基于S7-200伺服电机控制系统设计

西安邮电大学 毕 业 设 计（论 文）题 目：基于S7-200伺服电机控制系统设计 系 别： 自动化学院 专 业： 自动化学院 班 级： 自动0805 学生姓名： 导师姓名： 职称： 讲师 起止时间：2012年3月8日 至 2012年06月17日 毕业设计（论文）诚信声明书本人声明：本人所提交的毕业论文基于S7-200伺服电机控制系统设计是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注；对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全清楚本声明的法律后果，申请学位论文和资料若有不实之处，本人愿承担相应的法律责任。论文作者签名： 时间： 年 月 日指导教师签名： 时间： 年 月 日西 安 邮 电 大 学毕业设计(论文)任务书学生姓名指导教师职称讲师系别自动化学院专业自动化学院题目基于S7-200伺服电机控制系统设计 任务与要求要学习基本电气控制的设计方法，学习step7和组态软件的使用。熟练掌握组态王的使用,完成本课题要认真复习电机控制的基本知识，设计电动机总线型调速控制系统，主要根据电机的调速原理结合总线功能进行设计，要求提交：1. 了解电动机总线型调速控制系统设计的基本原理。2. 熟练掌WINCC6.0软件。3. 会使用WINCC6.0软件画组态界面。4. 绘制电气原理图、装配图、接线图。5. 熟练掌握S7-200软件，具有一定的编程能力。开始日期2012年1月7日完成日期2012年06月20日系主任(签字)2012年1月8日西 安 邮 电 学 院毕 业 设 计 (论文) 工 作 计 划 学生姓名_ _指导教师_职称_讲师_系别_自动化学院_专业_自动化_题目 基于S7-200伺服电机控制系统设计_工作进程起 止 时 间工 作 内 容 1月8日3月12日 了解伺服控制的基本原理 3月13日4月3日 熟悉S7-200软件编程环境及WinCC软件 4月4日4月23日 画出WinCC监控画面 4月24日5月23日 编写并调试伺服控制控制程序 5月24日6月6日 撰写毕业论文。主要参考书目(资料)1 贾贵玺，张臣刚等.高压变频调速技术的研究及其应用.天津：电气传动，No.4，1999，14172 吴洪洋，何湘宁.高功率多电平变换器的研究和应用.天津：电气传动，No.2,2000,7123 陈伯时，谢鸿鸣.交流传动系统的控制策略.CAVD99, 174 苏彦民，李宏.交流调速系统的控制策略.北京：机械工业出版社，1998主要参考书目(资料)主要仪器设备及材料伺服电机及S7-200软件、WINCC论文(设计)过程中教师的指导安排 每周三下午、周五下午对计划的说明西安邮电大学毕业设计(论文)开题报告 自动化学院 系 自动化 专业 08 级 05 班课题名称：基于S7-200伺服电机控制系统设计 学生姓名： 学号： 指导教师： 报告日期： 2012年3月28日 1.本课题所涉及的问题及应用现状综述为了提高学生在进入自动化专业工作岗位之前的实际动手能力，提前接触和适应自动化专业工作岗位中可能遇到的问题，本题目通过学习和使用自动化专业可能用到的编程软件S7-300和组态王，使学生能够提前学习并掌握自动化专业的相关软件。 由于伺服电机在调节过程中，受到模拟信号和伺服电机本身特点的影响，为了很好的调节伺服电机速度和模拟信号之间的关系，应用PID算法来达到调节要求。并应用组态工能实现控制2本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析重点研究的关键问题：PLC输出的模拟量实现对伺服电机的速度较为精准的控制解决思路：见原理图3完成本课题的工作方案完成本课题要认真复习电机控制的基本知识，设计电动机总线型调速控制系统，主要根据电机的调速原理结合总线功能进行设计。并对电机的PID调速有一个清晰的认识。要学习基本电气控制的设计方法，学习step7和组态软件的使用。熟练掌握组态王的使用,为此制定完成本课题的工作方案如下： 第一周:完成知识储备，认真复习现场总线的定义和设计方法及其基本原理；第二周:熟悉控制系统的要求，对该系统要完成的功能进行分析。并设计电气线路图和PLC的外围接线图。 