基于WinCC的變頻器多段速控制監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王瑜瑜，劉少軍

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安710089）

0 引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，電機(jī)已成為生產(chǎn)生活中不可或缺的動(dòng)力源。當(dāng)然對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制的方法也很多，每種方法也都各有優(yōu)缺點(diǎn)。但近年隨著變頻技術(shù)的日益成熟，以及各種變頻器功能的完善，通過PLC控制變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)多段速調(diào)速是經(jīng)常應(yīng)用的控制方法之一?；诖耍O(shè)計(jì)了西門子S7-200PLC控制 MM440變頻器實(shí)現(xiàn)多段速調(diào)速控制系統(tǒng)，并利用組態(tài)軟件 WinCC對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控［1］。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)控制要求

系統(tǒng)設(shè)計(jì)以對(duì)某化工廠的工業(yè)離心機(jī)的控制為原型。根據(jù)工藝要求，離心機(jī)一般分為幾段不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)行以達(dá)到分離的效果（以6段速設(shè)計(jì)為例）。具體要求是，按下啟動(dòng)按鈕，電機(jī)首先正轉(zhuǎn)，以15 Hz的速度運(yùn)行，時(shí)間為2min；第2段速度運(yùn)行頻率35Hz，時(shí)間為3min；第3段速度運(yùn)行頻率50 Hz，時(shí)間為4min；第4段速度電機(jī)反轉(zhuǎn)，運(yùn)行頻率15Hz，時(shí)間為5min；第5段速度運(yùn)行頻率35Hz，時(shí)間為6min；第6段速度運(yùn)行頻率50Hz，時(shí)間為4 min，10s后電機(jī)停止運(yùn)行。運(yùn)行過程中若按停止按鈕，電動(dòng)機(jī)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)?？刂埔笕鐖D1所示。

1.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示，從圖中可以看出，系統(tǒng)共由4部分組成，即三相籠型異步電動(dòng)機(jī)、西門子變頻器MM440、編程與監(jiān)控的PC電腦和西門子PLC S7-200。其中，PC機(jī)通過 PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)與PLC的通信，PLC的輸出端口與MM440變頻器外部數(shù)字端口相接，變頻器的輸出端口與電動(dòng)的輸入端口進(jìn)行對(duì)應(yīng)連接，最終實(shí)現(xiàn)多段速調(diào)速控制功能。

圖1 系統(tǒng)控制要求

圖2 系統(tǒng)組成

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)前面講述的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及系統(tǒng)的組成，首先完成系統(tǒng)的I／O地址分配。因?yàn)镮／O地址分配不僅是程序設(shè)計(jì)與編寫的基礎(chǔ)，而且是進(jìn)行硬件電路接線與軟件程序調(diào)試的主要憑據(jù)?？刂葡到y(tǒng)的I／O地址分配如表1所示。接下來根據(jù)表1的I／O地址分配表設(shè)計(jì)出系統(tǒng)硬件接線如圖3所示，其中PLC的Q0.0～Q0.5輸出端口分別與變頻器的6個(gè)數(shù)字輸出端口連接，I0.0時(shí)啟動(dòng)端口，I0.1是停止端口。

表1 系統(tǒng)I／O地址分配

圖3 系統(tǒng)硬件接線

2 變頻器參數(shù)的設(shè)置

對(duì)于西門子MM440變頻器來說，固定頻率的設(shè)定值是通過參數(shù)P1001～P1015這15個(gè)參數(shù)來定義的。變頻器共有6個(gè)數(shù)字輸入端口分別為DIN1～DIN6，有分別對(duì)應(yīng)變頻器的5，6，7，8，16，17端口?？梢酝ㄟ^參數(shù)P0701～P0706的取值來實(shí)現(xiàn)多段速頻率控制，共有以下3種方法。

2.1 直接選擇

要實(shí)現(xiàn)該功能必須先將參數(shù)P0701～P0706值設(shè)為15。在這種操作方式下，一個(gè)數(shù)字輸入選擇一個(gè)固定頻率，如表2所示。如果有幾個(gè)固定頻率輸入同時(shí)被激活，選定的頻率是它們的總和［2］。

2.2 直接選擇＋ON命令

要實(shí)現(xiàn)該功能必須先將參數(shù)P0701～P0706值設(shè)為16。在該功能下選擇固定頻率時(shí)，既有選定的固定頻率又有啟動(dòng)功能。在這種操作方式下，一個(gè)數(shù)字輸入選擇一個(gè)固定頻率，同上表2。若同時(shí)有多個(gè)固定頻率被選中，變頻器輸出的頻率是它們之和。

表2 直接選擇頻率設(shè)定值

2.3 二進(jìn)制編碼選擇 ＋ON命令

要實(shí)現(xiàn)該功能必須先將參數(shù)P0701～P0706值設(shè)為17。這種方法最多可選擇15個(gè)固定頻率，利用DIN4～DIN1的4個(gè)數(shù)字輸入端組成二進(jìn)制編碼，將固定頻率值定義在P1001～P1015中，每一個(gè)二進(jìn)制編碼與參數(shù)P1001～P1015一一對(duì)應(yīng)，通過激活不同的二進(jìn)制編碼來選定不同的固定頻率。固定頻率設(shè)定值源端口對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示，各個(gè)固定頻率數(shù)值根據(jù)表3進(jìn)行選擇。

表3 固定頻率設(shè)定值源端口對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.4 固定頻率設(shè)定方法選定

