基于PLC及其网络的变频调速系统的设计.doc

设计说明书 题 目： 基于 PLC 及其网络的变频调速系统的设计 专业班级： 自动化 0881 学生姓名： 学 号： 完成日期： 指导教师： 评阅教师： 湖南工程学院应用技术学院毕业设计(论文) 诚 信 承 诺 书 本人慎重承诺和声明：所撰写的基于 PLC 及其网络的变频调 速系统的设计是在指导老师的指导下自主完成，文中所有引文或引用 数据、图表均已注解说明来源，本人愿意为由此引起的后果承担责任。 设计(论文)的研究成果归属学校所有。 学生(签名) 年 月 日 应用技术学院湖南工程学院 毕毕业业设设计计（论论文文）任任务务书书 题目： 基于 PLC 及其网络的变频调速系统的设计 姓名 专业 班级学号 指导老师 职称 教研室主任 一、基本任务及要求： 电机由变频器来控制，变频器带有 PROFIBUS-DP 通讯接口，通过 PROFIBUS 网络由主站对变 频器进行远程控制，可在触摸屏上生成组态画面实现远程控制，也可通过工业以太网在上位机 PC 实现远程控制。 具体要求有： 1. 采用西门子的可编程控制器、触摸屏及有关的应用软件，实现对电动机转速或频率调节控 制。 2. 在触摸屏上生成组态画面由触摸屏来实现远程控制。 3. 采用 PROFIBUS-DP 总线，通过组态王生成画面由 PC 来实现远程控制 二、进度安排及完成时间： 1、 （24 周）接受任务、准备资料、拟定方案，写出开题报告 2、 （78 周）根据题目要求及已知条件，确定控制方案及所选用的控制器件 3、 （911 周）控制程序的设计、相关图纸的设计 4、 （1213 周）程序的现场调试 5、 （1415 周）完成设计、撰写论文 6、 （1617 周）修改完善论文，准备答辩 目 录 摘摘 要要：.I ABSTRACT：II 第第 1 章章 绪论绪论.1 1.1 本课题意义及发展概况 1 1.2 本课题的总体思路 1 1.3 本课题要解决的主要问题 1 1.4 相关技术概况 2 1.4.1 PLC 技术的特点与发展.2 1.4.2 变频器的应用与特点3 1.4.3 组态软件4 1.4.4 现场总线及工业以太网的概念及应用7 第第 2 章章 系统构成系统构成.9 2.1 方案确定 9 2.2 主电路的设计 9 2.3 网络系统 10 2.3.1 系统说明.10 2.3.2 工业以太网及组成12 2.3.3 Profibus-DP 现场总线及 DP 拓扑结构 13 第第 3 章章 硬件设计硬件设计.15 3.1 变频调速 15 3.1.1 变频调速原理15 3.1.2 变频调速的基本构成15 3.1.3 变频器参数设定17 3.2 PLC 的选型.19 3.3 MP270B 触摸屏20 第第 4 章章 软件设计软件设计.22 4.1 STEP722 4.1.1 STEP7 介绍22 4.1.2 使用 STEP7 的基本步骤22 4.2 系统软件设计.23 4.2.1 硬件组态.23 4.2.2 网络组态.24 4.2.3 PLC 程序设计25 4.2.4 功能说明及梯形图25 4.3 组态王实现控制系统实验仿真的基本方法.33 第第 5 章章 系统调试系统调试.36 5.1 注意事项.36 5.1.1 系统上电36 5.1.2 变频器的操作注意事项36 5.1.3 组态操作中的注意问题36 5.2 系统调试与结果 37 结束语结束语.40 参考文献参考文献.41 致致 谢谢.42 附附 录录.43 附录 A：变频调速控制电气图.43 附录 B：系统设计元器件明细表 .45 附录 C：多功能 PLC 网络控制屏电气图46 基于 PLC 及其网络的变频调速系统的设计 I 基于基于PLC及其网络的变频调速系统的设计及其网络的变频调速系统的设计 摘摘 要要：本控制系统中，采用高功能性通用变频器西门子 SIMTIC MANGER 对电机进行 转速调节，该变频器能很好的解决启动停止和转速变化的问题。由 PLC 对变频器、电 机等设备的控制任务和数据采集的任务。本课题的变频调速单元通过 DP 总线与上位机、 人机交换等站点连接起来以实现变频调速的控制。用 STEP7 软件对系统进行硬件与网 络组态和程序编写处理各硬件之间的关系。利用组态王软件，使操作人员可以在远程 PC 机或触摸屏浏览现场的流程、实现变频器的参数设置和电机的启动停止和增减速的 控制。 关键词：关键词： PLC；变频器；变频调速；组态软件 基于 PLC 及其网络的变频调速系统的设计 II Based on PLC and its network of the design of the variable frequency speed regulation system Abstract：In the control system, using high functional inverter SIMTIC MANGER motor speed regulation, the transducer can well solve the problem of start stop and speed variation. From PLC to frequency converter, motor equipment such as the control task and the data acquisition task. The frequency conversion and speed regulation unit through the DP bus and host computer, man-machine