用PLC和變頻器實現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速和遠(yuǎn)程控制畢業(yè)設(shè)計論文

1、湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 設(shè)計（論文）題目： 用PLC和變頻器實現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速和遠(yuǎn)程控制姓名 王松濤 專業(yè) 自動化 班級 0481 學(xué)號 3 指導(dǎo)老師 趙葵銀 職稱 教授 教研室主任 趙葵銀 李曉秀 一、 基本任務(wù)及要求：隨著電力電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流調(diào)速取代直流調(diào)速已成為現(xiàn)代電氣傳動的主要發(fā)展方向之一。電機(jī)由變頻器來控制，變頻器帶有PROFIBUS-DP通訊接口，通過PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)由主站對變頻器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，可在觸摸屏上生成組態(tài)畫面實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，也可通過工業(yè)以太網(wǎng)在上位機(jī)PC實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。 具體要求有： 1. 采用西門子的可編程控制器

2、、觸摸屏及有關(guān)的應(yīng)用軟件，實現(xiàn)對電動機(jī)調(diào)節(jié)控制。 2. 在觸摸屏上生成組態(tài)畫面由觸摸屏來實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。 3. 采用PROFIBUS-DP總線，通過組態(tài)王生成畫面由PC機(jī)來實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制 二、 進(jìn)度安排及完成時間：1、（24周）接受任務(wù)、準(zhǔn)備資料、擬定方案，寫出開題報告 2、（5周）根據(jù)題目要求及已知條件，確定控制方案及所選用的控制器件 3、（67周）控制程序的設(shè)計 4、（8周）畢業(yè)實習(xí)，撰寫畢業(yè)實習(xí)報告5、（912周）程序的現(xiàn)場調(diào)試 6、（1314周）相關(guān)圖紙的設(shè)計 7、（15周）完成設(shè)計、撰寫論文 8、（16周）修改完善論文，準(zhǔn)備答辯 目 錄摘 要IAbstract：II第1章 緒論11.1

3、概論11.2 設(shè)計論文的主要內(nèi)容和要求11.3相關(guān)技術(shù)的發(fā)展展望21.3.1變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展展望21.3.2 組態(tài)軟件31.3.2.1. 發(fā)展概況31.3.3變頻器的應(yīng)用與發(fā)展概況71.3.4PLC的應(yīng)用與發(fā)展概況81.4 變頻調(diào)速理論101.4.1 異步電動機(jī)調(diào)速方式101.4.2 變頻調(diào)速原理101.4.3 變頻調(diào)速的特點及發(fā)展11第2章 確定設(shè)計方案和系統(tǒng)的構(gòu)成132.1 方案確定132.2 主電路的設(shè)計142.3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成及說明142.3.1 系統(tǒng)說明152.3.2 以太網(wǎng)絡(luò)及組成162.3.3 系統(tǒng)DP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及說明172.3.4 工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)SIMATIC NET性能202.

4、3.5 Profibus-DP現(xiàn)場總線20第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計223.1 變頻調(diào)速單元的構(gòu)成及其功能223.1.1 變頻調(diào)速單元的構(gòu)成223.1.2 變頻器的選擇與參數(shù)設(shè)定233.2 PLC的選型與功能說明263.2.1 西門子PLC的基本組成263.2.2 S 7-400PLC及其相關(guān)模塊273.3 MP270B觸摸屏283.4 系統(tǒng)設(shè)計元器件匯總表（見附錄3）29第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計304.1 Step7及其特點304.1.1 Step7應(yīng)用304.1.2 使用STEP7完成一個項目304.2軟件設(shè)計324.2.1 系統(tǒng)硬件組態(tài)324.2.2 創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)組態(tài)334.2.3 PLC程序設(shè)計34

5、4.2.4 梯形圖及功能說明344.3 組態(tài)王軟件控制系統(tǒng)的設(shè)計444.3.1 組態(tài)王軟件控制444.3.2 建立本系統(tǒng)工程應(yīng)用項目的基本方法45第5章 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果475.1 系統(tǒng)操作中的注意事項475.1.1 系統(tǒng)上電475.1.2 變頻器的操作注意事項475.1.3 畫面操作中的注意問題475.2 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果48第6章 總結(jié)52參考文獻(xiàn)53致 謝55附 錄56附錄A：變頻調(diào)速控制電氣圖56附錄B：多功能PLC網(wǎng)絡(luò)控制屏電氣圖57附錄C：系統(tǒng)設(shè)計元器件明細(xì)表58 用PLC和變頻器實現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速摘 要：在本設(shè)計任務(wù)中，為了實現(xiàn)能源的充分利用和生產(chǎn)的需要，需要對電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，考慮

6、到電機(jī)的啟動、運行、調(diào)速和制動的特性，采用高功能性v/f控制的通用變頻器西門子SIMTIC MANGER440，此變頻器能很好的解決轉(zhuǎn)速之間的切換和啟動問題。系統(tǒng)中由PLC完成數(shù)據(jù)的采集和對變頻器、電機(jī)等設(shè)備的控制任務(wù)?；赟7-1200 PLC的編程軟件 step7 V13 采用模塊化的程序設(shè)計方法，大量采用功能模塊重用，減少軟件的開發(fā)和維護(hù)。利用組態(tài)軟件Wince，Protool/Pro良好的人機(jī)界面和通信能力和Profibus總線技術(shù)，使工程師、操作人員可以在中央控制室的工控機(jī)上方便的瀏覽現(xiàn)場的工業(yè)流程、實現(xiàn)變頻器的參數(shù)設(shè)置、故障診斷和電機(jī)的啟動和停止的控制；同時可以在現(xiàn)場進(jìn)行電機(jī)的啟動

7、、停止及增減速等的操作。關(guān)鍵詞： PLC；變頻器；變頻調(diào)速；組態(tài)軟件第1章 緒論1.1 概論科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對于改變社會的生產(chǎn) 面貌，推動人類文明向前發(fā)展，具有極其重要的意義。電氣自動化技術(shù)是多種學(xué)科的交叉綜合，特別在電力電子、微電子及計算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的今天，電氣自動化技術(shù)日新月異。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機(jī)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展也十分迅速。電動機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境，推動技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速性能和起制動平穩(wěn)性能、高性能、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)

8、展前途的調(diào)速方式。本次設(shè)計是以電梯控制技術(shù)為背景，針對以前的拖曳電梯的一些缺點，采用現(xiàn)在流行的PLC控制技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)來實現(xiàn)電梯的各種控制。在本課題的系統(tǒng)中，需要對電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，考慮到電機(jī)的啟動、運行、調(diào)速和制動的特性，采用高功能性控制的通用變頻器，此變頻器的S型加減速功能和轉(zhuǎn)矩提升功能，能很好的解決轉(zhuǎn)速之間的切換和啟動問題。系統(tǒng)中由PLC完成數(shù)據(jù)的采集和對變頻器、電機(jī)等設(shè)備的控制任務(wù)?；赟7-1200 PLC的編程軟件采用模塊化的程序設(shè)計方法，大量采用功能模塊重用，減少軟件的開發(fā)和維護(hù)。利用組態(tài)軟件良好的人機(jī)界面和通信能力及PROFIBUS總線技術(shù)，使工程師、操作人員

