电气控制系统安装与调试项目教程(西门子系统)全套课件

1、 项目一 风机电气控制系统安装与调试 1、了解风机的工作原理和电气系统；2、掌握三相交流异步电动机的Y-降压启动控制的常规电气装调；3、掌握三相交流异步电动机的Y-降压启动控制的PLC控制装调；观 察 与 思 考 典型图片 观察右图，这是一台风机，按下起动按钮，电机Y型起动，带动叶轮低速旋转运行。延时一段时间后，电机切换到型运行，高速运行，完成降压起动。按下停止按钮，电机停止运转。这就是三相交流异步电动机的Y-降压起动控制。我们在工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物、锅炉、工业炉窑里都能看到这种风机。一、项目要求某食品厂现有一台风机，驱动装置是一台三相交流异步电动机，控制面板上有两个按

2、钮，按下起动按钮（SB2）风机Y型降压起动，定时器开始计时，到达计时时间后，切换到型全压运行，如果在运行中按下停止按钮（SB1）风机停止运行。二、项目准备1、认识三相交流异步电动机 三相交流异步电动机是一种将电能转化为机械能的电力拖动装置。它主要由定子、转子和它们之间的气隙构成。通电后，会在铁芯中产生旋转磁场，通过电磁感应在转子绕组中产生感应电流，转子电流收到磁场的电磁力作用产生电磁转矩，并使转子旋转。 三相交流异步电动机的外观和结构图按三相异步电动机的转子结构形式可分为鼠笼式电动机和绕线式电动机。按三相异步电动机的防护型式可分为开启式价格便宜，散热条件最好，由于转子和绕组暴露在空气中，只能用

3、于干燥、灰尘很少又无腐蚀性和爆炸性气体的环境；防护式通风散热条件也较好，可防止水滴、铁屑等外界杂物落入电动机内部，只适用于较干燥且灰尘不多又无腐蚀性和爆炸性气体的环境；封闭式适用于潮湿、多尘、易受风雨侵蚀，有腐蚀性气体等较恶劣的工作环境，应用最普遍。（a）开启式（b）防护式（c）封闭式 按机壳防护形式电动机的类型按三相异步电动机的安装结构形式可分为卧式、立式、带底脚、带凸缘。按三相异步电动机的机座号可分为小型电动机0.6kW，19号机座；中型电动机1001250kW，1115号机座；大型电动机1250kW以上，15号以上机座。鼠笼式三相异步电动机常见起动方法有直接起动、定子串电阻起动、Y-起动

4、、串自耦变压器起动、延边三角形起动，表2-1是比较几种起动方法的适用范围和特点。表2-1 起动方法的适用范围和特点2、认识Y-降压起动控制 Y-降压起动是指电动机在起动时降低加在定子绕组上的电压，起动结束时再加额定电压运行的起动方式。降压起动虽然能降低电动机起动电流，但由于电动机的转矩与电压的平方成正比，因此降压起动时电动机的转矩较小较多，故此法一般适用于电动机空载或轻载起动。 如图2-4所示，Y-降压起动控制是对电机进行低、高速切换运行而设计的，用手按下起动按钮后电动机得电运行，接触器KM1、KM3（Y）和通电延时继电器KT线圈得电，电机Y型低速运行，当KT延时一段时间后，KT动断触点断开，

5、KM3（Y）停止运行，同时KT动合触点闭合，KM1、KM2（）线圈得电，电机型高速运行，按下停止按钮后，控制回路失电，电动机停止运行。（1）闭合开关QS，按下起动按钮SB2，KM1、KM3和KT线圈得电主触点闭合电机Y型转动，灯HL1、HL3亮，延时一段时间后，KT动作，KM3失电，KM2得电，最后KT失电，灯HL1、HL2亮。（2）按下停止按钮SB1，KM1、KM2线圈立刻失电，KM1、KM2、KM3和KT的各个触点复位，电机停止转动。图2-4 Y-降压起动控制电路三、项目实施 该工厂风机控制面板上有两个按钮，分别是绿色按钮（SB2、起动按钮）和红色按钮（SB1、停止按钮）。按下绿色按钮（S

6、B2）风机起动运行，按下红色按钮（SB1）风机就停止运行。该电气控制系统能实现电机从降压低速起动到全压高速运行的切换控制。1、系统方案设计图2-5 电动机线圈Y-连接方法 2、实施步骤（1）认识工具和电气元件清单本项目是学生第一次在YL-158GA1电气控制技术实训考核装置上进行项目实施，先认识工作必须配备的电工工具和机械安装工具。请各组学生根据表2-2和表2-3所列工具清单仔细核对所配工具型号、用途、规格、数量和质量。表2-2 工具清单表2-3 电气元件清单（2）认识电源部分在实训设备右下方，有一航空插座，从外部航空插头接入380V三相五线制交流电源（U、V、W、N、PE），给本实训设备进行

7、供电，如图2-6所示。在实训场所布置好电源，接入航空插头后设备就可以开始使用了。图2-6 电源输入在实训设备正反两面柜门面板都有电源指示及控制（如图2-7），包括电压表、电流表、三相功率表、报警蜂鸣器、启动按钮、急停按钮等，以及人机界面MCGS也在正面柜门面板上。如需设备通电，先合上三个单相空气开关，再合上三相空气开关，最后按下绿色电源起动按钮。（a）正面 （b）反面图2-7 柜门电源面板在实训设备接入电源后，完成本项目安装如果需要380V/220V三相交流电源时，可以通过以下几个地方提供：在柜门电源盒背面右上角，提供了三相五线的电源输出接口，如图2-8（a）所示；打开柜门反面的按钮指示灯盒，

