基于plc控制的变频调速在物料搅拌中的应用

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题目：基于PLC控制的变频调速在物料搅拌中的应用学院：信息电子技术学院年级：专业：姓名：学号：指导教师：徐志如 摘要摘要随着电力电子技术以及控制技术的发展，使得交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用。在本系统中，为了实现能源的充分利用和生产的需要，需要对电机进行转速调节，考虑到电机的启动、运行、调速和制动的特性，采用高功能性v/f控制的通用变频器西门子MM6SE92，此变频器的S型加减速功能和转矩提升功能，能很好的解决转速之间的切换和启动问题。论文首先介绍了课题的意义，综述了组态软件、PLC技术、变频调速技术的发展概况。第二章详细的介绍了变频器的结构及其控制算法、变频调速的基本原理和变频调速的优点。然后介绍了西门子公司MM(5SE92)变频器。第三章详细的介绍了组态软件的构成、特点、数据处理流程，然后详细的介绍了西门子公司的基于Windows的组态软件Protool/Proo。第四章详细的介绍了PLC的基本构成和数据处理流程，然后详细的介绍了西门子公司S7200PLC及其编程特点。第五章详细的介绍了系统的结构，硬件配置和软件实现，采用的抗干扰措施和运行情况。第六章是对文章的总结和相关技术的展望。关键词：PLC；变频器；变频调速；组态软件佳木斯大学教务处-ii- AbstractAbstractWiththedevelopmentofelectricelectrontechnologyandcontrollingtechnology,ACfrequencyconversionforspeedadjustmenttechnologyisusedwidelyinmanyfields.Inthissystem,weneedtoadjustthespeedofelectromotor.Inordertomakefulluseofenergyandsatisfytheneedofproduction，consideringtheadjustmentofspeed,starting,runningandbraking.WeusetheMM5SE92ofSiemenstransducerwhosefunctionsofaddingordecreasingspeedingwithhighSformandtorquepromotingcansolvetheadjustmentofspeedandstarting.Thispaperfirstlyintroducethemeaningofsubjects,summarizethedevelopmentofconfigurationsoftwaretechnology,PLCtechnologyandACfrequencyconversionforspeedadjustment.Inthesecondchapter,weintroducethestructureoftransducerarithmeticofcontrolling,BasicprincipleandtheadvantageofACfrequencyconversionforspeedadjustment.Inthethirdchapter,weintroducethestructure,characteristicflowchartofdatadisposalofconfigurationsoftwareindetailandparticularlyintroducethesiemensprotocol/proonwindows.Intheforthchapter，weintroducethestructureandflowchartofPLCandintroduceparticularlythesiemensS7200PLCandcharacteristicsofsoftwaredesign.Inthefifthchapter，weintroducethestructure，theconfigurationofhardwareandtheimplementofsoftwareinthissystem.TheLastchapter,wesummarisethearticleandprospecttechnologycorrelatively.Keywords:PLC；Transducer；ACfrequencyconversionforspeedadjustment；Configurationsoftware佳木斯大学教务处-ii- 目录目录摘要iAbstractii第1章绪论11.1概论11.2问题的提出及其解决方案11.3论文的主要内容21.4相关技术发展概况31.4.1交流调速的发展概况31.4.2组态软件发展概况41.4.3PLC技术的发展概况5第2章变频调速原理72.1变频器的基本结构72.1.1变频器的主电路72.1.2变频器的控制电路82.2变频调速的基本原理92.3变频调速的优点122.4西门子MM(5SE92)变频器性能介绍12第3章组态软件技术143.1组态软件的构成143.2组态软件的功能特点153.3组态软件的数据处理流程15第4章PLC技术174.1PLC概述174.2PLC的基本组成与各部分的作用174.2.1PLC的基本组成174.2.2PLC各部分的作用174.3A/D和D/A转换概念194.3.1A/D和D/A原理194.3.2模拟量输入输出系统194.3.3输入输出数据的处理204.4PLC的主要特点204.5SiemensS7200系列PLC特性214.5.1S7200系列PLC介绍214.5.2SiemensS7200主要功能模块介绍214.5.3SiemensS7200PLC的工作原理23第5章系统的设计实现255.1系统的整体设计255.1.1用户需求分析255.1.2系统结构255.1.3控制算法285.2系统硬件实现29佳木斯大学教务处-2- 