PLC控制的变频器多级调速MCGS组态画面设计毕业设计论文.docx
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PLC控制的变频器多级调速MCGS组态画面设计毕业设计论文
毕业设计论文
PLC控制的变频器多级调速
MCGS组态画面设计
院（系）：
电子与信息工程学院
摘要
随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。
电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。
变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节间效果,广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
本文所研究的交流电机调速系统采用PLC来控制变频器调速，充分发挥可编程控制器的高可靠性、灵活性、通用性、扩展性等优点，通过PLC的开关量输入输出模块控制变频器的多功能输入端、实现电机的多级调速，期间并通过RS485传输技术建立PLC与变频器的PROFIBUSP-DP通讯进而完成PLC控制变频器调速系统的方案设计和全部的控制系统设计。
关键词：
变频器；可编程控制器；MCGS
1绪论
1.1PLC和变频器控制交流电机的调速的发展与现状
随着电力电子技术和自动控制技术的日益发展，电动机的调速已经从继电器控制时代发展到今天的变频器控制调速。
且在工业各个领域中得到了极为广泛的应用。
在现在的在工业自动化控制系统中，最为常见的是由PLC控制变频器实现电动机调速控制。
该方法主要通过程序来控制电动机的变频调速，从而实现了自动控制[1]。
交流调速系统的发展与应用领域直流电气传动和交流电气传动在19世纪先后诞生。
在20世纪的大部分年代里，鉴于直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速传动都采用直流电动机，而约占电气传动总容量80%的不变速传动则采用交20流电动机，这种状况在一段时期内已成为一种举世公认的格局。
世纪70年代后，随着大规模集成电路和计算机控制技术的发展以及现代控制理论的应用，交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美[2]。
目前，交流调速技术在工业发达国家已得到广泛应用。
美国有60%-65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了交流调速技术，仅工业传动用电就节约了15%-20%的电量。
而高性能电力、电子器件的应用更是推动了交流调速系统的发展，例如在通用变频器方面，针对中、低压应用领域的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的高开关频率使得高性能的变频器成为可能，而在以后出现的智能功率模块（IPM），更加简化了通用变频器的设计。
此后，交流调速系统主要沿用下述三个方向发展和应用。
（1）一般性能的节能调速。
在过去大量的所谓不变速交流传动中，风机、水泵等机械总容量几乎占工业电气传动总容量的一半，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过去交流电机本身不具备调速性能，不得不依赖挡板和阀门来调节送风或供水的流量，许多电能因而白白地浪费掉了。
如果把这些设备的控制系统换成交流调速系统，就能节省消耗在挡板和阀门上的能量。
根据有关计算统计，由于风机、水泵对调速范围和动态性能的要求都不高，只需要一般的调速性能就已足够，那么换成交流调速系统以后，每台风机、水泵平均约可节能20%，这种节能效果是非常可观的。
（2）高性能交流调速系统。
许多在工艺上就需要调速的生产机械，过去多用直流传动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、转动惯量小、效率高，如果改成交流调速传动，显然能够带来不少的效益[3]。
交流调速系统的国内外研究现状近年来随着电力电子技术和微电子技术的迅猛发展以及现代控制理论和计算机控制技术的应用，交流调速领域发展非常迅速，交流传动技术取得了突破性的进展，获得了许多创造性的成果。
自从70年代矢量控制技术发展以来，从理论上解决了交流调速系统在静、动态性能上与直流传动相媲美的问题[4]。
1.2PLC和变频器控制交流调速的目的
目前，我国的能源消费仅次于美国，位列世界第二，但国民生产总值却排在第八位左右，其中最重要的原因之一就是单位产值能耗太大。
我国具有各类风机约780万台，水泵4000万台，空压机560万台，这些装置又占去了电机耗电的一半以上。
由于这些设备一般均采用恒速驱动，每年造成大量能源浪费。
