多段速PLC控制系统设计.docx
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多段速PLC控制系统设计
1引言
1.1论文研究的背景及意义
在现代工业社会中许多机械由于工艺需要，要求对电动机调速。
随着变频调速技术的发展和成熟，交流电动机的应用越来越广泛，采用变频调速能够更好的提高生产机械的控制精度、生产效率和产品质量，有利于实现生产过程的自动化，和工作经济的需要.使交流拖动系统具有优良的控制性能，而且在许多生产场合具有显著的节能效果，交流调速正逐步取代直流调速，往往需要进行是失量控制和直接转矩控制，来满足各种工艺要求[1]。
近年来，随着大功率电力晶体管和计算机控制技术的发展，变频器被广泛应用于三相交流异步电动机的调速、节能改造、改善生产工艺等。
异步电动机调速的基本途径有：
改变电动机的极对数p（即变极调速）、改变电动机的转差率s（即变转差率调速）和改变电动机的电源频率f1（即变频调速）。
本文是针对变频调速的设计，采用变频对异步电动机进行调速，具有调速范围广、静态稳定性好、运行效率高、使用方便、可靠性高、经济效益显著等优点[2]。
1.2多段速的应用
现代工业生产中，在不同场合下要求生产机械采用不同的速度进行工作，以保证生产机械的合理运行，并提高产品的质量。
改变生产机械的速度就是调速。
如金属切削机械在进行精加工时，为提高工件的表面光洁度而需要提高切削速度，对鼓风机和泵类负载，用调节转速来调节流量的方法，比通过阀门来调节的方法更要节能等等。
20世纪70年代，随着交流电动机的调速控制理论、电力电子技术、以微处理为核心的全数字化控制等关键技术的发展，交流电动机变频调速技术逐步成熟。
目前，变频技术的运用几乎已经扩展到了工业的所有领域，并且在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛的应用[3]。
变频调速的核心是变频器，本设计主要针对变频器控制电动机实现八段速运行作相应介绍。
2MCGS通用版组态软件简介
计算机技术和网络技术的飞速发展，为工业自动化开辟了广阔的发展空间，用户可以方便快捷地组建优质高效的监控系统，并且通过采用远程监控及诊断、双机热备等先进技术，使系统更加安全可靠，在这方面，MCGS系列（通用版、网络版、嵌入版）工控组态软件将为您提供强有力的软件支持。
2.1MCGS组态软件的功能和特点
MCGS即"监视与控制通用系统"，英文全称为MonitorandControlGeneratedSystem。
MCGS是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。
MCGS工控组态软件的功能和特点可归纳如下：
（1）概念简单，易于理解和使用。
普通工程人员经过短时间的培训就能正确掌握、快速完成多数简单工程项目的监控程序设计和运行操作。
用户可避开复杂的计算机软硬件问题，集中精力解决工程本身的问题[4]，按照系统的规定，组态配置出高性能、高可靠性、高度专业化的上位机监控系统。
（2）功能齐全，便于方案设计。
MCGS为解决工程监控问题提供了丰富多样的手段，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、曲线显示等各个环节，均有丰富的功能组件和常用图形库可供选用，用户只需根据工程作业的需要和特点，进行方案设计和组态配置，即可生成用户应用软件系统[5]。
（3）实时性与并行处理。
MCGS充分利用了Windows操作平台的多任务、按优先级分时操作的功能，使PC机广泛应用于工程测控领域成为可能。
工程作业中，大量的数据和信息需要及时收集，即时处理，在计算机测控技术领域称其为实时性任务关键任务，如数据采集、设备驱动和异常处理等[6]。
另外许多工作则是非实时性的，或称为非时间关键任务，如画面显示，可在主机运行周期时间内插空进行。
而像打印数据一类的工作，可运行于后台，称为脱机作业。
MCGS是真正的32位系统，可同时运行于MicrosoftWindows95，98和MicrosoftWindowsNT平台，以线程为单位进行分时并行处理。
（4）建立实时数据库，便于用户分步组态，保证系统安全可靠运行。
MCGS组态软件由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成。
其中的“实时数据库”是整个系统的核心。
在生成用户应用系统时，每一部分均可分别进行组态配置，独立建造，互不相干；而在系统运行过程中，各个部分都通过实时数据库交换数据，形成互相关联的整体[7]。
实时数据库是一个数据处理中心，是系统各个部分及其各种功能性构件的公用数据区。
各个部件独立地向实时数据库输入和输出数据，并完成自己的差错控制。
（5）设立“设备工具箱”，针对外部设备的特征，用户从中选择某种“构件”，设置于设备窗口内，赋予相关的属性，建立系统与外部设备的连接关系，即可实现对该种设备的驱动和控制。
不同的设备对应于不同的构件，所有的设备构件均通过实时数据库建立联系，而建立时又是相互独立的，即对某一构件的操作或改动，不影响其它构件和整个系统的结构，从这一意义上讲，MCGS是一个“设备无关”的系统，用户不必因外部设备局部改动，而影响整个系统。
