基于VB语言的工控机数据采集卡实现电机正反转

基于VB语言的工控机数据采集卡实现电机正反转 燕山大学 课 程 设 计 说 明 书 题目: 工控机+数据采集卡实现电机正反转 学院 (系): 电气工程学院(自动化) 年级专业: 2011级计算机控制1班 学 号: 110103020033 学生姓名: 指导教师: 教师职称: 教授 副教授 1 燕山大学课程()任务书 院(系):电气工程学院 基层教学单位:自动化系 学 号 110103020033 学生姓名 郑夏 专业(班级) 11计控1班 设计题目 工控机+数据采集卡实现电机正反转 设 计 ?数据采集卡采用中泰系列。 技 ?电机5.5KW。 术 ?界面采用MCGS语言。 参 ?具备电机正反转、点动等基本功能。 数 ?说明书一份，不少于6000字(如打印用B5纸，小四号字，汉字采用宋体，英 文及数字采用Times New Roman,单倍行距，上边距2.6厘米，下边距2.2厘米， 左右边距各2.3厘米，标出页码)。 设 ?说明书顺序:封面、任务书、摘要、目录、正文、结论、参考文献、评审意见计 表。 要 ?说明书封面与内容需一致(打印或者本人手抄)，图表清晰，字迹工整。 求 ?完成A2图纸一张。 工 ?说明书一份，不少于6000字，可手写可打印。 作 ?A2图纸一张，手绘、打印均可。 量 ?参考文献不少于3篇。 工 ?确定系统整体设计(包括方案的选择说明)。 作 ?学习MCGS编程语言，完成软件开发。 计 ?撰写说明书，绘制图纸。 划 ?完成课程设计考核。 参 《工厂电器》、《电气控制及PLC》、《电路原理》、《电子技术》、《检测与转换技术》、考 《制图》、《计算机原理》、《微机控制原理及应用》、《电力电子技术》、《计算机操资 作系统》、《计算机控制系统》等课程教科书及相关专业报纸、杂志和论文。 料 指导教师签字 李海滨 刘爽 基层教学单位主任签字 刘福才 说明:此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。 2014年6月15日 2 摘要 【关键词】MCGS;窗体;控制系统;数据采集卡;中间继电器;电机正反转 近年来，随着计算机和数据采集卡技术的不断提高，越来越多的企业以计算机和数据采集卡为平台，实现生产拄制，这一系统比传统的PIC系统具有更低的成本，更灵活的配置，更短的开发周期。生产机械往往要求运动部件可以实现正反两个方向的起动，这就要求拖动电动机能作正、反向旋转。由电机原理可知，改变电动机三相电源的相序，就能改变电动机的转向。按下正转启动按钮SB1，电动机正转运行，完成正转启动。按下停止按钮SB2，电动机停止运行。按下反转启动按钮SB3，电动机反转运行，完成反转启动。 MCGS组态软件 MCGS组态软件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，支持许多类型采集卡、控制卡。通过MCGS组态软件与中泰PCI-8407采集卡的结合，通过中间继电器PS-002以及电机正反转控制逻辑的编写，可以方便的实现电机的正反转控制，从而满足控制要求。 数据采集卡 数据采集卡通过ISA或PCI总线连接到PC机中，把采集的模拟、数字信号通过A/D转换输入计算书b羞行分析、处理、显示等，并可通过D/A转换实现控制命令输出。还可加入信号调理和实时DSP等硬件模块。市面流行的数据采集卡有以下技术特点: 分辨率:12 bit,16 bit 采样频率:100 k, 400 k, 750 lc, l MHz 输入通道:8路差分/16单端，可扩展到256通道 程控增益:1/2J4/8或1/10/100/1000 可选模拟信号，了几电平或软件触发 1 K-4 K字FIFO 2/4通道12 bit模拟输出 24路数字量输入输出何扩展到192路 3 3---5个16 bit可编程计知定时器 可与QTC, DBK, SB系列信号调理扩模块模板配合使用，组成: 电流、毫伏、高压、应变、热电偶、热电阻、振动、加速度、频率测试狈口量系统同时可选同步采样、抗混滤波、高压隔离等功能。 在控制系统中，采集卡是解决信号的输入、输出，软件才是关键，使用者可通过修改软件，改变或增减控制系统的功能。 编程语言的选择 对数据采集卡进布示编程有两种方法。 1)采用公司研发的MCGS组态软件的是专为面向工业自动化设计的，以图形方式提供了采集、运动控制等显示和分析程序库。在这些软件环境中，提供了一种像数据流一样的编程模式，拥护只要连接各个逻1辑框即可构成程序。但是这些图形化软件包在获得易用性的同时，也失去了某些较复杂的高级性能，如复杂数据结构的实现，回调函数的使用等等。 