杨昱鑫，安芃芃
（1．兰州石化职业技术大学，甘肃 兰州 730060；
2．甘肃交通职业技术学院，甘肃 兰州 730070）
进入新时代，我国经济由高速增长阶段转向高质量发展阶段，正处在转变发展方式、优化经济结构、转换增长动力的攻关期。经济结构转型中传统产业的淘汰、新兴产业的兴起，将直接影响职业教育专业结构布局的数量和规模，产业技术升级中信息化、自动化、网络化的趋势，对职业教育人才培养的规格和质量也提出了更高的要求。职业教育质量直接影响劳动者的素质；
影响产业技术升级；
影响人民对优质职业教育资源日益增长的需要；
更影响职业教育的声誉和吸引力。因此提高职业教育质量需要做实产教融合、校企合作，在提高学生文化素质的同时，培养其具有过硬的技术实践能力，能够思考问题、提出问题、分析问题、解决问题。本题目来源于电气自动化技术专业学生毕业设计，学生首先通过查阅相关资料分析论证题目的可行性，然后根据实训设备进行项目的方案设计，学习应用相关软件，设计硬件系统，通电试车，最后答辩考核，通过这样一个完整的过程来锻炼并提高学生的综合能力[1－5]。
在本控制系统设计中，采用的软件有博途V15、MCGS组态运行环境及模拟运行环境、CAD等。采用的硬件有 SIMATICS7－PLC、MCGS、变频器ACS510－01－012A－4、三相异步电动机等。具体的控制要求为：在MCGS上按下一速至七速中任意按钮，电动机按预先设定的转速旋转，相应的指示灯亮，按下停止按钮，电动机停止运行。正转最小起始频率为5Hz，每个相邻频率间隔5Hz，最高为七速35Hz。
该控制系统的整体设计思路是通过MCGS触摸屏控制PLC的输入，进而通过PLC的程序控制PLC输出，而PLC的输出又控制变频器的输入，最后通过变频器的输出控制电动机的多段速运行，控制系统设计流程图如图1所示。
图1 控制系统设计流程图
2．1 变频器 ACS510－01－012A－4
本设计中采用ACS510变频器，它具有诸多的优势，能广泛应用于工业领域，适用各类型负载。有高级控制盘；
可将电网侧谐波降至最低；
变感式电抗器、循环软起、用户自定义U／F曲线、超越模式、内置RFI滤波器；
四象限运行以及无功功率补偿功能；
制动能量回馈至电网；
安装、调试以及运行维护方便；
多电平电压源逆变器（VSI）拓扑结构；
成熟的高压IGBT功率半导体技术以及直接转矩控制（DTC）的电机控制平台，保证了可靠性，延长了平均无故障时间（MTBF）并增加了利用率[6－8]。
设计先从最底层（变频器－电动机）进行，变频器要控制电动机的模式运行，需要将电动机的基本参数输入变频器，主要有变频器宏定义选择，电动机的额定电压、额定频率、额定转速、额定功率、功率因数等，如表1所示。
表1 标准宏控制电动机参数设置
电动机的参数设置完成之后，开始进行多段速设置，首先选择变频器在标准宏下运行，其控制模式选择远程控制模式REM，即通过外部端子控制。然后进入参数中开始设置具体各段速的频率。1201 选择 13 模式，如表2 所示，DI5（17）～ DI1（13）是变频器的5个数字量输入端口，这5个端口可以用5位二进制数的组合唯一表示，其中1表示该端子施加24V直流电压，0表示该端子无电压。通过这5个端子的得电与否组合，实现电动机唯一频率运行。例如，在这五个端子中，仅当DI3、DI1得电施加24V电压时，电动机按预先设定的一速5Hz正向旋转，其他运行模式类似。
表2 参数1201＝13时变频器的运行
2．2 SIMATICS7－PLC 程序
变频器参数设置完并调试运行后，进行PLC程序的编写，主要是利用PLC的输出Q来控制变频器数字量DI5（17）～DI1（13）号端子的输入。这里我们以1段速正转程序来具体说明，如图2所示。
图2 1段速正转程序
PLC的编程软件采用博途V15，在图2中，利用MOVE传送指令，当1段速正转启动按下之后，即PLC的输入I0．1常开闭合，此时传送指令从左侧母线得电，二进制数00101从IN进入被传送至OUT1，刚好是表1中1段速正转所对应的变频器5个端子的数字量输入，OUT1接QB0寄存器，即PLC的 Q0．7～ Q0．0，左侧高位，右侧低位。因此，二进制数00101被送入 PLC 的输出端 Q0．7～ Q0．0，即此时仅有Q0．0、Q0．2为1得电，其余Q输出端为0不得电。当 Q0．x（x＝0、1……7）得电，其与公共点接通，对外有输出，而 Q0．4～Q0．0 与变频器 DI5（17）～ DI1（13）号端子一一对应相连，所以完成了通过PLC的输出Q来控制变频器的输入DI，实现多段速控制。同理，只要给定IN的其他二进制的输入，就可以得到其他段速控制。
停止程序如图3所示，只需要给IN输入0即可，此时Q0．x均为0，PLC无输出，变频器DI输入端不得电，因而也无输出，电动机停止运行。
图3 停止程序
2．3 MCGS触摸屏组态环境
PLC的程序调试完成后，进行MCGS控制界面的设计，如图4所示，利用工具箱添加启停按钮及对应的指示灯；
建立实时数据库如图5所示，定义停止按钮及七段速启动按钮的数据类型，这里选择开关型，然后进行变量关联；
建立8个数据通道，通道0～通道7分别对应不同的控制模式，变量关联如图6所示。PLC的输入端程序需要把I寄存器改变为M寄存器进行关联，输出Q寄存器直接关联指示灯即可。对于PLC和MCGS之间的通信，需要对TCP／IP父设备和西门子CP443－1以太网模块进行分别配置，这里的地址至关重要，因为是MCGS控制PLC，所以MCGS为父设备，PLC为远端设备，即本地IP地址为触摸屏父设备的地址，远端IP地址为PLC子设备的地址。
图4 MCGS界面
图5 实时数据库建立
图6 变量关联
2．4 电路接线图
利用CAD绘制电路接线图如图7所示，图中电源模块是将交流220V电压变换为直流24V，分为两路，其中一路作为电源供给MCGS，另外一路给PLC的数字量输入、输出模块；
PLC和MCGS采用以太网通信，网线一端接MCGS的LAN口，另外一端接 PLC 的 Port2 口；
PLC 的输出端 Q0．0～Q0．4分别直接与变频器的输入端DI1～DI5对应相连。L1、L2、L3 为变频器的电源进线，U2、V2、W2 直接接三相异步电动机。
图7 电路接线图
根据电路接线图完成系统硬件接线，然后从底层进行逐步调试，首先看能否通过变频器单独控制电动机实现七段速，如果不行，检查参数设置，如果可以，接着对PLC程序进行调试，这里直接测试在不同的输入下，PLC的输出指示灯是否与表2中的8种电动机运行模式一一对应。如果对应，证明程序无误。接着MCGS与PLC进行变量关联，设置通讯参数，最后对整体系统上电试车。
通过对电动机七段速控制系统的设计，学生掌握了PLC、ABB变频器、MCGS的基本使用方法，熟悉了系统的整个设计流程。对于PLC程序的编写、变频器参数的设置、MCGS界面的制作、各硬件之间的接线以及各模块之间的通信配置都有了更深入的理解，为毕业后从事相关工作奠定了基础。
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