若系統(tǒng)采用直接選擇方式或直接選擇 ＋ON實(shí)現(xiàn)7段速控制，不僅其操作過程麻煩，而且頻率設(shè)置有局限。例如：若選用變頻器5，6，7數(shù)字輸入端來選擇7個(gè)頻率，需要對(duì)P1001～P1003參數(shù)進(jìn)行頻率值的設(shè)定，最終利用這3個(gè)數(shù)字輸入端口的不同組合，來激活多個(gè)固定頻率。當(dāng)有2個(gè)或3個(gè)端口同時(shí)閉合時(shí)，其輸出頻率是每個(gè)端口對(duì)應(yīng)頻率的總和。這時(shí)，不僅需要同時(shí)按下多個(gè)按鈕，而且電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速方向是由參數(shù)P1001～P1003所設(shè)置的頻率正負(fù)及求和后的正負(fù)值決定的?；诖耍到y(tǒng)采用二進(jìn)制編碼選擇＋ON命令實(shí)現(xiàn)7段速調(diào)速控制［3］。最終確定系統(tǒng)的參數(shù)列表如表4所示。

在進(jìn)行參數(shù)設(shè)置前，變頻器應(yīng)先進(jìn)行復(fù)位。將參數(shù)P0010和P0970的值分別設(shè)為30和1，復(fù)位大約需3s，這樣就保證了變頻器所有參數(shù)都恢復(fù)到缺省值。

表4 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置表

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序的編譯是在STEP 7-Micro／WIN V4.0SP3軟件環(huán)境中進(jìn)行的。該軟件功能齊全，不僅能夠進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)研發(fā)，而且能夠?qū)Τ绦虻膱?zhí)行過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［4］。程序的編寫采用梯形圖的編程方法，它尤其適用于開關(guān)量控制的場(chǎng)合，因與電路圖非常相近，所以對(duì)于操作人員而言不單通俗易懂還易掌控。按照自動(dòng)門的設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)的梯形圖主要包括開門程序和關(guān)門程序兩大部分，其軟件流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程

4 WinCC監(jiān)控畫面的制作

使用WinCC監(jiān)控軟件，設(shè)計(jì)人機(jī)界面HMI對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

4.1 建立通信連接

裝有組態(tài)軟件的PC機(jī)上有CP5611通訊板卡，利用PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)使PLC與通訊板卡連接進(jìn)行通訊。具體實(shí)現(xiàn)如下：首先啟動(dòng) WinCC軟件并新建一個(gè)項(xiàng)目。接下來在變量管理器中添加驅(qū)動(dòng)程 序 “SIMATICs7ProtocalSuiteCHN”，并 選 擇“MPI”作為該通道單元的組態(tài)邏輯連接［5］。最后對(duì)網(wǎng)絡(luò)地址、邏輯連接節(jié)點(diǎn)名等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，這樣WinCC與PLC之間的通訊連接就建立了。

4.2 定義變量

在已經(jīng)建立的通訊連接下進(jìn)行變量及變量組的定義，其中每個(gè)變量都有3個(gè)選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置，即：變量名、數(shù)據(jù)類型及地址。其中變量地址的設(shè)置至關(guān)重要，因?yàn)樗鼪Q定了此變量與PLC中某一個(gè)具體地址的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4.3 監(jiān)控畫面的制作

在通訊建立成功后，最后進(jìn)行組態(tài)畫面的制作。制作完成后保存并運(yùn)行程序，同時(shí)運(yùn)行S7－200PLC以及變頻器，在上位機(jī)的WinCC監(jiān)控畫面就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)計(jì)的WinCC監(jiān)控界面的操作規(guī)則以及控制工藝要求為，整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)分為手動(dòng)和自動(dòng)2個(gè)狀態(tài)，通過手動(dòng)／自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)來切換狀態(tài)，在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)按下自動(dòng)啟動(dòng)按鈕，電機(jī)按規(guī)定的程序循環(huán)的自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由正轉(zhuǎn)15Hz→正轉(zhuǎn)35Hz→正轉(zhuǎn)50Hz→反轉(zhuǎn)15Hz→反轉(zhuǎn)35Hz→反轉(zhuǎn)50Hz→反轉(zhuǎn)35Hz→正轉(zhuǎn)15Hz循環(huán)，每段轉(zhuǎn)運(yùn)行一定的時(shí)間后切換另一狀態(tài)，并且在此同時(shí)按任何手動(dòng)控制按鈕均無作用。當(dāng)手動(dòng)／自動(dòng)切換開關(guān)打到手動(dòng)時(shí)，按下不同的手動(dòng)控制按鍵將實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速及狀態(tài)。一共有6個(gè)狀態(tài)按鍵，分別為正轉(zhuǎn)的15Hz，35 Hz，50Hz和反轉(zhuǎn)的15Hz，35Hz，50Hz 6種狀態(tài)。在手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)按鍵無效。轉(zhuǎn)速表以及電機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)值實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

5 結(jié)束語

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行調(diào)試的結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的多段速調(diào)速控制系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的多段速運(yùn)行要求，而且通過采用WinCC監(jiān)控組態(tài)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)運(yùn)行全過程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，控制過程清晰明確，系統(tǒng)的自動(dòng)化水平得到有效的提高。系統(tǒng)安裝維護(hù)方便，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，監(jiān)控軟件功能齊全，人機(jī)界友好，使用方便。

［1］ 張燕賓.變頻器應(yīng)用教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［2］ 張士磊，趙新蕖.基于PLC和組態(tài)軟件的變頻器監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.工礦自動(dòng)化，2010，36（3）：101－103.

［3］ 王芹.可編程控制器技術(shù)及應(yīng)用［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2008.

［4］ 張文明.組態(tài)軟件控制技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［5］ 杜菲，張新.基于 MCGS組態(tài)軟件的自動(dòng)車庫門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2009（2）：47－49.