基于MCGS的X62W銑床監控系統設計

熊幸明，包 艷，張 丹，張文希

XIONG Xing-ming, BAO Yan, ZHANG Dan, ZHANG Wen-xi

（長沙大學 電子與通信工程系，長沙 410003）

0 引言

MCGS(Monitor and Control Generated system)是一套基于Windows98/Me/NT/2000操作系統(或更高版本)、用于工業過程控制和實時監測的通用計算機系統軟件，可快速構造和生成上位機監控系統[1]。它集計算機技術、測量技術、控制技術和現代通信技術于一體，使用戶避開復雜的計算機軟件代碼編制，集中精力解決好系統本身的控制問題，極大地提高了完成自動化工程的工作效率，體現了現代工業自動化系統向信息化、集成化、分布化和網絡化發展的趨勢。本文以X62W銑床電動機的變頻調速為例，對基于MCGS的電機變頻調速監控系統的設計進行介紹。

1 PLC控制硬件結構

X62W萬能銑床由三臺異步電動機拖動，M1為主軸電動機，用來實現主軸的旋轉運動。M2為進給電動機，由操縱手柄和機械離合器相配合，帶動工作臺實現前、后、左、右、上、下六個方向的進給運動。圓形工作臺的旋轉運動也由進給電機M2經傳動機構實現。M3為冷卻泵電動機。

根據機床控制要求，主軸啟動、停止和工作臺快移需要兩地控制，按照節省輸入、輸出點的原則，將主軸啟動按鈕SB5、SB6并聯，停止按鈕SB7、SB8串聯，快移按鈕SB9、SB10并聯接到PLC輸入端子上，各占一個輸入點；冷卻泵電機和照明燈由開關直接控制，也不占輸入、輸出點。分析表明，改造后的X62W銑床共需輸入點17個，輸出點16個，考慮l0%余量及以后增加報警電路、故障顯示電路和工藝控制等問題，選用三菱FX2N一48MR型PLC（Programmable Logic Controller）。FX2N一 48MR共 有 24個開關量輸入通道，24個繼電器輸出通道。主軸電機調速采用三菱FR—E540—7.5K變頻器,進給電機則采用FR—E540—1.5K變頻器。FR—E540是采用磁通矢量控制技術，PWM原理和智能功率模塊（IPM）的高性能變頻器，無速度反饋開環控制的調速范圍為1∶120，采用速度反饋閉環控制的調速范圍可達1∶1000，完全能滿足X62W銑床的控制要求。PLC與變頻器的接線如圖1所示。

變頻器輸入端子中RH、RM、RL為多檔轉速控制端子。通過這三個端子的不同狀態組合，可獲得1～15檔轉速。每檔轉速設置對應的工作頻率，則電動機轉速的切換便可由PLC自動控制。

由于FR—E540變頻器內部具有直流制動裝置，通過設置直流制動參數Pr.10（直流制動動作頻率）、Pr.11（直流制動動作時間）、Pr.12（直流制動電壓），可使系統在很短的時間內快速停車。這樣用于銑床調速控制時，不需再設機械或電氣制動裝置。

圖1 X62W銑床PLC與變頻器外部接線圖

2 MCGS監控系統組成

基于MCGS的X62W銑床主軸電機變頻調速監控系統組成框圖如圖2所示。

圖2 X62W銑床主軸電機變頻調速監控系統組成框圖

該系統主要由上位機（普通PC機或工業IPC機）、三菱FX2N-48MR型PLC、三菱FR-E540系列變頻器、主軸電動機、報警器、打印機等組成。上位機主要用于監控、數據處理、報表等，而PLC作為底層控制器，則完成具體的控制動作。上位機與PLC之間通過RS-232串口連接進行通信。上位機發出的命令通過PLC中CPU的運算處理，轉換成變頻器可以識別的控制指令，輸出到變頻器的輸入端，變頻器根據輸入信號（開關量或模擬量）調整主電路中交流電壓的頻率驅動電動機動作，從而完成控制轉速的任務。其中，輸入設定值、轉速的實時顯示圖形或曲線的各種報表是在上位機中的組態軟件進行的，而電機轉速的控制則是由PLC和變頻器來完成的[2]。

3 MCGS組態設計

1）監控界面

上位機監控界面是在MCGS組態軟件的用戶窗口中由用戶組建的，為用戶提供最直觀的顯示畫面。具體步驟是：

（1）在“用戶窗口”中單擊“新建窗口”按鈕，建立“窗口0”；

（2）選中“窗口0”，單擊“窗口屬性”，進入“用戶窗口屬性設置”；

（3）將窗口名稱改為“X62W銑床監控界面”，窗口位置選中“最大化顯示”，其他不變；

（4）在“用戶窗口”中，選中“X62W銑床監控界面”，點擊右鍵，選擇下拉菜單中的“設置為啟動窗口”選項，將該窗口設置為運行時自動加載的窗口；

最后生成圖3所示的X62W銑床電機調速監控界面。依靠圖3的組態畫面，實現對系統的操作和監控。在畫面上可直觀的看到電機的正轉和反轉動作，轉速的指針和數字顯示，超速報警指示等。

