基于Profibus的电力传动控制系统(硬件部分)毕业设计

1、毕业设计（论文）题 目：基于profibus的电力传动控制系统（硬件） 学 院： 信息工程学院专业名称： 自动化班级学号： 09044305学生姓名： 指导教师： 二o一三 年 六 月 学士学位论文原创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其它学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规

2、定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 日期：导师签名： 日期：基于profibus的电力传动控制系统（硬件） 摘要：本文以西门子工控仪器作为硬件平台，搭建设计了基于profibus的电力传动控制控制系统。 该系统的设计包括上位机的电机操作、监控界面单元、上位机与控制器通信单元、控制器执行单元以及现场设备单元。本文设计的内容针对于系统控制单元和现场设备的连接；上位机和控制器的连接；执行器的参数设置等硬件调试。

3、 本文以工业现场总线中常用的profibus-dp作为通信的基础，完成上位机与控制单元、多个控制单元之间的通信。本设计的控制单元包括两个s7-300 plc和一个mm440变频器。一个s7-300作为监控主站，另一个作为控制从站。采用profibus-dp主从ms通信方式。主站监控获取变频器的运行频率和输出电压，从站发出上位机的控制命令给变频器，mm440变频器作为控制执行单元。由于mm440没有带集成dp口和专用通讯板，设计时控制单元和控制执行单元之间的所有连接通过导线完成。变频器采用控制从站输出的模拟量给定作为频率控制标准。本系统的现场设备为一个三相异步电动机。本设计的目的主要在于解决该现

4、场设备的远程正反转、无级调速和正反向点动控制,同时读取mm440的运行数据送上位机对比显示。通过调试运行，本系统设计基本达到预想的各项指标，同时具有良好的稳定性和安全性。关键词：profibus-dp网络 s7-300 mm440 通信 异步电动机 传动控制 指导老师签名：electric drive control system based on profibus (hardware)student name: chen dian class: 090443supervisor: peng yuanxiuabstract: this thesis constructs a control s

5、ystem of electric drive control system that uses profibus communication mode based on the siemens industrial equipment as the hardware platform. the design of the system includes the motor operation of the host computer, the monitor interface unit, the host computer with the controller communication

6、 unit, the controller execution units and field devices unit. the paper design content includes connection in the system control unit and field devices, the connection host computer to the controller, actuator parameter setting and hardware debugging. in this paper, complete the host computer and th

7、e control unit, a plurality of communication between the control units based on the commonly using profibus-dp industrial field bus communication as a foundation. the design of the control unit includes two s7-300 plcs and a mm440 inverter. one s7-300 is the monitoring master, and the other is the c

8、ontrol slave station. the system uses profibus-dp master-slave ms communication mode. master monitor accesses to the drive operating frequency and output voltage, the slave station access command from host computer and transmitted it to the frequency converter, mm440 as control execution unit. due t

9、o the mm440 without the integrated dp port or a dedicated communication board, between the control unit and control execution units connected use a wire to complete the design. inverters use the analog output given witch from slave as a control standard to control frequencies. the system's field

10、 device is a three-phase asynchronous motor. the main purpose of the design is to solve the remote reversing of the field devices pros and cons of moving, step-less speed regulation, pros and cons jop control. running data obtain from mm440 and send to host computer display contrast. debugging and r

11、unning, the system designed to meet the initial indicators, and also has good stability and security.key words：profibus-dp network s7-300 mm440 communication asynchronous motor drive control signature of supervisor：目 录1 引言11.1 研究目的及意义11.2 国内外文献综述及相关领域的研究进展及成果21.3 主要研究内容42 电力传动控制系统硬件平台52.1 plc52.1.1

12、300系列plc52.1.2 cpu314c-2pn/dp72.2 mm440变频器102.3 三相异步电动机122.4 profibus通信线制作122.4 接触器和继电器143 控制系统硬件网络组态173.1 新建硬件组态项目173.2 从站硬件组态183.2.1 从站硬件配置183.2.2 从站通信映射区组态213.3 主站硬件组态233.3.1 主站硬件配置233.3.2 主站通信映射区组态234 硬件系统设计254.1分析被控对象和明确控制任务254.2 mm440参数设置264.3 硬件连接284.3.1 plc从站和mm440的连接284.3.2 plc主站和变频器连接294.3