exchange sites connected to achieve frequency conversion speed control. Using STEP7 software for system hardware and network configuration and programming of the relationship between processing hardware.Use the software, so that the operator can remotely browse the site PC or touch screen process, realize the parameter setting of frequency converter and the motor start stop and a deceleration control. Keywords： PLC; Transducer; AC frequency conversion for speed adjustment; Configuration software 基于 PLC 及其网络的变频调速系统的设计 1 第 1 章 绪论 1.1 本课题意义及发展概况 PLC 控制系统呈现综合化、网路化的发展趋势，为了适应当今 PLC 课程教学的需要， 应提供具有现场控制对象的完整控制层、监控管理层、远程控制层三层结构的远程网 络控制系统，并将组态软件技术、网络通信配置、现场触摸屏技术融合在控制系统中。 由于 PLC 的功能强大、使用容易、可靠性高，常常被用来作为现场数据的采集和 设备的控制。组态软件技术作为用户可定制功能的软件平台工具，在工控机上可开发 出友好的人机界面，通过 PLC 可以对自动化设备进行“智能化”控制。电动机交流变 频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境，推动技术进步的 一种主要手段。变频调速以其优异的调速性能和起制动平稳性能、高性能、高功率因 数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调 速方式。 1.2 本课题的总体思路 本控制系统中，采用高功能性通用变频器西门子 SIMTIC MANGER 对电机进行转速 调节，该变频器能很好的解决启动停止和转速变化的问题。由 PLC 对变频器、电机等 设备的控制任务和数据采集的任务。本课题的变频调速单元通过 DP 总线与上位机、人 机交换等站点连接起来以实现变频调速的控制。用 STEP7 软件对系统进行硬件与网络 组态和程序编写处理各硬件之间的关系。利用组态王软件，使操作人员可以在远程 PC 机或触摸屏浏览现场的流程、实现变频器的参数设置和电机的启动停止和增减速的控 制。电机由变频器来控制，变频器带有 PROFIBUS-DP 通讯接口，通过 PROFIBUS 网络由 主站对变频器进行远程控制，可在触摸屏上生成组态画面实现远程控制，也可通过工 业以太网在上位机 PC 实现远程控制。具体要求有： 1. 采用西门子的可编程控制器、触摸屏及有关的应用软件，实现对电动机转速或 频率调节控制； 2. 在触摸屏上生成组态画面由触摸屏来实现远程控制； 3. 采用 PROFIBUS-DP 总线，通过组态王生成画面由 PC 来实现远程控制。 1.3 本课题要解决的主要问题 基于 PLC 及其网络的变频调速系统的设计 2 1. 了解相关技术概况； 2. 设计出 PROFIBUS 现场总线的总体结构图； 3. 设计出变频器调速控制系统与总线网络的连接； 4. 确定变频器和其他控制设备的型号，并设定变频器的功能参数； 5. 用 STEP7 对系统进行组态和程序编写； 6. 实验室进行系统调试，实现远程控制。 1.4 相关技术概况 1.4.1 PLC 技术的特点与发展 PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。PLC 与普通微机一样，以通用或专用CPU作为字处理器，实现通道(字)的运算和数据存储， 另外还有位处理器(布尔处理器)，进行点(位)运算与控制。PLC控制一般具有可靠性高、 易操作、维修、编程简单、灵活性强等特点。 1) 可靠性：对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性 PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系 统的维修简单，维修时间短。 PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，冗余设计，断电保护，故 障诊断和信息保护及恢复等，提高了MTBF，降低了MTTR，使可靠性提高。 PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不 易发生操作的错误。 PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制更 简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言，编程出错率大大降低， 而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。 在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如：采用可靠性的元件； 采用先进的工艺制造流水线制造；对干扰的屏蔽、隔离和滤波等；对电源的断电保护； 对存储器内容的保护等。 