基于PROFIBUS-DP变频器通讯控制系统设计自控系毕业论文

1、摘要摘 要在造纸机中，同步控制和纸张力控制是造纸机控制中极为重要的一环。本文就是以西门子S7-300 PLC 和基于PROFIBUSP-DP的MM440变频器组合的控制方案在造纸过程中实现多电机同步传动，提出适于PLC 控制的、能在纸传动过程中实现高精度稳速控制及恒张力控制的控制方案。该方案建立了过程运行参数与控制目标的准确定量关系，既没有理论误差，又避免了多电机的性能差异及负载波动等对控制的影响，为实现造纸机多电机高精度同步传动提供了技术手段。本文所研究的基于PROFIBUSP-DP变频器造纸机械控制系统采用PLC来控制变频器调速，充分发挥PROFIBUSP-DP模块的高可靠性、灵活性、通用

2、性、扩展性等优点，通过RS485传输技术建立PLC与变频器的PROFIBUSP-DP通讯进而完成PLC控制变频器调速系统的方案设计和全部的控制系统设计。关键词：PLC ; PROFIBUSP_DP变频器AbstractABSTRACTIn the paper machine, synchronous control and paper tension control in paper high precision steady speed control and constant tension control method. Themachine control is a very impo

3、rtant link in. This article is based on Siemens S7-200PLC and Siemens MM440 converter combined control scheme in the paper_making process multi motor synchronous drive, put forward suitable for PLC control, in the paper the transmission process achieves plan to establish the process parameters and t

4、he control goal of accurate quantitative relation, neither theory error, but also avoid the multi motor performance differences and load fluctuation on control effect, for the realization of paper machine with multi high precision synchronous transmission provides technical means。In this paper, the

5、study by AC motor speed control system using PLC to control the frequency converter speed control，programmable logic controller and give fullplay to the high reliability，flexibility,versatility，scalability，etc，through the PLC switches to control the volume of input and output modules multi-functiona

6、l inverter input to achieve the multi-stage motor speed control，during the RS485 transmission technology through the establishment of the PLC and inverter PROFIBUSP-DP communication to complete the PLC control program inverter speed control system design and all of the control system design.Keywords

7、: The alternating current; PLC; PROFIBUSP-DP communication目录目 录第1章 绪论.11.1 基于PROFIBUS-DP通讯控制发展与现状 错误！未定义书签。1.2 基于PROFIBUS-DP通讯控制的意义 错误！未定义书签。第2章 系统的功能设计分析和总体思路 22.1概述. 22.2 系统功能设计分析.22.3 系统设计原理和方法. 3第3章 变频器通讯控制系统的硬件设计 53.1 PROFIBUS-DP的变频器控制系统结构53.2通过Profibus-DP数据通讯63.3变频器的选择 83.4系统硬件组态. 9第4章 系统的软件设计

8、与调试. 154.1 STEP软件简介.154.2 PLC和存储点的地址分配. .16第5章 结论与展望.185.1结论. 225.2不足之处及未来展望. 22参考文献. 23致谢. 24i基于PROFIBUS-DP计变频器通讯控制系统设第1章 绪论1.1 PROFIBUS-DP通讯控制系统发展与现状随着工业自动化的不断发展，工厂业主对生产效率和产品质量要求的不断提高，分别对每台电机进行单独控制在某些场合已经不能满足生产工艺的要求，而需要同时对多台电机进行控制，让其更好地协调运行，因此多电机同步传动控制应运而生。最早的同步控制方法有模拟放大器同步控制和电动式连锁同步控制等方式，前者有抗干扰差和

9、漂移等缺陷，而后者有调整不方便和体积庞大等不足。从90年代中期国外现场总线技术开始进入工业化实用阶段，采用现场总线通讯方式的多电机同步控制系统开始广泛应用。在纸机传动系统中，随着车速的提高和生产工艺的要求，也逐步地引进多电机同步控制方法，现代纸机的多分部传动系统采用现场总线通讯同步控制的已经占到了90%以上。现场总线种类很多, 但由于大多交直流传动装置可以采用PROFIBUS（ Process Field Bus）现场总线通讯，所以PROFIBUS现场总线在传动控制领域占有较大的市场份额，并且在逐年地增加。另外PROFIBUS总线标准包括3个方面的内容：FMS、DP、PA，可以适用于不同的应用

