无级调速PLC控制系统设计

1前⾔

1.1系统的背景及发展

随着现在社会科技的飞速发展，⼈们对⽣活各个⽅⾯品质的要求也在不断地提要，在速度运⾏⽅⾯，⼈们要求速度调节范围⼴，⽽且平缓，⽆级调速以其独特的优势赢得新科技的青睐，各种各样的⽆级调速⽅式涌现出来。⽆级变速与过去定⽐变速不同，主要有三⼤类：电⽓⽆级调速、流体⽆级调速和机械⽆级调速。其中电⽓⽆级调速是以电磁流为介质的⼀种调速⽅式，该种变速⽅式以电机调速为主体，主要分为直流调速和交流调速。直流调速主要是通过改变电枢的外串电阻、电枢电压或改变磁通量实现调速。其特点是调速范围⼤，精度也较⾼，在过去，直流调速⼀直作为通过调节电机速度实现⽆级调速的唯⼀⼿段，⼴泛应⽤于机械传动领域，直流调速系统具有良好的静态和动态驱动特性，其调速范围宽，⼒矩特性较硬。但其设备结构复杂，使⽤成本⾼，维护和维修困难，不宜⽤于⼤功率场合，仅限于中⼩功率范围，故现已逐步被交流调速所替代。交流调速主要是通过变极、调压和变频来进⾏调速的[1]。根据其调速原理有电磁滑差离合器调速、调压调速、串级调速、变频调速、换向器电动机、⽆换向器电动机调速等。实际应⽤最多的为变频调速，即由功率半导体器件为主组成的变频器得到变频电源，向交流电动机供电，实现变频调速。其特点是调速时平滑性好，效率⾼。低速时，特性静关率较⾼，相对稳定性好；调速范围较⼤，精度⾼；起动电流低，对系统及电⽹⽆冲击，节电效果明显；变频器体积⼩，便于安装、调试、维修简便；易于实现过程⾃动化；在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能⼒⼤为降低。流体⽆级调速是利⽤流体作为传动介质的⼀种调速⽅式。按照其⼯作原理的不同分为：泵控调速、阀控调速、阀-泵控联合调速、调速型液⼒耦合器、液⼒变矩器。阀控式是利⽤阀来改变流体进出⼝流量进⾏调速；泵控式是通过改变泵和马达的有效⼯作容积来实现调速，可细分为变量泵-定量马达、变量泵-变量马达、定量泵-变量马达 3 类；阀-泵控联合调速是阀控和泵控两类调速联合应⽤；调速型液⼒耦合器是通过改变喷嘴阀门的开度或改变导管的位置，以改变⼯作腔的充油量进⾏调速；液⼒变矩器是通过改变叶⽚的⾓度、充油量或泵轮

转速进⾏调速。流体⽆级变速传动具有运动惯性⼩，动作灵敏，制动迅速，运动平稳，易于实现⽆级调速，可以获得很⼤的调速⽐，⽽且在⼤功率、⾼承载场合易于实现⾃动化及控制等优点，⽬前已⼴泛⽤于汽车、农林业机械、环保机械、矿⼭机械、⼯业机器⼈驱动系统、太空探测机械等领域[2]。机械⽆级变速传动机械⽆级变速器是利⽤固体作为中间介质，作为⼀种通⽤传动装置主要应⽤于机械化、⾃动化⽣产⼯艺流程中⽤以改善机械的⼯作性能。结构简单、适应性强、传动效率⾼、恒功率特性好、操作与维修⽅便。利⽤PLC 与变频器的组合，实现以脉冲信号改变频率，进⽽改变电动机的转速，即为其中的⼀种⽅式，同时设置监控平台，可使⽆极变频调速的性能⼤⼤提⾼。1.2 课题相关技术的国内外发展现状及趋势1.2.1 可编程控制器