PLC的软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。例如：采用软件滤波； 软件自诊断；简化编程语言等。 2) 易操作性，PLC的易操作性表现在下列几个方面： 操作方便对PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。大多数PLC采用编程器 进行输入和更改的操作。编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的PLC，编程器 采用了CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。更改程序的操作也可直接根据 基于 PLC 及其网络的变频调速系统的设计 3 所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。更改的信息可在液 晶屏或CRT上显示。 编程方便PLC有多种程序设计语言可供使用。对电气技术人员来说，由于梯形图 与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。采用布尔助记符编程语言时，十分有助于 编程人员的编程。 维修方便PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。当系统发生故 障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快的找到故障的部位，以便维修。 3) 灵活性，PLC的灵活性表现在以下几个方面： 编程的灵活性。PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模 块和语句描述编程语言。编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。 扩展的灵活性。PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。它可根据应用的规模不 同，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。 操作的灵活性。操作十分灵活方便，监视和控制变得十分容易。 目前PLC朝以下几个方向发展 1) 大型网络化：主要朝DCS方向发展，网络化和强通信能力是PLC发展的一个主要 的方面，向下与多个智能装置相连，向上与工业计算机、以太网等相连构成特殊的控 制任务。 2) 多功能：为了适应特殊功能的需要，连续推出多种智能模块，如模拟量输入输 出、回路控制、通信控制、机械运动控制、高速技术、中断输入等。这些智能模块以 微处理器为基础，其CPU与PLC的CPU并行工作，占用主机CPU时间很少，有利于提高PLC 扫描速度和完成特殊的控制任务。 3) 高可靠性、好兼容性：由于现代控制系统的可靠性和兼容性日渐受到人们的重 视，一些公司强自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高 可靠的冗余系统。 4) 编程语言向高级语言发展：PLC的编程语言在原有梯形图语言、顺序功能块和 指令表语言基础上，推出了可运行与计算机windows环境下，界面友好的强劲的梯形图 和语句表两种形式的编程、调试、诊断等功能。SIMATIC则使用C/C+等高级语言进行 编程，体现了面向未来的种种特征。 1.4.2 变频器的应用与特点 变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过 改变电机工作电频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。 本世纪70年代初，变频技术迅速发展，已经成为集电力、电子、计算机技术于一 基于 PLC 及其网络的变频调速系统的设计 4 体的高科技产品。全球一些著名的电气公司像西门子、ABB、东芝、三菱等，在这一 领域的开发与研究都取得了巨大成就，使得变频调速技术迅速发展并日渐成熟，它较 直流调速系统及其它类型的调速系统有以下3个最突出的特点： 1) 省电节能，可使电耗降低。这是因为，一方面，一个常识性的问题就是交流电 机的效率比其它类型的电机都要高。另一方面，一般的电机控制回路中都有过流过压 失相等安全保护元件，而“变频器一电机”控制回路则没有这些耗能元件，更不需要像 直流调速系统所必备的励磁电源变压器等。 2) 系统造价低。同直流传动系统相对比，异步电机的价格要比直流电机的价格低 130%-350%；另外，技术的发展使得变频器成本逐年下降，现市场价格约为1000元/千 瓦，而直流整流设备110kw容量以下平均每套的价格约为21000元。因此对于纸机电气 传动系统，单机容量不超过160kw，在同样装机容量下，交流传动系统的造价要比直流 传动系统低5%-15%。针对中低档纸机，装机容量不太大交流调速具有大的价格优势。 3) 维护工作量小。变频器普遍采用大规模、超大规模集成电路，设有附加的外围 元器件，因此从某种意义上说，变频器是免费维护设备。直流电机的维护周期为1个月， 而交流电机的维护周期为3个月以上，且维护工作量要小的多。 随着时间的推移，产品不断更新换代，矢量控制(Vector control)、IGBT(双极绝缘 可关断晶闸管)、操作面板(OPRATE PANEL)等新技术不断在变频领域采用，最明显的 特征是变频器的体积在变小，同时功能逐渐增强，维护操作更为方便。