13、.3 电源、接触器、继电器连接295 调试运行316 结论32参考文献33致谢34附录35南昌航空大学学士学位论文1 引言1.1 研究目的及意义 本课题的选题依据源自一个工控实验室里的教学开发项目。变频器的应用、plc的profibus通信、电力传动系统的控制是该实验室研究的三个部分。在传动控制系统中，选择怎样的方式来控制电机的转动姿态，用什么硬件设备来作为控制器，需要达到什么样的控制精度，这对传动控制系统在实际生产中的应用来说是非常重要的。而且随着信息技术的进步和制造的工业不断发展，在工业生产上对电机姿态的监控也是不可或缺的，上位机监控不仅能确保生产的安全性，同时基于上位机的远程监控也能让控

14、制更加的人性化，节省一定的资源。 目前电机的控制一般多采用现场按钮接通给电的方式来控制。本课题的研究主要是为了对电机的控制更加的方便、快捷、精确。以西门子可编程控制器s7-300 plc、变频器mm440作为控制器，安装有wincc的工控机作为上位机，使用profibus现场总线建立通信网络。用户能够坐在电脑前就对电机的各项参数指标精确的控制，同时实时的监控显示电机的电压、频率、转速等参数。电机的各种姿态信息能直观地在上位机界面上以数字或图表的方式向用户反映出来，这样能让控制更加的的方便快捷，也能够精确的达到各种控制指标。 德国西门子公司开发的plc、变频器等产品能够让用户快速有效的开发出一套

15、基于profibus通信协议的传动控制系统。人性化的硬件系统、精准的控制模块、便捷的接线端口、集成的接口模式使得这一套硬件在传动控制系统中应用十分的广泛。而基于profibus的通信方式用来控制传动系统对于工业领域的精确控制有着重要的意义。本文中用到的plc是面向用户的工业控制计算机，相比于传统的一些控制器具有许多明显的优点1： 1）高可靠性：plc所有的输入输出接口电路都采用光电隔离，使工业现场的外部电路与plc内部电路之间实现电气隔离；plc各输入上均采用r-c滤波技术，其滤波时间常数一般为10-20ms；plc各模块采用了性能良好的开关电源；plc所采用的器件都进行严格的筛选和长期的使用

16、验证。 2） 丰富的输入输出模块：plc针对不同的工业现场信号，有丰富的模块供用户选用。如：dc/ac、数字量/模拟量、电压/电流、脉冲/电位等等。plc相应的输入输出模块可以与工业现场的多种器件或者设备相连接。与输入模块相连有按钮、行程开关、接近开关等；与输出模块相连的有电磁阀、接触器、电机、指示灯等。为了提高plc的功能，它还提供了多种人机对话的接口模块。为了组成工业局部网络，plc还有多种通信模块。3） 采用模块化结构：除了厢体式的小型plc，目前绝大多数plc均采用模块化结构。plc的各个部件如cpu、电源等都采用模块化设计，由机架和电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能用户可自己组合

17、。4） 编程简单：plc的编程大多数采用类似于继电器控制线路的梯形图格式，形象直观，易学易懂。5） 安装简单，维修方便。因此，为保证高效，可靠的工作，本系统采用plc控制。1.2 国内外文献综述及相关领域的研究进展及成果1.2.1 profibus现场总线的研究现状现场总线（fielebus）是20世纪80年代中后期随着计算机、通信、控制和模块化集成等技术的发展而出现的一门新兴技术，代表自动化领域发展的最新阶段。现场总线最初的概念是由欧洲人提出的，随后北美和南美也都投入了巨大的人力和物力开展研究工作，现场总线的定义有多种。国际电工委员会（iec）对现场总线的定义为：现场总线是应用于生产现场，在

18、现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。现场总线是当今自动化领域发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它作为工业数据通信网络的基础，沟通了生产现场级控制设备之间及其与更高的控制管理层之间的联系。它不仅是一个基础网络，而其还是一种开放式、新型全分布式的控制系统。这项以智能传感器、控制器、计算机、数据通信为主要内容的综合技术。因为受到世界范围内的关注而成为自动化技术发展的热点，并引发了自动化系统结构与设备的深刻变革10。现场总线包括众多的标准，国际电工委员会（iec）确立了在国际上各种不同类型的现场总线标准有10种，包括canbus、profibus、f