10、领域。PROFIBUS现场总线技术就是实现现场级设备数字化的工业现场层网络通信技术，它具有较强的现场信息集成能力，可靠性好，维护性好，且总线协议是开放的。这样，如果给现场设备接入具有现场总线网络功能的接口，不仅可以利用现场总线网络来管理分布的设备，还可以克服目前普通控制方式的缺点。1.2 PROFIBUS-DP通讯控制的意义给予PROFIBUS-DP现场总线的造纸机多电机同步传动系统的研究与开发，提高了传动系统的可靠性和控制的精度，增强了系统的抗干扰能力。利用PROFIBUS-DP现场总线使系统各设备件具有通讯能力，形成网络系统，同时强大的软件功能可缩短工程时间，提高系统的智能化程度，实现复杂

11、的控制功能，并应用于大中型纸机传动控制系统中，降低对进口产品和软件的依赖性,加大了造纸行业中国内相关产品和技术所占的比重,提高具有自主知识产权的产品在市场中的竞争力。在实际中，用它对造纸系统进行改造，完成了预期的通信和控制功能，大大提高了生产效率，取得了满意的效果,这对国家的经济建设和经济安全都具有重要意义。1河南机电高等专科学校毕业论文第2章 系统的功能设计分析和总体思路2.1概述本文就是以西门子S7-300 PLC 和基于PROFIBUSP-DP的MM440变频器组合的控制方案在造纸过程中实现多电机同步传动，提出适于基于profibus-dp变频器通讯控制的、能在纸传动过程中实现高精度稳速

12、控制及恒张力控制的控制方案。该方案建立了过程运行参数与控制目标的准确定量关系，既没有理论误差，又避免了多电机的性能差异及负载波动等对控制的影响，为实现造纸机多电机高精度同步传动提供了技术手段。2.2 系统功能设计分析设计四台电机构成的变频调速同步控制系统：四台电机速度可以同步升降，也可以微调，1#电机微调其他电机同步微调，2#电机微调1#不同步微调，其他电机须同步微调，3#电机微调1#和2#不同步微调，4#电机同步微调，4#电机微调，其他电机均不同步微调。纸机对电气传动形同的要求1) 纸机工作速度要有较大的调节范围。为了纸纸机具有较强的的产品、原料的适应性，纸机传动可在较大的范围内均匀的调节速

13、度，调节范围为1：8。2) 车速要有较高的稳定裕度，总车速提升、下降要平稳。为了稳定纸页的定量和质量、减少断头、要求纸机的稳速精度为（0.05-0.01）%。3) 速差控制，速比可调、稳定。纸幅在网部和压榨部时，其纵向伸长横向收缩，而在烘干部时，两向都收缩，因此纸机各分部的线速稍有差错，即速差。误差应控制在0.1%以内保持纸张不被拉断。纸机各分部的速比的最大波动值与浆料配比、定量、车速、生产工艺、纸页收缩率及分部之间的纸幅无承托引段张力等因素有关。因此，纸机各相邻部分之间应有适当的速差来形成良好的纸页。纸机各分部的速度必须可调，为（10-15）%。4) 各分部点具有速度微升微降功能，引纸操作时

14、的紧纸、松纸功能。5) 爬行速度。为了方便检修和清洗干网以及为了各部分的运行运行工况，各部分应有15-50m/min的可调爬行速度。6) 纸机为恒转矩负载性质，要选择具有恒转矩控制性能的变频器，良好的通信能力，并采用PLC作为控制单元，实现对整个控制的可靠、协调的控制，以满足纸机控制系统正常工作的需要。基于PROFIBUS-DP计变频器通讯控制系统设2.3 系统设计原理和方法四台电机速度可以同步升降，也可以微调，1#电机微调其他电机同步微调，2#电机微调1#不同步微调，其他电机须同步微调，3#电机微调1#和2#不同步微调，4#电机同步微调，4#电机微调，其他电机均不同步微调。设有启动/停止按钮