这一时期的代 表产品有ABB公司的ACS400系列，日本三肯公司的MF，IF系列，富士公司的500系列 等型号的变频器，此时控制系统多为双闭环结构，并开始采用模拟量速度链技术。由 于此时数字技术未在操作控制回路采用，所以变频器的抗干扰能力较以前没有太大的 改善，通讯能力也比较差。 数字化技术的采用及模块化结构设计风格的出现使得更为高级的变频器诞生，内 部采用模块化的结构，使得参数的配置与修改及各功能的实现乃至连接更为方便，速 度链上传递的为数频信号，使系统的抗干扰能力更强，故障的诊断，信号的检查也很 方便。数频处理、速度设定、马达控制等模块的链接位置让操作者修改参数比较直观、 简洁。 1.4.3 组态软件 组态软件，又称组态监控软件系统软件。译自英文 SCADA,即 Supervisory Control and Data Acquisition(数据采集与监视控制)。它是指一些数据采集与过程控制 的专用软件。它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的 组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。 基于 PLC 及其网络的变频调速系统的设计 5 组态软件的应用领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数 据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。 1. 背景 监控组态软件是在信息化社会的大背景下，随着工业 IT 技术的不断发展而诞生、 发展起来的。在整个工业自动化软件大家庭中，监控组态软件属于基础型工具平台。 监控组态软件给工业自动化、信息化、及社会信息化带来的影响是深远的，它带动着 整个社会生产、生活方式的变化，这种变化仍在继续发展。因此组态软件作为新生事 物尚处于高速发展时期，目前还没有专门的研究机构就它的理论与实践进行研究、总 结和探讨，更没有形成独立、专门的理论研究机构。 近 5 年来，一些与监控组态软件密切相关的技术如 OPC、OPC-XML、现场总线 等技术也取得了飞速的发展，是监控组态软件发展的有力支撑。 2. 发展 组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的。20 世纪 50 年代虽然计算机 开始涉足工业过程控制，但由于计算机技术人员缺乏工厂仪表和工业过程的知识，导 致计算机工业过程系统在各行业的推广速度比较缓慢。20 世纪 70 年代初，微处理器的 出现，促进了计算机控制技术走向成熟。在随后的 20 年中，DCS 及其计算机控制技术 日趋成熟，并得到了广泛应用，市场发展迅速。但当时的 DCS 软件是专用和封闭的， 且成本居高不下。80 年代中后期，随着个人计算机的普及和开放系统(open system)概 念的推广，基于个人计算机的监控系统开始进入市场并发展壮大。基于个人监控系统 呈现出智能化、小型化、网络化、PC 化的发展趋势，并逐渐形成了各种标准的网络结 构、硬件规范。组态软件在自动化系统的“水平”和“垂直”集成中起着桥梁和纽带的作用， 已成为自动化系统中的重要组成部分。计算机的监控系统开始进入市场，为组态软件 提供了发展空间。目前自动化产品呈现出智能化、小型化、网络化、PC 化的发展趋势， 并逐渐形成了各种标准的网络结构、硬件规范。组态软件作为个人计算机监控系统的 重要组成部分，比 PLC 监控的硬件系统具有更为广阔的发展空间。这是因为，第一， 很多 DCS 和 PLC 厂家主动公开通信协议，加入“PLC 监控”的阵营；第二，由于 PLC 监控大大降低了系统成本，使得市场空间得以扩大，从无人值守的远程监视(如防盗报 警、江河汛情监视、环境监控、电信线路监控、交通管制与监控、矿井报警等)、数据 采集与计量(如居民水电气表的自动抄表、铁道信号采集与记录等)、数据分析(如汽车 和机车自动测试、机组和设备参数测试、医疗化验仪器设备实时数据采集、虚拟仪器、 生产线产品质量抽检等)到过程控制，几乎无处不用。第三，各类智能仪表、调节器和 PLC 可与组态软件构筑完整的低成本自动化系统，具有广阔的市场空间。第四，各类 基于 PLC 及其网络的变频调速系统的设计 6 嵌入式系统和现场总线的异军突起，把组态软件推到了自动化系统主力军的位置，组 态软件越来越成为工业自动化系统中的灵魂。 3. 构成 1) 以使用软件的工作阶段划分 从总体上讲，组态软件是由系统开发环境和系统运行环境两大部分构成。系统开 发环境它是自动化工程设计工程师为实施其控制方案，在组态软件的支持下进行应用 程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境。通过建立一系列用户数据文件，生成最 终的图形目标应用系统，供系统环境运行时使用。 系统开发环境由若干个组态程序组成，如图形界面组态程序，数据库组态程序等。 系统运行环境在系统运行环境中，由系统开发环境下生成的各种应用程序无论是图形 或者数据库，可以结合现场的数据实时地运行，同时可以各种关联关系也可以得到体 现。系统运行环境由若干个运行程序组成，如图形界面运行程序和实时数据库运行程 序等。 自动化工程设计师最先接触的一定是系统开发环境，通过一定工作量的系统组态 和调试，最终将目标应用程序在系统运行环境投入实时运行，完成一个工程项目。 2) 按照成员构成划分 组态软件因为功能强大，而每个功能相对来说又具有一定的独立性，因此其组成 形式是一个集成软件平台，由若干程序组件构成。