毕业设计-基于USS协议的PLC与变频器的通信设计与研究

毕业设计-基于USS协议的PLC与变频器的通信设计与研究 电气工程系 基于USS协议的PLC与变频器的 题 目 通信设计 电气自动化技术 专业名称 张松鹤 学生姓名 朱清智 指导教师 2011-6-22 毕业时间 目 录 摘 要 ................................................................................................................................................ 1 第1章 绪 论 .............................................................................................................................. 3 1.1 课题研究的背景 ............................................................................................................. 3 1.2 课题的来源和意义 ........................................................................................................ 4 1.3 本文研究内容和所做工作 ........................................................................................... 5 第2章 PLC简介 ........................................................................................................................... 6 2.1 PLC的原理 ....................................................................................................................... 6 2.2 PLC的特点 ....................................................................................................................... 7 2.3 PLC的应用领域 .............................................................................................................. 8 第3章 通用变频器原理 ............................................................................................................ 9 3.1 变频器的工作原理 ........................................................................................................ 9 3.1.1 变频器的基本结构和原理 .............................................................................. 9 3.1.2 交-直变换电路 ................................................................................................. 10 3.1.3 直-交变换电路 ................................................................................................. 11 3.1.4 能耗制动电路 ................................................................................................... 13 3.1.5 变频器的控制方式 .......................................................................................... 14 3.1.6 变频器的干扰问题 .......................................................................................... 15 3.2 变频器的类别................................................................................................................ 16 3.2.1 根据变频环节的不同的分类 ........................................................................ 16 3.2.2 根据主电路工作方式分类 ............................................................................ 16 3.2.3 根据电压的调制方式分类 ............................................................................ 17 3.3 变频调速控制系统的优势 ......................................................................................... 17 3.4 实现变频调速要解决的问题 .................................................................................... 18 3.4.1 大功率开关器件是实现变频调速的必要条件 ........................................ 20 3.4.2 变频变压 ............................................................................................................ 20 3.5 变频调速的现实意义 .................................................................................................. 21 第4章 控制系统的设计 .......................................................................................................... 22 4.1 系统的硬件介绍 ........................................................................................................... 22 4.1.1 S7-200 PLC ........................................................................................................ 22 4.1.2 TP270触摸屏 .................................................................................................... 23 4.1.3 变频器 ................................................................................................................. 24 4.2 系统的界面设计 ........................................................................................................... 25 4.2.1 Protool组态语言 ........................................................................................... 26 4.2.3 报警画面 ............................................................................................................ 28 4.2.4 I/O点画面 ......................................................................................................... 28 第5章 系统通信设计和调试 ................................................................................................. 29 5.1 通信方式的选择 ........................................................................................................... 29 5.2 PLC之间的通讯 ............................................................................................................ 31 5.2.1 NETR(网络读)和NETW(网络写)指令 ................................................ 31 5.2.2 通信程序的设计............................................................................................... 32 5.3 PLC与变频器的通讯 ................................................................................................... 34 5.3.1 USS协议 ............................................................................................................. 34 5.3.2 USS通信数据格式和编程要求 .................................................................... 