8、在两排接线端子的左上角，提供了三相五线的电源输出接线端子，如图2-8（b）所示；在柜体右后侧，有交流220V电源插座，可以用来给计算机供电，如图2-8（c）所示。（a） （b） （c） 图2-8 交流电源输出如果需要直流电源时，可以通过以下几个地方提供：正反面PLC挂板左侧，提供了可调的010V电压输出和420mA电流输出，如图2-9（a）所示；在反面PLC挂板左下侧，有一组稳压电源，提供了5V和24V两种开关电源输出，如图2-9（b）所示；在伺服驱动器右上方有单相整流桥，可以接入交流电源整流称直流电源输出，能用于电动机能耗制动，如图2-9（c）所示。其他再负载允许的情况下，PLC（电源模块）

9、上有自带24V电源输出可使用。（a） （b） （c） 图2-9 直流电源输出（3）认识控制部分本项目电气控制部分主要使用的交流接触器、热继电器、按钮、指示灯、电机等元器件。在本实训设备中元件准守电气柜设计规范要求进行选用，并合理布置和使用。交流接触器的选用原则：作为通断负载电源的设备，应满足被控制设备的要求，除额定工作电压与被控设备的额定工作电压相同外，被控设备的负载功率、使用类别、控制方式、操作频率、工作寿命、安装方式、安装尺寸以及经济性是选择的重要依据。本设备选用的型号为CJX2-09的交流接触器，安装如图2-10所示。图2-10 交流接触器选用与安装热继电器的选用原则：主要用于保护电机，

10、在电机发热烧坏前，热继电器必须动作。所以基本按照电机额定电流选择，热继电器最小电流电机额定电流“库”右键，选择“库存储区”，点击“建议地址”，选择V存储器的地址。如图4-19所示。图4-19 分配库存储区地址谢谢Thank you 项目十 机场行李处理系统安装与调试 1、了解机场行李处理系统构成和工艺流程；2、能完成S7-300与S7-200 SMART以太网通信连接；3、能完成S7-300与S7-200 SMART以太网通信编程。观 察 与 思 考 图4-20 机场行李处理系统流程示意图如图4-20，这是城市某机场的行李处理系统。一般机场行李处理系统通常由通用行李输送机、汇流输送机、行李安检

11、系统、排队输送机、浆式分拣机、行李转盘、垂直分拣机、凸轮分拣机、转弯输送机、大件行李值机输送机、值机和收集输送机等部分组成。机场旅客分离港旅客和进港旅客，离港旅客需对其旅客和行李进行安全检查，其中行李需要进行称重贴标签，并进行分类装入行李集装箱，最后运上飞机行李舱；进港旅客的大件行李需经提取转盘卸货来到行李认领区，小件行李直接卸货进入行李认领区，最后旅客认领行李。项目要求 根据机场行李处理系统流程，利用1台S7-300和2台S7-200 SMART PLC模拟机场行李处理系统，实现三台PLC联系的是以太网通信。整个系统采用以太网通信，可快速的将机场行李处理系统各个单元的数据传输到主站进行管理。

12、上位机（触摸屏）将操作指令通过主站S7-300传送给S7-200 SMART执行单元，远程设备站执行单元又可以将设备的工作状态信息通过从站S7-200 SMART传送给上位机。上位机（触摸屏）将行李处理系统中所有控制的工作状态（开关、报警）信息显示出来供操作人员监控。图4-21是机场行李处理系统的网络构架示意图。图4-21 机场行李处理系统网络构架示意图二、项目准备1、S7通信介绍 S7通信是S7系列PLC基于MPI、PROFIBUS、ETHERNET网络的一种优化的通信协议，主要用于S7-300/400PLC之间的通信。S7-300/400通过以太网接口与S7-200 SMART PLC 之

13、间的S7通讯经过测试是可以成功的，但是需要S7-300/400侧编程调用PUT/GET指令，见表4-6所示。 图4-22 S7-300PN接口需采用Standard Library S7-300/400根据使用通信接口（集成的PN口或CP343-1/CP443-1）不同，调用的功能块来源也不同。通信接口为S7-300集成PN接口时，需要使用Standard Library中PUT/GET指令，如图4-22所示。 通信接口为S7-300 CP通信模块时，需要使用SIMATIC_NET_CP 库中PUT/GET指令，如图4-23所示。图4-23 S7-300 CP模块接口需采用SIMATIC_NE

14、T_CP库 S7-400 CPU不区分通信接口，需要使用System Function Blocks 中的SFB14/SFB15指令块，如图4-24所示。图4-24 S7-400 需采用SFB程序块2、相关指令介绍 通过SFB/FB14(GET)，从远程CPU中读取数据。在REQ的上升沿处读取数据。在REQ的每个上升沿处传送参数ID、ADDR_1、RD_1。在每个作业结束之后，可以给ID、ADDR_1、RD_1分配新数值。如果正在读取数据时发生访问故障，或如果数据类型检查过程中出错，则出错和警告信息将通过ERROR和STATUS输出表示。接收指令GET（FB14）参数说明见表4-7。 通过使用

15、SFB/FB15(PUT)，可以将数据写入到远程CPU。在REQ的上升沿处发送数据。在REQ的每个上升沿处传送参数ID、ADDR_1、SD_1。在每个作业结束之后，可以给ID、ADDR_1、SD_1分配新数值。如果正在写入数据时发生访问故障，或如果执行检查过程中出错，则出错和警告信息将通过ERROR和STATUS输出表示。发送指令PUT（FB15）参数说明见表4-8。三、项目实施1、系统方案设计（系统框图、硬件配置选型） 采用YL158GA1模拟实现机场行李系统部分工艺流程，重点实现S7-300和两台S7-200 SMART PLC的以太网通信，系统网络框图如图4-25所示。具体工作流程如下：

