多段速PLC控制系统设计

1、1 引言1.1 论文研究的背景及意义在现代工业社会中许多机械由于工艺需要，要求对电动机调速。随着变频调速技术的发展和成熟，交流电动机的应用越来越广泛，采用变频调速能够更好的提高生产机械的控制精度、生产效率和产品质量，有利于实现生产过程的自动化，和工作经济的需要.使交流拖动系统具有优良的控制性能，而且在许多生产场合具有显著的节能效果，交流调速正逐步取代直流调速，往往需要进行是失量控制和直接转矩控制，来满足各种工艺要求1。近年来，随着大功率电力晶体管和计算机控制技术的发展，变频器被广泛应用于三相交流异步电动机的调速、节能改造、改善生产工艺等。异步电动机调速的基本途径有：改变电动机的极对数p（即变极

2、调速）、改变电动机的转差率s（即变转差率调速）和改变电动机的电源频率f1（即变频调速）。本文是针对变频调速的设计，采用变频对异步电动机进行调速，具有调速范围广、静态稳定性好、运行效率高、使用方便、可靠性高、经济效益显著等优点2。1.2 多段速的应用现代工业生产中，在不同场合下要求生产机械采用不同的速度进行工作，以保证生产机械的合理运行，并提高产品的质量。改变生产机械的速度就是调速。如金属切削机械在进行精加工时，为提高工件的表面光洁度而需要提高切削速度，对鼓风机和泵类负载，用调节转速来调节流量的方法，比通过阀门来调节的方法更要节能等等。20世纪70年代，随着交流电动机的调速控制理论、电力电子技术

3、、以微处理为核心的全数字化控制等关键技术的发展，交流电动机变频调速技术逐步成熟。目前，变频技术的运用几乎已经扩展到了工业的所有领域，并且在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛的应用3。变频调速的核心是变频器，本设计主要针对变频器控制电动机实现八段速运行作相应介绍。2 MCGS通用版组态软件简介计算机技术和网络技术的飞速发展，为工业自动化开辟了广阔的发展空间，用户可以方便快捷地组建优质高效的监控系统，并且通过采用远程监控及诊断、双机热备等先进技术，使系统更加安全可靠，在这方面，MCGS系列（通用版、网络版、嵌入版）工控组态软件将为您提供强有力的软件支持。2.1 MCGS组态软件的功能和特

4、点MCGS即监视与控制通用系统，英文全称为Monitor and Control Generated System。MCGS是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。MCGS工控组态软件的功能和特点可归纳如下：（1）概念简单，易于理解和使用。普通工程人员经过短时间的培训就能正确掌握、快速完成多数简单工程项目的监控程序设计和运行操作。用户可避开复杂的计算机软硬件问题，集中精力解决工程本身的问题4，按照系统的规定，组态配置出高性能、高可靠性、高度专业化的上位机监控系统。（2）功能齐全，便于方案设计。MCGS为解决工程监控问题提供

5、了丰富多样的手段，从设备驱动（数据采集）到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出、曲线显示等各个环节，均有丰富的功能组件和常用图形库可供选用，用户只需根据工程作业的需要和特点，进行方案设计和组态配置，即可生成用户应用软件系统5。(3)实时性与并行处理。MCGS充分利用了Windows操作平台的多任务、按优先级分时操作的功能，使PC机广泛应用于工程测控领域成为可能。工程作业中，大量的数据和信息需要及时收集，即时处理，在计算机测控技术领域称其为实时性任务关键任务，如数据采集、设备驱动和异常处理等6。另外许多工作则是非实时性的，或称为非时间关键任务，如画面显示，可在主机运行周期时间内插空进

6、行。而像打印数据一类的工作，可运行于后台，称为脱机作业。MCGS是真正的32位系统，可同时运行于Microsoft Windows95，98和Microsoft Windows NT平台，以线程为单位进行分时并行处理。（4）建立实时数据库，便于用户分步组态，保证系统安全可靠运行。MCGS组态软件由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成。其中的“实时数据库”是整个系统的核心。在生成用户应用系统时，每一部分均可分别进行组态配置，独立建造，互不相干；而在系统运行过程中，各个部分都通过实时数据库交换数据，形成互相关联的整体7。实时数据库是一个数据处理中心，是系统各个部分及其各种功