9、可以在中央控制室的工控機(jī)上方便的瀏覽現(xiàn)場的工業(yè)流程、實現(xiàn)變頻器的參數(shù)設(shè)置、故障診斷和電機(jī)的啟動和停止的控制；同時可以在現(xiàn)場進(jìn)行電機(jī)的啟動、停止及增減速等的操作。1.3.2.1. 發(fā)展概況組態(tài)的概念最早來自英文configuration，含義是使用軟件工具對計算機(jī)及其軟件的各種資源進(jìn)行配置，達(dá)到使計算機(jī)和軟件按照預(yù)先設(shè)置，自動執(zhí)行特定任務(wù)，滿足使用者要求的目的。組態(tài)軟件是面向監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(super visors control and data acquisition SCADA)的軟件平臺工具。具有豐富的設(shè)置項目，使用方式靈活，功能強(qiáng)大。組態(tài)軟件最早出現(xiàn)時，HMI (human machi

10、ne interface)或MMI(man machine interface)是其主要內(nèi)涵，即主要解決人機(jī)界面的問題。隨著它的快速發(fā)展，實時數(shù)據(jù)庫、實時控制、SCADA、通信及聯(lián)網(wǎng)、開放數(shù)據(jù)接口、對I/0設(shè)備的廣泛支持已經(jīng)成為它的主要內(nèi)容。隨著時代的發(fā)展，組態(tài)軟件將不斷的被賦予新的內(nèi)容。組態(tài)軟件是伴隨著計算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)發(fā)展起來的。20世紀(jì)50年代雖然計算機(jī)開始涉足工業(yè)過程控制，但由于計算機(jī)技術(shù)人員缺乏工廠儀表和工業(yè)過程的知識，導(dǎo)致計算機(jī)工業(yè)過程系統(tǒng)在各行業(yè)的推廣速度比較緩慢。20世紀(jì)70年代初，微處理器的出現(xiàn)，促進(jìn)了計算機(jī)控制技術(shù)走向成熟。首先，微處理器在提高計算能力的基礎(chǔ)上，大大降低了

11、計算機(jī)的硬件成本，縮小了計算機(jī)的體積，很多從事控制儀表和原來一直就從事工業(yè)控制計算機(jī)的公司先后推出了新型控制系統(tǒng)，其中具有代表性的是美國Honeywell公司于1975年推出的世界上第一套DCS，即TDC-2000。在隨后的20年中，DCS及其計算機(jī)控制技術(shù)日趨成熟，并得到了廣泛應(yīng)用，市場發(fā)展迅速。但當(dāng)時的DCS軟件是專用和封閉的，且成本居高不下。80年代中后期，隨著個人計算機(jī)的普及和開放系統(tǒng)(open system)概念的推廣，基于個人計算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)開始進(jìn)入市場并發(fā)展壯大?；趥€人監(jiān)控系統(tǒng)呈現(xiàn)出智能化、小型化、網(wǎng)絡(luò)化、PC化的發(fā)展趨勢，并逐漸形成了各種標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、硬件規(guī)范。組態(tài)軟件在自

12、動化系統(tǒng)的“水平”和“垂直”集成中起著橋梁和紐帶的作用，已成為自動化系統(tǒng)中的重要組成部分。計算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)開始進(jìn)入市場，為組態(tài)軟件提供了發(fā)展空間。目前自動化產(chǎn)品呈現(xiàn)出智能化、小型化、網(wǎng)絡(luò)化、PC化的發(fā)展趨勢，并逐漸形成了各種標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、硬件規(guī)范。組態(tài)軟件作為個人計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，比PLC監(jiān)控的硬件系統(tǒng)具有更為廣闊的發(fā)展空間。這是因為，第一，很多DCS和PLC廠家主動公開通信協(xié)議，加入“PLC監(jiān)控”的陣營；第二，由于PLC監(jiān)控大大降低了系統(tǒng)成本，使得市場空間得以擴(kuò)大，從無人值守的遠(yuǎn)程監(jiān)視(如防盜報警、江河汛情監(jiān)視、環(huán)境監(jiān)控、電信線路監(jiān)控、交通管制與監(jiān)控、礦井報警等)、數(shù)據(jù)采集與計

13、量(如居民水電氣表的自動抄表、鐵道信號采集與記錄等)、數(shù)據(jù)分析(如汽車和機(jī)車自動測試、機(jī)組和設(shè)備參數(shù)測試、醫(yī)療化驗儀器設(shè)備實時數(shù)據(jù)采集、虛擬儀器、生產(chǎn)線產(chǎn)品質(zhì)量抽檢等)到過程控制，幾乎無處不用。第三，各類智能儀表、調(diào)節(jié)器和PLC可與組態(tài)軟件構(gòu)筑完整的低成本自動化系統(tǒng)，具有廣闊的市場空間。第四，各類嵌入式系統(tǒng)和現(xiàn)場總線的異軍突起，把組態(tài)軟件推到了自動化系統(tǒng)主力軍的位置，組態(tài)軟件越來越成為工業(yè)自動化系統(tǒng)中的靈魂。1.3.2.2. 組態(tài)軟件的構(gòu)成1) 以使用軟件的工作階段劃分從總體上講，組態(tài)軟件是由系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境和系統(tǒng)運行環(huán)境兩大部分構(gòu)成。系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境它是自動化工程設(shè)計工程師為實施其控制方案，在組態(tài)軟

14、件的支持下進(jìn)行應(yīng)用程序的系統(tǒng)生成工作所必須依賴的工作環(huán)境。通過建立一系列用戶數(shù)據(jù)文件，生成最終的圖形目標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)，供系統(tǒng)環(huán)境運行時使用。系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境由若干個組態(tài)程序組成，如圖形界面組態(tài)程序，數(shù)據(jù)庫組態(tài)程序等。系統(tǒng)運行環(huán)境在系統(tǒng)運行環(huán)境中，由系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境下生成的各種應(yīng)用程序無論是圖形或者數(shù)據(jù)庫，可以結(jié)合現(xiàn)場的數(shù)據(jù)實時地運行，同時可以各種關(guān)聯(lián)關(guān)系也可以得到體現(xiàn)。系統(tǒng)運行環(huán)境由若干個運行程序組成，如圖形界面運行程序和實時數(shù)據(jù)庫運行程序等。自動化工程設(shè)計師最先接觸的一定是系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，通過一定工作量的系統(tǒng)組態(tài)和調(diào)試，最終將目標(biāo)應(yīng)用程序在系統(tǒng)運行環(huán)境投入實時運行，完成一個工程項目。2) 按照成員構(gòu)成劃分

