基于PLC和組態(tài)技術(shù)的異步電機(jī)綜合實驗系統(tǒng)*

鄭雪蓮，晏 康，任國文，羅先成，林柏東

（重慶工商大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，重慶 400067）

在電氣化時代里，電機(jī)的應(yīng)用幾乎涵蓋了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類生活的各個領(lǐng)域，采用傳統(tǒng)的繼電器——接觸器控制電機(jī)，使用的電氣元件體積大、觸點(diǎn)多、故障率大，且對于大中型系統(tǒng)，改接線工作煩雜，操作不便?；谏鲜鲈?，在此提出以PLC來控制三相異步電機(jī)的設(shè)計方案。設(shè)計方案以一臺異步電機(jī)為控制對象，并在PLC與計算機(jī)通訊的基礎(chǔ)上，通過組態(tài)軟件對PLC及異步電機(jī)的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行全方位的監(jiān)控，在人機(jī)界面上對各控制方式進(jìn)行選擇，通過調(diào)用執(zhí)行不同的PLC程序來完成幾種典型的控制功能，操作方便簡單、控制可靠、成本低。也可通過組態(tài)軟件對控制對象的工作過程進(jìn)行全程模擬進(jìn)行相關(guān)的異步電機(jī)控制實驗。

1 異步電機(jī)綜合實驗系統(tǒng)總體設(shè)計

提出的設(shè)計方案采用PLC梯形圖編程語言編程實現(xiàn)對三相異步電機(jī)直接起動、星-三角形起動、串電阻起動、雙速正反轉(zhuǎn)、反接制動和能耗制動的控制，通過由MCGS組態(tài)完成的人機(jī)界面對該六種典型控制方式進(jìn)行選擇。系統(tǒng)主要由基于Omron CQM1H系列可編程序控制器的硬件平臺、基于可編程序控制器的梯形圖程序和基于MCGS的人機(jī)界面三大部分組成。

2 異步電機(jī)綜合實驗系統(tǒng)硬件構(gòu)成

據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案所設(shè)計的硬件電路見如圖1，系統(tǒng)硬件主要由可編程序控制器、交流接觸器、電動機(jī)、上位機(jī)等構(gòu)成，其中 PLC選用歐姆龍公司CQM1H系列可編程序控制器，其輸出端可以直接驅(qū)動繼電器、接觸器等負(fù)載，其他硬件設(shè)備則由MCGS所設(shè)計的人機(jī)界面模擬給定。系統(tǒng)成功設(shè)計制作完成之后，只需安裝相應(yīng)的機(jī)電設(shè)備裝置如電機(jī)、隔離開關(guān)，交流接觸器等即可投入實際運(yùn)行。而由MCGS設(shè)計的人機(jī)界面成為系統(tǒng)的監(jiān)控部分，具有較大的實用價值。

圖1 異步電機(jī)綜合實驗系統(tǒng)硬件電路

3 異步電機(jī)綜合實驗系統(tǒng)軟件構(gòu)成

3.1 系統(tǒng)I/O地址分配

I/O分配，就是給實際的I/O電路賦予一定的PLC地址號。編程時按地址號建立邏輯或控制關(guān)系，接線時按地址號“對號入座”進(jìn)行接線。這樣PLC才可能正確地實現(xiàn)控制。在設(shè)計人機(jī)界面程序時，需要進(jìn)行實時數(shù)據(jù)庫的構(gòu)造。實時數(shù)據(jù)庫是工程的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)庫中的基本單元就是數(shù)據(jù)變量，建立實時數(shù)據(jù)庫的過程也是定義數(shù)據(jù)變量的過程。定義數(shù)據(jù)對象的內(nèi)容主要包括:指定數(shù)據(jù)變量的名稱、類型、初始值和數(shù)值范圍。人機(jī)界面中數(shù)據(jù)變量與PLC的內(nèi)部地址分配必須統(tǒng)一。只有這樣，才有可能將PLC中的輸入輸出變量與人機(jī)界面實時數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)變量正確地連接起來，實現(xiàn)正確的邏輯控制。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)變量與地址分配如表1所示。

