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
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1、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 P
2、LC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
3、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
4、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.
5、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
6、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
7、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
8、: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
9、,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
10、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
11、-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
12、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
13、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S
14、7-200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
15、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
16、(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
17、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
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