36 5.3.3 S7-200的接收和发送指令(XTM/RCV) .................................................. 38 5.3.4 设计通信程序 ................................................................................................... 38 5.4 通信参数设置................................................................................................................ 45 5.4.1 PPI和MPI协议 ................................................................................................ 45 5.4.2 通信参数设置 ................................................................................................... 46 5.5 系统通信 ......................................................................................................................... 49 5.5.1 PLC之间的通信调试 ....................................................................................... 49 5.5.2 触摸屏与PLC的通信调试 ............................................................................ 49 5.5.3 PLC和变频器的通信 ....................................................................................... 50 5.5.4 变频器、编码器和电动机的通信测试 ...................................................... 51 5.5.5 调试分析 ............................................................................................................ 51 第6章 结论 ................................................................................................................................. 52 致 谢 .............................................................................................................................................. 53 参考文献 .......................................................................................................................................... 54 河南工业职业技术学院毕业 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 摘 要 目前，各种自动化技术手段并行发展、相互融合，为工业控制提供了多种可行的技术途径。可编程序控制器技术、工业控制计算机技术、分布式控制系统、数控系统、人机界面技术以及各种嵌入式控制器系统的快速发展进一步提升了工业自动化技术的发展水平。 在工业自动化控制领域的发展过程中，变频器的使用越来越受人们的关注。但是变频调速具有一定的技术难度，人们需要一个慢慢了解和熟悉的过程。变频器的使用最主要的一个特点就是节能和降低成本，许多传统的耗能设备都要进行技术改造。所以变频调速技术的推广有着十分重要的现实意义。同时，随着PLC的不断发展，使得工业自动化控制更加的准确、方便、安全和可靠。把PLC和变频器结合起来一起对电机传动进行控制，实现远程监视网络控制系统。 在实际工程中，有的企业已实现了全车间或全厂的综合自动化，即将不同厂家生产的可编程设备连接在单层或多层网络上，相互之间进行数据通信，实现分散控制和集中管理。因此，通信与网络已经成为控制系统不可缺少的重要组成部分，也是控制系统的设计和维护的重点和难点之一。 在小型自动化控制系统中，USS协议通信是一种很成功的解决 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 ，能显示出具有硬件逻辑简单、抗干扰能力强的特点，可以实现车间级的现场总线网络控制。本文介绍了自动化控制技术的综合应用，将各种通用的自动化技术与实践优化结合，将SIEMENS公司的S7-200 PLC和变频器应用于铜大拉机的自动控制中，通过基于USS协议的RS485总线进行组网，进行PLC和变频器对电机的控制，其中PLC和变频器之间的通信设计最为关键。并且将其作了 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 化的设计，可以应用于多个自动化控制系统中，大大节约了项目的开发时间和成本，在实际应用中取得了良好的效果。 关键词:自动化控制，USS协议，变频器，PLC，通信II - 1 - 河南工业职业技术学院毕业论文 Abstract Recently,many ways of automation technology develop together,which provides a series oftechnology solution for Industry Controlling.The development of thetechnology of Programmable Logic Controller,Industry Personal Computer,distribution Control System,HMI,EMCU upgrades industry automation technology. In the process of the industrial automation control development,the use of frequency onverter is gradually concerned.The use of frequency converter is difficult,we need some timeto understand it.The advantage of frequency converter is that it can reduce the power source andcost,many traditional equipments will be reconstructed at the technical problem.So thefrequency converter technology which is popularized has a significant social meaning.At thesame time,with the development of PLC,the industry automation is become more precision、more convenience、safer and more credibility.PLC is together with transducer to control the engine,realizing the long-distance watch network control system. In the projects,the synthetical automation of the whole workshop or factory have come true n many enterprises.Some programmable equipments of different companies that linked in ingle layer or sevaral layers of network could communicate each orther,which can be controlled in distibution or in concentration.So,communication and nets have been important to controlling systems,and the difficulty and priority of the designing of automation systems. In small automation control system,communication based on USS protocal is a good.solution,which has simple hardware logic,good resistance of interferences.And in this way the field-can-controling of whole-workshop come true.This article discussed comprehensive application of automation control technology,combination of practices and many automation control technologies in common use,and that the S7-200 PLC and frequency converter of SIEMENS is applied to cupper block controling system.The PLC and frequency converter ontrol the engine,which is based on the USS consultation RS485 to make network.The design of the communication between PLC and frequency converter is the most important.The article troduces a standard design,which could be applied to a series of automation systems.It could ave the period and cost of the projects,which have gotten accomplishtion in a degree. Key words:Automation control,USS protocol,transducer,PLC,CommunicationIII. - 2 - 河南工业职业技术学院毕业论文 第1章 绪论 1.1 课题研究的背景 在工业自动化控制领域的发展过程中，控制系统的发展经历了模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统(DCS:Distribution Control System)、现场总线控制系统(FCS:Field-bus Control System)。