组态软件必备的典型组件包括以下 部分： 应用程序管理器 ； 图形界面开发程序 ； 图形界面运行程序 ； 实时数据库系统组态程序； 实时数据库系统运行程序； I/0 驱动程序 ； 组态软件扩展可选组件包括： 通用数据库接口(ODBC接口)组态程序；通用数据库接口组件用来完成组态软件的 实时数据库与通用数据库(如oracle，Sybase，FoxPro，DB2，SQL，Server等)。 通用数据库接口(ODBC接口)运行程序。 4. 特点 基于 PLC 及其网络的变频调速系统的设计 7 1）延续性和可扩充性，用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备 或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改即可方便地完成软件的更新和 升级； 2）封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的 方法包装起来，用户不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很 好地完成一个复杂工程所要求的所有功能； 3）通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备 （PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的 IO Driver、开放式的数据库和 画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、 具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。 5. 功能 1）强大的界面显示组态功能。 2）良好的开放性。开放性是指组态软件能与多种通信协议互联，支持多种硬件设 备。 3) 丰富的功能模块。提供丰富的控潲功能库，满足用户的测控要求和现场需求。 4）强大的数据库。配有实时数据库，可存储各种数据，如模拟量、离散量、字符 型等，实现与外部设备的数据交换。 5）可编程的命令语言。有可编程的命令语言，使用户可根据自己的需要编撰程序， 增强图形界面 。 6）周密的系统安全防范，对不同的操作者，赋予不同的操作权限，保证整个系统 的安全可靠运行。 7）仿真功能提供强大的仿真功能使系统并行设计，从而缩短开发周期。 1.4.4 现场总线及工业以太网的概念及应用 现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网 络。也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化 的网络。原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数 字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养 简便化、节省配线（配线的共享） 。 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展信息交换沟通的领域正在迅速覆盖 从工厂的现场设备到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业，乃至 世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成了 以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线的出现标志着工业控制技术 基于 PLC 及其网络的变频调速系统的设计 8 领域又一个新时代的开始。 现场总线具有以下特点： 1) 全数字化通信 2) 开放型的互联网络 3) 互可操作性与互用性 4) 现场设备的智能化 5) 系统结构的高度分散性 6) 对现场环境的适应性。 由这些特点现场总线从而具备了现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列， 为其应用开拓了更为广阔的领域；一对双绞线上可挂接多个控制设备， 便于节省安装 费用；节省维护开销；提高了系统的可靠性；为用户提供了更为灵活的系统集成主动 权的优点。 以太网(Ethernet)指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的 基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用 CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的 电缆上。以太网与IEEE8023系列标准相类似。 以太网技术和应用的发展，使其从办公自动化走向工业自动化。首先是通信速率的 提高，以太网从10M、100M到现在的100DM、10G，速率提高意味着网络负荷减轻和 传输延时减少，网络碰撞几率下降；其次采用双工星型网络拓扑结构和以太网交换技 术，使以太网交换机的各端口之间数据帧的输入和输出不再受CSMA/CD机制的制约， 避免了冲突；再加上全双工通信方式使端口间两对双绞线(或两根光纤)上分别同时接收 和发送数据，而不发生冲突。这样，全双工交换式以太网能避免因碰撞而引起的通信 响应不确定性，保障通信的实时性。