基于PLC通信控制電機多段速設計

1、目錄第一章 概要31.1 基于plc通信控制電機多段速設計背景31.2 網(wǎng)絡化控制電機多段速設計技術目標3第二章 系統(tǒng)設計32.1 設計總體規(guī)劃32.2 系統(tǒng)組成4第三章 硬件系統(tǒng)設計介紹43.1 西門子mm420變頻器43.2 西門子s7-300plc63.3 西門子s7-200plc73.4 三相籠型異步電動機83.5 profibus-dp網(wǎng)絡通訊9第四章 軟件設計94.1 s7-300plc軟件上的硬件組態(tài)與編程94.2 s7-200plc的軟件編寫184.3 wincc監(jiān)控軟件制作與監(jiān)控19總 結22第一章 概要1.1 基于plc通信控制電機多段速設計背景近年來，隨著電力電子技術、計

2、算機技術、自動控制技術的迅速發(fā)展，交流傳動與控制技術成為目前發(fā)展最為迅速的技術之一，電氣傳動技術面臨著一場歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計算機數(shù)字控制技術取代模擬控制技術已成為發(fā)展趨勢。電機交流變頻調(diào)速技術是當今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動技術進步的一種主要手段。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)外公認為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，最為常見的是plc和變頻器的組合運用，并且產(chǎn)生了多種多樣的plc控制變頻器的方式，比如可以利用plc的模擬量輸出模塊控制變頻器，plc還可以通過485通信

3、接口控制變頻器，也可以利用plc的開關量輸入/輸出模塊控制變頻器。1.2 網(wǎng)絡化控制電機多段速設計技術目標本實訓網(wǎng)絡化控制電機多段速設計應該具有以下技術要求：1）基于profibus-dp網(wǎng)絡的現(xiàn)場總線通信技術，實現(xiàn)西門子s7-300與s7-200plc的通信。2）完成硬件設計，熟悉西門子s7-300、s7-200與mm420變頻器的硬件構造與使用方法，連線的方法與注意事項。3）軟件設計：實現(xiàn)電機多段速的控制，在s7-300里編寫控制的邏輯程序，實現(xiàn)全自動定時多段速控制，在s7-200里編寫通信傳送程序，將s7-300里傳送過來的數(shù)據(jù)結果傳送給s7-200的控制端口。本設計基于profibus

4、網(wǎng)絡通信使s7-200與s7-300通信，用s7-200的i/o端口控制變頻器的工作。通過設置變頻器的工作方式等參數(shù)，使電機按固定的預設頻率轉動，并通過wincc監(jiān)控軟件和s7-300plc通信對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控，同時檢測電機的實時轉速。第二章 系統(tǒng)設計2.1 設計總體規(guī)劃先對mm420變頻器進行學習，掌握變頻器的參數(shù)設置，配置變頻器的方法。再了解電動機的星三角接法，學習s7-200與s7-300plc硬件、軟件使用方法，掌握它們的profibus-dp網(wǎng)絡的通信原理及通信的方法。最后學習wincc組態(tài)軟件的應用以及與plc之間的通信規(guī)則。本設計整體的圖如下：控制控制通信s7-300plcs7

5、-200plcmm420變頻器電機圖1 設計總體框架方案圖2.2 系統(tǒng)組成本系統(tǒng)包括：編程與監(jiān)控的pc電腦，西門子s7-300plc，西門子s7-200plc，西門子mm420變頻器，三相籠型異步電動機。它們間的具體結構如圖2所示：profibus-dppc/pg編程與監(jiān)控s7-300plcs7-200plcmm420變頻器電機圖2 系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)控制結構圖第三章 硬件系統(tǒng)設計介紹3.1 西門子mm420變頻器micromaster 420變頻器適合用于各種變速驅(qū)動裝置，尤其適合用于水泵，風機和傳送帶系統(tǒng)的驅(qū)動裝置。它的特點是設備性能面向用戶的需求，并且使用方便。它的電源電壓規(guī)格很多，因而可在世界范