现场总线具有开放性、分散化和低成本的三大特征。它的出现使传统的自动控制系统产生了划时代的变革，网络化的操作系统开始流行，并发挥了巨大的作用。计算机及通信技术已经成为工业环境中大部分解决方案的核心部分，其在控制系统中的比重正在迅速增加。 目前，在工业企业自动化技术应用中，自动化控制系统广义上按功能可分为三个层次，见图1.1，分别是基础自动化、过程自动化和管理自动化，核心是基础自动化和过程自动化。其中，基础自动化部分涵盖了常规意义上的自动控制系统的内容，过程自动化部分是基于信息化技术的自动化，管理自动化则是最上层的融合了控制技术、管理技术的综合自动化技术。 本文要阐述的是电线、电缆用铜线的拉拔设备的自动化控制系统的设计。目前电线电缆专用设备中仅有很少部分是自动化的，在设备部件中，也似乎只有放线和收线装置，可使电缆的收线、放线以及调换线盘实现自动化。生产过程自动化的一种可能是将两道工序合并在一条生产线上。较高一级的自动化是自动化物流处理系统以及生产过程和生产线的控制系统。物流处理系统通过自动线盘搬运和信息加工使两道或两道以上的生产工序的生产过程协调一致，从而得到均衡的 - 3 - 河南工业职业技术学院毕业论文 物料流动和机器的高利用率。该系统包括1,4个线盘搬运机器人，这些机器人在生产线(机群)、立体仓库和控制装置之间来回搬运线盘。 过程控制系统由可编程序控制器和工业计算机组成，通过可编程序控制器对生产线的运行进行控制;通过工业计算机跟踪生产的现实情况，对生产和产品质量进行管理;该系统还可通过屏幕实现人机对话。采用过程控制系统可使生产线的效率和产品质量达到最佳化，而不受操作者的技术水平和能力的影响。生产线能储存大量的工艺文件，以便迅速调换产品，并能持续监察和 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 产品质量，对产品进行全面的描述。 1.2 课题的来源和意义 大拉机是铜加工生产中的咽喉设备。十几年来国产拉丝机水平有了稳步的提高，并已系列化除拉线速度尚有一定差距外，连续退火、快速换模、双盘收线、拉丝鼓轮等离子喷涂等先进技术已得到应用。近几年来，国外拉丝机虽然没有突破性的进展，最高拉线速度也已稳定，但在结构上也有一些值得借鉴的改进。例如一些大拉机采用浸没式乳浊液润滑系统，提高铜线的表面质量，延长鼓轮和模具的寿命;改进大拉连续退火装置中导轮和退火轮的布置，简化导线路径，降低操作高度，便于穿线和维护保养;主齿轮箱采用标准化的模块结构，可以根据用户订货要求组合成不同拉制道数的拉丝机。在拉丝机系列中，巨拉机和微细线拉丝机由于需求量小，发展缓慢，差距较大。 随着计算机技术、自动控制技术和通讯技术的综合发展，出现了新型、通用的自动化控制装置PLC。控制技术和变频调速技术在工业设备控制中大量推广，变频控制开始在直进式拉丝机中大量使用，系统并可借助PLC来实现拉丝速度、品种设定、过程闭环控制、定长控制等功能。在工业控制中，交流电机的拖动控制越来越多地采用变频器完成，而它也不仅仅作为一个单独的执行机构，而是随着其不断的智能化，可以同上位计算机之间可以通过各种通信方式结合成一个有机的整体。本文所作的研究就是在这样的背景下利用PLC和变频器对大拉机生产线实现自动化控制。大拉机的工艺流程如图1.1所示。 - 4 - 河南工业职业技术学院毕业论文 1.3 本文研究内容和所做工作 自动控制技术在工业领域中的应用即工业控制自动化技术应用技术，对企业生产过程有明显的提升作用，提高了工业生产产品的质量、数量和生产设备的效率，改善了劳动条件，先进的控制技术手段还极大地提高了人们对社会生产的预测及决策能力。自动控制技术应用系统是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统，它一般由控制装置和被控对象构成，如图1.3所示。其中，控制装置可由各种嵌入式微控制器、可编程控制器、工业控制计算机、分布式控制系统、回路调节器、变频器以及其他控制技术(如现场总线技术、无线通信技术等)构成;控制对象包括各种电动机、生产单元、生产过程等;过程通道完成控制装置与控制对象之间的信号(也包括相应的反馈信号部分)匹配。 同时，随着计算机控制迅速地被推广和普及，相当多的企业已经在大量地使用各式各样的可编程设备，如工业控制计算机、PLC、变频器、机器人、数控机床、柔性制造系统等。有的企业已实现了全车间或全厂的综合自动化，即将不同厂家生产的可编程设备连接在单层或多层网络上，相互之间进行数据通信，实现分散控制和集中管理。因此，通信与网络已经成为控制系统不可缺少的重要组成部分，也是控制系统的设计和维护的重点和难点之一。 本文通过对大拉机控制系统的设计，涵盖了目前基础自动化和过程自动化中典型自动控制技术手段或装置的应用，包括可编程序控制器技术、工业控制计算机技术、变频器技术、触摸屏技术及组态软件技术。并且重点对PLC和变频器的通信作了很完整的研究，将通信程序作了标准化设计。该设计主要是针对小型自动化控制系统所作的一种控制方案，有一定的适用价值，缩短了项目开发的周期。设计的主要思路是基于USS协议，实现SIEMENS S7-200 PLC对变频调速装置的控制，上位机采用SIEMENS TP270触摸屏及Protool组态语言。 在规模相对较小的自动化系统中，由于USS协议是西门子公司一变频器开发的通信协议，可支持变频器同PC或PLC之间建立通信连接，因此USS协议通信是一种很成功的解决方案，能显示出具有硬件逻辑简单、抗干扰能力强的特点，可以实现车间级的现场总线网络控制。 - 5 - 河南工业职业技术学院毕业论文 第2章 PLC简介 2.1 PLC的原理 可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)简称为PLC，是20世纪60年代末逐步发展起来的一种以计算机技术为基础的新型工业控制装置，专门为工业环境应用而设计制造的计算机。近几年来，PLC技术在各种工业过程控制、生产自动线控制及各类机电一体化设备控制中得到了极为广泛的应用，成为工业自动化领域中的一项十分重要的应用技术。 PLC的硬件系统由中央处理单元、存储器、输入输出电路等组成，软件系统由系统程序和用户程序组成。由于顺序控制是PLC的主要功能，因此输入端以开关量部件按钮、继电触点、限位开关等为主，输出端多为继电器、电磁阀线圈和指 输入采样(处理)、程序执行和输出刷新(处示灯等，其工作过程总可分为三个阶段: 理)。图2.1是PLC控制系统图。 PLC采用循环扫描的工作方式。在输入采样阶段，PLC以扫描方式顺序读入所有输入端的通断状态，并将此状态存入输入映像寄存器。在程序执行阶段，PLC按 - 6 - 河南工业职业技术学院毕业论文 先左后右、先上后下顺序，逐条执行程序指令，从输入映像寄存器和输出映像寄存器读出有关元件的通断状态，根据用户程序进行逻辑、算术运算，再将结果存入输出映像寄存器中。在输出刷新阶段，PLC将输出映像寄存器的通断状态转存到输出锁存器，向外输出控制信号，去驱动用户输出设备。上面三个阶段的工作过程称为一个扫描周期，然后PLC又重新执行上述过程，周而复始地进行。扫描周期一般为几ms到几十ms。 由PLC的工作过程可见，PLC执行程序时所用到的状态值不是直接从输入端获得的，而是来源于输入映像寄存器和输出映像寄存器.因此PLC在程序执行阶段，即使输入发生变化，输入映像寄存器的内容也不会改变，要等到下一周期的输入采样阶段才能改变。同理，暂存在输出映像寄存器中的内容，等到一个循环周期结束，才输送给输出锁存器。所以，全部输入、输出状态的改变需要一个扫描周期。 PLC是以扫描方式循环、连续、顺序地逐条执行程序。任何时刻，它只能执行一条指令，也就是说，PLC是以“串行”方式工作。PLC的这种串行方式可避免继电器控制系统中触点竞争和时序失配的问题。 2.2 PLC的特点 PLC的高可靠性和强抗干扰性，平均无故障时间一般可达3,5万小时，而且PLC的环境适应 性也很能强，这是PLC得到广泛应用的重要原因之一。 编程简单，PLC最常用的编程语言是梯形图语言。梯形图与继电器原理图类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识，便于广大现场工程技术人员掌握。当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便灵活。在大型PLC中还有高级编程语言以满足各种不同控制对象和不同使用人员的需要。 通用性强，各个PLC的生产厂家都有其各种系列化的产品、各种模块供用户选择。用户可根据控制对象的规模及控制要求，选择合适的PLC产品，组成所需要的控制系统。在进行应用设计时，一般不再需要用户制作其它任何附加装置，从而使设计工作简化。体积小、结构紧凑、安装维修方便，PLC体积小，重量轻，便于安装。一般PLC都具有自诊断、故障报等、故障种类显示等功能，便于操作和维修人员检查，可以较容易通过更换模块插件来迅速排除故障。它与被控制对象的硬件连接方式简单、接线少，便于维护。 归纳起来，PLC的特点有: (1)可靠性高、抗干扰能力强，而且PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施。 (2)编程简单、使用方便目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程 - 7 - 河南工业职业技术学院毕业论文 方式，很容易被操作人员接受。一些PLC还根据具体问题设计了如步进梯形指令等，进一步简化了编程。 (3)设计安装容易，维护工作量少。 (4)适用于恶劣的工业环境，采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。 (5)与外部设备连接方便，采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子功能适合于多种电气规格。 (6)功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。 2.3 PLC的应用领域 PLC已广泛应用国内外的机械、冶金、化工、汽车、轻工等行业中。随着其性能价格比的不断提高，应用范围不断扩大，主要有以下几个方面: (1)开关量逻辑控制 PLC最基本的功能是逻辑运算、计时、计数等，可实现逻辑控制，常常用来取代传统的继电器控制系统。PLC对一些机床、机械手的控制、生产自动线的控制都属于这一类应用。 (2)运动控制 PLC使用专用的指令或运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，可以实现单轴、双轴、3轴和多轴联动的位置控制，使运动控制与顺序控制功能有机结合在一起。PLC的运动控制功能广泛用于各种机械，例如金属切削机床、金属成形机械、装配机械、机器人、电梯等场合。 (3)闭环过程控制 闭环过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量I/O模块，实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换与D/A转换，并对模拟量实行闭环PID(比例-积分-微分)控制。SIEMENS的S7-300/400有闭环控制模块、用于闭环控制的系统功能块和闭环控制软件包供用户选用。其闭环控制功能已经广泛地应用于塑料挤压成形、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。 (4)数据处理 现代的PLC具有整数四则运算、矩阵运算、函数运算、字逻辑运算、求反、循环、移位、浮点数运算等运算功能，和数据传送、转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，也可以用通信功能传送到别的智能装置，或者将它们打印制表。 - 8 - 河南工业职业技术学院毕业论文 第3章 通用变频器原理 3.1 变频器的工作原理 3.1.1 变频器的基本结构和原理 变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。变频器的基本构成如图3.1所示，其主电路主要由整流电路、直流中间电路和逆变电路三部分以及有关的辅助电路组成。其中整流电路将电网的交流电源进行整流后给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路是变频器的最主要的部分之一。它的主要作用是在控制电路的控制下将直流中间电路输出的直流电压(电流)转换为具有所需频率的交流电压(电流)。逆变电路的输出即为变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。 与主电路相对应，为主电路提供所需驱动信号的电路称为变频器的控制电路。控制电路的主要作用是根据事先确定的变频器控制方式，产生进行V/f或电流控制时所需要的各种门极驱动信号或基极驱动信号。此外，变频器的控制电路还包括对电流、电压、电动机速度进行检测的信号检测电路，为变频器和电动机提供保护的保护电路，对外接口电路和对数字操作盒的控制电路。 变频器主控制电路的中心是一个高性能的微处理器，并配以PROM、RAM、ASIC芯片和其它必要的周边电路。它通过A/D、D/A等接口电路接收各种检测信号和参数设定值，并进行处理。它主要完成以下任务:(1)输入信号的处理;输入信号包括频率(速度)指令信号和运行、停止、正转、反转的操作控制信号。指令信号有两 - 9 - 河南工业职业技术学院毕业论文 种:模拟指令信号:0,10V的电压指令信号或4,20mA的电流指令信号;数字指令信号:来自RS232C、RS-485(通常为选件)的数字信号。本系统中PLC输入变频器的信号为4,20mA模拟指令信号，此信号经过A/D变换器转变为数字信号后送入微处理器。(2)加减速速率调节功能:(3)运算处理等。 主电路驱动电路是为变频器逆变电路的换流器件提供驱动信号。信号检测电路是将变频器和电动机的工作状态反馈至微处理器，并由微处理器进行处理后为各部分电路给出所需的控制信号和保护信号，以达到控制变频器的输出和为变频器及电动机提供必要的保护的目的。 而保护电路是由微处理器来判断变频器本身或系统是否出现了异常，异常时则进行各种必要的处理，包括停止变频器的输出。变频器的保护功能包括对变频器的输出，对驱动电动机的保护和对系统的保护三个方面的内容。 变频器的种类较多，但是工作原理类似，以交-直-交电压型变频器为例，简要介绍其工作原理。交-直-交电压型变频器是中小容量、通用型变频器的主要形 直变换电路、直-交变换电路和能耗制动电式，其主电路如图3.2所示。它由交- 路组成。 3.1.2 交-直变换电路 交-直变换电路就是整流和滤波电路，其任务就是把电源的三相交流电变换成平稳的直流电，其结构如图3.2中的交-直变换电路所示。 1.整流电路 在SPWM变频器中，大多数采用桥式全波整流电路。在中、小容量的变频器中，整流器件采用不可控的整流二极管，如图3.2中的VD1,VD6，其导通顺序是VD1 - 10 - 河南工业职业技术学院毕业论文 ?VD2?VD3?VD4?VD5?VD6。但对这些整流器件有一定的选择原则: (1)最大反向电压 ,RM =2,M (3_1) 式中，,M为电源线电压的振幅值。即当电源电压为380V时， 2,RM =2××380V=1073V，则选择,RM=1200V。 (2)最大整流电流 ，MAX = 2，N (3_2) 式中，，N为变频器的额定电流。 2.滤波限流电路 (1)滤波电路 由于受到电解电容的电容量和耐压能力的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，如3.2中所示，C1和C2。因为电解电容有较大的离散性，故电容C1和C2的电容量不会完全相等，这样使得它们承受的电压,C1和,C2不相等。为了是,C1和,C2相等，在C1和C2的旁边个并联一个阻值相等的均压电阻Rc1和Rc2。 (2)限流电路 图3.2中，串接在整流桥和滤波电容之间，由一个限流电阻Rs和一个短路开关S组成。 1)限流电阻Rs 变频器在接入电源之前，滤波电容上的直流电压UD = 0。当变频器刚接入电源的瞬间，将有一个很大的冲击电流经整流桥流向滤波电容，使得整流桥可能因此受到损坏，同时，也可能使得电源瞬间电压明显下降，形成干扰。限流电阻S就可起到削弱该冲击电流而串接在整流桥和滤波电容之间。 2)短路开关S 限流电阻Rs如果长期接在电路内，会影响直流电压UD和变频器输出电压的大小。所以，当直流电压UD增大到一定程度时，把短路开关S接通，限流电阻Rs就短路了。 3.1.3 直-交变换电路 三相逆变桥的功能就是把直流电变换成频率可调的三相交流电，其基本结构由逆变电路和续流电路组成。 1.逆变电路 - 11 - 河南工业职业技术学院毕业论文 在图3.2中，有开关器件V1,V6组成逆变桥，V1,V6的工作接受控制电路中的SPWM调制信号控制，把直流电压逆变成三相交流电。SPWM是指在进行脉宽调制时，使得脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则较大。这样的电压脉冲系列可以使得负载电流中的谐波成分大为减少，故称为正弦波脉宽调制(SPWM)。SPWM脉冲系列中，各脉冲的宽度以及相互间的间隔宽度是由正弦波(基准波或调制波)和等腰三角波(载波)的交点来决定的，以单极性SPWM法为例，如图3.3所示。 图3.3中u r为正弦调制波，u t为等腰三角载波，每半周期内所有三角波的极性均相同。 逆变器件的选择: (1)截止状态下的击穿电压 UCEX =2DMAX (3-3) 式中，UMAX为直流电压的最大值。 (2)集电极最大电流 ICM = 2IMAX (3-4) 式中, UMAX为输出电流的最大值。 2.续流电路 由图3.2可知，续流电路由VD7,VD12构成，其功能是: (1)为电动机绕组的无功电流返回直流电路时提供通路; (2)当频率下降、从而同步转速下降时，为电动机的再生电能反馈至直流电路提供通路; (3)为电路的寄生电感在逆变过程中释放能量提供通路。 - 12 - 河南工业职业技术学院毕业论文 3.1.4 能耗制动电路 1.能耗制动电路的作用 (1)电动机的工作状态 在频率刚减少的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电动机的转子转速未变。当同步转速低于转子转速时，转子电流的相位几乎改变了1800，电动机处于发电机状态。与此同时，电动机轴上的转距变成了制动转距，使得电动机的转速迅速下降。从电动机的角度来看，处于再生制动状态。 (2)变频调速系统的工作状态 电动机再生的电能经图3.2中的续流二极管(VD7,VD12)全波整流后反馈到直流电路，由于直流电路的电能无法回输给电网，只有靠C1和C2吸收，尽管各个部分的电路还在继续消耗电能，但C1、C2上仍有短时间的电荷堆积，形成“泵生电压”，使得直流电压升高。过高的直流电压将使得各部分器件受到损害。因此，当直流电压超过一定值时，就要求提供一条放电回路，将再生的电能消耗掉。所以，从变频调速系统的角度看，拖动系统在转速下降时减少的动能，由电动机“再生”电能后，在变频器的直流电路中被消耗掉了。 总的来说，是通过消耗能量而获得制动转距的，属于能耗制动状态。用于消耗电动机再生电能的电路，就是能耗制动电路。 2.能耗制动电路的构成 从图3.2中知，RB为制动电阻，用于将电动机的饿再生电能转换成热量而消耗掉。其选择原则如下: (1)RB的阻值 RB的阻值大小一般以使制动电流不超过变频器额定电流的一半为宜，即 ,IRB=UD ? RB? IN / 2RB?2UD / IN (3-5) 式中IN为变频器的额定电流;UD为直流电压。 (2)RB的功率P 制动电阻RB是属于短时间工作，所以比长期通电时的消耗功率要小。 P ?AU 2 D ⁄ RB (3-6) 式中，UD为直流电压;a为选用系数，取值范围一般a?[0.3,0.5]，取决于电动机的容量和工作情况。通常，电动机容量较少、制动时间短时取小值，反之取较大值。当电动机的再生制动状态属于正常工状态时，取a=1.0。 - 13 - 河南工业职业技术学院毕业论文 3.1.5 变频器的控制方式 作为变频调速系统的核心-变频器的性能越来越成为调速性能优劣的决定因素，除了变频器本身制造工艺的“先天”条件外，对变频器采用什么样的控制方式也是非常重要的。在交流变频器中常用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。 1.v/f控制 即u/f=c，正弦脉宽调制(SPWM)控制方式。v/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。V/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。其特点是:控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，己在产业的各个领域得到广泛应用。这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，故造成输出最大转矩减小。 2.转差频率控制 转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在v/f控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。 3.矢量控制(磁场定向法),又称VC控制 矢量控制变频调速的做法是:将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流I a、I b、I c通过三相一二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流I a1、I b1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流I m1、I t1(I m1相当于直流电动机的励磁电流;I t1相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。 其实质是将交流电动机等效直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的 - 14 - 河南工业职业技术学院毕业论文 结果。 3.1.6 变频器的干扰问题 变频器的干扰主要分外部对变频器的干扰和变频器对外部的干扰。 1.外部对变频器的干扰 当供电电网内有容量较大的其他的换流设备时，容易使电网中的电压出现缺口现象，这样使得变频器的输入侧的整流电路有可能因出现较大的反向回复电压而受到损坏。 2.变频器对外部的干扰 由于变频器的主回路的非线形(进行开关动作)，变频器本身就是一个谐波干扰源，而其周边控制回路却是小能量、弱信号回路，极易遭受其他装置产生的干扰，这样就容易造成变频器自身和周边设备无法正常的工作。因此，变频器在安装使用时，必须对控制回路采取抗干扰措施。 3.抗干扰措施 (1)合理布线 对于通过感应方式传播的干扰信号，可以通过合理布线的方式来削弱。具体方法如下: a) 其他设备的电源线和信号线应尽量远离变频器的输入、输出线，相距的距 离至少达到导体直径的40倍，这样干扰程度才不是很明显。 b) 其他设备的电源线和信号线应避免和变频器的输入、输出线平行; c) 所有的电源线和信号线都要尽量屏蔽。 (2)加入电抗器 如图3.4所示，在变频器的输入电流中，频率较低的谐波分量(5、7、9、11次谐波等)所占的比重很高，他们除了可能干扰其他设备的正常运行之外，还会消耗大量的无功功率， - 15 - 河南工业职业技术学院毕业论文 LA为交流电抗器，串联在电源与变频器的输入侧之间，其主要功能有: a) 提高功率因数(0.75-0.85); b) 削弱输入电路中的浪涌电流对变频器的冲击; c) 削弱电源电压不平衡的影响。 LD为直流电抗器，串联在整流桥和滤波电容之间。其主要功能就是削弱输入电流中的高次谐波成分，提高功率因数可达0.95。 (3)加入滤波器 在变频器的输入和输出电路中，除了上述低次谐波成分外，还有许多频率很高的谐波，为了防止它们以各种方式把自己的能量传播出去，形成对其他设备的信号干扰，可在输入或输出部分加入电感或电容滤波器，削弱频率较高的谐波分量。 3.2 变频器的类别 3.2.1 根据变频环节的不同的分类 1.交-直-交变频器 先将频率固定的交流电通过整流电路“整流”成直流电，再通过逆变电路把直流电“逆变”成频率任意的可调的三相交流电。 2.交-交变频器 不通过中间直流环节而把电网频率的交流电直接变换成不同频率的交流电，仅用一次变换就实现变频。 交-交变频器与交-直-交变频器相比，有以下优点: (1)只有一次变流，提高了变流效率; (2)低频时，输出接近正弦波。 主要缺点: (1)接线复杂，使用的晶闸管较多; (2)受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低; (3)采用相控方式，功率因数较低。 3.2.2 根据主电路工作方式分类 交-直-交变频器可以分为电压型变频器和电流型变频器。 1.电压型变频器 - 16 - 河南工业职业技术学院毕业论文 在电压型变频器中，逆变电路所需要的支流电压是由整流电路或者斩波电路输出，通过直流中间电路的电容进行滤波平滑后产生的，在逆变电路中被变换为所需频率的交流电压。在电压型变频器中，还需要有专用的放电电路，防止由于能量回馈给电容时直流电压上升，使变流器件因电压过高而被损坏。 2.电流型变频器 在电流型变频器中，整流电路给出直流电，并通过中间电路的电抗进行滤波后使电流平滑输出，在逆变电路中，被变换为所需频率的交流电流提供给电动机。电流型控制方式更适合于大容量变频器。 3.2.3 根据电压的调制方式分类 1.正弦脉宽调制(SPWM)变频器 电压的大小是通过调节脉冲宽度与脉冲占空比来实现的。 2.脉幅调制(PAM)变频器 电压的大小是通过调节直流电压幅值来实现的。 3.3 变频调速控制系统的优势 在现代的工业调速控制装置中，为了满足各种工作速度的要求，目前常用的调速传动方法有:机械式有级调速传动、电气和机械配合的有级调速、电气无级调速。根据拖动系统采用的调速电动机种类不同，电气无级调速系统分为直流调速和交流调速两种类型。它们在工业控制中各有优缺点，下面通过比较，详细阐述变频器控制系统的优势。 与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点，如节能，容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围内的高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动，可以适应各种工作环境，可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制，电源功率大，所需电源容量小，可以组成高性能的控制系统等等。 在许多情况下，使用变频器的目的是节能，尤其是对于在石化和钢铁行业中大量使用的风扇、鼓风机和泵类负载来说。变频调速能够应用在大部分的电机拖动场合，变频应用可以大大地提高工艺的高效性(变速不依赖于机械部分)，同时可以比原来的定速运行电机更加节能。通过变频器进行调速控制可以代替传统上利用挡板和阀门进行的风量、流量和扬程的控制，所以节能效果非常明显。因为 - 17 - 河南工业职业技术学院毕业论文 以节能为目的的调速运转对电动机的调速范围和精度要求不高，所以通常采用在价格方面比较经济的通用性变频器。 此外，对在电网电源下运行的电动机进行正反转切换时，如果在电动机尚未停止时就进行相序的切换，电动机内将会由于相序的改变而流过大于起动电流的电流，有烧毁电动机的危险，所以通常必须等电动机完全停下来之后才能够进行换相操作。而在采用变频器的交流调速系统中，由于可以通过改变变频器的输出频率使电动机按照斜坡函数的规律进行减速，并在电动机减速至低速范围后再进行相序切换，进行相序切换时电动机的电流可以很小。 同样，在电动机的加速过程中可以通过改变变频器的输出频率使电动机按照斜坡函数的规律进行加速，从而达到限制加速电流的目的。因此，在利用变频器进行调速控制时更容易和其他设备一起构成自动控制系统。 对于利用普通的电网电源运行的交流拖动系统来说，由于电动机的起动电流较大并存在着与起动时间成正比的功率损耗，所以不能使电动机进行高频度的起/停运转。而对于采用了变频器的交流调速系统来说，由于电动机的起/停都是在低速区进行而且加减速过程都比较平缓，电动机的功耗和发热较小，可以进行较高频度的起停运转。变频调速系统的上述特点可以用于采用交流拖动系统的传送带和移动工作台等以达到节能的目的。这是因为，在利用异步电动机进行恒速驱动的传送带以及移动工作台中，电动机通常一直处于工作状态，而采用变频器进行调速控制后，由于可以使电动机进行高频度的起停运转，可以使传送带或移动工作台只是在有货物活工件时运行，而在没有货物或工件时停止运行，从而达到节能的目的。 由于在变频器驱动系统中电动机的调速控制是通过改变变频器的输出频率进行的，当把变频器的输出频率降至电动机的实际转速所对应的频率以下时，负载的机械能将被转换为电能，并被回馈到变频器。而变频器可以利用自己的制动回路将这部分能量以热能消耗或回馈给供电电网，并形成电气制动。此外一些变频器还具有直流制动功能，即在需要进行制动时，可以通过变频器给电动机加一个直流电压，并利用该电压产生的电流进行制动。 3.4 实现变频调速要解决的问题 三相交流异步电动机从19世纪80年代发明后，人们就已经知道其转速: n =( 60f ⁄ p )(1 — s) (3-7) 式中，n为每分钟的转速;f为交流电的频率;p为磁极的对数;s为转差率。 高速驱动是变频器调速控制的最重要的优点之一。这是因为对于直流电动机 - 18 - 河南工业职业技术学院毕业论文 来说，由于受电刷和换向环等因素的制约，无法进行高速运转。但是，对于异步电动机来说，由于不存在上述制约因素，理论讲异步电动机的转速可以达到相当高的速度。 目前高频变频器的输出频率己经可以达到300kHZ，所以当利用这种高速变频器对二极异步电动机进行驱动时，可以得到高达18000or/min的高速。而且随着变频器技术的发展，高频变频器的输出频率也在不断提高，因此进行更高速度的驱动也将成为可能。 此外，与采用机械增速装置的高速驱动系统相比，由于采用高速变频器的高速驱动系统中并不存在异步电动机以外的机械装置，其可靠性更好，而且保养和维修业更加简单。在变频器调速控制系统中，变频器和电动机是可以分离设置的。因此，通过和各种不同的异步电动机的适当组合，可以得到适用于各种工作环境的交流调速系统，而对变频器本身并没有特殊要求。由于变频器本身对外部来说可以看作是一个可以进行调频调压的交流电源，可以用一台变频器同时驱动多台异步电动机或同步电动机，从而达到节约设备投资的目的。而对于直流调速系统来说，则很难做到这一点。当用一台变频器同时驱动多台电动机时，若驱动对象为同步电动机，所有的电动机将会以同一速度(同步转数)运转，而当驱动对象为容量和负载都不相同的异步电动机时，则由于转差的原因，各电动机之间会存在一定的速度差。因为变频器是通过交流-直流-交流的电源转换后对异步电动机进行驱动的，所以电源的功率因数不受电动机功率因数的影响，几乎为定值。 此外，当用电网电源对异步电动机进行驱动时，电动机的起动电流为额定电流的5-6倍，这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量，从而降低电机的寿命。而在采用变频器对异步电动机进行驱动时，由于可以将变频器的输出功率降至很低时起动，电动机的起动电流很小，因而，变频器输入端电源的容量也可以比较小。一般来说，变频器输入端的容量只需为电动机输出容量的1.5倍左右即可。这也说明变频器也可以同时起到减压起动器的作用。 随着控制理论、交流调速理论和电子技术的发展，变频器技术也得到了充分地重视和发展，目前，由高性能变频器和专用的异步电动机组成的控制系统在性能上己经达到和超过了直流电动机伺服系统。此外，由于异步电动机还具有对环境适应能力强，维护简单等许多直流伺服电动机所不具备的有点，所以在许多需要进行高速高精度控制的应用中这种高性能的交流调速系统正在逐步替代直流伺服系统。而且由于高性能的变频器的外部接口功能也非常丰富，可以将其作为自动控制系统中的一个部件使用，构成所需的自动控制系统。 - 19 - 河南工业职业技术学院毕业论文 3.4.1 大功率开关器件是实现变频调速的必要条件 在变频器中，逆变桥是变频器的关键部分，它由六个开关器件构成。逆变过程就是这六个开关器件按一定的规律不停的导通和截止的过程。而要想实现逆变过程，这六个开关器件必须满足以下要求: (1)能承受足够大的电压和电流; (2)允许长时间频繁地接通和关断; (3)接通和关断的控制必须非常的方面。 但是由于大功率开关器件发展的限制，一直都无法进行逆变过程。直到20世 )功率的不断增大，才使得变频器调速成为了可能。纪60年代，随着晶闸管(SCR 直到20世纪70年代，大功率晶体管(GTR)的问世，变频调速才普及。后来的场效应晶体管的出现和不断提高，使得变频器在各个方面更加成熟和稳定的发展。 3.4.2 变频变压 在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通量φm为不变额定值。磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费;磁通太大，又会使铁芯饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。对于直流电机，励磁绕组是独立的，只要对电枢反映的补偿合适，保持φm不变是容易做到的.在交流异步电机中，磁通是由定子和转子磁势合成产生的，怎样才能保证磁通恒定呢? 电动机要求主磁通φm保持不变，不然影响电动机的性能。 φm = E1X ⁄ 4.44KEfXN (3-8) 式中，φm为主磁通; E1X 、fX为一相定子绕组电动势和频率;KE为比例常数;N为一相绕组的匝数。 E1X = ?IMZM = ?IM(RM+jXM) (3-9) 式中，IM为激磁电流;RM为激磁阻抗;XM为激磁电抗。 Te =CTφmIM cosψ (3-10) 式中，Te为电磁转距;IMcosψ为电流有功分量;CT为比例系数。 如果主磁通增大，从上式(3-8)可知，则E1X增大，而(3-9)中可知，E1X增大，励磁电流IM也增大，使得电动机的磁路饱和而引起励磁电流发生畸变。 如果主磁通减少，从(3-10)可知电动机的输出转距也跟着减少。 为使主磁通IM不变，(3-8)式可变为: E1X ? fx = 4.44ΦmKEN =Cφm (3-11) - 20 - 河南工业职业技术学院毕业论文 从(3-11)式中可知，要使得φm不变，则E1X和fx要同步增加和减少。即E1X ? fx =ΔE1X ?Δfx ，C = 4.44KEN，要保持电机磁通恒定，必须使定子电压随定子频率成正比变化，这种E1X和 fx的配合变化称为恒磁通变频调速中的协调控制，也就是说变频的同时也要变压。这是恒电压频率比的协调控制方式(简称恒压频比)，其机械特性曲线簇如图3.6所示。由图可见，从同步转速(M=0)到最大转矩(Max)的特性可近似看作是线性关系，且线性段基本平行，类似于直流电机的调压特性。 