可编程控制器简称——PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、⾃动控制技术和通讯技术发展⽽来的⼀种新型⼯业控制装置。它具有结构简单、编程⽅便、可靠性⾼等优点，已⼴泛⽤于⼯业过程和位置的⾃动控制中[3]。据统计，可编程控制器是⼯业⾃动化装置中应⽤最多的⼀种设备。专家认为，可编程控制器将成为今后⼯业控制的主要⼿段和重要的基础设备之⼀，PLC、机器⼈、CAD/CAM将成为⼯业⽣产的三⼤⽀柱。

PLC是在继电器控制逻辑基础上，与3C(Computer,Control,Communication)技术相结合，不断发展完善的。⽬前已从⼩规模单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。

⾃动化系统中所使⽤的各种类型PLC，有的是集中安装在控制室，有的是分散安装在⽣产现场的各单机设备上，虽然它们⼤多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中，但PLC是专门为⼯业⽣产环境⽽设计的控制装置，在设计和制造过程中采⽤了多层次抗⼲扰和精选元件措施，故具有较强的适应恶劣⼯业环境的能⼒、运⾏稳定性和较⾼的可靠性，因此⼀般不需要采取什么特殊措施就可以直接在⼯业环境使⽤。

⾼可靠性是电⽓控制设备的关键性能。PLC由于采⽤现代⼤规模集成电路技术，采⽤严格的⽣产⼯艺制造，内部电路采取了先进的抗⼲扰技术，具有很⾼的可靠性。从PLC的机外电路来说，使⽤PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相⽐，电⽓接线及开关接点已减少到数百甚⾄数千分之⼀，故障也就⼤⼤降低[4]。此外，PLC带有硬件故障⾃我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应⽤软件中，应⽤者还可以编⼊外围器件的故障⾃诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障⾃诊断保护。这样，整个系统具有极⾼的可靠性[5]。

长期以来，plc始终处于⼯业控制⾃动化领域的主战场，为各种各样的⾃动化控制设备提供⾮常可靠的控制⽅案，与dcs和⼯业pc形成了三⾜⿍⽴之势。同时，plc也承受着来⾃其它技术产品的冲击，尤其是⼯业pc所带来的冲击。

⽬前，全世界plc⽣产⼚家约200家，⽣产300多种产品。国内plc市场仍以国外产品为主，如siemens、modicon、a-b、

omron、三菱、ge的产品。经过多年的发展，国内plc⽣产⼚家约有三⼗家，但都没有形成颇具规模的⽣产能⼒和名牌产品，可以说plc在我国尚未形成制造产业化[6]。在plc应⽤⽅⾯，我国是很活跃的，应⽤的⾏业也很⼴。专家估计，2000年plc的国内市场销量为15-20万套（其中进⼝占90%左右），约25-35亿元⼈民币，年增长率约为12%。预计到2005年全国plc需求量将达到25万套左右，约35-45亿元⼈民币。

微型化、⽹络化、pc化和开放性是plc未来发展的主要⽅向。在基于plc⾃动化的早期，plc体积⼤⽽且价格昂贵。但在最近⼏

年，微型plc（⼩于32 i/o）已经出现，价格只有⼏百欧元。随着软plc（soft plc）控制组态软件的进⼀步完善和发展，安装有软plc组态软件和pc-based控制的市场份额将逐步得到增长[7]。

当前，过程控制领域最⼤的发展趋势之⼀就是Ethernet技术的扩展，plc也不例外。现在越来越多的plc供应商开始提供Ethernet接⼝。可以相信，plc将继续向开放式控制系统⽅向转移，尤其是基于⼯业pc的控制系统。

⽬前，PLC在国内外已⼴泛应⽤于钢铁、⽯油、化⼯、电⼒、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及⽂化娱乐等各个⾏业。1.2.2 变频器

