基于PLC的生产流水线电气控制系统设计

1、江苏科技大学本 科 毕 业 设 计（论文）学 院 电子信息学院 专 业 电气工程及其自动化 学生姓名 班级学号 指导教师 二零 年六月江苏科技大学本科毕业论文基于PLC的生产流水线电气控制系统设计The Design of The Electrical Control System of Production Lines Based on PLC江苏科技大学毕业设计（论文）任务书学院名称：电子信息学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 学 号： 0 指导教师： 职 称： 毕业设计（论文）题目：基于PLC的生产流水线电气控制系统设计1、 毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求

2、、达到的指标和应做的实验等） 随着科学技术的不断发展，生产工艺不断提出新的要求，控制技术从手动控制到自动控制，从简单的控制设备到复杂的控制系统，从有触点的硬接线控制系统到以计算机为中心的存储控制系统。可编程序控制器（PLC）的出现给工业控制系统带来重大变革。 根据所学的PLC的设计知识和方法、配合变频器、步进电机等设备实现了生产线上工作台的正向运行、反向运行以及多段速运行。这一控制系统的实现和应用，充分体现了PLC系统在工业现场的应用，亦使其应用的范围更加广泛。 采用西门子S7系列PLC与变频器而设计的生产流水线控制系统的方案。二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等）1. 毕业设计论文一

3、份（不少于1.5万字）；2. 外文译文一篇（不少于5000英文单词）；3. 数据光盘一张。三、完成日期及进度2013年3月13日至2013年6月19日，共12周。进度安排：1. 3.13-3.20，查阅资料、调研，完成开题报告；2. 3.21-3.28，了解题目要求确定设计方案；3. 3.29-4.15，初步完成软硬件电路设计；4. 4.16-5.10，完成硬件电路设计及调试；5. 5.11-6.10，完善系统调试、交论文；6. 6.11-6.19，准备毕业设计答辩；7. 6.19， 毕业答辩；四、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）:1 邹继斌,无位置传感器无刷直流电机驱动电路的研究J,

4、微电机，1999，32 (2)：1612 王永. “反电势法”无刷直流电机控制系统研究. 东南大学硕士论文, 2004：1-30 3 Kuang-Yao Cheng,Ying-Tsan Lin,Ying-Yu Tzou,Design of a Sensorless Commutation IC for BLDC Motors,IEEE Transactions on Power Electronics, 2002,15 (4)：7447524 Jianbo Gao,Binggang Gao,Wenzhi Chen,Neural Network Control of Electric Vehic

5、le Based on Position-Sensorless Brushless DC Motor, 2007,December:15-18 5 Kuang-Yao Cheng,Chen-Yu Wang,Ying-Yu Tzou.ASIC Implementation of a Programmable Servo Control IC with Digital Phase-Locked Loop.IEEE 33rd Annual Power Electronics Specialists Conference, PESC02, Cairns, Australia,2002: 558-563

6、 6 张立科,VHDL 应用开发技术与工程实践 ,人民邮电出版社,2005 7 陈伯时,电力拖动自动控制系统,机械工业出版社，2003：66-908 叶金虎. 无刷直流电动机的设计()J. 微特电机, 2006,(01)9 辛小南, 贺莉. 无刷直流电动机控制系统的仿真J. 微特电机, 2011,(02) 系(教研室)主任： （签章） 年 月 日 学院主管领导： （签章） 年 月 日IV江苏科技大学本科毕业设计（论文）摘 要生产流水线是在一定的线路上连续输送货物搬运机械，又称输送线或者输送机。可编程逻辑控制器（PLC），一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的，被誉为当代工业自动

7、化的主要支柱之一。随着科学技术的发展，以PLC作为基本控制单元的电气控制系统在现代化自动生产流水线及管理中优越性越来越明显。本课题主要是研究利用西门子S7-200 PLC配合西门子MICROMASTER VECTOR变频器、电机等设备实现生产流水线某一部分控制电机的正向、反向以及多段调速运行，使其具备启停、调试、单选等功能。PLC使用方便、编程简单、现场调试容易、环境要求低、抗干扰能力和可靠性能力强，结合以上特点，本课题采用软件与硬件相结合的方法，采用相对优越的设计思路，探求PLC、变频器、电机之间的控制关系，通过仿真实现以及硬件调试验证了可靠性。关键词：PLC；变频器；多段调速；自动化；流水