6、圍內(nèi)應用。micromaster 420 具有模塊化的設計。操作面板和通訊模塊可以不使用任何工具，非常方便地用手進行更換。主要特征：調(diào)試簡單；模塊化的結構，因而組態(tài)具有最大的靈活性；具有三個完全可編程的隔離的數(shù)字輸入；一個可標定的模擬輸入(0v至10v)；它也可以作為第4個數(shù)字輸入來使用；一個可編程的模擬輸出(0ma至20ma)；一個完全可編程的繼電器輸出 (30v，直流/5a，電阻負載或250v，交流/2a，感性負載)；采用較高的開關頻率時，電動機運行的噪聲很小 (在脈沖的開關頻率較高的情況下，額定輸出電流要降格使用)；完善的變頻器和電動機保護功能。變頻器參數(shù)功能表序號變頻器參數(shù)出廠值設定值

7、功能說明1p0304230380電動機的額定電壓( 380v )2p03053.250.35電動機的額定電流( 0.35a )3p03070.750.06電動機的額定功率( 60w )4p031050.0050.00電動機的額定頻率( 50hz )5p031101430電動機的額定轉速( 1430 r/min )6p100023固定頻率設定7p108000電動機的最小頻率( 0hz )8p10825050.00電動機的最大頻率( 50hz )9p11201010斜坡上升時間( 10s )10p11211010斜坡下降時間( 10s )11p070022選擇命令源（ 由端子排輸入 ）12p070

8、1117固定頻率設值（二進制編碼選擇+on命令）13p07021217固定頻率設值（二進制編碼選擇+on命令）14p0703917固定頻率設值（二進制編碼選擇+on命令）15p10010.005.00固定頻率116p10025.0010.00固定頻率217p100310.0020.00固定頻率318p100415.0025.00固定頻率419p100520.0030.00固定頻率520p100625.0040.00固定頻率621p100730.0050.00固定頻率7注: （1）設置參數(shù)前先將變頻器參數(shù)復位為工廠的缺省設定值（2）設定p0003=2 允許訪問擴展參數(shù) （3）設定電機參數(shù)時先設定

9、p0010=1(快速調(diào)試),電機參數(shù)設置完成設定p0010=0(準備)圖3 變頻器外部接線圖3.2 西門子s7-300plcsimatic s7-300主要面向制造工程的系統(tǒng)解決方案，主要任務和性能特征有通用性應用和特別豐富的cpu及模塊種類；高性能；模塊化設計；具備緊湊設計模塊；由于使用了mmc存儲數(shù)據(jù)和程序，系統(tǒng)免維護。s7-300由多種模塊部件所組成，各種模塊能以不同方式組合在一起，從而可使控制系統(tǒng)設計更加靈活，滿足不同的應用需求。各模塊安裝在din標準導軌上，并用螺絲固定。這種結構形式既可靠，又能滿足電磁兼容要求。背板總線集成在各模塊上，通過將總線連接器插在模塊的背后，使背板總線聯(lián)成一

10、體。在一個機架上最多可并排安裝8個模塊。s7-300有各種不同性能檔次的cpu模塊可供使用。標準cpu提供范圍廣泛的基本功能，如指令執(zhí)行、i/o讀寫、通過mpi和cp模塊的通訊，部分cpu還集成了點到點或profibus通訊接口。s7-300的指令集包含350多條指令，包括了位指令、比較指令、定時指令、整數(shù)和浮點數(shù)運算指令等。本實訓用到的s7-300plc由電源模塊ps307、cpu模塊cpu315-2dp以及一些信號模塊和特殊功能模塊組成。而實際我們只用到了他的電源和cpu模塊。cpu315-2dp型號的cpu本身自帶一個profibus-dp網(wǎng)絡的接口，還有cpu的下載線接口，本實訓只需通

11、過profibus-dp網(wǎng)線將s7-300和s7-200plc連接起來進行通訊，同時網(wǎng)線還連接著pc機的cp5611板卡以便pc機上的wincc對系統(tǒng)進行監(jiān)控。3.3 西門子s7-200plcsimatic s7-200plc是緊湊型微型plc，其主要的任務和性能特征有串行模塊結構，模塊化擴展；緊湊設計，cpu集成輸入輸出；實時處理能力，高速計數(shù)器和報警輸入和中斷；多種通訊選項。系統(tǒng)的硬件構架由系統(tǒng)的cpu模塊和豐富的擴展模塊組成。他能夠滿足各種設備的自動化控制需求。本實訓用到的s7-200plc實際硬件設備模塊包括有cpu224cn、數(shù)字量輸入輸出模塊em223 di8/do8 dc24v、