第三周:学习工业组态软件组态王的使用； 第四周:完成电机调速设计方案的程序部分； 第五周:继续对电机调速方案进行分析整理； 第六周:提供分析整理报告，并进行中期检查； 第七周:完成组态画面的绘制和变量的连接； 第八周:继续完成组态画面的绘制和变量的连接，并整理资料； 第九周:提供组态仿真报告并调试电路； 第十周:调试并进行后期检查； 4指导教师审阅意见指导教师(签字)： 2012年 3 月 8 日说明：本报告必须由承担毕业论文(设计)课题任务的学生在毕业论文(设计) 正式开始的第1周周五之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。西安邮电大学毕业设计 (论文)成绩评定表学生姓名性别男学号专 业班 级自动0805班课题名称基于S7-200伺服控制系统设计课题类型科研题目难度较难毕业设计（论文）时间2012 年3月8日6月 17日 指导教师(职称：讲师)课题任务完成情况论 文 (千字)； 设计、计算说 明书 (千字)； 图纸 (张)；其它(含附 件)：指导教师意见分项得分：开题调研论证分； 课题质量（论文内容）； 创新分；论文撰写（规范）分； 学习态度分； 外文翻译 分指导教师审阅成绩：指导教师(签字)： 年 月 日评阅教师意见分项得分：选题分； 开题调研论证 分； 课题质量（论文内容） 分； 创新 分；论文撰写（规范）分； 外文翻译 分评阅成绩：评阅教师(签字)： 年月 日验收小组意见分项得分：准备情况分； 毕业设计（论文）质量分； （操作）回答问题分验收成绩：验收教师(组长)(签字)： 年 月 日答辩小组意见分项得分：准备情况 分； 陈述情况分； 回答问题 分； 仪表 分答辩成绩： 答辩小组组长(签字)： 年 月日成绩计算方法(填写本系实用比例)指导教师成绩 () 评阅成绩 () 验收成绩 () 答辩成绩 ()学生实得成绩(百分制)指导教师成绩 评阅成绩 验收成绩 答辩成绩 总评 答辩委员会意见 毕业论文(设计)总评成绩(等级)： 系答辩委员会主任(签字)： 系(签章) 年月 日备注西安邮电学院毕业论文(设计)成绩评定表(续表)目录摘 要IABSTRACTII引 言III1 概述11.1伺服电机控制技术现状11.2伺服调速调速控制技术发展趋势11.3伺服电机调速概况21.3.1 本课题研究意义21.3.2 本课题系统基本结构22伺服电动机调速原理32.1 伺服电机技术32.1.1 伺服电机技术介绍32.1.2.与其电机相比较伺服电机的优点32.2 伺服电机结构和工作原理42.2.1 交流伺服电动机的组成结构42.2 .2伺服电动机的工作原理52.3伺服驱动器概述62.3.1 伺服驱动器62.3.2 伺服电机控制系统调速控制系统及其原理63 伺服电机调速控制系统硬件设计73.1系统硬件设计73.2 控制电路设计83.2.1 系统硬件布局图83.2.2系统硬件配置图83.2.3 外部接线图83.3 系统分析93.3.1 控制电路分93.4 软件设计94编程软件及组态设计114.1 S7-200的简介114.1.1 系统组成114.1.2 功能及通讯124.2 编程软件简介124.2.1 项目的硬件组态134.2.2 程序编写144.3 S7-200 通信154.3.1 WIncc与S7-200 通信相关软件介绍154.4 组态设计174.4.1组态监控界面184.4.2 组态变量195.控制过程22结论参考文献2摘 要随着自动化水平的不断提高，越来越多的工业控制场合需要精确的位置控制。因此，如何更方便、更准确地实现位置控制是工业控制领域内的一个重要问题。伺服系统是以机械运动的驱动设备，伺服电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统,这类系统控制电动机调转速，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求本文主要介绍了利用西门子PLC输出的模拟量、伺服控制器完成了对伺服电机转速精准的控制。提高了系统控制的可靠性和精确度。满足了工业现场的需要。