基于通用版MCGS與西門子系列PLC的電動機控制系統(tǒng)

劉鵬 閆曉兵 孟美含 郭頌

泰山科技學院 山東 泰安 271000

引言

MCGS組態(tài)軟件應(yīng)用靈活，修改方便、通用性強，它能通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，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方案[1]。S7-1200PLC具有邏輯運算功能、數(shù)值運算功能、運動控制功能、PID控制功能等。該控制器包含模擬量輸入輸出端口和數(shù)字量輸入輸出端口，穩(wěn)定性相對較好，工作頻率快、周期短，可根據(jù)需要擴展模擬量輸入輸出模塊和數(shù)字量輸入輸出模塊及通信模塊，與單純的繼電器和接觸器等組成的硬件系統(tǒng)相比體積小、可靠性好、穩(wěn)定性好。電動機控制涉及兩臺電動機的起動次序問題、電動機轉(zhuǎn)速控制問題、電動機帶載電路的電壓電流過載保護問題。

降低成本、高效穩(wěn)定控制是控制行業(yè)發(fā)展的主題方向，這里用通用版的MCGS節(jié)約成本，可視性好、升級更新方便、操作性好。電機控制已是現(xiàn)階段生產(chǎn)線中必不可少的一環(huán)，電機控制精準，是把控加工時間和加工精度的前提。這里設(shè)計的基于MCGS和PLC的電動機控制系統(tǒng)具有方便可靠的控制性能。

1 MCGS組態(tài)的建立

通用版MCGS包含主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口和實時數(shù)據(jù)庫。在運用通用版MCGS時，首先建立實時數(shù)據(jù)庫，在實時數(shù)據(jù)庫中建立控制對象并對新增的對象進行設(shè)置[2]。電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)涉及兩臺電動機順次配合啟停問題。針對電動機啟停建立開關(guān)量對象類型，開關(guān)型數(shù)據(jù)類型通常與外部設(shè)備的數(shù)字量連接，使用數(shù)字信號記錄開關(guān)量（0或1），表示與當前設(shè)備的接通或停止[3]。在電動機啟停開關(guān)量對象數(shù)據(jù)的基本屬性里可以對對象內(nèi)容進行注釋，實時數(shù)據(jù)庫中的對象名稱不可重復。在實時數(shù)據(jù)中建立的開關(guān)類型的數(shù)據(jù)對象還有過載報警、短路報警、非正常順次起動報警、過壓和欠壓報警。在設(shè)定報警參數(shù)時，可選擇數(shù)據(jù)對象的存盤屬性。在工業(yè)中，故障時間的記錄和報警故障值的記錄對生產(chǎn)設(shè)備的評估、檢修和升級都至關(guān)重要。

以過載保護為例，在實時數(shù)據(jù)庫中新增對象，起名為“一號電動機過載保護”，對象內(nèi)容注釋為“一號主軸電動機過載”，對象類型設(shè)為“開關(guān)型”，在報警屬性窗口，選中“允許報警處理”，便可進行下面的報警設(shè)置：選擇“開關(guān)量報警”，則右側(cè)的報警注釋和報警值是可編輯更改的。一旦達到報警值，報警內(nèi)容可通過設(shè)置報警顯示工具出現(xiàn)在上位機組態(tài)界面上。

對于電動機轉(zhuǎn)速的控制，這里選用的是PID自動調(diào)節(jié)，也可根據(jù)實際需要切換成手動調(diào)節(jié)，針對電動機的控制，需采用速度傳感器對電動機轉(zhuǎn)速進行采集，傳回來的信號通過PLC的模擬量輸入端口傳入控制器，并顯示在上位機的MCGS界面中。實時轉(zhuǎn)速的顯示，在MCGS中需采用數(shù)值型的數(shù)據(jù)對象。先在實時數(shù)據(jù)庫中新增對象，針對一號電動機，其對象名稱定義為“一號電動機轉(zhuǎn)速”，對象類型設(shè)為數(shù)值型。

這里選用的電機的額定轉(zhuǎn)速是1500r/min，可設(shè)置轉(zhuǎn)速數(shù)值的最大值和最小值，考慮到實際中可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)速短時間突高的情況，這里的最小值設(shè)為0、最大值設(shè)為2000，并進行報警屬性的設(shè)置，如實際轉(zhuǎn)速高于1600r/min將會出現(xiàn)報警故障，一旦出現(xiàn)轉(zhuǎn)速過高報警，如果持續(xù)5分鐘以上，利用PLC中的定時器將實現(xiàn)自動斷電保護。在MCGS的實時數(shù)據(jù)庫中，針對一號電動機轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)對象屬性設(shè)置如上圖1所示。

圖1 一號電動機轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)對象屬性

在MCGS的用戶窗口上添加顯示電動機轉(zhuǎn)速的元件。打開工具箱，選擇“A”標簽元件，拖畫到用戶窗口上，在動畫組態(tài)屬性界面進行設(shè)置，這里是顯示電機轉(zhuǎn)速輸出的，勾選顯示輸出，出現(xiàn)顯示輸出對話框，在表達式中與建立的實時數(shù)據(jù)對像建立聯(lián)系，選擇數(shù)值量輸出，因考慮硬件精度問題和運算的問題，小數(shù)位數(shù)選0。

