基于THWEEA-1 型現(xiàn)代電氣控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)考核裝置電氣控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

王軍

(隨州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北隨州，441300)

0 引言

本文選用的實(shí)訓(xùn)裝置中的PLC 系統(tǒng)有西門子或三菱系統(tǒng)，用戶根據(jù)各自需要進(jìn)行選擇配置。本文介紹了三菱Q 系列00UCPU 與FX3U 系列兩臺(tái)PLC 之間的CCLINK 聯(lián)機(jī)調(diào)試；Q 系列CPU 與MCGS 連接通訊設(shè)置方法；絲杠滑臺(tái)與步進(jìn)電機(jī)的安裝、步進(jìn)電機(jī)控制等方法。

1 三菱Q 系列PLC 與 CCLink 現(xiàn)場(chǎng)總線

1.1 三菱Q 系列PLC

Q 系列PLC 是三菱公司從A 系列PLC 基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的大中型PLC 系列產(chǎn)品，采用了模塊化的結(jié)構(gòu)形式，組成與規(guī)模靈活可變，最大輸入輸出點(diǎn)數(shù)達(dá)到4096 點(diǎn)，最大程序存儲(chǔ)器容量可達(dá)252KB，采用擴(kuò)展存儲(chǔ)器后可以達(dá)到32M，基本指令的處理速度達(dá)34ns，適用于各種中等復(fù)雜機(jī)械、自動(dòng)生產(chǎn)線的控制場(chǎng)合[1]。

1.2 CCLink 現(xiàn)場(chǎng)總線

控制與通信鏈路系統(tǒng)(CCLink)是三菱電機(jī)最新推出的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線，其數(shù)據(jù)容量大,通信速度多級(jí)可選。它是一個(gè)以設(shè)備層為主的網(wǎng)絡(luò)，可覆蓋較高層次的控制層和較低層次的傳感層。一般情況下,CC-Link 整個(gè)一層網(wǎng)絡(luò)可由1 個(gè)主站和64 個(gè)從站組成。CClink 可不用操作指令，只需在編程軟件中進(jìn)行相關(guān)參數(shù)和地址設(shè)置，工程下載后，系統(tǒng)自動(dòng)查訊模塊的運(yùn)行狀態(tài)，并將檢查結(jié)果通過(guò)模塊的指示燈進(jìn)行顯示。CClink 遵守通訊只有一個(gè)主站的方式，主站在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中是控制數(shù)據(jù)鏈接系統(tǒng)的站。從站被動(dòng)享受主站帶來(lái)的數(shù)據(jù)信息，主站可以享受任何從站信息。

1.3 實(shí)訓(xùn)裝置的CCLink 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

2 臺(tái)FX2N-32CCL 和1 臺(tái)QJ61BT11N 模塊組成了電控系統(tǒng)的CCLink 網(wǎng)絡(luò)。FX2N-32CCL 是將PLC 連入CCLink 網(wǎng)絡(luò)的接口模塊，可連接FX2N 系列小型PLC，作為遠(yuǎn)程設(shè)備站，形成簡(jiǎn)單的分散控制系統(tǒng)。如圖1 所示，2 臺(tái)FX2N-32CCL 模塊分別與2 臺(tái)FX3UPLC 相連接，其電源由外接24VDC 開(kāi)關(guān)電源供電；系統(tǒng)主站采用Q35B 基板，實(shí)現(xiàn)主站PLC 對(duì)電源內(nèi)模塊、CPU 模塊、QJ61BT11N 模塊的要求。電源模塊采用Q61P，其輸入電壓為220VAC，輸出為5VDC, 6A ,為主站CPU 模塊、QJ61BT11N 模塊及輸入輸出模塊進(jìn)行供電；MCGS7062TX 觸摸屏通過(guò)專用通訊線與主站CPU 連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)主站程序中內(nèi)部元件的監(jiān)視和控制。

圖1 現(xiàn)代電氣控制系統(tǒng)總線連接示意圖

2 組態(tài)技術(shù)

2.1 MCGS 組態(tài)軟件的體系結(jié)構(gòu)

監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)（MCGS）是一套基于Windows 平臺(tái)、用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測(cè)、前端數(shù)據(jù)的處理與控制，并以動(dòng)畫(huà)顯示、報(bào)警處理、流程控制和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問(wèn)題的方案。

2.2 MCGS 與Q 系列00UCPU 的連接

正確安裝MCGS 組態(tài)軟件和設(shè)備驅(qū)動(dòng)后，打開(kāi)組態(tài)工作臺(tái)，點(diǎn)擊“設(shè)備窗口”，雙擊“設(shè)備組態(tài)”圖標(biāo)打開(kāi)窗口，點(diǎn)擊“設(shè)備管理”，用戶根據(jù)系統(tǒng)硬件信息進(jìn)行相應(yīng)驅(qū)動(dòng)的添加或刪除操作。然后，用戶在設(shè)備工具箱中依次選擇“通用串口父設(shè)備”和“三菱Q 系列編程口”，雙擊后將驅(qū)動(dòng)添加到設(shè)備組態(tài)窗口中。

在“設(shè)備窗口”中，右鍵單擊“通用串口父設(shè)備”，選擇“屬性”進(jìn)行設(shè)備屬性編輯設(shè)定。根據(jù)Q 系列00UCPU 的通訊參數(shù)設(shè)置端口號(hào)、通訊波特率、數(shù)據(jù)位以及校驗(yàn)方式。然后，右鍵單擊“三菱Q 系列編程口”，選擇“屬性”進(jìn)行PLC 類型設(shè)置，類型選擇“三菱_Q02UCPU”。MCGS 軟件提供了三菱各類CPU的通訊驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)庫(kù)，用戶在使用前根據(jù)信息進(jìn)行正確的設(shè)置，MCGS 內(nèi)部主程序通過(guò)調(diào)用動(dòng)態(tài)連接庫(kù)來(lái)與外部設(shè)備(硬件PLC)通訊，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制設(shè)備動(dòng)作執(zhí)行和顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