（6）“面向窗口”的设计方法，增加了可视性和可操作性。
以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得MCGS的组态工作既简单直观，又灵活多变。
用户可以使用系统的缺省构架，也可以根据需要自己组态配置，生成各种类型和风格的图形界面，包括DOS风格的图形界面、标准Windows风格的图形界面以及带有动画效果的工具条和状态条。
（7）利用丰富的“动画组态”功能，快速构造各种复杂生动的动态画面。
以图象、图符、数据、曲线等多种形式，为操作员及时提供系统运行中的的状态、品质及异常报警等有关信息。
用变化大小、改变颜色、明暗闪烁、移动翻转等多种手段，增强画面的动态显示效果。
图元、图符对象定义相应的状态属性，即可实现动画效果。
同时，MCGS为用户提供了丰富的动画构件，模拟工程控制与实时监测作业中常用的物理器件的动作和功能。
每个动画构件都对应一个特定的动画功能。
如：
实时曲线构件、历史曲线构件、报警显示构件、自由表格构件等。
（8）引入“运行策略”的概念。
复杂的工程作业，运行流程都是多分支的。
用传统的编程方法实现，既繁琐又容易出错。
MCGS开辟了“策略窗口”，用户可以选用系统提供的各种条件和功能的“策略构件”，用图形化的方法构造多分支的应用程序，实现自由、精确地控制运行流程，按照设定的条件和顺序，操作外部设备，控制窗口的打开或关闭，与实时数据库进行数据交换。
同时，也可以由用户创建新的策略构件，扩展系统的功能。
（9）MCGS系统由五大功能部件组成，主要的功能部件以构件的形式来构造。
不同的构件有着不同的功能，且各自独立。
三种基本类型的构件（设备构件、动画构件、策略构件）完成了MCGS系统三大部分（设备驱动、动画显示和流程控制）的所有工作。
用户也可以根据需要，定制特定类型构件，使MCGS系统的功能得到扩充。
这种充分利用“面向对象”的技术，大大提高了系统的可维护性和可扩充性。
（10）支持OLEAutomation技术。
MCGS允许用户在VisualBasic中操作MCGS中的对象，提供了一套开放的可扩充接口，用户可根据自己的需要用VB编制特定的功能构件来扩充系统的功能。
（11）MCGS中数据的存储不再使用普通的文件，而是用数据库来管理一切。
组态时，系统生成的组态结果是一个数据库；运行时，数据对象、报警信息的存储也是一个数据库。
利用数据库来保存数据和处理数据，提高了系统的可靠性和运行效率，同时，也使其它应用软件系统能直接处理数据库中的存盘数据。
（12）设立“对象元件库”，解决了组态结果的积累和重新利用问题。
所谓对象元件库，实际上是分类存储各种组态对象的图库。
组态时，可把制作完好的对象（包括图形对象，窗口对象，策略对象，以至位图文件等等）以元件的形式存入图库中，也可把元件库中的各种对象取出，直接为当前的工程所用。
随着工作的积累，对象元件库将日益扩大和丰富，组态工作将会变得越来越简单方便。
（13）提供对网络的支持。
考虑到工控系统今后的发展趋势，MCGS充分运用现今发展的DCCW（DistributedComputerCooperatorWork）技术，即分布式计算机协同工作方式，来使分散在不同现场之间的采集系统和工作站之间协同工作。
通过MCGS，不同的工作站之间可以实时交换数据，实现对工控系统的分布式控制和管理。
2.2MCGS组态软件的系统构成
2.2.1MCGS组态软件的整体结构
MCGS组态软件（以下简称MCGS）由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。
两部分互相独立，又紧密相关。
MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。
用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程”。
MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序McgsRun.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。
在运行环境中完成对工程的控制工作。
2.2.2MCGS工程的五大部分
MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。
（1）主控窗口：
是工程的主窗口或主框架。
在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。
主要的组态操作包括：
定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。
（2）设备窗口：
是连接和驱动外部设备的工作环境。
在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。
（3）用户窗口：
本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：
生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。