同时，由于工业自动化系统向分布式、智能化的 实时控制方面发展，使通信已成为关键，用户对统一的通信协议和网络的要求日益迫 切。这样，技术和应用的发展，使以太网进入工业自动化领域成为必然。简言之，工 业以太网是将以太网应用于工业控制和管理的局域网技术。传统的控制系统在信息层 大都采用以太网，而在控制层和设备层则采用不同的现场总线或其他专用网络。但目 前以太网已经渗透到了控制层和设备层，开始成为现场控制网络的一员。 工业控制从早期的就地控制、集中控制，已经发展到现在的集散控制(DCS)，在过 去的20年中，过程工业对DCS系统及相关的仪表装置进行了大量的投入，DCS系统的 应用结果得到了用户的肯定。4-20mA信号是DCS系统及现场设备相互连接的最本质特 点，这是控制系统和仪表装置发展的一大进步。 基于 PLC 及其网络的变频调速系统的设计 9 第 2 章 系统构成 2.1 方案确定 选择好自己毕业论文的课题后，看到这长达二十字的课题名称，头都有些发晕， 这课题应该很难了，我就迫不及待的去校园图书馆和网络上查看资料。我大略地阅读 了课题的系统构成、所用元器件、发展前景等相关资料，这才有了一点点头绪。知难 就要勇进，于是我抓紧时间从网站上下载了很多有关PLC、变频器、电动机、变频调 速和网络系统的资料，我们的老师也给了我们不少相关文字程序资料，并带我们参观 了PLC网络系统控制室，让我们大致了解了一些基本的知识。接下来的任务就是抓紧 时间阅读手头上的资料，及时把握相关信息，为以后的课题设计、论文写作做好铺垫。 本课题的关键是PLC的构成、原理、接线及其网络系统，所以我们最基本的工作就是 从PLC入手，学好掌握好PLC 的原理及使用方法，只有打好基础，才会有高楼大厦。 老师给我们推荐了几本很好的有关PLC系列的教材，如深入浅出西门子S7-300PLC 等，虽然我们用的主要是S7-400，但西门子系列的都是相容相通的。抓住它的“中心思 想”就行了。在前几周的时间里，大部分时间就是用来熟悉相关软件，如Step7、组态软 件等，以前基本上没有涉及到这方面的知识，所以初学起来感觉比较吃力。但在我们 带课老师和我们自己的努力下，经过反复的练习和摸索，最后终于掌握了基本的操作、 编程等。最后剩下来的任务就是方案的确定和系统的调试以及论文的书写。经过一两 个月的准备工作，结合课题任务要求，确定了本课题的方案。 基于变频调速控制系统的种种优点，我们采用基于西门子PLC的变频调速的网络 控制系统，通过S7-400与工业以太网上的工程师站或操作员站进行通讯，上位机通过 软件设计编程可以实现对电动机进行实时远程监控。S7-400与PROFIBUS-DP总线进行 通讯，再通过变频器对电动机进行开环闭环变频调速等控制，编程站和人机交换界面- 触摸屏通过Profibus-DP总线进行通讯，在编程站编写好程序，写入S7-400中，我们可 以通过操作员站，也可以通过触摸屏来实现对电动机的各项远程监控操作。而变频器 通COMBIT MASTER CB15或COMBIMASTER CB155通讯口来实现与Profibus-DP总线 相连。输入/输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。 对软件来说，I/O地址分配以后才可进行编程；对控制柜及PLC的外围接线来说，只有 I/O地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图。 2.2 主电路的设计 基于 PLC 及其网络的变频调速系统的设计 10 本课题设计的变频调速系统单元，采用交流变频调速，通过控制变频器来实现三 相异步电动机的开闭环、正反转和快慢速的转换。其具体工作过程如下： 从电网上接入 380V 交流三相电源，首先通过一个空气开关作为漏电保护，然后 接入三个熔断器作为过流保护。电动机三相 U、V、W 接在变频器的输出端口，输入 端口 L1、L2、L3 通过了 A 级滤波器连接在交流接触器 KM1 上，变频电机的风机则通 过热继电器 FR1 连接在交流接触器 KM2 上，再连接到交流接触器 KM1 的电网上。接 下来是变频电机简单的起、停、开闭环、变频调速电器控制线路。其控制线路说明如 下：QF1 为空气断路器，当空气开关闭合，没有按下启动按钮 SB1 时，交流接触器 KM1 处于断开状态；当按下起动按钮 SB1 时，接通交流接触器 KM1，KM1 继电器通 电，交流接触器 KM1 保持通电状态，可编程序控制器运行，输出端给变频器一个启动 信号，电源指示灯 HR4 亮。在运行中按下停止按钮 SB2，则 KM1 继电器断电，交流 接触器 KM1 断开。同时我们还用了热继电器 FR1，用于过载保护。在加速和减速过程 以外，电机一直是稳速运行。变频电机的加速、减速、慢速和稳速运行全部都由变频 器控制。加速和减速过程时间的长短，以及稳速值的大小由人为在变频器中根据需要 设定。 变频调速控制电气图（见附录图 A） 2.3 网络系统 本系统中，对三相异步电机采用一台变频器来进行频率的调节控制。通过PLC输 出的模拟量信号作为变频器的控制端输人信号，由总线Profibus-DP作为信号的传输通 道，完成对电动机的自动控制。变频调速器对电机具有完善的自我保护和电机保护的 功能，它通过接受PLC的信号控制电机转速大小，并且向PLC反馈自身的工作状态信号， 当发生故障时，能够向PLC及上位机发出报警信号。由于变频调速是通过改变电动机 定子供电频率以改变同步转速来实现的，故在调速过程中从高速到低速都可以保持有 限的转差功率，因此具有高效率、宽范围、高精度的调速性能。 