西门子S7200系列PLC与调速装置的通讯及调速控制的实现 2.doc

摘 要随着自动化控制理论、工业控制网络和计算机、通信网络技术等的飞速发展，在工业场合中，PLC技术应用广泛。在电机控制方面，通常使用变频器达到调节电机速度的目的。 本文首先对本文设计的系统的主要技术进行了简单介绍，主要包括PLC技术和变频调速技术。并且针对PLC的I/O口的规模对PLC进行了分类。同时本文分别就PLC技术和变频调速技术进行详细的阐述。并且就本系统使用的S7-200PLC系类PLC进行了详细的分析。同时本文针对系统的需求和PLC技术的特点设计了一个完整的调速系统，并且测试了器通讯，对调速控制进行了实现。关键词PLC技术；变频调速；通信技术； 目 录摘 要I第1章 引言11.1 PLC技术11.1.1 PLC简介11.1.1 PLC分类11.2 变频调速技术1第2章 西门子S7-200系列PLC技术与应用22.1 PLC的工作原理与功能特点22.1.1 PLC的工作原理22.1.2 PLC的功能特点32.2 SIEMENS S7-200 PLC32.2.1 西门子 S7-200 PLC 的功能概述32.2.2 西门子 S7-200 PLC 的工作模式32.2.3 S7-200 PLC 网络的通信协议4第3章 变频调速技术与应用73.1变频器的原理与容量计算73.1.1 变频器的原理73.1.2 变频器的容量计算93.2 变频调速原理10第4章 系统设计124.1系统硬件设计124.2系统软件设计144.2.1变频调速驱动设置144.2.2PLC 控制变频器的程序设计14参考文献18致 谢19第1章 引言1.1 PLC技术1.1.1 PLC简介PLC英文全名为Programable Controller，即可编程控制器，包括逻辑运算、顺序控制、时序、计数以及算术运算等程序。它用一串指令形式存放在存储器中，然后根据存储的控制内容，经过模拟、数字等输入输出部件，对生产设备与生产过程进行控制。一套典型的PLC通常包括CPU模块、电源模块和一些I/O模块，这些模块被插在一块背板上。如果配置增加，可能会包括一个操作员界面、监控计算机、通信模块、软件以及一些可选的特殊功能模块。可编程控制器不仅容易安装，占用空间小，能源消耗小，带有诊断指示器可以帮助故障诊断，而且可以被重复使用到其他的项目中去。现在，尽管PLC的功能，如运行速度、接口种类、数据处理能力已经获得了很大的提高，但PLC一直保持了最初设计的原则，那就是简单之上的原则。1.1.1 PLC分类PLC通常根据CPU所带的I/O点数的规模分为微型PLC、小型PLC、大型PLC、PC插卡式PLC以及PC兼容的PLC。PLC的技术不断发展取得了很大的成就，PLC控制系统应用的越来越广泛。过去，PLC使用与离散过程控制，如开关、顺序运动执行等场所，但随着PLC的功能越来越强大，PLC也开始进入过程自动化领域。 1.2 变频调速技术变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是目前运用最广泛且最有发展前途的调速方式。交流电动机变频调速系统的种类很多，从早期提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型，脉宽调制等各种变频器。目前变频调速的主要方案有：交-交变频调速，交-直-交变频调速，同步电动机自控式变频调速，正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速，矢量控制变频调速等。变频调速系统由电力半导体变流器、电动机、控制、检测四部分组成。这四部分相互依存，共同作用，实现交流驱动的高精度、使用方便、低转矩脉动、低噪音、无传感器、小型化等性能指标。异步电动机变频调速具有调速范围广，平滑性较高，机械特性较硬的优点，可以方便地实现恒转矩或恒功率调速。第2章 西门子S7-200系列PLC技术与应用2.1 PLC的工作原理与功能特点为了介绍PLC的工作原理我们在本节首先介绍PLC的基本结构，然后介绍PLC的工作原理，最后简单介绍一下PLC的主要功能和特点。