基于THWEEA-1 型現代電氣控制系統實訓考核裝置電氣控制系統的關鍵技術

王軍

(隨州職業技術學院，湖北隨州，441300)

0 引言

本文選用的實訓裝置中的PLC 系統有西門子或三菱系統，用戶根據各自需要進行選擇配置。本文介紹了三菱Q 系列00UCPU 與FX3U 系列兩臺PLC 之間的CCLINK 聯機調試；Q 系列CPU 與MCGS 連接通訊設置方法；絲杠滑臺與步進電機的安裝、步進電機控制等方法。

1 三菱Q 系列PLC 與 CCLink 現場總線

1.1 三菱Q 系列PLC

Q 系列PLC 是三菱公司從A 系列PLC 基礎上發展起來的大中型PLC 系列產品，采用了模塊化的結構形式，組成與規模靈活可變，最大輸入輸出點數達到4096 點，最大程序存儲器容量可達252KB，采用擴展存儲器后可以達到32M，基本指令的處理速度達34ns，適用于各種中等復雜機械、自動生產線的控制場合[1]。

1.2 CCLink 現場總線

控制與通信鏈路系統(CCLink)是三菱電機最新推出的開放式現場總線，其數據容量大,通信速度多級可選。它是一個以設備層為主的網絡，可覆蓋較高層次的控制層和較低層次的傳感層。一般情況下,CC-Link 整個一層網絡可由1 個主站和64 個從站組成。CClink 可不用操作指令，只需在編程軟件中進行相關參數和地址設置，工程下載后，系統自動查訊模塊的運行狀態，并將檢查結果通過模塊的指示燈進行顯示。CClink 遵守通訊只有一個主站的方式，主站在整個網絡系統中是控制數據鏈接系統的站。從站被動享受主站帶來的數據信息，主站可以享受任何從站信息。

1.3 實訓裝置的CCLink 網絡組態

2 臺FX2N-32CCL 和1 臺QJ61BT11N 模塊組成了電控系統的CCLink 網絡。FX2N-32CCL 是將PLC 連入CCLink 網絡的接口模塊，可連接FX2N 系列小型PLC，作為遠程設備站，形成簡單的分散控制系統。如圖1 所示，2 臺FX2N-32CCL 模塊分別與2 臺FX3UPLC 相連接，其電源由外接24VDC 開關電源供電；系統主站采用Q35B 基板，實現主站PLC 對電源內模塊、CPU 模塊、QJ61BT11N 模塊的要求。電源模塊采用Q61P，其輸入電壓為220VAC，輸出為5VDC, 6A ,為主站CPU 模塊、QJ61BT11N 模塊及輸入輸出模塊進行供電；MCGS7062TX 觸摸屏通過專用通訊線與主站CPU 連接，實現對主站程序中內部元件的監視和控制。

圖1 現代電氣控制系統總線連接示意圖

2 組態技術

2.1 MCGS 組態軟件的體系結構

監視與控制通用系統（MCGS）是一套基于Windows 平臺、用于快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統，主要完成現場數據的采集與監測、前端數據的處理與控制，并以動畫顯示、報警處理、流程控制和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案。

2.2 MCGS 與Q 系列00UCPU 的連接

正確安裝MCGS 組態軟件和設備驅動后，打開組態工作臺，點擊“設備窗口”，雙擊“設備組態”圖標打開窗口，點擊“設備管理”，用戶根據系統硬件信息進行相應驅動的添加或刪除操作。然后，用戶在設備工具箱中依次選擇“通用串口父設備”和“三菱Q 系列編程口”，雙擊后將驅動添加到設備組態窗口中。

在“設備窗口”中，右鍵單擊“通用串口父設備”，選擇“屬性”進行設備屬性編輯設定。根據Q 系列00UCPU 的通訊參數設置端口號、通訊波特率、數據位以及校驗方式。然后，右鍵單擊“三菱Q 系列編程口”，選擇“屬性”進行PLC 類型設置，類型選擇“三菱_Q02UCPU”。MCGS 軟件提供了三菱各類CPU的通訊驅動動態庫，用戶在使用前根據信息進行正確的設置，MCGS 內部主程序通過調用動態連接庫來與外部設備(硬件PLC)通訊，進行實時控制設備動作執行和顯示設備運行狀態。

