頻率，即可改變EPROM的地址掃描頻率的變化。EPROM的數據送至數/模塊換器（DAC）后，由于DAC有乘法功能，它的電壓參考端直接接至速度（電壓）設定端（VFC的輸入），使DAC輸出電壓波形的幅值正比于速度設定值，從而實現恒定控制[1]。

恒定控制的PWM變頻器的電路通常為交-直-交電壓型變頻器，其輸入接至三相電源，輸出接三相異步電機。中小容量變頻器常采用可關斷電力電子器件如大功率晶體管（GTB）或絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為開關器件，構成三相橋式逆變電路；而大容量變頻器則采用可關斷晶閘管（GTO晶閘管）或晶閘管（SCR）作為開關器件。當采用晶閘管（SCR）作為開關器件時，由于晶閘管不能控制關斷，需要采用輔助換相電路。在主電路中還必須包括整流環節，通常使用普通電力二極管構成三相不可控整流橋，它將三相交流電整流成直流，再經濾波電容器濾成平穩的直流。濾波電容器和整流橋之間接有充電限流電阻，當變頻器接通電源時，由于直流濾波電容器的電壓不能突變，如果沒有充電限流電阻，整流二極管和電容器將會流進很大的充電電流，而充電限流電阻的作用就是要限制充電電流。一旦充電結束，電容器的電壓達到正常工作電壓時，充電限流電阻則被斷電器短接。濾波后的直流電作為逆變器的輸入，經逆變橋逆變成三相交流電提供給三相異步電機。變頻。器的控制電路除了上述PWM生成部分之外，還包括電力電子器件的驅動電路，它將PWM控制信號（通常為邏輯電平）經隔離、放大，變成可控的電力電子器件導通、關斷的電壓或電流信號。不同類型的電力電子器件需要不同的驅動電路，其基本要求是提供足夠的開通電壓或電流，以及可靠的關斷電壓或電流。對于保護部分，應做到保證變頻器不發生永久性破壞。它分為硬件保護和軟件保護，它們均需要對保護對象進行快速檢測，并根據預先設置的保護動作設定值，分別進行處理并給出相應的故障信息[4～6]。

3 漆包線自動稱重系統軟件設計

在本漆包線自動稱重系統中，由其軟件流程見圖5可知，其軟件的設計包括數據庫的設計、PLC控制設計、電機控制電路的設計、儀表通訊的設計（圖6）、條形碼讀取設計和人機界面設計。

4 工作總結與展望

4.1 工作總結

本人在做課題期間，查閱大量與課題相關的書籍和資料，在對現有自動稱重系統進行分析比較后，針對課題的具體應用背景，提出了漆包線自動稱重系統的設計方案，具體總結如下：

（1）優勢：它可以提高生產效率，實現產、銷、存一體化管理，該體系還可以融入企業資源規劃，實現企業資源的優化。

（2）自動稱重包裝系統，在國內屬空白，目前仍深受歡迎。它把PLC、工控機、數據庫、變頻技術等進行有機組合，達到先進的自動稱重功能。比人工勞動生產率提高10倍以上；精度±5 g，傳統稱法是±100 g，人為讀取因素誤差更大，甚至出現數據錯誤，造成兩種結果，誤差超過客戶要求，造成大量退貨，太大的誤差造成企業原材料的損失。按照年產值2億計算，造成的損失可達到上百萬。這套系統就徹底解決上述問題。

（3）變頻技術，PLC控制技術、數據庫、自動控制計算機、智能儀表、電機控制、弱電控制強電的基礎知識、通訊接口協議的基本工作原理等綜合運用于現代控制領域。數據庫共享給銷售部門提供產和存精確數據，數據庫系統讓我們準確掌握每個產品的來龍去脈，比如：生產時間，生產機臺號，當班工人，銷售時間，客戶信息等。

（4）發展方向：實現完全自動控制，“貼標、上下料”完全自動化仍在進一步研究中。

4.2 工作展望

目前系統已處應用階段，在今后的調試和現場運行期間還會有許多未曾考慮的問題有待解決。初步測試表明，該系統可進行基本的通信，數據處理功能。目前，本系統實現了對稱重信號的智能采集，實現了靜態稱重，望今后能實現動態稱重以及在稱重精度方面有待進一步提高。在變頻控制方面做了有益的探索，使之在自動稱重中發揮更重要的作用；進一步使用智能儀表，使整個系統更完善；對輸送線結構的優化，盡量降低由于輸送線自身重量造成稱重的誤差。

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[8] 自動稱重系統的研究[EB/OL].http：//kong fy 2008.bokes.com/viewdiary.15268186.htvn/#，2008-08-21.

[9] 變頻器論壇[EB/OL].http：//www.energy-bank.cn/viewthread.phptid=1439，2008-10-22.

[10] 變頻器原理[EB/OL].http：//blog163.com/dong2k@126/blog/static/33959/352007459.2468124/，2008-07-23.

[11] 變頻器原理[EB/OL].http：//bbs.yxx.com.cn/shocvPost.asp ThreadID=103353，2008-06-05.