2.1.1 PLC的工作原理1PLC的基本结构可编程控制器的基本结构框图如图2.1示。可编程序控制器主要有CPU模块、输入模块、输出模块、编程装置和电源组成。2PLC工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述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，如图2.2所示。在输入采样阶段，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映像区中的相应单元内。输入采样结束后，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映像区中的相应单元的状态和数据。图2.1 PLC基本结构图2.2 PLC的扫描周期2.1.2 PLC的功能特点PLC的主要功能有：逻辑控制、定时控制、计数控制、步进(顺序)控制、PID控制、数据控制（PLC具有数据处理能力）、远程I/O功能、通信和联网；另外，有些PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，诸如定位控制模块，CRT模块等等。可编程控制器（PLC）的主要特点如下：1）高可靠性；2）丰富的I/O接口模块；3）采用模块化结构；4）编程简单易学；5）安装简单，维修方便。 2.2 SIEMENS S7-200 PLC2.2.1 SIEMENS S7-200 PLC 的功能概述S7-200PLC系统是紧凑型可编程序控制器。系统的硬件构架是由成系统的CPU模块和丰富的功能扩展模块组成。它能够满足各种设备的自动化控制需求。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制相关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备、汽车、机器人等等。如冲压机床、印刷机械、中央空调、电梯控制、运动系统等等。S7-200系列除了具有PLC的基本控制功能以外，还有以下三个方面特点：（1）功能强大的指令集；（2）丰富强大的通信功能；（3）编程软件的易用性。2.2.2 SIEMENS S7-200 PLC 的工作模式S7-200PLC具有两种工作模式，分别是：运行（RUN）模式和停止（STOP）模式。在运行模式下，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能；在停止模式下，S7-200 CPU不执行用户程序，此时可设置CPU系统的硬件功能，并将用户程序、数据以及硬件设置信息下载到S7-200CPU。其中用户程序用编程软件创建、编辑、编译、调试。CPU模块上的模式开关用于改变和转换S7-200PLC的工作模式。开关拨到RUN位置时，CPU运行，启动用户程序的运行：当开关拨到STOP位置时，CPU停止，用户程序的运行也相继停止；开关拨到TERM位置时，不改变当前工作模式。此外还可以通过STEP7-Micro/WIN32编程软件控制S7-200CPU的运行和停止。S7-200CPU前面板上的LED显示着当前的工作模式。S7-200PLC通电后，需要对硬件和软件做一些初始化的工作。为了使PLC的输出及时地响应各种输入信号。初始化后，S7-200CPU按照循环扫描的方式，完成包括执行用户程序在内的各项不同的任务。S7-200CPU周而复始地分阶段执行一系列任务。任务执行一次称为一个扫描周期。在一个扫描周期内，CPU工作流程如图2.3。图2.3 s7-200 cpu的扫描过程示意图2.2.3 SIEMENS S7-200 PLC 网络的通信协议S7-200CPU支持多种的通信协议。包括通用协议和公司专用协议。专用协议包括点到点（Point-to-Point）接口协议（即PPI）、多点（Multi-Point）接口协议（MPI），Profibus协议、自由通信接口协议和USS协议。PPI，MPI，Profibus协议在OSI七层模式通信结构的基础上，通过令牌环网实现，令牌环网遵守欧洲标准EN50170中的过程现场总线(Profibus)标准。