变频器主要⽤于交流电动机（异步电机或同步电机）转速的调节，是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速⽅案，除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节能作⽤，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置[8]。⾃上世纪80年代被引进中国以来，变频器作为节能应⽤与速度⼯艺控制中越来越重要的⾃动化设备，得到了快速发展和⼴泛的应⽤。

变频器产⽣的最初⽤途是速度控制，但⽬前在国内应⽤较多的是节能。中国是能耗⼤国，能源利⽤率很低，⽽能源储备不⾜。在2003年的中国电⼒消耗中，60—70％为动⼒电，⽽在总容量为5.8亿千⽡的电动机总容量中，只有不到2000万千⽡的电动机是带变频控制的。据分析，在中国，带变动负载、具有节能潜⼒的电机⾄少有1.8亿千⽡。因此国家⼤⼒提倡节能措施，并着重推荐了变频调速技术[9]。

应⽤变频调速，可以⼤⼤提⾼电机转速的控制精度，使电机在最节能的转速下运⾏。以风机⽔泵为例，根据流体⼒学原理，轴功率与转速的三次⽅成正⽐。当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次⽅下降。因此，精确调速的节电效果⾮常可观。与此类似，许多变动负载电机⼀般按最⼤需求来⽣产电动机的容量，故设计裕量偏⼤。⽽在实际运⾏中，轻载运⾏的时间所占⽐例却⾮常⾼[10]。如采⽤变频调速，可⼤⼤提⾼轻载运⾏时的⼯作效率。因此，变动负载的节能潜⼒巨⼤。作为节能⽬的，变频器⼴泛应⽤于各⾏业。以电⼒⾏业为例，由于中国⼤⾯积缺电，电⼒投资将持续增长，同时，国家电改⽅案对电⼚的成本控制提出了要求，降低内部电耗成为电⼚关注焦点，因此变频器在电⼒⾏业有着巨⼤的发展潜⼒，尤其是⾼压变频器和⼤功率变频器[11]。

⽬前，中国的设备控制⽔平与发达国家相⽐还⽐较低，制造⼯艺和效率都不⾼，因此提⾼设备控制⽔平⾄关重要。由于变频调速具有调速范围⼴、调速精度⾼、动态响应好等优点，在许多需要精确速度控制的应⽤中，变频器正在发挥着提升⼯艺质量和⽣产效率的显著作⽤。

除了⼯业相关⾏业，在普通家庭中，节约电费、提⾼家电性能、保护环境等受到越来越多的关注，变频家电成为变频器的另⼀个⼴阔市场和应⽤趋势。带有变频控制的冰箱、洗⾐机、家⽤空调等，在节电、减⼩电压冲击、降低噪⾳、提⾼控制精度等⽅⾯有很⼤的优势[12]。

国内已经有较多的变频器⽣产⼚，但⼤部分的产品都是V／F控制和电压空间⽮量控制变频器，使⽤在调速精度和动态性能要求不⾼的负载上应该没有问题。⼯业应⽤中绝⼤部分都是这种负载，变频器在这种场合应⽤最重要的要求是可靠性，国产变频器占国内市场份额不⾼的主要原因是产品品质不过硬。V／F控制和电压

空间⽮量控制变频器⽐⽮量控制变频器从技术上来看要简单得多，由于国内⼚家⼤部分都是⼿⼯作坊式的⽣产，⼯艺⽋佳，检测⼿段有限，品质的⼀致性和稳定性难以保证。同样是V／F控制的变频器，国外的产品⽐国内的产品品质要好，这可能是⽣产⼯艺⽅⾯的差距。差距最⼤的是半导体功率器件的制造业，⾄今在国内这仍是⼀个空⽩[13]。