关键词：伺服电机 PLC 模拟量ABSTRACTWiththecontinuous improvementofthelevel of automation, more and moreindustrialcontrol applicationsneedaccurateposition control.Therefore,more convenient,more accurateposition control isan important issuewithinthefieldofindustrial control.Servo system is based onmechanical movementof thedrivenequipment, theservomotorto control theobjecttothecontrolleras the core powerelectronic powerconversion deviceas the executing agency, theelectric driveautomatic control systemunder the guidanceof theautomatic control theory, such systemscontrolthespeedofthe motortone,converts electrical energyinto mechanical energy,and movingmachinerymovementIn this paper,using SiemensPLC outputanalogservo controllerhascompleted aprecisionservo motorspeedcontrol.Improve thereliabilityand accuracyofthe system control.Meetthe needsoftheindustrialsite.KEY WORDS: Servo motor，PLC ，analog 引 言伺服电机在自动控制系统中用作执行组件，它将接收到的控制信号转换为轴的角位移或角速度输出。通常的控制方式有三种：通讯方式，利用RS232或RS485方式与上位机进行通讯，实现控制；模拟量控制方式，利用模拟量的大小和极性来控制电机的转速和方向；差分信号控制方式，利用差分信号的频率来控制电机速度。简单、方便的实现对伺服电机转速的精确控制是工业控制领域内的一个期望目标，本文主要研究如何利用PLC输出的模拟量实现对伺服电机的速度较为精准的控制1 概述1.1伺服电机控制技术现状从70年代后期到80年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类：永磁同步（SM型）电动机交流伺服系统和感应式异步（IM型）电动机交流伺服系统。其中，永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流。感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格低廉，因而具有很好的发展前景，代表了将来伺服技术的方向。但由于该系统采用矢量变换控制，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，而且电机低速运行时还存在着效率低，发热严重等有待克服的技术问题，目前并未得到普遍应用。系统的执行元件一般为普通三相鼠笼型异步电动机，功率变换器件通常采用智能功率模块IPM。为进一步提高系统的动态和静态性能，可采用位置和速度闭环控制。三相交流电流的跟随控制能有效地提高逆变器的电流响应速度，并且能限制暂态电流，从而有利于IPM的安全工作。速度环和位置环可使用单片机控制，以使控制策略获得更高的控制性能。电流调节器若为比例形式，三个交流电流环都用足够大的比例调节器进行控制，其比例系数应该在保证系统不产生振荡的前提下尽量选大些，使被控异步电动机三相交流电流的幅值、相位和频率紧随给定值快速变化，从而实现电压型逆变器的快速电流控制。电流用比例调节，具有结构简单、电流跟随性能好以及限制电动机起制动电流快速可靠等诸多优点1.2伺服调速调速控制技术发展趋势由于现代微电子技术的不断进步以及电力电子电路良好的控制特性，使几乎所有新的控制理论，控制方法都得以在交流调速装置上应用和尝试。现代控制理论不断向交流调速领域渗透，特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，使得交流电动机调速技术正向高频化、数字化和智能化方向发展。