8、线AbstractThe production line is, in a certain line continuously transporting goods and handling machinery, also known as the conveying line or conveyor. Programmable logic controller (PLC), a digital electronic computers operating system, designed for applications in industrial environments , known

9、as one of the main pillars of contemporary industrial automation. With the development of science and technology, as the basic control unit to the PLC electrical control system in modern production lines and management superiority is increasingly evident. The main subject of study with Siemens S7-20

10、0 PLC, the Siemens MICROMASTER VECTOR drive, motor and other equipment to achieve a certain part of the production line control motor forward, reverse, and multi-speed run, it has to start and stop,debugging, radio and other functions. PLC easy to use, simple to program, easy on-site commissioning,

11、low environmental requirements, and strong anti-interference ability and reliability capabilities, combined with the above characteristics, the subject using a combination of software and hardware, the use of relatively superior design ideas, and explore the control relationship between PLC, frequen

12、cy conversion and motor. It has been verified the reliability through simulation and hardware debug.Keywords: PLC; converter; multi-stage speed; automation; pipeline目 录第一章 绪论11.1 研究背景11.2 研究目的及意义11.3 本文的主要内容2第二章 生产流水线电气控制系统设计32.1 生产流水线简介32.2 设计目标42.3 设计思路及实现4第三章 控制系统的硬件设计63.1 西门子S7-200 PLC63.1.1 PLC

13、的组成及工作原理63.1.2 S7-200 PLC简介93.1.3 I/O地址分配103.1.4 S7-200 PLC接线图113.2 西门子MICROMASTER VECTOR变频器123.2.1 变频器的工作原理123.2.2 变频调速123.2.3 MMV变频器简介133.2.4 参数设置143.2.5 多段速控制143.2.6 变频器接线图15第四章 控制系统的软件设计174.1 PLC编程174.2 编程软件简介184.3 顺序控制继电器（SCR）指令194.4 程序设计204.5 仿真结果264.6 结论32结语33致谢34参考文献35VII第一章 绪论1.1 研究背景在可编程逻辑

14、控制器（PLC）问世之前，继电器在工业控制领域中占主导地位，继电器控制系统有体积大、功耗多、可靠性差等十分明显的缺点，尤其当生产工艺发生变化时，就必须重新设计与安装，会造成时间和资金的严重浪费。为了改变这种现状，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台PLC。经过40多年的发展，可编程逻辑控制器在美国、德国等工业发达国家已成为重要的产业之一，生产厂家不断涌现，品牌不断翻新产值产量大幅度上升而价格则不断下降。目前，PLC在机械制造、石油化工、轻工业等领域的应用得到了长足的发展。近年来我国在PLC方面的研制、生产和应用发展很快，在应用方面作用尤为突出。20世纪70年代末80年代初，

15、随着国外成套设备、专用设备的引进，我国引进了不少国外的PLC。此后，在传统设备的改造以及新设备的设计中，PLC的应用逐年增多，并且取得了显著的经济效益。目前，PLC在国内的应用越来越广泛，其在我国工业自动化领域的优势及作用越来越明显1。21世纪，PLC将会有更大的发展。计算机技术的新成果必将更多地应用于可编程逻辑控制器的设计和制造上，PLC也会有运算速度更快、储存容量更大、更智能的型号和品种出现，品种会更丰富、规模会更齐全。1.2 研究目的及意义随着科学技术的发展，PLC技术在许多领域得到了广泛的应用，尤其是在现代工业的系统控制方面，PLC的功能强、可靠性高、编程简单、使用方便、体积小巧，被誉

16、为当代工业自动化的主要支柱之一。随着当今社会越来越快的发展步伐，生产流水线控制系统将需要实现更多更加稳定的功能，以PC机作为上位机、以PLC作为基本控制单元的集控制和管理于一身的控制系统在现代化生产流水线及管理中越来越显示出优越性，PLC易学易懂、控制简单，可以提高自动化生产流水线的生产效率。PLC用存储逻辑代替了接线逻辑，这使得控制设备外部的接线大大的减少，也使得控制系统设计的周期大大的缩短，使同一设备经过改变程序从而改变生产过程成为可能，这也很适合小批量、多品种的生产领域。因为PLC，流水线的自动化程度更高、生产效率更高。因此基于PLC的生产流水线电气控制系统的研究具有非常实用的意义，该研