变频器技术的另外⼀个层⾯是应⽤技术。多年来，国家经贸委⼀直会同国家有关部门致⼒于变频器技术的开发及推⼴应⽤，在技术开发及技术改造⽅⾯给予了重点扶持，组织了变频调速技术的评测推荐⼯作，并把推⼴应⽤变频调速技术作为风机、⽔泵节能技改专项的重点投资⽅向，同时⿎励单位开展同贷同还⽅式，抓开发、抓⽰范⼯程、抓推⼴应⽤，还处理了风机、⽔泵节能中⼼，开展信息咨询和培训。1995—1997年，3年间我国风机、⽔泵变频调速技术改造投⼊资⾦3.5亿元，改造总容量达100万千⽡，可年节电7亿度，平均投资回收期约2年。据有关资料表明，我国变频调速技术应⽤已经取得了相当⼤的成绩，每年有数⼗亿元的销售额，说明我国的变频器应⽤已⾮常⼴泛。从简单的⼿动控制到基于RS⼀485⽹络的多机控制，与计算机和PLC联⽹组成复杂的控制系统。在⼤型综合⾃动化系统，先进控制与优化技术，⼤型成套专⽤系统，如连铸连轧⽣产线、⾼速造纸⽣产线、电缆光纤⽣产线、化纤⽣产线、建材⽣产线等，变频器的作⽤是电⽓传动控制，其控制的复杂性、控制精度和动态响应都有很⾼的要求，已经完全取代了直流调速技术。近年来，变频器在功能上，利⽤先进的控制理论，开发出了诸如卷取、提升、主从等控制功能，使应⽤系统的构成更加⽅便和容易，使变频器的应⽤技术提⾼到⼀个新的⽔平[14]。

变频调速这⼀技术正越来越⼴泛的深⼊到⾏业中。它的节能、省⼒、易于构成⾃控系统的显著优势应⽤变频调速技术也是改造挖潜、增加效益的⼀条有效途径。尤其是在⾼能耗、低产出的设备较多的企业，采⽤变频调速装置将使企业获得巨⼤的经济利益，同时这也是国民经济可持续发展的需要。1.2.3 监控软件

MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通⽤系统)是北京昆仑通态⾃动化软件科技有限公司研发的⼀套基于Windows平台的，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，可运⾏于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000/xp等操作系统。

它具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、⽅便的开发各种⽤于现场采集、数据处理和控制的设备。⽤户只需要通过简单的模块化组态就可构造⾃⼰的应⽤系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，⽆纸记录仪、⽆⼈值守的现场采集站、⼈机界⾯等专⽤设备[15]。

过去⼯业控制计算机系统的软件功能都靠软件⼈员编程实现。⼯作量⼤，软件通⽤性差，且易产⽣错误。随着⼯业控制要求的不断提⾼，专门⽤于⼯业控制的组态软件应运⽽⽣，它是⼀套功能齐全的组态⽣成⼯具软件，通⽤性强，⽽且系统的执⾏程序代码部分⼀般固定不变，为适应不同的应⽤对象只需改变数据实体即可[16]。⽬前国内外有很多公司开发出不少优秀产品，如Intellution 公司的Fix，Ci 公司的Citect，清华紫光的组态王等。 MCGS 是众多监控软件中的⼀种，它具有许多优点，可⽤于任何监控系统。2系统整体结构和功能2.1 PLC2.1.1 PLC的选择

为实验我们选择松下FPΣ系列可编程控制器，其有以下特点。主要特征:1 ⾼速⼤容量2 ⾼速脉冲输出功能3 内置2点模拟量旋钮4 晶体管输出短路保护5 PID温度控制功能具体为：

1.⼩型但可实现⾼速⾼精度位置控制！标准配置了最⼤100kHz的脉冲输出功能。并带有直线插补、圆弧插补型（AFPG26系列）的产品。

2.可⾃由选择的通信插件。体积⼩巧却能完成正规PLC间的连接。3.具有有利于温度控制的指令和功能。并带热敏电阻输⼊控制单元。

4.拥有可低成本实现⾼度加热器控制、带热敏电阻输⼊控制单元的产品并有内置2ch热敏电阻输⼊、带热敏电阻输⼊控制单元的产品，可低成本实现PID控制进⾏的加热器控制[17]。2.1.2 PLC系统组成及各部分的功能1．CPU运算和控制中⼼（起“⼼脏”作⽤）