这些协议都是异步、基于字符传输的协议，带有起始位、8位数据、偶校验和一个停止位。通信帧由特殊的起始和结束字符、源和目的站地址、帧长度和数据校验组成。如果使用相同的波特率，这些协议可以在一个网络中同时运行，而不相互影响。1PPI协议PPI通信协议是西门子专为S7-200系列PLC开发的通信协议，主要用与S7-200的编程、S7-200系列PLC之间的通信以及与HMI产品的通信，可通过普通的两芯屏蔽双绞电缆进行联网。波特率可以设为9.6KB/s、19.2KB/s和187.5KB/s。PPI是一个主从协议。在这个协议中，S7-200一般作为从站，一般不主动发送信息，只有当主站有请求时才作出响应。如果将S7-200设置为PPI主站模式（可以由SMB30设置），则这个S7-200 CPU在RUN模式下可以作为主站，可以利用网络读写指令（NETR、NETW）来读写另一个S7-200的数据。当然，当S7-200作为PPI主站时，仍可以作为其他主站的从站，响应其他主站的请求。PPI通信协议是一个令牌传递协议，对于一个从站可以响应多个主站的请求，协议没有限制，但是在没有加中继器的情形下，网络中最多只能有32个主站（包括编程器、HMI等）。2MPI协议S7-200可以通过通信接口连接到MPI网上，主要应用于S7-300/400 CPU与S7-200通信的网络中。应用MPI协议组成的网络，通信支持的波特率为19.2KB/s或187.5KB/s。通过此协议，实现作为主站的S7-300/400 CPU与S7-200的通信。在MPI网中，S7-200作为从站，从站之间相互不能通信，S7-300/400作为主站，当然主站也可以是编程器或HMI产品。MPI协议可以是主/主协议或主/从协议，协议如何操作有赖于通信设备的类型，如果是S7-300/400 CPU之间通信，那就建立主/主连接，因为所有的S7-300/400 CPU在网站中都是主站。如果设备是一个主站与S7-200 CPU通信，那么，就建立主/从连接，因为S7-200 CPU是从站。3Profibus协议Profibus协议通常用于实现分布式I/O设备（远程式I/O）的高速通信，许多厂家生产类型众多的Profibus设备，这些设备包括从简单的输入或输出模块到电机控制器和可编程控制器，S7-200 CPU可以通过EM277 Profibus-DP扩展模块的方法连接到Profibus-DP协议支持的网络中。协议支持的波特率为9600KB/s到12MB/s。Profibus网络通常有一个主站和几个I/O从站。主站通过配置可以知道所连接的I/O从站的型号和地址。主站初始化网络时核对网络上的从站设备与配置的从站是否匹配。运行时主站可以像操作自己的I/O一样对从站进行操作，即不断地把数据写到从站或者读取从站的数据。当DP主站成功地配置一个从站时，它就拥有了该从站，如果在网络中有另外一个主站，它只能很有限制的访问属于主站的从站数据。4自由口通信（用户自定义协议）自由通信口（Free-port Mode）模式是S7-200 PLC一个特有功能。S7-200 PLC的自由口通信，即用户可以通过用户程序对通信口进行操作，自己定义通信协议（例如ASCII协议）。应用此种通信方式，使S7-200 PLC可以与任何通信协议已知、具有串口的智能设备和控制器（如打印机、条形码阅读器、变频器、上位机等）进行通信，当然也可以用于两个CPU之间简单的数据变换。当智能设备具有RS-485接口时，可以用双绞线进行连接。该通信方式使可通信的范围大大增大，使控制系统配置更加灵活、方便。5USS协议USS协议是西门子传动产品（变频器等）通信的一种协议。S7-200提供USS协议的指令。用户使用这些指令可以方便地实现对变频器的控制。通过串行USS总线最多可接30台变频器（从站），然后用一个主站（PC，PLC）进行控制。USS协议是一种主/从总线结构，从站只是对主站发来的报文做出回应并发送报文。另外也可以是一种广播通信方式，一个报文同时发给所有USS总线设备。第3章 变频调速技术与应用3.1变频器的原理与容量计算3.1.1 变频器的原理 变频器可分为间接变频器和直接变频器两大类。