基于PLC和组态技术的异步电机综合实验系统*

2011-05-28郑雪莲任国文罗先成林柏东

重庆工商大学学报（自然科学版） 2011年3期

郑雪莲，晏康，任国文，罗先成，林柏东

（重庆工商大学计算机科学与信息工程学院，重庆 400067）

在电气化时代里，电机的应用几乎涵盖了工农业生产和人类生活的各个领域，采用传统的继电器——接触器控制电机，使用的电气元件体积大、触点多、故障率大，且对于大中型系统，改接线工作烦杂，操作不便。基于上述原因，在此提出以PLC来控制三相异步电机的设计方案。设计方案以一台异步电机为控制对象，并在PLC与计算机通讯的基础上，通过组态软件对PLC及异步电机的当前工作状态进行全方位的监控，在人机界面上对各控制方式进行选择，通过调用执行不同的PLC程序来完成几种典型的控制功能，操作方便简单、控制可靠、成本低。也可通过组态软件对控制对象的工作过程进行全程模拟进行相关的异步电机控制实验。

1 异步电机综合实验系统总体设计

提出的设计方案采用PLC梯形图编程语言编程实现对三相异步电机直接起动、星-三角形起动、串电阻起动、双速正反转、反接制动和能耗制动的控制，通过由MCGS组态完成的人机界面对该六种典型控制方式进行选择。系统主要由基于Omron CQM1H系列可编程序控制器的硬件平台、基于可编程序控制器的梯形图程序和基于MCGS的人机界面三大部分组成。

2 异步电机综合实验系统硬件构成

据系统设计方案所设计的硬件电路见如图1，系统硬件主要由可编程序控制器、交流接触器、电动机、上位机等构成，其中 PLC选用欧姆龙公司CQM1H系列可编程序控制器，其输出端可以直接驱动继电器、接触器等负载，其他硬件设备则由MCGS所设计的人机界面模拟给定。系统成功设计制作完成之后，只需安装相应的机电设备装置如电机、隔离开关，交流接触器等即可投入实际运行。而由MCGS设计的人机界面成为系统的监控部分，具有较大的实用价值。

图1 异步电机综合实验系统硬件电路

3 异步电机综合实验系统软件构成

3.1 系统I/O地址分配

I/O分配，就是给实际的I/O电路赋予一定的PLC地址号。编程时按地址号建立逻辑或控制关系，接线时按地址号“对号入座”进行接线。这样PLC才可能正确地实现控制。在设计人机界面程序时，需要进行实时数据库的构造。实时数据库是工程的数据交换和数据处理中心，数据库中的基本单元就是数据变量，建立实时数据库的过程也是定义数据变量的过程。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。人机界面中数据变量与PLC的内部地址分配必须统一。只有这样，才有可能将PLC中的输入输出变量与人机界面实时数据库中的相关变量正确地连接起来，实现正确的逻辑控制。系统中数据变量与地址分配如表1所示。

表1 异步电机综合实验系统变量及I/O地址分配表

3.2 PLC梯形图程序设计

PLC程序设计语言有多种，它们是梯形图语言LAD（ladder Diagram）、语句表STL（Statement List）、功能块图（FBD）、逻辑方程式等。其中，梯形图语言形象直观、容易掌握，是PLC中用得比较多的一种编程语言。系统采用欧姆龙公司的梯形图编程软件CX-Programmer编写电机控制程序，系统程序由6个子程序组成，所有子程序共用1个系统停止信号，每个子程序控制1个或几个中间继电器输出，再由中间继电器的输出控制相应的交流接触器动作，从而实现电机的起动、调速和制动等。部分子程序需控制1个或两个时间继电器，以使电机能够在各种运行方式间进行安全地切换。程序设计过程中尽量地做到了层次分明，并尽可能地节约了PLC的输入输出点数。这里给出系统中星－三角形起动的控制程序如图2所示。首先由星－三角启动按钮SB3发出控制命令，该命令使中间继电器20003的线圈带电，其常开触点闭合，同时定时器TIM 02得电开始计时。输出继电器1000、1002、1003的输出信号有效，交流接触器KM1、KM3、KM4闭合，异步电机按星形连接降压起动。定时器TIM 02的常开触点延时5 s后动作，异步电机由星形起动切换到正常运行状态，起动过程结束。

3.3 MCGS人机界面设计

MCGS（monitor and control generated system）是一套基于windows95/98/nt操作系统（或更高版本），可用来快速构造和生成各种监控系统的组态软件系统，它为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和操作工具。在启动MCGS组态软件的组态环境后，对系统动作画面进行组态，具体操作如下:

（1）用户窗口组态:设置工程的人机交互界面，如整体画面的制作，动画效果的产生等。

图2 星-三角起动控制程序

（2）主控窗口组态:用户窗口组态完成后，在主控窗口中，通过对系统菜单和参数的定义和设置来调度、管理用户窗口的打开或关闭。

（3）实时数据库组态:工程组态各数据交换处理的核心部分，定义系统输入输出及内部动画连接变量，将MCGS的各部分有机地连成一体。

（4）设备构件组态:通过之前定义的I/O分配表，将实时数据库的数据与外部设备通道连接起来。

（5）运行策略组态:完成工程运行流程的控制，一般情况下使用其默认运行策略即可完成控制要求。系统组态完成，确认无误后，可进入MCGS运行环境调试和运行。

建立的系统监控界面如图3所示，界面由3部分构成:发出控制指令的控制台、PLC状态指示窗口和电机运行状态指示窗口。

图3 异步电机综合控制监控界面

4 异步电机综合实验系统连机调试与功能实现

4.1 程序下载

用RS232C电缆将上位计算机的RS232C的端口与CQM1H的外设端口（也是RS232C口）连接，进行相关通信设置，将在上位计算机上用CX软件编写好的程序写入到“PLC CPU中”。

4.2 MCGS与PLC的通信连接

MCGS组态软件中提供了相关设备的通讯驱动程序。使用欧姆龙公司CQM1H系列PLC时，因PLC带有RS232接口，可直接用电缆与计算机建立连接，通过串口（Host Link协议）和计算机进行通讯。

MCGS组态时，为实现实时监控，需要在MCGS中进行设备连接，使PLC和上位计算机建立起正确的连接通道。在MCGS设备窗口中首先添加一个通用串口父设备，用来设置通信参数和通信端口等设备属性。可采用欧姆龙PLC常用通信参数设置:串口端口号为COM1，波特率9600，2位停止位，偶校验，7位数据位，数据采集方式为同步采集。在父设备下面创建一个与所用PLC机型相符的欧姆龙Host Link子窗口，设置子设备PLC的属性，主要进行通道连接操作，将相应通道与MCGS实时数据库中的变量相连，使得MCGS能从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态，实现对工业过程的实时监控。

实现设备驱动的具体方法是在设备窗口内配置不同类型的设备构件，并根据外部设备的类型和特征，设置相关的属性。在MCGS设备中一般都包含有一个或多个用来读取或者输出数据的物理通道，MCGS把这样的物理通道称为设备通道。设备通道只是数据交换用的通路，而进行数据交换的对象，则必须由用户指定和配置。所有的设备通道都必须与实时数据库相连接。所谓通道连接，即是由用户指定设备通道与数据对象之间的对应关系，这是设备组态的一项重要工作。

在完成了所有硬件连接及软件设置后，即可进行人机界面与PLC间的联机调试，并最终实现人机界面对外部设备的监控功能。