毕业设计（论文）_用组态王构建上位机与变频器通讯

毕业设计（ 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ）_用组态王构建上位机与变频器通讯 毕业设计,论文， 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 目 用组态王构建上位机与变频 器通讯 专 业 自动化 班 级 学 生 指导教师 2011 年 作者姓名: 论文题目:用组态王构建上位机与变频器通讯 专业:自动化 班级:自072班 作者: 指导教师: 职称: 答辩日期:2006-06-23 摘 要 在工程实践中，经常要用组态软件完成工业现场的各种集中控制功能。而随着现代以工业PC为核心的自动控制集成系统的日趋完善和工程技术人员使用组态软件水平的不断提高，用户对组态的要求更侧重于实质性的应用功能，而不是过去的画面清晰简洁。而组态软件的开放性及组态环境的可扩展性为用户提供了其存在的巨大潜力。同时现代企业的生产已经趋向国际化、分布式的生产方式。Internet将是实现分布式生产的基础。组态软件能否从原有的局域网运行方式跨越到支持Internet，是摆在所有组态软件开发商面前的一个重要课题。同样变频器在现代的市场中也是普遍的得到大部分企业厂家的认知与认可，而实现其在工业现场的通讯则让人更好的实现工业自动化的要求。因而本课题主要完成“用组态软件构建上位机与变频器通讯”。 关键词:控制、组态软件、互联网、工业、自动化、通讯 西安理工大学本科生毕业设计,论文, Abstract In engineering practice, often use the configuration software to complete the industrial scene features a variety of centralized control. With an industrial PC as the core of modern automatic control of integrated systems is becoming more perfect and use configuration software engineering and technical personnel the level of continuous improvement, the level of the user requirements of the configuration is more focused on the substantive application functionality, not the past of the screen Clear and concise. The configuration software configuration environment of openness and scalability to provide users with the potential of its existence. At the same time the production of modern enterprise has been an international trend, distributed production. Internet will be the basis for distributed production. Configuration software can run from the original way across the LAN to support the Internet, is placed in front of all the configuration software developers is an important issue. The same drive in the modern market is also common knowledge by the majority of manufacturers and recognized business, and achieve their communications in the industrial field is the realization of people to better the requirements of industrial automation.Thus the main subject of the completion "with configuration software communication between PC and drive" Keywords: control, configuration software, Internet, manufacturers, automation, communication 西安理工大学本科生毕业设计,论文, 前言 ....................................................................................................................... i 第1章 概述..................................................................................................... 1 1.1 组态软件的功能特点 ................................... 1 1.1.1 性质 ......................................................................................... 1 1.1.2 特点 ......................................................................................... 2 1.2 变频器概述 ........................................... 3 1.2.1高压变频器的技术特点 ......................................................... 3 1.2.2 高压变频器产品 .................................................................... 4 1.3 Modbus 通讯协议 ....................................... 5 1.3.1 Modbus 协议简介 .................................................................. 