间接变频器先将工频交流电源整流成电压大小可控的直流，再经过逆变器变换成可变频率交流，由此也称交-直-交变频器；直接变频器则将工频交流一次性变换成可变频率交流，故可称交-交变频器。目前以间接变频器应用较为广泛。本文所述变频器也属于这一类。1、交-直-交变频器按照电压、频率的控制方式，交-直-交变频器有三种结构形式：（1）可控整流器调压、逆变器调频方式。如图 3.1（a）所示：其调压与调频功能分别在两个环节上实现，由控制电路协调配合，故结构简单、控制方便。由于装置输入环节采用可控整流，当低频低压运行时，移相触发角 u 很大，致使输入功率因数低下，此外逆变器多用晶闸管型 2 阶梯波，每周换流 2 次的逆变器，器件开关频率低输出谐波成分大，当然，可控器件如 IGBT 的出现使得 PWM 控制成为可能，可以大大的改善其工作性能，但成本较高。（2）不控整流器整流、斩波器调压、逆变器调频方式。如图 3.1（b）所示：由于采用二极管整流,使输入功率因数提高。由于输出逆变环节功率器件采用晶闸管，仍有输出谐波成分大的弊病。（3）不控整流器整流、脉宽调制型（PWM）逆变器同时实现调压调频方式。如图3.1（c）所示。此时除装置输入功率因数高，又因采用高开关频率的逆变器，输出谐波很小，性能优良。图3-1 交-直-交变频结构图2、交-交变频器交-直-交变频器控制简单，所用晶闸管元件少，但它要经过两次能量转换损耗比较大，而且大部分变频器都用不可控器件作逆变开关，采用电容强迫换流，电路结构复杂。交-交变频器可直接将电网频率交流变成频率可调交流，无需中间直流环节，从而可提高整个变频装置的变换效率。又由于交-交变频器中晶闸管可利用交流电网实现电源自然换流，无需专门设计换流电路，简化了变流器结构。再由于这种变频器基本单元是由三相可逆整流装置所构成、每相装置均为两个反并联的三相整流器、变频器容量就由它们来分担，因此在不采用元件串、并联的条件下，可将交-交变频器容量做得很大，使这种变频器在大容量低速同步电机的无齿系传动、大型线绕异步电机的超同步双馈调速，以及新型交流励磁变速恒频发电系统中得到了相当广泛的应用。交-交变频器输出的每一相都是由两组晶闸管可控整流器反并联的可逆线路构成。如图3.2所示。其中图（a）电路可控整流器进线侧接入了足够大滤波电感使输出电流近似方波，称电流源型；图（b）两组整流器直接反并联,构成电压源型电路。当正组工作在整流状态时，反组封锁。负载上电压为上（）下（）。当反组处于整流状态而正组封锁时，0u 为上（）下（）；两组交替工作就使负载上得到交流电压，如图（c）所示,其输出频率即为两组整流器的交替工作切换频率。由于交-交变频器输出的交流电压是经晶闸管整流后获得，晶闸管利用了电网电压换流，其输出频率不能高于电网频率。通常最高输出频率被限制为电网频率的1/3-1/2。图3-1交-交变频原理图3.1.2 变频器的容量计算（1）根据电动机电流选择变频器容量变频器驱动异步电动机调速，在电机的容量确定并选定其型号以后，通常应根据电动机的额定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行中的电流值（最大值）来选择变频器。（2）容量选择注意事项并联追加投入起动用一台变频器使多台电动机并联运转时，如果所有电动机同时起动加速可按如前所述选择容量。但是对于一小部分电动机电动机开起后再追加投入其他电动机起动场合，此时变频器的电压、频率已经上升，追加投入的电动机将产生大的起动电流。因此，变频器容量与同时起动时相比需要大些。大过载容量根据负载的种类往往需要过载容量大的变频器，但通用变频器过载容量通常多为125%,60s或150%,60s,需要超过此值的过载容量时必须增大变频器的容量。轻载电动机电动机的实际负载比电动机的额定输出功率小时，多认为可选择与实际相称的变频器容量。但是对于通用变频器，即使实际负载小，使用比按电动机额定功率选择的变频器容量小的变频器并不理想。根据系统综合考虑因素，选择西门子MM420型变频器，并且选用专门的变频调速电机。3.2 变频调速原理在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通量为不变额定值。