15、組態(tài)軟件因為功能強(qiáng)大，而每個功能相對來說又具有一定的獨立性，因此其組成形式是一個集成軟件平臺，由若干程序組件構(gòu)成。組態(tài)軟件必備的典型組件包括以下部分：應(yīng)用程序管理器 ；圖形界面開發(fā)程序 ；圖形界面運行程序 ；實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組態(tài)程序；實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)運行程序；I/0 驅(qū)動程序 ；組態(tài)軟件擴(kuò)展可選組件包括：通用數(shù)據(jù)庫接口(ODBC接口)組態(tài)程序；通用數(shù)據(jù)庫接口組件用來完成組態(tài)軟件的實時數(shù)據(jù)庫與通用數(shù)據(jù)庫(如oracle，Sybase，F(xiàn)oxPro，DB2，SQL，Server等)。通用數(shù)據(jù)庫接口(ODBC接口)運行程序。策略(控制方案)編輯組態(tài)程序；它是以PC為中心的實現(xiàn)低成本監(jiān)控的核心軟件，具有很

16、強(qiáng)的邏輯、算術(shù)運算能力和豐富的控制算法。它以工EC-1131-3標(biāo)準(zhǔn)為使用者提供標(biāo)準(zhǔn)的編程環(huán)境，共有四種編程方式：梯形圖、結(jié)構(gòu)化編程語言、指令助記符、功能化模塊。實用通信程序組件。極大的增強(qiáng)了組態(tài)軟件的功能，可以實現(xiàn)與第三方程序的數(shù)據(jù)交換。實用通信組件可以使用以太網(wǎng)、RS485，PSTN等多種通信介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問和傳輸。1.3.2.3. 組態(tài)軟件的功能特點組態(tài)軟件有以下功能：與采集、控制設(shè)備之間的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；使來自設(shè)備的數(shù)據(jù)與計算機(jī)圖形界面上的各元素關(guān)聯(lián)起來；處理數(shù)據(jù)報錯和系統(tǒng)報錯；存儲歷史數(shù)據(jù)并支持歷史數(shù)據(jù)的查詢；各類報表的生產(chǎn)和打印輸出；為使用者提供靈活、靈活的組態(tài)工具，可

17、以適應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求；最終輸出的應(yīng)用系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠；具有與第三方程序的接口，方便數(shù)據(jù)共享。組態(tài)軟件的特點：實時多任務(wù)是最大特點。例如數(shù)據(jù)采集與輸出、數(shù)據(jù)處理與算法實現(xiàn)、圖形顯示及人機(jī)對話、實時數(shù)據(jù)的存儲、檢索管理、實時通信等多個任務(wù)要在同一臺計算機(jī)上同時運行。程序設(shè)計人員在組態(tài)軟件中只需要填寫一些事先設(shè)計的表格，再利用圖形功能把被控對象(如溫度計、電動機(jī)、趨勢曲線、報表)形象的畫出來，通過內(nèi)部數(shù)據(jù)連接把被控對象的屬性與工/0設(shè)備的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯連接。當(dāng)由組態(tài)軟件生成的應(yīng)用系統(tǒng)投入運行后，與被控對象相連的工/0設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)生變化會直接帶動被控對象的屬性變化。1.3.2.4. SIMATIC

18、 PROTOOL組態(tài)軟件性能介紹SIMATIC PROTOOL/Pro Runtime即是一種基于用戶標(biāo)準(zhǔn)PC的軟件，理想用于各種工業(yè)領(lǐng)域中機(jī)器或小型系統(tǒng)的操控：通用，靈活，高效，SIMATIC PROTOOL/Pro Runtime是一種基于先進(jìn)Windows的可視化軟件，為了實現(xiàn)直觀、友好的可視化界面，PROTOOL /Pro Runtime提供有多種現(xiàn)成圖片對象，諸如幻燈片控件、條形圖、模擬顯示、時鐘、開關(guān)、狀態(tài)顯示等；通過配方管理，數(shù)據(jù)記錄(相關(guān)數(shù)據(jù))可以從PROTOOL/Pro站同步傳送PLC，反之亦然。例如機(jī)器設(shè)置數(shù)據(jù)或生產(chǎn)參數(shù)。每個配方都可在線管理、保存和編輯大量的數(shù)據(jù)記錄；預(yù)組

19、態(tài)報警系統(tǒng)可自動采集錯誤信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息，并使之清晰可視化。例如：對于不同的報警狀態(tài)，可采用不同的顏色或指示燈閃爍。所有的報警事件隨時即可獲得并打印。當(dāng)前信息可顯示故障位置和時間。根據(jù)特定的報警信息，調(diào)用支持信息，操作者可以快速排隊故障，過程畫面(“Loop in Alarm”)可以提供機(jī)器或系統(tǒng)的當(dāng)前狀況的詳細(xì)信息；PROTOOL /Pro可以通過監(jiān)控PLC內(nèi)的數(shù)據(jù)范圍產(chǎn)生報警。如果一個位發(fā)生變化，PROTOOL /Pro Runtime會隨之顯示相應(yīng)的報警信息。如果與SIMATIC S7連接使用，PLC可主動發(fā)送報警信號進(jìn)行可視化(Alarm多)，減輕通訊負(fù)荷；為了實現(xiàn)質(zhì)量控制或過程優(yōu)化

20、，報警或過程值可以暫時或長期存檔。不管是標(biāo)準(zhǔn)存儲格式US還是ODBC數(shù)據(jù)庫，不管是本地可視化PC還是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)器，測量值檔案都可直接通過趨勢分析曲線(版本b以上還有一條讀線)或標(biāo)準(zhǔn)工具(如：Microsoft Excel)在機(jī)器中進(jìn)行分析：使用分頁和縮放功能，可以很方便地查看趨勢；在報告系統(tǒng)中，過程數(shù)據(jù)和報警文件可以單獨創(chuàng)建。例如：質(zhì)量控制或班次報告。PROTOOL/Pro Runtime采用Windows標(biāo)準(zhǔn)，全面支持OLE-Automation，ODBC或OPC，實現(xiàn)了全面開放，具有如下優(yōu)點：1) 開放性：標(biāo)準(zhǔn)PC硬件，Windows操作系統(tǒng)，全面支持Windows標(biāo)準(zhǔn)，更靈活，更獨立，

21、更富投資保證。2) 外向型：提供有在線語言轉(zhuǎn)換功能。3) 無縫解決方案，不同選項級別：PROTOOL /Pro是全套產(chǎn)品系列的操作和監(jiān)控部分。項目一經(jīng)創(chuàng)建，即應(yīng)用于各種HMI平臺。4) 全集成自動化：SIMATIC系列的全線集成，即意味著營造了一種通訊、數(shù)據(jù)管理及組態(tài)或編程的無縫環(huán)境。5) 組態(tài)簡單、快速：豐富的在線幫助功能，直觀的界面環(huán)境及面向?qū)ο蟮脑O(shè)計，一經(jīng)啟動，即可運行。6) 各種控制器，輕松相連： PROTOOL /Pro Runtime為各種不同的自動化系統(tǒng)提供有驅(qū)動程序，全面集成開放。7) 卓越的系統(tǒng)性能：快速數(shù)據(jù)采集和存儲，響應(yīng)時間短，即使在點動模式，也可確保過程控制的可靠性。1