19、f、lonworks等现场总线，每种协议都有其特有的应用领域和支持背景，大多成为了一个地区或国家的标准，谁也取代不了谁。在2001年profibus现场总线被定为中国的国家标准jb/t103010.32011。profibus(process field bus 的缩写)是由siemens等公司组织开发的一种国际化的、开放的、不依赖于设备生厂商的现场总线标准。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其它领域自动化。profibus是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场网络通信，从而为实现工厂综合

20、自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案4、10。在现代化工厂环境及大规模的工业生产过程控制中，工业硬件设备被简单地划分为三个层次，即工厂级、车间级和现场级。在现场一般都配置了数量庞大的传感器、执行器、远程i/o、仪表、控制器等等一系列的设备。这些设备传送或接收的既有模拟信号，又有数字量信号。传统的连接方式是将这些设备通过信号线各自接到控制器上，造成了明显的通信速度低、系统不开放、可靠性不易保证和维护性不高4。采用现场总线profibus使得生产上所有集成了profibus总线接口的设备都可以被挂到现场总线上来，解决了上面的一系列缺点。profibus由以下三个兼容部分组成。即profibu

21、sdp、profibuspa、profibus- fms。其中本文所运用的profibusdp应用于现场级，它是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式i/o之间的通讯，总线周期一般小于10ms，使用协议第1、2层和用户接口，确保数据传输的快速和有效进行10。1.2.2 电力传动控制研究现状电力传动控制系统在当今的工业中应用的十分广泛。如矿山的矿井提升作业、炼钢的轧钢轨道控制、高楼的电梯运行、国防中的大型传送装置等。在这一系列的机械作业中，电力传动装置扮演着不可获取的地位。换而言之，当今的社会如果没有对电力传动系统的研究，那么工业将会止步不前。电力传动的研究已经十分成熟，但是电力传动控制

22、系统的研究并没有十分完善，各种各样的控制系统充斥于工业应用中。从最初的闸刀给电控制到后来简单的逻辑按钮控制，后来出现了电力电子调速控制，从速度不可控到后来的无级调速。电力传动控制逐渐的向着专用的调速控制装置，专有的中心处理计算机控制，集散系统的转变，到现在plc可编程控制器的普及。电力传动控制正在变成以计算机为监控，可编程控制器作为控制中枢，电力电子变频装置作为执行器的网络控制模式。工业控制中传动控制系统的体系结构正在由模拟与数字的分散性控制系统（dcs）向全数字现场总线系统（fcs）转换，现在的现场设备和仪表设备的产品结构也将发生重大的变革，现场总线使传动的传动控制设备进入了信息网络的行列，

23、为其应用开拓了更为广阔的应用领域，克服了传统传动控制系统中的“信息孤岛”效应4。1.3 主要研究内容1.熟悉plc硬件系统。2.学习西门子的工控硬件平台，学习使用变频器、工控机等。3.了解plc的网络构建，学会使用profibus协议连接控制器和上位机进行通信。4.对硬件系统组态学习，同时掌握不同硬件系统之间的相互连接。5.设计基于profibus网络的plc电力传动控制系统，实现远程网络控制并用plc采集变频器的模拟输出运算出电机各项运行参数。 2 电力传动控制系统硬件平台本系统设计开发的硬件平台主要是基于工控教学实验室里的西门子工业控制设备，同时也有一些其它的配件，主要硬件如下表2-1所示

24、：表2-1 硬件平台设备及配件型号数量西门子s7-300 plccpu314c-2pn/dp2台西门子变频器mm4401台工控机凌华工控机1台上位机通信卡cp56111张接触器cjx2-09101只正泰继电器jzx-22f（d）/2z1只总线连接器dp总线连接器3只空气开关施耐德c65n1只三相异步电动机y90l-41台通信电缆profibus双绞线5米2.1 plcplc(programmable logic controller)即可编程逻辑控制器， plc是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计