但最大转矩Max却随fx下降而减少，这是因为fx高时，E1X数值较大，定子阻抗压降的比例很小，fx低时，E1X数值较小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著。所以φm小很多，Max就很小。载起动是很不利的。这对于满载或过载起动是很不利的，而对于风机水泵类机械负载还是合适的。 图3.5:变频调速机械特性 V/f控制就是这样一种控制方式，改变频率的同时控制逆变器的输出电压，使电机磁保持一定，在广范围内调速运转电机的效率，功率因数不下降，因为是控制电压与频率比，因而称为V/f控制。 3.5 变频调速的现实意义 自从19世纪80年代发明了三相交流异步电动机以来，由于其转子回路内的电流不必外部通入，转子的结构极为简单坚固、易于维护。因而长期以来，在工农业设备中占有始终处于绝对领先地位。然而，在调速方面，三相交流异步电动机竟长期处于“低能儿”状态，因此，现实三相交流异步电动机无级调速，成为 - 21 - 河南工业职业技术学院毕业论文 人们新的研究方向。在电力拖动领域，解决好三相交流异步电动机无级调速具有十分重要的意义: 1.可以大大提高工农业生产设备的加工精度、工艺水平以及工作效率等，提高产品质量和数量; 2.可以大大减少生产机械的体积和重量，减少金属的耗用量; 3.对于风机和泵类负载，采用调速的方法，节电率可达到(20,60)%。近年来，随着科技的进步、企业自动化程度的提高，对机械设备的要求不仅仅是性稳定、操作方便，还应该尽可能地节约能源。变频器与交流电动机相配合，使交流传动统具备了调速范围宽、稳速精度高、动态响应快、运行可靠性高的特点及良好的技术性能特别是在节约能源方面起到了很大的作用，变频器的推广应用引起了人们的高度重视。 第4章 控制系统的设计 控制系统核心是PLC控制部分，包括接受触摸屏传送的逻辑点和数据，两个PLC的数据交换，传送数据对变频器实现控制。该控制系统结合了Siemenz公司提供的S7-200的控制方案和以往项目的控制系统 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 而设计的，设计的控制系统通信图见第5章。该项目在小型自动化项目中是比较复杂的控制系统，因此次方案能实现要求比较高的控制。硬件系统的设计是根据大拉机的具体情况而定的，以达到系统高的稳定性，可靠性和操作简单的目的。 4.1 系统的硬件介绍 4.1.1 S7-200 PLC 由于工厂现场的环境比较恶劣，温度、灰尘、电磁干扰对控制系统都会产生极大的影响，选用西门子PLC能很好的解决这些问题，在环境适应性、运行速度和实用性上都有很好的效果。经过对系统要完成的任务进行分析，选用定货号为6ES7-216-2BD22-0XB0的S7-200 PLC。 下面是选用两个PLC的模块清单。表4.1和表4.2分别是PLC1和PLC2包含的所有模块。 - 22 - 河南工业职业技术学院毕业论文 S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动化检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等，如:冲压机床、磨床、印刷机械、橡胶化工机械、中央空调、电梯控制、运动系统。 4.1.2 TP270触摸屏 人机界面(Human Machine Interface，HMI)产品，常被大家称为“触摸屏”，包含HMI硬件和相应的专用画面组态软件，一般情况下，不同产家的HMI硬件使用不同的画面编辑软件，连接的主要设备种类是PLC。考虑到现场实际的环境条件，选用西门子公司生产的TP270触摸屏。很多厂家生产的触摸屏在对低温环境的适应性上明显不足，温度在零度以下的时候，触摸屏按键的感应度经常失效，兼容性上，TP270优势明显，可以和许多厂家的PLC兼容，通讯协议按照国际标准协议制定，支持MPI/PROFIBUS-DP协议，抗干扰能力强，在复杂的电气控制柜内，能避免由于电磁干扰产生的影响。TP270和S7-200同为SIEMENS公司的产品，通讯速度快，通讯方式相互兼容，整个控制方面处理起来快速、方便。表4.3是触摸屏TP270的主要特征。 - 23 - 河南工业职业技术学院毕业论文 表4.3触摸屏TP270特性表 触摸屏TP270代表了低端操作单元新系列的产品，该系列中的设备是基于革新后Windows CE操作系统，它们填补了SIMATIC HMI产品在低端领域的空缺。TP270可与有的SIMATIC S7 CPU一起操作，其设计易于机器操作和监控，对要监控的机器或系统供了逼真的图形表示，使用范围包括机器和设备结构，以及包装和电子工业，TP270系允许将自己创建的图形、数字照片和扫描的画面集成到项目中。 4.1.3 变频器 年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工近 艺的改及半导体器件价格的降低，变频调速越来越被工业上所采用。根据铜大拉机设备的现场生产工艺需要，这里选择了西门子1台6RA70和6台6SE系列的变频器，分别用来控制主机，退火牵引，左、右收线和圈收7台电动 机的启/停，设定等，以达到控制要求。要实现变频器控制电机，且与PLC之间实现USS通讯，就需要设置变频器的参数，下面列出了一些参数的意义: P558.1端子7，设定值18，急停; P568.1端子8，设定值20，点动值P448设定为5%，点动; P554.1端子9，设定值22，启动; - 24 - 河南工业职业技术学院毕业论文 P443.1端子15，设定值11，主给定; P640.1端子19、20，设定值148，转速显示; P640.2端子21、20，设定值148，速度反馈; P130，设定值11，编码器反馈; ，编码器脉冲数; P151 P131端子29、30，设定值0或3，视电机温度传感器具体情况而定，同时调整P380、 P381参数; P368设定值4，USS通讯; P702设定值4，过程控制字长; P703设定值4，参数控制字长; P701设定值38400，波特率; P700.1，地址(从站地址); P707.2，设定值32、33，报警字送PLC; P707.1、 电机参数: P101，电机电压; P102，电机电流; P104，功率参数; P105，电机功率; P107，电机频率; P108，电机转速; P462，上升时间; P464，下降时间。 4.2 系统的界面设计 软件界面是系统功能的体现，此项目的上位机是西门子触摸屏TP270，其编程语言是Protool。考虑到本系统操作人员大多数是一线工人，并且该大拉机是运往尼日利亚的，所以此项目在上位机界面设计上下了很大的工夫，要求有中英文两种语言的界面，在力求做到美观大方的基础上，更加适合广大工人操作。我们设计的主导思想是尽量控制和引导用户正确操作，在用户界面上能很直观的反映设备运行的状态。下面是关于Protool语言如何编辑画面和几个主要的界面规划设计。 - 25 - 河南工业职业技术学院毕业论文 4.2.1 Protool组态语言 Protool组态图形语言是SIEMENS公司HMI语言，在该项目中用来组态触摸屏TP270的画面。 ProTool是用于整个SIMATIC HMI系列的创新的组态软件包。使用同样的组态软件来组态系列中的所有设备。无论为哪个设备创建项目，ProTool总是提供相同的、类似的拥护界面。 在实际工程上，利用Protool组态的上位机可以操作和监视机械设备或过程。为此，要根据需要尽量精确地把设备或过程映射在操作单元上。通过PLC以“变量”方式在操作单元和机械设备或过程之间进行通讯。变量值写入PLC上的存储区域(地址)，由操作单元从该区域读取。 ProTool用于基于Windows的系统，在该铜大拉机的控制系统中，有两个S7-200PLC，一个TP270触摸屏，并连接在主PLC(PLC1)上，因此，将PLC2上要显示的变量要传输到PLC1上来，然后在将触摸屏与PLC1进行变量连接，以显示大拉机的控制系统的运行状态，达到通信和实现网络控制。图4.4为ProTool给大拉机项目组态画面的操作界面。 在图4.4中可以看到在Protool软件上组态大拉机项目的PLC1和PLC2的文本显示和画面显示。图4.5所示窗口是为大拉机项目组态的窗口，右边显示的各个画面的名称。编辑好画面后，其中的文本域和动态对象需要与PLC中的变量实行变量连接。 值得注意的是在组态，下载或调试时，在protool和S7-200上将地址和波特率必须设置一致。 - 26 - 河南工业职业技术学院毕业论文 图4.4:Protool操作界面 图4.5:画面名称窗口4.2.2开机画面设计 - 27 - 河南工业职业技术学院毕业论文 开机画面设计是整个画面系统的开始，当触摸屏上电以后，开始自检，完成后进入此画面。 4.2.3 报警画面 报警画面主要显示系统运行出错是可能出现的错误形式，并且根据客户要求将变频器的报警采集并显示在报警画面上，可根据报警的情况不同做出相应的动作。变频器的故障采集包括:Overcurrent过电流(F011)、Motor stall堵转(F015)、Motor temperature马达超温(F020)、Inverter temperature装置超温(F023)、Speed encoder电机编码器故障(F051)、Ocech L1/L2/L3缺相(F025、F026、F027)。出现报警时报警画面显示栏闪烁。报警画面如图4.6所示。 4.2.4 I/O点画面 I/O点画面如图4.7所示，反映了生产设备在运行过程中的逻辑点状态。 图4.6:报警画面 - 28 - 河南工业职业技术学院毕业论文 图4.7:I/O点画面第五章系统通信设计和调试 第5章 系统通信设计和调试 5.1 通信方式的选择 西门子S7系列PLC中的S7-200 CPU支持多种通信协议。根据所使用的S7-200 CPU，网络可以支持一个或多个协议，包括通用协议和公司专用协议。专用协议包括:点对点(Point-to-Point)接口协议(PPI)、多点(Multi-Point)接口协议(MPI)、自由通信接口协议、Profibus协议和USS协议。 S7-200 PLC有很强的通信功能，有多种通信方式可供选择，如单主站方式、多主站方式和远程通信方式等。 (1)单主站方式 在单主站方式的通信网络中，PC作为单一主站，S7-200作为从站，两者之间通过PC/PPI电缆连接，这样可以实现点对点通信、监控、参数设定、编程等。 (2)多主站方式 在多主站方式下，通信网络中有多个主站，一个或多个从站，系统连接示意 - 29 - 河南工业职业技术学院毕业论文 图如图所示。图中，带CP卡的计算机、文本显示器TD200及操作面面板OP15是主站，S7-200的各CPU是从站。 (3)远程通信方式 单主站方式通过调制解调器(Modem)与一个或多个作为从站的S7-200 CPU相连，如图所示。 (4)自由端口通信方式 由用户程序来控制CPU的串口通信。用户可以利用发送/接收中断、发送/接收指令来控制通信的操作，实现与打印机、CRT、条形码阅读器等设备的通信。 通信方式按照实际的要求进行选择，通信电缆和接口(如RS-232、RS-485、25-pin to9-pin Adapter)则需要硬件的支持。表5.1是S7-200所支持的通信硬件及波特率，可供用户选择。此外，S7-200还可以通过EM277PROFIBUS-DO模块连接到PROFIBUS-DP现场总线网络，各通信卡提供一个与PROFIBUS网络相连的RS-485通信口。 表5.1 STEP7-Micro/WIN32支持的硬件配置 图5.2:多主站通信方式 - 30 - 河南工业职业技术学院毕业论文 图5.3:通过Modem的远程通信方式 在该大拉机的工艺装置要求的基础上，我们定义了项目的网络通信方式，它有一个触摸屏TP270作为上位机，可用带有STEP7-Micro/WIN32的PC机监控，两个S7-200 PLC并两者之间有通信，以及7个西门子的调速变频装置。 