近年来电力电子装置的控制技术研究十分活跃，各种现代控制理论，如自适应控制和滑模变结构控制，以及智能控制和高动态性能控制都是研究的热点。这些研究必将把交流调速技术发展到一个新的水平。控制系统的软化对CPU芯片提出了更高的要求，为了实现高性能的交流调速，要进行矢量的坐标变换，磁通矢量的在线计算和适应参数变化而修正磁通模型，以及内部的加速度、速度、位置的重叠外环控制的在线实时调节等，都需要存储多种数据和快速实时处理大量信息。可以预见，随着计算机芯片容量的增加和运算速度的加快，交流调速系统的性能将得到很大的提高。当今科学的快速发展使得各学科之间已没有严格的界线，它们相互影响，相互渗透，从发展的角度来看，把神经网络、模糊控制、滑模变结构控制等现代控制理论用于伺服电机调速技术有着极其重要的意义和广阔的前景，可以认为这将是伺服电机调速技术的发展方向之一。此外，控制领域的其他新技术如现场总线、自适应控制、遗传算法等，也将引入到交流传动领域，给伺服电机调速的控制技术带来重大的影响。1.3伺服电机调速概况1.3.1 本课题研究意义20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。S7-200，Wincc 是由国际知名的自动化公司研发的，完全是为了满足工业自动化领域的应用的PLC和组态。伺服系统运用的行业是一个自动化程度非常高的行业，这些系统都存在可靠性要求高、监控设备和对象多而复杂、实时性要求高等特点。随着现伺服技术和远程控制日益成熟信息化要求的提高，基于现场总线的控制系统将为电力行业自动化系统提供更好的选择。目前制约基于PLC的控制伺服系统在工业应用上的主要问题，主要包括以下几个方面：支持PLC控制伺服系统的智能设备造成初期投资的提高；系统结构如何变化，如何构筑一个基于PLC伺服的控制系统；通讯是否可靠；设备选型的局限性等对于用户的这些疑问等。1.3.2 本课题系统基本结构伺服调速系统的主要组成部分如图1-1所示。其中伺服电机是受控对象和传动装置。伺服驱动器将具有一定电压、电流和频率的电源能量变换为具有可调电压、可调电流或可调频率电源能量，起电能变换和控制作用，以检验和变换反馈信号。在伺服调速系统中主要反馈量有电压、电流、转速、转矩、磁通和转子位置角等。控制层根据给定信号和反馈信号产生所需要的控制指令和偏差信号。调节装置用于按照一定规律控制变流装置能量的流动，通过硬件或软件产生满足控制要求的算法或校正量，以提高或校正系统的静态性能。在要求不很高的场合，没有反馈装置而采用开环控制，但前提是电机本身应具有足够的稳定性和可调性。图 1-1伺服机调速系统的基本结构图2伺服电动机调速原理随着伺服电动机在国内外市场上日益扩大应用。我国对于伺服电机的品种不断扩大，产品设计也不断改进。为适应不同用途、不同工作条件和使用环境等各种要求，专用系列和改型系列伺服电机产品在将来将迅速发展。2.1 伺服电机技术2.1.1 伺服电机技术介绍伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。2.1.2.与其电机相比较伺服电机的优点：伺服电机的主要特点是电机转子转速受输入型号控制，实现电机转速或被控对象输出的控制。此外，还具有以下优点：1、精度：实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题； 2、转速：高速性能好，一般额定转速能达到20003000转； 3、适应性：抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用； 4、稳定：低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合； 5、及时性：电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内； 6、舒适性：发热和噪音明显降低。与其他电机相比，利用伺服电机控制系统进行调速控制有许多优点，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，2.2 伺服电机结构和工作原理2.2.1 交流伺服电动机的组成结构交流伺服电动机的结构主要可分为两大部分，即定子部分和转子。