22、.3.3變頻器的應(yīng)用與發(fā)展概況本世紀(jì)70年代初，變頻技術(shù)迅速發(fā)展，已經(jīng)成為集電力、電子、計算機(jī)技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品。全球一些著名的電氣公司像西門子、ABB、東芝、三菱等，在這一領(lǐng)域的開發(fā)與研究都取得了巨大成就，使得變頻調(diào)速技術(shù)迅速發(fā)展并日漸成熟，它較直流調(diào)速系統(tǒng)及其它類型的調(diào)速系統(tǒng)有以下3個最突出的特點：1) 省電節(jié)能，可使電耗降低。這是因為，一方面，一個常識性的問題就是交流電機(jī)的效率比其它類型的電機(jī)都要高。另一方面，一般的電機(jī)控制回路中都有過流過壓失相等安全保護(hù)元件，而“變頻器一電機(jī)”控制回路則沒有這些耗能元件，更不需要像直流調(diào)速系統(tǒng)所必備的勵磁電源變壓器等。2) 系統(tǒng)造價低。同直流傳動系

23、統(tǒng)相對比，異步電機(jī)的價格要比直流電機(jī)的價格低130%-350%；另外，技術(shù)的發(fā)展使得變頻器成本逐年下降，現(xiàn)市場價格約為1000元/千瓦，而直流整流設(shè)備110kw容量以下平均每套的價格約為21000元。因此對于紙機(jī)電氣傳動系統(tǒng)，單機(jī)容量不超過160kw，在同樣裝機(jī)容量下，交流傳動系統(tǒng)的造價要比直流傳動系統(tǒng)低5%-15%。針對中低檔紙機(jī)，裝機(jī)容量不太大交流調(diào)速具有大的價格優(yōu)勢。3) 維護(hù)工作量小。變頻器普遍采用大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路，設(shè)有附加的外圍元器件，因此從某種意義上說，變頻器是免費維護(hù)設(shè)備。直流電機(jī)的維護(hù)周期為1個月，而交流電機(jī)的維護(hù)周期為3個月以上，且維護(hù)工作量要小的多。隨著時間的推移，

24、產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，矢量控制(Vector control)、IGBT(雙極絕緣可關(guān)斷晶閘管)、操作面板(OPRATE PANEL)等新技術(shù)不斷在變頻領(lǐng)域采用，最明顯的特征是變頻器的體積在變小，同時功能逐漸增強(qiáng)，維護(hù)操作更為方便。這一時期的代表產(chǎn)品有ABB公司的ACS400系列，日本三肯公司的MF，IF系列，富士公司的500系列等型號的變頻器，此時控制系統(tǒng)多為雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，并開始采用模擬量速度鏈技術(shù)。由于此時數(shù)字技術(shù)未在操作控制回路采用，所以變頻器的抗干擾能力較以前沒有太大的改善，通訊能力也比較差。數(shù)字化技術(shù)的采用及模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)格的出現(xiàn)使得更為高級的變頻器誕生，內(nèi)部采用模塊化的結(jié)構(gòu)，使得參數(shù)的

25、配置與修改及各功能的實現(xiàn)乃至連接更為方便，速度鏈上傳遞的為數(shù)頻信號，使系統(tǒng)的抗干擾能力更強(qiáng)，故障的診斷，信號的檢查也很方便。數(shù)頻處理、速度設(shè)定、馬達(dá)控制等模塊的鏈接位置讓操作者修改參數(shù)比較直觀、簡潔。1.3.4PLC的應(yīng)用與發(fā)展概況第一臺可編程控制器(以下簡稱PLC)的設(shè)計規(guī)范是美國通用汽車公司提出的。當(dāng)時的目的是要求設(shè)計一種新的控制裝置以取代繼電器盤，在保留了繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂。操作方便、價格便宜等優(yōu)點的基礎(chǔ)上，同時具有現(xiàn)代化生產(chǎn)線所要求的時間響應(yīng)快、控制精度高、可靠性好、控制程序可隨工藝改變、易于與計算機(jī)接口、維修方便等諸多高品質(zhì)與功能。這一設(shè)想提出后，美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)于1

26、969年研制成第一臺PLC，型號為PDP-14，投入通用汽車公司的生產(chǎn)線控制中，取得了令人滿意的效果，從此開創(chuàng)了PLC的新紀(jì)元。在短時間內(nèi)，PLC在其他工業(yè)部門也得到應(yīng)用。到20世紀(jì)70年代初，食品、金屬和制造等工業(yè)部門相繼使用PLC代替繼電器控制設(shè)備，邁出其實用化階段的第一步。70年代中期，由于大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，使8位微處理器和位片處理器相繼問世，在邏輯運算功能的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)值運算。閉環(huán)控制，提高了運算速度，擴(kuò)大了輸入輸出規(guī)模。在這個時期，日本、西德(原)和法國相繼研制出自己的PLC，我國在1974年也開始研制。70年代末由于超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，使PLC向大規(guī)模、高速性能方向發(fā)展

27、，形成了多種系列化產(chǎn)品。進(jìn)入八九十年代后，PLC的軟硬件功能進(jìn)一步得到加強(qiáng)，PLC已發(fā)展成為一種可提供諸多功能的成熟的控制系統(tǒng)，能與其他設(shè)備通信，生成報表，調(diào)度產(chǎn)出，可診斷自身故障及機(jī)器故障。PLC未來的發(fā)展不僅依賴于對新產(chǎn)品的開發(fā)，還在于PLC與其他工業(yè)控制設(shè)備和工廠管理技術(shù)的綜合。無疑， PLC將在今后的工業(yè)自動化中扮演重要角色。在未來的工業(yè)生產(chǎn)中，PLC技術(shù)和機(jī)器人、CAD/CAM將成為實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的三大支柱。1. 目前PLC朝以下幾個方向發(fā)展1) 大型網(wǎng)絡(luò)化：主要朝DCS方向發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化和強(qiáng)通信能力是PLC發(fā)展的一個主要的方面，向下與多個智能裝置相連，向上與工業(yè)計算機(jī)、以太網(wǎng)等相