3 步進電機控制技術

3.1 步進電機工作原理

步進電動機又稱脈沖電機，其利用電脈沖信號來進行控制，可將電脈沖信號轉化為相應的角位移或直線位移的執行體系。因受到電脈沖的控制，其角位移量與輸入電脈沖數成正比，轉速與電脈沖的頻率成正比，故可通過控制脈沖數量來控制角位移量，以達到精確控制定位的目的。此外，步進電機可通過改變通電的順序來改變電機旋轉的方向。

3.2 PLC 控制步進電機的組成及原理

THWEEA-1 型實訓裝置的PLC 控制步進電機的硬件組成主要有監控界面、PLC 控制器、步進電機驅動器以及步進電機等。監控界面通過觸摸屏與PLC 之間通信來對電機執行過程進行操作監控，可通過觸摸屏來設置PLC 發送脈沖數量和方向信號。PLC 是步進電機控制系統的核心，根據觸摸屏參數設置和開關信息，PLC 經過內部的程序運算來控制步進電機的運行狀態，并且觸摸屏實時更新PLC 內部寄存器元件的狀態，從而達到實時監控的目的。步進電機的驅動器接收來自PLC 的脈沖和方向輸出信號，在其內部電路的轉換和處理后，再驅動步進電機運行。

在步進電機選型時,要根據PLC 輸出信號的極性生來決定，要選擇方便接收PLC 輸出信號的驅動器模塊，以提高安裝效率。該實訓裝置選擇了帶細分功能的驅動器，控制器PLC是三菱FX3U-MT 型,具有兩路高速脈沖輸出功能。用戶可根據設計要求和驅動器操作說明設計PLC 控制步進電機電路，可做單臺PLC 控制步進電機的實驗，也可做單臺PLC 既控制步進電機又控制伺服電機的實驗，也可結合觸摸屏、主從站PLC，構成網絡化的控制系統[2]。

4 變頻器調速控制技術

4.1 變頻器工作原理

現在使用的變頻器主要采用交-直-交方式（VVVF 變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再將直流電源轉成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。

4.2 變頻器的安裝

該實訓裝置配備的變頻器是三菱FR-E740-0.75K型,E740 表示其電壓極數為3 相400V 級，0.75 表示其輸出容量。在安裝變頻器控制信號電路時，需要拆卸前蓋板，拆卸時直接用手向外扣動，禁用金屬工具撬動，安裝時反方向按下即可。在安裝變頻器電源輸入部分和輸出部分時，需要拆卸蓋線板。蓋線板在變頻器的正面下方區域，直接向前拉即可拆下，電源配線完成后反方向從安裝導槽安裝即可。電源線必須連接至R/L1,S/L2,T/L3，絕不能接在U、V、W，否則會損壞變頻器（不需要考慮相序），電機連接到U、V、W。接通正轉開關（信號）時，電機的轉向從負載軸方向看為逆時針方向。

4.3 變頻器的運行及參數設置注意事項

變頻器主電路及控制電路安裝完畢后，可進行功能性調試。初次進行變頻器實訓項目時，為確保安全僅設置熟悉參數，只需給變頻器接通電源，即可進行面板參數設置操作。變頻器的設定參數較多，設置參數時需依據實際情況，設置不當會導致變頻器不能正常工作。變頻器的控制方式有速度控制、轉矩控制、PID 控制等，確定控制方式后，根據控制精度進行靜態或動態辨識。電機在低轉速下運行時的散熱效果較差，長時間運行會導致電機發熱燒毀，電纜中的電流也會因此增大導致發熱。變頻器最大頻率為60Hz，有的甚至到400Hz。高頻率將使電機高速運轉，普通電機的軸承不能長時間超額定轉速運行，電機的轉子也無法承受大的離心力。

5 結論

除了本文介紹的Q 系列CPU 與主站從站模塊CCLink 網絡通信、步進電機控制、變頻器驅動控制等關鍵技術技能外，THWEEA-1 型裝置還有模擬量輸入輸出、485 通訊、伺服驅動控制和普通機床電控實訓等電氣控制技術[3]。