5 1.3.2 两种传输方式......................................................................... 7 第2章 PLC控制原理 ...................................................................................... 11 2.1 可编程控制器的定义和特点 ............................ 11 2.1.1 可编程控制器的定义 .......................................................... 11 2.1.2 可编程控制器的特点 .......................................................... 11 2.2 PLC的组成及工作原理 ................................. 12 2.2.1 PLC的基本组成.................................................................... 12 2.2.2 PLC的工作原理和工作过程 ............................................... 12 2.3 控制原理及程序 ....................................... 12 2.3.1 同步切换控制原理 .............................................................. 12 2.3.2 锁相功能及切换柜特性 ...................................................... 14 2.3.3 控制系统外部接线 .............................................................. 16 2.3.4 控制流程图........................................................................... 17 2.3.5 投切条件与步骤: .............................................................. 19 2.3.6 切换程序指令....................................................................... 20 第3章 控制界面 ............................................................................................. 22 3.1 组态软件概述 ......................................... 22 I 作者姓名: 论文题目:用组态王构建上位机与变频器通讯 3.1.1 组态软件的构成 .................................................................. 22 3.1.2 组态王与I/O设备 .............................................................. 23 3.1.3 组态王的数据词典 .............................................................. 23 3.1.4 组态王中画面的建立 .......................................................... 26 3.2 “上位控制系统”界面的设计 .......................... 27 3.2.1 “上位机控制系统”画面的设计...................................... 27 3.2.2 “故障信息”弹出式界面设计.......................................... 30 3.3 组态王与变频器的连接 ................................ 30 第四章结果与结论 ........................................................................................... 32 4.1 设计结果 ............................................. 32 4.2 设计结论 ............................................. 35 致谢 .................................................................................................................... 37 参考文献 ............................................................................................................ 38 II 西安理工大学本科生毕业设计,论文, 前言 在工程实践中，经常要用组态软件完成工业现场的各种集中控制功能。而随着现代以工业PC为核心的自动控制集成系统的日趋完善和工程技术人员使用组态软件水平的不断提高，用户对组态的要求更侧重于实质性的应用功能，而不是过去的画面清晰简洁。而组态软件的开放性及组态环境的可扩展性为用户提供了其存在的巨大潜力。同时现代企业的生产已经趋向国际化、分布式的生产方式。Internet将是实现分布式生产的基础。组态软件能否从原有的局域网运行方式跨越到支持Internet，是摆在所有组态软件开发商面前的一个重要课题。同样变频器在现代的市场中也是普遍的得到大部分企业厂家的认知与认可，而实现其在工业现场的通讯则让人更好的实现工业自动化的要求。 自2000年以来，国内监控组态软件产品、技术、市场都取得了飞快的发展，应用领域日益拓展，用户和应用工程师数量不断增多。充分体现了“工业技术民用化”的发展趋势。在整个自动化系统中，软件所占比重逐渐提高，虽然组态软件只是其中一部分，但因其渗透能力强、扩展性强，近年来蚕食了很多专用软件的市场。因此，监控组态软件具有很高的产业关联度，是自动化系统进入高端应用、扩大市场占有率的重要桥梁。本课题主要完成用组态王软件构建上位机与变频器之间的通讯，为用户提供更方便可靠控制操作界面，方便其对工业现场的信号采集与控制。 本课题主要完成“用组态王构建上位机与变频器通讯”，实现人机操作界面，对工业现场进行控制，是对现场型号的采集更加方便、简洁。 