基于ABB硬件構(gòu)架的變頻傳動系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

引言

隨著傳動技術(shù)的日益發(fā)展和實際使用需求的不斷增加,變頻傳動系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

ABB作為全球500強企業(yè)，其在電力和自動化技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)導(dǎo)地位，在控制系統(tǒng)、高壓、中壓及低壓變頻技術(shù)和傳動技術(shù)方面都具有很強的實力。因此，本文主要依托ABB的控制、變頻和傳動技術(shù)，采用相關(guān)的硬件產(chǎn)品進行變頻傳動系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。

真正意義上設(shè)計并實現(xiàn)一套可以使用的變頻傳動系統(tǒng),整個系統(tǒng)必須要具有完善的配備、便捷的操作性和廣泛的需求兼容性，能夠做到在不改變控制方法和操作的前提下，可根據(jù)實際控制需要，即結(jié)合不同性能的變頻器和不同轉(zhuǎn)速或扭矩的變頻電機，來快速搭建并實現(xiàn)多種控制要求。

1系統(tǒng)設(shè)計目的及組成

本系統(tǒng)的設(shè)計目的是為通過本地及遠程控制方式來實現(xiàn)操控ABB變頻器，完成4個獨立通道的閉環(huán)速度控制，用于帶動不同的被測試物體轉(zhuǎn)動。

整個控制系統(tǒng)由以下四個主要部件組成：遠程控制計算機、面板式工控機（觸摸屏）、PLC以及調(diào)速變頻器。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

為保證電機速度控制的精度，增加編碼器模塊，由PLC通過ProfibusDP協(xié)議可獲取變頻器中的旋轉(zhuǎn)編碼器反饋,速度控制通過變頻器來進行內(nèi)部PID閉環(huán)控制。

2系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

2.1控制部分硬件

控制部分硬件主要是指支持操作人員直接或間接使用設(shè)備，并完成設(shè)備功能的硬件總和。其主要硬件包括計算機控制終端、觸摸屏控制終端、PLC控制單元、其他輔助電路及測控部件。

2.2傳動部分硬件

傳動部分硬件主要是指能夠相對獨立執(zhí)行一個完整傳動功能的設(shè)備總和。其主要硬件包括變頻器、變頻電機(根據(jù)需要配置旋轉(zhuǎn)編碼器)和其他輔助電路。其中，電機及變頻器的選型應(yīng)該依照先定電機，再選變頻器的原則。具體如下：

首先，根據(jù)被測試物體要完成旋轉(zhuǎn)的切線速度，按照如下公式進行對電機轉(zhuǎn)速的選擇：

其次，再根據(jù)電機其他幾個重要的基本參數(shù)進行選擇,例如系統(tǒng)硬度、轉(zhuǎn)矩、重量等。本系統(tǒng)中采用的是ABB的變頻電機。

最后，根據(jù)電機功率選擇適用的變頻器。此外，還要考慮到被測試物體的實際情況，例如帶轉(zhuǎn)負載是否屬于變頻器重載使用情況等。

3軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件總計包括三大類，即計算機控制軟件、觸摸屏軟件和PLC軟件。其中，PLC軟件作為底層軟件，對上負責(zé)與計算機控制軟件和觸摸屏軟件的交互，對下負責(zé)與變頻器的交互。因此，從整個軟件系統(tǒng)的架構(gòu)上，可以定義為上、下位機結(jié)構(gòu)。

3.1系統(tǒng)開發(fā)平臺

軟件系統(tǒng)具有遠程和本地兩種控制方式，三大類軟件的開發(fā)平臺為Windows操作系統(tǒng)、LabVIEW[4]集成開發(fā)環(huán)境、CodesysV2.3、CP400。

3.2系統(tǒng)軟件架構(gòu)

整個系統(tǒng)的軟件分為三個，分別是遠程控制軟件、PLC控制軟件和本地控制軟件。其中，遠程控制軟件運行在Windows操作系統(tǒng)下在LabVIEW集成開發(fā)環(huán)境下開發(fā)；PLC控制軟件在CodesysV2.3編程環(huán)境下開發(fā)；本地控制軟件運行在觸摸屏計算機上，在CP400環(huán)境下開發(fā)。三個軟件之間的關(guān)系如圖2所示。