7、能性构件的公用数据区。各个部件独立地向实时数据库输入和输出数据，并完成自己的差错控制。（5）设立“设备工具箱”，针对外部设备的特征，用户从中选择某种“构件”，设置于设备窗口内，赋予相关的属性，建立系统与外部设备的连接关系，即可实现对该种设备的驱动和控制。不同的设备对应于不同的构件，所有的设备构件均通过实时数据库建立联系，而建立时又是相互独立的，即对某一构件的操作或改动，不影响其它构件和整个系统的结构，从这一意义上讲，MCGS是一个“设备无关”的系统，用户不必因外部设备局部改动，而影响整个系统。（6）“面向窗口”的设计方法，增加了可视性和可操作性。以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得M

8、CGS的组态工作既简单直观，又灵活多变。用户可以使用系统的缺省构架，也可以根据需要自己组态配置，生成各种类型和风格的图形界面，包括DOS风格的图形界面、标准Windows风格的图形界面以及带有动画效果的工具条和状态条。（7） 利用丰富的“动画组态”功能，快速构造各种复杂生动的动态画面。以图象、图符、数据、曲线等多种形式，为操作员及时提供系统运行中的的状态、品质及异常报警等有关信息。用变化大小、改变颜色、明暗闪烁、移动翻转等多种手段，增强画面的动态显示效果。图元、图符对象定义相应的状态属性，即可实现动画效果。同时，MCGS为用户提供了丰富的动画构件，模拟工程控制与实时监测作业中常用的物理器件的动

9、作和功能。每个动画构件都对应一个特定的动画功能。如：实时曲线构件、历史曲线构件、报警显示构件、自由表格构件等。（8）引入“运行策略”的概念。复杂的工程作业，运行流程都是多分支的。用传统的编程方法实现，既繁琐又容易出错。MCGS开辟了“策略窗口”，用户可以选用系统提供的各种条件和功能的“策略构件”，用图形化的方法构造多分支的应用程序，实现自由、精确地控制运行流程，按照设定的条件和顺序，操作外部设备，控制窗口的打开或关闭，与实时数据库进行数据交换。同时，也可以由用户创建新的策略构件，扩展系统的功能。（9） MCGS系统由五大功能部件组成，主要的功能部件以构件的形式来构造。不同的构件有着不同的功能，

10、且各自独立。三种基本类型的构件（设备构件、动画构件、策略构件）完成了MCGS系统三大部分（设备驱动、动画显示和流程控制）的所有工作。用户也可以根据需要，定制特定类型构件，使MCGS系统的功能得到扩充。这种充分利用“面向对象”的技术，大大提高了系统的可维护性和可扩充性。（10）支持OLE Automation技术。MCGS允许用户在Visual Basic中操作MCGS中的对象，提供了一套开放的可扩充接口，用户可根据自己的需要用VB编制特定的功能构件来扩充系统的功能。（11）MCGS中数据的存储不再使用普通的文件，而是用数据库来管理一切。组态时，系统生成的组态结果是一个数据库；运行时，数据对象、

11、报警信息的存储也是一个数据库。利用数据库来保存数据和处理数据，提高了系统的可靠性和运行效率，同时，也使其它应用软件系统能直接处理数据库中的存盘数据。（12）设立“对象元件库”，解决了组态结果的积累和重新利用问题。所谓对象元件库，实际上是分类存储各种组态对象的图库。组态时，可把制作完好的对象（包括图形对象，窗口对象，策略对象，以至位图文件等等）以元件的形式存入图库中，也可把元件库中的各种对象取出，直接为当前的工程所用。随着工作的积累，对象元件库将日益扩大和丰富，组态工作将会变得越来越简单方便。（13）提供对网络的支持。考虑到工控系统今后的发展趋势，MCGS充分运用现今发展的DCCW(Distri

12、buted Computer Cooperator Work)技术，即分布式计算机协同工作方式，来使分散在不同现场之间的采集系统和工作站之间协同工作。通过MCGS，不同的工作站之间可以实时交换数据，实现对工控系统的分布式控制和管理。2.2 MCGS组态软件的系统构成2.2.1 MCGS组态软件的整体结构MCGS组态软件（以下简称MCGS）由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。两部分互相独立，又紧密相关。MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备