i 西安理工大学本科生毕业设计,论文, 第1章 概述 1.1 组态软件的功能特点 组态软件具有数据信号采集、脚本功能、控制功能、支持Ietnernet及可扩展性和开放性等功能特点。 1.1.1 性质 (1)组态软件的的可扩展性 可扩展性为用户提供了在不改变原有系统的情况下，向系统内增加新功能的能力，这种增加的功能可能来自于组态软件开发商、第三方软件提供商或用户自身。增加功能最常用的手段是ActiveX组件的应用，目前还只有少数组态软件能提供完备的ActiveX组件引入功能及实现引入对象在脚本语言中的访问。 (2) 组态软件的开放性 随着管理信息系统和计算机集成制造系统的普及，生产现场数据的应用已经不仅仅局限于数据采集和监控。在生产制造过程中，需要现场的大量数据进行流程分析和过程控制，以实现对生产流程的调整和优化。现有的组态软件对大部分这些方面需求还只能以报表的形式提供，或者通过ODBC将数据导出到外部数据库，以供其他的业务系统调用，在绝大多数情况下，仍然需要进行再开发才能实现。随着生产决策活动对信息需求的增加，可以预见，组态软件与管理信息系统或领导信息系统的集成必将更加紧密，并很可能以实现数据分析与决策功能的模块形式在组态软件中出现。 1 作者姓名: 论文题目:用组态王构建上位机与变频器通讯 1.1.2 特点 (1)数据采集方式 大多数组态软件提供多种数据采集程序，用户可以进行配置。这种情况下，只能由组态软件开发商提供，或者由用户按照某种组态软件的接口规范编写。由OPC基金组织提出的OPC规范基于微软的OLE/DCOM技术，提供了在分布式系统下，软件组件交互和共享数据的完整的解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 (2) 脚本的功能 脚本语言是扩充组态系统功能的重要手段。因此，大多数组态软件提供了脚本语言的支持。具体的实现方式可分为三种:一是内置的类C/Basic语言;二是采用微软的VBA的编程语言;三是有少数组态软件采用面向对象的脚本语言。类C/Basic语言要求用户使用类似高级语言的语句书写脚本，使用系统提供的函数调用组合完成各种系统功能。微软的VBA是一种相对完备的开发环境，采用VBA的组态软件通常使用微软的VBA环境和组件技术，把组态系统中的对象以组件方式实现，使用VBA的程序对这些对象进行访问。 (3) 对Ieternet的支持程度 现代企业的生产已经趋向国际化、分布式的生产方式。Internet将是实现分布式生产的基础。组态软件能否从原有的局域网运行方式跨越到支持Internet，是摆在所有组态软件开发商面前的一个重要课题。限于国内目前的网络基础设施和工业控制应用的程度，笔者认为，在较长时间内，以浏览器方式通过Internet对工业现场的监控，将会在大部分应用中停留于监视阶段，而实际控制功能的完成应该通过更稳定的技术，如专用的远程客户端、由专业开发商提供的ActiveX控件或Java技术实现。 (4) 组态软件的控制功能 随着以工业PC为核心的自动控制集成系统技术的日趋完善和工程技术人员的使用组态软件水平的不断提高，用户对组态软件的要求已不像过 2 西安理工大学本科生毕业设计,论文, 去那样主要侧重于画面，而是要考虑一些实质性的应用功能，如软件PLC，先进过程控制策略等。 1.2 变频器概述 高压变频器(在国外称中压变频器)自上个世纪九十年代中期开始在国内推广，经过十年的发展，今天已经普遍为市场所接受，估计今年的市场容量在10亿到20亿元人民币之间。 1.2.1高压变频器的技术特点 高压电机实现调速目前主要采用三种主要方式:液力耦合方式、串级调速和高低方式等。 (1) 液力耦合方式 即在电机和负载之间串入一个液力耦合装置，通过液面的高低调节电机和负载之间耦合力的大小，实现负载的速度调节。 (2) 串级调速 串级调速必须采用绕线式异步电动机，将转子绕组的一部分能量通过整流、逆变再送回到电网，这样相当于调节了转子的内阻，从而改变了电动机的滑差;由于转子的电压和电网的电压一般不相等，所以向电网逆变需要一台变压器，为了节省这台变压器，现在国内市场应用中普遍采用内馈电机的形式，即在定子上再做一个三相的辅助绕组，专门接受转子的反馈能量，辅助绕组也参与做功，这样主绕组从电网吸收的能量就会减少，达到调速节能的目的。 (3) 高低方式 由于当时高压变频技术没有解决，就采用一台变频器，先把电网电压降低，然后采用一台低压的变频器实现变频;对于电机，则有两种办法，一种办法是采用低压电机;另一种办法，则是继续采用原来的高压电机，需要在变频器和电机之间增加一台升压变压器。上述三种方式，发展到目 3 作者姓名: 论文题目:用组态王构建上位机与变频器通讯 前都是比较成熟的技术。液力耦合器和串级调速的调速精度都比较差，调速范围较小，维护工作量大，液力耦合器的效率相比变频调速还有一定的差距，所以这两项技术竞争力已经不强了。至于高低方式，能够达到比较好的调速效果，但是相比真正的高压变频器，还有如下缺点:效率低，谐波大，对电机的要求比较严格，功率较大时(500KW以上)，可靠性较低。高低方式的主要优势在于成本较低。 1.2.2 高压变频器产品 目前，主流的高压变频器产品主要有三种类型:电流源型、功率单元串联多电平型和三电平型。 (1) 电流源型 电流源型逆变部分采用SGCT直接串联解决耐压问题，直流部分用电抗器储存能量，目前的技术水平可以做到7.2KV输出电压，所以适应国内大部分电压为6KV这一现状。电流源型变频器输入侧的功率因数比较低，电抗器的发热量较大，效率比电压源型变频器低，由于采用电流控制，输出滤波器的设计比较麻烦，而两电平变频器的共模电压和谐波、dv/dt问题较突出，所以对电机的要求较高。虽然电流源型变频器有可回馈能量的优点，但是需要回馈能量的负载毕竟不是太多，尤其是通用型的变频器，所以电流源型变频器的市场竞争能力已经逐渐变弱。 (2) 功率单元串联多电平型 此变频器采用多个低压的功率单元串联实现高压，输入侧的降压变压器采用移相方式，可有效消除对电网的谐波污染，输出侧采用多电平正弦PWM技术，可适用于任何电压的普通电机，另外，在某个功率单元出现故障时，可自动退出系统，而其余的功率单元可继续保持电机的运行，减少停机时造成的损失。系统采用模块化设计，可迅速替换故障模块。由此可见，单元串联多电平型变频器的市场竞争力是很明显的。 (3) 三电平型 4 西安理工大学本科生毕业设计,论文, 三电平型变频器采用钳位电路，解决了两只功率器件的串联的问题，并使相电压输出具有三个电平。三电平逆变器的主回路结构环节少，虽然为电压源型结构，但易于实现能量回馈。三电平变频器在国内市场遇到的最大难题是电压问题，其最大输出电压达不到6KV，所以往往需要用变通的方法，要么改变电机的电压，要么在输出侧加升压变压器。 1.3 Modbus 通讯协议 1.3.1 Modbus 协议简介 Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。