纵：当从编程器输⼊的程序存⼊到⽤户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把⽤户程序翻译成PLC内部所认可的⽤户编译程序。

横：输⼊状态和输⼊信息从输⼊接⼝输进，CPU将之存⼊⼯作数据存储器中或输⼊映象寄存器。然后由CPU把数据和程序有机地结合在⼀起。把结果存⼊输出映象寄存器或⼯作数据存储器中，然后输出到输出接⼝、控制外部驱动器。

组成：CPU由控制器、运算器和寄存器组成。这些电路集成在⼀个芯⽚上。CPU通过地址总线、数据总线与I/O接⼝电路相连接[18]。2．存储器

具有记忆功能的半导体电路。分为系统程序存储器和⽤户存储器。

系统程序存储器⽤以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对⽤户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、ROM组成。⼚家使⽤的，内容不可更改，断电不消失[19]。

⽤户存储器：分为⽤户程序存储区和⼯作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。⽤户使⽤的。断电内容消失。常⽤⾼效的锂电池作为后备电源，寿命⼀般为3~5年[20]。3．输⼊/输出接⼝

（1）输⼊接⼝：

光电耦合器由两个发光⼆极度管和光电三极管组成。

发光⼆级管：在光电耦合器的输⼊端加上变化的电信号，发光⼆极管就产⽣与输⼊信号变化规律相同的光信号。

光电三级管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦合器的线性⼯作区内，输出信号与输⼊信号有线性关系[21]。

输⼊接⼝电路⼯作过程：当开关合上，⼆极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输⼊信号。当开关断开，⼆极管不发光，三极管不导通。向内部电路输⼊信号。也就是通过输⼊接⼝电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号[22]。（2）输出接⼝

PLC的继电器输出接⼝电路。

⼯作过程：当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接⼝电路把内部的数字电路化成⼀种信号使负载动作或不动作[23]。三种类型：继电器输出：有触点、寿命短、频率低、交直流负载晶体管输出：⽆触点、寿命长、直流负载晶闸管输出：⽆触点、寿命长、交流负载4．编程器

编程器分为两种，⼀种是⼿持编程器，⽅便。我们实验室使⽤的就是⼿持编程器。⼆种是通过PLC的RS232⼝。与计算机相连。然后敲击键盘。通过NSTP-GR软件（或WINDOWS下软件）向PLC内部输⼊程序[24]。2.1.3 PLC执⾏程序的过程及功能

PLC执⾏程序的过程分为三个阶段，即输⼊采样阶段、程序执⾏阶段、输出刷新阶段。1．输⼊采样阶段

在输⼊采样阶段，PLC以扫描⼯作⽅式按顺序对所有输⼊端的输⼊状态进⾏采样，并存⼊输⼊映象寄存器中，此时输⼊映象寄存器被刷新。接着进⼊程序处理阶段，在程序执⾏阶段或其它阶段，即使输⼊状态发⽣变化，输⼊映象寄存器的内容也不会改变，输⼊状态的变化只有在下⼀个扫描周期的输⼊处理阶段才能被采样到[25]。2．程序执⾏阶段

在程序执⾏阶段，PLC对程序按顺序进⾏扫描执⾏。若程序⽤梯形图来表⽰，则总是按先上后下，先左后右的顺序进⾏。当遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满⾜来决定程序是否跳转。当指令中涉及到输⼊、输出状态时，PLC从输⼊映像寄存器和元件映象寄存器中读出，根据⽤户程序进⾏运算，运算的结果再存⼊元件映象寄存器中。对于元件映象寄存器来说，其内容会随程序执⾏的过程⽽变化[26]。3．输出刷新阶段