16、通过以太网与上位机触摸屏通信实现数据交换。S7-200SMART SR40和S7-200SMART ST30分别作为两个从站通过网络交换机与主站通信，实现各自的控制功能。S7-200SMART SR40控制行李输送机，S7-200SMART ST30控制行李分拣机，各启停信号分别由触摸屏控制，触摸屏上显示各PLC输出信号。 图4-25 系统网络框图2、电气设计与安装（1）I/O地址分配根据模拟工作流程，各站I/O地址分配如表4-9。（2）系统网络连接 本系统利用YL158GA1模拟机场行李处理系统，使用MCGS触摸屏的按钮和指示灯模拟动作，重点解决S7-300与S7-200 SMART以太网通

17、讯问题。主站(314C-2PN/DP)IP地址：192.168.2.3，MCGS触摸屏IP地址：192.168.2.4，从站1（SR40）IP地址：192.168.2.1，从站2（ST30）IP地址：192.168.2.2。系统网络连接示意图如图4-26。图4-26 系统网络连接图3、软件组态设计 （1）STEP7平台下硬件及网络组态 在STEP7中创建一个新项目，项目名称为314C_2PN_DP-SMART。插入1个S7-300站，在硬件组态中插入CPU 314C-2 PN/DP。如图4-27所示。图4-27 STEP7 项目中插入S7-300站点 设置CPU 314C-2PN/DP的IP地

18、址：192.168.2.3，如图4-28所示。硬件组态完成后，即可下载该组态。图4-28 设置CPU PN IP地址 打开“组态网络”设置网络参数，选中CPU 314C-2PN/DP，在连接列表中建立新的连接。步骤如图4-29所示。图4-29 组态网络视图中插入新连接 选择未指定站点，选择通讯协议 S7 连接，点击应用，如图4-30所示。图4-30 组态新连接图4-31 设置S7连接参数 在弹出的S7连接属性对话框中，勾选建立主动连接，设置伙伴IP地址：192.168.2.1（S7-200 SMART SR40 PLC IP 地址），如图4-31所示。图4-32 设置详细地址参数 点击地址详细

19、信息，再弹出来的对话框设置伙伴的机架为1，如图4-32所示。点击确定即可关闭该对话框。网络组态创建完成后，需要编译，如图4-33所示。图4-33 保存并编译连接 网络组态编译无错，鼠标先点击 CPU 314C-2PN/DP ,然后点击下载按钮下载网络组态，步骤如图4-34所示。图4-34 下载组态连接（2）PLC程序设计 本系统中我们主要解决S7-300与S7-200 SMART以太网通讯问题，在主站（314C-2PN/DP）和从站1（SR40）PLC中分别编程，从站2（ST30）中不需编程。本系统流程非常简单，我们采用梯形图编程方法，具体程序如下。主站（314C-2PN/DP）程序，如图4-

20、35所示。图4-35 主站（314C-2PN/DP）程序从站1(SR40)程序，如图4-36所示。图4-36 从站1(SR40)程序（3）HMI组态设计 本系统中，触摸屏的主要功能是系统启停和监控，有启动按钮、停止按钮、输送机指示灯和分拣机指示灯，PLC与触摸屏关联变量如表4-10： 因选择MCGS触摸屏与S7-300 PLC为以太网通讯方式，故在设备组态时需要选择以太网通讯模块。打开“设备窗口”页面，点击设备组态，在空白处右键点击打开设备工具箱，选择添加设备为PLC-西门子-S7CP343&443TCP-西门子CP443-1以太网模块，如图4-37所示。图4-37 添加设备管理界面 双击设备

21、0，在弹出的设备编辑窗口页面，编辑本地IP地址：192.168.2.4(MCGS IP地址)和远端IP地址：192.168.2.3（CPU 314C-2PN/DP IP地址）；然后选择增加设备通道，添加M内部继电器通道10、20，并根据设计好的变量表选择连接相应的位。连接数据变量如图4-38所示。图4-38 设备通道及连接变量编辑机场行李处理系统安装与调试画面，界面如图4-39所示。图4-39 机场行李处理系统安装与调试画面整体调试（调试步骤） 在完成项目电气系统安装和软件设计后，开始调试，分为通电前调试和通电后调试，通电调试时可只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。具

22、体要求见表4-11所示。通电时，必须征得指导老师同意，在指导老师的监护下进行通电测试。表4-12 系统调试要求四、项目拓展 S7-200 SMART CPU模块本体集成1个以太网接口和1个RS485接口，还可通过扩展CM01信号板或者EM DP01模块，使其通信端口数量最多可增至4个，可满足小型自动化设备与触摸屏、变频器及其它第三方设备进行通信的需求。S7-300与S7-200 SMART不仅可以通过本体集成以太网接口进行以太网通讯，当S7-200 SMART以太网通讯接口另作他用时，还可通过扩展EM DP01进行PROFIBUS DP通讯或MPI通讯。支持编程软件版本：STEP 7-Micr

23、oWIN SMART V2.1及以上版本；支持CPU固件：V2.1及以上版本。 该项目拓展实例中主要介绍S7-300与S7-200 SMART 通过 DP01 进行 PROFIBUS DP 通讯，需要进行S7-300站组态，在S7-200 SMART系统中不需要对通讯进行组态和编程，只需要将要进行通讯的数据整理存放到相应的 V 存储区，并且S7-300组态DP01从站时设置正确的地址即可。DP01的地址，在模块本身的拨码上设置，分为X0（地址个位）和X10（地址十位）；DP01是波特率自适应的，取决于S7-300的组态。S7-200 SMART系统虽然中不需要对通讯进行组态和编程，但是需要在S