当在一Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。 (1) 在Modbus网络上转输 标准的Modbus口是使用一RS-232C兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由Modem组网。 控制器通信使用主—从技术，即仅一设备(主设备)能初始化传输(查询)。其它设备(从设备)根据主设备查询提供的数据做出相应反应。 5 作者姓名: 论文题目:用组态王构建上位机与变频器通讯 典型的主设备:主机和可编程仪表。典型的从设备:可编程控制器。 主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。Modbus协议建立了主设备查询的格式:设备(或广播)地址、功能代码、所有要发送的数据、一错误检测域。 从设备回应消息也由Modbus协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和一错误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。 (2) 在其它类型网络上转输 在其它网络上，控制器使用对等技术通信，故任何控制都能初始和其它控制器的通信。这样在单独的通信过程中，控制器既可作为主设备也可作为从设备。提供的多个内部通道可允许同时发生的传输进程。 在消息位，Modbus协议仍提供了主—从原则，尽管网络通信方法是“对等”。如果一控制器发送一消息，它只是作为主设备，并期望从从设备得到回应。同样，当控制器接收到一消息，它将建立一从设备回应格式并返回给发送的控制器。 (3) 查询—回应周期 1)查询 查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息。例如功能代码03是要求从设备读保持寄存器并返回它们的内容。数据段必须包含要告之从设备的信息:从何寄存器开始读及要读的寄存器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。 2)回应 如果从设备产生一正常的回应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据:象寄存器 6 西安理工大学本科生毕业设计,论文, 值或状态。如果有错误发生，功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了描述此错误信息的代码。错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用。 1.3.2 两种传输方式 控制器能设置为两种传输模式(ASCII或RTU)中的任何一种在标准的Modbus网络通信。用户选择想要的模式，包括串口通信参数(波特率、校验方式等)，在配置每个控制器的时候，在一个Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。 所选的ASCII或RTU方式仅适用于标准的Modbus网络，它定义了在这些网络上连续传输的消息段的每一位，以及决定怎样将信息打包成消息域和如何解码。在其它网络上(象MAP和Modbus Plus)Modbus消息被转成与串行传输无关的帧。 (1)ASCII模式 当控制器设为在Modbus网络上以ASCII(美国标准信息交换代码)模式通信，在消息中的每个8Bit字节都作为两个ASCII字符发送。这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。 代码系统 ? 十六进制，ASCII字符0...9，A...F ? 消息中的每个ASCII字符都是一个十六进制字符组成 每个字节的位 ? 1个起始位 ? 7个数据位，最小的有效位先发送 ? 1个奇偶校验位，无校验则无 CRC域是两个字节，包含一16位的二进制值。它由传输设备计算后加入到消息中。接收设备重新计算收到消息的CRC，并与接收到的CRC域中的值比较，如果两值不同，则有误。 7 作者姓名: 论文题目:用组态王构建上位机与变频器通讯 CRC是先调入一值是全“1”的16位寄存器，然后调用一过程将消息中连续的8位字节各当前寄存器中的值进行处理。仅每个字符中的8Bit数据对CRC有效，起始位和停止位以及奇偶校验位均无效。CRC产生过程中，每个8位字符都单独和寄存器内容相或(OR)，结果向最低有效位方向移动，最高有效位以0填充。LSB被提取出来检测，如果LSB为1，寄存器单独和预置的值或一下，如果LSB为0，则不进行。整个过程要重复8次。在最后一位(第8位)完成后，下一个8位字节又单独和寄存器的当前值相或。最终寄存器中的值，是消息中所有的字节都执行之后的CRC值。 CRC添加到消息中时，低字节先加入，然后高字节。 CRC简单函数如下: unsigned short CRC16(puchMsg, usDataLen) unsigned char *puchMsg ; /* 要进行CRC校验的消息 */ unsigned short usDataLen ; /* 消息中字节数 */ {unsigned char uchCRCHi = 0xFF ; /* 高CRC字节初始化 */ unsigned char uchCRCLo = 0xFF ; /* 低CRC 字节初始化 */ unsigned uIndex ; /* CRC循环中的索引 */ while (usDataLen--) /* 传输消息缓冲区 */ {uIndex = uchCRCHi ^ *puchMsgg++ ; /* 计算CRC */ uchCRCHi = uchCRCLo ^ auchCRCHi[uIndex} ; uchCRCLo = auchCRCLo[uIndex] ;} return (uchCRCHi << 8 | uchCRCLo) ; } 1)ModBus的传输方式 在ModBus系统中有2种传输模式可选择。这2种传输模式与从机PC通信的能力是同等的。选择时应视所用ModBus主机而定，每个ModBus系统只能使用一种模式，不允许2种模式混用。一种模式是ASCII 8 西安理工大学本科生毕业设计,论文, (美国信息交换码)，另一种模式是RTU(远程终端设备)。 ASCII可打印字符便于故障检测，而且对于用高级语言(如Fortan)编程的主计算机及主PC很适宜。RTU则适用于机器语言编程的计算机和PC主机。 用RTU模式传输的数据是8位二进制字符。如欲转换为ASCII模式，则每个RTU字符首先应分为高位和低位两部分，这两部分各含4位，然后转换成十六进制等量值。用以构成报文的ASCII字符都是十六进制字符。ASCII模式使用的字符虽是RTU模式的两倍，但ASCII数据的译玛和处理更为容易一些，此外，用RTU模式时报文字符必须以连续数据流的形式传送，用ASCII模式，字符之间可产生长达1s的间隔，以适应速度较快的机器。 