3.3計算機控制軟件的設(shè)計

此類控制軟件運行在計算機上，主要用于遠程操作，具有參數(shù)設(shè)定、控制操作、數(shù)據(jù)采集與存儲、狀態(tài)檢測與報警等多種功能，其界面如圖3所示。

圖3所示的系統(tǒng)包含4個相互獨立的控制通道，軟件可根據(jù)參數(shù)信息對試驗方案進行管理和配置。即：可以針對每一個試驗方案，通過“配置”操作進行不同的試驗方案配置，設(shè)定不同的試驗參數(shù)，同時也可以進行新建方案、保存并修改方案、打開已有方案以及刪除方案的操作。

軟件同時設(shè)置了快捷操作，可以根據(jù)通道的配置情況快捷啟動、停止工作，并能夠?qū)崟r檢測各通道的工作狀態(tài)。

3.4觸摸屏軟件的設(shè)計

觸摸屏軟件主要用于本地控制，運行在觸摸屏控制器中，在計算機控制軟件具有類似功能的同時，還具有本地控制優(yōu)先或遠程控制優(yōu)先的設(shè)定功能，默認為遠程控制優(yōu)先。其登入界面及試驗操作界面分別如圖4和圖5所示。

3.5PLC軟件的設(shè)計

PLC作為本控制系統(tǒng)的核心，主要負責(zé)以下幾個方面的工作:

負責(zé)向變頻器發(fā)送相應(yīng)控制參數(shù)及指令，同時通過ProfibusDP總線協(xié)議，獲取傳動系統(tǒng)狀態(tài)。

通過串行通信方式與觸摸屏進行通信，響應(yīng)本地控制指令，并反饋系統(tǒng)狀態(tài)給觸摸屏，作為本地控制的下位機。觸摸屏與PLC之間的編程,通過直接訪問PLC變量地址進行。

通過基于以外網(wǎng)的OPC[5]通信方式與遠程控制計算機進行通信，響應(yīng)遠程控制指令，并反饋系統(tǒng)狀態(tài)給遠程控制計算機，作為遠程控制的下位機。遠程控制程序與PLC之間的編程，通過訪問PLC變量名進行。

處理應(yīng)急信號，并按照默認參數(shù)控制變頻器進行降速卸載。

圖4登入界面

圖5試驗界面

3.6變頻器的設(shè)置

變頻器一般情況都會選配操作面板，在使用本地或遠程控制程序操作變頻器前，必須先進行變頻器的基本設(shè)置，具體如下：

將控制方式切換為本地控制，并根據(jù)變頻器使用手冊,設(shè)置變頻器地址。

設(shè)置變頻器可以遠程控制，并選擇通訊模式。

設(shè)置變頻器選用編碼器，并連接電機進行自檢匹配操作。

設(shè)置變頻器的速度控制模式，如速度控制或是轉(zhuǎn)矩控制等。

在將基本的參數(shù)設(shè)置完成后，切換至遠程控制狀態(tài),等待遠程控制。

4結(jié)語

本系統(tǒng)實現(xiàn)了一個通用的、利用變頻控制技術(shù)實現(xiàn)的帶轉(zhuǎn)機構(gòu)。既可以使用本地觸摸屏完成對變頻器的控制，以達到控制電機轉(zhuǎn)動及得到相應(yīng)反饋的目的，也可以使用遠程控制完成對變頻器的控制，達到與本地觸摸屏相同的控制效果,甚至于鑒于計算機功能的豐富性，可以獲取更多的系統(tǒng)信息,以及設(shè)定更多的控制狀態(tài)。除了本地觸摸屏控制及遠程控制外，本系統(tǒng)從整體架構(gòu)上還可以拆分為最基本的傳動結(jié)構(gòu)完成控制，即直接通過變頻器的控制面板控制電機，以實現(xiàn)最基本、最直接的控制。因此，本系統(tǒng)可以作為一個基本框架結(jié)構(gòu)，滿足所有類似的控制需求，并通過不同層級的硬件配置,獲取不同層次的使用需求，具有通用借鑒意義。

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