24、TEP 7-Micro/WIN SMART 系统块中组态EM DP 01 模块。1、EM DP01通信扩展模块 使用EM DP01扩展模块可以将 S7-200 SMART CPU做为PROFIBUS-DP从站连接到PROFIBUS通信网络。通过模块上的旋转开关可以设置 PROFIBUS-DP 从站地址。该模块支持9600 bit/s120000 bit/s之间的任一PROFIBUS波特率，最大允许244输入字节和244输出字节。每个S7-200 SMART CPU（仅限ST与SR型号）可组态两个PROFIBUS EM。 本地CPU存储PROFIBUS EM的组态数据，可通过每个模块上的开关来设

25、置PROFIBUS地址。这使得必要时的通信模块更换变得非常简便。 EM DP01作为PROFIBUS DP设备，可从DP主站接受多种不同的I/O 组态，这有助于用户根据应用要求定制数据传输量。不同于许多DP设备，EM DP01不仅限于传输 I/O 数据。EM DP01还传送输入、计数器值、定时器值或任何其它移入S7-200 SMART CPU中变量存储器的值。EM DP01也会将来自DP主站的数据传送到S7-200 SMART CPU的变量存储器。用户然后可将这些数据从变量存储器转移到其它数据存储区。EM DP01 PROFIBUS DP 模块的DP端口可以连接到网络中的DP主站，并且依然能够

26、作为MPI设备与其它主站设备（例如，同一网络中的SIMATIC HMI设备或S7-300/S7-400 CPU）通信。下图所示为带有S7-200 SMART CPU SR20和EM DP01 PROFIBUS DP模块的PROFIBUS网络： a)、配有CPU 315-2的S7-300作为DP主站，已通过装有STEP 7编程软件的SIMATIC编程设备进行组态。S7-315-2 DP能够从EM DP01中读取数据或将数据写入其中，支持 1 字节到244字节的数据。 b)、S7-200 SMART CPU SR20是归CPU 315-2所有的DP设备。ET 200 I/O模块也是归CPU 315

27、-2所有的DP设备。 c)、S7-400 CPU连接到PROFIBUS网络上并使用S7-400 CPU用户程序中的X_GET指令读取CPU SR20的数据。（其它SIMATIC CPU可使用DB1来访问S7-200 SMART CPU中的V 存储器。）图4-40 EM DP01 PROFIBUS DP模块的PROFIBUS网络2、EM DP01支持的组态 （1）下表4-12列出了S7-200 SMART EM DP01 PROFIBUS DP模块支持的组态： 所有 EM DP01 组态均为缓冲区一致。 在EM DP01组态中，可以混用并匹配以上组态中的任意两种。以下是两个示例： a)一个32

28、字节输入输出的组态加上一个8字节输入输出的组态得到总计40输入字节以及40输出字节。 b)一个122字节输入输出的组态加上一个122字节输入输出的组态得到总计244输入字节以及244输出字节。 EM DP01最大允许244输入字节和244输出字节。如果对EM DP01 使用两种组态，则所有的输入数据和所有的输出数据都是连续的。（2）主站中与从站的通信数据区对应关系 假设DP主站已定义一个I/O组态，其包含两个插槽且V存储器偏移量为1000。将第一个插槽组态为32字节的输入输出，第二个插槽组态为8字节的输入输出。S7-200 SMART CPU 的输出与输入缓冲区均为40字节 (32 + 8)。

29、输出数据（来自 DP 主站）缓冲区起始于 VB1000；输入数据（送入DP主站）缓冲区紧随输出缓冲区并起始于VB1040。如图4-39所示。图4-39 S7-300与S7-200 SMART的通信数据区对应关系3、STEP7平台下安装EM DP01 GSD文件 首先，在STEP 7项目里插入一个S7-300的站，如图4-42所示。图4-42 插入S7-300站 在STEP7的硬件组态窗口中的“选项”菜单内点击“安装GSD文件”，如图4-43所示。图4-43 安装GSD文件菜单图4-44 安装GSD文件选择DP01 GSD文件所在路径，选中并安装，如图4-44所示。4、STEP7平台下组态EM

30、DP01 I/O 首先，在STEP 7项目里插入一个S7-300的站并建立PROFIBUS DP 主站网络，如图4-45所示。图4-45 插入S7-300站和建立PROFIBUS DP 主站网络 在右侧的设备选择列表中找到DP01从站，EM DP01站地址为3，S7-200 SMART通信区域是从VB0开始；PROFIBUS DP-Additional Field Device-PLC-SIMATIC-EM DP01 PROFIBUS-DP，并且根据通讯字节数，选择相应的配置。本例中的插槽一包含4Bytes In/Out”预组态I/O选项，插槽二包含8 Bytes In/Out预组态I/O选项

31、。如图4-46。图4-46 组态EM DP01 I/O从站网络 组态完系统的硬件配置后，编译下载到S7-300的PLC当中。在S7-200 SMART 侧断电的情况下，将DP01的拨位开关拨到与S7-300侧硬件组态DP01站地址的设定值一致。如图4-47。图4-47 EM DP01硬件站地址设置 在STEP 7-Micro/WIN SMART 系统块中组态EM DP 01 模块，编译下载到S7-200 SMART PLC中。程序下载完毕分别打开 STEP7中的变量表和STEP 7-MicroWIN SMART状态表进行监控，它们的数据交换结果如图4-48、图4-49所示。图4-48 S7-3