2)ModBus的数据校验方式 CRC-16(循环冗余错误校验) CRC-16错误校验程序如下:报文(此处只涉及数据位，不指起始位、停止位和任选的奇偶校验位)被看作是一个连续的二进制，其最高有效位(MSB)首选发送。报文先与X?16相乘(左移16位)，然后看X?16+X?15+X?2+1除，X?16+X?15+X?2+1可以表示为二进制数11000000000000101。整数商位忽略不记，16位余数加入该报文(MSB先发送)，成为2个CRC校验字节。余数中的1全部初始化，以免所有的零成为一条报文被接收。经上述处理而含有CRC字节的报文，若无错误，到接收设备后再被同一多项式(X?16+X?15+X?2+1)除，会得到一个零余数(接收设备核验这个CRC字节，并将其与被传送的CRC比较)。全部运算以2为模(无进位)。习惯于成串发送数据的设备会首选送出字符的最右位(LSB-最低有效位)。而在生成CRC情况下，发送首位应是被除数的最高有效位MSB。由于在运算中不用进位，为便于操作起见，计算CRC时设MSB在最右位。生成多项式的位序也必须反过来，以保持一致。多项式的MSB略去不记，因其只对商有影响而不影响 9 作者姓名: 论文题目:用组态王构建上位机与变频器通讯 余数。 生成CRC-16校验字节的步骤如下: ?装如一个16位寄存器，所有数位均为1。 ?该16位寄存器的高位字节与开始8位字节进行“异或”运算。运算结果放入这个16位寄存器。?把这个16寄存器向右移一位。 ?若向右(标记位)移出的数位是1，则生成多项式1010000000000001 和这个寄存器进行“异或”运算;若向右移出的数位是0，则返回?。 ?重复?和?，直至移出8位。 ?另外8位与该十六位寄存器进行“异或”运算。 ?重复?~?，直至该报文所有字节均与16位寄存器进行“异或”运算，并移位8次。 ?这个16位寄存器的内容即2字节CRC错误校验，被加到报文的最高有效位。 另外，在某些非ModBus通信协议中也经常使用CRC16作为校验手段，而且产生了一些CRC16的变种，他们是使用CRC16多项式X?16+X?15+X?2+1，单首次装入的16位寄存器为0000;使用CRC16的反序X?16+X?14+X?1+1，首次装入寄存器值为0000或FFFFH。 LRC(纵向冗余错误校验) LRC错误校验用于ASCII模式。这个错误校验是一个8位二进制数，可作为2个ASCII十六进制字节传送。把十六进制字符转换成二进制，加上无循环进位的二进制字符和二进制补码结果生成LRC错误校验。这个LRC在接收设备进行核验，并与被传送的LRC进行比较，冒号(:)、回车符号(CR)、换行字符(LF)和置入的其他任何非ASCII十六进制字符在运算时忽略不计。 10 西安理工大学本科生毕业设计,论文, 第2章 PLC控制原理 2.1 可编程控制器的定义和特点 2.1.1 可编程控制器的定义 可编程控制器(Programmable Controller)缩写为PC，为了和个人计算机区别把可编程控制器缩写为PLC(Programmable Logocl Controller)。 国际电工委员会(IEC)曾于1982年11月颁发了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月又颁发了第二稿，1987年2月颁发了第三稿。草案中对可编程控制器定义是: “可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专业在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数核算数操作等面向用户的指令，并通过数字式和模拟式的输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备，都按易于与工业系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。” 2.1.2 可编程控制器的特点 PLC的应用及其广泛，可以说只要有工厂、有控制要求，就会有PLC的应用。其主要有以下特点: ? 可靠性高，抗干扰能力强。 ? 适应性强，应用灵活。 ? 编程方便，易于使用。 ? 控制系统设计、安装、调试方便。 ? 维修方便，维修工作量小;功能完善。 11 作者姓名: 论文题目:用组态王构建上位机与变频器通讯 2.2 PLC的组成及工作原理 2.2.1 PLC的基本组成 PLC实质上是一种工业控制计算机，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适用于控制要求的编程语言。从硬件结构上看，它主要有中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出(I/O)接口、电源等组成。除此之外期还有一些扩展接口、通信接口、智能(I/O)接口、编程器和一些其他部件等。 2.2.2 PLC的工作原理和工作过程 PLC是一种工业控制计算机，它的工作原理是建立在计算机工作原理之上的，即通过执行反应控制要求的用户程序来实现的。但是CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按顺序依次完成相应各电器的动作，便成为时间上的串行。由于运算速度极高，各电器的动作似乎同时完成的，但实际输入—输出的响应石油之后的。概括的说，PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。其工作过程主要有“输入采样”、“程序执行”、“输入刷新”三个阶段。 2.3 控制原理及程序 2.3.1 同步切换控制原理 (1) 工作原理 变频器的同步切换按照运行方式可分为频工投切和工频投切。 频工投切:先由变频器拖动电机运行，当变频器的输出频率、幅值、相位都与电网相符时，并网后将电动机从变频切出，投入电网运行; 12 西安理工大学本科生毕业设计,论文, 工频投切:电机在工频运行时，变频器先空载运行并跟踪电网至锁相，并网后将电动机从工频切出，投入变频运行; 如图2-3-1所示，接触器式主回路的连接方式为电源柜输出?切换柜L1L2L3、切换柜1U1V1W?变频器输入、变频器输出2U2V2W?电抗器输入、电抗器输出?切换柜3U3V3W，需注意主回路接线的相序一定要一一对应。其中，当变频器长期运行时KM0可选。 变频器至上级断路器之间有合闸允许、分闸信号2个干接点，并与上级断路器进行联锁。变频器至同步切换柜PLC的电平输入信号有高压指示、运行指示、锁相成功、重故障指示4个信号。同步切换柜至变频器的脉冲输出信号有脉冲启动、脉冲停止、投切激活3个信号。 图2-3-1 接触器式控制原理图 13 作者姓名: 论文题目:用组态王构建上位机与变频器通讯 (2) 检测回路 检测回路是变频器与同步切换柜的重要环节。检测回路的1、2、3与信号板3P端口相连，将电网的三相电压信号送给信号板，对电网的输入电压信号和变频器的输出电压信号进行比较，从而实现锁相。 