17、究一定会有很大的发展和应用空间。此课题研究的目的是在掌握一定的PLC知识的基础上，培养掌握知识、运用知识解决问题的能力，培养一定的工程意识和创新意识，学会和熟悉一定的工程设计方法，为进一步的学习和能力的培养奠定基础。1.3 本文的主要内容本文主要对生产流水线、PLC、变频器进行了相关介绍，对西门子S7-200 PLC和MICROMASTER VECTOR（MMV）变频器构成的控制系统做了详细阐述。通过对设计目标、设计思路的分析，采用了硬件与软件相结合并配合仿真的方法，利用PLC、变频器以及电机之间的控制关系，研究设计了生产流水线某一控制电机的电气控制系统，其中硬件设计部分有PLC I/O地址分

18、配、S7-200接线图、变频器多段速控制及参数设置、变频器接线图等；软件设计部分有SCR指令的应用、程序的设计编写、仿真结果等。该控制系统具备启停、调试、单选等基本功能，电机带动的生产流水线某一部分工作台能实现正转、反转以及多段速运行。通过仿真验证了该系统的实际性与可靠性。第二章 生产流水线电气控制系统设计2.1 生产流水线简介生产流水线是在一定的线路上连续输送货物搬运机械，又称输送线或者输送机。生产流水线大致可以分为以下七类：皮带流水线、板链线、网带线、倍数链线、插件线、滚筒流水线及悬挂线。常用的有：（1）板链式装配流水线特点：其承载的产品可以比较重，因为和生产线同步运行，所以可以实现产品的

19、爬坡；因为是以链板面作为承载，所以生产的节拍不是很快，可以实现产品的平稳输送。（2）滚筒式流水线特点：其可以承载类型广泛的产品，所受限制少；和阻挡器配合使用，从而可以实现产品连续、积放以及节拍运行的功能；采用了顶升平移的装置，能实现产品的离线检测以及返修但不影响整个流水线的运行。（3）皮带式流水线特点：其能承载的产品比较轻，但是在形状方面限制少；因为和生产线同步运行，所以可以实现产品的爬坡转向；其以皮带作为输送载体，可以实现产品的平稳输送并且噪音小；另外还可实现轻型物料或着较长距离产品的输送。（4）差速输送流水线特点：采用倍速链牵引，工装板可自由传送，采用阻挡器定位使工件自由运动或停止，工件在

20、两端可自动顶升，横移过渡，还可设旋转、检测设备、机械手等。流水线是加工量到了一定数量后的必然选择，其输送能力大，运距长，可以减少工件的搬运，提高加工效率，有利于提高产品质量，减少加工费用，所以应用十分广泛。 3 2号电机 3 3号电机 3 1号电机 图2-1 某一生产流水线简易示意图参照图2-1，当流水线需要启动时，3个电动机的启动顺序为：3号、2号、1号；当流水线需要停止时，3个电动机的停止顺序为：1号、2号、3号。电机的启停由电气控制系统进行控制。2.2 设计目标生产流水线工作台由电机带动，本课题的电气控制系统设计针对生产流水线当中某一电机，最终需要实现电机的正向、反向以及多段速运行，使其

21、具备启停、调试、单选等功能。电机多段速运行情况如下图所示。图2-2 电机多段速运行示意图具体目标如下：电机启动，当电机自动运行时将分五档速度连续运转，正转一档速度（300r/min）、正转二档速度（900r/min）、正转三档速度（1500r/min），反转四档速度（600r/min）、反转五档速度（1500r/min）；当电机进行调试时以一档速度（300r/min）运行，可实现正反转调试；此外，在单选状态下，电机可以以任意一级速度恒速正转运行；需要时电机可以随时停止。2.3 设计思路及实现根据公式 f = n P /60可知，对于一台电机，转速n与频率f成一一对应关系，故可以利用变频器控制频

22、率的变化从而来实现电机的多段速运行2。另一方面，通过对变频器工作原理的理解可知，控制变频器开关量的输入可以实现多个固定频率的输出。所以，合理运用PLC，其输出信号作为变频器开关量的输入控制信号，变频器控制电机运行于多档转速即可构成PLC配合变频器的电气控制系统，通过软件与硬件结合，即可达到设计目标。通过对设计目标的分析，结合PLC输入开关元件，该生产流水线某一部分控制电机的电气控制系统实现内容如下：按下SB1，电动机启动；按下SB12，电动机自动多段速连续运行，工作台运行；按下SB2，电动机停止，工作台停止运行；按下SB4，电动机正转；按下SB5，电动机反转；按下SB3，调试，电动机以一档转速