13、连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS 运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程” 。MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序McgsRun.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。在运行环境中完成对工程的控制工作。2.2.2 MCGS工程的五大部分MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。(1)主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用

14、户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括：定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。(2)设备窗口：是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。(3)用户窗口：本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。(4)实时数据库：是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连

15、接及设备驱动的对象。(5)运行策略：本窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序（ifthen脚本程序），选用各种功能构件，如：数据提取、历史曲线、定时器、配方操作、多媒体输出等。 图2.2 MCGS组态软件构成图2.3 MCGS组态软件的工作方式MCGS如何与设备进行通讯：MCGS通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。包括数据采集和发送设备指令。设备驱动程序是由VB程序设计语言编写的DLL（动态连接库）文件，设备驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的处理程序，将设备运行状态的特征数据采集进来或发送出去。MCGS负责在运行环境中调用相应的设备驱动程序，将数据传送到工程中各个部分，完成整个

16、系统的通讯过程。每个驱动程序独占一个线程，达到互不干扰的目的。MCGS如何产生动画效果：MCGS为每一种基本图形元素定义了不同的动画属性，如：一个长方形的动画属性有可见度，大小变化，水平移动等，每一种动画属性都会产生一定的动画效果。所谓动画属性，实际上是反映图形大小、颜色、位置、可见度、闪烁性等状态的特征参数。然而，我们在组态环境中生成的画面都是静止的，如何在工程运行中产生动画效果呢？方法是：图形的每一种动画属性中都有一个“表达式”设定栏，在该栏中设定一个与图形状态相联系的数据变量，连接到实时数据库中，以此建立相应的对应关系，MCGS称之为动画连接。当工业现场中测控对象的状态（如：储油罐的液面

17、高度等）发生变化时，通过设备驱动程序将变化的数据采集到实时数据库的变量中，该变量是与动画属性相关的变量，数值的变化，使图形的状态产生相应的变化（如大小变化）。现场的数据是连续被采集进来的，这样就会产生逼真的动画效果（如储油罐的液面的升高和降低）。用户也可编写程序来控制动画界面，以达到满意的效果。MCGS如何实施远程多机监控：MCGS提供了一套完善的网络机制，可通过TCP/IP网、Modem网和串口网将多台计算机连接在一起，构成分布式网络测控系统，实现网络间的实时数据同步、历史数据同步和网络事件的快速传递。同时，可利用MCGS提供的网络功能，在工作站上直接对服务器中的数据库进行读写操作。分布式网

18、络测控系统的每一台计算机都要安装一套MCGS工控组态软件。MCGS把各种网络形式，以父设备构件和子设备构件的形式，供用户调用，并进行工作状态、端口号、工作站地址等属性参数的设置8。如何对工程运行流程实施有效控制：MCGS开辟了专用的“运行策略”窗口，建立用户运行策略。MCGS提供了丰富的功能构件，供用户选用，通过构件配置和属性设置两项组态操作，生成各种功能模块（称为“用户策略”），使系统能够按照设定的顺序和条件，操作实时数据库，实现对动画窗口的任意切换，控制系统的运行流程和设备的工作状态。所有的操作均采用面向对象的直观方式，避免了烦琐的编程工作。2.4 MCGS组态软件的操作方式系统工作台面是

19、MCGS组态操作的总工作台面。鼠标双击Windows95/98/NT工作台面上的“MCGS组态环境”图标，或执行“开始”菜单中的“MCGS组态环境”菜单项，弹出的窗口即为MCGS的工作台窗口，设有：（1）标题栏：显示“MCGS组态环境-工作台”标题、工程文件名称和所在目录；（2）菜单条：设置MCGS的菜单系统；（3）工具条：设有对象编辑和组态用的工具按钮。不同的窗口设有不同功能的工具条按钮。工作台面可进行组态操作和属性设置。上部设有五个窗口标签，分别对应主控窗口、用户窗口、设备窗口、运行策略和实时数据库五大窗口9。鼠标单击标签按钮，即可将相应的窗口激活，进行组态操作；工作台右侧还设有创建对象和