15、和速度同步升/降旋钮，每台电机设有选择开关和升/降微调旋钮。2.3.1硬件电路图图2-1 造纸电机硬件电路图3河南机电高等专科学校毕业论文图2-2 主程序流程图基于PROFIBUS-DP计变频器通讯控制系统设第3章 变频器通讯控制系统的硬件设计PROFIBUSP-DP是一种国际化的开放式现场总线标准，即EN50170欧洲标准和IEC61158国际标准的一部分。并且，在2001年12月成为我国的现场总线标准。Profibus由PROFIBUSP-FMS（Fieldbus Message Specification），PROFIBUSP-PA （Process Automation）和Profib

16、us-DP（Distributive Peripheral）三部分组成。其中，PROFIBUSP-DP具有高速传输、价格低廉等特点，实现起来比较简单，主要用于分散设备间的数据高速传输。该总线物理层采用RS485传输方式，传输速率可达9.6kbps至12Mbps。一般用于自动化控制系统和现场设备之间的通信。可以满足全数字交直流调速系统对于时间快速响应要求。目前80%以上的PROFIBUSP应用基于PROFIBUSP-DP。基于PROFIBUSP-DP现场总线的控制系统与以前的集散型控制系统（DCS）相比,具有很多优越性，如：（1）采用双绞线、光缆或无线电方式传送数字信号，从而大量削减现场仪表与控

17、制室之间一对一连接的导线，节省安装费用，提高可靠性和抗干扰能力，增强控制精度，信息传输速率可达1-12Mb/s，传输距离可达数公里。（2）由于采用了统一的国际标准，不同厂家的产品在硬件、软件、通信标准、连接方式等方面互相兼容，使系统具有开放性，这对用户的操作、维修、扩展都是十分有利的。（3）由于现场设备本身可完成自动控制的基本功能，导致现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。许多控制功能从控制室移至现场仪表，大量过程检测与控制的信息就地采集、就地处理、就地使用，在新的技术基础上实施就地控制，使过

18、程控制基本分散到现场，而控制室内的仪表装置主要完成数据处理、监控、优化控制、协调控制和管理自动化功能。（4）开放式系统：系统分层分级集成，设计灵活，网络可采用多种拓扑结构。3.1 PROFIBUS-DP的变频器控制系统结构现以济钢三炼钢板坯连铸机自动控制系统为例介绍现场总线的组成。济钢三炼钢板坯连铸机基础自动化控制系统配置采用德国SIEMENS 公司的S7系列产品，组成仪控合一的基础自动化控制级（L1级），用于主PLC与从PLC（产PLC的相关品）之间相互通讯，使之现场设备正常运行的媒介PROFIBUS总线。PROFIBUS总线在板坯连铸机系统中应用广泛，在设备运5河南机电高等专科学校毕业论文

19、行过程中显示出了它强大的稳定性能和可靠性。作为PROFIBUS-DP网的典型配置如图1所示，PLC（SIMATIC S7-300或S7-400系列）作为一级DP主站，他负责在预定的信息周期内循环与从站交换信息，发送控制信息，读取从站的状态等，组态软件Wincc作为二级DP主站，用于操作与监控。MM440变频器加上CB通讯板（PROFIBUS通讯模块）后作为从站，这样的从站可带32个。如果使用中继器，最多可达127个从站。MM 440是MICROMASTER 4系列变频器中的顶尖机型。有精确的控制性能，适应多种工业应用场合。除了包含有MM 440所具有的安装简便和用户界面友好的优势外,还具有快速

20、的输入响应，优化的矢量控制特点。另外由于内置制动单元，使变频器在制动和减速方面, 具有优良的功能品质。图3-1 Profibus-DP网的总线拓扑结构3.2通过Profibus-DP数据通讯MM440变频器既支持和主站的周期性数据通讯，也支持和主站的非周期性数据通讯，即S7-300可以使用功能块SFC14/SFC15 读取和修改MM440参数值，调用一次可以读取或者修改一个参数。同时也可以使用功能块SFC58/SFC59 或者SFB52/SFB53读取和修改MM440参数值，一次最多可以读取或者修改39个参数。在变频器现场总线控制系统中，Profibus-DP的通讯协议的信息帧分为协议头、用户

