基于MCGS、變頻器、PLC的電機(jī)七段速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

楊昱鑫，安芃芃

（1．蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730060；2．甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

進(jìn)入新時代，我國經(jīng)濟(jì)由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，正處在轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、優(yōu)化經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換增長動力的攻關(guān)期。經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的淘汰、新興產(chǎn)業(yè)的興起，將直接影響職業(yè)教育專業(yè)結(jié)構(gòu)布局的數(shù)量和規(guī)模，產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級中信息化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化的趨勢，對職業(yè)教育人才培養(yǎng)的規(guī)格和質(zhì)量也提出了更高的要求。職業(yè)教育質(zhì)量直接影響勞動者的素質(zhì)；影響產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級；影響人民對優(yōu)質(zhì)職業(yè)教育資源日益增長的需要；更影響職業(yè)教育的聲譽(yù)和吸引力。因此提高職業(yè)教育質(zhì)量需要做實(shí)產(chǎn)教融合、校企合作，在提高學(xué)生文化素質(zhì)的同時，培養(yǎng)其具有過硬的技術(shù)實(shí)踐能力，能夠思考問題、提出問題、分析問題、解決問題。本題目來源于電氣自動化技術(shù)專業(yè)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)生首先通過查閱相關(guān)資料分析論證題目的可行性，然后根據(jù)實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行項(xiàng)目的方案設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)應(yīng)用相關(guān)軟件，設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)，通電試車，最后答辯考核，通過這樣一個完整的過程來鍛煉并提高學(xué)生的綜合能力[1－5]。

1 設(shè)計(jì)要求

在本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用的軟件有博途V15、MCGS組態(tài)運(yùn)行環(huán)境及模擬運(yùn)行環(huán)境、CAD等。采用的硬件有 SIMATICS7－PLC、MCGS、變頻器ACS510－01－012A－4、三相異步電動機(jī)等。具體的控制要求為：在MCGS上按下一速至七速中任意按鈕，電動機(jī)按預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，相應(yīng)的指示燈亮，按下停止按鈕，電動機(jī)停止運(yùn)行。正轉(zhuǎn)最小起始頻率為5Hz，每個相鄰頻率間隔5Hz，最高為七速35Hz。

2 設(shè)計(jì)過程

該控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路是通過MCGS觸摸屏控制PLC的輸入，進(jìn)而通過PLC的程序控制PLC輸出，而PLC的輸出又控制變頻器的輸入，最后通過變頻器的輸出控制電動機(jī)的多段速運(yùn)行，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

2．1 變頻器 ACS510－01－012A－4

本設(shè)計(jì)中采用ACS510變頻器，它具有諸多的優(yōu)勢，能廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，適用各類型負(fù)載。有高級控制盤；可將電網(wǎng)側(cè)諧波降至最低；變感式電抗器、循環(huán)軟起、用戶自定義U／F曲線、超越模式、內(nèi)置RFI濾波器；四象限運(yùn)行以及無功功率補(bǔ)償功能；制動能量回饋至電網(wǎng)；安裝、調(diào)試以及運(yùn)行維護(hù)方便；多電平電壓源逆變器（VSI）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；成熟的高壓IGBT功率半導(dǎo)體技術(shù)以及直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）的電機(jī)控制平臺，保證了可靠性，延長了平均無故障時間（MTBF）并增加了利用率[6－8]。

設(shè)計(jì)先從最底層（變頻器－電動機(jī)）進(jìn)行，變頻器要控制電動機(jī)的模式運(yùn)行，需要將電動機(jī)的基本參數(shù)輸入變頻器，主要有變頻器宏定義選擇，電動機(jī)的額定電壓、額定頻率、額定轉(zhuǎn)速、額定功率、功率因數(shù)等，如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)宏控制電動機(jī)參數(shù)設(shè)置

電動機(jī)的參數(shù)設(shè)置完成之后，開始進(jìn)行多段速設(shè)置，首先選擇變頻器在標(biāo)準(zhǔn)宏下運(yùn)行，其控制模式選擇遠(yuǎn)程控制模式REM，即通過外部端子控制。然后進(jìn)入?yún)?shù)中開始設(shè)置具體各段速的頻率。1201 選擇 13 模式，如表2 所示，DI5（17）～ DI1（13）是變頻器的5個數(shù)字量輸入端口，這5個端口可以用5位二進(jìn)制數(shù)的組合唯一表示，其中1表示該端子施加24V直流電壓，0表示該端子無電壓。通過這5個端子的得電與否組合，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)唯一頻率運(yùn)行。例如，在這五個端子中，僅當(dāng)DI3、DI1得電施加24V電壓時，電動機(jī)按預(yù)先設(shè)定的一速5Hz正向旋轉(zhuǎn)，其他運(yùn)行模式類似。

表2 參數(shù)1201＝13時變頻器的運(yùn)行

2．2 SIMATICS7－PLC 程序

變頻器參數(shù)設(shè)置完并調(diào)試運(yùn)行后，進(jìn)行PLC程序的編寫，主要是利用PLC的輸出Q來控制變頻器數(shù)字量DI5（17）～DI1（13）號端子的輸入。這里我們以1段速正轉(zhuǎn)程序來具體說明，如圖2所示。