23、运行；按下SB6，单选，电动机以任意一级速度恒速运行；按下SB7，电动机以一速运行；按下SB8，电动机以二速运行；按下SB9，电动机以三速运行；按下SB10，电动机以四速运行；按下SB11，电动机以五速运行。根据以上分析，生产流水线中某一部分由PLC和变频器组成的控制系统示意图如下：图2-3 PLC和变频器组成的控制系统示意图第三章 控制系统的硬件设计3.1 西门子S7-200 PLC3.1.1 PLC的组成及工作原理可编程逻辑控制器（PLC）主要由中央处理单元、存储器、输入输出模块、电源和外部设备等几部分组成3。（1）中央处理单元（CPU）与通用计算机中的CPU一样，PLC中的CPU是PLC

24、整个系统的核心。 其主要由运算器、控制器、寄存器以及地址总线、数据总线、控制总线构成，还有外围芯片、接口及有关电路。CPU决定了整个系统的控制规模、工作速度、内存容量等。PLC中所配置的CPU 随机型不同而不同，一般有三大类：一类为通用微处理器，如8086、80286等；一类为单片微处理器，如8051、8096等；还有一类是位处理器，如AMD2900、AMD2903等。一般情况下，PLC档次越高，CPU位数越多，储存容量也越大。有时，为了提高PLC的控制性能，系统采用多个PLC，其智能模块由单独的CPU进行控制。CPU中控制器控制PLC工作，它读取指令、解释指令、执行指令；运算器用于算术或逻辑

25、运算，由控制器指挥工作；寄存器主要储存运算的中间结果，也是由控制器指挥工作。PLC中CPU按系统程序赋予的功能，指挥PLC进行工作，主要有：接收从编程器输入的用户程序以及数据。对PLC内部电路工作故障、电源以及编程存在的语法错误等问题进行诊断。通过输入接口来接收现场的状态或数据，并且将其存入到数据寄存器或输入映像寄存器中。从存储器中逐条一一读取用户程序，解释然后执行。根据执行结果，更新标志位的状态以及输出映象寄存器中的内容，通过输出单元来实现输出控制。（2）存储器存储器主要用于存储程序以及数据，是PLC不可缺少的组成单元。PLC中的存储器一般包括系统程序储存器和用户程序储存器两部分。系统程序储

26、存器存储系统的监控程序，一般情况下采用只读存储器（ROM），其具有掉电不丢失信息的特性；用户程序存储器用于存储根据工艺要求或控制功能而设计的控制程序，在早期一般采用随机读写存储器（RAM），其需要后备电池用来在掉电后保存程序。目前倾向于采用电可擦除的只读存储器（EEPROM）或闪存，从而免去了后备电池的麻烦。一般而言，多数PLC可以扩展存储器容量。系统程序是PLC 的制造厂家编写的，和PLC硬件组成有关，其完成系统诊断、解释命令、调用管理功能子程序、逻辑运算及参数设定等各种功能，提供PLC运行的平台。系统程序关系到PLC的性能，在PLC使用过程中不会变动，是由制造厂家直接固化在只读存储器中的，

27、用户不能访问和修改。用户程序是随PLC控制的对象而定的，是由用户根据对象生产工艺控制要求而编制的应用程序。为方便读出、检查和修改，用户程序一般存于静态RAM中。为防止干扰对RAM中程序的破坏，当用户程序运行正常并且不需要改变时可将其固化在只读存储器中。现在许多PLC直接采用EEPROM作为用户存储器。在PLC运行过程中经常变化以及存取的一些数据叫做工作数据，其存放在RAM中以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储器中，有存放输入输出继电器、定时器、辅助继电器等逻辑器件的存储区，用户程序的初始设置和运行情况决定了这些器件的状态。因为系统程序以及工作数据与用户没有直接联系，所以在PLC 产品样

28、本或者使用手册中列出的存储器形式及容量都是指用户程序存储器。当PLC的用户存储器容量不够用时，许多PLC还提供存储器扩展功能。（3）输入/输出模块输入模块和输出模块通常也称为I/O模块或I/O单元，是PLC与生产现场之间的连接部件。起着PLC与外部设备之间传递信息的作用。 PLC提供了具有各种工作电平、驱动能力和连接形式的I/O模块可供用户选用，如电气隔离、串/并行变换、电平转换、开关量输入/输出、数/模转换、模/数转换及其他功能模块等。PLC通过输入模块可以检测被控对象的数据，以这些数据作为PLC进行控制的依据，同时，PLC又通过输出模块将处理结果送给被控对象从而实现控制目的。因为外部输入和