2 PLC程序的建立

本設(shè)計的主要功能是：一號電動機先起動，延遲5min（延遲時間可在MCGS界面調(diào)整）起動二號電動機，一號電動機的轉(zhuǎn)速和二號電動機的轉(zhuǎn)速各自維持在自己的設(shè)定值上（如，在MCGS界面中設(shè)置一號電動機的轉(zhuǎn)速為1000r/min）。二號電動機起動前會再次檢測此時的一號電動機轉(zhuǎn)速是否滿足要求，若不滿足要求，盡管延時時間到了也會等待一號電機轉(zhuǎn)速達標后起動。本項目選用S7-1200系列PLC，利用博圖V16版本軟件進行編程，主要用到PID控制算法。S7-1200的PID指令采用了不完全微分PID和抗積分飽和等改進的控制算法。

直流電動機的本質(zhì)是將直流電電能轉(zhuǎn)換成機械能，直流電動機一般具有起動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、調(diào)速性能好等特點[4]。直流電動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示（圖見文末），點畫線的部分是用PLC實現(xiàn)的，兩臺電動機的轉(zhuǎn)速設(shè)定值是在MCGS界面上進行設(shè)定的，并通過以太網(wǎng)通訊傳送給S7-1200 PLC。該系統(tǒng)采用模擬量輸出的速度傳感器，其輸出為4～20MA的電流信號，實時反應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)速值，該電流信號將通過PLC模擬量輸入通道模塊中的AD轉(zhuǎn)換器，將其轉(zhuǎn)換為與轉(zhuǎn)速成比例的多位二進制數(shù)過程變量（又稱反饋值）PV（n）。CPU將它與轉(zhuǎn)速設(shè)定值SP（n）比較，誤差e（n）=SP（n）-PV（n）[5]。

圖2 雙電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖

模擬量與數(shù)字量間的相互轉(zhuǎn)換和PID程序的執(zhí)行都是周期性的操作，其間隔時間稱為采樣周期Ts。各數(shù)字量括號中的n表示該變量是第n次采樣計算時的數(shù)字量。

控制器以誤差值e（n）為輸入量，進行PID控制運算。模擬量輸出模塊的DA轉(zhuǎn)換器將PID控制器的數(shù)字量輸出值M（n）轉(zhuǎn)換為直流電壓信號UC（t），UC（t）控制晶閘管整流調(diào)壓裝置，改變電動機的供電電壓來實現(xiàn)電動機的調(diào)速。

常規(guī)PID控制算法的參數(shù)主要是：比例作用系數(shù)、積分作用系數(shù)、微分作用系數(shù)。3個參數(shù)控制著響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度[6]。博圖指令列表的“工藝”窗格的PID控制“Compact PID”文件夾中有3條指令，其中PID Compact指令是對具有比例作用的執(zhí)行器進行集成調(diào)節(jié)的PID控制器，具有抗積分飽和功能，并能對比例作用和微分作用進行加權(quán)運算：

式中，y為PID算法的輸出值；Kp為比例增益；b為比例作用權(quán)重；w為設(shè)定值；x為過程值；s為自動控制理論中的拉普拉斯運算符號；TI為積分作用時間；TD為微分作用時間；a為微分延遲系數(shù)；微分延遲T1=aTD；c為微分作用權(quán)重[7]。

采用1215C型號PLC定時間間隔執(zhí)行PID指令，設(shè)置其循環(huán)時間為100ms,在上位機中設(shè)置好期望轉(zhuǎn)速值。在本程序中，利用ManualEnable、ModeActivate和Mode配合設(shè)置了手動調(diào)節(jié)和自動調(diào)節(jié)兩種模式，同時設(shè)置了設(shè)定值的上下限報警和輸出值的上下限報警，當設(shè)定值不合理時，無法進行有效輸入；當偏差較大且偏差時間較長時，不會讓控制器輸出持續(xù)長時間增大，在保證快速性的同時，確保電機轉(zhuǎn)速在正常可運行范圍內(nèi)。

用比較操作指令，一號電動機轉(zhuǎn)速在可接收正常范圍內(nèi)時，給二號電動機的使能端發(fā)出起動信號，二號電動機起動，并用自己的PID控制器調(diào)節(jié)運行到設(shè)定值。

3 結(jié)束語

綜上，基于MCGS和西門子PLC的電動機控制系統(tǒng)，融合了MCGS組態(tài)設(shè)計、PLC程序的編寫、MCGS與PLC的通訊及變量連接，實現(xiàn)了在上位機界面給定設(shè)定值、電動機順時起動的功能，還可調(diào)整優(yōu)化PID的控制參數(shù)。PLC控制性能穩(wěn)定，外置PID參數(shù)在組態(tài)界面可調(diào)，能夠?qū)崿F(xiàn)手動自動控制，方便實用。