将触摸屏TP270和带有STEP7-Micro/WIN32的PC机作为主站，采用多主站的方式， 站地址分别设为0和1，两个PLC设为2和3，带EM277模块设为2与主站 通信，并作为PLC之间通信的主站。 5.2 PLC之间的通讯 5.2.1 NETR(网络读)和NETW(网络写)指令 两台PLC的CPU之间的数据通信是用NETR(网络读)和NETW(网络写)指令实现的。西门子S7-200 PLC的NETR和NETW的指令格式如图5.4所示. TBL:缓冲区首地址,操作数为字节; PORT:操作端口，CPU226可为0或1，其他CPU只能为0 图5.4:网络读/网络写指令格式 - 31 - 河南工业职业技术学院毕业论文 5.2.2 通信程序的设计 在该项目中，按照通信方式的设计模式选择PLC1的端口0与PLC2的端口0作为两个PLC之间的通道进行3个字节的数据传输。PLC1作为PLC间通信的主站，站地址为2，PLC2为从站，站地址为3，因此，在PLC1中编写通信程序，用NETR/NETW指令来分别读取PLC2的数据和向PLC2写入数据，而PLC2不需要通信程序。 通信程序编程中需要利用寄存器SMB30和SMB130进行S7-200 PLC CPU的通讯端口、通信协议以及波特率的设置，寄存器SMB30控制端口0的自由通讯;SMB130控制端口1的自由口通讯。可以从SMB30和SMB130读取或向SMB30和SMB130写入。这些字节配置各自的通讯端口，进行自由口操作，并提供自由口或系统协议支持选择。 下面是用LAD编写的PLC1中两个PLC之间通信的通信程序: - 32 - 河南工业职业技术学院毕业论文 - 33 - 河南工业职业技术学院毕业论文 36 5.3 PLC与变频器的通讯 5.3.1 USS协议 USS协议(Universal Serial Interface Protocol通用串行接口协议)是SIEMENS公司所有传动产品的通用通讯协议[39]，它是一种基于串行总线进行数据通讯的协议，可支持变频器同PC或PLC之间建立通信连接。USS协议是主-从结构的协议，规定了在USS总线上可以有一个主站和最多30个从站;总线上的每个从站都有一个站地址(在从站参数中设定)，主站依靠它识别每个从站;每个从站也只对主站发来的报文做出响应并回送报文，从站之间不能直接进行数据通讯。另外，还有一种广播通讯方式，主站可以同时给所有从站发送报文，从站在接收到报文做出相应的响应后可不回送报文。 西门子的S7-200提供USS协议的指令，用户使用指令可以方便地实现对变频器的控制，常常适用于规模较小的自动化系统。该自动化系统中利用USS协议以主从方式够成工业监控网站，在网络内有一个主站，1-31个从站，各站点有惟一的标识码识别，然后用一个主站(PC，西门子PLC)进行控制，包括变频器的启/停、频率设定，参数修改等操作，总线上的每个传动装置都有一个从站号(在参 - 34 - 河南工业职业技术学院毕业论文 数中设定)，主站依靠它识别每个传动装置。 使用USS协议的优点: 1.对硬件设备要求低，减少了设备之间的布线。 2.通信速率高，可达187.5kbit/s。对于有十个调速器，每个调速器有6个过程数据需要刷新的系统，PLC的典型扫描时间周期为几百毫秒。 3.具有极高的快速性和可靠性。数字化的信息传递，提高了系统的自动化水平及运行37的可靠性，解决了模拟信号传输所引起的干扰及漂移问题。 4.可通过串行接口设置或改变传动装置的参数,无需重新连线就可以改变控制功能。它采用与PROFIBUS相似的操作模式，总线结构为单主站、主从存取方式。报文结构具有参数数据与过程数据，前者用于改变调速器的参数，后者用于快速刷新调速器的过程数据，如启动/停止、速度给定、力矩给定等。 5.可实时的监控传动系统。 在使用USS协议通讯时，其通讯系统的硬件连接主要要求如下: 1.条件许可的情况下，USS主站尽量选用直流型的CPU(针对S7-200系列) 2.一般情况下，USS通讯电缆采用双绞线即可(如常用的以太网电缆)，如果干扰比较大，可采用屏蔽双绞线。 3.在采用屏蔽双绞线作为通讯电缆时，把具有不同电位参考点的设备互连会在互连电缆中产生不应有的电流，从而造成通讯口的损坏。要确保通讯电缆连接的所有设备，或是共用一个公共电路参考点，或是相互隔离的，以防止不应有的电流产生。屏蔽线必须连接到机箱接地点或9针连接的插针1。建议将传动装置上的0V端子连接到机箱接地点。 4.尽量采用较高的波特率，通讯速率只与通讯距离有关，与干扰没有直接关系。 5.终端电阻的作用是用来防止信号反射的，并不用来抗干扰。如果在通讯距离很近，波特率较低或点对点的通讯的情况下，可不用终端电阻。多点通讯的情况下，一般也只需在USS主站上加终端电阻就可以取得较好的通讯效果。 针对USS协议通信方式的常用USS主站和从站的性能对比见表5.6和表5.7。 - 35 - 河南工业职业技术学院毕业论文 表5.6常用USS主站的性能 表5.7常用USS从站的性能 5.3.2 USS通信数据格式和编程要求 USS协议是以字符信息为基本单元的协议，而CPU22X的自由口通讯功能和CPU31XC-PTP的RS422/485串行口正好也是以ASCII码的形式来发送接收信息的。利用这些CPU的RS485串行口的通讯功能，由用户程序完成USS协议功能，可实现与SIEMENS传动装置简单而可靠的通讯连接。USS协议的通信字符格式为一位起始位、一位停止位、一位偶校验位和八位数据位。数据报文最大长度位256个字节，它包括3字节的头部、一字节的校验码和主数据块，数据块按照字的方式组织，高字节在前。通信数据报文格式如图5.8所示。 图5.8:通信数据报文格式 其中: STX——起始字符，位02Hex; LGE——报文长度，为n+2(3?n?254); ADR——从站地址码，bit0-bit4表示从站地址，bit5为1表示广播发送，bit6为1表示镜象发送，用于网络测试，bit7为1表示特殊报文; BCC——校验字符，为从STX开始所有字节的异或和。 在一帧内完成过程控制数据传输的同时，可以通过指定参数号完成设备控制参数的读写。数据块由参数值域(PKW)和过程数据域(PZD)组成，二者都为变长数据，其格式如图5.9所示。 - 36 - 河南工业职业技术学院毕业论文 图5.9:数据块格式 其中: ——参数值域，由参数识别码、子参数号和参数值构成，参数个数根据PKW域 设备的定义最大可有124个字; PZD域——过程控制数据域，包括控制字/状态字，设定值/实际值，不同的驱动产品定义不同，最多可有16个字符; PKE——参数标识码，PNU(bit0-bit10)表示参数号，SP(bit11)为参数改变标志，由从站设置;AK(bit12-bit15)为报文类型，主站-从站和从站-主站各有16种不同的报文类型; IND——用来指定某些数组型设备参数号的子参数号。 编程要求: a)USS主站(PLC)与USS从站(传动装置)之间的通讯是异步方式的，负责与传动装置通讯的工作程序应采用后台工作方式，如何发送接收数据应与控制逻辑无关。用户程序通过改变USS报文中的STW及HSW的值，来控制变频器的启停及改变设定频率值。 b)利用发送指令(如XMT，P_SEND，P_SND_RK)发送USS报文至传动装置，利用接收指令(如RCV，P_RCV，P_RCV_RK)接收变频器返回的USS报文。同一时刻，只能有一个发送指令或接收指令被激活。 c)USS通讯程序包括通讯端口初始化子程序、BCC校验码计算子程序、数据发送子程序、数据接收子程序、通讯超时响应子程序、通讯流程控制子程序等。可采用中断响应的方式，也可用查询相应标志位的方式来实现。 d)设立发送接收数据缓存区与映像区，用户应通过改变映像区的USS发送报文值来控制传动装置，或通过读取映像区USS接收报文中的状态值来判断传动装置的当前状态。以防止因干扰而接收到错误数据而使PLC做出错误的判断和控制 e)对各从站的控制应采取轮询方式，轮询程序同样也是后台工作方式工作的。根据对各台传动装置控制任务的轻重，在PLC数据区内建立一个从站地址表，按该地址表轮询各传动装置。采用间接寻址的编程方式，可大大节省CPU的程序空间。 - 37 - 河南工业职业技术学院毕业论文 5.3.3 S7-200的接收和发送指令(XTM/RCV) 发送和接收指令如图5.10所示 图5.10发送与接收指令 (1)发送指令 发送指令XMT(Transmit)启动自由端口模式下数据缓冲区(TBL)的数据发送，过指定的通信端口(PORT)，发送存储在数据缓冲区(TBL)中的信息。XMT指令可以送1~255个字符如果有中断程序连接到发送结束事件上，在发送完缓冲区中的最后一个符时，端口0会产生中断事件9，端口1会产生中断事件26。数据缓冲区(TBL)按照信协议要求的格式。 (2)接收指令 接收指令RCV(Receive)初始化或中止接收信息的服务，通过指定的通信端口(PORT接收信息并存储在数据缓冲区(TBL)中。数据缓冲区中的第一个字节用来累计接受到字节数，它本身不是接收到的，起始字符和结束字符是可选项。 5.3.4 设计通信程序 在系统中有7台西门子的变频调速装置，其中与PLC1连接着3台，与PLC2连接着台，因此在PLC1和PLC2的程序中都有与变频调速装置的通信程序。在这里，为了通程序的通用性与标准化的目的，将PLC通过USS协议与变频调速装置的通信设计4PKW+4PZD，它是子程序，通过主程序的调用来实现。 通信程序的设计思路是利用发送指令XMT启动自由端口模式下数据缓冲区(TBL的数据发送，通过指定的通信端口，发送存储在数据缓冲区(TBL)中的信息;接收指RCV初始化或中止接收信息的服务，通过指定的通信端口，接收信息并存储在数据缓冲(TBL)中。为了实现其通用性，在通信程序中将通信端口及波特率都设置成多种选择。根据U协议的字符格式和实际工程中一般要求将报文长度设置成20字节，数据块长度为16，始地址为VB4201，数据缓冲区的定义如图5.10所示。接收的数据缓冲区起始地址VB4251，数据块长度也为16字节。 - 38 - 河南工业职业技术学院毕业论文 图5.11:数据缓冲区的定义 按照S7-200支持的通信协议，将PLC1的通信端口1设置成自由口模式通过USS协议的报文格式与变频器的USS端口进行数据交换。根据表5.4寄存器SMB30和SMB130的定义设置特殊存储器字节SMB130，在这里设为16#49，转化为二进制为:0101001，即:偶校验，波特率=9600bit/s，自由端口协议。该程序的POU符号表见表5.8。 下面是LAD编写的通信程序: 子程序SBR2//COM_mini，空缓冲内存，设置通信端口，波特率: - 39 - 河南工业职业技术学院毕业论文 - 40 - 河南工业职业技术学院毕业论文 - 41 - 河南工业职业技术学院毕业论文 SBR5//TAL_Xmt，根据USS协议的字符格式制作TAL，指定发送中断事件: - 42 - 河南工业职业技术学院毕业论文 - 43 - 河南工业职业技术学院毕业论文 INT1// SED_Over，发送中断: - 44 - 河南工业职业技术学院毕业论文 以上的各段子程序是按照USS通信字符格式和S7-200的指令规定设计的通信程序，它由主程序OB1调用，调用程序在主程序中编写。在主程序中将指定中断的中断时间写入SMB34，并运用全局中断指令，执行SBR2子程序可以设置轮循与多个变频器通信。 5.4通信参数设置 5.4.1 PPI和MPI协议 这两种协议都是通过令牌环网实现，令牌环网遵守欧洲标准EN50170中的过程现场总线标准，是异步、基于字符的协议，带有起始位、8位数据、偶校验和一个停止位。通信帧有特殊的起始和结素字符、源和目的站地址、帧长度和数据完整性检查组成。只要数据传输率相同，两个协议可以在一个网络中同时运行，而不 [40]相互影响。 PPI通信协议是西门子专门为S7-200系列PLC开发的一个通信协议。可以通过两芯屏蔽双绞线进行联网。