29、输出设备所需要的信号电平是多样的，而PLC内部CPU处理的信号只能是标准电平，所以要通过I/O模块实现这种转换。I/O模块一般都有光电隔离和滤波功能来提高抗干扰能力。此外，I/O模块上通常有状态显示，便于维护。I/O模块分为开关量输入、开关量输出、模拟量输入和模拟量输出等模块。I/O模块上通常还有I/O接线端子排和状态显示，便于用来链接和监视。开关量模块按电压分有220V AC、110V AC、24V DC等规格；按照隔离方式分有晶闸管输出、继电器输出、晶体管输出等类型。模拟量模块按照信号类型分有电流型、电压型等规格；按照精度分有12位、14位等规格。（4）电源PLC中不同的电路单元需要不同的

30、工作电源，在整个PLC系统中电源起着十分重要的作用。PLC一般都配有开关式稳压电源，用来给PLC的内部电路以及各模块的集成电路提供工作电源。有些机型还向外提供24V的直流电源，用于给外部输入信号或传感器供电，减少了外部连线，为用户提供了方便。在有些PLC中把CPU与电源合二为一，而有些是分开的。在输出类型上，有110V或者220V的交流输入，还有24V的直流输入。（5）外部模块编程设备。常见的有简易手持编程器、基于PC的编程软件、智能图形编程器等。编程设备用于输入和编辑用户程序，设定一些系统参数、监控PLC及其控制系统的状态。编程设备是PLC在应用系统设计与调试、监控运行、检查维护中不可或缺的

31、部件，但其不直接地参与现场控制。其他外设。除了编程设备外，PLC还有用来记录程序和信息的盒式磁带机、用来打印程序和报表的打印机、用来显示或监视系统中相关部分运行状态的图形监控器等外部设备。当PLC处于停止工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容。在运行模式下，PLC通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能，为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作模式。PLC这种周而复始的工作方式称为循环扫描工作方式。当PLC投入运行后，它的工作过程一般分为三个阶段，也就是输入采样、用户程序执行和输出刷新三

32、个阶段4。完成这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。（1）输入采样阶段在此阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应单元内。采样结束后转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中相应单元的状态和数据也不会改变。 （2）用户程序执行阶段在此阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次扫描梯形图。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新系统R

33、AM存储区中该逻辑线圈对应位的状态，或者刷新I/O映象区中该输出线圈对应位的状态，或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的数据和状态不会发生变化，而输出点和软设备在系统RAM存储区或者I/O映象区内的状态和数据都可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的梯形图起作用，相反，排在下面的梯形图，其被刷新的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 （3）输出刷新阶段在扫描用户程序结束以后，PLC就会进入输出刷新阶段。在此阶段，CPU按照I/O映象区内对应的数据和状态刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路

34、驱动相应的外部设备。这时才是PLC的真正输出。3.1.2 S7-200 PLC简介西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能强，可靠性高5。其中，S7-200系列是整体式的，CPU模块、I/O模块和电源模块都在一个模块内，称为CPU模块。同一机架上的模块之间是通过模块正上方的数据接头连接的。它的编程语言有三种，即语句表（STL）、梯形图（LAD）、功能块图（FBD）。S7-200 PLC发展至今，大致经历了两代：第一代产品，其CPU模块为CPU 21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同配置的CPU单元：CPU 212，CPU 214，CPU 215和CPU 216。第二

35、代产品，其CPU模块为CPU 22X，主机都可进行扩展，具有五种不同配置的CPU单元：CPU 221，CPU 222，CPU 224和CPU 226和CPU226XM，除CPU 221之外，其它都可加扩展模块，是目前小型PLC的主流产品。西门子S7-200 PLC在实时模式速度快，有较高的生产力，可以与其他控制器结合使用。S7-200硬件系统由基本单元（CPU）、扩展单元、特殊功能模块、相关设备组成。S7-200 PLC具有以下特点：（1）集成的24V电源。可直接连接到传感器，其中，CPU224输出280mA，可用作负载电源。（2）通信口。其中，CPU221、CPU222以及CPU224具有1