磁通太弱，没有充分利用电机的铁芯，是一种浪费；磁通太大，又会使铁芯饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。对于直流电阻，励磁系统是独立的，只要对电枢反应的补偿合适，保持不变是容易做到的。在交流异步电机时，磁通是由定子和转子磁势合成产生的，怎样才能保证磁通恒定呢？我们知道，异步电动机定子绕组每相感应电势为：式中：K1 定子绕组等值匝数， 1定子绕组的实际匝数；f 1定子电源的频率；1气隙中的磁通量；U1 电机外加电压；I1 电机定子电流；Z1 电机定子阻抗。如果略去定子阻抗电压降，则感应电动势近似等于定子外加电压从上式可以看出，若定子端电压U1 不变，则随着f1 的升高，气隙磁通 将减小。电机转矩为式中：I2 转子电流；cos 转子电路功率因数；C1 转矩常数。从电机转矩公式可看出的减小势必会导致电机允许输出转矩T 下降，使电机的利用率降低，同时，电机的最大转矩也将降低，严重时会使电机堵转。第4章 系统设计4.1系统硬件设计本系统以一台小型 PLC 控制两台变频器为例，整个系统由 PC 机、PLC、变频基础传动等组成。控制系统采用西门子 S7-200 系列的 CPU226，PLC 是实时控制的核心，它和变频器之间采用 USS 协议进行通讯，读取变频器中各电机的速度，计算出各个电机的理论速度，然后向变频器发送指令，设置各电机的速度，从而实现电机的协调运转。系统的结构图如下图 4.1 所示：图4-1 系统硬件架构图系统构成电气部分：三相异步电动机两台：型号为 Y100L1 -4，额定功率 2.2kW；额定电流为 5A；频率：50Hz；转速：1400r/min；变频器：采用两台西门子MM420系列变频器对电机进行变频调速控制，参数为：输入380/480V、0650Hz；0.1211Kw小功率电机的控制。所有的变频器都是由S7 PLC通过RS485串行通讯口使用USS协议来控制的。这不仅增强了系统的控制性能而且减少了系统布线和调试时间。所有的变频器和电机的参数如：电机实际速度、电机电流、电机输出力矩以及变频器和电机的运行状态都可以通过串行口来访问。另外还可以实时地通过PLC来修改变频器和电机的参数，例如变频器的斜坡时间等。PC 机一台：采用 S7-200 编程软件 STEP7。PLC：采用一台西门子S7-200PLC控制两台变频器。选用CPU型号为226型号。CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点，13K字节程序和数据存储空间，6个独立的20 kHz高速脉冲输出，具有PID控制器，2个RS485通讯编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。具有较多的输入/输出点，较强的模块扩展能力，较快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能，可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。旋转编码器。每个电机尾端安装一个编码器，将从电机上采到的信号反馈回PLC，组成一个速度闭环。控制部分：西门子 S7-200 作为主站，通过 USS 协议将从站变频器等连接起来，形成一个控制网络，完成系统的控制。驱动部分：由西门子 Micromaster420 变频器和电机等组成。通讯部分：系统通讯由两部分组成：一是 PLC 与变频器之间的通讯，二是 PLC 与与上位机之间的通讯。4.2系统软件设计4.2.1变频调速驱动设置PLC的CPU选择226型号，用双绞线和接口转换器将PLC与交流变频调速器连接起来，在进行远程通信时用PLC的自由口通信功能。将变频器连接到PLC之前，必须使用变频器上的小键盘先设置参数：（1）将驱动恢复为出厂设置：P0010=30P0970=1或忽略该步骤，但需确保设置以下参数：USS PZD长度：P2012 Index 0=2USS PKW长度：P2013 Index 0=127（2）使能对所有参数的读/写访问（专家模式）：P0003=3（3）先将参数P010设为1（快速调试模式），再设置参数P304，P305，P307，P310和P311检查驱动的电机设置：P0304=380 额定电机电压（V）P0305=5 额定电机电流（A）P0307=2200 额定功率（W）P0310=50 额定电机频率(Hz)P0311=1400 额定电机速度（RPM）完成参数设置后，需将参数P0010重新设为0。