其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同，在定子铁心中也安放着空间互成90电角度的两相绕组，如图3-1所示。其中L1- L2称为励磁绕组， k1-k2称为控制绕组，所以交流伺服电动机是一种两相的交流电动机。转子的结构常用的有鼠笼形转子和非磁性杯形转子。 鼠笼形转子交流伺服电动机的结构如图3-2所示， 它的转子由转轴、 转子铁心和转子绕组等组成。 转子铁心是由硅钢片叠成的， 每片冲成有齿有槽的形状， 如图3-3所示， 然后叠压起来将轴压入轴孔内。 铁心的每一槽中放有一根导条， 所有导条两端用两个短路环连接， 这就构成了转子绕组 图3-1 两相绕组分布图1 定子绕组2 定子铁心3 鼠笼转子图3-2 鼠笼型转子交流伺服电机 图3-3 转子冲片非磁性杯形转子交流伺服电动机的结构如图3-4所示。 图中外定子与鼠笼形转子伺服电动机的定子完全一样,内定子由环形钢片叠成,通常内定子不放绕组， 只是代替鼠笼转子的铁心，作为电机磁路的一部分。在内、外定子之间有细长的空心转子装在转轴上，空心转子作成杯子形状，所以又称为空心杯形转子。空心杯由非磁性材料铝或铜制成，它的杯壁极薄，一般在0.3 mm左右。 杯形转子套在内定子铁心外，并通过转轴可以在内、外定子之间的气隙中自由转动，而内、 外定子是不动的。1杯形转子 2外定子 3内定子 4机壳 5端盖 图3-4 杯形转子伺服电动机与鼠笼形转子相比较，非磁性杯形转子惯量小，轴承摩擦阻转矩小。由于它的转子没有齿和槽，所以定、转子间没有齿槽粘合现象，转矩不会随转子不同的位置而发生变化，恒速旋转时，转子一般不会有抖动现象，运转平稳。但是由于它内、外定子间气隙较大(杯壁厚度加上杯壁两边的气隙)，所以励磁电流就大，降低了电机的利用率，因而在相同的体积和重量下，在一定的功率范围内，杯形转子伺服电动机比鼠笼转子伺服电动机所产生的启动转矩和输出功率都小；另外，杯形转子伺服电动机结构和制造工艺又比较复杂。因此， 目前广泛应用的是鼠笼形转子伺服电动机， 只有在要求运转非常平稳的某些特殊场合下(如：积分电路等)， 才采用非磁性杯形转子伺服电动机。2.2.2伺服电动机的工作原理交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。当电机原来处于静止状态时，如控制绕组不加控制电压，此时只有励磁绕组通电产生脉动磁场。可以把脉动磁场看成两个圆形旋转磁场。这两个圆形旋转磁场以同样的大小和转速，向相反方向旋转，所建立的正、反转旋转磁场分别切割笼型绕组（或杯形壁）并感应出大小相同，相位相反的电动势和电流（或涡流），这些电流分别与各自的磁场作用产生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩为零伺服电机转子转不起来。一旦控制系统有偏差信号，控制绕组就要接受与之相对应的控制电压。在一般情况下，电机内部产生的磁场是椭圆形旋转磁场。一个椭圆形旋转磁场可以看成是由两个圆形旋转磁场合成起来的。这两个圆形旋转磁场幅值不等（与原椭圆旋转磁场转向相同的正转磁场大，与原转向相反的反转磁场小），但以相同的速度，向相反的方向旋转。它们切割转子绕组感应的电势和电流以及产生的电磁力矩也方向相反、大小不等（正转者大，反转者小）合成力矩不为零，所以伺服电机就朝着正转磁场的方向转动起来，随着信号的增强，磁场接近圆形，此时正转磁场及其力矩增大，反转磁场及其力矩减小，合成力矩变大，如负载力矩不变，转子的速度就增加。如果改变控制电压的相位，即移相180o，旋转磁场的转向相反，因而产生的合成力矩方向也相反，伺服电机将反转。若控制信号消失，只有励磁绕组通入电流，伺服电机产生的磁场将是脉动磁场，转子很快地停下来。鼠笼转子(或者是非磁性杯形转子)所以会转动起来是由于在空间中有一个旋转磁场。 旋转磁场切割转子导条， 在转子导条中产生感应电势和电流， 转子导条中的电流再与旋转磁场相互作用就产生力和转矩， 转矩的方向和旋转磁场的转向相同， 于是转子就跟着旋转磁场沿同一方向转动。 这就是交流伺服电动机的简单工作原理。2.3伺服驱动器概述2.3.1 伺服驱动器 控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。2.3.2 伺服电机控制系统调速控制系统及其原理伺服电机调速系统由伺服驱动器、电动机及其控制系统构成。