圖3 X62W銑床電機調速監控界面

2）系統數據對象

MCGS用數據對象來表述系統中的實時數據。實時數據庫是所有數據對象的集合，是應用系統的數據處理中心。將實時數據庫中定義的各種開關型或數值型變量與監控畫面中相對應的儀表、按鈕、指示燈等連接起來，就可使動畫按照要求動起來。由圖1的PLC接線圖可見，此系統的輸入和輸出均是開關量，所以在MCGS組態的實時數據庫中對應的數據對象類型也是開關型的，部分數據對象定義如表1所示。

表1 部分數據對象定義

對 象 名 稱 類型 注 釋進給設定轉速 數值型 用于設定進給電動機轉速，控制進給電動機轉速變化進給實際轉速 數值型 用于檢測進給電機實際轉速，顯示電動機轉速的變化主軸轉速超限報警指示 數值型 用于設定主軸電動機轉速超限報警值進給轉速超限報警指示 數值型 用于設定進給電動機轉速超限報警值轉速組 組對象 用于歷史數據、歷史曲線、報表輸出等功能構件

在組態畫面設計完成后，必須對畫面進行設置，將用戶窗口中的圖形對象與實時數據庫中的數據對象建立對應連接關系，使系統在運行過程中，產生形象逼真的動畫效果。對某些通過常規組態方法難以實現的控制和計算任務，則需要使用腳本語言編寫腳本程序，實現特定的流程控制和操作處理[3]。

4 MCGS與PLC的通信設置

MCGS一般通過上位機的串行口和PLC上的編程口建立物理上的通訊連接，從而達到操作PLC的目的，起到監控作用。MCGS組態軟件在設備窗口中建立系統與外部硬件設備的連接關系，使系統能夠從外部設備讀取數據并控制外部設備的工作狀態，實現對工業過程的實時監控[4]。

MCGS“設備組態”方法是先調用MCGS串口通訊父設備構件，再找到三菱FX一232子設備構件，并掛接在串口父設備下。對串口父設備需打開其屬性窗口，在設備屬性設置中“串口端口號”設為0一C0Ml，通訊波特率設為：6～9 600，數據位位數：3～8位，數據校驗方式：偶校驗，1位停止位，數據采集方式：同步采集。設置完后單擊“確認”按鈕返回。而對于三菱FX一232子設備，要先打開其屬性窗口，設置好基本屬性中的設備名稱、初始工作狀態和最小采集周期(同父設備)，然后根據MCGS與FX系列PLC之間的通訊方式，再進行后面的設置。如果使用MCGS提供的Read和Write設備命令直接訪問PLC，則無需進一步設置；如果使用MCGS循環采樣方式自動周期性地訪問PLC，則還要對設備增加通道，建立通道連接，把PLC中相關繼電器(X，Y，M)和寄存器(D)與MCGS實時數據庫中的變量逐一建立對應關系，確定操作方式(讀或寫或讀寫)，設置工作才完成。

對PLC的通訊設置主要是設置PLC的特殊寄存器D8120。這是一個16位的特殊寄存器，其設置方法是在PLC程序中在PLC上電時，由初始化繼電器M8002驅動而自動寫入相關設置參數，或者在PC機上使用PLC開發系統軟件預先進行設置。FX系列PLC默認的通訊設置為D8120 =H0086，表示波特率為9600bps,7位數據，偶校驗，1位停止位，無命令頭和尾，不加校驗和，無協議通訊方式。如采用其它參數通訊，則必須修改D8120各個對應位的值。必須注意，MCGS與PLC的參數設置要一致，才能實現兩者之間的正確通信。

5 結論

本設計是應用PLC和MCGS組態技術對X62W銑床原有的繼電-接觸器控制系統進行改造。PLC與變頻器組成的交流變頻調速系統具有實時性好、響應速度快、可靠性高、操作方便、節約能源、節省投資等優點。應用MCGS組態軟件監控系統，減輕了操作人員的勞動強度，降低了設備維護費用，提高了系統的自動化水平，具有較高的推廣價值。

[1] 北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司.全中文工控組態軟件MCGS用戶指南.北京：MCGS公司,2003

[2] 包建華,丁啟勝,張興奎.工控組態軟件MCGS及其應用[J].工礦自動化,2007

[3] 許志軍.工業控制組態軟件及其應用[M].北京：機械工業出版社,2005

[4] 鄒偉,楊平,徐德.基于MCGS組態軟件的上位機控制系統設計[J].制造業自動化,2008(12)：103-108