21、数据和协议尾。用户数据结构被指定为参数过程数据对象（PPO），有的用户数据带有一参数区域和一过程数据区域，而有的用户数据仅由过程数据组成。变频传动概要定义了5种PPO如图2所示。基于PROFIBUS-DP计变频器通讯控制系统设图3-2 Profibus-DP信息帧中用户数据结构MICROMASTER 4仅支持PPO型1和型3。参数值PKW是变频器运行时要定义的一些功能码，如最大频率、基本频率、加/减速时间等。过程数据PZD用来传输控制字和设定值（主-变频器）或状态字和实际值（变频器-主）等输入/输出的数据值。MICROMASTER 4系列变频器与SIMATIC S7-300通讯，必须完成下列变

22、频器功能码的设置：P918（PROFIBUS地址）设定值可以是1-125，P1000（频率设定值的选择）=6（CB通讯板），P2041.00（CB参数）=3（PPO3），P2040（CB停止报文时间）>0，P0927（修改参数的途径）=1（COMMS模板），P700（选择命令源）=6（PROFIBUS/Fieldbus通讯链路的现场总线）。采用SIMATIC S7-300系列的CPU315-2DP作为DP主站，CPU315-2DP系统本身具有Profibus-DP接口，无需另外的通讯接口单元。在编程软件STEP7中完成硬件网络组态，为变频器分配网络地址，该地址必须与变频器CB板中设置的相

23、同，在组织块OB中选用SFC14"DPRD_DAT"、SFC15"DPWR_DAT"系统功能块向变频器的CB模块接收/发送过程数据，如图3所示。要注意的是MICROMASTER 4系列变频器与以前的MICROMASTER 3系列变频器的控制字是不同的。7河南机电高等专科学校毕业论文图3-3 PLC与CB板之间的通讯工业组态软件WinCC提供各种PLC的驱动程序，本文实例要建一个Profibus-DP的二级主站，所以选择支持S7协议的通讯驱动程序SIMATIC S7 Protocol Suite，在其中的“PROFIBUS”下连接一台S7-300，设置参数

24、必须与PLC中的设置相同。通过以上步骤，即完成了对整个变频器控制系统Profibus-DP网的组态与通讯。3.3变频器的选择正确选择通用型变频器对于传动系统能够正常运行时至关重要的，首先要明确使用通用变频器的目的，按照生产机械的类型、调速范围、速度响应和控制精度、启动转矩等要求，充分了解变频器所驱动负载特性，决定采用什么功能的通用变频器构成控制系统，然后决定选用哪种控制方式最合适。所选用的通用变频器应是既满足生产工艺要求，又要在技术经济指标上合理。若对通用变频器选型、系统设计及使用不当，往往会使通用变频器不能正常的运行、达不到预期目标，甚至引发设备故障，造成不必要的损失。另外，为了确保通用变频

25、器长期可靠的运行，变频器的地线的连接也是非常重要的。变频器在调速系统中的优点：1控制电机的启动电流；2降低电力线路的电压波动；3启动时需要的功率更低；4可控的加速功能；5可调的运行速度；6可调的转矩极限；7受控的停止方式；8节能；基于PROFIBUS-DP计变频器通讯控制系统设9可逆运行控制；10减少机械传动部件。在本系统中，选用了由西门子生产的通用变频器MM420。3.4系统硬件组态1.组态主站 打开SIMATIC MANAGER，通过FILE菜单选择 NEW新建一个项目，在NAME 栏中输入项目名称，将其命名为S7300_MM440，在下方的Storage Location中设置其存储位置

26、，如图 3.5所示。项目屏幕的左侧选中该项目，在右键弹出的快捷菜单中选择Insert New Object 插入SIMATIC 300 Station ，双击MPI/DP槽，在弹出窗口“Interface” “Type” 中选择“PROFIBUS” ，然后点击“Properties” ，如图3.7所示点击“New” 新建一条DP总线，并设置地址为2。点击“Properties” ，弹出如图3.8 所示窗口，选择DP 类型，并设置传输速率为1.5Mbps 。打开SIMATIC 300 Station ，然后双击右侧生成的 Hardware 图标，在弹出的HW config中进行组态，在菜单栏中选