伺服调速系统通过改变异步电动机定子的供电源频率，从而改变电动机同步转速，其调速特性基本上保持了伺服电动机固有的机械特性硬度高、转差率小的特点，同时具有效率高、调速范围宽、精度高、调速平滑等优点。伺服调速工作原理图如图2-4所示。（a）伺服驱动器工作原理图 （b）伺服调速工作原理框图由公式可知，改变电机频率和极数均可改变电机的转速。因此改变电动机频率就可以实现调速运转。伺服驱动系统主要设备是提供变频电源的伺服驱动，伺服驱动器可分成交-直-驱动器和-交变频器两大类，目前国内大都使用交-直-交驱动器。其特点是效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广；调速范围大，精度高。 由公式3-2可知，改变定子电源频率可以改变同步转速和电机的转速。又由电动机的电势公式可知外加电压近似与频率和磁通的乘积成正比，即 （2-1） 式中，为常数。由此有 （2-2）由公式2-2可知，若外加电压不变，则磁通随频率改变而改变。一般电机在设计中为了充分利用铁心材料都把磁通的数值选在接近磁饱和的数值上，因此，如果频率从额定值往下降低，磁通会增加，将造成磁路过饱和，励磁电流增加，铁心过热，这是不允许的。为此我们要在降频的同时还要降压，这就要求频率与电压能协调控制。3 伺服电机调速控制系统硬件设计3.1系统硬件设计图 3-1伺服电机控制系统框图由图3-1可知，PLC控制器为系统主控制器；伺服驱动器通过自带的通信模块可以很方便地连接到PLC控制网络上；使用s7-200的编程软件step7设计梯形图程序，并下载到PLC控制器中，实现远程基于S7-200对伺服驱动器控制，进而实现对电机的调速。其中，计算机用于系统的组态、监控和编程，PPI电缆负责PLC控制器与计算机之间的通信，而PLC控制器进行顺序和传动控制，通过伺服驱动器专用线将控制器命令传达给伺服驱动器，同时接受伺服驱动器的状态并实现实时反馈信息。控制程序将速度给定值命令信息以控制字的数据格式传给PLC控制器，实现伺服驱动器的自动控制。3.2 控制电路设计3.2.1 系统硬件布局图图3-2所示是S7-200的硬件布局图，该图规划了电器的布局，方便接线和控制。图3-2 硬件配置图3.2.2系统硬件配置图图3-3所的是S7-200的硬件配置图，该图和外部接线图统一编号，完成了外部接线。图3-3系统硬件配置图3.2.3 外部接线图外部接线图如3-4图3-4 外部接线图3.3 系统分析3.3.1 控制电路分电动机总线型调速控制系统电路如图3-5：图3-5 伺服电机调速控制系统电路控制电路分析：PLC为本系统总控制器，本系统用到的PLC通过特制电缆连接伺服驱动器；驱动器再接伺服电机；伺服电机通过伺服驱动器给PLC一个反馈信号，这个反馈信号接PLC的模拟量输入端。这样便于控制更加精准和快速。由用户程序控制PLC的动作，PLC的动作引起欺负驱动器的反应，从而达到控制电机转速的目的。编码器接24V直流电源。伺服驱动器接220V交流电。工业控制计算机通过PPI电缆连接PLC，用户可以通过组态软件观察控制系统工作情况。从而实现远程控制电机调速系统。3.4 软件设计编程设计时，依据PLC是以循环扫描方式按顺序执行程序的基本原理，按照动作的先后顺序，从上到下逐行绘制梯形图，它比由继电器控制电路改画成的梯形图程序往往更加清楚，更容易掌握。使用S7-200编写的梯形图程序如下，符号表的定义如图3-6：图3-6符号表的定义主程序块OB1，其部分程序截图如图3-7：图37 主程序部分程序子程序SBR_0部分截图，如图3-8：图3-8 SBR_0部分程序程序分析：DB1为程序主数据块，存放系统程序执行过程中的主要数据，在符号定义表中用户自己定义系统的主要数据名称和存储地址；SBR_0是自己编写的程序块，其主要功能为：SBR_0实现模拟量到数字量的转换，这是为了方便PLC计算，因为PLC在运算时只能处理数字量；为了便于利用组态软件观察。系统上电运行时，程序顺序扫描，在扫描到SBR_0时，先调用子程序SBR_0，将输入的模拟量转换为数字量，送入PLC进行运算。其数据存储到主数据块DB1。然后经过一些变频器控制命令和数据传输指令，最后调用子程序FC2，将PLC的运算结果转换为模拟量输出，同样将数据存储在符号定义表中，便于用户通过自己绘制的组态软件观察系统的运行情况和数据的改变等。