国家在<十一五>规划中指出：
坚持开发节约并重、节约优先，按照减量化、再利用、资源化的原则，大力推进节能节水节地节材，加强资源综合利用，完善再生资源回收利用体系，全面推行清洁生产，形成低投入、低消耗、低排放和高效率的节约型增长方式。
实行有利于资源节约的价格和财税政策。
强化节约意识，鼓励生产和使用节能节水产品、节能环保型汽车，发展节能省地型建筑，形成健康文明、节约资源的消费模式。
我国对交流变频调速技术的研究起步较晚，到上个世纪90年代才有产品出现，采用的控制技术几乎都还只是V/F控制，调速性能根本无法与国外产品相比。
目前在中、低压交流传动中，变频器的使用越来越多，而我国在研究矢量控制系统所需的各种硬件条件已经具备，如已出现的智能化功率器件（IPM），其电压等级、开关频率都有很大的提高；数字化控制元件也已出现单指令周期10ns的高速数字信号处理器（DSP）和几乎能完成一个系统功能的专用集成电路。
变频调速已成为电动机调速的最新潮流，有其自身的特点和优点，随着交流电动机变频技术的日趋完善和推广应用，特别是在矿用大功率高压设备中的绞车、提升机、通风机、带式输送机等矿用设备上的应用效果则更加明显。
对耗电大、生产环境恶劣的煤炭行业推广应用变频技术更具有现实意义。
本课题以PLC和变频器控制交流调速为研究对象，设计出基于PLC和变频器控制交流调速系统的实验装置。
本论文的选题不论是从理论上还是从实践上都有十分重要的意义。
2变频器控制方式的选择
2.1PROFIBUS的通讯原理
PROFIBUS是一种应用较为广泛的现场总线，其总线标准是国际总线标准ie61158的重要组成部分。
PROFIBUS具有开放式系统，令牌结构，以互联网（opensysteminterconnection-sio）作为参考模型。
有3个兼容部分组成部分即PROFIBUS-DP，PROFIBUS-PA，PROFIBUS-FMS。
其中DP是一种高速低成本通讯，用于设备级控制系统与分散式i/o的通讯。
采用rs485数据接口，传输介质用光纤或双绞电缆，传输波特率从（9.6k～12m）bps，传输距离可以通过repeter进行扩展，每个dp网上可以同时配置122个从站，是一种功能强大的现场总线。
2.2变频器的选择
变频器的选择采用变频器传动,电机启动电流小,可以连续调速,最高速度不受电源影响,低速时恒定转矩输出,可以使用笼型电机且一般不需要维修,以下是选择变频器的一般步骤。
1.确定负载机械特性确定负载机械特性后,再选择变频器和电机,否则所选电器不能充分发挥性能,如产生大马拉小车或电机过热等现象。
（1）恒转矩负载。
转速n变化,转矩T基本不变,如输送带、起重机、台车、机床进给、挤压机等。
（2）恒功率负载。
转速越高,转矩越小,如卷取机、机床主轴、轧机等。
（3）风机、泵类负载。
转速降低,转矩也变小。
2.根据负载特性,选择变频器控制方式常见的变频器控制方式（控制变频器输出电压和频率）有:
①电压/频率线性关系,用于同步电机或多台电机并联。
②磁通电流控制（FCC）,可保持电机处于全磁通状态,降低功耗。
③电压/频率平方关系,用于风机、泵类。
④免测速机矢量控制,变频器可计算出用于维持所需电机转速的输出电压变化量,该方式提供最优磁通控制和较高转矩。
目前变频器均有①控制方式,但不一定有②③④控制方式,因此,要根据已确定的控制方式,选择变频器。
3变频器与可编程控制器
3.1变频器原理介绍
（1）变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。
整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
变频器主要是由主电路、控制电路组成：
a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，它由三部分构成，将工频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”。
b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。
（2）我们知道，交流电动机的同步转速表达式位：
n＝60f（1－s）/p①
式中n———异步电动机的转速；
f———异步电动机的频率；
s———电动机转差率；
p———电动机极对数。
由式①可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。
变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
3.2交流电机的运行理论