32、00变量表监控值图 4-49 S7-200 SMART变量表监控值谢谢Thank you 项目十一 刀具切割机电气控制系统安装与调试 1、了解刀具切割机的工作原理和电气系统2、能PLC直接控制变频器和伺服电机系统连接3、能PLC直接控制变频器和伺服电机系统编程调试观 察 与 思 考 图4-50 刀具切割机示意图观察图4-50，这是一台刀具切割机，用来切割皮管、皮带、塑料、胶状及带状平面。通过按钮改变皮带的速率控制切料的进给，通过触摸屏设置切料的长度，实现精确定长切料。刀具切割机采用贯穿式送料方式，刀具切割机结构为卧式布局，具有很好的接触性，重复定位精度高，使用寿命长，同时维修方便。一、项目要求

33、现有一台刀具切割机，驱动装置是由一台可变频控制物料传送电机和一台带动切刀的伺服电机。在正常情况下，切料检测装置检测到料物，才可以操控电机。按下绿色按钮（SB1）设备启动，通过按下绿色按钮（SB2）的次数控制传送物料的转速，按下红色按钮（SB3）砂轮电机停止运行。如需要调试切刀的位置，按下（SB4）正转，按下（SB5）反转。如果遇到紧急情况，可以按下急停按钮急停（用SA1代替），急停松开后，机器不会运行，需重新启动。二、项目准备1、伺服驱动器与变频器区别（1）变频器与伺服放大器在主回路与控制回路上的区别主回路：变频器与伺服的构成基本相同，两者的区别在于伺服中增加了称为动态制动器的部件，停止时该部

34、件能吸收伺服电机积累的惯性能量，对伺服电机进行制动。控制回路：与变频器相比，伺服的构成相当复杂。为了实现伺服机构，需要复杂的反馈、控制模式切换、限制（电流/速度/转矩）等功能。（2）伺服驱动器与变频器在性能及应用方面主要区别控制精度不同：交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。矩频特性不同：交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。在0.2r/MIN转速下仍可拖动额定负载平稳运转，调速比可达到1:10000，这是变频器远远达不到的。具有过载能力不同：伺服驱动器一般具有短时3倍过载能力，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。变频器一般允许1.5倍过载。加减速性能不同

35、：在空载情况下伺服电机从静止状态加速到2000r/min，用时不会超20ms。电机的加速时间跟电机轴的惯量以及负载有关系，通常惯量和负载越大加速时间越长，动态响应品质优良。伺服电机在位置控制模式下，突加负载或撤载，几乎没有超调现象，电机转速不会产生波动，保证了机床加工的精度。驱动对象不同：变频器是用来控制交流异步电机，伺服驱动器用来控制交流永磁同步电机。伺服系统的性能不仅取决于驱动器的性能，而且跟伺服电机的性能有直接的关系。伺服电机的材料、结构和加工工艺要远远高于变频器驱动的交流电机，电机方面的严重差异也是两者性能不同的根本。应用场合不同：变频控制与伺服控制是两个范畴的控制。前者属于传动控制领

36、域,后者属于运动控制领域。一个是满足一般工业应用要求，对性能指标要求不高的应用场合，追求低成本、少维护、使用简单等特点的驱动产品。另一个就是代表着工业自动化发展水平的产品，追求高性能、高响应、高精度。2、西门子EM253定位模块的使用（1）定位模块的基本功能EM253位控模块,速度与精度的完美协调使用简单、控制精确；EM253的控制范围从微型步进电机到智能伺服驱动器。运行快速而不受约束 集成的脉冲接口能够产生200KHz的脉冲信号，指定位置，速度和方向。集成的定位开关输入能够脱离中央处理单元独立地完成位控任务。 适应性强 5V直流脉冲或RS422输入接口。 低震荡 可以选择的“jerk”/S-

37、curve功能可以减小在启动，停止和改变速度时产生的震荡和后座。控制灵活，功能强大 通过用户程序可以配置和选择25个profile,每个profile可以有多达四个速度改变。绝对、相对和手动的定位；可以将距离和位置的单位设置为毫米，英寸，度或者脉冲数。可以选择4种不同的参考点搜索模式。 简便的软件配置，图形化的、集成于STEP7-Micro/WIN,V3.2(及以上版本)的向导具有以下功能: 参数化（基本参数的设定）创建定位profile确定参考点搜索模式 集成于Micro/Win中的操作简便的EM253控制面板支持参数的在线修改和参数化功能。（2）模块的组成EM253定位模块如下图4-51所

38、示：图4-51 EM253模块图4-52 EM253的规范指标（3）安装和接线注意事项：在开始安装和连线前确保切断所有外部电源供电，如果电源没有被切断可能使用户触电或部件被损坏。部件不能安装在具有如下环境条件的场所中：过量或导电的灰尘，腐蚀或易燃的气体，湿气或雨水，过度热量，常规的冲击或过量的震动。在安装途中即切割修整导线时，特别注意不要让碎片落入部件中。当安装结束时移去保护纸带以避免部件过热。一般注意事项：确保安装部件和模块尽可能地远离高压线高压设备和电力设备。连线警告：不要把输入信号和输出信号置于同一多芯电缆中，进行传输也不要让它们共享同一根导线。不要把I/O 信号线置于电力线附近或使它们

39、共享同一根导线管，低压线应可靠地与高压线隔离开或进行绝缘。当I/O 信号线具有较长的一段距离时，必须考虑电压降和噪声干扰。三、项目实施本项目在亚龙YL-158GA1电气控制技术实训考核装置上实施，全部设备选型及接线以实训柜体为参考，模拟矩形工作台刀具切割机的工作过程。1、系统方案设计该切割机采用触摸屏和现场控制面板，通过PLC同时控制升降伺服电机和变频调速电机，形成PLC触摸屏控制切割机的系统框图如图4-53所示。图4-53 刀具切割机系统框图考虑该电气系统输入量比较多，为控制方便采用触摸屏和控制面板两地控制的方案，减少按钮的数量，同时利用PLC的特点，通过一个按钮交互动作实现送料电机多段速控