图2-3-2 检测回路原理图 2.3.2 锁相功能及切换柜特性 (1) 锁相功能 锁相前、后的变频和工频电压波形如图2-3-3、图2-3-4所示。比较得知，变频器锁相成功后，工频电网电压与变频器电压的频率、幅值、相位基本保持一致，极大减小了投切时产生的“短路电流”，保证了同步切换的可靠性。 (2)同步切换柜的特性 避免异步电动机启动时大电流给供电系统和拖动系统带来的不利影响 实现工频与变频之间“无扰动”的频繁切换 可用于各种重载设备启动场合 可用于“多设备”投入电网的顺序软启动 14 西安理工大学本科生毕业设计,论文, 减少了工频启动的繁琐过程 图2-3-2 锁相成功前频、工电压波形(黄色为电网波形) 图2-3-4 锁相成功后频、工电压波形(黄色为电网波形) (3)应用 在现今的工业领域，应用了许多大型传动系统，同步切换柜的应用场合主要有以下几种: 运行方式无需调速，但是需要软启动的重载场合，如煤磨、球磨等 需软启动但无法脱离变频电源运行的场合 15 作者姓名: 论文题目:用组态王构建上位机与变频器通讯 恒压供水场合(多水泵投/退) 不允许电机自由停机，必须要求减速停机的场合 2.3.3 控制系统外部接线 PLC供220VAC控制电源，将S7-200微型开关拨到Run位置。QS1、QS2隔离刀闸处于闭合状态(切换柜为接触器式)，手动/自动操作选择自动，就地/远程选择远程。接线图如图2-3-5 所示: 图2-3-5 系统接线图 16 西安理工大学本科生毕业设计,论文, 2.3.4 控制流程图 频工投切操作以及工频投切操作具体流程图人(如图2-3-6、图 2-3-7): 工频投切 N 满足条件, 退出投切 Y 工频投切按钮 切按钮 KM1合闸, N Y 合KM1 N 系统待机, Y 延时10s，发送投切指令 N 锁相成功, Y 延时5s，合上KM2，断开KM3 脉冲启动，解除锁相 电网运行，投切结束 图2-3-6 工频投切流程图 17 作者姓名: 论文题目:用组态王构建上位机与变频器通讯 频工投切 N 满足条件, 退出投切 Y 频工投 切按钮 KM1、KM2合闸, N 合KM2、KM1 Y N 高压就绪, 延时5S合KM3 N 延时10S启动变频器 变频停机，电网运行 N 运行信号, 断开KM2，投切结束 Y 投切指令 结束 N 锁相成功, Y 图2-3-7 频工投切流程图 18 西安理工大学本科生毕业设计,论文, 2.3.5 投切条件与步骤: (1) 变频到工频投切 1) 投切条件 变频器无故障(合闸允许) KM3(QF3)分闸位置 QS1、QS2在合闸位置(接触器式) 频工投切允许、工频投切禁止 2) 投切步骤 投切条件均具备 切换柜接收到 “频工投切”信号 闭合KM2(QF2) 闭合KM1(QF1)，变频器上电(如已上电，可省去) 同步切换柜检测到变频器高压就绪后，延时10秒，给变频器发出启动命令 同步切换柜检测到变频器运行后，给变频器发出“投切命令” 变频器接到投切命令后，自动加速，并与工频电源锁相 变频器锁相成功后，给同步切换柜发出“锁相成功”信号 此时锁相成功信号必须稳定10s，如果10s内“锁相信号”发生闪动，则重新开始计时，直到信号稳定为止 同步切换柜接收到“锁相成功”信号并稳定后，闭合工频开关KM3(QF3) 同步切换柜检测到KM3(QF3)闭合后，立即给变频器发出停机命令(禁止KM2/QF2、KM3/QF3同时合闸时间过长) 同步切换柜检测到变频器停止运行后，断开变频器输出开关KM2(QF2) 电机工频运行 频工投切结束 (2) 工频到变频投切 19 作者姓名: 论文题目:用组态王构建上位机与变频器通讯 1) 投切条件 变频器无故障(合闸允许) KM3(QF3)在合闸位置 QS1、QS2在合闸位置(接触器式) 工频投切允许、频工投切禁止 2) 投切步骤 投切条件均具备 切换柜接收到“工频投切”信号 闭合KM1(QF1)，变频器上电(如已上电，可省去) 同步切换柜检测到变频器系统待机后，延时10秒，给变频器发出“投切命令” 变频器接到投切命令后，自动加速，并与工频电源锁相 变频器锁相成功后，给同步切换柜发出“锁相成功”信号 同步切换柜接收到“锁相成功”信号后，同样进行“锁相稳定检测”， QF2) 信号稳定后闭合变频器输出开关KM2( 同步切换柜监测到KM2(QF2)闭合后，立即断开工频开关KM3(QF3) (禁止KM2/QF2、KM3/QF3同时合闸时间过长) 同步切换柜检测到KM3(QF3)断开后，给变频器发出“脉冲启动”命令，使变频器解除锁相状态，电机变频运行 工频投切结束 2.3.6 切换程序指令 主程序0B1使用PPO0实现与合康变频器MODBUS RTU格式通讯 调用子程序旁路柜控制程序; DP通讯变量程序 合康变频器参数设置，给定方式 上位给定;控制方式为上位控制，变频器地址设置 为31; 通讯波特率为9600 读取变频器系统状态从VW1000开始 存放在35个WORD中 20 西安理工大学本科生毕业设计,论文, 写入变频器给定频率及给定参考量 变量为VW100 /VW102 控制变频器的启动/停止 变量为 VW200/VW300 MODBUS 通讯过来的数据 先传入VW2002 之后的35WORD中 传给上 位机DCS 上位机DP写入下来的数据 先放入VW2080后 经过转换传入变频器 主程序见附件1: 子程序见附件2: 21 作者姓名: 论文题目:用组态王构建上位机与变频器通讯 第3章 控制界面 3.1 组态软件概述 组态王软件是一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理。它基于Microsoft Windows XP/NT/2000操作系统，用户可以在企业网络的所有层次的各个位置上都可以及时获得系统的实时信息。采用组态王软件开发工业监控工程，可以极大地增强用户生产控制能力、提高工厂的生产力和效率、提高产品的质量、减少成本及原材料的消耗。它适用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控管理系统的开发。 组态软件具有数据信号采集、脚本功能、控制功能、支持Ietnernet及可扩展性和开放性等功能特点。(详见第一章第一节) 3.1.1 组态软件的构成 组态王软件结构由工程管理器、工程浏览器及运行系统三部分构成。 工程管理器:工程管理器用于新工程的创建和已有工程的管理，对已有工程进行搜索、添加、备份、恢复以及实现数据词典的导入和导出等功能。 工程浏览器:工程浏览器是一个工程开发设计工具，用于创建监控画面、监控的设备及相关变量、动画链接、命令语言以及设定运行系统配置等的系统组态工具。 运行系统:工程运行界面，从采集设备中获得通讯数据，并依据工程浏览器的动画设计显示动态画面，实现人与控制设备的交互操作。 22 西安理工大学本科生毕业设计,论文, 3.1.2 组态王与I/O设备 组态王软件作为一个开放型的通用工业监控软件，支持与国内外常见的 PLC、智能模块、智能仪表、变频器、数据采集板卡等(如:西门子PLC、莫迪康PLC、欧姆龙PLC、 三菱PLC、研华模块等等)通过常规通讯接口(如串口方式、USB接口方式、以太网、总线、GPRS等)进行数据通讯。 