【基于PLC及其网络的变频调速系统的设计6900字（论文）】

基于PLC及其网络的变频调速系统的设计目录TOC\o"1-3"\h\u253111引言 引言随着工业发展的进步，电机由于能提供多数电力设备电能被应用于社会生活中的很多领域中，如交通、工厂、航天等诸多领域中。电机能够实现机械能到电能的变换，它主要是由定子与转子所构成，其中定子代表的就是在机器运行时器件处于静止状态的部分，其主要的作用就是产生磁场；而转子代表的就是在机器运行时器件处于运动状态的部分，其主要是为了能够产生电磁转矩。而电机调速系统是通过认为操作来改变电机的转速从而达到预期想要结果的一种操作。2系统总体设计本文是基于可编程逻辑控制器（PLC）、HMI触摸屏和变频机联机控制的三相异步电机所设计的控制系统。该控制系统的主要分为三个部分，第一个部分是整个控制系统的核心控制单元，也是整个电路的核心处理单元，由西门子S7-1200系列PLC控制器和西门子MM420变频器联机组成，直接可以对PLC进行编程控制电机的调速；第二部分是整个控制系统的监控和调校单元，由西门子TP1200Comfort触摸屏构成，通过HMI触摸屏更加方便操作人员对于三相异步电机的速度调控以及对于整个系统的运行状态的掌控；第三部分是整个控制系统的执行单元，由三相异步电机组成，通过前面两个部分的调整和操作实现对于三相异步电机从0到最高转速的无极调速，最后外接一个传感器和一个网络摄像头用于设备内所贮存的产品计数以及对监视设备的执行状态。系统控制流程图如图2-1所示。图2-1控制流程图3系统硬件设计3.1PLC选型3.1.1PLC介绍过去，大部分的工业控制主要还是由人来操控机器完成任务，不够稳定而且成本过高，近些年来，随着工业自动化进程的加快，具有高性能、可靠性高、实用性能强大的智能控制控制器被广泛投入到工业生产中，不仅能够有效的降低所需要的成本，还能够让工业生产更加的稳定。其中，PLC是非常优秀和可靠的产品之一。PLC就是一个可编程逻辑控制器如图3-1所示，在工业自动化控制的过程中，PLC相当于人的大脑，能够存储指令和信息，使所有被控制单元按照给定的程序指令动作。PLC是设计给工业环境下专用的一种装置。且绝大多数PLC尺寸都比较小，不仅功能繁多，稳定性也非常有保障，能够控制各式各样的工业生产设备和生产过程。图3-1可编程逻辑控制器（PLC）3.1.2PLC的系统组成PLC硬件的主要组成部分为：CPU、存储器、I/O接口、电源和其他各种接口（如图3-2）。（1）CPUCPU负责PLC的总体命令角色以及PLC的操作和控制。它的功能如下：①检查PLC内部电路通断、电源及程序的语法错误；②各种输入设备输送的信号会被接受，然后将其存放在寄存器当中；③对程序进行编译后，根据各种计算结果重置相关位的状态然后输出寄存器内的数据。（2）存储器存储器是ROM和RAM的统称，它们一个是系统程序的存储区，一个是用户程序的存储区。（2）I/O接口处理来自联机设备所发送的输入或输出信号，使其成为CPU所能识别的信号并被CPU接收和处理。（4）电源、其他接口。图3-2PLC基本组成3.1.3PLC的工作原理当PLC开始执行程序时，就会一直按照一定的扫描周期不停的扫描所有的程序，此过程以输入采样阶段、用户执行阶段和输出刷新这三个阶段为一个扫描周期，三个阶段每各执行一次成为一个扫描周期。（1）输入采样阶段采样阶段即采集所有输入的数据信息样本，在这个阶段中，PLC以扫描的形式读取输入数据信息并存储起来。（2）用户程序执行阶段在此阶段中，PLC以扫描的方式按照先上后下，先左后右的顺序读取控制程序，然后根据最终的结果更新存储区中的位状态或者判断是否需要执行梯形图中的特殊指令功能。也就是说在第二阶段中，输出点的数据信息都可能会发生改变，但是输入点永远不会受到某种影响而发生改变，并且后一条程序会被前一条程序所影响，如果后一条程序想要对前一条产生影响，那么只能等到下一个扫描周期才能发生作用。（3）输出刷新阶段用户程序执行完成后，开始进行输出刷新。在这段时间内，CPU根据I/O映像区中的相应数据和状态刷新所有输出锁存电路，通过输出电路驱动外接设备，这时才是PLC的实际输出。3.1.4S7-1200系列西门子S7-1200系列具有三个不同类型的模块：CPU1211C、CPU1212C和CPU1214C。