40、制；考虑安全保障，必须切料检测机构检测到有料才可以操控送料电机及伺服电机；根据经验设置该系统伺服控制1000个脉冲旋转一周，砂轮分为50HZ、35HZ和20HZ三段速，加减速时间均为2秒。该切割机控制面板上有四个按钮。在正常情况下，按下绿色按钮（SB1）设备启动，通过按下绿色按钮（SB2）的次数控制传送物料的转速，按下红色按钮（SB3）砂轮电机停止运行。如需要调试切刀的位置，用触摸屏的指令按钮来控制。如果遇到紧急情况，可以按下急停按钮急停（用SA1代替），急停松开后，机器不会运行，需重新启动。2、电气设计与安装（1）I/O地址分配根据控制要求列出PLC输入输出表4-12，也包括PLC与触摸屏关

41、联元件。表4-12 PLC输入输出表（2）电气原理图在前面项目五已经实践过变频器及电机多段调速连接，在项目八已经实践过伺服驱动器及电机连接，在本项目中不在提供电气原理图。只是再次提醒，亚龙YL-158GA1电气控制技术实训考核装置上，连接变频器电源，注意三相电源接到变频器的进线端，否则将烧毁变频器。注意PLC型号承受的电压等级，既满足变频器连接和伺服驱动器连接，建议大家使用的S7-200SMART-ST30晶体管输出PLC。（3）参数设置变频器与伺服控制器在使用前需要根据用途进行参数设置，本项目中设置主要参数如表变频器参数设置表4-13和伺服参数设置表4-14。表4-13 变频器参数设置表4-

42、14 伺服参数设置3、软件组态设计（1）HMI组态设计采用MCGS软件设计触摸屏画面，为对应控制面板与触摸屏两地控制的关系，将触摸屏变量与控制面板变量共同进行分配，见I/O分配表。HMI界面设置文本框和按钮框，文本框显示项目内容，按钮框选择开关属性，本系统中，触摸屏的主要功能是输出指令和系统监控，界面如图4-54所示。图4-54 HMI界面设置（2）PLC程序设计图4-55 梯形图程序4、整体调试在完成项目电气系统安装和软件设计后，开始调试，分为通电前调试和通电后调试，通电调试时可只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。具体要求见表4-15所示。通电时，必须征得指导老师同

43、意，在指导老师的监护下进行通电测试。表4-15 系统调试要求学生把测试数据记录到表4-16中（以“1”代表得电，以“0”代表失电）。表4-16 运行记录表四、项目拓展以上我们完成了切割机的一般控制，当用户需要直线、圆弧等其他复杂图形控制时，我们就需要将原来由液压驱动作往复直线运动的平台，改造成由PLC进行插补运算的双轴控制。采用逐点比较法实现直线、圆弧和非圆二次曲线的插补，插补精度较高。1、逐点比较法直线插补逐点比较法是每走一步都要将加工点的瞬时坐标同规定的图形轨迹相比较，判断其偏差，然后决定下一步的走向，如果加工点走到图形外面去了，那么下一步就要向图形里面走；如果加工点在图形里面，那么下一步

44、就要向图形外面走，以缩小偏差。这样就能得出一个非常接近规定图形的轨迹，最大偏差不超过一个脉冲当量。在逐点比较法中，每进给一步都须要进行偏差判别、坐标进给、新偏差计算和终点比较四个节拍。下面分别介绍逐点比较法直线插补的原理。偏差计算是逐点比较法关键的一步。下面以第一象限直线为例导出其偏差计算公式。图4-56 直线插补过程 图4-57 直线插补计算流程图如图4-56所示，假定直线 的起点为坐标原点，终点A的坐标为 ， 为加工点，若P点正好处在直线 上，那么下式成立： 若任意点 在直线 的上方，那么有下述关系成立： 可以取偏差判别函数 为：由 的数值（称为“偏差”）就可以判别出P点与直线的相对位置。

45、即：当 =0时，点 正好落在直线上；当 0时，点 落在直线的上方；当 0）时，应该向+X方向发一个脉冲，使平台向+X方向前进一步，以接近该直线；当点P在直线下方（即 0和 =0归于一类，即 0。这样从坐标原点开始，走一步运算一次，判别 ，再趋向直线，逐点接近直线 ，步步前进。当两个方向所走的步数和终点坐标 值相等时，发出终点到达信号，停止插补。为了PLC运算简化，通常采用的是迭代法，即每走一步后新加工点的加工偏差值用前一点的加工偏差递推出来。可以取偏差判别函数 为： 。若 0时，则向x轴发出一进给脉冲，砂轮从这点即 点向x方向前进一步，到达新加工点 ， ，因此新加工点 的偏差值为： 。如果某一

46、时刻，加工点 的 0，则向y轴发出一个进给脉冲，砂轮从这一点向y方向前进一步， ，新加工点 的偏差值为： 。从以上推倒可以看出，新加工点的偏差完全可以用前一加工点的偏差递推出来。综上所述，直线插补计算流程如图4-57所示，逐点比较法的直线插补过程为每走一步要进行以下4个节拍（步骤）：判别，根据偏差值确定刀具位置是在直线的上方（或线上），还是在直线的下方；进给，根据判别的结果，决定控制哪个坐标（x或y）移动一步；运算，计算出刀具移动后的新偏差，提供给下一步作判别依据；比较，在计算偏差的同时，还要进行一次终点比较，以确定是否到达了终点。若已经到达，就不再进行运算，并发出停机或转换新程序段的信号。根