圖2 1段速正轉(zhuǎn)程序

PLC的編程軟件采用博途V15，在圖2中，利用MOVE傳送指令，當(dāng)1段速正轉(zhuǎn)啟動按下之后，即PLC的輸入I0．1常開閉合，此時傳送指令從左側(cè)母線得電，二進(jìn)制數(shù)00101從IN進(jìn)入被傳送至OUT1，剛好是表1中1段速正轉(zhuǎn)所對應(yīng)的變頻器5個端子的數(shù)字量輸入，OUT1接QB0寄存器，即PLC的 Q0．7～ Q0．0，左側(cè)高位，右側(cè)低位。因此，二進(jìn)制數(shù)00101被送入 PLC 的輸出端 Q0．7～ Q0．0，即此時僅有Q0．0、Q0．2為1得電，其余Q輸出端為0不得電。當(dāng) Q0．x（x＝0、1……7）得電，其與公共點(diǎn)接通，對外有輸出，而 Q0．4～Q0．0 與變頻器 DI5（17）～ DI1（13）號端子一一對應(yīng)相連，所以完成了通過PLC的輸出Q來控制變頻器的輸入DI，實(shí)現(xiàn)多段速控制。同理，只要給定IN的其他二進(jìn)制的輸入，就可以得到其他段速控制。

停止程序如圖3所示，只需要給IN輸入0即可，此時Q0．x均為0，PLC無輸出，變頻器DI輸入端不得電，因而也無輸出，電動機(jī)停止運(yùn)行。

圖3 停止程序

2．3 MCGS觸摸屏組態(tài)環(huán)境

PLC的程序調(diào)試完成后，進(jìn)行MCGS控制界面的設(shè)計(jì)，如圖4所示，利用工具箱添加啟停按鈕及對應(yīng)的指示燈；建立實(shí)時數(shù)據(jù)庫如圖5所示，定義停止按鈕及七段速啟動按鈕的數(shù)據(jù)類型，這里選擇開關(guān)型，然后進(jìn)行變量關(guān)聯(lián)；建立8個數(shù)據(jù)通道，通道0～通道7分別對應(yīng)不同的控制模式，變量關(guān)聯(lián)如圖6所示。PLC的輸入端程序需要把I寄存器改變?yōu)镸寄存器進(jìn)行關(guān)聯(lián)，輸出Q寄存器直接關(guān)聯(lián)指示燈即可。對于PLC和MCGS之間的通信，需要對TCP／IP父設(shè)備和西門子CP443－1以太網(wǎng)模塊進(jìn)行分別配置，這里的地址至關(guān)重要，因?yàn)槭荕CGS控制PLC，所以MCGS為父設(shè)備，PLC為遠(yuǎn)端設(shè)備，即本地IP地址為觸摸屏父設(shè)備的地址，遠(yuǎn)端IP地址為PLC子設(shè)備的地址。

圖4 MCGS界面

圖5 實(shí)時數(shù)據(jù)庫建立

圖6 變量關(guān)聯(lián)

2．4 電路接線圖

利用CAD繪制電路接線圖如圖7所示，圖中電源模塊是將交流220V電壓變換為直流24V，分為兩路，其中一路作為電源供給MCGS，另外一路給PLC的數(shù)字量輸入、輸出模塊；PLC和MCGS采用以太網(wǎng)通信，網(wǎng)線一端接MCGS的LAN口，另外一端接 PLC 的 Port2 口；PLC 的輸出端 Q0．0～Q0．4分別直接與變頻器的輸入端DI1～DI5對應(yīng)相連。L1、L2、L3 為變頻器的電源進(jìn)線，U2、V2、W2 直接接三相異步電動機(jī)。

圖7 電路接線圖

3 系統(tǒng)調(diào)試

根據(jù)電路接線圖完成系統(tǒng)硬件接線，然后從底層進(jìn)行逐步調(diào)試，首先看能否通過變頻器單獨(dú)控制電動機(jī)實(shí)現(xiàn)七段速，如果不行，檢查參數(shù)設(shè)置，如果可以，接著對PLC程序進(jìn)行調(diào)試，這里直接測試在不同的輸入下，PLC的輸出指示燈是否與表2中的8種電動機(jī)運(yùn)行模式一一對應(yīng)。如果對應(yīng)，證明程序無誤。接著MCGS與PLC進(jìn)行變量關(guān)聯(lián)，設(shè)置通訊參數(shù)，最后對整體系統(tǒng)上電試車。

4 結(jié)論

通過對電動機(jī)七段速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，學(xué)生掌握了PLC、ABB變頻器、MCGS的基本使用方法，熟悉了系統(tǒng)的整個設(shè)計(jì)流程。對于PLC程序的編寫、變頻器參數(shù)的設(shè)置、MCGS界面的制作、各硬件之間的接線以及各模塊之間的通信配置都有了更深入的理解，為畢業(yè)后從事相關(guān)工作奠定了基礎(chǔ)。