2)采用通用的语言开发环境，如VB,Delphi, VC++等。其中VB是深受工程技术人员欢迎的编程语言之一。它具有以下特点: ?开发速度快。在所有可视化语言中，VB是公认开发软件速度最快的。同时如不涉及复杂的图形处理，在流行的PentiumII机型上，速度不会明显低于其它开发工具。全汉化的帮助文件、例程更是其它开发环境所不具备的。 ?功育创犷展能力强。VB的API Viewer使VB能非常容易地调用几乎所有Win API函数，实现任何Windows所具备的功能。同时，几乎所有提供软件开发支持的硬件厂商，都提供的支持VB的控件、DLL和例程。 ?系统稳定。作为同一公司出品的产品，用VB编制的软件在Windows平台上长时间运行，非常稳定。 4 目 录 一、设计目的„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 二、设计思路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 三、器件的选择及其使用说明„„„„„„„„„„„„„„„„6 1)、选用中泰数据采集卡PCI-8407使用说明介绍 „„„„„„6 2)、PS-002 16路通用继电器板技术说明书 „„„„„„„„10 3)、电机的机型选择 „„„„„„„„„„„„„„„„„„13 四、主电路、控制回路电路图及其工作原理„„„„„„„„„„13 1)、主回路电路图及其原理„„„„„„„„„„„„„„„„13 „„„„„„15 2)、控制回路接线图„„„„„„„„„„„„„ 五、MCGS组态程序介绍及设计„„„„„„„„„„„„„„„„16 1)、控制界面设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 2)、设备窗口组态„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 3)、设备构件的通道连接„„„„„„„„„„„„„„„„„„18 4)、程序脚本的编写„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19 六、开发MCGS设备驱动程序„„„„„„„„„„„„„„„„„19 七、总结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19 八、参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20 九、评审意见表„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21 5 正 文 一、设计目的 MCGS采用可视化的程序设计方法，利用系统提供的大量可视化控件，可以方便地以可视化方式直接绘制用户图形界面，并可直观，动态地调整界面的风格和样式。设计针对采集卡功能设置出实用、美观应用界面。界面可以实现的功能为:允许外部开关控制量输入，面板控制量输出，以此来实现电机正反转控制。 二、设计思路 通过PC工控机+研华基于PC的工业控制卡MIC-2760+电动机正反转控制主回路这种设计方案，可以以较为低廉的价格达到控制电机正反转及点动长动的控制要求，与PLC电机正反转控制系统相比较为廉价很多。同时可以通过MCGS组态软件快速的构建上位机监控及控制界面。配合其他的数据采集卡，可以实现对电动机转速、电压、电流等运行参数的实时监控与控制。并且此种方案在工业现场广为应用，符合工业控制系统的市场需求。 三、器件的选择及其使用说明 1)选用中泰数据采集卡PCI-8407使用说明介绍 1.概述: PCI-8407光隔离开关量输出接口卡适用于提供了PCI 总线插槽的PC系列微机，具有即插即用(PnP)的功能，操作系统可选用目前流行的 Windows 系列，高稳定性的Unix等多种操作系统以及专业数据采集分析系统LabVIEW 等软件环境。在硬件的安装上也非常简单，使用时只需将接口卡插入机内任何一个PCI总线插槽中，信号电缆从机箱外部直接接入。为方便我公司原有用户对产品的升级换代，PCI-8407开关量输出接口卡的输出插座引线定义与PC-6407完全一样。 6 本卡适用于工业现场中各种开关信号的自动控制以及计算机同数字仪器的接口。考虑到在开关量的输出中“开,关”瞬态对计算机干扰十分强烈及现场强电的干扰，本卡采用了光电隔离技术，使计算机与现场信号之间全部隔离，提高了计算机与本卡在工作中的抗干扰能力和抗损毁能力。 