基于WinCC的变频器多段速控制监控系统的设计

2015-05-05王瑜瑜刘少军

机械与电子 2015年5期

王瑜瑜，刘少军

（西安航空职业技术学院，陕西西安710089）

0 引言

随着工业生产的快速发展，电机已成为生产生活中不可或缺的动力源。当然对电机进行调速控制的方法也很多，每种方法也都各有优缺点。但近年随着变频技术的日益成熟，以及各种变频器功能的完善，通过PLC控制变频器实现对电机多段速调速是经常应用的控制方法之一。基于此，设计了西门子S7-200PLC控制 MM440变频器实现多段速调速控制系统，并利用组态软件 WinCC对系统运行状况进行实时监控［1］。

1 系统硬件设计

1.1 系统控制要求

系统设计以对某化工厂的工业离心机的控制为原型。根据工艺要求，离心机一般分为几段不同的转速运行以达到分离的效果（以6段速设计为例）。具体要求是，按下启动按钮，电机首先正转，以15 Hz的速度运行，时间为2min；第2段速度运行频率35Hz，时间为3min；第3段速度运行频率50 Hz，时间为4min；第4段速度电机反转，运行频率15Hz，时间为5min；第5段速度运行频率35Hz，时间为6min；第6段速度运行频率50Hz，时间为4 min，10s后电机停止运行。运行过程中若按停止按钮，电动机立即停止运转。控制要求如图1所示。

1.2 系统组成

系统的组成框图如图2所示，从图中可以看出，系统共由4部分组成，即三相笼型异步电动机、西门子变频器MM440、编程与监控的PC电脑和西门子PLC S7-200。其中，PC机通过 PROFIBUS-DP现场总线实现与PLC的通信，PLC的输出端口与MM440变频器外部数字端口相接，变频器的输出端口与电动的输入端口进行对应连接，最终实现多段速调速控制功能。

图1 系统控制要求

图2 系统组成

1.3 系统设计

根据前面讲述的系统设计要求及系统的组成，首先完成系统的I／O地址分配。因为I／O地址分配不仅是程序设计与编写的基础，而且是进行硬件电路接线与软件程序调试的主要凭据。控制系统的I／O地址分配如表1所示。接下来根据表1的I／O地址分配表设计出系统硬件接线如图3所示，其中PLC的Q0.0～Q0.5输出端口分别与变频器的6个数字输出端口连接，I0.0时启动端口，I0.1是停止端口。

表1 系统I／O地址分配

图3 系统硬件接线

2 变频器参数的设置

对于西门子MM440变频器来说，固定频率的设定值是通过参数P1001～P1015这15个参数来定义的。变频器共有6个数字输入端口分别为DIN1～DIN6，有分别对应变频器的5，6，7，8，16，17端口。可以通过参数P0701～P0706的取值来实现多段速频率控制，共有以下3种方法。

2.1 直接选择

要实现该功能必须先将参数P0701～P0706值设为15。在这种操作方式下，一个数字输入选择一个固定频率，如表2所示。如果有几个固定频率输入同时被激活，选定的频率是它们的总和［2］。

2.2 直接选择＋ON命令

要实现该功能必须先将参数P0701～P0706值设为16。在该功能下选择固定频率时，既有选定的固定频率又有启动功能。在这种操作方式下，一个数字输入选择一个固定频率，同上表2。若同时有多个固定频率被选中，变频器输出的频率是它们之和。

表2 直接选择频率设定值

2.3 二进制编码选择＋ON命令

要实现该功能必须先将参数P0701～P0706值设为17。这种方法最多可选择15个固定频率，利用DIN4～DIN1的4个数字输入端组成二进制编码，将固定频率值定义在P1001～P1015中，每一个二进制编码与参数P1001～P1015一一对应，通过激活不同的二进制编码来选定不同的固定频率。固定频率设定值源端口对应关系如表3所示，各个固定频率数值根据表3进行选择。

表3 固定频率设定值源端口对应关系

2.4 固定频率设定方法选定

若系统采用直接选择方式或直接选择＋ON实现7段速控制，不仅其操作过程麻烦，而且频率设置有局限。例如：若选用变频器5，6，7数字输入端来选择7个频率，需要对P1001～P1003参数进行频率值的设定，最终利用这3个数字输入端口的不同组合，来激活多个固定频率。当有2个或3个端口同时闭合时，其输出频率是每个端口对应频率的总和。这时，不仅需要同时按下多个按钮，而且电动机的转速方向是由参数P1001～P1003所设置的频率正负及求和后的正负值决定的。基于此，系统采用二进制编码选择＋ON命令实现7段速调速控制［3］。最终确定系统的参数列表如表4所示。

在进行参数设置前，变频器应先进行复位。将参数P0010和P0970的值分别设为30和1，复位大约需3s，这样就保证了变频器所有参数都恢复到缺省值。

表4 系统参数设置表

3 软件设计

系统程序的编译是在STEP 7-Micro／WIN V4.0SP3软件环境中进行的。该软件功能齐全，不仅能够进行程序的设计研发，而且能够对程序的执行过程进行实时监测［4］。程序的编写采用梯形图的编程方法，它尤其适用于开关量控制的场合，因与电路图非常相近，所以对于操作人员而言不单通俗易懂还易掌控。按照自动门的设计要求，系统的梯形图主要包括开门程序和关门程序两大部分，其软件流程图如图4所示。

图4 系统软件流程

4 WinCC监控画面的制作

使用WinCC监控软件，设计人机界面HMI对系统进行监控。

4.1 建立通信连接

装有组态软件的PC机上有CP5611通讯板卡，利用PROFIBUS-DP网络使PLC与通讯板卡连接进行通讯。具体实现如下：首先启动 WinCC软件并新建一个项目。接下来在变量管理器中添加驱动程序 “SIMATICs7ProtocalSuiteCHN”，并选择“MPI”作为该通道单元的组态逻辑连接［5］。最后对网络地址、逻辑连接节点名等参数进行设置，这样WinCC与PLC之间的通讯连接就建立了。

4.2 定义变量

在已经建立的通讯连接下进行变量及变量组的定义，其中每个变量都有3个选项进行设置，即：变量名、数据类型及地址。其中变量地址的设置至关重要，因为它决定了此变量与PLC中某一个具体地址的一一对应关系。

4.3 监控画面的制作

在通讯建立成功后，最后进行组态画面的制作。制作完成后保存并运行程序，同时运行S7－200PLC以及变频器，在上位机的WinCC监控画面就可以实时监测到系统的运行状态。设计的WinCC监控界面的操作规则以及控制工艺要求为，整个电机控制系统分为手动和自动2个状态，通过手动／自动转换开关来切换状态，在自动状态时按下自动启动按钮，电机按规定的程序循环的自动运行，实现电机的转速由正转15Hz→正转35Hz→正转50Hz→反转15Hz→反转35Hz→反转50Hz→反转35Hz→正转15Hz循环，每段转运行一定的时间后切换另一状态，并且在此同时按任何手动控制按钮均无作用。当手动／自动切换开关打到手动时，按下不同的手动控制按键将实现相应的转速及状态。一共有6个状态按键，分别为正转的15Hz，35 Hz，50Hz和反转的15Hz，35Hz，50Hz 6种状态。在手动状态时，自动启动按键无效。转速表以及电机转速的数值实时监测显示电动机的转速。