25、数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。plc及其有关的外围设备都按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。目前，世界上有200多家厂商生产plc。其中，西门子的plc在我国各行各业应用相当的广泛。2.1.1 300系列plc德国西门子（siemens）公司的plc 产品里面有simatic s7、m7和c7等几大系列。s7是具有传统意义上的plc 产品，其中s7-300是针对低性能要求的模块式中小型plc，最多可以扩展32个模块1。300系列的plc 是一种通用型的plc，具有模块化，无风扇结构，易于实现分布式的配置以

26、及易于掌握的特点，这使它能够适应自动化工程中的各种应用场合，执行各种控制任务，因此在实践中成为一种既经济又可靠的控制装置。s7-300plc采用模块化的结构，各种模块能以不同的方式组合在一起，模块式plc由机架和模块组成。品种繁多的cpu模块、信号模块和功能模块能完成各种领域的自动控制任务。用户可以根据系统的具体情况选择、更换合适的模块，同样可以扩展plc 。简单实用的分布式结构和强大的通信联网能力，使其应用十分广泛。s7-300plc是模块化的plc，它由以下及部分组成：1.中央处理单元（cpu） 功能：执行用户程序；为s7-300背板总线提供 5v电源；在profibus网络中通过prof

27、ibus与其它的profibus网络节点进行通信。 各种cpu有不同的性能，例如有的cpu集成有数字量和模拟量的输入输出点，有的cpu集成了profibus-dp等通信接口，cpu前面板上有状态故障指示灯、模式选择开关、24v电源端子、电池盒与存储器模块盒（有的没有）。2.负载电源模块（ps）负载电源模块用于将ac220v电源转换为dc 24v电源，提供s7-300 cpu和24v直流负载电路（信号模块、传感器、执行器等）使用。3.信号模块（sm）信号模块包括数字量输入输出模块，数字量i/o模块、模拟量输入输出模块、模拟量i/o模块。它们能使不同级的过程信号电压或电流与plc内部的信号电平相匹

28、配。信号模块主要有数字量输入模块（sm321）和输出模块（sm322），模拟量信号模块主要有输入模块（sm331）和输出模块(sm332)。4.功能模块（fm）功能模块主要用于时间要求苛刻、储存容量要求较大的过程信号处理任务。5.通信处理器（cp）通信处理器用于plc 之间、plc与计算机和其它智能设备之间的通信，可以将plc接入profibus-dp网络和工业以太网，或用于实现点对点通信等。6.接口模块（im）接口模块用于多机架配置时连接主机架(cr)和或扩展机架(er)。s7-300通过分布式的主机架和3个扩展机架，最多可以配置32个信号模块、功能模块和通信处理器。2.1.2 cpu314

29、c-2pn/dp 本系统设计用到的两台plc均是西门子300系列plc，型号：cpu 314c-2pn/dp订货号：6es7314-6eh04-0ab0，固件版本v3.3。该cpu是西门子公司刚推出的新型紧凑型处理模块。集成信号输入输出模块，晶体管输出。模块结构如下图2-1所示：11图2-1 cpu模块结构7状态和出错led灯带有弹性装置的simatic mmc卡插槽集成输入和输出的端子电源连接端子接口x1（mpi/dp）接口x2(pn),配有交端口交换机mac地址和二维条形码模式选择器开关1.cpu的属性如下表2-2所示： 表2-2 cpu314c-2pn/dp的属性11产品型号cpu314

30、c-2pn/dp9针dp接口（x1）x9针dp接口（x2）x数字量输入24数字量输出16模拟量输入4+1模拟量输出2工艺功能4个计数器，一个用于定位的通道2.cpu 314c-2pn/dp与其它的大多数cpu不一样，它工作时不需要给它提供额外的数字量输入输出、模拟量输入输出模块，如sm331/sm331/sm334/sm335等。它自身集成数字量和模拟量的输入输出模块，有x11和x12两个信号模块，有四排共80个i/o接线端子，端子功能分布如图2-2所示，模块的i/o寻址如下表2-3 cpu 314c-2pn/dp的集成i/o寻址所示，方框图和引脚分配如图2-3、2-4所示：11图2-2 i/

31、o功能分布 模拟量输入和模拟量输出 数字量输入 数字量输出3.cpu的寻址如下表2-3所示：输入/输出默认地址注释24个数字量输入136.0到138.7，其中16个输入用于工艺功能：136.0到137.7可以为所有数字量输入分配中断功能。可选的工艺功能：计数频率测量脉冲宽度调制定位16个数字量输出136.0到137.7，其中4个输入用于工艺工能；136.0到136.34+1个模拟量输入800到8092个模拟量输出800到803表2-3 cpu314c-2pn/dp的集成i/o寻址11图2-3 x11集成数字量/模拟量i/o的方框图和引脚分配图2-4 x12集成数字量i/o的方框图和引脚分配2.