数据传输率为9.6kbit/s、19.2kbit/s和 - 45 - 河南工业职业技术学院毕业论文 PPI是一个主/从协议。在这个协议中，主站(其他CPU、西门子编程器或TD200)给从站发送申请，从站响应。从站不初始化信息，只是当从站发出申请或查询时，从站才响应。网络上的所有S7-200 CPU都作为从站。S7-200可以通过内置接口连接到MPI网上。内置接口可以是CPU的通信口，也可以是EM277扩展通信模块。应用MPI组成的网络通信的波特率为19.2kbit/s或187.5kbit/s，可以与S7-300/400CPU进行通信。S7-200 CPU在MPI网中作为从站，它们之间不能通信。 MPI总是在两个已经建立连接的设备之间相互通信，这种连接可能是两个设备之间的非固定连接，另一个主站不能干涉两个设备之间已经建立的连接，如为了应用，可以建立一个短时间暂时连接，或无限地保持连接或断开。 5.4.2 通信参数设置 要实现控制系统通信需要对各个通信设备进行通信参数的设置，包括监控编程机的参数设置，TP270的通信参数设置(参见第4章)，PLC的通信参数设置和变频器的通信参数设置。 S7-200 PLC的通信参数设置包括安装和删除通信接口和计算机通信接口参数的设置、PLC的通信端口设置、通信地址设置、通信波特率的设置。安装和删除通信接口可以在STEP7-Micro/WIN 32软件中设置，也可以在PG/PC的控制面板中设置，其他的设置都在STEP7-Micro/WIN 32软件中设置，要达到通信的目的必须选择选择相同的协议和波特率以及各个通信设备的地址不能冲突。 STEP 7-Micro/WIN 32提供了通信设定对话框，可使用次对话框配置通信设定。选择菜单命令“检视”>>“通信”，或单击STEP 7-Micro/WIN 32屏幕上的通信图标，进入通信设定对话框。在通信设定对话框内，双击“PC/PPI cable”图标，出现“Set PG/PC Interface”(设定置PG/PC接口)对话框，如图5.12。 - 46 - 河南工业职业技术学院毕业论文 图5.12:“Set PG/PC Interface”对话框 在“Set PG/PC Interface”对话框中单击“select”按钮出现“Install/Remove Interfaces”对话框，可进行硬件的安装和卸载，如图5.13所示。从左边的选择列表框中选择要安装的硬件型号“PC/PPI cable”，窗口下部显示出对选择硬件的描述。再单击“Install”按钮,“PC/PPIcable”就出现在右边的“Installed”列表框(也可用相反的操作方式将“Installed”列表框中的硬件“Uninstall”)，如图5.14所示。安装完成后，按“Close”按钮，回到“Set PG/PC Interface”对话框。 - 47 - 河南工业职业技术学院毕业论文 图5.13:“Install/Remove Interfaces”对话框 图5.14:安装“PC/PPI cable”对话框 安装好硬件后，需要设置通信的属性。在“Set PG/PC Interface”对话框中的“InterfaceParameter Assignment”(接口参数设定)列表框中选择通信协议，PC/PPI电缆只能选用PPI协议，单击“Properties”(属性)按钮，出现“Properties-PC/PPI cable(PPI)”窗口，设置通信参数，如图5.15所示。 图5.15:通信属性设置对话框 - 48 - 河南工业职业技术学院毕业论文 5.5 系统通信 由于该项目是上海鸿得利公司在尼日利亚的项目，因此完成的是厂内调试的工作。按照电气控制系统的设计，生产主机、牵引、左收线和右收线等控制柜，并安装好各类电器元，如接触器、中间继电器、空气开关以及PLC和变频器，然后根据通信设计用通信电缆接好各通信端口(其中部分接口用带编程口的DP头)，将PLC的控制程序和用Protool编写的画面程序分别下载到PLC和TP270中，并根据前面章节提供的通信参数的设置方法设置好通信参数后就，就可以进行通信调试了。 5.5.1 PLC之间的通信调试 在编完PLC的控制程序后，要将程序下载到PLC中，按照前面叙述的方法先设置好下载程序的参数，主PLC的程序地址设为2，从PLC的程序地址设为3，下载程序用的波特率可以使用PPI通信波特率的任意波特率，但是在系统块中设置的波特率两者必须保持一致。下载程序时需要建立PG/PC与PLC之间的通信连接，这时PG/PC是主站，在STEP 7-Micro/WIN 32中先搜索到从站即PLC。搜索到从站后，在STEP7-Micro/WIN 32上点击下载按钮，这时便将程序下载到PLC了。 主、从站的PLC程序分别下载好了以后，就可以进行PLC的调试工作了，在STEP7-Micro/WIN 32中监控，动作时可以看到电气柜中PLC的I/O点的灯亮和灭以及继电器和接触器等元件的接通和断开。要测试两个PLC之间的通信情况还需要将两台PG/PC分别接到PLC1和PLC2上，在PLC1的状态表的VB4107，VB4108和VB4109中写入数据，在PLC2的状态表的VB1001，VB1002和VB1003中会读到相同的数据;在PLC2的状态表的VB1004，VB1005和VB1006中写入数据，在PLC1的状态表的VB4117，VB4118和VB4119中读到相同的数据。这就说明PLC之间的通信可以实现了。 5.5.2 触摸屏与PLC的通信调试 将在PG/PC中用Protool编写的画面下载到触摸屏TP270中，下载时需要进行TP270和Protool的参数设置。在此项目中触摸屏与PLC通过EM277模块连接的，通信方式可以选择MPI或者Profibus-DP协议，用DP线将TP270的DP接口和EM277的通讯接口连接起来。 下载画面程序通过点对点的方式就可，用PPI通信电缆将PG/PC与TP270的窜 - 49 - 河南工业职业技术学院毕业论文 行接口连接，而两者的下载设置必须一致。TP270启动后出现如图5.16所示的对话框，单击Trensfer按钮出现如图5.17所示的下载模式对话框，进行参数设置。 图5.16:启动设置对话框图 5.17:下载模式对话框 设置好TP270通信模式后，在Protool中进行画面下载。PG/PC的通信参数应与TP270的参数保持一致，这样两者可以通信了，将画面下载到TP270中。单击“start”按钮启动画面，动作画面中与PLC位或字节连接动态参数，如按钮，线速度等，观察通信效果，可以控制PLC的I/O点。这时将PG/PC与PLC连接，在状态表中写入输入/输出域的数据，在触摸屏中显示相应的数据;在触摸屏中写入数据，状态表中可以看到写入的数据。这就说明触摸屏与PLC的通信实现了，上位机可以控制PLC。 5.5.3 PLC和变频器的通信 PLC到变频器之间用通讯电缆连接，利用两台PG/PC可以监控PLC能够顺利地读取和写入变频器的通信数据，在PLC上的PG/PC中写入数据，在变频器的P701的16个字节中可以读取，相反PLC和TP270上能读取变频器的控制字和状态字，及报警信息。从可编程控制的模拟量输出端输出电压，用一根屏蔽电缆接到变频器的模拟量输入端，实现频率的改变。由于可编程控制器和变频器在一个柜子里，柜子里还有其它的高压器件，所以抗干扰问题尤其严重。首先考虑到由于用电缆传输，在电缆上有电压降问题，这在实际中必需解决的问题。考虑控制柜里有很多的高压器件，干扰问题，基于这些问题，我们专门做了测试。从PLC中发出数据，在变频器中观测数据的变化，看看和实际的差距多大。测试以后，数据变化不是太大，我们在程序里做了一下微小的调整，整个数据从PLC中传输到变频器中误差可以满足实际需要。利用PG/PC可以监控PLC能够顺利地读取和写入变频器的通信数据。 - 50 - 河南工业职业技术学院毕业论文 5.5.4 变频器、编码器和电动机的通信测试 速度控制的关键所在，从变频器到电机之间的传输必须保证速度的一致性。电机运转的转速要和变频器中给定的数值一致，才能保证剪切的精度。实际运转了以后，我们实测到速度的变化，在变频器中修改参数，使速度的误差减小到最小，满足实际生产的需要。从电机尾端编码器反馈回来的数据，和实际数据相比较，调整以后，转速的实际数值满足生产需要。 整个系统经过测试，调整了各部分之间的差距，达到了厂家要求的各项要求，完全满足生产需要。 5.5.5 调试分析 按照图5.4将所有上位机、PLC和变频器连接好，再在变频器的端子上接好三相交流异步电动机及编码器，下载好程序和画面，在TP270上可以控制电机的启/停，写入变频器的工作方式，设置频率，控制电机速度，读取变频器的报警信息。该铜大拉机的通信设计通过厂内调试，能达到客户的要求，很好的实现了PLC对变频器的控制，并且其通信方式在项目应用相当广泛，通信程序的编写也达到了预期的目的。 - 51 - 河南工业职业技术学院毕业论文 第6章 结论 本文介绍了自动化控制技术的综合应用，将各种通用的自动化技术与实践优化结合，从铜大拉机设备的PLC和变频器自动控制系统入手，详细介绍了PLC和变频器在工业自动化控制的应用状况，介绍了控制系统的通信方式和通信设计，将西门子S7-200 PLC和西门子变频器利用USS协议通信作为一个典型的控制方案，做了通信程序的标准化设计。 通过上述设计，本论文的主要工作和结论是: (1)涵盖了目前基础自动化和过程自动化中的典型自动控制技术手段或装置，可编程序控制器技术、变频器技术、触摸屏和组态软件技术。 (2)PLC和变频器应用于铜大拉机设备的自动控制系统，采用PLC和变频器控制具有自动化程度高、控制精度高和易于设置、管理的特点。 (3)利用工业通信网络和西门子公司提供的其工业控制产品所支持的通讯方式和通讯协议，设计自动化控制系统的通信方式。 (4)USS协议是SIEMENS公司所有传动产品的通用通讯协议，它是一种基于串行总线进行数据通讯的协议，可支持变频器同PC或PLC之间建立通信连接。对USS协议作了很深入的研究，将两者之间的通信部分设计成标准化，可以在多个项目中直接应用。 综上所述，本设计的重点是PLC和变频器的通信方式设计，并且经过了调试，符合要求，已经应用在多个同规模的项目中，达到了目的。 - 52 - 河南工业职业技术学院毕业论文 致 谢 首先需要感谢的人是我的导师――朱清智，从开题到论文的完成，都离不开导师的严格要求，导师渊博的知识、严谨的学风和实事求是的科学态度，使我受益匪浅。并且在毕业课题的设计上给于我很多的指导，使我的设计最终能顺利完成。 三年的大学生活即将结束。在这三年里，无论在学习还是生活上，我都感到充实而又快乐，而这与许多人对我的默默帮助和关心是分不开的，对此我心存感激之情。在这离别之际，我衷心的感谢那些曾经帮助、支持和鼓励我的人们。 - 53 - 河南工业职业技术学院毕业论文 参考文献 [1]蒋方炎，PLC在工业集散控制系统中的应用[M]，北京:冶金工业出版社,2000. [2]孙优贤,褚健，工业过程控制技术方法篇，北京:化学工业出版社,2006. [3]魏克新，自动控制综合应用技术[M]，北京:机械工业出版社,2007. [4]王碧文,王涛,王祝堂，铜合金及其加工技术，北京:化学工业出版社,2007. [5] 王常力,罗安，集散控制系统选型与应用[M]，北京:清华大学出版社,1996. [6]Sudhir Gupta.Elements of control systems.北京:机械工业出版社,2004. [7] 高钦和，可编程控制器应用技术与设计实例[M]，北京:人民邮电出版社,2004. [8]邹金慧，可编程控制器及其系统[M]，重庆:重庆大学出版社,2002. [9]柴瑞娟,陈海霞，西门子PLC编程技术及工程应用，北京:机械工业出版社,2006. - 54 - 河南工业职业技术学院毕业论文 - 55 - 河南工业职业技术学院毕业论文 - 56 - 河南工业职业技术学院毕业论文 - 57 - 河南工业职业技术学院毕业论文 - 58 -