（1）当三相异步电机接入三相交流电源（各相差120度电角度）时，三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势并产生旋转磁场，该磁场以同步转速n0沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转。
（2）该旋转磁场与转子导体有相对切割运动,根据电磁感应原理,转子导体产生感应电动势并产生感应电流。
（3）根据电磁力定律，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。
载流的转子导体在定子产生的磁场磁场中受到电磁力作用，电磁力对电机转子轴形成电磁转矩，驱动电机转子沿着旋转磁场方向旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。
3.3可编程控制器
（1）可编程控制器可编程控制器的定义：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
（2）可编程控制器的基本组成：
可编程控制器主要由CPU、存储器、基本I/O接口电路、外设接口、编程装置、电源等组成。
（3）可编程控制器的工作原理：
CPU对用户程序的执行过程是CPU的循环扫描，并用周期性地集中采样、集中输出的方式来完成的。
一个扫描周期主要可分为：
a读输入阶段;b执行程序阶段;c处理通信请求阶段;d执行CPU自诊断测试阶段;e写输出阶段
4系统的设计
4.1系统设计原理和方法
系统设计原理和方法本系统由PLC、变频器（具有RS—485通信功能）、交流电机组成。
其工作原理为：
给定的速度与经由经PLC运算可得控制量，再由RS—485接口输出到变频器以驱动交流电机，从而达到调节电机转速的目的。
由于PLC与变频器之间没有采用D／A进行转换，而是采用RS—485进行数字通信，有效地提高了系统的抗干扰能力。
变频调速系统框图如图4-1所示：
图4-1变频调速系统框图
4.2PLC程序设计
4.2.1编程原则
PLC程序在很大程度上影响总线的通讯控制速率和程序的通用性。
在编程时，应注意以下几个问题：
（1）程序结构化标准设计程序设计时应充分考虑到不同变频器的特点。
同时必须考虑到程序的可重复使用性。
在算法组织上应充分考虑到速度链的变更、负荷分配位置/点数的变化应该做到可移植性良好。
程序设计上应充分考虑到现场的调试和系统的扩展、程序的通用性和程序的智能化、调速系统在故障时的变更措施。
（2）程序高效率设计在程序设计时注意程序的效率，应能够充分发挥系统的功能。
在编程设计时充分考虑PLC扫描周期对程序执行速度的影响，能够在本周期完成的任务不要拖到下一周期执行。
4.2.2PLC编程软件的选择
多级调速系统采用三菱公司的GXDeveloperVersion7作为编程软件。
GXDeveloperVersion7是专为三菱PLC而设计的编程软件，适用于三菱任何型号的PLC。
它是基于Windows的应用软件，可以在Windows2000、WindowsXP、Windowsvista等系统上进行运行操作。
它可以通过梯形图符号、指令语句以及SFC符号创建编辑程序，还可以在程序中加入中文或者英文注释，并且还可以通过该软件监控PLC运行时各编程元件的状态及数据变化，还具有程序和监控结果打印的功能[5]。
运行软件，即可进入GXDeveloperVersion7主界面。
首先新建工程，然后就可以编辑梯形图。
主界面主要由菜单栏、工具栏、编辑区、状态栏组等部分组成。
GXDeveloperVersion7主界面如图4-2所示：
图4-2GXDeveloperVersion7主界面
当程序设计好之后必须下载到PLC中才可以运行系统，下载时使用的是三菱PLC专用的编程电缆SC—09。
这根电缆的一端是接电脑的RS232串口，一端接在PLC的RS422通讯串口上。
当电缆接好之后，便可以下载程序到PLC中。
如图4-4所示：
图4-4GXDeveloperVersion7程序的下载
4.2.3PLC程序的设计
梯形图见附录1
5MCGS在多级调速控制中的应用
5.1MCGS的概述
5.1.1MCGS的简介
MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，通用监控系统）是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件。
它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。
5.1.2MCGS的构成
MCGS系统包括组态环境和运行环境两个部分，用户的所有组态配置过程都在组态环境中进行，组态环境相当于一套完整的工具软件，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。
用户组态生成的结果是一个数据库文件，称为组态结果数据库[6]。