2.3.1 系统说明 本课题是由三个站点（工程师站、操作员站、编程站） 、工业以太网、Prifibus-DP 总线、S7-400、S7-300、变频器、三相异步电动机以及人机交换界面-触摸屏组成。本 系统网络结构图如图2.1所示： 西门子工业以太网的建立需要相应的软件支持，STEP7是西门子工业自动化控制 系统软件，该软件为模块化的软件，在本体软件的基础上有很多可选软件能和其实现 基于 PLC 及其网络的变频调速系统的设计 11 无缝连接，本系统选用的是西门子的工业网络软件Soft Net，该软件和STEP7配合能组 建西门子的工业以太网、DP网等，并能PLC编程，如图2-1所示。 图 2-1 系统结构图 系统网络结构的最上一层为SIEMENS工业以太网，该网络上有两台计算机，分别 为工程师站和操作员站，工程师站安装有监控软件组态王运行狗，负责整个监控系统 的运行；同时作为OPC服务器，负责与PROFIBUS主站-西门子S7400系列可编程 CPU412-2DP交换数据，使组态王的变量与PLC中的各个控制点关联起来。 工程师站、操作员站、CPU412-2DP是通过SIEMENS工业以太网电气链路模块 （相当于HUB）6GV1 105-3AA0互相连接通讯；其中工程师站和操作员站分别装有 SIEMENS专用工业以太网卡CP1612；而CPU412-2DP则是通过CP443-1工业以太通讯模 块连接。（该模块的作用相当于PLC的以太网卡），同时CPU412-2DP是OPC客户端。 在以太网中是通过各站点的IP地址来标识身份的。 第二层为PROFIBUS-DP现场总线网，各站点是通过DP地址来标识身份的，本系统 的各站点地址分别为：主站CPU412-2DP其DP地址为2，挂在DP总线上的各从站点分别： CPU315-2DP其DP：3；变频器其DP：5， CP5613其DP：0（系统规定，一般不允许更 改），触摸屏其DP：1（系统规定，一般不允许更改） 由系统的网络结构图，可以看出本课题的关键主要在于网络系统的构成和编程站 程序的编写。程序编出来以后，接下来的工作就是利用组态软件把控制图组态到操作 基于 PLC 及其网络的变频调速系统的设计 12 员站点，再连接写入到 PLC 当中去，这样就可以把整个系统结构连接到一起，组成相 通的网络系统。变频器通过 DP 通讯模块挂在主站 S7400 上，在硬件组态时，系统会 自动分配通讯字地址给变频器，通讯字为 16 位，分为控制字和状态字，控制字用于发 指令控制变频器，状态字用于反应变频器的工作状态。变频器驱动一台变频电机，变 频电机的轴上装有旋转编码器，旋转编码器的脉冲信号送至 S7 300 中的 FM350 高速记 数模块检测转速。变频器在程序中设有两种控制方式：开环和闭环，开环控制模式时， 变频器的转速直接由 PLC 发出的频率信号（050Hz）确定；闭环模式时，PLC 给出转 速设定值，与旋转编码器检测的速度信号比较，经 PID 运算后控制变频器转速。(由于 电源通断的顺序问题，可能有时变频器会处于报错状态而通讯不上，只要按一次变频 器上的 Fn 键即可恢复)。 2.3.2 工业以太网及组成 SIEMENS 工业以太网的硬件结构： 西门子工业以太网其本质上与传统的以太网一样，只是其硬件都是工业级专用， 如网卡、网线、链路模块（HUB）等；PLC 连接以太网是通过以太网通讯模块来实现， 采用标准的 TCP/IP 通讯协议，10M 带宽，硬件结构见图 2-2 所示： PC Station 1 CP 1612 S 7400PLC 以太网通讯模块CP443-1 PC Station 1 CP 1612 链路模块（HUB） 6GV1105-3AA0 Profibus-DP 图 2-2 以太网硬件结构图 以太网作为通信网络的技术优势： 1. 以太网是一种标准的开放式网络，采用 TCPIP 通信协议，可以解决物理层、 数据链路层、网络层和传输层采用统一的通信协议的问题，不同厂商的控制网络很容 易互联。 2. 以太网能便捷地访问远程系统，实现远程诊断和远程维护，共享访问多数据 库。 3. 以太网使以万维网为基础的所有手段可以移植到管控一体化系统中来。 4. 能降低系统成本，包括技术人员培训费用、网络维护费用及系统初期投资。 以太网作为现场总线的技术优势： 基于 PLC 及其网络的变频调速系统的设计 13 1. 可以保证现场总线技术可持续发展。 2. 广泛的开发技术支持。 3. 可以有大量硬件产品选择。 4. 可以拥有大量的软件资源。 5. 可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术发展主流之外，使现场总线技术 和计算机网络主流技术很好地融合起来，形成现场总线技术和一般的计算机网络技术 同步发展的局面。 在设备中心网络结构中，IO 设备连接到以太网或连接到以太网兼容的 IO 数 据 集中器上。在这种结构中，以太网取代了现场总线，真正构成了从企业的上层和底层 统一的以太网结构。如用 Optimation 公司的 Opti Logic 以太网 RTU 构成的设备中心网 络结构，如图 2-3 所示： 本系统中工业以太网的主要作用是连接上位机和 S7-400，以实现上位机对变频器 和 三相异步电动机的控制。 Eternet RTU Eternet RTU Eternet RTU Eternet RTU 上位机 以太网 图2-3 设备中心网络结构 2.3.3 Profibus-DP 现场总线及 DP 拓扑结构 DP 是一种现场工业总线标准，最先由西门子公司使用，由于其应用广泛，传输速 度快（最大 12M） 、传输距离远（最远 1KM 左右）以及总线结构简单（两芯 DP 通讯 电缆） 、最多能挂 126 个站等优点而在全球范围内普及开来，被越来越多的生产厂商采 用。 