12、模擬量輸入輸出模塊em235 ai4/ao1 12bit和工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊cp243-1。由于s7-200plc要連入profibus-dp網(wǎng)絡所以還要擴展profibus-dp網(wǎng)絡通訊模塊em277。圖4 s7200接線圖圖5 變頻器與電機接線圖3.4 三相籠型異步電動機三相異步電動機轉子的轉速低于旋轉磁場的轉速，轉子繞組因與磁場間存在著相對運動而感生電動勢和電流，并與磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉矩，實現(xiàn)能量變換。與單相異步電動機相比，三相異步電動機運行性能好，并可節(jié)省各種材料。按轉子結構的不同，三相異步電動機可分為籠式和繞線式兩種?；\式轉子的異步電動機結構簡單、運行可靠、重量輕、價格便宜，得到

13、了廣泛的應用，其主要缺點是調(diào)速困難。繞線式三相異步電動機的轉子和定子一樣也設置了三相繞組并通過滑環(huán)、電刷與外部變阻器連接。調(diào)節(jié)變阻器電阻可以改善電動機的起動性能和調(diào)節(jié)電動機的轉速。三相異步電動機的三角接法和星型接法，他們接線圖如圖4所示。三角接法的電動機功率大，接入的繞阻電壓大，而星型接法電機功率小，接入的繞阻電壓小，一般采用星角降壓法啟動電機，以保證電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定以及電動機的啟動性能和安全性。abcabcd1d2d3d4d5d6d1d2d3d4d5d6異步電機星型接法異步電機三角接法圖6 異步電機三角接法與星型接法示意圖3.5 profibus-dp網(wǎng)絡通訊profibus是屬于單元級和現(xiàn)場

14、級的simatic網(wǎng)絡，適用于傳輸中小量的數(shù)據(jù)。其開放性可以允許多家廠商開發(fā)各自的符合profibus協(xié)議的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品均可以連接在同一個profibus網(wǎng)絡上。profibus是一種電氣網(wǎng)絡，物理上傳輸介質(zhì)可以是屏蔽雙絞線、光纖或無線傳輸。網(wǎng)絡連接可利用plc站的dp口，上位機插卡cp5411/cp5511/5611/5613的dp口進行數(shù)據(jù)交換。連接電纜為profibus電纜，接頭為profibus接頭并帶有終端電阻。s7-300與s7-200通過em277進行profibus-dp通訊，需要在step7中進行s7-300站組態(tài)，在s7-200系統(tǒng)中不需要對通訊進行組態(tài)和編程，只需要將要

15、進行通訊的數(shù)據(jù)存放在v存儲區(qū)與s7-300的組態(tài)em277從站時的硬件i/o地址相對應就可以了。第四章 軟件設計4.1 s7-300plc軟件上的硬件組態(tài)與編程s7-300硬件組態(tài)1. 啟動step 7 v5.3編程軟件：雙擊 打開step 7軟件2. 新建項目（1）根據(jù)step 7向?qū)陆椖繄D7 step 7向?qū)陆椖堪础鞠乱徊健砍霈F(xiàn)下圖：圖8 為項目選擇cpu類型圖選擇您對應項目的cpu類型，如果發(fā)現(xiàn)您的cpu315找不到相應的定貨號，因此根據(jù)“step 7向?qū)陆椖俊睙o法創(chuàng)建項目，單擊“取消”。（2）軟件（simatic manager）界面新建項目雙擊 新建項目【文件】【新建】，

16、如圖：圖9 新建項目操作圖右擊項目名稱【300與200通訊】 選中【插入新對象】單擊【simatic 300站點】，硬件組態(tài)：插入一個s7-300的站點，開始硬件組Ø 雙擊“ ”雙擊“ ”進入硬件組態(tài)界面如圖所示。圖10 硬件組態(tài)界面Ø 根據(jù)s7-300主機的組合進行硬件組態(tài)（電源ps307 5a）：² 選擇s7-300導軌：rack-300中的rail² 選擇電源模塊ps307（有配置時）² 選擇cpu主機（cpu右邊可以安裝不超過八個模塊sm、fm、cp）² 選擇數(shù)字量輸入輸出（如cpu主機沒帶時，需要組態(tài)）² 選擇其他