表1 異步電機(jī)綜合實驗系統(tǒng)變量及I/O地址分配表

3.2 PLC梯形圖程序設(shè)計

PLC程序設(shè)計語言有多種，它們是梯形圖語言LAD（ladder Diagram）、語句表STL（Statement List）、功能塊圖（FBD）、邏輯方程式等。其中，梯形圖語言形象直觀、容易掌握，是PLC中用得比較多的一種編程語言。系統(tǒng)采用歐姆龍公司的梯形圖編程軟件CX-Programmer編寫電機(jī)控制程序，系統(tǒng)程序由6個子程序組成，所有子程序共用1個系統(tǒng)停止信號，每個子程序控制1個或幾個中間繼電器輸出，再由中間繼電器的輸出控制相應(yīng)的交流接觸器動作，從而實現(xiàn)電機(jī)的起動、調(diào)速和制動等。部分子程序需控制1個或兩個時間繼電器，以使電機(jī)能夠在各種運(yùn)行方式間進(jìn)行安全地切換。程序設(shè)計過程中盡量地做到了層次分明，并盡可能地節(jié)約了PLC的輸入輸出點(diǎn)數(shù)。這里給出系統(tǒng)中星－三角形起動的控制程序如圖2所示。首先由星－三角啟動按鈕SB3發(fā)出控制命令，該命令使中間繼電器20003的線圈帶電，其常開觸點(diǎn)閉合，同時定時器TIM 02得電開始計時。輸出繼電器1000、1002、1003的輸出信號有效，交流接觸器KM1、KM3、KM4閉合，異步電機(jī)按星形連接降壓起動。定時器TIM 02的常開觸點(diǎn)延時5 s后動作，異步電機(jī)由星形起動切換到正常運(yùn)行狀態(tài)，起動過程結(jié)束。

3.3 MCGS人機(jī)界面設(shè)計

MCGS（monitor and control generated system）是一套基于windows95/98/nt操作系統(tǒng)（或更高版本），可用來快速構(gòu)造和生成各種監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，它為用戶提供了從設(shè)備驅(qū)動、數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理、報警處理、流程控制、動畫顯示、報表輸出等解決實際工程問題的完整方案和操作工具。在啟動MCGS組態(tài)軟件的組態(tài)環(huán)境后，對系統(tǒng)動作畫面進(jìn)行組態(tài)，具體操作如下:

（1）用戶窗口組態(tài):設(shè)置工程的人機(jī)交互界面，如整體畫面的制作，動畫效果的產(chǎn)生等。

圖2 星-三角起動控制程序

（2）主控窗口組態(tài):用戶窗口組態(tài)完成后，在主控窗口中，通過對系統(tǒng)菜單和參數(shù)的定義和設(shè)置來調(diào)度、管理用戶窗口的打開或關(guān)閉。

（3）實時數(shù)據(jù)庫組態(tài):工程組態(tài)各數(shù)據(jù)交換處理的核心部分，定義系統(tǒng)輸入輸出及內(nèi)部動畫連接變量，將MCGS的各部分有機(jī)地連成一體。

（4）設(shè)備構(gòu)件組態(tài):通過之前定義的I/O分配表，將實時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)與外部設(shè)備通道連接起來。

（5）運(yùn)行策略組態(tài):完成工程運(yùn)行流程的控制，一般情況下使用其默認(rèn)運(yùn)行策略即可完成控制要求。系統(tǒng)組態(tài)完成，確認(rèn)無誤后，可進(jìn)入MCGS運(yùn)行環(huán)境調(diào)試和運(yùn)行。

建立的系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖3所示，界面由3部分構(gòu)成:發(fā)出控制指令的控制臺、PLC狀態(tài)指示窗口和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)指示窗口。

圖3 異步電機(jī)綜合控制監(jiān)控界面

4 異步電機(jī)綜合實驗系統(tǒng)連機(jī)調(diào)試與功能實現(xiàn)

