基于MCGS、變頻器、PLC的電機七段速控制系統設計＊

楊昱鑫，安芃芃

（1．蘭州石化職業技術大學，甘肅 蘭州 730060；2．甘肅交通職業技術學院，甘肅 蘭州 730070）

進入新時代，我國經濟由高速增長階段轉向高質量發展階段，正處在轉變發展方式、優化經濟結構、轉換增長動力的攻關期。經濟結構轉型中傳統產業的淘汰、新興產業的興起，將直接影響職業教育專業結構布局的數量和規模，產業技術升級中信息化、自動化、網絡化的趨勢，對職業教育人才培養的規格和質量也提出了更高的要求。職業教育質量直接影響勞動者的素質；影響產業技術升級；影響人民對優質職業教育資源日益增長的需要；更影響職業教育的聲譽和吸引力。因此提高職業教育質量需要做實產教融合、校企合作，在提高學生文化素質的同時，培養其具有過硬的技術實踐能力，能夠思考問題、提出問題、分析問題、解決問題。本題目來源于電氣自動化技術專業學生畢業設計，學生首先通過查閱相關資料分析論證題目的可行性，然后根據實訓設備進行項目的方案設計，學習應用相關軟件，設計硬件系統，通電試車，最后答辯考核，通過這樣一個完整的過程來鍛煉并提高學生的綜合能力[1－5]。

1 設計要求

在本控制系統設計中，采用的軟件有博途V15、MCGS組態運行環境及模擬運行環境、CAD等。采用的硬件有 SIMATICS7－PLC、MCGS、變頻器ACS510－01－012A－4、三相異步電動機等。具體的控制要求為：在MCGS上按下一速至七速中任意按鈕，電動機按預先設定的轉速旋轉，相應的指示燈亮，按下停止按鈕，電動機停止運行。正轉最小起始頻率為5Hz，每個相鄰頻率間隔5Hz，最高為七速35Hz。

2 設計過程

該控制系統的整體設計思路是通過MCGS觸摸屏控制PLC的輸入，進而通過PLC的程序控制PLC輸出，而PLC的輸出又控制變頻器的輸入，最后通過變頻器的輸出控制電動機的多段速運行，控制系統設計流程圖如圖1所示。

圖1 控制系統設計流程圖

2．1 變頻器 ACS510－01－012A－4

本設計中采用ACS510變頻器，它具有諸多的優勢，能廣泛應用于工業領域，適用各類型負載。有高級控制盤；可將電網側諧波降至最低；變感式電抗器、循環軟起、用戶自定義U／F曲線、超越模式、內置RFI濾波器；四象限運行以及無功功率補償功能；制動能量回饋至電網；安裝、調試以及運行維護方便；多電平電壓源逆變器（VSI）拓撲結構；成熟的高壓IGBT功率半導體技術以及直接轉矩控制（DTC）的電機控制平臺，保證了可靠性，延長了平均無故障時間（MTBF）并增加了利用率[6－8]。

設計先從最底層（變頻器－電動機）進行，變頻器要控制電動機的模式運行，需要將電動機的基本參數輸入變頻器，主要有變頻器宏定義選擇，電動機的額定電壓、額定頻率、額定轉速、額定功率、功率因數等，如表1所示。

表1 標準宏控制電動機參數設置

電動機的參數設置完成之后，開始進行多段速設置，首先選擇變頻器在標準宏下運行，其控制模式選擇遠程控制模式REM，即通過外部端子控制。然后進入參數中開始設置具體各段速的頻率。1201 選擇 13 模式，如表2 所示，DI5（17）～ DI1（13）是變頻器的5個數字量輸入端口，這5個端口可以用5位二進制數的組合唯一表示，其中1表示該端子施加24V直流電壓，0表示該端子無電壓。通過這5個端子的得電與否組合，實現電動機唯一頻率運行。例如，在這五個端子中，僅當DI3、DI1得電施加24V電壓時，電動機按預先設定的一速5Hz正向旋轉，其他運行模式類似。