组态王软件与IO设备进行通讯一般是通过调用*.dll动态库来实现的，不同的设备、协议对应不同的动态库。工程开发人员无须关心复杂的动态库代码及设备通讯协议，只须使用组态王提供的设备定义向导，即可定义工程中使用的I/O设备，并通过变量的定义实现与I/O设备的关联，对用户来说既简单又方便。 3.1.3 组态王的数据词典 (1)数据词典中变量的类型 数据词典中存放的是应用工程中定义的变量以及系统变量。变量可以分为基本类型和特殊类型两大类，基本类型的变量又分为内存变量和I/O变量两种。 “I/O变量”指的是组态王与外部设备或其它应用程序交换的变量。这种数据交换是双向的、动态的，就是说在组态王系统运行过程中，每当I/O变量的值改变时，该值就会自动写入外部设备或远程应用程序;每当外部设备或远程应用程序中的值改变时，组态王系统中的变量值也会自动改变。所以，那些从下位机采集来的数据、发送给下位机的指令，比如反应罐液位、电源开关等变量，都需要设置成“I/O 变量”。那些不需要和外部设备或其它应用程序交换，只在组态王内使用的变量，比如计算过程的中间变量，就可以设置成“内存变量”。 基本类型的变量也可以按照数据类型分为离散型、实型、整型和字 23 作者姓名: 论文题目:用组态王构建上位机与变频器通讯 符串型。 1)内存离散变量、I/O离散变量 类似一般程序设计语言中的布尔(BOOL)变量，只有0、1两种取值，用于表示一些开关量。 2)内存实型变量、I/O实型变量 类似一般程序设计语言中的浮点型变量，用于表示浮点数据，取值范围 10E-38,10E+38，有效值7位。 3)内存整数变量、I/O整数变量 类似一般程序设计语言中的有符号长整数型变量，用于表示带符号的整型数据，取值范围 2147483648,2147483647。 4)内存字符串型变量、I/O字符串型变量 类似一般程序设计语言中的字符串变量，可用于记录一些有特定含义的字符串，如名称、密码等，该类型变量可以进行比较运算和赋值运算。 特殊变量类型有报警窗口变量、历史趋势曲线变量、系统变量三种。 对于我们将要建立的演示工程，需要从下位机采集原料油罐的液位、原料油罐的压力、催化剂液位和成品油液位，所以需要在数据库中定义这四个变量。因为这些数据是通过驱动程序采集来的，所以四个变量的类型都是I/O实型变量。 (2)变量的定义 在工程浏览器树型目录中选择“数据词典”，在右侧双击“新建”图标，弹出“变量属性”对话框，在对话框中添加变量如下:(根据提示填写变量名称、属性等) 变量名: 变量类型: 变化灵敏度: 初始值: 24 西安理工大学本科生毕业设计,论文, 最小值: 最大值: 最小原始值: 最大原始值: 转换方式:线性 连接设备:PLC1 寄存器: 数据类型: 采集频率:1000 毫秒 读写属性:只读 设置完成后单击“确定”。用类似的方法建立其他变量。 (3)变量基本属性 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 变化灵敏度 数据类型为实数型或整数型时此项有效，只有当该数据变量的值变化幅度超过设置的“变化灵敏度”时，组态王才更新与之相连接的图素(缺省为0)。 保存参数 选择此项后，在系统运行时，如果您修改了此变量的域值(可读可写型)，系统将自动保存修改后的域值。当系统退出后再次启动时，变量的域值保持为最后一次修改的域值，无需用户再去重新设置。 保存数值 选择此项后，在系统运行时，当变量的值发生变化后，系统将自动保存该值。当系统退出后再次启动时，变量的值保持为最后一次变化的值。 最小原始值 针对I/O整型、实型变量，为组态王直接从外部设备中读取到的最小值 25 作者姓名: 论文题目:用组态王构建上位机与变频器通讯 最大原始值 针对I/O整型、实型变量，为组态王直接从外部设备中读取到的最大值 最小值 用于在组态王中将读取到的原始值转化为具有实际工程意义的工程值，并在画面中显示，与最小原始值对应 最大值 用于在组态王中将读取到的原始值转化为具有实际工程意义的工程值，并在画面中显示，与最大原始值对应。 数据类型 只对I/O类型的变量起作用，共有9种类型: Bit:1位，0或1 Byte:8位，一个字节 Short:16位，2个字节 Ushort:16位，2个字节 BCD:16位，2个字节 Long:32位，4个字节 LongBCD:32位，4个字节 Float:32位，4个字节 String:128个字符长度 3.1.4 组态王中画面的建立 建立新画面: 1)在工程浏览器左侧的“工程目录显示区”中选择“画面”选项，在右侧视图中双击“新建”图标，弹出新建画面对话框。 2)新画面属性设置如下:(根据需要填写) 画面名称: 上位控制主界面 26 西安理工大学本科生毕业设计,论文, 对应文件:pic00001.pic (自动生成，也可以用户自己定义) 注释:主界面——主画面 画面风格:覆盖式 画面位置: 左边:0 顶边:0 显示宽度:1024 显示高度:768 画面宽度:1024 画面高度:768 标题杆:无效 大小可变:有效 3)在对话框中单击“确定” 组态王软件将按照您指定的风格产生出一幅名为“上位控制主界面”的画面。 然后打开主界面根据自己的设计来设计主画面。(其他包括组态软件的工具箱的的使用详见“组态王说明”，这里不再赘述。) 3.2 “上位控制系统”界面的设计 根据控制系统要求用组态王建立“上位控制系统”主界面和“故障信息”两个人机对话界面。 3.2.1 “上位机控制系统”画面的设计 在“上微机控制系统”界面中主要设置的有:控制部分、功能参数及其他(见界面)等。其中: 离散变量有:高压指示、运行指示、故障指示、高压分断、运行、复位等。 27 作者姓名: 论文题目:用组态王构建上位机与变频器通讯 实行变量有:输入电流、电压、功率，输出电流、电压、功率，给定频率、输出频率、柜内温度等。 字符串变量有:系统状态、运行方式、给定方式、控制方式等。 按钮:故障信息、退出按钮 (1)变量的定义: 例:3-2-1 离散变量 图3-2-1 离散变量建立示意图 3-2-2 实行变量 图3-2-2 实行变量建立示意图 28 西安理工大学本科生毕业设计,论文, 3-2-3字符串变量 图3-2-3 字符串变量建立示意图 注意:对于组态王中一些字符串变量脚本的编译，用的是类C程序 的语言，而不是C语言。 )建立“上位机控制系统”主界面图如图3-2-4所示 (2 图3-2-4 上位机控制系统主界面图 29 作者姓名: 论文题目:用组态王构建上位机与变频器通讯 3.2.2 “故障信息”弹出式界面设计 此界面主要显示变频器故障出现的时间和何种信息故障类型。 变频器主要故障信息有:熔断器故障、过热故障、IGBT故障、电源故障、欠压故障、过压故障、光纤故障等 “故障信息界面”的设计如图3-2-5所示: 图3-2-5 故障信息界面图 3.3 组态王与变频器的连接 (1) 接线 将变频器的RS485接口端子485+和485-分别连接到RS232/RS485的转换器RS485端的相应位置端子上。