28、連構(gòu)成特殊的控制任務(wù)。2) 多功能：為了適應(yīng)特殊功能的需要，連續(xù)推出多種智能模塊，如模擬量輸入輸出、回路控制、通信控制、機(jī)械運動控制、高速技術(shù)、中斷輸入等。這些智能模塊以微處理器為基礎(chǔ)，其CPU與PLC的CPU并行工作，占用主機(jī)CPU時間很少，有利于提高PLC掃描速度和完成特殊的控制任務(wù)。3) 高可靠性、好兼容性：由于現(xiàn)代控制系統(tǒng)的可靠性和兼容性日漸受到人們的重視，一些公司強(qiáng)自診斷技術(shù)、冗余技術(shù)、容錯技術(shù)廣泛應(yīng)用到現(xiàn)有產(chǎn)品中，推出了高可靠的冗余系統(tǒng)。4) 編程語言向高級語言發(fā)展：PLC的編程語言在原有梯形圖語言、順序功能塊和指令表語言基礎(chǔ)上，推出了可運行與計算機(jī)windows環(huán)境下，界面友好的

29、強(qiáng)勁的梯形圖和語句表兩種形式的編程、調(diào)試、診斷等功能。SIMATIC則使用C/C+等高級語言進(jìn)行編程，體現(xiàn)了面向未來的種種特征。2. PLC的特點PLC是一種用于工業(yè)自動化控制的專用計算機(jī)，實質(zhì)上屬于計算機(jī)控制方式。PLC與普通微機(jī)一樣，以通用或?qū)Ｓ肅PU作為字處理器，實現(xiàn)通道(字)的運算和數(shù)據(jù)存儲，另外還有位處理器(布爾處理器)，進(jìn)行點(位)運算與控制。PLC控制一般具有可靠性高、易操作、維修、編程簡單、靈活性強(qiáng)等特點。1) 可靠性：對可維修的產(chǎn)品，可靠性包括產(chǎn)品的有效性和可維修性 PLC不需要大量的活動元件和接線電子元件，它的接線大大減少，與此同時，系統(tǒng)的維修簡單，維修時間短。 PLC采用

30、了一系列可靠性設(shè)計的方法進(jìn)行設(shè)計，例如，冗余設(shè)計，斷電保護(hù)，故障診斷和信息保護(hù)及恢復(fù)等，提高了MTBF，降低了MTTR，使可靠性提高。 PLC有較高的易操作性，它具有編程簡單，操作方便，維修容易等特點，一般不易發(fā)生操作的錯誤。 PLC是為工業(yè)生產(chǎn)過程控制而專門設(shè)計的控制裝置，它具有比通用計算機(jī)控制更簡單的編程語言和更可靠的硬件。采用了精簡化的編程語言，編程出錯率大大降低，而為工業(yè)惡劣操作環(huán)境設(shè)計的硬件使可靠性大大提高。 在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如：采用可靠性的元件；采用先進(jìn)的工藝制造流水線制造；對干擾的屏蔽、隔離和濾波等；對電源的斷電保護(hù)；對存儲器內(nèi)容的保護(hù)等。 P

31、LC的軟件方面，也采取了一系列提高系統(tǒng)可靠性的措施。例如：采用軟件濾波；軟件自診斷；簡化編程語言等。2) 易操作性，PLC的易操作性表現(xiàn)在下列幾個方面： 操作方便對PLC的操作包括程序輸入和程序更改的操作。大多數(shù)PLC采用編程器進(jìn)行輸入和更改的操作。編程器至少提供了輸入信息的顯示，對大中型的PLC，編程器采用了CRT屏幕顯示，因此，程序的輸入直接可以顯示。更改程序的操作也可直接根據(jù)所需要的地址編號或接點號進(jìn)行搜索或順序?qū)ふ遥缓筮M(jìn)行更改。更改的信息可在液晶屏或CRT上顯示。 編程方便PLC有多種程序設(shè)計語言可供使用。對電氣技術(shù)人員來說，由于梯形圖與電氣原理圖較為接近，容易掌握和理解。采用布爾助

32、記符編程語言時，十分有助于編程人員的編程。 維修方便PLC具有的自診斷功能對維修人員維修技能的要求降低。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過硬件和軟件的自診斷，維修人員可以很快的找到故障的部位，以便維修。3) 靈活性，PLC的靈活性表現(xiàn)在以下幾個方面： 編程的靈活性。PLC采用的編程語言有梯形圖、布爾助記符、功能表圖、功能模塊和語句描述編程語言。編程方法的多樣性使編程方便、應(yīng)用面拓展。 擴(kuò)展的靈活性。PLC的擴(kuò)展靈活性是它的一個重要特點。它可根據(jù)應(yīng)用的規(guī)模不同，即可進(jìn)行容量的擴(kuò)展、功能的擴(kuò)展、應(yīng)用和控制范圍的擴(kuò)展。 操作的靈活性。操作十分靈活方便，監(jiān)視和控制變得十分容易。1.4 變頻調(diào)速理論1.4.1 異步

33、電動機(jī)調(diào)速方式根據(jù)電機(jī)學(xué)和電力拖動基礎(chǔ)中提供的結(jié)論，異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速n的轉(zhuǎn)速方程為：n=n1(1S)=60f1(1S)/p (1.1)式(1.1)中： n電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速；f1電動機(jī)定子繞組的供電頻率；p旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)；S轉(zhuǎn)差率，表示定子旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速n.與n的關(guān)系。由上述交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式(1.1)可以知道要改變轉(zhuǎn)速可以采取以下三種基本措施：(1)改變轉(zhuǎn)差率S； (2)改變磁極對數(shù)p； (3)改變電動機(jī)的定子供電頻率。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率調(diào)速的實質(zhì)是將輸入功率的一部分轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)差功率以削減軸上輸出功率的大小，迫使電動機(jī)運行速度下降。改變電動機(jī)的定子供電頻率f(即變頻調(diào)速)，可使電機(jī)始終運行在高效

34、率區(qū)，并保證良好的動態(tài)性能，是目前最為廣泛使用的調(diào)速方式。1.4.2 變頻調(diào)速原理由電機(jī)學(xué)理論，在忽略定子漏阻抗的情況下，三相異步電動機(jī)定子每相電壓U；有以下關(guān)系式：U1E1=4.44f1N1k1m (1.2)式中：U1定子相電壓；E1定子相電動勢；N1定子相繞組總匝數(shù)；K1基波繞組系數(shù)；m每極氣隙磁通。由上式可以知道：為了保持電動勢的平衡關(guān)系，當(dāng)電源頻率f1改變時，如果電源U1保持不變，那么必然引起氣隙磁通m的變化，但是m的變化都會給異步電動機(jī)的運行性能帶來不良影響。所以要必須保持主磁通不發(fā)生改變。由(1.2)式可以看出，m是由E1和f1來共同決定的，對E1和f1進(jìn)行適當(dāng)控制，就可以保持m保