表2 參數1201＝13時變頻器的運行

2．2 SIMATICS7－PLC 程序

變頻器參數設置完并調試運行后，進行PLC程序的編寫，主要是利用PLC的輸出Q來控制變頻器數字量DI5（17）～DI1（13）號端子的輸入。這里我們以1段速正轉程序來具體說明，如圖2所示。

圖2 1段速正轉程序

PLC的編程軟件采用博途V15，在圖2中，利用MOVE傳送指令，當1段速正轉啟動按下之后，即PLC的輸入I0．1常開閉合，此時傳送指令從左側母線得電，二進制數00101從IN進入被傳送至OUT1，剛好是表1中1段速正轉所對應的變頻器5個端子的數字量輸入，OUT1接QB0寄存器，即PLC的 Q0．7～ Q0．0，左側高位，右側低位。因此，二進制數00101被送入 PLC 的輸出端 Q0．7～ Q0．0，即此時僅有Q0．0、Q0．2為1得電，其余Q輸出端為0不得電。當 Q0．x（x＝0、1……7）得電，其與公共點接通，對外有輸出，而 Q0．4～Q0．0 與變頻器 DI5（17）～ DI1（13）號端子一一對應相連，所以完成了通過PLC的輸出Q來控制變頻器的輸入DI，實現多段速控制。同理，只要給定IN的其他二進制的輸入，就可以得到其他段速控制。

停止程序如圖3所示，只需要給IN輸入0即可，此時Q0．x均為0，PLC無輸出，變頻器DI輸入端不得電，因而也無輸出，電動機停止運行。

圖3 停止程序

2．3 MCGS觸摸屏組態環境

PLC的程序調試完成后，進行MCGS控制界面的設計，如圖4所示，利用工具箱添加啟停按鈕及對應的指示燈；建立實時數據庫如圖5所示，定義停止按鈕及七段速啟動按鈕的數據類型，這里選擇開關型，然后進行變量關聯；建立8個數據通道，通道0～通道7分別對應不同的控制模式，變量關聯如圖6所示。PLC的輸入端程序需要把I寄存器改變為M寄存器進行關聯，輸出Q寄存器直接關聯指示燈即可。對于PLC和MCGS之間的通信，需要對TCP／IP父設備和西門子CP443－1以太網模塊進行分別配置，這里的地址至關重要，因為是MCGS控制PLC，所以MCGS為父設備，PLC為遠端設備，即本地IP地址為觸摸屏父設備的地址，遠端IP地址為PLC子設備的地址。

圖4 MCGS界面

圖5 實時數據庫建立

圖6 變量關聯

2．4 電路接線圖

利用CAD繪制電路接線圖如圖7所示，圖中電源模塊是將交流220V電壓變換為直流24V，分為兩路，其中一路作為電源供給MCGS，另外一路給PLC的數字量輸入、輸出模塊；PLC和MCGS采用以太網通信，網線一端接MCGS的LAN口，另外一端接 PLC 的 Port2 口；PLC 的輸出端 Q0．0～Q0．4分別直接與變頻器的輸入端DI1～DI5對應相連。L1、L2、L3 為變頻器的電源進線，U2、V2、W2 直接接三相異步電動機。

圖7 電路接線圖

3 系統調試

根據電路接線圖完成系統硬件接線，然后從底層進行逐步調試，首先看能否通過變頻器單獨控制電動機實現七段速，如果不行，檢查參數設置，如果可以，接著對PLC程序進行調試，這里直接測試在不同的輸入下，PLC的輸出指示燈是否與表2中的8種電動機運行模式一一對應。如果對應，證明程序無誤。接著MCGS與PLC進行變量關聯，設置通訊參數，最后對整體系統上電試車。

4 結論

通過對電動機七段速控制系統的設計，學生掌握了PLC、ABB變頻器、MCGS的基本使用方法，熟悉了系統的整個設計流程。對于PLC程序的編寫、變頻器參數的設置、MCGS界面的制作、各硬件之間的接線以及各模塊之間的通信配置都有了更深入的理解，為畢業后從事相關工作奠定了基礎。