32、2 mm440变频器micromaster 440变频器简称mm440变频器，是全新一代可以广泛应用的多功能标准变频器。主要使用变频调速控制三相交流电动机，本系列有多种型号供用户选用。恒定转矩（ct）控制方式额定功率范围从10w-200kw，可变转矩(vt)控制方式可达到250kw。其稳定的性能、丰富的组合功能、高性能的矢量控制技术、低速高转矩输出、良好的动态特性、超强的过载能力、创新的bico（内部功能互联）功能以及无可比拟的灵活性，在变频器市场占据着重要的地位。主要特征：（1）丰富的控制功能。通过设置p1300参数可以选择从v/f控制到带传感器的矢量控制vc等12种不同特点的控制模式，适用

33、于恒转矩、变转矩等各种性质负载，满足各行业的驱动控制要求。 （2）强大的通讯功能。利用profibus通讯可选件，可以将mm440接入开放的、高速（12mb/s）的dp网，实现性能更佳、精度更高的通讯控制。（3）自由功能模块和bico技术。mm440继承和吸收了6se70工程型变频器的许多优良特点，其中最具实用性的是具有区别一般通用变频器的自由功能模块和bico技术，利用丰富的自由功能模块和灵活的bico技术，可方便地实现各种不同目的的组态设计，完成复杂控制设计的要求。  （4）丰富的停车和制动功能。mm440具有3种停车方式，即按斜坡减速停车（off1）、 惯性停车（off2）和快

34、速停车（off3）。3种制动功能，即直流制动、复合制动、动力制动（须外接制动电阻，75kw以下已内置制动单元）。停车方式和制动方式的灵活配用，可适应不同机械惯性负载的要求。接线端子分类： mm440端子排拥有适用于各种工业控制的30个接线端子：1、2高精度直流稳压10v输出源；3、4、10、11为模拟电压输入给定，其中3、4为模拟输入通道1，另外一组为模拟输入通道2；5、6、7、8、16、17可编程完全数字输入端口；9、28是用户为变频器的控制电路提供24v直流电源；12、13和26、27为两对模拟输出端,12、13为模拟输出通道1，另一组为模拟输出通道2；18-25为输出继电器的触头；14、

35、15端为电动机过热保护输出端；29、30为rs-485(uss-协议)端口。接线端子的方框图如下2-5图所示。362.3 三相异步电动机 本次电力传动系统设计中使用的现场设备，即控制对象为一个三相异步电动机。电动机的型号为y90l-4，电动机的铭牌参数如下表2-4所示：表2-4 电动机参数 电机型号y90l-4额定电流3.7a额定电压380v功率因数0.79额定功率1.5kw接线方式y额定频率50hz额定转速1400r/min2.4 profibus通信线制作 profibus的总线是有方向性的。根据站点的不同，所选择的通信路径也有所不同，通过总线开关选择终端电阻即路径。当节点不是终端的时候，

36、把总线插头的开关打到off档，当节点是终端节点的时候，节点开关打到on档位。在dp插头上有a1b1/a2b2两路通道，一路用来传出信号，一路用来传入信号。1.profibus-dp总线连接器内部定义：图2-6 profibus-dp总线连接器内部示意图2.profibus接口 cp5611和plc处理模块cpu上均有profibus接口，该接口可以与上面介绍的终端器插头连接通信。profibus接口是rs485串口，一般采用sub-d female的接口，其管脚定义为12： 引脚 功能1 shield（保护）2 24v-3 b(rxd/txd p)4 rts5 d-gnd6 vp(+)7 24