这些模块中的每一类都可以满足系统的扩展需求，在CPU前添加信号板能够在不影响控制器实际大小的情况下轻松扩展数字或者模拟量I/O。还可以为了进一步扩展数字量或者模拟量I/O容量而将信号模块连接到CPU的右侧。为了方便实现端到端的串行通讯，所有的西门S7-1200系列控制器的左侧都能够连接三个模块。所有的西门子S7-1200硬件都拥有内置卡口，如果需要安装面板则会提供安装孔，并且可以任意安装在水平或者竖直的位置，并且所有的西门子S7-1200硬件都经过专门的设计，保存控制面板这种模块化的紧凑型系统不仅节省了宝贵的空间，而且还提供了极高的效率和灵活的性能。因此，本设计选用西门子S7-1200系列中的CPU1214CDC/DC/DC这一款控制器（如图3-3），选用订货号为6ES7214-1AG40-0XB0，版本号为V4.0。CPU1214CDC/DC/DC拥有75KB容量的工作存储器，自带24VDC电源，板载DI14x24VDC漏型/源型，DQ10x24VDC和AI2，六个高速计数器和4路脉冲输出；并且信号版扩展板载输入/输出，拥有多达3个通信模块可用于串行通信，8个信号模块用于输入/输出扩展；还有PROFINET接口用于编程、HMI触摸屏和PLC间通信。综上所属，S7-1200系列的CPU1214CDC/DC/DC适配控制系统，也能于HMI触摸屏很好的兼容，是控制器中完美的选择。图3-3CPU1214CDC/DC/DC3.2变频器3.2.1变频器介绍变频器能够改变电动机的工作频率并且能够以此方式操控交流电机（如图3-4）。实际上变频器就是一个逆变器，它的主要能力就是先将交流变直流，接着通过元件状态的改变转直为交。随着电力电子技术的发展，变频技术已经从理论到实践逐渐走向成熟。变频器由于能够平滑调速且非常节能而逐渐推广使用于楼宇供水等其他领域。图3-4变频器3.2.2变频器的系统组成变频器主要由整流（交流变直流）电路、平波电路、控制电路和逆变（直流变交流）电路几个主要部分组成。（1）整流电路整流电路就是一个交流转直流的转换电路。（2）平波电路平波电路在整流器、整流后的直流电压中含有电源6倍频率脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动，为了抑制电压波动采用电感和电容吸收脉动电压（电流），通常变频器都会省去电感而使用简单电容滤波平波电路。（3）控制电路为了实现完全数字化控制，当前大多数变频调速器都使用16位、32位单片机或者DSP作为控制核心。变频器是可以调节输出电压可频率的调速装置。主控制电路提供控制信号，主要由频率和电压的“计算电路”，主电路“电压和电流检测电路”以及电动机“速度检测电路”组成。运算电路的控制信号被发逆变器和电动机的“保护电路”以及“驱动电路”。变频器使用的控制方法通常是速度控制、转矩控制、PID和其他控制方法。（4）逆变电路逆变电路和整流电路正好相反，逆变电路将直流电压转变为所需频率的交流电压，因此上、下桥的功率开关器件会按固定时间间隔通断，这使得在三相输出端U、V、W处获得相位互差120°电角度的三相交流电压成为可能。3.2.3变频器的工作原理变频器无论是调节电压还是电源，其本质都是将直流电流或电压转换成交流电压或电流。3.2.4西门子MM420西门子MM420功能强大，能够用于各种各样的调速驱动装置，特别适用于对电机的调速，拥有完善的保护功能且调试非常简单，极其适用于新手对于电机调速的使用，且与PLC的S7系列同属一家，两个设备能够很好的兼容，大大提高了系统的稳定性。图3-5MICROMASTER420MICROMASTER420具有默认的出厂设置参数，这是一种理想的变频器驱动设备。MICROMASTER420的控制功能完善且前面，如果对其进行调参，它甚至可以用于更加高级的控制系统中。MICROMASTER420拥有常见的通讯模块，且性能非常好，拥有众多优良的保护特性。所以，本文所描述的控制系统选择该系列的MM420外形尺寸类型为A的变频器作为本控制系统的专用变频器。3.3HMI触摸屏3.3.1HMI触摸屏介绍HMI触摸屏是一种人机交互设备，它能够使用户直接与系统发生相应的信息交互，操作员可以通过触摸屏操控与之相关联的所有设备，实现了操控的便捷化和小型化。