36、个RS-485通信口，CPU226具有2个RS-485通信口，S7-200支持PPI、MPI通信协议，有自由口通信能力。（3）高速脉冲输出。S7-200具有两路高速脉冲输出端，频率达20KHZ，可用于控制步进电机或者伺服电机。（4）中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿做出响应。（5）电池模块。用户数据可通过内部的超级电容存储大约5天。选用电池模块能延长存储时间到200天。电池模块插在存储器模块的卡槽中。（6）数字量输入/输出点。CPU221具有6输入/4输出；CPU222具有8输入/6输出；CPU224具有14输入/10输出；CPU226具有24输入/16输出。（7）高速计数器。具有几个

37、高速计数器，用于捕捉比CPU扫描频率更高的脉冲信号。S7-200 PLC的应用领域从更换继电器和接触器一直扩展到单机、网络以及分布式配置更复杂的自动化领域。S7-200 PLC具有结构紧凑小巧、大容量程序和数据存储、实时响应快、操作顺序和过程控制快速和精确、易于配合STEP7-Micro/WIN32工程软件使用等优点。3.1.3 I/O地址分配此次课题中使用的S7-200 PLC 的CPU 224XP CN，其具有14个输入点和10个输出点。结合此设计需要满足的功能要求以及开关元件，考虑PLC与变频器之间的输入输出控制关系，S7-200 I/O地址可按如下分配：表3-1 I/O地址分配表输入输

38、出功能元件地址功能地址启动SB1I0.1DIN3Q0.1停止SB2I0.2DIN4Q0.2调试SB3I0.3DIN5Q0.3正转SB4I0.4DIN1Q0.4反转SB5I0.5DIN2Q0.5单选SB6I0.6一速SB7I0.7二速SB8I1.3三速SB9I1.4四速SB10I1.0五速SB11I1.1自动SB12I1.23.1.4 S7-200 PLC接线图图3-1为S7-200PLC（CPU 224XP CN）DC电源/DC输入/DC输出端子接线图，DC输入端由1M、I0.0I0.7构成的第一组和由2M、I1.0I1.5构成的第二组组成，1M和2M分别为各组公共端，DC 24V的负极接公共

39、端1M或者2M，输入开关的一端接DC 24V的正极，输入开关的另一端接CPU 224XP CN各输入端；DC输出端由1M、1L+、Q0.0Q0.4构成的第一组和由2M、2L+、Q0.5Q1.1构成的第二组组成，1M和2M分别为各组公共端，DC 24V的负极接1M、2M端，正极接1L+、2L+端，Q0.1Q0.4输出一端接CPU 224XP CN各输出端，另一端分别与变频器端7、端8、端16、端5连接。图3-1 S7-200 PLC接线图3.2 西门子MICROMASTER VECTOR变频器3.2.1 变频器的工作原理变频技术诞生背景是交流电机无级调速的广泛需求。传统的直流调速技术因体积大故障

40、率高而应用受限。变频器是通过整流、斩波、逆变等基本过程以及对电力半导体器件（如IGBT等）的PWM控制等，将电压和频率固定不变的工频交流电电源变换为电压或频率可变的交流电电源，最终实现对电机的调速运行 6。变频器的组成单元有整流单元、滤波单元、逆变单元、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需的电源电压，从而达到节能以及调速的目的，另外，变频器还有很多保护功能，比如过流保护、过压保护、过载保护等等。变频器具有调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行速率高、控制灵活、安装调试操作方便且易于同其他设备连接等一系

41、列优点，随着社会的不断进步与发展以及工业自动化程度的不断提高，变频器得到了非常广泛的应用。变频器主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，主电路大体上可以分为两类：电压型和电流型。电压型是将电压源的直流转换为交流的变频器，其直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流转换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 变频器主电路的组成有三部分，分别是整流器、平波回路和逆变器。整流器的作用是将工频电源转换为直流功率，即将工作频率固定的交流电转换为直流电；平波回路的作用是吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动；逆变器，由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，其作用是将直流功率转换为交流功率，即将直流电

42、转化成不同频率、宽度、幅度的方波。另外，给主电路提供控制信号的回路叫做控制电路，它是由频率、电压的运算电路，主电路的电压、电流检测电路，电动机的速度检测电路，放大运算电路控制信号的驱动电路，以及逆变器和电动机的保护电路组成的。3.2.2 变频调速变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而来改变其同步转速n的调速方法7。提供变频电源的变频器是变频调速系统的主要设备，变频器可分成交直交变频器和交交变频器两大类，目前我国国内大都使用的是交直交变频器8。它的特点如下：(1) 效率高，在调速的过程中没有附加损耗。(2) 应用范围广泛，可运用于笼型异步电动机。(3) 调速范围大，特性硬，精度高。(4) 技术

