熊幸明，包 艷，張 丹，張文希

XIONG Xing-ming, BAO Yan, ZHANG Dan, ZHANG Wen-xi

（長(zhǎng)沙大學(xué) 電子與通信工程系，長(zhǎng)沙 410003）

0 引言

MCGS(Monitor and Control Generated system)是一套基于Windows98/Me/NT/2000操作系統(tǒng)(或更高版本)、用于工業(yè)過(guò)程控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件，可快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)[1]。它集計(jì)算機(jī)技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、控制技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)于一體，使用戶避開(kāi)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)軟件代碼編制，集中精力解決好系統(tǒng)本身的控制問(wèn)題，極大地提高了完成自動(dòng)化工程的工作效率，體現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)向信息化、集成化、分布化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的趨勢(shì)。本文以X62W銑床電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速為例，對(duì)基于MCGS的電機(jī)變頻調(diào)速監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

1 PLC控制硬件結(jié)構(gòu)

X62W萬(wàn)能銑床由三臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，M1為主軸電動(dòng)機(jī)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。M2為進(jìn)給電動(dòng)機(jī)，由操縱手柄和機(jī)械離合器相配合，帶動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)前、后、左、右、上、下六個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。圓形工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也由進(jìn)給電機(jī)M2經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。M3為冷卻泵電動(dòng)機(jī)。

根據(jù)機(jī)床控制要求，主軸啟動(dòng)、停止和工作臺(tái)快移需要兩地控制，按照節(jié)省輸入、輸出點(diǎn)的原則，將主軸啟動(dòng)按鈕SB5、SB6并聯(lián)，停止按鈕SB7、SB8串聯(lián)，快移按鈕SB9、SB10并聯(lián)接到PLC輸入端子上，各占一個(gè)輸入點(diǎn)；冷卻泵電機(jī)和照明燈由開(kāi)關(guān)直接控制，也不占輸入、輸出點(diǎn)。分析表明，改造后的X62W銑床共需輸入點(diǎn)17個(gè)，輸出點(diǎn)16個(gè)，考慮l0%余量及以后增加報(bào)警電路、故障顯示電路和工藝控制等問(wèn)題，選用三菱FX2N一48MR型PLC（Programmable Logic Controller）。FX2N一 48MR共 有 24個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入通道，24個(gè)繼電器輸出通道。主軸電機(jī)調(diào)速采用三菱FR—E540—7.5K變頻器,進(jìn)給電機(jī)則采用FR—E540—1.5K變頻器。FR—E540是采用磁通矢量控制技術(shù)，PWM原理和智能功率模塊（IPM）的高性能變頻器，無(wú)速度反饋開(kāi)環(huán)控制的調(diào)速范圍為1∶120，采用速度反饋閉環(huán)控制的調(diào)速范圍可達(dá)1∶1000，完全能滿足X62W銑床的控制要求。PLC與變頻器的接線如圖1所示。

變頻器輸入端子中RH、RM、RL為多檔轉(zhuǎn)速控制端子。通過(guò)這三個(gè)端子的不同狀態(tài)組合，可獲得1～15檔轉(zhuǎn)速。每檔轉(zhuǎn)速設(shè)置對(duì)應(yīng)的工作頻率，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的切換便可由PLC自動(dòng)控制。

由于FR—E540變頻器內(nèi)部具有直流制動(dòng)裝置，通過(guò)設(shè)置直流制動(dòng)參數(shù)Pr.10（直流制動(dòng)動(dòng)作頻率）、Pr.11（直流制動(dòng)動(dòng)作時(shí)間）、Pr.12（直流制動(dòng)電壓），可使系統(tǒng)在很短的時(shí)間內(nèi)快速停車。這樣用于銑床調(diào)速控制時(shí)，不需再設(shè)機(jī)械或電氣制動(dòng)裝置。

圖1 X62W銑床PLC與變頻器外部接線圖

2 MCGS監(jiān)控系統(tǒng)組成

基于MCGS的X62W銑床主軸電機(jī)變頻調(diào)速監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 X62W銑床主軸電機(jī)變頻調(diào)速監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖

該系統(tǒng)主要由上位機(jī)（普通PC機(jī)或工業(yè)IPC機(jī)）、三菱FX2N-48MR型PLC、三菱FR-E540系列變頻器、主軸電動(dòng)機(jī)、報(bào)警器、打印機(jī)等組成。上位機(jī)主要用于監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、報(bào)表等，而PLC作為底層控制器，則完成具體的控制動(dòng)作。上位機(jī)與PLC之間通過(guò)RS-232串口連接進(jìn)行通信。上位機(jī)發(fā)出的命令通過(guò)PLC中CPU的運(yùn)算處理，轉(zhuǎn)換成變頻器可以識(shí)別的控制指令，輸出到變頻器的輸入端，變頻器根據(jù)輸入信號(hào)（開(kāi)關(guān)量或模擬量）調(diào)整主電路中交流電壓的頻率驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)動(dòng)作，從而完成控制轉(zhuǎn)速的任務(wù)。其中，輸入設(shè)定值、轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)顯示圖形或曲線的各種報(bào)表是在上位機(jī)中的組態(tài)軟件進(jìn)行的，而電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制則是由PLC和變頻器來(lái)完成的[2]。

3 MCGS組態(tài)設(shè)計(jì)

1）監(jiān)控界面

上位機(jī)監(jiān)控界面是在MCGS組態(tài)軟件的用戶窗口中由用戶組建的，為用戶提供最直觀的顯示畫(huà)面。具體步驟是：

（1）在“用戶窗口”中單擊“新建窗口”按鈕，建立“窗口0”；

（2）選中“窗口0”，單擊“窗口屬性”，進(jìn)入“用戶窗口屬性設(shè)置”；

（3）將窗口名稱改為“X62W銑床監(jiān)控界面”，窗口位置選中“最大化顯示”，其他不變；

（4）在“用戶窗口”中，選中“X62W銑床監(jiān)控界面”，點(diǎn)擊右鍵，選擇下拉菜單中的“設(shè)置為啟動(dòng)窗口”選項(xiàng)，將該窗口設(shè)置為運(yùn)行時(shí)自動(dòng)加載的窗口；

最后生成圖3所示的X62W銑床電機(jī)調(diào)速監(jiān)控界面。依靠圖3的組態(tài)畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的操作和監(jiān)控。在畫(huà)面上可直觀的看到電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)動(dòng)作，轉(zhuǎn)速的指針和數(shù)字顯示，超速報(bào)警指示等。

圖3 X62W銑床電機(jī)調(diào)速監(jiān)控界面

2）系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)象

MCGS用數(shù)據(jù)對(duì)象來(lái)表述系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是所有數(shù)據(jù)對(duì)象的集合，是應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心。將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中定義的各種開(kāi)關(guān)型或數(shù)值型變量與監(jiān)控畫(huà)面中相對(duì)應(yīng)的儀表、按鈕、指示燈等連接起來(lái)，就可使動(dòng)畫(huà)按照要求動(dòng)起來(lái)。由圖1的PLC接線圖可見(jiàn)，此系統(tǒng)的輸入和輸出均是開(kāi)關(guān)量，所以在MCGS組態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)對(duì)象類型也是開(kāi)關(guān)型的，部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)象定義如表1所示。

表1 部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)象定義

對(duì) 象 名 稱 類型 注 釋進(jìn)給設(shè)定轉(zhuǎn)速 數(shù)值型 用于設(shè)定進(jìn)給電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，控制進(jìn)給電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化進(jìn)給實(shí)際轉(zhuǎn)速 數(shù)值型 用于檢測(cè)進(jìn)給電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，顯示電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化主軸轉(zhuǎn)速超限報(bào)警指示 數(shù)值型 用于設(shè)定主軸電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超限報(bào)警值進(jìn)給轉(zhuǎn)速超限報(bào)警指示 數(shù)值型 用于設(shè)定進(jìn)給電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超限報(bào)警值轉(zhuǎn)速組 組對(duì)象 用于歷史數(shù)據(jù)、歷史曲線、報(bào)表輸出等功能構(gòu)件

在組態(tài)畫(huà)面設(shè)計(jì)完成后，必須對(duì)畫(huà)面進(jìn)行設(shè)置，將用戶窗口中的圖形對(duì)象與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)對(duì)象建立對(duì)應(yīng)連接關(guān)系，使系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，產(chǎn)生形象逼真的動(dòng)畫(huà)效果。對(duì)某些通過(guò)常規(guī)組態(tài)方法難以實(shí)現(xiàn)的控制和計(jì)算任務(wù)，則需要使用腳本語(yǔ)言編寫(xiě)腳本程序，實(shí)現(xiàn)特定的流程控制和操作處理[3]。