在实际生产中，大都采用这种触摸屏式操控，操作员不用再进入机器中调整，直接通过触摸屏来调试设备和处理信息，大大降低了危险性，既提高了效率又实现了数字化生产。3.3.2触摸屏的系统组成人机界面和大部分电子设备相同，都由硬件和软件部分构成。作为一个交互设备，其必然拥有一个核心处理以及显示单元和其他一些通讯接口和数据存储单元等。同手机一样，衡量HMI触摸屏性能的好坏完全由它的核心所决定，即处理器。不同等级的HMI触摸屏有三种不同的位处理器可供选择：8位、16位和32位。而HMI触摸屏的软件分为系统软件和组态软件，前者用于驱动HMI触摸屏硬件，后者用于PC机的显示。3.3.3西门子TP1200Comfort西门子TP1200Comfort拥有12.1''TFT显示屏，分辨率够高，足以胜任对于摄像头画面的显示功能，而且各种通讯接口以及其其他功能插槽接口，能够很好的与其余设备连接。且其本身兼容性较强，功能繁多又是一块触摸屏，很好的满足了设计要求。所以，选用了订货号为6AV2124-0MC01-0AX0的西门子TP1200Comfort触摸屏，其版本号为16.0.0.0。该型号的显示屏尺寸中等，且模块库中包含摄像头视频模块，可以轻松适配两个网络摄像头，便于操作人员直接在触摸屏上接受摄像头的图像并监控设备的运行状态，如是否发生产品卡带或掉落情况。4系统程序设计4.1TIAPortalV16软件介绍TIAPortal是西门子工业自动化集团发布的一款全新的全集成自动化软件，英语全称是IntegratedAutomationPortal，简称TIA，中文叫博图。它的兼容性和功能非常强大，基本上能够适用于各种自动化任务的开发，能够帮助使用者便捷、快速地开发和调试所开发的自动化系统。而且博图拥有的指令集和各种模块非常全面，可以说任何自动化任务都能够使用博图来开发组态并进行调试。4.2S7-PLCSIMV16软件介绍S7-PLCSIM是与博图软件同源的一款仿真软件，它能够直接在博图软件中运行，并提供所需要的相应按钮，老旧版本可以通过勾选的方式来模拟真实按钮按下的动作，而新版本则是通过修改当前监控值的状态或数值来产生相应的动作，也可以通过强制表来强制修改当前触点的状态，非常的易于使用，且仿真界面清楚简洁，对新手非常友好。4.3程序设计在软件中分别添加S7-1200系列的订货号为6ES7214-1AG40-0XB0的1214C型CPU，版本号为V4.0；TP1200精智面板的TP1200Comfort，订货号为6AV2124-0MC01-0AX0，版本号为16.0.0.0，然后在设备和网络中将PLC与HMI触摸屏相连接如图4-1所示。图4-1设备和网络4.3.1PLC编程博图中PLC变量的分配如图4-2所示。图4-2PLC变量分配对于整个控制系统的主要控制是在PLC中，共分为四个模块，分别是电动机正反转控制模块、电动机调速模块、电动机手动控制模块和传感器计数模块。电动机正反转控制模块程序如图4-3所示。图4-3电动机正反转控制模块在该模块中，当电机正转按钮I0.0按下，正转继电器Q0.0得电，通过Q0.0的自锁功能实现电机一直处在一个正转的状态；如果此时按下电机反转按钮I0.1，那么电机就会停止正转，反转继电器Q0.1得电，通过自锁实现电机一直处于反转的状态，此时电机由正转翻转为电机反转。无论在电机处于正转还是反转的过程中，按下电机停止按钮I0.2都会使电机停止转动，整个设备停止运转。程序段3是HMI触摸屏的一个电机停止报警判断程序，只要电机停止，那么电机停止Q0.2就会得电，那么HMI触摸屏上的停止警示灯就会亮灯并报警提示工作人员设备停止了运转。电动机调速模块程序如图4-4所示。图4-4电动机速度调整模块当电机持续正转或者反转的过程中，MOVE模块会周期的将处于IW256:P中的电机调速数据输入存储到位于QW256:P的电机调速输出地址中，如果通过调节电位器或者HMI触摸屏调速输入口输入的数据改变地址IW256:P中的数据值，就可以改变此时电机的转速，以此来匹配上下游设备的工作效率。电机手动控制模块程序如图4-5所示。