35、持額定值不發(fā)生改變。但是這種控制受到基頻f1(電機(jī)額定頻率)的影響，在f1 fN（即基頻以上調(diào)速控制方式）時，E1的變化規(guī)律不一樣。1.4.3 變頻調(diào)速的特點及發(fā)展交流變頻調(diào)速技術(shù)是強(qiáng)弱電混合、機(jī)電一體的綜合性技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換(整流、逆變)，又要處理信息的收集、變換和傳輸，因此它的共性技術(shù)必定分成功率和控制兩大部分。前者要解決與高壓大電流有關(guān)的技術(shù)問題和新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問題，后者要解決(基于現(xiàn)代控制理論的控制策略和智能控制策略)的硬、軟件開發(fā)問題(在目前狀況下主要全數(shù)字控制技術(shù))。接近我們生活的高速電力機(jī)車、汽車、電梯、音樂噴泉、冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)等，采用變頻控制的越來越

36、多。1. 交流變頻調(diào)速具有以下特點：1) 可以使普通異步電動機(jī)實現(xiàn)無級調(diào)速；2) 啟動電流小，減少電源設(shè)備容量；3) 啟動平滑，消除機(jī)械的沖擊力，保護(hù)機(jī)械設(shè)備；4) 對電機(jī)具有保護(hù)功能，降低電機(jī)的維修費用；5) 具有顯著的節(jié)電效果。2. 其主要發(fā)展方向有如下幾項：1) 實現(xiàn)高水平的控制?；陔妱訖C(jī)和機(jī)械模型的控制策略，有矢量控制、磁場控制、直接傳矩控制和機(jī)械扭振補(bǔ)償?shù)?；基于現(xiàn)代理論的控制策略，有滑模變結(jié)構(gòu)技術(shù)、模型參考自適應(yīng)技術(shù)、采用微分幾何理論的非線性解耦、魯棒觀察器，在某種指標(biāo)意義下的最優(yōu)控制技術(shù)和逆奈奎斯特陣列設(shè)計方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)和各種

37、各樣的自優(yōu)化、自診斷技術(shù)等。 2) 開發(fā)清潔電能的變流器。所謂清潔電能變流器是指變流器的功率因數(shù)為1，網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)有盡可能低的諧波分量，以減少對電網(wǎng)的公害和電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動。對中小容量變流器，提高開關(guān)頻率的PWM控制是有效的。對大容量變流器，在常規(guī)的開關(guān)頻率下，可改變電路結(jié)構(gòu)和控制方式，實現(xiàn)清潔電能的變換。 3) 縮小裝置的尺寸。緊湊型變流器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模塊、緊湊型的光耦合器、高頻率的開關(guān)電源，以及采用新型電工材料制造的小體積變壓器、電抗器和電容器。功率器件冷卻方式的改變(如水冷、蒸發(fā)冷卻和熱管)對縮小裝置的尺寸也很有效。4) 高速度的數(shù)字控制。以32

38、位高速微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字控制模板有足夠的能力實現(xiàn)各種控制算法，Windows操作系統(tǒng)的引入使得可自由設(shè)計，圖形編程的控制技術(shù)也有很大的發(fā)展。5) 模擬與計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)技術(shù)。電機(jī)模擬器、負(fù)載模擬器以及各種CAD軟件的引入對變頻器的設(shè)計和測試提供了強(qiáng)有力的支持。第2章 確定設(shè)計方案和系統(tǒng)的構(gòu)成2.1 方案確定交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。隨著現(xiàn)代化工廠的自動化程度不斷提高，不僅要求控制系統(tǒng)的

39、各個部件具有強(qiáng)大的通訊功能，實現(xiàn)同類控制器間的數(shù)據(jù)交換，還要和目前應(yīng)用廣泛的PLC、工控機(jī)、變頻器等按一定的通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。PLC技術(shù)，通訊技術(shù)，變頻器技術(shù)的飛躍發(fā)展，為我們實現(xiàn)現(xiàn)代化傳動控制系統(tǒng)，達(dá)到對控制系統(tǒng)在不同情況下的不同要求，提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)和理論基礎(chǔ)。雖然以前也學(xué)習(xí)過變頻調(diào)速的理論知識，對變頻器和可編程控制器也比較了解，但是要想很好的完成這次的畢業(yè)設(shè)計，我知道自己的能力和知識還差很遠(yuǎn)，尤其是對于PROFIBUS-DP總線和組態(tài)軟件確實知之甚少，幾乎沒什么概念，所以剛開始的時候，心里一點底都沒有，找資料又不知道該從何入手，于是找到了趙老師訴說自己的心情，想放棄這個課題。聽了

40、我的訴說，趙老師沒有責(zé)怪我，而是耐心的勸說我，幫我建立起必勝的信心，然后又細(xì)心的指導(dǎo)我該如何的查找收集資料，如何的篩選有用的資料，而且還給了好一些比較好的有用的資料。于是每天去圖書館查找資料。從網(wǎng)站上下載了很多有關(guān)PLC、變頻器、電動機(jī)、變頻調(diào)速和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的資料，于是自己大概有了一個頭緒。接下來的任務(wù)就是抓緊時間閱讀手頭上的資料，及時把握相關(guān)信息，為以后的課題設(shè)計、論文寫作做好鋪墊。本課題的關(guān)鍵是PLC的構(gòu)成、原理、接線及其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，所以我們最基本的工作就是從PLC入手，學(xué)好掌握好PLC 的原理及使用方法，只有打好基礎(chǔ)，才會有高樓大廈。于是我從圖書館借了關(guān)于西門子PLC系列的教材，如深入淺出西

41、門子S7-300PLC等，我們雖然用的主要是S7-400，但西門子系列的都是相容相通，它的基本指令都是一樣的，只要抓住核心內(nèi)容就行了。在開始幾周的時間里，大部分時間就是用來熟悉相關(guān)軟件，如Step7、組態(tài)軟件等，以前基本上沒有涉及到這方面的知識，所以初學(xué)起來感覺比較吃力。但在趙老師和我自己的努力下，經(jīng)過反復(fù)的練習(xí)和摸索，最后終于掌握了基本的操作、編程等。最后剩下來的任務(wù)就是方案的確定和系統(tǒng)的調(diào)試以及論文的書寫。經(jīng)過一兩個月的準(zhǔn)備工作，結(jié)合課題任務(wù)要求，確定了本課題的方案。基于變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的種種優(yōu)點，我們采用基于西門子PLC的變頻調(diào)速的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，通過S7-400與工業(yè)以太網(wǎng)上的工程師站或

42、操作員站進(jìn)行通訊，上位機(jī)通過軟件設(shè)計編程可以實現(xiàn)對電動機(jī)進(jìn)行實時遠(yuǎn)程監(jiān)控。S7-400與PROFIBUS-DP總線進(jìn)行通訊，再通過變頻器對電動機(jī)進(jìn)行開環(huán)閉環(huán)變頻調(diào)速等控制，編程站和人機(jī)交換界面-觸摸屏通過Profibus-DP總線進(jìn)行通訊，在編程站編寫好程序，寫入S7-400和S7-300中，我們可以通過操作員站，也可以通過觸摸屏來實現(xiàn)對電動機(jī)的各項遠(yuǎn)程監(jiān)控操作。而變頻器通過COMBIT MASTER CB15或COMBIMASTER CB155通訊口來實現(xiàn)與Profibus-DP總線相連。輸入/輸出信號在PLC接線端子上的地址分配是進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。對軟件來說，I/O地址分配以后