20、对象组态用的功能按钮；组态工作窗口是创建和配置图形对象、数据对象和各种构件的工作环境，又称为对象的编辑窗口。主要包括组成工程框架的五大窗口，即：主控窗口，用户窗口，设备窗口，运行策略窗口，实时数据库窗口。分别完成工程命名和属性设置、动画设计、设备连接、编写控制流程、定义数据变量等项组态操作。属性设置窗口是设置对象各种特征参数的工作环境，又称属性设置对话框。对象不同，属性窗口的内容各异，但结构形式大体相同。主要由下列几部分组成：（1）窗口标题：位于窗口顶部，显示“属性设置”字样的标题；（2）窗口标签：不同属性的窗口分页排列，窗口标签作为分页的标记，各类窗口分页排列，鼠标单击窗口标签， 即可将相应

21、的窗口页激活，进行属性设置；（3）输 入 框：设置属性的输入框，左侧标有属性注释文字，框内输入属性内容。为了便于用户操作，许多输入框的右侧带有“？”、“”、“” 等标志符号的选项按钮，鼠标单击此按钮，弹出一列表框，鼠标双击所需要的项目，即可将其设置于输入框内；（4）选 项 钮：带有“”标记的属性设定器件。同一设置栏内有多个选项钮时，只能选择其一；（5）复 选 框：带有“”标记的属性设定器件。同一设置栏内有多个选项框时，可以设置多个；（6）功能按钮：一般设有“检查C”、“确认Y”、“取消N”、“帮助H”四种按钮：“检查C”按钮用于检查当前属性设置内容是否正确；“确认Y”按钮用于属性设置完毕，返回

22、组态窗口； “取消N”按钮用于取消当前的设置，返回组态窗口；“帮助H”按钮用于查阅在线帮助文件。图形库工具箱包括：（1）系统图形工具箱：进入用户窗口，鼠标点击工具条中的“工具箱”按钮，打开图形工具箱，其中设有各种图元、图符、组合图形及动画构件的位图图符。利用这些最基本的图形元素，可以制作出任何复杂的图形。（2）设备构件工具箱：进入设备窗口，鼠标点击工具条中的“工具箱”按钮，打开设备构件工具箱窗口，其中设有与工控系统经常选用的测控设备相匹配的各种设备构件。选用所需的构件，放置到设备窗口中，经过属性设置和通道连接后，该构件即可实现对外部设备的驱动和控制。（3）策略构件工具箱：进入运行策略组态窗口，

23、鼠标点击工具条中的“工具箱”按钮，打开策略构件工具箱，工具箱内包括所有策略功能构件。选用所需的构件，生成用户策略模块，实现对系统运行流程的有效控制。（4）对象元件库：对象元件库是存放组态完好并具有通用价值动画图形的图形库便于对组态成果的重复利用。进入用户窗口的组态窗口，执行“工具”菜单中的“对象元件库管理”菜单命令，或者打开系统图形工具箱，选择“插入元件”图标，可打开对象元件库管理窗口，进行存放图形的操作。 （5）工具按钮一览：工作台窗口的工具条一栏内，排列标有各种位图图标的按钮，称为工具条功能按钮，简称为工具按钮。许多按钮的功能与菜单条中的菜单命令相同，但操作更为简便，因此在组态操作中经常使

24、用。在本书的后面，用附表列出了各个窗口内工具按钮的名称、位图、功能，以备用户查阅。3 PLC简介3.1 PLC发展状况及其前景PLC英文全称Programmable Logic Controller ，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC 10。PLC是一种专门为

25、在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable ,是世界上公认的第一台PLC。 20世纪70年代中末期，可编

26、程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到

27、大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了

28、可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地11。 21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品

29、牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。3.2 PLC的结构及其功能从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU

30、模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 3.2.1 CPU的构成 CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关

31、电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令12。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 3.2.2 I/O模块 PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器

32、反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。 常用的I/O分类如下： 开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。 除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按I/O点数确定模块规格及数量，I

33、/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 3.2.3 电源模块 PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。 3.2.4 底板或机架 大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。 3.2.5 PLC系统的其它设备 编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统

34、作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器13，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。 人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。 PLC的通信联网：依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出网络就是控制器的观点说法。 PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间