图4-5电动机手动控制模块在电机运转过程中如果按下点动正转按钮I0.3或者点动反转按钮I0.4，那么电机就会接触继电器自锁状态并停止运行，此时可以通过点动正转按钮I0.3或者点动反转按钮I0.4来点动控制电机的转动，以此来调整设备运转到所需要的合适的位置，或者用以初期对于设备的调试。传感器计数模块程序如图4-6所示。图4-6传感器计数模块每次传感器被产品触发都会引起传感器技术检测I0.5的一次通断，累加器DB3就会接收到一次上升沿而为处于地址ID257的计数增加一个数值，由于此处的数据类型为DInt类型，所以计数所能累计的最大值为2147483647，完全足够对于产品的计数任务。为了方便操作员实时监控，地址ID257的计数值会实时显示在触摸屏上，当计数的累计值过高时，操作人员可以周期性的按下传感器计数复位按钮I0.6，以此来复位累加器顺便对计数ID257进行清零操作。4.3.2HMI触摸屏编程博图HMI触摸屏内部按钮表如图4-7所示。图4-7HMI触摸屏内部按钮表HMI触摸屏画面一共分为12个画面控制，分别为手动控制画面、根画面、监控摄像头画面、系统画面和自动控制画面。HMI触摸屏根画面内容如图4-8所示。图4-8根画面根画面左上角为系统画面，可以直接切换到HMI触摸屏系统画面中。最右边的大红色停止按钮在所有画面中都显示，便于操作人员在设备发生不可预料的故障时在任何画面下都能够及时按下停止按钮迫使设备停止运行。下方的一排按钮也是各个画面的切换按钮，第一个是切换到根画面按钮；第二个按钮是弹出报警窗口，当发生故障时自动弹出报警窗口；第三个是切换到自动控制画面按钮；第四个是切换到电机调速画面按钮；第五个是切换到手动控制画面按钮；第六个是切换到监控摄像头画面按钮，这六个按钮存在于每个画面中，所以任何画面中用户都可以随意切换到自己需要的画面中。中间三个灯分别是正转提示灯、反转提示灯和停止提示报警灯，当电机正反转或者停止运转的时候，所对应的警示灯会亮起。右上角的I/O域与PLC中计数器的计数数据相连接，能够实时显示当前设备所承载的产品总数。SIMATICPLC系统诊断画面内容如图4-9所示。图4-9SIMATICPLC系统诊断画面该画面主要显示当前PLC系统的诊断历史以及诊断情况，当前的状态信息。不同的作业画面内容如图4-10所示。图4-10不同的作业不同的作业画面包括后退，以及当前系统在线、离线的切换按钮，切换语言按钮可以选择当前HMI触摸屏中所拥有的所有语言种类，停止运行系统按钮即停止当前系统运行。手动控制画面内容如图4-11所示。图4-11手动控制画面手动控制画面中有三个警示灯，和根画面中作用相同，警示灯下方有两个按钮，一个是点动正转按钮，一个是点动反转按钮，两个按钮均与PLC中的点动正反转按钮所连接，所以可以通过这两个按钮在触摸屏上直接点动控制电机的正反转，以此对设备进行调校。用户管理画面即是所有登录用户的用户名及密码信息，相当于一个用户信息数据库。电机调速画面内容如图4-12所示。图4-12电机调速画面电机调速画面中，I/O域与PLC中调速模块的MOVE输入数据块相连接，激活I/O域时，触摸屏键盘会自动弹出键盘，用户可以输入所需的数值，输入完成后，输入的数值自动写入MOVE输入数据块，接着由MOVE模块移动到输出数据块，实现电动机的平滑调速。监控摄像头画面内容如图4-13所示。图4-13监控摄像头画面监控摄像头画面实时显示摄像头所捕捉的画面内容，能够实时监控设备内部状态。系统信息画面内容如图4-14所示。图4-14系统信息画面系统信息画面的内容是给用户显示当前HMI触摸屏的类型、版本号、PLC以及当前所连接的网络信息。系统设置画面内容如图4-15所示。图4-15系统设置画面系统设置画面中只有两个功能按键，校准画面和清洁屏幕，属于系统内部的功能。自动控制画面内容如图4-16所示。图4-16自动控制画面自动控制画面和手动控制画面类似，拥有三个状态警示灯，两个功能按钮分别为调整电动机正转和反转，操作人员可以借助这个按钮来改变设备的运行状态。项目信息画面内容为当前操作项目的简略信息。系统画面内容如图4-17所示。图4-17系统画面系统画面是系统诊断和信息等画面的一个汇总，系统画面对于这些画面相当于根画面对于其他的添加画面，可以在系统画面中进入查看这些画面的内容。5结论通过仿真验证，此控制系统成功实现了设计初