43、才可進(jìn)行編程；對控制柜及PLC的外圍接線來說，只有I/O地址確定以后，才可以繪制電氣接線圖、裝配圖。2.2 主電路的設(shè)計本課題設(shè)計的變頻調(diào)速系統(tǒng)單元，采用交流變頻調(diào)速，通過控制變頻器來實現(xiàn)三相異步電動機(jī)的開閉環(huán)、正反轉(zhuǎn)和快慢速的轉(zhuǎn)換。其具體工作過程如下：從電網(wǎng)上接入380V交流三相電源，首先通過一個空氣開關(guān)作為漏電保護(hù)，然后接入三個熔斷器作為過流保護(hù)。電動機(jī)三相U、V、W接在變頻器的輸出端口，輸入端口L1、L2、L3通過了A級濾波器連接在交流接觸器KM1上，變頻電機(jī)的風(fēng)機(jī)則通過熱繼電器FR1連接在交流接觸器KM2上，再連接到交流接觸器KM1的電網(wǎng)上。接下來是變頻電機(jī)簡單的起、停、開閉環(huán)、變頻調(diào)

44、速電器控制線路。其控制線路說明如下：QF1為空氣斷路器，當(dāng)空氣開關(guān)閉合，沒有按下啟動按鈕SB1時，交流接觸器KM1處于斷開狀態(tài)；當(dāng)按下起動按鈕SB1時，接通交流接觸器KM1，KM1繼電器通電，交流接觸器KM1保持通電狀態(tài)，可編程序控制器運行，輸出端給變頻器一個啟動信號，電源指示燈HR4亮。在運行中按下停止按鈕SB2，則KM1繼電器斷電，交流接觸器KM1斷開。同時我們還用了熱繼電器FR1，用于過載保護(hù)。在加速和減速過程以外，電機(jī)一直是穩(wěn)速運行。變頻電機(jī)的加速、減速、慢速和穩(wěn)速運行全部都由變頻器控制。加速和減速過程時間的長短，以及穩(wěn)速值的大小由人為在變頻器中根據(jù)需要設(shè)定。變頻調(diào)速控制電氣圖如附錄圖

45、A所示：2.3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成及說明本系統(tǒng)中，對三相異步電機(jī)采用一臺變頻器來進(jìn)行頻率的調(diào)節(jié)控制。通過PLC輸出的模擬量信號作為變頻器的控制端輸人信號，由總線Profibus-DP作為信號的傳輸通道，完成對電動機(jī)的自動控制。變頻調(diào)速器對電機(jī)具有完善的自我保護(hù)和電機(jī)保護(hù)的功能，它通過接受PLC的信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)速大小，并且向PLC反饋自身的工作狀態(tài)信號，當(dāng)發(fā)生故障時，能夠向PLC及上位機(jī)發(fā)出報警信號。由于變頻調(diào)速是通過改變電動機(jī)定子供電頻率以改變同步轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，故在調(diào)速過程中從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差功率，因此具有高效率、寬范圍、高精度的調(diào)速性能。2.3.1 系統(tǒng)說明本課題是由三個站點（工程師

46、站、操作員站、編程站）、工業(yè)以太網(wǎng)、Prifibus-DP總線、S7-400、S7-300、變頻器、三相異步電動機(jī)以及人機(jī)交換界面-觸摸屏組成。本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示：西門子工業(yè)以太網(wǎng)的建立需要相應(yīng)的軟件支持，STEP7是西門子工業(yè)自動化控制系統(tǒng)軟件，該軟件為模塊化的軟件，在本體軟件的基礎(chǔ)上有很多可選軟件能和其實現(xiàn)無縫連接，本系統(tǒng)選用的是西門子的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)軟件Soft Net，該軟件和STEP7配合能組建西門子的工業(yè)以太網(wǎng)、DP網(wǎng)等，并能PLC編程，如圖2.1所示。圖 2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的最上一層為SIEMENS工業(yè)以太網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)上有兩臺計算機(jī)，分別為工程師站和操作員站，工程

47、師站安裝有監(jiān)控軟件組態(tài)王運行狗，負(fù)責(zé)整個監(jiān)控系統(tǒng)的運行；同時作為OPC服務(wù)器，負(fù)責(zé)與PROFIBUS主站-西門子S7400系列可編程CPU412-2DP交換數(shù)據(jù)，使組態(tài)王的變量與PLC中的各個控制點關(guān)聯(lián)起來。工程師站、操作員站、CPU412-2DP是通過SIEMENS工業(yè)以太網(wǎng)電氣鏈路模塊（相當(dāng)于HUB）6GV1 105-3AA0互相連接通訊；其中工程師站和操作員站分別裝有SIEMENS專用工業(yè)以太網(wǎng)卡CP1612；而CPU412-2DP則是通過CP443-1工業(yè)以太通訊模塊連接。（該模塊的作用相當(dāng)于PLC的以太網(wǎng)卡），同時CPU412-2DP是OPC客戶端。在以太網(wǎng)中是通過各站點的IP地址來

48、標(biāo)識身份的。第二層為PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)，各站點是通過DP地址來標(biāo)識身份的，本系統(tǒng)的各站點地址分別為：主站CPU412-2DP其DP地址為2，掛在DP總線上的各從站點分別：CPU315-2DP其DP：3；變頻器其DP：5， CP5613其DP：0（系統(tǒng)規(guī)定，一般不允許更改），觸摸屏其DP：1（系統(tǒng)規(guī)定，一般不允許更改）由系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，可以看出本課題的關(guān)鍵主要在于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)成和編程站程序的編寫。程序編出來以后，接下來的工作就是利用組態(tài)軟件把控制圖組態(tài)到操作員站點，再連接寫入到PLC 當(dāng)中去，這樣就可以把整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)連接到一起，組成相通的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。變頻器通過DP通訊模塊掛在主站S

49、7400上，在硬件組態(tài)時，系統(tǒng)會自動分配通訊字地址給變頻器，通訊字為16位，分為控制字和狀態(tài)字，控制字用于發(fā)指令控制變頻器，狀態(tài)字用于反應(yīng)變頻器的工作狀態(tài)。變頻器驅(qū)動一臺變頻電機(jī)，變頻電機(jī)的軸上裝有旋轉(zhuǎn)編碼器，旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖信號送至S7 300中的FM350高速記數(shù)模塊檢測轉(zhuǎn)速。變頻器在程序中設(shè)有兩種控制方式：開環(huán)和閉環(huán)，開環(huán)控制模式時，變頻器的轉(zhuǎn)速直接由PLC發(fā)出的頻率信號（050Hz）確定；閉環(huán)模式時，PLC給出轉(zhuǎn)速設(shè)定值，與旋轉(zhuǎn)編碼器檢測的速度信號比較，經(jīng)PID運算后控制變頻器轉(zhuǎn)速。(由于電源通斷的順序問題，可能有時變頻器會處于報錯狀態(tài)而通訊不上，只要按一次變頻器上的Fn鍵即可恢復(fù))。