43、复杂，造价高，维护检修困难。(5) 变频调速适用于对精度以及调速性能要求较高的场合。变频调速技术在国民经济和日常生活中有着很重要的地位：(1) 应用面广，是工业企业和日常生活中普遍需要的新技术。(2) 是节约能源的高新技术。(3) 是国际上技术更新换代最快的领域。(4) 是高科技领域的综合性技术。(5) 是替代进口、节约投资的最大领域之一。变频调速以变频器向交流电动机供电，从而构成开环或闭环系统。变频器是把固定电压、固定频率的交流电转换成可调电压、可调频率的交流电的变换器，是异步电动机变频调速的控制装置9。3.2.3 MMV变频器简介MICROMASTER VECTOR (MMV)是具有免测速

44、机矢量控制功能的通用型变频器,用于控制三相电机的转速。免测速机矢量控制可以计算出所需输出电流及频率的变化量以维持所期望的电机转速,而不受负载条件变化的影响。MMV变频器具有如下特点：(1) 安装、设定、调试简便。(2) 矢量控制的起动转矩高并且速度精度高。(3) 单相输入的MMV12-MMV300可提供内装RFI滤波器选件。(4) 快速电流限幅可以运用于无跳闸应用。(5) 0C到50C的温度范围。(6) 内部自带PID控制功能，可以完成闭环过程控制，为用于反馈的传感器提供15V、50mA供电。(7) 可通过RS-485串口实现远程控制,此外使用USS通讯方式最多可以控制31台变频器。(8) 输

45、出频率(即电机转速)可由以下方法控制： 前面板频率给定 外部电位计控制电机转速 高分辨率的模拟量给定值(电压或电流输入） 8个固定频率设定。 电动电位计功能 串行接口 3.2.4 参数设置变频器可以通过前面板上的薄膜型按键改变和设定参数，以调节出所需要的变频器特性，例如最大和最小频率等。被选定的参数号和设定的参数值通过四位LED显示屏显示出来。值得注意的是，如果间断性地按键，数值将一步一步地改变，如果长时间地按住键，数值将快速地改变10。参数能否读取，取决于P009的设定。按照生产流水线电气控制系统的设计要求，参数设置如下：表3-2 MMV变频器参数设置参数功能参数设置说明/注释P001显示选

46、择00=输出频率（HZ）P006频率设定方式选择22=固定频率P007面板操作控制00=运行P009参数保护设定33=所有参数可被读写P041固定频率（HZ）10P042固定频率（HZ）30P043固定频率（HZ）50P049固定频率（HZ）20P048固定频率（HZ）50P051选择控制功能11=运行，向右转P052选择控制功能22=运行，向左转P053选择控制功能1717=二进制固定频率控制P054选择控制功能1717=二进制固定频率控制P055选择控制功能1717=二进制固定频率控制3.2.5 多段速控制变频器的多段速是通过功能端子控制的，这些功能端子按照二进制的规律组合接通时，变频器输

47、出各固定频率11。MMV变频器最多可以通过3个端子组合闭合控制生成8种固定频率，根据f = n P /60可知，从而得到8段速。表3-3中“1”表示该端子的控制闭合；“0”表示该端子的控制断开。由段速表可见，DIN3、DIN4、DIN5功能端子按照表中的对应关系进行闭合时，得到8种固定频率。表3-3 二进制编码固定频率表DIN3（P053）DIN4（P054）DIN5（P055）FF5（P046）000FF6（P047）001FF7（P048）010FF8（P049）011FF1（P041）100FF2（P042）101FF3（P043）110FF4（P044）111因此，为了使PLC与变频器

48、相结合对电机进行控制从而达到生产流水线电气控制系统的控制要求，S7-200PLC输出点与MMV变频器的对应关系应该如表3-4所示。表3-4 PLC输出点与变频器对应关系Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5DIN3DIN4DIN5DIN1DIN2速度(r/min)频率(HZ)FF11001030010FF21011090030FF311010150050FF80100160020FF7011011500503.2.6 变频器接线图参照MMV变频器操作手册，接线图如图3-2所示12。图3-2 变频器接线示意图第四章 控制系统的软件设计4.1 PLC编程随着社会的进步与快速发展，微处理器、计算机