4编程软件及组态设计4.1 S7-200的简介S7-200是模块化中型PLC系统，采用模块化结构，其框图如图4-1所示：图4-1 PLC框图4.1.1 系统组成SIMATIC S7-200系列PLC是模块化结构设计，各单独模块之间可进行广泛组合和扩展。其系统构成。、电源模块(PS)、中央处理单元模块(CPU)、信号模块(SM)、功能模块(FM)等。它通过PPI网的接口直接与编程器PG、操作员面板OP和其它S7 PLC相连。 负载电源模块（PS）：用于将SIMATICS7200连接到120/230v交流电源，或24/48/60/110V直流电源。 中央处理单元CPU：各种CPU有不同的性能一般根据工业需求自己选择。 信号模块（SM）：用于数字量和模拟量输入/输出。 功能模块（FM）：用于高速计算，定位操作（开环和闭环定位）和闭环控制。4.1.2 功能及通讯SIMATICS7-200的大量功能能够支持和帮助用户进行编程、启动和维护，其主要功能如下：数字量输入、输出；模拟量输入、输出。另外还有高数计数器模块，以太网通讯模块，串口通讯模块，分布式I/O（等，数字量输入一般用于阀门，闸门，位置量的开关到位反馈，数字量的输出一般用于阀门，闸门等开关控制，当然这里的阀门和闸门是指非调节型的，而模拟量输入可以用于可调节型阀门闸门的开度反馈，以及向液位，流量，速度等模拟量值的反馈，而输出则是对上述进行控制。这四个是最常用的，基本的控制用这四个就够了。图4-2PLC的扫描过程4.2 编程软件简介STEP 7 Micro/win是S7-200系列PLC应用设计软件包，所支持的PLC编程语言非常丰富。该软件的标准版支持STL（语句表）、LAD（梯形图）及FBD（功能块图）三种基本编程语言，并且在STEP 7中可以相互自由转换。专业版附加对GRAPH（顺序功能图）、SCL（结构化控制语言）、HIGRAPH（图形编程语言）、CFC（连续功能图）等编程语言的支持。STEP7用文件形式管理用户编写的程序。用户程序存放于不同的块中，如果这些块是子程序，可以通过通用语言，将它们组织成结构化的用户程序。可以在以后用到时直接调用。这样就大大简化程序结构。当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。4.2.1 项目的硬件组态第一步，单击File New，新建一个工程项目，例如“伺服电机调速”。然后选择其存储位置。如图4-3所示；图4-3 新建项目第二步双击符号表，定义用户符号图4-4 定义用户符号第三步，根据实际的硬件配置硬件通讯:双击“系统块”进行硬件组态选设置硬件组态完毕后，保存设置；生成的设定硬件通讯如图4-5。图4-5 最终通讯硬件组态4.2.2 程序编写第一步，硬件组态完毕后，点击展开项目“伺服电机控制”的“S7 程序（1）”至“块”，打开编程所需要的块。如图：图4-6程序编写第二步，下载与上传程序编程完保存后，点击“Download”图标或者右键点击“Blocks”，在弹出菜单中选择“PLC” “Download”实现整个程序块的下载。4.3 S7-200 通信S7-200通过OPC与WINCC通信，WINCC没有PPI驱动，不能直接与S7-200的串口通讯，然而WINCC带有OPC服务器或客户端的驱动挥着软件，通过OPC可以实现其之间的数据交换。4.3.1 WIncc与S7-200 通信相关软件介绍 OPC（OLE for process Control）是一种嵌入式过程控制标准，是使用于服务器/客户端连接的统一而开放的接口标准和技术规范。LOE是微软为Windows系统、应用程序之间的数据交换而开发的技术。不同的供应商的硬件在不同的标准和协议，OPC作为一种工业标准，提供了工业环境中信息交换的统一标准，数据用户不用再为不同的厂商的数据源开发驱动和服务程序。 PC Access软件是专用于S7-200PLC的OPC Sever 软件，它向OPC客户提供数据信息，可以与任何标准的OPC Client通讯。(1)PC Access 软件概貌和运用 1)PC Access 软件概貌 S7-200 PC Access 的项目与 Windows Explorer 相似，以树形结构排列，因此用户使用起来非常简单便捷。OPC 客户测试端以列表格，如图PC Access 概貌 图4-7PC Access 概貌2)PC Access 软件的使用 完成一个项目的配置需要完成以下五个基本步骤： a. 