50、2.3.2 以太網(wǎng)絡(luò)及組成SIEMENS工業(yè)以太網(wǎng)的硬件結(jié)構(gòu)：西門子工業(yè)以太網(wǎng)其本質(zhì)上與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)一樣，只是其硬件都是工業(yè)級專用，如網(wǎng)卡、網(wǎng)線、鏈路模塊（HUB）等；PLC連接以太網(wǎng)是通過以太網(wǎng)通訊模塊來實現(xiàn)，采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP通訊協(xié)議，10M帶寬，硬件結(jié)構(gòu)見圖2.2所示： 圖 2.2 以太網(wǎng)硬件結(jié)構(gòu)圖以太網(wǎng)作為通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)優(yōu)勢：1. 以太網(wǎng)是一種標(biāo)準(zhǔn)的開放式網(wǎng)絡(luò)，采用TCPIP通信協(xié)議，可以解決物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層采用統(tǒng)一的通信協(xié)議的問題，不同廠商的控制網(wǎng)絡(luò)很容易互聯(lián)。2. 以太網(wǎng)能便捷地訪問遠(yuǎn)程系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和遠(yuǎn)程維護(hù)，共享訪問多數(shù)據(jù)庫。3. 以太網(wǎng)使以萬維網(wǎng)為基

51、礎(chǔ)的所有手段可以移植到管控一體化系統(tǒng)中來。4. 能降低系統(tǒng)成本，包括技術(shù)人員培訓(xùn)費用、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)費用及系統(tǒng)初期投資。以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線的技術(shù)優(yōu)勢：1. 可以保證現(xiàn)場總線技術(shù)可持續(xù)發(fā)展。2. 廣泛的開發(fā)技術(shù)支持。3. 可以有大量硬件產(chǎn)品選擇。4. 可以擁有大量的軟件資源。5. 可以避免現(xiàn)場總線技術(shù)游離于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展主流之外，使現(xiàn)場總線技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)主流技術(shù)很好地融合起來，形成現(xiàn)場總線技術(shù)和一般的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)同步發(fā)展的局面。在設(shè)備中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，IO設(shè)備連接到以太網(wǎng)或連接到以太網(wǎng)兼容的IO數(shù)據(jù)集中器上。在這種結(jié)構(gòu)中，以太網(wǎng)取代了現(xiàn)場總線，真正構(gòu)成了從企業(yè)的上層和底層統(tǒng)一的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。如用O

52、ptimation公司的Opti Logic以太網(wǎng)RTU構(gòu)成的設(shè)備中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2.3所示： 本系統(tǒng)中工業(yè)以太網(wǎng)的主要作用是連接上位機(jī)和S7-400，以實現(xiàn)上位機(jī)對變頻器和三相異步電動機(jī)的控制。圖2.3 設(shè)備中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2.3.3 系統(tǒng)DP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及說明系統(tǒng)的DP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2.5所示，即整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各被控單元（變頻電動機(jī)、電梯等）通過PROFIBUS-DP總線連接起來，系統(tǒng)為每塊分配了相應(yīng)的DP地址。本課題的變頻調(diào)速單元通過DP總線與上位機(jī)、觸摸屏等站點連接起來以實現(xiàn)變頻調(diào)速的控制。西門子CPU412-2DP和CPU315-2DP都帶有兩個通訊口，一個為MPI另一個為DP，在出廠時，新

53、的PLC其MPI地址和DP地址都為2，因此在CPU首次使用時，若系統(tǒng)中DP總線上有兩個以上的CPU就必須先對每個CPU進(jìn)行單獨DP地址設(shè)置，否則系統(tǒng)將報錯，地址重復(fù)。CP5613既可設(shè)置為DP也可設(shè)置為MPI，先將CP5613設(shè)置為MPI方式，然后用一根兩端裝有總線接頭的DP電纜（注：電纜和總線接頭MPI和DP是一樣的）一端插在CP5613上，另一端插在PLC的MPI口上，通過STEP7就可以和PLC連接上了，此時通訊占用MPI口，DP口被自由釋放，可以修改地址。本系統(tǒng)就是通過此方式將CPU412-2DP的DP地址設(shè)置為2，CPU315-2DP的DP地址設(shè)置為3，ET200M、變頻器的DP地址

54、通過其自身撥碼開關(guān)設(shè)置，網(wǎng)關(guān)和觸摸屏可通過其設(shè)置按鍵設(shè)置。一般情況下，為保證系統(tǒng)的通訊可靠，我們只修改DP的地址，DP的通訊速率等參數(shù)均采用系統(tǒng)的默認(rèn)值（1.5Mbps），這樣一致性好，且不會出錯。當(dāng)硬件連接好后，主要是通過STEP7軟件中的管理器來組態(tài)各硬件之間的關(guān)系。首先在管理器中建立各個站（這里主要是指建立各類型主站），本系統(tǒng)各類型主站分別為：S7300 Station、S7400 Station、PC Station (5613)、PC Station 1 (1612)、PC Station 2 (1612)，然后再分別對每個站進(jìn)行硬件配置，此處必須與實物對應(yīng)，包括具體的槽位、各組件的

55、產(chǎn)品序列號等，當(dāng)配置PLC的CPU時，系統(tǒng)會自動提示網(wǎng)絡(luò)選擇。本系統(tǒng)的DP主站CPU412-2DP，而CPU315-2DP也是主站類型PLC，在硬件設(shè)置時要將其改為從站，此時系統(tǒng)會要求你選擇和主站的數(shù)據(jù)交換方式，選擇MS方式，即主從方式，再設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換區(qū)間以及長度，這里的交換區(qū)間是指PI和PQ，S7300和S7400都有此兩個稱之為外部輸入輸出的交換區(qū)，交換數(shù)據(jù)的方式是交叉的，區(qū)間定義好了后，S7300和S7400的數(shù)據(jù)交換就會通過DP總線自動進(jìn)行，無須編寫通訊程序，如圖2.4所示：圖2.4 S7300和S7400通過DP的主從方式交換數(shù)據(jù)例如：當(dāng)設(shè)置了 S7 300的PQW100與S7400的PIW100交換數(shù)據(jù)，S7 400的PQW100與S7300的PIW100交換數(shù)據(jù)。在S7300中PQW100的狀態(tài)會自動同步反應(yīng)在S7400的PIW100上，在S7400中對PQW100的操作將自動同步反應(yīng)在S7300的PIW1