（4）实时数据库：
是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。
在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。
（5）运行策略：
本窗口主要完成工程运行流程的控制。
包括编写控制程序（if…then脚本程序），选用各种功能构件，如：
数据提取、历史曲线、定时器、配方操作、多媒体输出等。
图2.2MCGS组态软件构成图
2.3MCGS组态软件的工作方式
MCGS如何与设备进行通讯：
MCGS通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。
包括数据采集和发送设备指令。
设备驱动程序是由VB程序设计语言编写的DLL（动态连接库）文件，设备驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的处理程序，将设备运行状态的特征数据采集进来或发送出去。
MCGS负责在运行环境中调用相应的设备驱动程序，将数据传送到工程中各个部分，完成整个系统的通讯过程。
每个驱动程序独占一个线程，达到互不干扰的目的。
MCGS如何产生动画效果：
MCGS为每一种基本图形元素定义了不同的动画属性，如：
一个长方形的动画属性有可见度，大小变化，水平移动等，每一种动画属性都会产生一定的动画效果。
所谓动画属性，实际上是反映图形大小、颜色、位置、可见度、闪烁性等状态的特征参数。
然而，我们在组态环境中生成的画面都是静止的，如何在工程运行中产生动画效果呢？
方法是：
图形的每一种动画属性中都有一个“表达式”设定栏，在该栏中设定一个与图形状态相联系的数据变量，连接到实时数据库中，以此建立相应的对应关系，MCGS称之为动画连接。
当工业现场中测控对象的状态（如：
储油罐的液面高度等）发生变化时，通过设备驱动程序将变化的数据采集到实时数据库的变量中，该变量是与动画属性相关的变量，数值的变化，使图形的状态产生相应的变化（如大小变化）。
现场的数据是连续被采集进来的，这样就会产生逼真的动画效果（如储油罐的液面的升高和降低）。
用户也可编写程序来控制动画界面，以达到满意的效果。
MCGS如何实施远程多机监控：
MCGS提供了一套完善的网络机制，可通过TCP/IP网、Modem网和串口网将多台计算机连接在一起，构成分布式网络测控系统，实现网络间的实时数据同步、历史数据同步和网络事件的快速传递。
同时，可利用MCGS提供的网络功能，在工作站上直接对服务器中的数据库进行读写操作。
分布式网络测控系统的每一台计算机都要安装一套MCGS工控组态软件。
MCGS把各种网络形式，以父设备构件和子设备构件的形式，供用户调用，并进行工作状态、端口号、工作站地址等属性参数的设置[8]。
如何对工程运行流程实施有效控制：
MCGS开辟了专用的“运行策略”窗口，建立用户运行策略。
MCGS提供了丰富的功能构件，供用户选用，通过构件配置和属性设置两项组态操作，生成各种功能模块（称为“用户策略”），使系统能够按照设定的顺序和条件，操作实时数据库，实现对动画窗口的任意切换，控制系统的运行流程和设备的工作状态。
所有的操作均采用面向对象的直观方式，避免了烦琐的编程工作。
2.4MCGS组态软件的操作方式
系统工作台面是MCGS组态操作的总工作台面。
鼠标双击Windows95/98/NT工作台面上的“MCGS组态环境”图标，或执行“开始”菜单中的“MCGS组态环境”菜单项，弹出的窗口即为MCGS的工作台窗口，设有：
（1）标题栏：
显示“MCGS组态环境-工作台”标题、工程文件名称和所在目录；
（2）菜单条：
设置MCGS的菜单系统；
（3）工具条：
设有对象编辑和组态用的工具按钮。
不同的窗口设有不同功能的工具条按钮。
工作台面可进行组态操作和属性设置。
上部设有五个窗口标签，分别对应主控窗口、用户窗口、设备窗口、运行策略和实时数据库五大窗口[9]。
鼠标单击标签按钮，即可将相应的窗口激活，进行组态操作；工作台右侧还设有创建对象和对象组态用的功能按钮；
组态工作窗口是创建和配置图形对象、数据对象和各种构件的工作环境，又称为对象的编辑窗口。
主要包括组成工程框架的五大窗口，即：
主控窗口，用户窗口，设备窗口，运行策略窗口，实时数据库窗口。
分别完成工程命名和属性设置、动画设计、设备连接、编写控制流程、定义数据变量等项组态操作。
属性设置窗口是设置对象各种特征参数的工作环境，又称属性设置对话框。
对象不同，属性窗口的内容各异，但结构形式大体相同。
主要由下列几部分组成：
（1）窗口标题：
位于窗口顶部，显示“××属性设置”字样的标题；
（2）窗口标签：
不同属性的窗口分页排列，窗口标签作为分页的标记，各类窗口分页排列，鼠标单击窗口标签，即可将相应的窗口页激活，进行属性设置；
（3）输入框：
设置属性的输入框，左侧标有属性注释文字，框内输入属性内容。
为了便于用户操作，许多输入框的右侧带有“？
”、“▲”、“…”等标志符号的选项按钮，鼠标单击此按钮，弹出一列表框，鼠标双击所需要的项目，即可将其设置于输入框内；
（4）选项钮：
带有“○”标记的属性设定器件。
同一设置栏内有多个选项钮时，只能选择其一；
（5）复选框：