27、择“View” 选择“Catalog”打开硬件目录，按订货号和硬件安装次序依次插入机架、电源、CPU 以及I/O 模块，如图2.组态从站 在DP总线上挂上远程I/O 模块，设置从站地址为 3，并图3-4设置PROFIBUS属性图 3-5 插入从站在其上加入相应 I/O模块。 在DP总线上挂上MM440，并组态MM440的通讯区，通讯区与应用有关。MM440采用通用串行接口协议，其报文结构将在软件部分讲述。由程序操作的通讯数据通过参数标识符值PKW和过程数据PZD 传递，最长使用的是中PKW为4 个字（8 个字节），PZD 为2 个字（4 个字节）的固定长度报文，即 PPO1 类型，因此组态MM

28、440的地址分别对应读写PKW和PZD 。组态MM440步骤如下： 打开硬件组态，在右侧选择“PROFIBUS DP”9河南机电高等专科学校毕业论文“SIMOVERT” “MICROMASTER 4” ，添加到DP总线上，如图 3-11 。图 3-6新建PROFIBUS-DP 在弹出窗口中选择地址为4，如图 3-12 所示。图 3-7新建S7-300项目 选择“MICROMASTER 4” “4 PKW，2 PZD (PP0 1)”，添加到从站中，如图 3-13 所示。基于PROFIBUS-DP计变频器通讯控制系统设图 3-8组态PROFIBUS主站和插入主站 从站组态完成，设置地址，PKW读

29、为IB288IB295 ，PZD 读为IB296IB299， PKW写为QB272QB279，PZD 写为QB280QB283，如图 3-14，。图 3-9组态从站11河南机电高等专科学校毕业论文第4章 系统的软件设计与调试4.1 STEP软件简介西门子STEP7是用于SIMATIC S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形图逻辑、功能块图和语句表进行编程操作。常规功能之外还具备以下的特点:（1）MPI 接口；（2）集成 modem 支持: 内置modem 功能，可进行远程编程、诊断或数据传输；（3）编程不需 MPI 转换器，直接通过PC上的 RS232 口；（4）现

30、场总线通讯功能，制器功能中已集成了Profibus DP Master / Slave, Profibus FMS 和 LONWorks；(5) 用STL, LAD, FBD编程；(6) 使用Siemens工程工具，监视修改变量，程序状态等；4.2 PLC和存储点的地址分配PLC及存储点地址分配如表4.3所示：表4.1 PLC及存储点地址分配基于PROFIBUS-DP计变频器通讯控制系统设如图4.3所示，首先在STEP 7的硬件组态中设置通讯双方的MPI地址，然后新建一个MPI网络，名称为MPI（1），并将通讯双方都连接到该网络上。然后通过工具栏按钮打开【NetPro】来组态网络。图4-1 在

31、STEP 7中设置MPI网络13河南机电高等专科学校毕业论文图4-2 在NetPro中新建一个网络连接在NetPro中可以看到，MPI网络上连接了两个站，选择S7-400的CPU，在连接列表里添加一个新的连接，如图4-4所示。通讯连接选择对方站点，连接类型选择【S7 Connection】，这时，在连接列表里，就建立了一个ID号为1的连接，如图4-5所示。至此，硬件组态和网络组态就完成了。基于PROFIBUS-DP计变频器通讯控制系统设图4-3 组态网络连接通过PROFIBUS通信模块可以实现MM440变频器与PLC基于PROFIBUS现场总线网络的双向高速、实时通信。通信主要完成PLC和变频

32、器之间的数据交换。使用SFC14读与SFC15写功能进行通信程序如下。SFC14（DPRD_DAT）用于读profibus从站的数据，SFC15（DPWR_DAT）用于将数据写入profibus从站，w#16#100是硬件组态时PZD的起始地址。NETWORK 1：Title:Coment:CALL SFC14“DPRD_DAT”LADDR :=W#16#100RET_VAL:=MWORECORD :=P#M 50.0 BYTE 4NETWORK 2：Title:15河南机电高等专科学校毕业论文Coment:CALL SFC15“DPWR_DAT”LADDR :=W#16#100RECORD

33、:=P#M 60.0 BYTE 4RET_VAL:=MW2NETWORK 3：Title：停止A M 80.0JNB _002L W#16#57ET MW 60_002：NOP 0NETWORK4：Title：频率为0A M 80.1JNB _002L W#16#0JNB _00T MW 62_005：NOP 0NETWORK4：Title：起动A M 80.1JNB _006L W#16#57FT MW 50_006：NOP 0基于PROFIBUS-DP计变频器通讯控制系统设NETWORK6：Title：频率为12.5HZA M 80.3JNB _007L W#16#100T MW 52_0