35、能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信现在主要采用通过多点接口（MPI）的数据通讯、PROFIBUS 或工业以太网进行联网14。3.3 松下FP0特点本设计基于松下FP0的各种优点，选择了松下FP0系列PLC。松下FP0系列PLC具有以下特点：超小型尺寸，具有世界上最小的安装面积，宽25X高90X长60毫米。轻松扩展，扩展单元可直接连接到控制单元上、不需任何电缆。 从I/O 10点到最大I/O 128点的选择空间。拥有广泛的应用领域。4 变频器简介4.1 变频器的组成及作用变频器是利用电力半导体器件

36、的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。它主要由两部分电路构成，一是主电路（整流模块、电解电容和逆变模块），二是控制电路（开关电源板、控制电路板）15。CPU就安装在控制电路板上，变频器的操作软件烧录在CPU上，同一型号的变频器软件是固定的，唯一例外的就是三晶变频器，软件可根据使用需求更改。变频器通常分为4部分：整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。整流单元将工作频率固定的交流电转换为直流电；高容量电容存储转换后的电能；逆变器由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波；控制器按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的交流电，驱动

37、交流电动机。变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，得到广泛应用。变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器+交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新阶段。4.2 变频器的工作原理主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频

38、电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。 （1）整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。 （2）平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。 （3）逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，

39、以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。 控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。 （1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。 （2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。 （3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、

40、关断。 （4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转16。 （5）保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。4.3 松下VF0变频器简介4.3.1 松下VF0变频器特点为了满足各类机器小型化的需要，实现了同类产品中最小型化的目标 0.2KW和0.4KW型，宽78mm高110mm，体积仅松下公司过去产品的40%50% 可与PLC直接调节频率、直接接收PLC的PWM信号并可控制电动机频率 采用了新设计的调频电位器

41、，用操作盘就可容易地操作正转/反转 内装8段速控制制动功能（0.2KW无制动功能），再试功能等4.3.2 主电路接线 图4.1 主电路接线图4.3.3 控制电路接线 图4.2 控制电路接线图各端子介绍如下： 表4.1 端子功能表4.3.4 各部分名称及功能 图4.3 VF0变频器结构图5 PLC基于三相异步电机的多段速控制5.1 变频器与电机连接调试5.1.1 接线及操作方法主线路接线方式详见图4.1接线时注意事项：1） 将电源连接到输入端子（L,N）上，电动机连接到输出端子（U,V,W）上。2） 电源和电动机的端子请使用带套筒的圆形压紧式端子。3） 主电路接线后，一定要确认连接的是否牢靠。否

42、则一旦控制电路接线后会因电线的进出受到限制而不能重新拧紧主电路。4） 以最短方式连接到大容量电源变压器时（500KVA以上），在变频器的输入端一定要设置改善功率因数的扼流圈（可选件）17。5） 为了适应CE标记的要求，变频器的电源输入端，必须设置过电流、短路以及漏电的保护设备。利用操作板设定频率及正反转功能。在操作板上设定频率和正转/反转功能有两种方式。1） 设定频率：电位器设定方式、数字设定方式2） 正转/反转运行：正转运行/反转运行方式、运行/停止旋转方向模式设定方式5.1.2 变频器实现对电机的多段调速功能（1）通过设定SW1.2.3（控制电路端子No.7.8.9）的控制功能，实现对电机

43、的多速控制。将SW功能设定为多速功能是的SW输入组合动作如下表所示。表5.1 多段速SW输入组合表注1）第一速为用参数P09所设定的频率设定信号的指令值。注2）第2-8速为用参数P32-38所设定的频率。（2）由于多功能输入端子No.7.8.9（SW1，SW2，SW3），可选择9种功能，它们是通过设定参数P19，P20，P21的值来实现的，而多段速SW功能要这三个参数设定为0，所以参数P19/P20/P21设定数据值为0。（3）设定参数P03：在最大输出频率（50-250Hz）之中，可单独任意设定50.60Hz和50-250Hz的V/F方式。表5.2 参数P03功能表根据本设计的要求，将P03

44、设定为FF模式。（4）最大输出频率和基本频率的设定：设定最大输出频率(参数P15)为100Hz，设定基本频率（参数P16）为50Hz。（5）下限频率和上限频率的设定：设定下限频率（参数P53）为0.5Hz，设定上限频率（参数P54）为150Hz。（6）频率设定信号（参数P09）可选择利用板前操作或遥控操作的输入信号来进行频率设定信号的操作。表5.3 参数P09功能表注1）使用4-20mA信号时，在端子No.2-3之间必须接上“200欧电阻”。（如不接200欧电阻，有可能会造成变频器损坏。注2）在数据设定为“1”以外的模拟信号的情况下，变频器在这个输入信号全刻度的约1/100的条件下进行运行/停