37、v+8 a(rxd/txd n)9 rts(n)图2-7 dp总线连接器定义profibus网络传输用的电缆即profibus双绞屏蔽电缆，它的物理层实现对称数据的传输，符合eia rs-485标准。一个总线段内的导线是屏蔽双绞电缆，总线段的两端各有一个终端器，它的传输速率从9.6kbit/s到12mbit/s可选，所选用的波特率适用于连接到总线（段）上的所有设备。线缆有红绿两种，对应的线缆连接起来，注意剥线的时候一定要分层次剥开，保证连接起来的时候屏蔽层能良好的接地，如下图2-8所示：图2-8 profibus-dp总线连接器通过多个插头的连接，最终做成了profibus电缆，如下图2-9所

38、示：11图2-9 带插头profibus通信电缆3.cp5611通讯接口卡cp5611是siemens公司推出的网络接口卡。cp5611用于工控机连接到profibus和simatic的mpi（多点通信），支持profibus的主站和从站、pg/op及s7通信。cp5611网络接口卡的主要特点如下5：1） 不带微处理器；2） 经济的profibus接口，1类profibus-dp主站可进行扩展；3） 同时可作为pc上的编程和监控接口。当cp5611作为网络上的主站的时，通过轮询方式与从站进行通信，即主站想要和从站通信时，首先发送一个请求数据帧，从站得到请求数据帧后，向主站发送一个相应帧。请求数

39、据帧包括主站给从站的输出数据，如果当前没有输出数据，则向从站发送一个空帧。从站必须向主站发送响应帧，响应帧包括从站给主站的输入数据，如果没有输入数据时，同样发送空帧，这样即完成一次通信。2.4 接触器和继电器2.4.1 接触器型号：cjx2-0910 线圈电压：220v 额定工作电流：9a在电工学上，因为可以快速切断交流与直流主回路和可频繁地接通与大电流控制（某些型别可达800安培）电路的装置，所以经常运用于电动机做为控制对象的系统，也可用作控制工厂设备电热器工作母机和各样电力机组等电力负载。接触器不仅能接通和切断电路，而且还具有低电压释放保护作用。接触器控制容量大，适用于频繁操作和远距离控制

40、，是自动控制系统中的重要元件之一。德力西电气有限公司推出的新型交流接触器实用性非常强。接触器的型号说明如下图2-10所示：图2-10 接触器型号说明接触器的实物如下图2-11所示，其中a1、a2是接触器线圈的两个接线端子，该接触器线圈电压220v，当a1、a2接通220v电压的时候，接触器的主回路常开触点会闭合。当线圈上的电压消失后，主回路触点会断开。在本次系统设计里，接触器和继电器连接使用，由继电器控制接触器线圈的得电失电，继电器的线圈又通过plc来控制，达到在上位机能远程操作的要求。图2-11 接触器实物图 2.4.2 继电器型号：jzx-22f（d）/2z 线圈电压：24v 控制回路电压

41、：220v 在电气工程中，继电器是一种电控制器件。当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中。它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。实物图如下2-12图所示：图2-12 继电器实物图 继电器的内部电路电路右图2-13所示。13、14引脚为线圈的接线柱；1、9，4、12为两组常闭触点；5、9，8、12为两组常开触点。线圈电压24v，plc的i/o口输出电压也是24v，所以可以用p

42、lc来控制继电器常开常闭触点的吸合，进而控制220v电压的通断。当14、13间压降为24v时，常开闭合。 图2-13 继电器电路3 控制系统硬件网络组态在整个电力传动控制系统中，用到了两个西门子plc。在程序下载到硬件之前，必须要保证在step7组态中所使用的硬件跟设计时所使用的硬件型号，订货号，固件版本是完全一样的。同时，硬件所使用profibus-dp通信，必须要在硬件组态时表现出来。硬件组态与实际硬件的设计一样的，就是要保证软件组态和硬件设计的一致性，才能保证成功下载和调试运行。step7的应用在这里只阐述硬件组态的部分，程序和其它详细设计在会在软件部分里详细地描述。3.1 新建硬件组态