带有“□”标记的属性设定器件。
同一设置栏内有多个选项框时，可以设置多个；
（6）功能按钮：
一般设有“检查[C]”、“确认[Y]”、“取消[N]”、“帮助[H]”四种按钮：
“检查[C]”按钮用于检查当前属性设置内容是否正确；“确认[Y]”按钮用于属性设置完毕，返回组态窗口；“取消[N]”按钮用于取消当前的设置，返回组态窗口；“帮助[H]”按钮用于查阅在线帮助文件。
图形库工具箱包括：
（1）系统图形工具箱：
进入用户窗口，鼠标点击工具条中的“工具箱”按钮，打开图形工具箱，其中设有各种图元、图符、组合图形及动画构件的位图图符。
利用这些最基本的图形元素，可以制作出任何复杂的图形。
（2）设备构件工具箱：
进入设备窗口，鼠标点击工具条中的“工具箱”按钮，打开设备构件工具箱窗口，其中设有与工控系统经常选用的测控设备相匹配的各种设备构件。
选用所需的构件，放置到设备窗口中，经过属性设置和通道连接后，该构件即可实现对外部设备的驱动和控制。
（3）策略构件工具箱：
进入运行策略组态窗口，鼠标点击工具条中的“工具箱”按钮，打开策略构件工具箱，工具箱内包括所有策略功能构件。
选用所需的构件，生成用户策略模块，实现对系统运行流程的有效控制。
（4）对象元件库：
对象元件库是存放组态完好并具有通用价值动画图形的图形库便于对组态成果的重复利用。
进入用户窗口的组态窗口，执行“工具”菜单中的“对象元件库管理”菜单命令，或者打开系统图形工具箱，选择“插入元件”图标，可打开对象元件库管理窗口，进行存放图形的操作。
（5）工具按钮一览：
工作台窗口的工具条一栏内，排列标有各种位图图标的按钮，称为工具条功能按钮，简称为工具按钮。
许多按钮的功能与菜单条中的菜单命令相同，但操作更为简便，因此在组态操作中经常使用。
在本书的后面，用附表列出了各个窗口内工具按钮的名称、位图、功能，以备用户查阅。
3PLC简介
3.1PLC发展状况及其前景
PLC英文全称ProgrammableLogicController，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC[10]。
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable,是世界上公认的第一台PLC。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。
可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地[11]。
21世纪，PLC会有更大的发展。
从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。
目前的计算机集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）中已有大量的可编程控制器应用。
伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。
3.2PLC的结构及其功能
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
3.2.1CPU的构成
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。
CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。
内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。
CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令[12]。
但工作节奏由震荡信号控制。
运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。
寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
3.2.2I/O模块
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。
I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。
常用的I/O分类如下：
开关量：
按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：
按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。
除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。
3.2.3电源模块
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。
电源输入类型有：
交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。
3.2.4底板或机架
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