本卡上的开关量输出为32 路(分为两组)共地方式，具有上电后自动清零功能(但主机复位时不清零)，并可与我公司研制的PS-002继电器接口板直接配套使用。 2.主要技术指标: 2.1 输出路数及电气连接方式:32路分为两组，共源(共阳)方式。 2.2 输出回路供电要求:，12V,，36V 2.3 最大输出驱动电流:?200mA,每路(由外加电源提供)，可直接驱 动继电器，但每组总输出电流不应超过2A。 2.4 每组信号之间、各组信号与接口卡之间隔离电平:500V。 10,) ?400mA 2.5 电源功耗:，5V(? 2.6 环境要求:工作温度: 10?,40? 相对湿度: 40,,80, 存贮温度:,55?,，85? 2.10 外型尺寸(不含档板):长×高=164.8mm×106.7mm(6.5英寸×4.2英寸) 3.工作原理及操作说明: 3.1 开关量输出工作原理: 本卡上的32路开关量输出回路可用于外部电路的开关控制，其每路最大输出电流200mA左右，开关量输出部分工作原理如图1所示。 7 图1 开关量输出部分工作原理 输出驱动器件ULN2003的输出端允许通过IC 电流200mA,饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO约为36V。用户输出口的外接负载可根 据以上参数估算。由于本卡采用集电极开路输出，输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器(SSR)等外接控制器件，也可直接驱动低压灯泡。 本卡工作时，计算机送“1”使驱动器三极管导通，计算机送“0”使驱动器三极管截止。本卡上的输出驱动器件ULN2003中内部带有吸收二极管，可有效地吸收感性负载启动时产生的达600mA的峰值电流。所有的开关量输出信号均带有锁存功能。当CPU对设定的一个I,O地址执行一次写操作，就送出了一组(16路)输出信号。当主机加电启动时，本卡上的复位清零电路使各组输出均为零，即驱动器三极管截止。但使用RESET开关使主机硬复位时清零电路将不起作用。 4.安装及使用注意: 本卡的安装十分简便，只要在关电情况下将主机机壳打开，将本卡插入主机的任何一个空余扩展槽中，再将档板固定螺丝压紧即可。37芯D型插头可从主机后面引出并与外设连接。 禁止带电插拔本接口卡。设置接口卡开关和安装接口带缆均应在关电状态下进行。 为保证人身及设备安全，应确保系统地线(计算机及外接设备接地点)接地良好。为防止外部设备中较大的电磁干扰，应注意对信号线进行屏蔽处理。 8 如果本卡连接的外部设备上加有较高的电压时，在安装或用手触摸本卡时，应先将外部设备的电源关闭并严禁触摸本卡。 5.使用与操作: 5.1 输入输出插座接口定义: 表1 输入输出插座引线定义表 插座引脚号 信号定义 插座引脚号 信号定义 1 A组 CH1 20 A组 CH2 2 A组 CH3 21 A组 CH4 3 A组 CH5 22 A组 CH6 4 A组 CH7 23 A组 CH8 5 A组 CH9 24 A组 CH10 6 A组 CH11 25 A组 CH12 7 A组 CH13 26 A组 CH14 8 A组 CH15 27 A组 CH16 9 开出公共地 28 开出公共地 10 ，12,36V电源入 29 ，12,36V电源入 11 B组 CH1 30 B组 CH2 12 B组 CH3 31 B组 CH4 13 B组 CH5 32 B组 CH6 14 B组 CH7 33 B组 CH8 15 B组 CH9 34 B组 CH10 16 B组 CH11 35 B组 CH12 17 B组 CH13 36 B组 CH14 18 B组 CH15 37 B组 CH16 19 开出公共地 5.2 开关量输出使用方法: 本卡上的开关量输出部分与外部器件联接时，可按图2方法进行，使用时应注意将外部，12,36V电源接入本卡 。 9 图2 开关量输出使用方法 2)PS-002 16路通用继电器板技术说明书 1. 概述: 本板为小功率中间继电器板，一般用于大功率继电器或接触器的驱动，也可用于小容量电器开关、报警指示等场合。 2. 主要特性: 2.1 路数: 16路 2.2 触点形式: 单刀常开 2.3 触点容量:DC 28V , 7A AC 220V , 4A 2.4 控制功率:DC 24V,15mA或DC 12V,30mA(单路) 2.5 每对触点接线端均加有压敏电阻以吸收浪涌电压。 10 3. 本板布局: 4. 使用方法: 4.1 继电器控制电源接线:该电源插座为2P座，信号分布见下图。 ,+ GND 继电器控制电源应根据继电器工作电压分别选择12V或24V。 