3 步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)

3.1 步進(jìn)電機(jī)工作原理

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電機(jī)，其利用電脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制，可將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的角位移或直線位移的執(zhí)行體系。因受到電脈沖的控制，其角位移量與輸入電脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與電脈沖的頻率成正比，故可通過(guò)控制脈沖數(shù)量來(lái)控制角位移量，以達(dá)到精確控制定位的目的。此外，步進(jìn)電機(jī)可通過(guò)改變通電的順序來(lái)改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向。

3.2 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)的組成及原理

THWEEA-1 型實(shí)訓(xùn)裝置的PLC 控制步進(jìn)電機(jī)的硬件組成主要有監(jiān)控界面、PLC 控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及步進(jìn)電機(jī)等。監(jiān)控界面通過(guò)觸摸屏與PLC 之間通信來(lái)對(duì)電機(jī)執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行操作監(jiān)控，可通過(guò)觸摸屏來(lái)設(shè)置PLC 發(fā)送脈沖數(shù)量和方向信號(hào)。PLC 是步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的核心，根據(jù)觸摸屏參數(shù)設(shè)置和開(kāi)關(guān)信息，PLC 經(jīng)過(guò)內(nèi)部的程序運(yùn)算來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并且觸摸屏實(shí)時(shí)更新PLC 內(nèi)部寄存器元件的狀態(tài)，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器接收來(lái)自PLC 的脈沖和方向輸出信號(hào)，在其內(nèi)部電路的轉(zhuǎn)換和處理后，再驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。

在步進(jìn)電機(jī)選型時(shí),要根據(jù)PLC 輸出信號(hào)的極性生來(lái)決定，要選擇方便接收PLC 輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)器模塊，以提高安裝效率。該實(shí)訓(xùn)裝置選擇了帶細(xì)分功能的驅(qū)動(dòng)器，控制器PLC是三菱FX3U-MT 型,具有兩路高速脈沖輸出功能。用戶可根據(jù)設(shè)計(jì)要求和驅(qū)動(dòng)器操作說(shuō)明設(shè)計(jì)PLC 控制步進(jìn)電機(jī)電路，可做單臺(tái)PLC 控制步進(jìn)電機(jī)的實(shí)驗(yàn)，也可做單臺(tái)PLC 既控制步進(jìn)電機(jī)又控制伺服電機(jī)的實(shí)驗(yàn)，也可結(jié)合觸摸屏、主從站PLC，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)[2]。

4 變頻器調(diào)速控制技術(shù)

4.1 變頻器工作原理

現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交-直-交方式（VVVF 變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再將直流電源轉(zhuǎn)成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。

4.2 變頻器的安裝

該實(shí)訓(xùn)裝置配備的變頻器是三菱FR-E740-0.75K型,E740 表示其電壓極數(shù)為3 相400V 級(jí)，0.75 表示其輸出容量。在安裝變頻器控制信號(hào)電路時(shí)，需要拆卸前蓋板，拆卸時(shí)直接用手向外扣動(dòng)，禁用金屬工具撬動(dòng)，安裝時(shí)反方向按下即可。在安裝變頻器電源輸入部分和輸出部分時(shí)，需要拆卸蓋線板。蓋線板在變頻器的正面下方區(qū)域，直接向前拉即可拆下，電源配線完成后反方向從安裝導(dǎo)槽安裝即可。電源線必須連接至R/L1,S/L2,T/L3，絕不能接在U、V、W，否則會(huì)損壞變頻器（不需要考慮相序），電機(jī)連接到U、V、W。接通正轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)（信號(hào)）時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)向從負(fù)載軸方向看為逆時(shí)針?lè)较颉?/p>

4.3 變頻器的運(yùn)行及參數(shù)設(shè)置注意事項(xiàng)

變頻器主電路及控制電路安裝完畢后，可進(jìn)行功能性調(diào)試。初次進(jìn)行變頻器實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目時(shí)，為確保安全僅設(shè)置熟悉參數(shù)，只需給變頻器接通電源，即可進(jìn)行面板參數(shù)設(shè)置操作。變頻器的設(shè)定參數(shù)較多，設(shè)置參數(shù)時(shí)需依據(jù)實(shí)際情況，設(shè)置不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致變頻器不能正常工作。變頻器的控制方式有速度控制、轉(zhuǎn)矩控制、PID 控制等，確定控制方式后，根據(jù)控制精度進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)辨識(shí)。電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)的散熱效果較差，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱燒毀，電纜中的電流也會(huì)因此增大導(dǎo)致發(fā)熱。變頻器最大頻率為60Hz，有的甚至到400Hz。高頻率將使電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，普通電機(jī)的軸承不能長(zhǎng)時(shí)間超額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，電機(jī)的轉(zhuǎn)子也無(wú)法承受大的離心力。

5 結(jié)論

除了本文介紹的Q 系列CPU 與主站從站模塊CCLink 網(wǎng)絡(luò)通信、步進(jìn)電機(jī)控制、變頻器驅(qū)動(dòng)控制等關(guān)鍵技術(shù)技能外，THWEEA-1 型裝置還有模擬量輸入輸出、485 通訊、伺服驅(qū)動(dòng)控制和普通機(jī)床電控實(shí)訓(xùn)等電氣控制技術(shù)[3]。