45、止操作。（零电压停止功能：请参照第56页）根据上表，本设计选择数据设定为“1”的模拟信号，按下操作板上的MODE键，选择频率设定模式（Fr），按下SET键之后，显示出用上升键或下降键所设定的频率，按下SET键进行设定确定。设定P09的指令频率为5Hz。（7）P09的指令频率即为第一速频率，参数P32-38所设定的值为第2-8速，本设计设定：P32=20Hz；P33=30Hz；P34=40Hz；P35=50Hz；P36=60Hz；P37=70Hz；P38=80Hz。通过以上参数的设定，改变控制电路端子No7、8、9的通断即可实现多段调速。5.1.3 实现电机启、停和正、反转功能选择运行指令（参数

46、P08）可选择用操作板（面板操作）或用外控操作的输入信号来进行运行/停止和正转/反转。表5.4 参数P08功能表*操作板复位功能异常中断时，用外控停止信号不能复位，要使用“此操作板上的停止SW信号进行复位的功能”。但是，当使用复位锁定功能时，复位锁定功能将会优先。另外复位功能也有效。（1）正转运行/反转运行方式（将参数P08设定为“1”）按下操作板上的键（正转）或键（反转）来选择旋转方向，按下RUN键则开始运行。按下STOP键为停止运行。注：仅按下RUN键时不会运行。当频率设定为数字设定方式时，MOP功能不能使用。（2）运行/停止旋转方向模式设定方式（参数P08设定为“0”）最初按两次MODE

47、键使其变为旋转方向设定模式，用SET键显示旋转方向数据，用上升键或下降键改变旋转方向，用SET键进行设定18。（出厂时已设定为正转状态）然后，按下RUN键使其开始运行，按下STOP键使其停止运行。本次变频器操作运用操作板运行操作：正转/反转功能：正转运行/反转运行（参数P08=1）频率设定：电位器设定（参数P09=0）此时运行频率为25赫兹时的正转电源ON(显示部显示灯亮)设定正转（按下上升键将旋转方向设定为正转，现行状态：O为停止，F为正转，r为反转）状态为运行指令（按下RUN键，虽已变为运行状态，但因频率受设定钮在Min.位置上，所以处于零电压停止状态）状态为设定频率（慢慢向右转动频率设定

48、钮，使电动机开始运行，当显示为25.0时，即在25赫兹下运行）状态为改变频率（将频率设定钮向右转动，使之达到50赫兹，电动机旋转速度上升，将达到50赫兹）状态为停止指令（按下STOP键，电机开始转速，约5秒后停止）状态为。反转运行操作一致，状态出现正常，可通过频率改变实现电机转速的变化，但是操作比较麻烦，人力需要多19。5.2 PLC、变频器及电动机的连接调试5.2.1 PLC控制电机正反转图5.1 FP0控制电机正反转梯形图上图为松下FP0系列PLC实现电机正反转的梯形图。其中X0为正转按钮，X1为反转按钮，X2为停止按钮。5.2.2 PLC实现电机的八段调速 图5.2 FP0实现电机八段调

49、速梯形图上图为PLC实现电机八段速控制的梯形图，其中X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、XA分别为八个段速的控制按钮20。5.3 MCGS软件设计的整个系统的调试5.3.1 MCGS设计的系统图本设计为执行多段调速，控制电机正、反转及启、停，实现远程控制。设计图如下：图5.3 多段速PLC控制系统设计图本系统设定了八个按钮，来实现频率的八段调速，同时设有正、反、停按钮来控制电机的运转21，而指示灯就是为了指示电机的运行状况。5.3.2 各部分的属性设置（1）按钮的属性设置图5.4 输入按钮属性设置图如上图所示，分别对按钮1-8进行属性设置。 如此设定的目的是当按钮1工作时，其他按钮都不工