设置通讯访问通道b. 创建 PLCc. 创建 Folderd. 创建 I teme. 测试通讯质量 第 一步：设置通讯访问通道 :鼠标右键点击 MicroWin 进入 PG/PC Interface 设定通讯方式，此处通讯硬件以PC/PPI 电缆为例。PC Access 可与 Micro/WIN 共享通讯路径，共享通讯路径需要 STEP 7 /Micro/WIN V4.0 以上版本 图4-8设置 PC Access 的通讯通道第二步： 添加 S7-200 CPU 站点 用鼠标右键点击 MicroWin，进入 New PLC 的右键菜单，添加一个新的 S7-200 PLC 站。最多可添加 8 个 S7-200 PLC。4-9图中： a.定义 PLC 的名称 b.输入 CPU 的网络地址第三步：添加 Folder ：鼠标右键点击所添加的 S7-200 PLC 的名称，进入 New Folder 添加文件夹并命名。 图4-10添加 Folde第四步：添加 Item（条目）： 鼠标右键点击文件夹，进入 New Item 添加 PLC 内存数据的条目并定义内存数据。 图4-11添加 Item第五步：用测试客户端检测配置及通讯的正确性 ：PC Access 软件带有内置的测试客户端，用户可以方便的使用它检测配置及通讯的正确性。 将测试的 条目拖拽到测试客户端，然后点击在线按钮使之在线，如果配置及通讯正确，会显 示数据值，并在 Quality 一栏中显示“good”，否则这一栏会显示“bad”。（如图 1.之软件概貌所示） 4.4 组态设计WINCC监控开发软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。经过近十年的各种突发环境的真实考验，已有几万例工程在现场运行，支持超过1500种硬件设备（包括PLC、总线设备、板卡、变频器及仪表）。组态王软件完全基于网络概念，是一个完全意义上的工业级软件平台，现已广泛应用于化工、电力、邮电通讯、环保、水处理、冶金和食品等各行业。它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用WINCC对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。4.4.1组态监控界面使用WINCC实现控制系统实验仿真的基本方法：(1)图形界面的设计。(2)构造数据词典。(3)动画连接的建立。(4)运行和调试。实际上这五个步骤并不是完全独立的，常常是交错进行的：第一步，启动“WINCC”项目管理器，选择菜单“文件/新建项目”或单击“新建”按钮，弹出3种选项：单用户项目、多用户项目、客户及项目。第二步，单击“单用户项目”继续。弹出“新建项目”对话框，输入新建WINCC项目的路径。第三步，单击“下一步”继续，弹出“新建项目向导之三”对话框，如图4-18，在项目名称文本框中输入项目的名称，该项目名称同时将被作为当前工项目的路径名称。在项目描述文本框中输入对该工程的描述文字。工程名称长度应小于32个字节，项目描述长度应小于40个字节。单击“完成”完成项目的新建。图4-12新建工程名称和描述 第四步，将该项目设为新建工程，执行“文件设为当前项目”命令；单击“是”按钮。如图4-19。图4-13设置为当前工程4.4.2 组态变量第一步：添加逻辑连接添加一个通讯驱动程序。右击浏览窗口中的“变量管理”在快捷菜单中选择“添加新的驱动程序”选择OPC,并单击打开按钮，所选择的驱动程序将显示在变量管理的子目录下，如所示图4-14新建画面第二步：添加变量组在“变量管理”中会出现OPC驱动程序的变量组链；OPC GROUPS图4-15连接OPC变量组第三步：添加WINCC的OPC驱动：在OPC GROUPS点击“新的程序连接”，将打开的OPC条目管理器。选择“LOCAL”中的S7200.OPCServer,并点击“过滤服务器”，弹出“过滤标准”的对话框中，点击下一步，如图： 图4-16连接S7200.OPCServer第四步：建立WINCC OPC CLIENT出现已经建立的S7200.OPCSERVER对话框，选择已建的ITEMS，并“添出现加条目”，完成后。在OPC GROUPS下将S7200_OPCSERVER的链接，已经添加的条目，如图：图4-17设置S