西门子公司的 PLC 产品有多种支持 DP 的产品可供选择，其他非 PLC 同类产品也 有相应的 DP 通讯适配选件供使用。本系统的 DP 主要器件见表 2-1： 名 称型 号备 注地 址 基于 PLC 及其网络的变频调速系统的设计 14 PLC PLC 变频器 DP Interface CPU412-2DP CPU315-2DP MM420 CP5613 自带 DP 口 自带 DP 口 外置 DP 通讯模块 自带 DP 口 2 3 5 0 表 2-1 系统 DP 主要器件 系统的 DP 拓扑结构即整个网络系统各被控单元（变频电动机、电梯等）通过 PROFIBUS-DP 总线连接起来，系统为每块分配了相应的 DP 地址。本课题的变频调速单 元通过 DP 总线与上位机、触摸屏等站点连接起来以实现变频调速的控制。当硬件连接 好后，主要是通过 STEP7 软件中的管理器来组态各硬件之间的关系。首先在管理器中 建立各个站（这里主要是指建立各类型主站） ，然后再分别对每个站进行硬件配置，此 处必须与实物对应，包括具体的槽位、各组件的产品序列号等，当配置 PLC 的 CPU 时， 系统会自动提示网络选择。 本系统的DP主站CPU412-2DP，而CPU315-2DP也是主站类型PLC，在硬件设置时要将 其改为从站，此时系统会要求你选择和主站的数据交换方式，选择MS方式，即主从方 式，再设置相应的数据交换区间以及长度，这里的交换区间是指PI和PQ，S7300和 S7400都有此两个称之为外部输入输出的交换区，交换数据的方式是交叉的，区间定义 好了后，S7300和S7400的数据交换就会通过DP总线自动进行，无须编写通讯程序， 基于 PLC 及其网络的变频调速系统的设计 15 第 3 章 硬件设计 3.1 变频调速 3.1.1 变频调速原理 由电机学理论，在忽略定子漏阻抗的情况下，三相异步电动机定子每相电压U；有 以下关系式： U1E1=4.44f1N1k1m (a) 式中：U1定子相电压； E1定子相电动势； N1定子相绕组总匝数； K1基波绕组系数； m每极气隙磁通。 由上式可以知道：为了保持电动势的平衡关系，当电源频率f1改变式，如果电源 频率保持不变，那么必然引起气隙磁通m的变化，但是m的变化都会给异步电动机的 运行性能带来不良影响。所以要必须保持主磁通不发生改变。由(a)式可以看出，m 是由E1和f1来共同决定的，对E1和f1进行适当控制，就可以保持m保持额定值不发生改 变。但是这种控制受到基频f1(电机额定频率)的影响，在f1 fN（即基频以上调速控制方式）时，E1的变化规律不一样。 3.1.2 变频调速的基本构成 变频器由整流电路、直流中间电路、逆变电路及控制电路等部分组成，如图3.1。 交流电源经整流、直流中间电路滤波后变成直流电源，控制电路有规律地控制逆变器 的导通和截止，使之向异步电动机输出电压和频率可变的电源，驱动电机运行，整个 系统是开环的。 对于速度精度和响应快速性要求较高的系统，采用图3-1的开环系统还不够，还需 要由变频器主回路及电动机检测反馈信号，经运算回路综合后控制触发回路，构成一 个闭环系统。根据变频器的构成与功能分析，整个系统硬件的设计由主电路的和控制 电路两个部分组成。 基于 PLC 及其网络的变频调速系统的设计 16 整流电路直流中间电路逆变电路电机 控制电路 交流电源 图3-1 变频器的基本构成 1） 系统的主电路采用常用的典型交直交电源型变频器结构，由整流、滤波、 逆变三个环节构成。整流环节采用三相桥式整流模块，逆变电路功率器件采用目前应 用广泛的智能功率模块IPM，中间直流环节采用加大电容滤波，如图3-2所示。 供电电路整流电路滤波电路逆变电路电机 电源电压检测 PLC PC通讯控制 专用PWM 波形发生器 过载检测 人机界面 存储器 主电路 控制电路 图3-2 变频调速单元原理图 2） 系统的控制电路主要由专用SPWM波形发生器SA4828、单片机AT89C51，键 盘显示电路、故障处理电路、控制电源和PC控制部分等组成。 随着变频器产品的不断成熟，众多品牌不断竞争，使得变频器的性能不断的得到 提升，功能越来越丰富，可靠性也不断的提高。纵观各种变频器，给变频器设置了如 下功能： 1） 基本功能：频率的设定和显示，设定加减速时间，正反转和停止控制功能。 2） 特殊功能：低速时转矩补偿功能，在低速时由于定子压降的比例增大，造成 转矩的下降，可以通过适当的提升定子电压的方法来提升转矩。 3） 保护功能：保护变频器防止在非正常状态下工作，如过电流、过载保护和变 频器内部模块的保护等等功能。 4）与上位机通讯功能：通过RS232接口，建立起与上位机的通讯，以便能够进行 PC通讯控制。 5） 多种运行方式功能：可以进行点动和正常运动控制 基于 PLC 及其网络的变频调速系统的设计 17 6） 减振 、降低冲击功能：通过跳跃频率的设定，可使通用变频器不能输出与负 载机械设备共振的频率值，适当地对载波频率进行调节，可降低机械振动，避开机械 振动。另外，在变频器上电后，通过启动键方便启动变频器，通过连击加、减键可以 方便的改变运转频率。 3.1.3 变频器参数设定 MICROMASTER系统参数的简要介绍： 变频器的参数只能用基本操作面板（BOP-2）或者通过串行通讯接口进行修改。用 BOP-2 可以修改该和设定系统参数，使变频器具有期望的特性，例如，斜坡时间，最 小和最大频率等。钻子的参数号和设定的参