50、作。（2）正、反转按钮属性设置图5.5 正、反转按钮属性设置图如上图所示，对正、反转按钮进行属性设置，以达到控制电机正反转的目的。（3）停止按钮及其指示灯的属性设置图5.6 停止按钮属性设置图图5.7 指示灯属性设置图以上两图分别是停止按钮和指示灯的属性设置。5.3.3 MCGS设备驱动的设置本设备构件用于MCGS读写松下FP系列PLC设备的各种寄存器。MCGS通过上位机中的串行口设备和PLC上的通讯单元建立串行通讯连接，从而达到操作PLC设备的目的22。（1） 串口父设备设置串口父设备用来设置通信参数和通信端口。通信参数必须设置成与PLC的设置一样。否则就无法通信。在MCGS设备窗口中，右击

51、窗口，从设备工具箱中添加通用串口父设备，然后将松下FP系列PLC设备挂接在串口父设备下，最后进行属性编辑。松下FP系列PLC设备的通信参数建议设置为：波特率9600，1位停止位，奇校验，8位数据位。如图：图5.8 串口设备属性设置图（2）松下FP系列PLC设备属性设置在串口父设备下挂接松下FP系列PLC设备，然后进行设置。设置方法如下：l 设备名称：可根据需要来对设备进行重新命名，但不能和设备窗口中已有的其它设备构件同名。l 采集周期：为运行时，MCGS对设备进行操作的时间周期，单位为毫秒，一般在静态测量时设为1000ms，在快速测量时设为200ms。l 初始工作状态：用于设置设备的起始工作状

52、态，设置为启动时，在进入MCGS运行环境时，MCGS即自动开始对设备进行操作，设置为停止时，MCGS不对设备进行操作，但可以用MCGS的设备操作函数和策略在MCGS运行环境中启动或停止设备23。l PLC地址：在通信时必须知道PLC的地址，默认的为1，具体是多少与系统寄存器的415对应。若只有一个PLC可以设置为1。5.3.3 系统运行调试图（1）模拟运行环境的启动运行图图5.9 MCGS模拟运行环境启动运行图（2）模拟运行第一段速运行图图5.10 第一段速启动运行图（3）模拟运行第一段速正转运行图图5.11 第一段速正转运行图（4）模拟运行第六段速反转运行图图5.12 第六段速反转运行图如上

53、图所示，分别对八个按钮即八段速进行运行调试，即可完成对整个系统的功能调试。6 结论随着PLC成本的降低，其功能越来越多，集成度越来越高，网络能越来越强，具有良好的控制精度和高可靠性24，使得PLC成为现代自动化的支柱。本设计利用松下VF0变频器控制三相电机以实现电机的多段调速，PLC的生产厂家和型号、种类繁多，不同型号自成体系有不同的程序语言和使用方法，本文拟用松下PF0型PLC，设计PLC在三相异步电机控制中的应用，最后本设计采用了MCGS软件设计了整个控制系统25，以便于对系统进行远端控制。参考文献1刘光起，周亚夫.PLC技术及应用.北京:化学工业出版社，2008:1537.2王阿根.PL

54、C控制程序精编108例.北京:电子工业出版社，2009:2730.3 Wang C X, Wang Y Z, Lu H. A tension control system using magnetic particle clutch as the actuator. Mechanism & Electron 1999;(3) :57.4张化龙.图解plc与电气入门.北京:人民邮电出版社，2008:102110.5Jones, War din. Design of a PLC Based Control System for a Batch Reactor JProceedings of the

55、 IASTED International Symposium on Circuits and Systems 1991:90.6钟肇新，彭侃.可编程序控制器原理及应用.广州:华南理工大学出版社，2006:8793.7陈宇，段鑫.可编程序控制器基础及编程技巧.广州：华南理工大学出版社，2006：5560.8王杰，梁丽珍.基于PLC和组态软件的电站通风控制系统J.自动化技术与应用，2007，(10) :108110.9 Simosi.A. The method of improving the efficiency of PLC. Machanision Manu facture and AutoimmunizationJ2002，46(2) :2729.10 Leng X W. Fibre winding theory. Shandong Publishing House of Shandong Science and Technology, 1990:198210. 11都振国.变频器与PLC连接需注意的的问题J.电工技术，2007，(3) :1.12常斗南，李全利.可编程控制器原理及工程应用M.北京:电子工业出版，2006:191217.13郑凤翼，郑丹丹，赵春江.图解PLC控制系统梯形图和语句表M.北京人民邮电出版，2006:6299.14