运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。
运行环境本身没有任何意义，必须与数据库一起作为一个整体，才能构成用户引用系统。
组态结果数据库完成了MCGS系统从组态环境向运行环境的过渡，它们之间的关系如图5-1所示：
图5-1组态环境和运行环境关系图
由MCGS生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分组成，如图5-2所示：
图5-2MCGS用户应用系统结构图
5.1.3MCGS主要特性和功能
（1）简单灵活的可视化操作界面；
（2）实时性强、良好的并行处理性能；
（3）丰富、生动的多媒体画面；
（4）开放式结构，广泛的数据获取和强大的数据处理功能。
MCGS系统由五大功能模块组成，主要的功能模块以构件的形式来构造，不同的构件有着不同的功能，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。
除此以外，MCGS还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、VC等高级开发语言，编制特定的构件来扩充系统的功能。
MCGS用数据库来管理数据存储，系统可靠性高。
MCGS设立对象元件库，组态工作简单方便，易于实现对工控系统的分布式控制和管理。
5.1.4MCGS的编程语言
MCGS全中文组态软件，采用C++语言编制，核心为组态结构。
构架合理、连接灵活，结构层次清晰，方便用户的定制开发。
它是基于WIN95/98/NT视窗结构，能够快速构造和生成数据管理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等界面，轻松实现各种工程曲线、报表、数据浏览、远程通讯、远程采集、远程诊断等功能的先进软件。
MCGS组态软件采用Basic的脚本语言编程，具有强大的图形化流程策略组态工具，使编程工作降到最少，令用户爱不释手。
MCGS全中文组态软件能支持目前市场上绝大部分硬件，其网络版更使“决胜千里之外”成为可能[7]。
5.1.5MCGS的数据结构
MCGS数据库管理功能强大，分为数据前处理（可以对设备采集进来的数据进行多种数值处理）、数据后处理（可通过各种内部函数、运算符、脚本程序对实时采集的数据进行处理）、实时数据处理（提供数据浏览，各种曲线、报表等功能构件，对存盘数据库的数据进行查询、排序、运算等操作），同时可以挂接外部数据库，实现ODBC接口和OLE实时调用，可以和SOL、Server、Oracle、Access等数据库相连，提供多种数据转换方式，每种方法都可以独立使用或组合使用。
数据浏览构件可同时以表格和曲线的形式显示存盘数据库中数据，实时曲线可以动态显示当前的数据，并可以设定上下限值和时间的长短，以便于用户查询，同时提供EXCEL报表和MCGS自由报表。
5.1.6MCGS的作用
MCGS全中文组态软件是真正的32位程序，支持多任务、多线程，提供近百种绘图工具和基本图符。
使用ActiveDLL把设备驱动挂接在系统之中，支持数据采集板、智能模块、智能仪表、PLC、变频器、网络设备，它支持ActiveX控件，包括温控曲线、实时曲线、历史曲线、单行报表、数据库管理、多媒体输出等众多构件。
MCGS全中文组态软件可完整实现ODBC接口，可与SQLServer、Oraver、Oracle、Access等主要数据库相连，可实现各种复杂的报表，并以不同方式增加、删除数据库中的记录，支持CAN、PROFIBUS、HART、LONWORKS等多种现场总线。
它还具有强大的网络功能，支持TCP/IP、MODEM、485/422/232等多种网络数据传输方案，提供4级安全保密机制。
工程组态软件MCGS的最大优点是组态方便，它融会了中外工控组态软件的众多长处，只要是稍具外语常识，即可以方便组态。
5.2工程的建立与变量的定义
5.2.1工程的建立
（1）单击文件菜单中“新建工程”选项，自动生成新建工程，默认的工程名为：
“新建工程0.MCG”。
（2）选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存窗口。
（3）在文件名一栏内输入“PLC的变频器多级调速”，点击“保存”按钮，工程创建完毕。
在MCGS中，变量也叫数据对象。
实时数据库是MCGS工程的数据交换和数据处理中心。
数据对象是构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也就是定义数据对象的过程。
定义数据对象的内容主要包括：
指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围确定与数据变量存盘相关的参数，如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限等。