4 MCGS與PLC的通信設(shè)置

MCGS一般通過(guò)上位機(jī)的串行口和PLC上的編程口建立物理上的通訊連接，從而達(dá)到操作PLC的目的，起到監(jiān)控作用。MCGS組態(tài)軟件在設(shè)備窗口中建立系統(tǒng)與外部硬件設(shè)備的連接關(guān)系，使系統(tǒng)能夠從外部設(shè)備讀取數(shù)據(jù)并控制外部設(shè)備的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控[4]。

MCGS“設(shè)備組態(tài)”方法是先調(diào)用MCGS串口通訊父設(shè)備構(gòu)件，再找到三菱FX一232子設(shè)備構(gòu)件，并掛接在串口父設(shè)備下。對(duì)串口父設(shè)備需打開(kāi)其屬性窗口，在設(shè)備屬性設(shè)置中“串口端口號(hào)”設(shè)為0一C0Ml，通訊波特率設(shè)為：6～9 600，數(shù)據(jù)位位數(shù)：3～8位，數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式：偶校驗(yàn)，1位停止位，數(shù)據(jù)采集方式：同步采集。設(shè)置完后單擊“確認(rèn)”按鈕返回。而對(duì)于三菱FX一232子設(shè)備，要先打開(kāi)其屬性窗口，設(shè)置好基本屬性中的設(shè)備名稱、初始工作狀態(tài)和最小采集周期(同父設(shè)備)，然后根據(jù)MCGS與FX系列PLC之間的通訊方式，再進(jìn)行后面的設(shè)置。如果使用MCGS提供的Read和Write設(shè)備命令直接訪問(wèn)PLC，則無(wú)需進(jìn)一步設(shè)置；如果使用MCGS循環(huán)采樣方式自動(dòng)周期性地訪問(wèn)PLC，則還要對(duì)設(shè)備增加通道，建立通道連接，把PLC中相關(guān)繼電器(X，Y，M)和寄存器(D)與MCGS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的變量逐一建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定操作方式(讀或?qū)懟蜃x寫(xiě))，設(shè)置工作才完成。

對(duì)PLC的通訊設(shè)置主要是設(shè)置PLC的特殊寄存器D8120。這是一個(gè)16位的特殊寄存器，其設(shè)置方法是在PLC程序中在PLC上電時(shí)，由初始化繼電器M8002驅(qū)動(dòng)而自動(dòng)寫(xiě)入相關(guān)設(shè)置參數(shù)，或者在PC機(jī)上使用PLC開(kāi)發(fā)系統(tǒng)軟件預(yù)先進(jìn)行設(shè)置。FX系列PLC默認(rèn)的通訊設(shè)置為D8120 =H0086，表示波特率為9600bps,7位數(shù)據(jù)，偶校驗(yàn)，1位停止位，無(wú)命令頭和尾，不加校驗(yàn)和，無(wú)協(xié)議通訊方式。如采用其它參數(shù)通訊，則必須修改D8120各個(gè)對(duì)應(yīng)位的值。必須注意，MCGS與PLC的參數(shù)設(shè)置要一致，才能實(shí)現(xiàn)兩者之間的正確通信。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)是應(yīng)用PLC和MCGS組態(tài)技術(shù)對(duì)X62W銑床原有的繼電-接觸器控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。PLC與變頻器組成的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、響應(yīng)速度快、可靠性高、操作方便、節(jié)約能源、節(jié)省投資等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用MCGS組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，具有較高的推廣價(jià)值。

[1] 北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司.全中文工控組態(tài)軟件MCGS用戶指南.北京：MCGS公司,2003

[2] 包建華,丁啟勝,張興奎.工控組態(tài)軟件MCGS及其應(yīng)用[J].工礦自動(dòng)化,2007

[3] 許志軍.工業(yè)控制組態(tài)軟件及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005

[4] 鄒偉,楊平,徐德.基于MCGS組態(tài)軟件的上位機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2008(12)：103-108