（4）设置本地远程控制模式：P0700 Index0=5（5）在COM链接中设置到USS的频率设定值：P1000 Index0=5（6）设置串行链接参考频率：P2000=50Hz（7）设置USS标准化：P2009 Index0=0（8）设 RS-485串口波特率：P2010 Index0=6（9600波特）（9）输入从站地址：P2011 Index0=0每个驱动（最多 31 个）都可以通过总线操作。4.2.2PLC 控制变频器的程序设计PLC通信程序采用子程序方式编制，对变频器的控制通过调用有关子程序发送命令完成、数据接收由后台中断程序完成。发送命令子程序将变频器目标速度值和命令参数加工为USS协议格式，发送出去，设置发送标志，复位接收完成标志，并开允许接收中断和定时中断。当变频器发送响应报文时，激活后台中断程序接收变频器的状态值和当前接收缓冲区，并复位发送标志，设置接收完成标志。通讯程序由通信口初始化、运行、停止、速度设定等子程序和一系列中断服务子程构成，程序流程图如图4.2。图4-2主控流程图（1）通讯程序LD SM0.0MOVB 16#49, SMB30 /初始化P0为9600kb,8bit，偶校验MOVB 14, “PO-ST-LEN” /设置发送缓冲区，发送字符数MOVB 16#02, “PO-ST-STX” /STXMOVB 12, “PO-ST-LGE” /LGEMOVB 0, “PO-ST-ADR” /主站地址MOVB 255, “TO”ENIATCH INT4, 25ATCH INT6, 11RET/电机启停子程序MOVB BPADR, “PO-ST-ADR” /取主控缓冲区的从机地址MOVW 16#OC7F, “PO-ST-PZDO” /设定停止电机启动、正转CALL Send-BP /调用发送子程序RET/设定电机速度电机运行子程序MOVB “BPADR”, “PO-ST-ADRS”MOVW 16#OC7F, “PO-ST-PZDO”MOVW “BITISP”, “PO-ST-PZD1” /取主控缓冲区的速度值LDW>= “PO-ST-PZDI”, 16#4000 /判断是否超过最大速度MOVW 16#4000, “PO-ST-PZD1”CALL Send-BP /调用发送子程序RET/发送程序SEND-BPMOVD &VB3500, ACO /计算BCCMOVB 14, AC1 /循环计算BCC，存入“PO-ST-BCCS"置位重发次数计数器XMT “PO-ST-LEN”, 0 /发送ATCH INT_0, 9 /发送结束中断的中断服务程序号MOVB 100, “h” /定时时间100msATCH INT1, 10 /定时中断处理，未收到数据，重发数据RET（2）中断接收子程序中断接收子程序由一系列中断服务程序组成。中断接收子程序包括以下几种情况。判断中断接收的起始3个字符是否为指定字符，是将接收中断指针指向下一个中断程序，复位定时器，同时异或计算BCC值；否则将关闭接收中断，等待定时中断进行错误处理。对于数据块的接收，采用计数方式控制，当计数为零时，计算的BCC值应为0，否则，关闭接收中断。定时中断激活时表示接收超时。重发次数值减1，如果不为0，则自动将发送缓冲区的内容重新发送；为0，置位错误标志。参考文献1 原魁,刘伟强,邹伟.变频器基础及应用.第二版.北京:冶金工业出版社,1987:30-452 张燕宾主编.变频调速应用实践.北京:机械工业出版社,2004:50-863 王仁祥，通用变频器选型与维修技术，中国电力出版社，2004:120-1464 杨兴瑶编著:电动机调速的原理及系统，水利电力出版社，1979:13-275 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