4.1 程序下載

用RS232C電纜將上位計算機(jī)的RS232C的端口與CQM1H的外設(shè)端口（也是RS232C口）連接，進(jìn)行相關(guān)通信設(shè)置，將在上位計算機(jī)上用CX軟件編寫好的程序?qū)懭氲健癙LC CPU中”。

4.2 MCGS與PLC的通信連接

MCGS組態(tài)軟件中提供了相關(guān)設(shè)備的通訊驅(qū)動程序。使用歐姆龍公司CQM1H系列PLC時，因PLC帶有RS232接口，可直接用電纜與計算機(jī)建立連接，通過串口（Host Link協(xié)議）和計算機(jī)進(jìn)行通訊。

MCGS組態(tài)時，為實現(xiàn)實時監(jiān)控，需要在MCGS中進(jìn)行設(shè)備連接，使PLC和上位計算機(jī)建立起正確的連接通道。在MCGS設(shè)備窗口中首先添加一個通用串口父設(shè)備，用來設(shè)置通信參數(shù)和通信端口等設(shè)備屬性?？刹捎脷W姆龍PLC常用通信參數(shù)設(shè)置:串口端口號為COM1，波特率9600，2位停止位，偶校驗，7位數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)采集方式為同步采集。在父設(shè)備下面創(chuàng)建一個與所用PLC機(jī)型相符的歐姆龍Host Link子窗口，設(shè)置子設(shè)備PLC的屬性，主要進(jìn)行通道連接操作，將相應(yīng)通道與MCGS實時數(shù)據(jù)庫中的變量相連，使得MCGS能從外部設(shè)備讀取數(shù)據(jù)并控制外部設(shè)備的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對工業(yè)過程的實時監(jiān)控。

實現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動的具體方法是在設(shè)備窗口內(nèi)配置不同類型的設(shè)備構(gòu)件，并根據(jù)外部設(shè)備的類型和特征，設(shè)置相關(guān)的屬性。在MCGS設(shè)備中一般都包含有一個或多個用來讀取或者輸出數(shù)據(jù)的物理通道，MCGS把這樣的物理通道稱為設(shè)備通道。設(shè)備通道只是數(shù)據(jù)交換用的通路，而進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的對象，則必須由用戶指定和配置。所有的設(shè)備通道都必須與實時數(shù)據(jù)庫相連接。所謂通道連接，即是由用戶指定設(shè)備通道與數(shù)據(jù)對象之間的對應(yīng)關(guān)系，這是設(shè)備組態(tài)的一項重要工作。

在完成了所有硬件連接及軟件設(shè)置后，即可進(jìn)行人機(jī)界面與PLC間的聯(lián)機(jī)調(diào)試，并最終實現(xiàn)人機(jī)界面對外部設(shè)備的監(jiān)控功能。

5 結(jié)束語

實驗系統(tǒng)的設(shè)計是在基于繼電器-接觸器控制異步電機(jī)的基礎(chǔ)上提出來的，利用PLC抗干擾力強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)，有效地改善了繼電器-接觸器控制電機(jī)過程中的諸多不便。同時利用組態(tài)軟件MCGS制作人機(jī)界面對電機(jī)運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)控制方案具有較強(qiáng)的通用性，可在教學(xué)應(yīng)用中推廣。

［1］吳作明.工控組態(tài)軟件與PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007

［2］鄒金慧，陳樂庚，韋壽祺.可編程控制器及其系統(tǒng)［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，2002

［3］倪遠(yuǎn)平.現(xiàn)代低壓電器及其控制技術(shù)［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，2002

［4］翟心愿.組態(tài)技術(shù)和PLC在人行道護(hù)欄控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.重慶工商大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，26（3）:272-276

［5］馬斌.基于WINDOWS系統(tǒng)的PLC模擬實驗臺的開發(fā)［J］.重慶工商大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2004，21（2）:206-208