当所有程序执⾏完毕后，进⼊输出处理阶段。在这⼀阶段⾥，PLC将输出映象寄存器中与输出有关的状态（输出继电器状态）转存到输出锁存器中，并通过⼀定⽅式输出，驱动外部负载。因此，PLC在⼀个扫描周期内，对输⼊状态的采样只在输⼊采样阶段进⾏。当PLC进⼊程序执⾏阶段后输⼊端将，直到下⼀个扫描周期的输⼊采样阶段才对输⼊状态进⾏重新采样。这⽅式称为集中采样，即在⼀个扫描周期内，集中⼀段时间对输⼊状态进⾏采样[27]。

在⽤户程序中如果对输出结果多次赋值，则最后⼀次有效。在⼀个扫描周期内，只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出，对输出接⼝进⾏刷新。在其它阶段⾥输出状态⼀直保存在输出映象寄存器中。这种⽅式称为集中输出。对于⼩型PLC，其I/O点数较少，⽤户程序较短，⼀般采⽤集中采样、集中输出的⼯作⽅式，虽然在⼀定程度上降低了系统的响应速度，但使PLC⼯作时⼤多数时间与外部输⼊/输出设备隔离，从根本上提⾼了系统的抗⼲扰能⼒，增强了系统的可靠性。⽽对于⼤中型PLC，其I/O点数较多，控制功能强，⽤户程序较长，为提⾼系统响应速度，可以采⽤定期采样、定期输出⽅式，或中断输⼊、输出⽅式以及采⽤智能I/O接⼝等多种⽅式[28]。

从上述分析可知，当PLC的输⼊端输⼊信号发⽣变化到PLC输出端对该输⼊变化作出反应，需要⼀段时间，这种现象称为PLC输⼊／输出响应滞后。对⼀般的⼯业控制，这种滞后是完全允许的。应该注意的是，这种响应滞后不仅是由于PLC扫描⼯作⽅式造成，更主要是PLC输⼊接⼝的滤波环节带来的输⼊延迟，以及输出接⼝中驱动器件的动作时间带来输出延迟，同时还与程

序设计有关。滞后时间是设计PLC应⽤系统时应注意把握的⼀个参数[29]。⽬前典型的PLC功能有下⾯⼏点。

顺序控制：这是可编程控制器最⼴泛应⽤的领域，取代了传统的继电器顺序控制，例如注塑机、印刷机械、订书机械，切纸机、组合机床、磨床、装配⽣产线，包装⽣产线，电镀流⽔线及电梯控制等。

程控：在⼯业⽣产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压⼒、流量、液体、速度、电流和电压等，称为模拟量。可编程控制器有A/D和D/A转换模块，这样，可编程控制器可以作模拟控制⽤于程控。

数据处理：⼀般可编程控制器都设有四则运算指令，可以很⽅便地对⽣产过程中的资料进⾏处理。⽤PLC可以构成监控系统，进⾏数据采集和处理、控制⽣产过程。较⾼档次的可编程控制器都有位置控制模块，⽤于控制步进电动机，实现对各种机械的位置控制。

通信联⽹：某些控制系统需要多台PLC连接起来使⽤或者由⼀台计算机与多台PLC 组成分布式控制系统。可编程控制器的通信模块可以满⾜这些通信联⽹要求[30]。

显⽰打印：可编程控制器还可以连接显⽰终端和打印等外围设备，从⽽实现显⽰和打印的功能。2.2 变频器

变频器是利⽤电⼒半导体器件的通断作⽤将⼯频电源变换为另⼀频率的电能控制装置。它主要由两部分电路构成，⼀是主电路（整流模块、电解电容和逆变模块），⼆是控制电路（开关电源板、控制电路板）。CPU就安装在控制电路板上，变频器的操作软件烧录在CPU上，同⼀型号的变频器软件是固定的，唯⼀例外的就是三晶变频器，软件可根据使⽤需求更改[31]。变频器的主电路⼤体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。调制⽅式有PWM和PAM, PWM是英⽂Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)缩写，按⼀定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的⼀种调值⽅式[32]。PAM是英⽂Pulse AmplitudeModulation (脉冲幅度调制)缩写，是按⼀定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形的⼀种调制⽅式。2.2.1 各部分名称及其作⽤

