熊幸明，包 艷，張 丹，張文希

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

（長沙大學(xué) 電子與通信工程系，長沙 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)過程控制和實時監(jiān)測的通用計算機(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]。它集計算機(jī)技術(shù)、測量技術(shù)、控制技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)于一體，使用戶避開復(fù)雜的計算機(jī)軟件代碼編制，集中精力解決好系統(tǒng)本身的控制問題，極大地提高了完成自動化工程的工作效率，體現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng)向信息化、集成化、分布化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的趨勢。本文以X62W銑床電動機(jī)的變頻調(diào)速為例，對基于MCGS的電機(jī)變頻調(diào)速監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行介紹。

1 PLC控制硬件結(jié)構(gòu)

X62W萬能銑床由三臺異步電動機(jī)拖動，M1為主軸電動機(jī)，用來實現(xiàn)主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。M2為進(jìn)給電動機(jī)，由操縱手柄和機(jī)械離合器相配合，帶動工作臺實現(xiàn)前、后、左、右、上、下六個方向的進(jìn)給運(yùn)動。圓形工作臺的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動也由進(jìn)給電機(jī)M2經(jīng)傳動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)。M3為冷卻泵電動機(jī)。

根據(jù)機(jī)床控制要求，主軸啟動、停止和工作臺快移需要兩地控制，按照節(jié)省輸入、輸出點的原則，將主軸啟動按鈕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，各占一個輸入點；冷卻泵電機(jī)和照明燈由開關(guān)直接控制，也不占輸入、輸出點。分析表明，改造后的X62W銑床共需輸入點17個，輸出點16個，考慮l0%余量及以后增加報警電路、故障顯示電路和工藝控制等問題，選用三菱FX2N一48MR型PLC（Programmable Logic Controller）。FX2N一 48MR共 有 24個開關(guān)量輸入通道，24個繼電器輸出通道。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，無速度反饋開環(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。通過這三個端子的不同狀態(tài)組合，可獲得1～15檔轉(zhuǎn)速。每檔轉(zhuǎn)速設(shè)置對應(yīng)的工作頻率，則電動機(jī)轉(zhuǎn)速的切換便可由PLC自動控制。

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

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、主軸電動機(jī)、報警器、打印機(jī)等組成。上位機(jī)主要用于監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、報表等，而PLC作為底層控制器，則完成具體的控制動作。上位機(jī)與PLC之間通過RS-232串口連接進(jìn)行通信。上位機(jī)發(fā)出的命令通過PLC中CPU的運(yùn)算處理，轉(zhuǎn)換成變頻器可以識別的控制指令，輸出到變頻器的輸入端，變頻器根據(jù)輸入信號（開關(guān)量或模擬量）調(diào)整主電路中交流電壓的頻率驅(qū)動電動機(jī)動作，從而完成控制轉(zhuǎn)速的任務(wù)。其中，輸入設(shè)定值、轉(zhuǎn)速的實時顯示圖形或曲線的各種報表是在上位機(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和變頻器來完成的[2]。

3 MCGS組態(tài)設(shè)計

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”，點擊右鍵，選擇下拉菜單中的“設(shè)置為啟動窗口”選項，將該窗口設(shè)置為運(yùn)行時自動加載的窗口；

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)畫面，實現(xiàn)對系統(tǒng)的操作和監(jiān)控。在畫面上可直觀的看到電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)動作，轉(zhuǎn)速的指針和數(shù)字顯示，超速報警指示等。

圖3 X62W銑床電機(jī)調(diào)速監(jiān)控界面

2）系統(tǒng)數(shù)據(jù)對象

MCGS用數(shù)據(jù)對象來表述系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)庫是所有數(shù)據(jù)對象的集合，是應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心。將實時數(shù)據(jù)庫中定義的各種開關(guān)型或數(shù)值型變量與監(jiān)控畫面中相對應(yīng)的儀表、按鈕、指示燈等連接起來，就可使動畫按照要求動起來。由圖1的PLC接線圖可見，此系統(tǒng)的輸入和輸出均是開關(guān)量，所以在MCGS組態(tài)的實時數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的數(shù)據(jù)對象類型也是開關(guān)型的，部分?jǐn)?shù)據(jù)對象定義如表1所示。

表1 部分?jǐn)?shù)據(jù)對象定義

對 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)給電動機(jī)轉(zhuǎn)速，控制進(jìn)給電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化進(jìn)給實際轉(zhuǎn)速 數(shù)值型 用于檢測進(jìn)給電機(jī)實際轉(zhuǎn)速，顯示電動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化主軸轉(zhuǎn)速超限報警指示 數(shù)值型 用于設(shè)定主軸電動機(jī)轉(zhuǎn)速超限報警值進(jìn)給轉(zhuǎn)速超限報警指示 數(shù)值型 用于設(shè)定進(jìn)給電動機(jī)轉(zhuǎn)速超限報警值轉(zhuǎn)速組 組對象 用于歷史數(shù)據(jù)、歷史曲線、報表輸出等功能構(gòu)件

在組態(tài)畫面設(shè)計完成后，必須對畫面進(jìn)行設(shè)置，將用戶窗口中的圖形對象與實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象建立對應(yīng)連接關(guān)系，使系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，產(chǎn)生形象逼真的動畫效果。對某些通過常規(guī)組態(tài)方法難以實現(xiàn)的控制和計算任務(wù)，則需要使用腳本語言編寫腳本程序，實現(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)，實現(xiàn)對工業(yè)過程的實時監(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。對串口父設(shè)備需打開其屬性窗口，在設(shè)備屬性設(shè)置中“串口端口號”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)校驗方式：偶校驗，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。而對于三菱FX一232子設(shè)備，要先打開其屬性窗口，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PLC，則無需進(jìn)一步設(shè)置；如果使用MCGS循環(huán)采樣方式自動周期性地訪問PLC，則還要對設(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實時數(shù)據(jù)庫中的變量逐一建立對應(yīng)關(guān)系，確定操作方式(讀或?qū)懟蜃x寫)，設(shè)置工作才完成。

對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，由初始化繼電器M8002驅(qū)動而自動寫入相關(guān)設(shè)置參數(shù)，或者在PC機(jī)上使用PLC開發(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，1位停止位，無命令頭和尾，不加校驗和，無協(xié)議通訊方式。如采用其它參數(shù)通訊，則必須修改D8120各個對應(yīng)位的值。必須注意，MCGS與PLC的參數(shù)設(shè)置要一致，才能實現(xiàn)兩者之間的正確通信。

5 結(jié)論

本設(shè)計是應(yīng)用PLC和MCGS組態(tài)技術(shù)對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)具有實時性好、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。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強(qiáng)度，降低了設(shè)備維護(hù)費用，提高了系統(tǒng)的自動化水平，具有較高的推廣價值。

[1] 北京昆侖通態(tài)自動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[J].制造業(yè)自動化,2008(12)：103-108