43、项目 本次硬件组态，需要新建一个step7项目，在该项目里可以进行硬件配置，即硬件组态。同时还可以编辑程序，可以用plcsim模块调试仿真运行，可以和wincc通信，同样可以监控实际plc的运行状态和修改运行参数等。本次只要完成该项目的硬件组态部分，余下的程序编辑在软件设计部分会详细阐述。首先进入step7，新建项目->毕业设计，存储路径可以修改，本次保存在s7工程文件夹里。如下图3-1所示:图3-1 新建项目 进入新组建的项目，依本次控制系统的硬件的设计要求，需要使用两台plc作为控制器，主站负责监视，从站负责控制。所以需在硬件配置里面配置同样数目的plc站点。硬件组态项目里插入两个s

44、imatic 300站点，一个重命名为master（主站）,另一个命名为slave(从站)，如下图3-2所知： 图3-2 插入站点3.2 从站硬件组态 首先进入从站组态，点击从站，会在右边的窗口出现 “硬件”，点击硬件，进入从站的硬件配置窗口。如下图3-3所示：图3-3 从站硬件组态3.2.1 从站硬件配置 在硬件组态窗口中，首先插入rack-300导轨（rail）,导轨机架是用来确定plc各种模块的插槽号的，所以必须要。然后在导轨的第一个插槽中插入ps 307 5a电源模块，第二个插槽中插入cpu314c-2pn/dp模块，固件版本v3.3，在右下角的小窗口中会显示所选的模块的订货号和一些基

45、本的数据信息，保证所选的所有模块的订货号和固件版本号与实际系统设计中使用的硬件面板上的标识一一对应，在弹出的建立以太网串口通信中点击取消，在之后的组态中选择profibus网络，如下图3-4所示：图3-4 配置硬件信息1、 修改地址参数 修改di/do模块输入输出地址参数，这样才会比较符合人们日常使用习惯，点击di24/do16,会弹出该模块的属性对话框，在地址对话框中取消系统默认地址，使其输出模块地址从136-138改为0-1，这样在软件程序编辑中的寻址就比较符合常用习惯，如以前的q136.0会变成q0.0。输入di模块地址不用修改，因为本次不会用到实际的外部输入，如下3-5所示。同样把模拟

46、输出改成256开始，激活输出电压0-10v。图3-5 修改di/do地址2、 组态profibus-dp通信方式 接下来组态从站的profibus-dp通信方式。在主从通信模式中，理论是先组态从站会方便很多，首先点击导轨中的复用端口mpi/dp, 在弹出的属性对话框中选择接口类型为profibus类型，再点击网络属性对话框，在弹出的未连接对话框中修改从站的地址为3，再新建网络。在网络设置属性对话框中选择传输速率为1.5 mbps，模式选择为dp行规，这样组态成profibus-dp模式。一一点击确定按钮，可完成网络主要属性设置，如下图3-6所示。图3-6 组态profibus-dp通信方式3、

47、工作模式选择 因为现在要配置的是profibus网络上的一个从站，在第一层的“工作模式”选项卡内，选择“dp从站（s）”模式,这样才能保证站地址的一致性，确定了从站的站地址为3，工作方式为从站，在硬件配置窗口并不会如主站一样延伸出一条profibus电缆。dp从站下面的信息包含诊断地址、测试、主站的一些情况，详细情况如下图3-7所示：图3-7 通信方式选择3.2.2 从站通信映射区组态 本次通信用工厂里常用的profibus协议为通信基础。使用profibus主从通信需要建立通信映射区，通信映射区用于接收和发送数据，主从站点间的数据交换通过硬件组态的映射区来完成。在上一步的第一层属性对话框中，

48、点击顶端组态选项，组态profibus的通信映射区。把输入输出区分别定义为ib11和qb11，用于和主站将要建立的qb10和ib10进行数据交换。数据交换的形式为字节方式，所以选择的长度为1，单位为“字节”，一致性选择“全部”，这样可以接收来自主站的bool数据。bool型数据刚好占1个字节，所以这样主从站点之间可以交换开关量数据，但是不能交换其它类型的数据。为了主从站点之间进行非开关量的数据交换，需再组建一个通信接收区id13，用于接收主站qd12发送过来的数据。id13的长度选择“2”，单位选择“字”。这样能接收来自主站的双字数据。一个字节占8位，一个字两个字节，2个字刚好占32个位。这样