图 2.1 变频器结构2.2.2 控制电路的接线⽅法

图2.2 变频器端⼝

各种端⼦有关参数的功能，如下表表2.1 端⼦有关参数的功能

由上表可知，在端⼦NO.8,9处可⽤信号控制运⾏频率。NO.8:频率设定信号切换输⼊端⼦（SW2）

（OFF:PWM信号，ON:⽤P09的参数的设定信号进⾏控制）NO.9:PWM信号输⼊端⼦

注1）⽤PWM信号进⾏输出频率控制，必须设定P22,23,24的参数。

注2） PWM信号⽤晶体管（Tr）,请使⽤具有如下能⼒的晶体管[33]。1.最⼤额定电压：DC50V以

上

2.额定电流：50mA以上图2.3 PWM信号输⼊端⼦

由此可知，端⼦NO.8处于OFF状态，

接通NO.9端⼦，⽤PWM信号进⾏输出频率控制，然后设定P22,23,24的参数。选择控制⽅式为外控操作输⼊PWM信号进⾏操作控制，放弃操作⾯板操作。运⽤外控输⼊信号进⾏运⾏/停⽌和正转/反转。可选外控⽅式：

(1) P08=3 NO.5 ON:正转/OFF:停⽌NO.6 ON:反转/OFF:停⽌

(2) P08=2 NO.5 ON:运⾏/OFF:停⽌NO.6 ON:反转/OFF:正转选定⽅式(1)

最⼤输出频率设定,参数P15=100，设定最⼤输出频率为100赫兹。PWM频率信号选择、平均次数、周期(参数P22、P23、P24)设定P22=1，有PWM频率信号选择。

注：选择PWM频率信号时，SW2(端⼦NO.8)和SW3(端⼦NO.9)的功能将强制性变为PWM控制专⽤。控制电路端⼦的连接和功能说明

1) 端⼦NO.8:频率信号切换输⼊端⼦ON:⽤参数P09设定的信号OFF:PWM频率信号

2) 端⼦NO.9:PWM频率信号输⼊端⼦图2.4 控制电路端⼦

PWM信号与频率指令值之间的关系

图2.5 PWM信号与频率指令之间的关系）最⼤输出频率（周期时间）频率指令值（Hz PWM ON Hz ?=波形图为端⼦NO.9—3之间的电压波形。

PWM 信号平均次数，设定P23=50,PWM 信号周期设定范围为P24=20

接线⽅式由RS232接通到NO.9端⼦，输⼊PWM 信号。假定ON 的时间为10ms ，即 频率指令值为50。2.3 组态软件2.3.1 MCGSE

MCGS (Monitor and Control Generated System ，通⽤监控系统)是⼀套⽤于快速构造和⽣成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft 的各种32位Windows 平台上运⾏，通过对现场数据的采集处理，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，它充分利⽤了Windows 图形功能完备、界⾯⼀致性好、易学易⽤的特点，⽐以往使⽤专⽤机开发的⼯业控制系统更具有通⽤性，在⾃动化领域有着更⼴泛的应⽤[34]

。

2.3.2 MCGS 组态软件的功能和特点

● 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，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。

● 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。 ● 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。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Microsoft Windows95，98和Microsoft Windows NT平台，以线程为单位进⾏分时并⾏处理。

●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。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。

●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。

●“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。

●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。

●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。

●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。

●⽀持OLE Automation技术。MCGS允许⽤户在Visual Basic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。

●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。

●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。

●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(Distributed Computer

Cooperator Work)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。2.3.3 MCGS的构成