5.2.2变量的分配
在开始定义之前，我们先对系统进行分析，确定需要的变量，见图5-3所示：
表5-3PLC多级调速控制系统变量分配
5.2.3变量定义的步骤
（1）单击工作台中的“实时数据库”选项卡，进入“实时数据库”窗口页，窗口中列出了系统已有变量“数据对象”的名称。
其中一部分为系统内部建立的数据对象。
现在要将表中定义的数据对象添加进去。
（2）单击工作台右侧“新增对象”按钮，在窗口的数据对象列表中，增加了新的数据对象，如图5-4所示。
（3）选中该数据对象，按“对象属性”按钮，或双击选中对象，则打开“数据对象属性设置”窗口。
（4）将“对象名称”改为：
读频；“对象初值”改为：
0；“对象类型”选择：
开关型；按1松0，1有效。
（5）单击“确定”。
如图5-5所示。
（6）按照步骤2~5，根据下面列表，设置其他数据对象。
图5-4实时数据库窗口图图5-5数据对象属性设置窗口
5.2.4设备与变量连接
（1）打开“设备窗口”，点击工具条中的“工具箱”
图标，打开“设备工具箱”。
（2）单击“设备工具箱”中的“设备管理”按钮，弹出可选设备列表。
（3）在可选设备列表中，双击“通用设备”。
（4）双击“模拟数据设备”，在下方出现模拟设备图标。
（5）双击模拟设备图标，将“模拟设备”添加到右侧设备列表中确认并保存。
（6）在工作台“设备窗口”中双击“设备窗口”图标进入，可查看添加项。
（7）双击“设备0-[模拟设备]”，进入模拟设备属性设置窗口，如图5.6所示。
设置内部属性完成之后单击确认，完成内部属性设置，单击保存，完成设备与变量连接。
图5-6设备属性设置窗口
5.3工程画面的建立
（1）在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，建立“窗口0”、。
（2）选中“窗口0”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”。
（3）将窗口名称改为：
变频器多级调速；窗口标题改为：
变频器多级调速。
窗口位置选中“最大化显示”，其它不变，单击“确认”。
（4）在“用户窗口”中，选中“变频器多级调速”，点击右键，选择下拉菜单中的“设置为启动窗口”选项，将该窗口设置为运行时自动加载的窗口。
5.3.1监控画面的制作
（1）选中“变频器多级调速”的窗口标题，单击“动画组态”，进入动画组态窗口，开始编辑画面。
（2）单击工具条中的“工具箱”按钮，打开绘图工具箱。
（3）选择“工具箱”内的“标签”按钮，鼠标的光标呈“十字”形，在窗口顶端中心位置拖拽鼠标，根据需要拉出一个一定大小的矩形。
（4）在光标闪烁位置输入文字“变频器多级调速”，按回车键或在窗口的任意位置用鼠标点击一下，文字输入完毕。
（5）选中文字框，可以设置填充色、线色、字符字体、字符颜色。
单击“保存”，“变频器多级调速”画面编辑完毕，如图5-7所示。
运行时，指示灯随变频器调速动作变化做相应指示。
图5-7变频器多级调速监控画面
5.3.2动画的连接
画面编辑好以后，需要将画面与前面定义的数据对象即变量关联起来，以便运行时，画面上的内容能随变量变化。
5.4组态运行
保存所有组态设置，然后关闭组态监控程序。
然后重新启动MCGS组态软件，进入组态工程运行界面。
在运行中通过对按钮的操作可检测所编程序的正确与否。
6结论
该系统操作简单，可靠性高，维护方便，并且可应用于关于变频调速的认识性实验、应用性实习等。
采用PLC控制变频调速试验系统开发柔性好、抗干扰性强及自动化程度高。
以往，采用的继电器方式的逻辑控制，控制方式落后，系统复杂，发现和排除故障困难。
难以满足新形势自动控制方式运行水平的高要求。
所以，在此设计中我采用可编程序控制器和通用变频器，以PROFIBUS做为通讯实现对交流电机的调速控制。
因受多方面条件的限制，及本人的知识有限，实践经验不足，在设计中出现的理论上与实际应用上的诸多问题，谨盼老师给以指正。
致谢
本论文是在导师罗坤明的细心指导和同学们的热心帮助下修改完成的，在此，我要向他们的细心帮助和指导表示由衷的感谢。
同时，也非常感谢潘益玲老师对我提出的许多宝贵意见。
在这段时间里，我从他们身上不仅学到了许多的专业知识，更感受到他们工作中的兢兢业业，生活中的平易近人。
此外，他们严谨的治学态度和忘我的工作精神值得我去学习。
非常感谢大家在我的毕业设计中，给予我极大的帮助，使我对整个毕业设计的思路有了总体的把握，并耐心的帮我解决了许多实际问题，使我有了很大的收获。
同时，他们在整个设计过程中提出了许多建设性意见，并给我解决了一些专业性问题。
感谢多年来传授我知识的老师们，更要感谢那些对
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