基于THWEEA-1 型现代电气控制系统实训考核装置电气控制系统的关键技术

王军

(随州职业技术学院，湖北随州，441300)

0 引言

本文选用的实训装置中的PLC 系统有西门子或三菱系统，用户根据各自需要进行选择配置。本文介绍了三菱Q 系列00UCPU 与FX3U 系列两台PLC 之间的CCLINK 联机调试；Q 系列CPU 与MCGS 连接通讯设置方法；丝杠滑台与步进电机的安装、步进电机控制等方法。

1 三菱Q 系列PLC 与 CCLink 现场总线

1.1 三菱Q 系列PLC

Q 系列PLC 是三菱公司从A 系列PLC 基础上发展起来的大中型PLC 系列产品，采用了模块化的结构形式，组成与规模灵活可变，最大输入输出点数达到4096 点，最大程序存储器容量可达252KB，采用扩展存储器后可以达到32M，基本指令的处理速度达34ns，适用于各种中等复杂机械、自动生产线的控制场合[1]。

1.2 CCLink 现场总线

控制与通信链路系统(CCLink)是三菱电机最新推出的开放式现场总线，其数据容量大,通信速度多级可选。它是一个以设备层为主的网络，可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。一般情况下,CC-Link 整个一层网络可由1 个主站和64 个从站组成。CClink 可不用操作指令，只需在编程软件中进行相关参数和地址设置，工程下载后，系统自动查讯模块的运行状态，并将检查结果通过模块的指示灯进行显示。CClink 遵守通讯只有一个主站的方式，主站在整个网络系统中是控制数据链接系统的站。从站被动享受主站带来的数据信息，主站可以享受任何从站信息。

1.3 实训装置的CCLink 网络组态

2 台FX2N-32CCL 和1 台QJ61BT11N 模块组成了电控系统的CCLink 网络。FX2N-32CCL 是将PLC 连入CCLink 网络的接口模块，可连接FX2N 系列小型PLC，作为远程设备站，形成简单的分散控制系统。如图1 所示，2 台FX2N-32CCL 模块分别与2 台FX3UPLC 相连接，其电源由外接24VDC 开关电源供电；系统主站采用Q35B 基板，实现主站PLC 对电源内模块、CPU 模块、QJ61BT11N 模块的要求。电源模块采用Q61P，其输入电压为220VAC，输出为5VDC, 6A ,为主站CPU 模块、QJ61BT11N 模块及输入输出模块进行供电；MCGS7062TX 触摸屏通过专用通讯线与主站CPU 连接，实现对主站程序中内部元件的监视和控制。

图1 现代电气控制系统总线连接示意图

2 组态技术

2.1 MCGS 组态软件的体系结构

监视与控制通用系统（MCGS）是一套基于Windows 平台、用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，并以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案。

2.2 MCGS 与Q 系列00UCPU 的连接

正确安装MCGS 组态软件和设备驱动后，打开组态工作台，点击“设备窗口”，双击“设备组态”图标打开窗口，点击“设备管理”，用户根据系统硬件信息进行相应驱动的添加或删除操作。然后，用户在设备工具箱中依次选择“通用串口父设备”和“三菱Q 系列编程口”，双击后将驱动添加到设备组态窗口中。

在“设备窗口”中，右键单击“通用串口父设备”，选择“属性”进行设备属性编辑设定。根据Q 系列00UCPU 的通讯参数设置端口号、通讯波特率、数据位以及校验方式。然后，右键单击“三菱Q 系列编程口”，选择“属性”进行PLC 类型设置，类型选择“三菱_Q02UCPU”。MCGS 软件提供了三菱各类CPU的通讯驱动动态库，用户在使用前根据信息进行正确的设置，MCGS 内部主程序通过调用动态连接库来与外部设备(硬件PLC)通讯，进行实时控制设备动作执行和显示设备运行状态。

3 步进电机控制技术

3.1 步进电机工作原理

步进电动机又称脉冲电机，其利用电脉冲信号来进行控制，可将电脉冲信号转化为相应的角位移或直线位移的执行体系。因受到电脉冲的控制，其角位移量与输入电脉冲数成正比，转速与电脉冲的频率成正比，故可通过控制脉冲数量来控制角位移量，以达到精确控制定位的目的。此外，步进电机可通过改变通电的顺序来改变电机旋转的方向。

3.2 PLC 控制步进电机的组成及原理

THWEEA-1 型实训装置的PLC 控制步进电机的硬件组成主要有监控界面、PLC 控制器、步进电机驱动器以及步进电机等。监控界面通过触摸屏与PLC 之间通信来对电机执行过程进行操作监控，可通过触摸屏来设置PLC 发送脉冲数量和方向信号。PLC 是步进电机控制系统的核心，根据触摸屏参数设置和开关信息，PLC 经过内部的程序运算来控制步进电机的运行状态，并且触摸屏实时更新PLC 内部寄存器元件的状态，从而达到实时监控的目的。步进电机的驱动器接收来自PLC 的脉冲和方向输出信号，在其内部电路的转换和处理后，再驱动步进电机运行。

在步进电机选型时,要根据PLC 输出信号的极性生来决定，要选择方便接收PLC 输出信号的驱动器模块，以提高安装效率。该实训装置选择了带细分功能的驱动器，控制器PLC是三菱FX3U-MT 型,具有两路高速脉冲输出功能。用户可根据设计要求和驱动器操作说明设计PLC 控制步进电机电路，可做单台PLC 控制步进电机的实验，也可做单台PLC 既控制步进电机又控制伺服电机的实验，也可结合触摸屏、主从站PLC，构成网络化的控制系统[2]。

4 变频器调速控制技术

4.1 变频器工作原理

现在使用的变频器主要采用交-直-交方式（VVVF 变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再将直流电源转成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

4.2 变频器的安装

该实训装置配备的变频器是三菱FR-E740-0.75K型,E740 表示其电压极数为3 相400V 级，0.75 表示其输出容量。在安装变频器控制信号电路时，需要拆卸前盖板，拆卸时直接用手向外扣动，禁用金属工具撬动，安装时反方向按下即可。在安装变频器电源输入部分和输出部分时，需要拆卸盖线板。盖线板在变频器的正面下方区域，直接向前拉即可拆下，电源配线完成后反方向从安装导槽安装即可。电源线必须连接至R/L1,S/L2,T/L3，绝不能接在U、V、W，否则会损坏变频器（不需要考虑相序），电机连接到U、V、W。接通正转开关（信号）时，电机的转向从负载轴方向看为逆时针方向。

4.3 变频器的运行及参数设置注意事项

变频器主电路及控制电路安装完毕后，可进行功能性调试。初次进行变频器实训项目时，为确保安全仅设置熟悉参数，只需给变频器接通电源，即可进行面板参数设置操作。变频器的设定参数较多，设置参数时需依据实际情况，设置不当会导致变频器不能正常工作。变频器的控制方式有速度控制、转矩控制、PID 控制等，确定控制方式后，根据控制精度进行静态或动态辨识。电机在低转速下运行时的散热效果较差，长时间运行会导致电机发热烧毁，电缆中的电流也会因此增大导致发热。变频器最大频率为60Hz，有的甚至到400Hz。高频率将使电机高速运转，普通电机的轴承不能长时间超额定转速运行，电机的转子也无法承受大的离心力。

5 结论

除了本文介绍的Q 系列CPU 与主站从站模块CCLink 网络通信、步进电机控制、变频器驱动控制等关键技术技能外，THWEEA-1 型装置还有模拟量输入输出、485 通讯、伺服驱动控制和普通机床电控实训等电气控制技术[3]。