4.2 继电器控制线接线:该控制线插座为JK、JK，信号分布见下图: 12 11 KJ可直接配接PC-6407、6408， JK经过改装后可配接研华 12 经过改装后可配接研华PCL-720/ PCL-722/724/731 730/732 4.3 继电器触点接线:本板两侧的接线端子排为继电器触点接线端子，与每个继电器相邻的两个接线端子为该继电器的一对触点端子。 5. 本板的外部驱动电路: 光电耦合器直接驱动 三极管驱动 12 6. 本板的特殊使用: 当用户需用 TTL 电平直接驱动本板时，可将本板上标有 U、U、U123器件组中的细连线割断，在各器件位置上正确焊上ULN2003驱动组件。 3)、电机的机型选择 三相电机是指当电机的三相定子绕组(各相差120度电角度)，通入三相交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流(转子绕组是闭合通路)，载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。 本次设计采用Y132S-4型三相异步电动机作为控制对象，功率为5.5KW，满足设计要求。本型号电动机为四极电动机，同步转速为1500 r/min，异步转速为1440 r/min。 电动机同步转速公式如下:n=60f/p。 f为频率,单位为Hz。 n为转速，其单位为r/min p为磁极对数(注意是磁极对数而非磁极的个数，如本电机4极电机n=2) 当然也可以选择其他的型号的电动机，不同型号的电动机并不影响控制电路的设计。 四、主电路、控制回路电路图及其工作原理 1)、主回路电路图及其原理 电机要实现正反转控制，将其电源的相序中任意两相对调即可(被称为换相)，通常是V相不变，将U相与W相对调节器，为了保证两个接触器动作时能够可靠调换电动机的相序，接线时应使接触器的上口接线保持一致，在接触器的下口调相。由于将两相相序对调，故须确保二个KM线圈不能同时得电，否则会发生严重的相间短路故障，因此必须采取联锁。为安全起见，常采用机械联锁与电气联锁的双重联锁正反转控制线路。使用了按钮联锁，即使同时按下正反转按钮，调相用的两接触器也不可能同时得电，机械上避免了相间短路。 13 另外，由于应用的接触器联锁，所以只要其中一个接触器得电，其长闭触点就不会闭合，这样在机械、电气双重联锁的应用下，电机的供电系统不可能相间短路，有效地保护了电机，同时也避免在调相时相间短路造成事故，烧坏接触器。由于本项目采用研华控制卡和MCGS组态软件设置，所以可以通过MCGS程序逻辑设计实现电气联锁，有效的保护电动机的正常运行，防止短路发生。 对于点动和长动的区别，由于本次项目采用MCGS组态软件进行控制，因此只需在程序中进行控制逻辑的设计。并且本设计采用点动长动开关进行点动与长动的选择，通过点动长动选择开关进行点动与长动的选择。 在主电路中，除了KM1、KM2出点外，还有熔断器FU和热继电器FR做为主电路的保护元件，防止由于短路或者过载、断相对电机的损坏。 14 熔断器FU是指当电流超过规定值时，以本身产生的热量使熔体熔断，断开电路的一种电器。熔断器是根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开,可以防止电路短路对电动机的损坏，以最小的成本来实现电动机的保护。 热继电器FR是由流入热元件的电流产生热量，使有不同膨胀系数的双金属片发生形变，当形变达到一定距离时，就推动连杆动作，使控制电路断开，从而使接触器失电，主电路断开，实现电动机的过载保护以及断相保护。 2)控制回路接线图 15 五、MCGS组态程序介绍及设计 1)控制界面设计 以下界面包括一个启停控制按钮、一个电机、一个长动点动选择开关以及两个分别控制正转和反转的按钮。默认运行时，启停按钮处于启动状态，当将长动点动开关达到长动时，电机正反转按钮即可以实现电动机的正反转运行，电机停止按钮即可以实现电动机的停止;当将点动开关打到点动时，按住正转、反转按钮电动机才分别进行正转、反转运行，松开按钮，电动机停止。 2)设备窗口组态 设备窗口是MCGS系统的重要组成部分，在设备窗口中建立系统与 16 外部硬件设备的连接关系，使系统能够从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态，实现对工业过程的实时监控。 在MCGS中，实现设备驱动的基本方法是:在设备窗口内配置不同类型的设备构件，并根据外部设备的类型和特征，设置相关的属性，将设备的操作方法如硬件参数配置、数据转换、设备调试等都封装在构件之中，以对象的形式与外部设备建立数据的传输通道连接。