47、据公式来计算新加工点的偏差，使运算大大简，但是每一新加工点的偏差是由前一点偏差 推算出来的，并且一直递推下去，这样就要知道开始加工时那一点的偏差是多少，设定开始加工时 =0。2、逐点比较法直线插补PLC编程采用双轴（X轴和Y轴）控制平台进行直线运动，欲加工直线 ，其终点坐标为 =5， =3。采用逐点比较法直线插补PLC编程设直线 其终点坐标为 =5， =3，则终点判别值可取为 。开始时偏差，加工过程的运算节拍如表4-17所示。表4-17 运算节拍采用双轴控制平台进行直线运动，PLC中实现直线插补算法首先进行终点判别，分别判断各坐标轴的进给步数，然后进行整体程序，采用虚拟坐标控制原理，即将“实际

48、坐标轴”平移变换为“虚拟坐标轴”，从而简化控制复杂度；确定象限的直线段用“虚拟坐标轴”原理，可以实现跨象限的直线段控制，适用于四个象限工作。运用定位指令（PLSY，DRVA，DRVA，PLSR等）分别进行两轴定位控制时，在坐标系中定位控制方向示意图如图4-48所示，两轴的输出脉冲和方向已定，按照顺序完成控制。第一象限程序编制。如图4-58所示逐点插补计算过程，首先规定两轴起点坐标，轴终点坐标，进行两轴绝对控制时，设定位置脉冲值；两轴相对控制时，设定脉冲增量值、行进方向，以上设定参照加工过程的运算节拍表11-10，根据第i步偏差值，X轴进给步数值，Y轴进给步数值，运行命令寄存器，完成在第一象限的

49、控制。四个象限程序编制。如图4-59所示四个像限直线插补计算，在第一象限程序编制的基础上，首先判断象限。设定虚拟两轴终点坐标，第i步偏差值，X轴进给步数值，Y轴进给步数值，运行命令寄存。设定第一象限、第二象限、第三象限和第四象限，计算虚拟X轴终点坐标，计算虚拟Y轴终点坐标，判断终点和起点相等，判断虚拟坐标位于第一象限、判断虚拟坐标位于第二象限、判断虚拟坐标位于第三象限和判断虚拟坐标位于第四象限。然后执行类似第一象限程序编制。图4-58 逐点插补计算过程 图4-59 四个像限直线插补计算谢谢Thank you 项目十二 绕线机电气控制系统安装与调试 1、了解绕线机的工作原理和常规电气装调；2、能

50、PLC直接控制变频器和步进驱动器系统连接3、能PLC直接控制变频器和步进驱动器系统编程调试观 察 与 思 考 图4-60 立式绕线机观察图4-60，这是一台绕线机，可以通过触摸屏改变变频器控制的缠绕速度，及张力大小，同时可以通过步进电机控制排线机构将线排列整齐。绕线机广泛应用在变压器，变阻器，电抗器设备铜线的缠绕以及纺织业棉毛丝线的缠绕等，多轴绕线机还可以完成多个缠绕线圈的同时缠绕，提高缠绕精度和节约人力资源。一、项目要求现有一台绕线机，控制面板上有三个按钮，分别是启动、停止、急停，外加一块触摸屏，变频器控制绕线速度，步进驱动器控制排线机构将线排列整齐，触摸屏监控设备运行状态。绕线操作要求原点

51、位限位开关SQ2压合，按下触摸屏启动按钮，绕线电机旋转，排线电机跟踪绕线的速度将线排列整齐，每完成一次线圈缠绕，排线装置回到原点压合SQ2时，绕线电机停止旋转，这时换上下一个缠绕盘，进入下一次缠绕，再按下触摸屏启动，重复上述动作。为了便于调试和维修，在该系统中增加了绕线电机手动旋转和排线电机手动回位。通过触摸屏调试状态手动按下停止按钮，自动工作停止，排线装置回到原位，当排线装置在原位的时候通过触摸屏按下绕线电机手动旋转按钮，绕线电机开始旋转。二、项目准备步进电机可以做到精确的位置定位，变频器可以方便的改变缠绕速度，改变输出力矩。绕丝机在工作中排线的整齐与否是影响产品质量的决定因素，选用步进电机

52、进行驱动，由步进控制器进行设置控制精度；绕线机在工作中绕线效率由绕线电机控制，选用变频器进行驱动，可以方便的进行力矩和速度的设定。1、三相步进电机的位置和速度控制通过软件中向导建立运功控制轴，通过输出脉冲来控制步进电机的转动速度。图4-61 梯形图程序2、利用触摸屏速度选择按钮，通过改变运动曲线，就可以改变输出速度的控制要求，不同的运动曲线执行不同的路径。图4-62 梯形图程序2、缠绕速度设置将缠绕匝数转化为相应的脉冲数，此例中以一匝1000个脉冲为例，实际应用中需根据实际情况计算。图4-63 梯形图程序3、手动调试程序图4-64 梯形图程序4、西门子变频器的故障处理以下就西门子变频器在市场上

53、使用最广的两款型号（MM420系列和MM440系列）的一些新的故障及相应处理办法做一些简单介绍:三、项目实施本项目在亚龙YL-158GA1电气控制技术实训考核装置上实施，全部设备选型及接线以实训柜体为参考，模拟绕线机的工作过程。1、系统方案设计绕线机的控制系统采用触摸屏和按钮相结合，通过PLC同时控制步进电机和变频电机，形成PLC和触摸屏控制绕线机系统框图如图4-65。图4-65 绕线机系统框图2、加工工艺要求自动绕线机缠绕铜线，缠绕时，先将铜线通过张力计检测张力，保证缠绕在线盘上的线张紧，再通过步进电机控制的排线机构将线排列整齐，保证缠绕在线盘上的线整齐有序。每完成一个线盘的缠绕，排线机构回