RS232同电脑串口相连接。 (2) 组态王软件设置 1) 建立一个新项目 2) 添加新驱动 3) 设置串口 4)定义设备变量 30 西安理工大学本科生毕业设计,论文, (3) 合康变频器与组态王变量对应关系 合康变频器 组态王 组态王数据类型 03H功能码 4 USHORT 223 40548 USHORT 10H功能码 9 USHORT 223 90548 USHORT 05H 0 BIT 2500 9473 BIT 2501 9474 BIT 31 作者姓名: 论文题目:用组态王构建上位机与变频器通讯 第四章结果与结论 4.1 设计结果 根据对控制系统的设计及接线后实验得到以下结果: 现场调试实验图:变频器人机界面显示、测试工装、变压器柜内温度显示以及变频器故障信息测试。 图4-1-1 变频器主界面 图4-1-2 测试工装 32 西安理工大学本科生毕业设计,论文, 图4-1-3 变压器柜内温度 图4-1-4 上位控制系统界面 结果: 在本次车间调试中主要测试了用组态软件构建的“上位机与变频器 通讯”的人机界面的实际操作及运用，效果比较明显的完成了预期目标。 主要测试项目有: 33 作者姓名: 论文题目:用组态王构建上位机与变频器通讯 图4-1-5 故障信息测试 1)由上位机控制变频器的启停。通过界面上的运行、复位按钮来控制变频器的启动和停止，而不需要到现场手动错做这些按钮，更加方便。 2)由上位机控制变频器单元的手动(自动)旁路(切换)功能。根据是否出现故障或者故障维修后儿自动(手动)实现变频器运行的工频(或者频工)投切操作，避免了因为出现故障儿造成的重大损失和安全事故。(带旁路柜) 3)由上位机控制输入变频器的给定频率及输出频率。实现了坐在操作时就可以对工业现场所要求的频率转换，提高了工作效率。 4)在上微机上能够知道变频器的工作状态。使操作人员不必去现场就可以随时了解到变频的工作状态(系统状态、输入输出电压、电流、功率等)。 给定方式、控制方式、运5)由上位机控制实现变频器的控制功能( 行方式)。 6)在上微机上可以比较明确地反馈回变频器是否出了故障，何种故障及出现故障的时间和类型。 本次调试试验中基本上比较成功的连接了上位机和变频器，实现了用组态软件搭建上位机与变频间的通信，并成功的在上微机上对变频器 34 西安理工大学本科生毕业设计,论文, 的主要操作部分进行了控制，例如给定频率、运行方式、系统状态等都可以有上位机进行远程控制。但同时这次设计的内容也局限于模块儿化，不能充分体现整个工程的实地操作功能，如将另外空水冷、远控箱及现场新采集模块儿同时进行测试，则能更加直观方便地体现其在工业现场的作用及应用。 4.2 设计结论 在工程实践中，常用组态软件完成工业现场的各种集中控制功能。而随着现代以工业PC为核心的自动控制集成系统的日趋完善和工程技术人员使用组态软件水平的不断提高，用户对组态的要求更侧重于实质性的应用功能，而不是过去的画面清晰简洁。而组态软件的开放性及组态环境的可扩展性为用户提供了其存在的巨大潜力。同时现代企业的生产已经趋向国际化、分布式的生产方式。Internet将是实现分布式生产的基础。组态软件能否从原有的局域网运行方式跨越到支持Internet，是摆在所有组态软件开发商面前的一个重要课题。同样变频器在现代的市场中也是普遍的得到大部分企业厂家的认知与认可，而实现其在工业现场的通讯则让人更好的实现工业自动化的要求。 此次设计中主要内容包括:1)由上位机控制变频器的启停。通过界面上的运行、复位按钮来控制变频器的启动和停止，而不需要到现场手动错做这些按钮，更加方便。2)由上位机控制变频器单元的手动(自动)旁路(切换)功能。根据是否出现故障或者故障维修后儿自动(手动)实现变频器运行的工频(或者频工)投切操作，避免了因为出现故障儿造成的重大损失和安全事故。(带旁路柜)。3)由上位机控制输入变频器的给定频率及输出频率。实现了坐在操作时就可以对工业现场所要求的频率转换，提高了工作效率。4)在上微机上能够知道变频器的工作状态。使操作人员不必去现场就可以随时了解到变频的工作状态(系统状态、输入输出电压、电流、功率等)。5)由上位机控制实现变频器的控制功 35 作者姓名: 论文题目:用组态王构建上位机与变频器通讯 能(给定方式、控制方式、运行方式)。6)在上微机上可以比较明确地反馈回变频器是否出了故障，何种故障及出现。 通过长时间在企业中的实训和对个方面资料的查阅基本上达到了预期所要完成的目标，实际操作中也切实可行，对测试结果的准确性也进行了确定。 本次毕业设计是由在企业实训中完成了“用组态王构建上位机与变频器间的通讯”。锻炼了在企业实践中联系课本知识同时根据自己在企业现场的亲手实践亲身体验结合的能力，充分地体现了理论与实际相结合的运用，我自己感觉也比较成功。同时也因为自己做的只是整个工程的一部分，是我充分认识到一个实际工程的庞大与繁杂程度，和另外伙伴的合作使整个工程有一个雏型，让我们为自己的劳动成果感到高兴，同时也明白了真正完成一个工程得付出的努力与艰辛，不过是值得的。这些将是我以后工作的宝贵经验，也是我即将参加工作的起点。 36 西安理工大学本科生毕业设计,论文, 致谢 本次毕业设计能够顺利完成并且能够达到要求，在这里我要感谢带我完成毕业设计的老师:郭会军(西安理工大学)和曹永刚(合康变频售前支持部经理，技术工程师)两位老师的指导和教诲，两位老师在我做毕业设计的几个月里对我认真负责、答疑解惑，曹经理更是事必躬亲、有问必答，在百忙中不忘对我们的工程实践进行指导，并给予建议和监督。还经常去车间告诉师傅们要耐心地给我们讲解，让我们感受到自己是受人重视地，给予了我们足够的信心完成这次毕业设计。在这里我表示对两位老师最真诚的谢意和祝福，祝福两位老师身体健康、工作顺利，同时也感谢所有对我毕业设计给予帮助和评价的老师，您们是最值得所有人尊敬的，谢谢你们，你们将是我以后工作和学习中的信心。 同时也非常感谢张钊源、任盼等同学和何向菊(合康变频)等几位工程师对我的帮助，共同度过这段充实的工作，谢谢。 37 作者姓名: 论文题目:用组态王构建上位机与变频器通讯 参考文献 【1】童诗白 等编著，数字电路技术基础，第四版，北京:清华大学出 版社，2006.5 【2】华成英，童诗白 编著，模拟电子技术基础，第四版，北京:高等 教育出版社，2006.5 【3】邱关源 编著 罗先觉 修订 电路，第五版，北京:高等教育出版社， 2007.5 【4】赵明等编著，工厂电气控制设备，第二版，北京:机械工业出版社， 1995 【5】赵金凤 编著，工厂电气自动控制，武汉:武汉工业大学出版社， 1995 【6】GB7159-85 电气技术中的文字符号制定通则，北京:中国标准出版 社，1987 【7】SIEMENS S7-200 可编程控制器系统手册，1998 【8】邓泽明 编著，电气与可编程控制器应用技术，北京:机械工业出 版社，1998 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