49、以及数字通信技术的发展飞速，如今计算机控制几乎已经扩展到了所有的工业领域。在这种情况下，现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应，要求生产出小批量、多品种、多规格并且低成本和高质量的产品。因此，为了满足这些要求，生产设备以及自动化生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，PLC编程应运而生，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据按控制要求编制好并储存于用户存储器中的程序，按照指令步序号(地址号)作周期性循环扫描，如果没有跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束，然后再重新返回第一条指令

50、，开始下一轮新的扫描，在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样以及对输出状态的刷新等工作。PLC的用户程序，是设计人员根据控制系统的工艺控制要求，通过PLC编程语言的编制规范，按照实际需要使用的功能来设计的。只要用户能够掌握某种标准编程语言，就能够使用PLC在控制系统中，实现各种自动化控制功能。根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准（IEC1131-3），PLC有五种标准编程语言：梯形图语言（LD）、指令表语言（IL）、功能模块语言（FBD）、顺序功能流程图语言（SFC）、结构文化本语言（ST）。其中，梯形图语言是PLC程序设计中最常用的编程语言13。它是与继电器线路类似的一种编程语言

51、。它在形式上沿袭了传统的继电器接触器控制图，是在原继电接触器控制系统的梯形图基础上演变而来的一种图形语言。它将PLC内部各种编程元件和各种具有特定功能的命令用专用图形符号、标号表示，并且按照逻辑要求及连接规律组合和排列，从而构成了表示PLC输入、输出之间控制关系的图形。因为它在原继电接触器的基础上加进了许多功能强大、使用灵活的指令并且将计算机的特点结合了进去，使得其逻辑关系清晰直观、编程容易、可读性强，可以实现的功能大大超过了传统的继电接触控制电路，所以得到了广泛的欢迎和应用。梯形图编程语言的特点是：与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；与原有继电器控制相一致，电气设计人员易于掌握。梯形

52、图的设计应注意到以下三点：（1）梯形图按从左到右、自上而下地顺序排列。每一逻辑行（或称梯级）起始于左母线，然后是触点的串、并连接，最后是线圈。（2）梯形图中每个梯级流过的不是物理电流，而是概念电流，从左流向右，其两端没有电源。这个概念电流只是用来形象地描述用户程序执行过程中应该满足线圈接通的条件。（3）输入寄存器用来接收外部输入信号，而不能由PLC内部其它继电器的触点驱动。因此，梯形图中只出现输入寄存器的触点，而不出现其线圈。输出寄存器则输出程序执行结果给外部输出设备，当梯形图中的输出寄存器线圈得电时，就有信号输出，但不是直接驱动输出设备，而是要通过输出接口的继电器、晶体管或者晶闸管才能实现。

53、输出寄存器的触点也可供内部编程使用。4.2 编程软件简介STEP7-Micro/WIN32是运行在计算机Windows系统环境下的西门子S7-200系列PLC的编程软件，其界面简单、实用，功能强大，易于操作人员掌握和使用。其通过PC/PPI编程电缆连接计算机的RS-232串口和S7-200 PLC的RS-485通信接口后，编程软件就可以向PLC下载或从PLC上载所编写的应用程序。程序运行过程中还可以对PLC运行的情况进行监控，或通过强制命令对PLC进行调试。STEP7-Micro/WIN32的主界面中，系统菜单和工具栏提供各种功能，指令树结构列出了编辑资源，包括程序块、符号表、状态图、数据块、

54、通信块等，还有所有可用指令。在编辑区，可进行程序编辑。这种编程结构使用了模块化编程体系，程序结构简单、组织方便、层次清楚，有利于编写规模较大的程序。编程软件有如下的具体功能：（1）可以用梯形图、语句表和功能块图编程。（2）可以进行符号编程，通过符号表来分配符号和绝对地址，也就是对编程元件定义符号名称，增加程序的可读性，使之易于理解，并可打印输出。（3）具有易于使用的组态向导，用于PID控制器、CPU间数据传输的通信功能和高速计数器功能。（4）支持三角函数、对数运算功能。（5）可用于CPU硬件设置，如输入延时、实时时钟设置、通信系统的网络地址和CPU最近的错误状态。（6）可通过调制解调器支持S7-200远程编程。（7）可进行故障检测和诊断、执行单次扫描、强制输出等。（8）可以同时打开多个窗口显示状态表和信号状态。（9）有可编辑的变量状态表，易于程序调试。（10）可导入和导出STEP7-Micro/DOS格式的文件。4.3 顺序控制继电器（SCR）指令在工