系统运行过程中，设备构件由设备窗口统一调度管理，通过通道连接，向实时数据库提供从外部设备采集到的数据，从实时数据库查询控制参数，发送给系统其它部分，进行控制运算和流程调度，实现对设备工作状态的实时检测和过程的自动控制。 MCGS的这种结构形式使其成为一个“与设备无关”的系统，对于不同的硬件设备，只需定制相应的设备构件，放置到设备窗口中，并设置相关的属性，系统就可对这一设备进行操作，而不需要对整个系统结构作任何改动。 在MCGS单机版中，一个用户工程只允许有一个设备窗口。运行时，由主控窗口负责打开设备窗口，而设备窗口是不可见的，在后台独立运行，负责管理和调度设备构件的运行。 由于MCGS对设备的处理采用了开放式的结构，在实际应用中，可以很方便地定制并增加所需的设备构件，不断充实设备工具箱。MCGS将逐步提供与国内外常用的工控产品相对应的设备构件，同时，MCGS也提供了一个接口，以方便用户用Visual Basic或Visual C++等编程工具自行编制所需的设备构件，装入MCGS的设备工具箱内。MCGS提供了一个高级开发向导，自动生成设备驱动程序的框架，给我们的开发工作提供帮助。 为了对普通工程用户快速定制开发特定的设备驱动程序提供方便，系统同时提供了典型设备驱动程序的源代码，在这些源代码的基础上进行移植修改，就可以生成自己所需的设备驱动程序。 对已经编好的设备驱动程序，MCGS使用设备构件管理工具进行管理。单击在MCGS组态环境中“工具”菜单下的“设备构件管理”项，将弹出如下图所示的设备管理窗口: 17 设备管理窗口中提供了常用的上百种的设备驱动程序，给我们快速找到适合自己的设备驱动程序提供了极大的方便，还可以完成所选设备在Windows中的登记和删除登记等工作。 3)设备构件的通道连接 MCGS设备中一般都包含有一个或多个用来读取或者输出数据的物理通道，MCGS把这样的物理通道称为设备通道，如:模拟量输入装置的输入通道、模拟量输出装置的输出通道、开关量输入输出装置的输入输出通道等等，这些都是设备通道。 设备通道只是数据交换用的通路，而数据输入到哪儿和从哪儿读取数据以供输出，即进行数据交换的对象，则必须由用户指定和配置。 实时数据库是MCGS的核心，各部分之间的数据交换均须通过实时数据库。因此，所有的设备通道都必须与实时数据库连接。所谓通道连接，也即是由用户指定设备通道与数据对象之间的对应关系，这是设备组态的一项重要工作。如不进行通道连接组态，则MCGS无法对设备进行操作。 18 4)程序脚本的编写 IF 启动=1 THEN KM1=1 IF 停止=1 THEN KM1=0 OR KM2=0 IF 反转=1 THEN KM2=1 IF 正转=1 THEN KM1=1 IF 点动=1 THEN KM1=1 OR KM2=1 IF 长动=1 THEN KM1=1 OR KM2=1 六、总结 通过PC工控机+中泰基于PC的工业控制卡PCI8407和与其适配的中间继电器PS002+电动机正反转控制主回路这种设计方案，可以以较为低廉的价格达到控制电机正反转及点动长动的控制要求，与PLC电机正反转控制系统相比较为廉价很多。同时可以通过MCGS组态软件快速的构建上位机监控及控制界面。配合其他的数据采集卡，可以实现对电动机转速、电压、电流等运行参数的实时监控与控制。并且此种方案在工业现场广为应用，符合工业控制系统的市场需求。 通过一周的学习，我进一步加深了对于电机正反转等控制系统的理解，掌握了研华系列工业采集卡、控制卡的应用，并且学会了利用MCGS、VB等工控软件快速的构建工控机的上位机监控软件，从而可以快速的搭建出一整套工业控制系统以及采集监控系统。并且将学到的知识加以利用，转化为实实在在的生产力。总之，从本次的课程设计中，我受益匪浅。 七、开发MCGS设备驱动程序 设备驱动构件的实现 设备驱动构件接口规范 利用开发向导生成框架 利用样例程序移植 测试和挂接设备驱动构件 IO端口的操作 串行口的操作 设备驱动构件的运行机制 增加设备构件属性 定制设备属性设备对话框 19 编制简单的设备驱动构件 八、参考文献 《工厂电器》、《电气控制及PLC》、《电路原理》、《电子技术》、《检测与转换技术》、《制图》、《计算机原理》、《微机控制原理及应用》、《电力电子技术》、《计算机操作系统》等课程教科书及相关专业报纸、杂志和论文。 20 九、电气工程学院课程设计评审意见表 指导教师评语: 平时成绩: 指导教师签字: 2014年 6 月 22 日 图面及其它成绩: 答辩小组评语: 答辩成绩: 组长签字: 2014年6 月 22 日 课程设计综合成绩: 答辩小组成员签字: 2014年 6 月 22日 21 22 23