54、到原点，换上下一个线盘进行下一次缠绕工作。自动绕线机具体工作过程：排线装置在原点位限位开关SQ2压合，张力计施加张力，按下触摸屏启动按钮，绕线电机M1转动，同时排线电机M2要跟踪M1的转动速度将线排列整齐，从左到右缠绕完一次，然后从右到左继续缠绕，这样左右循环，直至达到缠线匝数，停止动作，排线装置回归原点，换下缠绕盘再按下触摸屏启动，重复上述动作。为了便于调试和维修，在该系统中增加了缠绕电机手动旋转和排线电机手动回位。通过触摸屏调试状态手动按下停止按钮，自动工作停止，通过触摸屏按下绕线装置手动旋转按钮，绕线电机开始旋转，手动将绕线装置和排线装置归位。3、电气设计与安装（1）I/O地址分配该控制

55、系统中共有触摸屏和按钮两种输入信号，有触摸屏和按钮两种输出信号，选用S7-SMART-ST30型PLC和MCGS触摸屏来实现该任务。根据控制要求列出PLC输入输出表4-18。表4-18 I/O地址分配表（2）电气原理图在亚龙YL-158GA1电气控制技术实训考核装置上，连接变频器电源，注意三相电源接到变频器的进线端，否则将烧毁变频器，选用S7-SMART-ST30晶体管输出PLC，注意PLC型号承受的电压等级，设计自动绕线机控制系统硬件原理图如图4-66所示。图4-66 自动绕线机控制系统硬件原理图3、软件组态设计（1）HMI设计采用MCGS软件设计触摸屏画面。画面包括主界面、调试界面和加工界

56、面。主界面设置设备的总貌，包括触摸屏设备与PLC设备的通讯状态，绕线机的工作状态，以及进入调试界面和加工界面的切换选择。调试界面设置步进电机、变频器及张力计的工作动态和参数设定。加工界面设置生产参数和加工方式选择。MCGS软件触摸屏画面设计过程。按钮组态，指示灯组态，数字输入组态，对应控触摸屏和按钮的关系，进行I/O分配。HMI界面设置文本框和按钮框，文本框显示项目内容，按钮框选择开关属性，本系统中，触摸屏的主要功能是输出指令和系统监控，设计绕线机调试与加工界面根据动作过程，通过触摸屏设置参数，变频电机和步进电机每完成一次绕线动作，自动进行下一次绕线，可以通过触摸屏调试界面调试好变频器和步进电

57、机，调试完成进入加工界面，设置加工件数和相关的绕线参数。测试主界面如图4-67所示，调试界面如图4-68所示，加工界面如图4-69所示，画面之间进行切换。图4-67 主界面图4-68 调试界面图4-69 加工界面（2）触摸屏上所有主令信号、寄存器等对应的PLC软元件如表4-19。表4-19 触摸屏与PLC关联元件（2）PLC程序设计由于工程项目比较大，程序设计在组织框架上首先进行分配三段程序，分别是主界面程序、调试界面程序和加工界面程序。设备的总貌，包括触摸屏设备与PLC设备的通讯状态，攻丝机的工作状态，以及进入调试界面和加工界面的切换选择。程序设计中将通讯状态SM0.0输出显示。程序如下：图

58、4-70 梯形图程序调试程序用于控制设备的调试及出现故障时复位设备，使设备重新进入工作状态。程序如下：图4-71 梯形图程序变频器控制程序，通过触摸屏的手动控制来调整绕线电机的位置，防止绕线电机在缠绕过程中出现故障，保证绕线的质量。图4-72 梯形图程序指示信息程序指示信息用于监控设备当前的运行状况及工艺进度，程序如下：图4-73 梯形图程序4、整体调试（1）检查PLC控制器输入输出元件与设备的完好状态。包括控制面板、触摸屏、检测开关、变频器和伺服控制器。（2）调试步骤首先调试触摸屏设备与PLC设备的通讯状态，绕线机的工作状态，以及进入调试界面和加工界面的切换选择。然后调试界面设置步进电机、变

59、频器及张力计的工作状态和参数设定。最后加工界面设置工艺设置、缠绕速度设置和加工控制。图4-74 直线轨迹分析与运算公式五、项目拓展上面讲述了单轴的控制，对于复杂的双轴、多轴系统控制，需要在控制之前进行一些轨迹分析运算。1、轨迹控制分析轨迹方程法的前提是对定位进行控制，对象在平面上的运动轨迹必须有确定的参数方程表达式，方程是曲线上的任意一点（x,y）都是某个变量的函数。图4-74为平面坐标系的直线运动。物体从当前点A沿直线位移至目标位置B，设直线在X轴方向上的位移距离为S1，在Y轴方向上的位移为S2。X轴的运动速度为V1，Y轴的运动速度为V2，为保证运动轨迹是直线AB，X轴和Y轴运行同时开始同时

60、结束，运行时间一样的。2、轨迹控制项目有一台独立双轴（X轴和Y轴）定位控制，控制要求如下。控制要求系统能单独进行双轴的回原点及点动（JOG）正/反转操作。按“原点回归”后按照先X轴后Y轴的顺序进行原点回归，原点回归灯亮。按下原点回归按钮系统可以实现一下工作循环，工作循环如图4-75所示。X，Y轴运行到绝对位置（0，0）处停止。暂停1S后，(X，Y)轴继续运行到绝对位置(17990，0)处停止。暂停1S后，(X，Y)轴运行到绝对位置(47090，90200)处停止。暂停1S后，(X，Y)轴运行到绝对位置(76200，0)处停止。暂停1S后，(X，Y)轴运行到绝对位置(0，55360)处停止。暂停