49、主从间的数据交换变得很丰富，可以交换int、md、mw、real等类型的数据。比如主站送给从站的转速数据为1400转每分。通过上位机给定的数据存放在主站双字类型md或者db数据块里面，它们都是内存里的一个存储空间，可以通过profibus建立的双字通信区把存储空间的数据送给从站。具体是通过主站的qd12送给从站的id13。通信映射区建立如下图3-8所示：图3-8 组态通信映射区 从站映射区组态结果如下图3-9所示。现在映射区中还缺少profibus-dp伙伴地址，即现在的网络上并不存在多个plc站点，只有一个编号为“3”的从站站点。在主站的组态中将补齐映射区地址，保证形成一个完整的通信映射区。

50、至此，从站的所有硬件信息组态完成，保存编译。编译的结果会保存到硬件组态目录profibus-dp-> configured stations下。在主站硬件组态配置信息的时候会调用到已经编译好的从站信息。组态的映射区如下3-9图所示：图3-9 从站通信映射区组态结果3.3 主站硬件组态3.3.1 主站硬件配置主站硬件组态的基本步骤和从站一样，在这里就不再赘述，在这里只把不一样的地方提出来。主站的dp地址设置为2，工作模式选择主站模式，这时在组态框会延伸出一条profibus电缆，如下图3-10所示： 图3-10 主站硬件信息配置3.3.2 主站通信映射区组态在组态的目录窗口中，找到prof

51、ibus-dp->configured stations->cpu 31x。拖拽已经组态好的从站挂到profibus电缆上，弹出一个连接窗口。点连接，把组态好的从站挂到主站延伸的profibus线上。然后再点组态，会弹出dp从站残缺的映射区，点击编辑，主站的qb10对应ib11，ib10对应qb11，qd12对应id13如下图所示：图3-11 完整profibus映射区 最终完成主站的组态，构成profibus-dp主从ms通信。此时可以看到主站mpi/dp复用端口伸出的profibus电缆上悬挂了一个从站，这个从站就是之前已经组态好的从站。结果如下图3-12所示：图3-12 主从

52、ms组态完成 保存并编译，至此完成了主从站的硬件组态，接下来应该在step7窗口编程下载到plc，编程部分会在软件设计里面详述。在硬件组态窗口中点击查看组态网络，如下图3-13所示：图3-13 查看网络 点击查看网络会得到已经组态完成的网络，从图3-14中可以看到组态的网络上挂有两个300站点，一个是主站master，另一个是从站slave，主站的dp站地址为2,从站的站地址为3。图3-14 完整网络 至此，所有硬件设计里控制系统的硬件网络组态参数配置已经完成。4 硬件系统设计本次设计基于profibus-dp电力传动控制系统，用两台plc作为控制中枢，主站用于监控，从站用于控制。主从构成pr

53、ofibus-dp主从ms通信，上位机用于向控制中枢plc主站发出控制命令。电力传动装置用三相异步电动机代替，mm440直接受plc控制驱动电机，变频器能够按预期的目的对电机进行控制。控制系统的示意图如下:图4-1 系统结构框图4.1分析被控对象和明确控制任务本次系统设计的被控对象为一台三相交流异步电动机，电机的主要铭牌参数如第二节硬件平台表2-2列出所示。硬件系统设计中三相交流电源是从变频器引至电动机的，电机采用y型接线方式。三相交流电源在进入变频器前使用断路器和接触器将电源与变频器隔开，并用从站的plc的一个do口控制该接触器的线圈从而控制变频器的得电和失电，而不需要手动操作，只需在上位机

54、上给定操作命令即可。控制任务是实现两台s7-300建立profibus-dp通信，操作mm440，实现对电机的启动、停机、正转、反转、无级调速和正反向点动操作，并通过读取变频器当前的输出电压、频率值，转换为0-10v模拟量送plc运算处理。再转换恢复成实际转速值、频率值、电压值送上位机监控界面显示。可以按控制的性质把本设计的控制任务分为两大部分：第一部分是从站通过输出数字量/模拟量控制接触器开合和mm440数字输入端子，以实现电机的启动、停机、正转、反转、无级调速和正反向点动。第二部分是主站通过模拟量的输入读取变频器的运行频率和输出电压，变运算出相关数值送上位机监控显示。通过对控制目标和任务的分析最终完成控制系统的设计，控制系统的总体接线图如附录所示。4.2 mm440参数设置 要达到上