34、07：NOP 017河南机电高等专科学校毕业论文第5章 结论与展望5.1结论该系统操作简单，可靠性高，维护方便，并且可应用于关于变频调速的认识性实验、应用性实习等。采用 P LC控制变频调速试验系统开发柔性好、 抗干扰性强及自动化程度高。以往，采用的继电器方式的逻辑控制，控制方式落后，系统复杂，发现和排除故障困难。难以满足新形势自动控制方式运行水平的高要求。所以，在此设计中我采用可编程序控制器和通用变频器，以PROFIBUS做为通讯实现对交流电机的调速控制。因受多方面条件的限制，及本人的知识有限，实践经验不足，在设计中出现的理论上与实际应用上的诸多问题，谨盼老师给以指正。5.2不足之处及未来展

35、望通过这次的课程设计，让我受益匪浅。在课程设计期间通过与同学们之间的交流和老师的指导，使自己学到了不少知识。除了学会了西门子S7200 的基本知识，并掌握了S7200的工作原理和一些指令的功能以外，还掌握了传感器和变频器的使用方法，并且深化了我对PID控制技术的理解。在这次课程设计中我觉得最重要的就是要有自学能力，因为这次实训中有部分知识我们之前还没有接触过，所以自己必须学会查找相关的资料。另外就是在遇到实际问题的时候，要认真思考，运用所学的知识，一步一步的去探索，是完全可以解决遇到的一般问题的。而在这次设计程序的过程中，我一开始时走了很多弯路，这也是自己的知识不够扎实的原因。不过经过自己几天

36、的努力，最后还是做了出来，而且还做得挺不错的。虽然我们设计的东西并不难，但是在设计的过程中我学到了书本上所没有学到的东西。只有理论，没有结合实际是很难做出东西的。比如在调试的过程中，遇到问题往往是书本上的知识不能直接的解决的，只要在扎实的专业知识的前提下，我们才能把东西做好。经过这次的课程设计，让我深深的感受到理论联系实践的重要性，平时在学习中不能够透彻理解的知识，通过动手，会有更好的认知。本次课程设计虽然不长，但是它给我们带来了很多收获。它使我意识到自己的操作能力的不足，在理论上还存在很多缺陷。所以在以后的学习生活中，我会更加努力地加强理论联系实践的学习，在努力学好专业知识的同时努力加强自己

37、的专业技能方面的能力，使自己的知识在实践中不断增长，在实践中锻炼自己，培养自己各方面的能力，不断提高自己的综合素质。基于PROFIBUS-DP计变频器通讯控制系统设参考文献1 秦益霖等人编著. 西门子S7-300PLC应用技术. 北京：电子工业出版社， 2007. 2 王占奎等编著. 交流变频调速应用例集M. 北京：科学出版社，1995.3 李爱云，张承慧编著. 现代逆变技术及应用M. 北京：科学出版社，2000.4 陈国呈编著. PWM变频调速及软开关电力变换技术M. 北京：机械工业出版社，2000.5 胡崇岳编著. 现代交流调速技术M.第二版. 北京：机械工业出版社，1998.19河南机电

38、高等专科学校毕业论文致 谢在田效伍老师的指导下，经过几个月的努力，我完成了毕业设计设计任务。在毕业设计的实践中，学到很多有用的知识，在论文的写作过程中，指导老师田效伍老师无比耐心、无私无求的给予我持续的帮助，没有田效伍老师的指导，论文无法顺利完成。在此请接受的最真诚的感谢。衷心感谢系里的田效伍等老师的关怀。另外在此次设计中，同组的同学也给了我很大的帮助，家人对我的帮助。在此，我也向他们致以真诚的感谢！即将结束再次学习的生活，相信等待我的是一片充满机遇、风险与快乐的土地；也相信我和同仁们的事业必将如涅磐之凤、浴火之凰；更加相信，不朽的民族精神终将引领我们创造新的奇迹！“风雨不改凌云志，振衣濯足展襟怀。行方智圆煅内蕴，海阔天空铸宏图。”谨向在百忙中抽出宝贵时间评审我的论文的各位老师致