17、擴展模塊（3）安裝em277 profibus-dp模塊gsd文件系統(tǒng)采用profibus dp通訊，s7-300作為主站，s7-200作為從站，其中數(shù)據(jù)由通過em277 profibus-dp進行交換。step 7需要安裝em277 gsd 文件。啟動step 7 v5.3編程軟件，進入硬件組態(tài)界面如圖2.1.7所示?！具x項】【安裝gsd文件】單擊【瀏覽】，找到放置“siem089d.gsd”文件夾并打開，再在如圖2.1.12中選中“siem089d.gsd” 單擊【安裝】。圖11 選中em277 profibus-dp模塊gsd文件（4）s7-300、em277 profibus-dp模塊

18、硬件組態(tài)（profibus-dp通訊）雙擊機架2中的“dp”（如圖12）進入dp屬性窗口，設定dp連網(wǎng)，操作如下所示：圖12 進入dp屬性窗口1. 進入“屬性-dp-（r0/s2.1）”窗口圖13 屬性-dp-（r0/s2.1）窗口單擊“屬性”圖14屬性-profibus接口 dp（ro/s2.1）窗口2. 單擊【新建】單擊【網(wǎng)絡設置】選擇傳輸率圖15 屬性-profibus網(wǎng)絡設置傳輸率3.profibus dp線上掛上em277Ø 單擊profibus dp線左鍵單擊圖16設定主站后出現(xiàn)dp主站系統(tǒng)線Ø 插入em277 profibus-dp并設置地址選擇地址圖17 選

19、擇從站地址s7-300的硬件下載完成后，將em277的撥位開關撥到與以上硬件組態(tài)的設定值一致，在s7-200中編寫程序?qū)⑦M行交換的數(shù)據(jù)存放在vb0vb63。改變硬件地址后必需斷電重新啟動。選擇em277 i/o地址單擊profibus dp線上的em277，再選擇所需要的地址。選擇“32bytes out/32bytes in”,可以看到em277的i/o地址。圖18 em277 profibus-dp詳細參數(shù)s7-300、em277硬件組態(tài)（profibus dp通訊）完成，如圖：圖19 工業(yè)全數(shù)字實訓裝置硬件組態(tài)（5）em277 profibus-dp（s7-300）、s7-200對應的通

20、訊地址vb0vb31是s7-300寫到s7-200的數(shù)據(jù)，vb32vb63是s7-300從s7-200讀取的數(shù)據(jù)，em277 profibus-dp上撥位開關的位置一定要和s7300中組態(tài)的地址值一致。em277和s7-200對應地址表序號em277（s7-300）s7-2001qboqb31vb0vb312ib0ib31vb32vb63（6）根據(jù)項目要求編寫程序plc300的程序如下4.2 s7-200plc的軟件編寫1處為輸入程序，2處為輸出程序把編寫好的程序分別下載到plc中，上點，測試，完成。dp線在300plc上的端口應該是dp口（右邊的那個端口），plc200應該連接em277上的

21、端口，并與plc300組態(tài)相對應站號。4.3 wincc監(jiān)控軟件制作與監(jiān)控在完成s7-300與s7-200plc通訊，并由s7-200plc控制變頻器使電機多段速運行后，使用wincc監(jiān)控軟件和s7-300plc通訊對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控。s7- 300h 采用模塊化設計。cpu 模塊上有標準化dp 接口和mpi 接口。本系統(tǒng)中, 我們選擇mpi 接口,wincc 和plc 之間的過程通訊結構如下圖所示。wincc與plc之間的通訊組態(tài)具體實現(xiàn)方法如下:第一步, 啟動wincc 并建立一個新的wincc 項目后, 在變量管理器中選擇添加通訊驅(qū)動程序“simatic s7 protocolsuite chn”, 然后選擇期望的通道單元“mpi”為該通道單元組態(tài)邏輯連接, 設置邏輯連接節(jié)點名、網(wǎng)絡地址等參數(shù)這樣就建立了wincc 與s7-300間的通訊連接。第二步, 在已建立的通訊連接下定義變量組及相關變量,每個變量有三個設置項: 變量名、數(shù)據(jù)類型、地址, 其中最重要的是變量地址, 它定義了此變量與s7-300中某一確定地址的一一對應的關系。以此, 將s7-300與wincc之間需要通訊的數(shù)據(jù)