MCGS系统包括组态环境和运⾏环境两个部分。

⽤户的所有组态配置过程都在组态环境中进⾏，组态环境相当于⼀套完整的⼯具软件，它帮助⽤户设计和构造⾃⼰的应⽤系统。⽤户组态⽣成的结果是⼀个数据库⽂件，称为组态结果数据库。

运⾏环境是⼀个独⽴的运⾏系统，它按照组态结果数据库中⽤户指定的⽅式进⾏各种处理，完成⽤户组态设计的⽬标和功能。运⾏环境本⾝没有任何意义，必须与组态结果数据库⼀起作为⼀个整体，才能构成⽤户应⽤系统。⼀旦组态⼯作完成，运⾏环境和组态结果数据库就可以离开组态环境⽽独⽴运⾏在监控计算机上。

组态结果数据库完成了MCGS系统从组态环境向运⾏环境的过渡，它们之间的关系如下图所⽰。

图2.6 组态环境与运⾏环境的关系

由MCGS⽣成的⽤户应⽤系统，其结构由主控窗⼝、设备窗⼝、⽤户窗⼝、实时数据库和运⾏策略五个部分构成，如下图所⽰。

图2.7 ⽤户应⽤系统结构

窗⼝是屏幕中的⼀块空间，是⼀个“容器”，直接提供给⽤户使⽤。在窗⼝内，⽤户可以放置不同的构件，创建图形对象并调整画⾯的布局，组态配置不同的参数以完成不同的功能。

在MCGS的单机版中，每个应⽤系统只能有⼀个主控窗⼝和⼀个设备窗⼝，但可以有多个⽤户窗⼝和多个运⾏策略，实时数据库中也可以有多个数据对象。MCGS ⽤主控窗⼝、设备窗⼝和⽤户窗⼝来构成⼀个应⽤系统的⼈机交互图形界⾯，组态配置各种不同类型和功能的对象或构件，同时可以对实时数据进⾏可视化处理。●实时数据库是MCGS系统的核⼼

实时数据库相当于⼀个数据处理中⼼，同时也起到公⽤数据交换区的作⽤。MCGS⽤实时数据库来管理所有实时数据。从外部设备采集来的实时数据送⼊实时数据库，系统其它部分操作的数据也来⾃于实时数据库。实时数据库⾃动完成对实时数据的报警处理和存盘处理，同时它还根据需要把有关信息以事件的⽅式发送给系统的其它部分，以便触发相关事件，进⾏实时处理。因此，实时数据库所存储的单元，不单单是变量的数值，还包括变量的特征参数（属性）及对该变量的操作⽅法（报警属性、报警处理和存盘处理等）。这种将数值、属性、⽅法封装在⼀起的数据我们称之为数据对象。实时数据库采⽤⾯向对象的技术，为其它部分提供服务，提供了系统各个功能部件的数据共享。●主控窗⼝构造了应⽤系统的主框架

主控窗⼝确定了⼯业控制中⼯程作业的总体轮廓，以及运⾏流程、菜单命令、特性参数和启动特性等项内容，是应⽤系统的主框架。

●设备窗⼝是MCGS系统与外部设备联系的媒介

设备窗⼝专门⽤来放置不同类型和功能的设备构件，实现对外部设备的操作和控制。设备窗⼝通过设备构件把外部设备的数据采集进来，送⼊实时数据库，或把实时数据库中的数据输出到外部设备。⼀个应⽤系统只有⼀个设备窗⼝，运⾏时，系统⾃动打开设备窗⼝，管理和调度所有设备构件正常⼯作，并在后⽴运⾏。注意对⽤户来说，设备窗⼝是不可见的。●⽤户窗⼝实现了数据和流程的“可视化”

⽤户窗⼝中可以放置三种不同类型的图形对象：图元、图符和动画构件。图元和图符对象为⽤户提供了⼀套完善的设计制作图形画⾯和定义动画的⽅法。动画构