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恒定控制的定義。

該控制是在改變電機電源頻率的同時也改變電機電源的電壓，使電機的磁通保持一定，在較寬的調整范圍內，電機的功率、功率因數不下降。因為是控制電壓與頻率的比，故稱為控制。此種控制方式比較簡單，多用于節能型變頻器，如風機、泵類機械的節能運轉及生產流水線的工作臺傳動等。另外，空調等家用電器也采用此控制方式的變頻器。

電壓型變頻器異步電機的比恒定控制的構成。

實現電壓型變頻器異步電動機系統的恒定控制的方式很多，如果采用正弦PWM進行電壓和頻率的控制系統控制部分需要提供頻率可變、幅值隨頻率變化的正弦設定信號。使用模擬電子技術產生正弦信號并不困難，但若需要信號的幅值正比于頻率的變化，或按某種規律變化，則采用數字電路較易實現。

在恒定控制的PWM變頻器中，PWM控制部分原理圖如圖4所示。圖中LA為加、減速控制環節，它將階躍的速度設定信號變為緩慢變化的設定信號，以減小起動和制動時的電流沖擊。μ-COM為微型計算機處理單元，它包括存有正弦波形數據的只讀存儲器EPROM和產生EPROM地址的計數器。VFC為壓頻變換器，它將速度設定的電壓信號變為頻率信號（脈沖），再將速度（電壓）設定的脈沖送入μ-COM中的計數器，以計數器的數據作為EPROM的地址，而改變計數頻率，即可改變EPROM的地址掃描頻率的變化。EPROM的數據送至數/模塊換器（DAC）后，由于DAC有乘法功能，它的電壓參考端直接接至速度（電壓）設定端（VFC的輸入），使DAC輸出電壓波形的幅值正比于速度設定值，從而實現恒定控制[1]。

恒定控制的PWM變頻器的電路通常為交-直-交電壓型變頻器，其輸入接至三相電源，輸出接三相異步電機。中小容量變頻器常采用可關斷電力電子器件如大功率晶體管（GTB）或絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為開關器件，構成三相橋式逆變電路；而大容量變頻器則采用可關斷晶閘管（GTO晶閘管）或晶閘管（SCR）作為開關器件。當采用晶閘管（SCR）作為開關器件時，由于晶閘管不能控制關斷，需要采用輔助換相電路。在主電路中還必須包括整流環節，通常使用普通電力二極管構成三相不可控整流橋，它將三相交流電整流成直流，再經濾波電容器濾成平穩的直流。濾波電容器和整流橋之間接有充電限流電阻，當變頻器接通電源時，由于直流濾波電容器的電壓不能突變，如果沒有充電限流電阻，整流二極管和電容器將會流進很大的充電電流，而充電限流電阻的作用就是要限制充電電流。一旦充電結束，電容器的電壓達到正常工作電壓時，充電限流電阻則被斷電器短接。濾波后的直流電作為逆變器的輸入，經逆變橋逆變成三相交流電提供給三相異步電機。變頻。器的控制電路除了上述PWM生成部分之外，還包括電力電子器件的驅動電路，它將PWM控制信號（通常為邏輯電平）經隔離、放大，變成可控的電力電子器件導通、關斷的電壓或電流信號。不同類型的電力電子器件需要不同的驅動電路，其基本要求是提供足夠的開通電壓或電流，以及可靠的關斷電壓或電流。對于保護部分，應做到保證變頻器不發生永久性破壞。它分為硬件保護和軟件保護，它們均需要對保護對象進行快速檢測，并根據預先設置的保護動作設定值，分別進行處理并給出相應的故障信息[4～6]。

3 漆包線自動稱重系統軟件設計

在本漆包線自動稱重系統中，由其軟件流程見圖5可知，其軟件的設計包括數據庫的設計、PLC控制設計、電機控制電路的設計、儀表通訊的設計（圖6）、條形碼讀取設計和人機界面設計。

4 工作總結與展望

4.1 工作總結

本人在做課題期間，查閱大量與課題相關的書籍和資料，在對現有自動稱重系統進行分析比較后，針對課題的具體應用背景，提出了漆包線自動稱重系統的設計方案，具體總結如下：

（1）優勢：它可以提高生產效率，實現產、銷、存一體化管理，該體系還可以融入企業資源規劃，實現企業資源的優化。

（2）自動稱重包裝系統，在國內屬空白，目前仍深受歡迎。它把PLC、工控機、數據庫、變頻技術等進行有機組合，達到先進的自動稱重功能。比人工勞動生產率提高10倍以上；精度±5 g，傳統稱法是±100 g，人為讀取因素誤差更大，甚至出現數據錯誤，造成兩種結果，誤差超過客戶要求，造成大量退貨，太大的誤差造成企業原材料的損失。按照年產值2億計算，造成的損失可達到上百萬。這套系統就徹底解決上述問題。

（3）變頻技術，PLC控制技術、數據庫、自動控制計算機、智能儀表、電機控制、弱電控制強電的基礎知識、通訊接口協議的基本工作原理等綜合運用于現代控制領域。數據庫共享給銷售部門提供產和存精確數據，數據庫系統讓我們準確掌握每個產品的來龍去脈，比如：生產時間，生產機臺號，當班工人，銷售時間，客戶信息等。

（4）發展方向：實現完全自動控制，“貼標、上下料”完全自動化仍在進一步研究中。

4.2 工作展望

目前系統已處應用階段，在今后的調試和現場運行期間還會有許多未曾考慮的問題有待解決。初步測試表明，該系統可進行基本的通信，數據處理功能。目前，本系統實現了對稱重信號的智能采集，實現了靜態稱重，望今后能實現動態稱重以及在稱重精度方面有待進一步提高。在變頻控制方面做了有益的探索，使之在自動稱重中發揮更重要的作用；進一步使用智能儀表，使整個系統更完善；對輸送線結構的優化，盡量降低由于輸送線自身重量造成稱重的誤差。

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