基于ABB硬件构架的变频传动系统设计与实现

引言

随着传动技术的日益发展和实际使用需求的不断增加,变频传动系统已经得到了广泛的应用。

ABB作为全球500强企业，其在电力和自动化技术领域处于领导地位，在控制系统、高压、中压及低压变频技术和传动技术方面都具有很强的实力。因此，本文主要依托ABB的控制、变频和传动技术，采用相关的硬件产品进行变频传动系统的设计与实现。

真正意义上设计并实现一套可以使用的变频传动系统,整个系统必须要具有完善的配备、便捷的操作性和广泛的需求兼容性，能够做到在不改变控制方法和操作的前提下，可根据实际控制需要，即结合不同性能的变频器和不同转速或扭矩的变频电机，来快速搭建并实现多种控制要求。

1系统设计目的及组成

本系统的设计目的是为通过本地及远程控制方式来实现操控ABB变频器，完成4个独立通道的闭环速度控制，用于带动不同的被测试物体转动。

整个控制系统由以下四个主要部件组成：远程控制计算机、面板式工控机（触摸屏）、PLC以及调速变频器。系统设计框图如图1所示。

为保证电机速度控制的精度，增加编码器模块，由PLC通过ProfibusDP协议可获取变频器中的旋转编码器反馈,速度控制通过变频器来进行内部PID闭环控制。

2系统的硬件实现

2.1控制部分硬件

控制部分硬件主要是指支持操作人员直接或间接使用设备，并完成设备功能的硬件总和。其主要硬件包括计算机控制终端、触摸屏控制终端、PLC控制单元、其他辅助电路及测控部件。

2.2传动部分硬件

传动部分硬件主要是指能够相对独立执行一个完整传动功能的设备总和。其主要硬件包括变频器、变频电机(根据需要配置旋转编码器)和其他辅助电路。其中，电机及变频器的选型应该依照先定电机，再选变频器的原则。具体如下：

首先，根据被测试物体要完成旋转的切线速度，按照如下公式进行对电机转速的选择：

其次，再根据电机其他几个重要的基本参数进行选择,例如系统硬度、转矩、重量等。本系统中采用的是ABB的变频电机。

最后，根据电机功率选择适用的变频器。此外，还要考虑到被测试物体的实际情况，例如带转负载是否属于变频器重载使用情况等。

3软件系统

系统软件总计包括三大类，即计算机控制软件、触摸屏软件和PLC软件。其中，PLC软件作为底层软件，对上负责与计算机控制软件和触摸屏软件的交互，对下负责与变频器的交互。因此，从整个软件系统的架构上，可以定义为上、下位机结构。

3.1系统开发平台

软件系统具有远程和本地两种控制方式，三大类软件的开发平台为Windows操作系统、LabVIEW[4]集成开发环境、CodesysV2.3、CP400。

3.2系统软件架构

整个系统的软件分为三个，分别是远程控制软件、PLC控制软件和本地控制软件。其中，远程控制软件运行在Windows操作系统下在LabVIEW集成开发环境下开发；PLC控制软件在CodesysV2.3编程环境下开发；本地控制软件运行在触摸屏计算机上，在CP400环境下开发。三个软件之间的关系如图2所示。

3.3计算机控制软件的设计

此类控制软件运行在计算机上，主要用于远程操作，具有参数设定、控制操作、数据采集与存储、状态检测与报警等多种功能，其界面如图3所示。

图3所示的系统包含4个相互独立的控制通道，软件可根据参数信息对试验方案进行管理和配置。即：可以针对每一个试验方案，通过“配置”操作进行不同的试验方案配置，设定不同的试验参数，同时也可以进行新建方案、保存并修改方案、打开已有方案以及删除方案的操作。

软件同时设置了快捷操作，可以根据通道的配置情况快捷启动、停止工作，并能够实时检测各通道的工作状态。

3.4触摸屏软件的设计

触摸屏软件主要用于本地控制，运行在触摸屏控制器中，在计算机控制软件具有类似功能的同时，还具有本地控制优先或远程控制优先的设定功能，默认为远程控制优先。其登入界面及试验操作界面分别如图4和图5所示。

3.5PLC软件的设计

PLC作为本控制系统的核心，主要负责以下几个方面的工作:

负责向变频器发送相应控制参数及指令，同时通过ProfibusDP总线协议，获取传动系统状态。

通过串行通信方式与触摸屏进行通信，响应本地控制指令，并反馈系统状态给触摸屏，作为本地控制的下位机。触摸屏与PLC之间的编程,通过直接访问PLC变量地址进行。

通过基于以外网的OPC[5]通信方式与远程控制计算机进行通信，响应远程控制指令，并反馈系统状态给远程控制计算机，作为远程控制的下位机。远程控制程序与PLC之间的编程，通过访问PLC变量名进行。

处理应急信号，并按照默认参数控制变频器进行降速卸载。

图4登入界面

图5试验界面

3.6变频器的设置

变频器一般情况都会选配操作面板，在使用本地或远程控制程序操作变频器前，必须先进行变频器的基本设置，具体如下：

将控制方式切换为本地控制，并根据变频器使用手册,设置变频器地址。

设置变频器可以远程控制，并选择通讯模式。

设置变频器选用编码器，并连接电机进行自检匹配操作。

设置变频器的速度控制模式，如速度控制或是转矩控制等。

在将基本的参数设置完成后，切换至远程控制状态,等待远程控制。

4结语

本系统实现了一个通用的、利用变频控制技术实现的带转机构。既可以使用本地触摸屏完成对变频器的控制，以达到控制电机转动及得到相应反馈的目的，也可以使用远程控制完成对变频器的控制，达到与本地触摸屏相同的控制效果,甚至于鉴于计算机功能的丰富性，可以获取更多的系统信息,以及设定更多的控制状态。除了本地触摸屏控制及远程控制外，本系统从整体架构上还可以拆分为最基本的传动结构完成控制，即直接通过变频器的控制面板控制电机，以实现最基本、最直接的控制。因此，本系统可以作为一个基本框架结构，满足所有类似的控制需求，并通过不同层级的硬件配置,获取不同层次的使用需求，具有通用借鉴意义。

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