目录5.2.1上位机人机交互设备的选型:295.2.2PLC及其扩展模块的选型295.2.3变频器的选型及其系统功能设定315.2.4电机的变频器控制电气原理图335.3上位机软件实现355.3.1上位机应用软件开发方法355.3.2监控画面的设计365.3.3上位机和PLC之间的通信385.4PLC程序设计415.5抗干扰措施475.6系统运行情况47结论48致谢49参考文献50附录A51附录B54附录C59佳木斯大学教务处-2- 毕业论文（设计）用纸第1章绪论1.1概论电气传动技术以运动机械的驱动装置一一电动机为控制对象，以微电子装置为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下完成电气传动自动控制系统，控制电动机的转矩和转速，将电能转换成机械能，实现工作机械的旋转运动或反复运动。因电机的种类的不同，我们可以将分为直流电动机传动和交流电动机传动。自19世纪80年代起至19世纪末，工业上传动用的电动机一直被直流电机垄断，到了19世纪末，出现了三相电源和结构简单且坚固耐用的交流鼠笼型电机以后，交流电机才在不调速的领域代替了直流电动机传动装置。随着生产的不断发展，速度可调节成了电动装置的一项基本要求，并且，除了满足一定的调速范围和连续可调的同时，还必须具有持续的稳定性和良好的瞬态性能。从50年代起，国外开始重视交流电机调速。随着电力电子学与电子技术的发展，使得采用半导体变流调速系统得以实现，尤其是70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，为交流电机拖动系统的发展创造了有利条件，促进了各种类型的交流电机调速系统，如串级调速系统、变频调速系统、无换相器电动机调速系统以及大量控制调速系统等的飞速发展。1.2问题的提出及其解决方案对生产过程的监视和控制，在初级阶段是由人工进行的。工作人员凭自己的感官或借助于仪表等来监视生产过程，用头脑作出判断决策，并视情况进行必要的控制。在高级阶段，这种监视、判断决策和控制由机器承担，按照人们的意志自动完成，这是闭环自动控制。随着计算机技术的飞速发展，机械设备厂对生产的自动化水平有了更高的要求。现有一套生产物料搅拌生产线装置，将生产所需的大石、小石、粗粉、细粉等生产物料按照一定的比例通过水平传送带依次送到搅拌罐中进行搅拌，水平传送带和搅拌罐都是由三相异步电动机来驱动的。佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸生产的流程是首先启动驱动粗粉皮带的电机、驱动细粉皮带的电机、驱动大石皮带的电机、驱动小石皮带的电机，然后打开装各物料的料仓阀门，将粗粉、细粉、沙、水泥倒在各自的传送皮带上，然后由各自的传送皮带将物料送到搅拌罐，搅拌罐由电机来驱动，进行搅拌。原来搅拌的物料比例固定为大石:小石:粗粉:细粉=1:1:3:2，可以根据大石皮带速度:小石皮带速度:粗粉皮带速度:细粉皮带速度==1:1:3:2来实现生产所需的物料的比例关系。过去都是通过操作人员现场通过继电器等电气设备实现电机的启停控制，通过在转子回路串接不同电阻来实现不同电机速度之间的速度匹配，操作条件恶劣、速度可调节性差、并且能源利用率低。由于生产的需要，要求在某些时候可以实现各种物料的不同比例搭配，在生产任务繁重的时候加快生产速度，所以用户要求对原有的设备进行技术改造。要求能够集中控制电机的启动、浏览生产工业流程图、作出事故报警响应、可调节电机运行速度等。用户要求包括了数据采集、自动控制、运行监视、报警、运行管理、变频调速等多方面的问题。由于PLC的功能强大、容易使用、高可靠性，常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。组态软件技术作为用户可定制功能的软件平台工具，在PC机上可开发出友好人机界面，通过PLC可以对自动化设备进行“智能”控制。所以我们拟采用组态软件技术、PLC技术、变频调速技术来对原来的生产线进行改造，来实现用户的要求。1.1论文的主要内容在各种异步电动机调速系统中，效率最高、性能最好的系统是变频变频调速系统。变压变频调速系统中，调速时，须调节定子电压和频率，在这种情况下，机械特性基本上平行移动，而转差率不变，它是当前交流调速的主要发展方向。本文研究了变频调速技术在生产中的应用，并且根据原有的控制结构，结合组态软件和PLC技术，提出了一个改进的系统控制结构，并且采用此体系结构实现了一个物料搅拌装置的变频调速系统。论文首先对变频器的内部构成结构进行了详细的介绍，比较了电机调速的几种类型，深入探讨了变频调速的原理和优点，最后介绍了西门子公司的MM(5SE92)变频器。论文接着对组态软件技术进行了综述，探讨了组态软件的基本结构、特点以及数据处理流程。最后介绍了西门子公司的基于Windows的组态软件Protool/pro。然后介绍了PLC(可编程程序控制器)的基本组成、主要特点以及西门子公司的小型PLCS7200。论文的最后是相关技术在物料搅拌装置系统的应用。讨论了系统的体系结构、控制策佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸略以及硬件配置和软件实现。1.1相关技术发展概况1.1.1交流调速的发展概况交流变频调速的优越性早在20年代就已被人们所认识，但受到器件的限制，未能推广。50年代初，中小型感应电动机多采用晶闸管调压调速，大中型绕线式感应电动机采用晶闸管静止型电气串级调速系统。70年代发展起来的变频调速，比上述两种调速方式效率更高，性能更好。交流调速系统大致经历过以下几个阶段：(1)异步电动机调压调速系统：调压调速过去常用的方法是在定子回路中串入饱和电抗器，或在定子侧加自耗铜材料，体积小，控制方便。用晶闸管功率变换器来完成馈送任务，这就构成了由绕线异步电动机与晶闸管变换器共同组成的调压器，通过控制触发脉冲的相位角，便可控制加在负载上的电压大小，很快成为交流调压器的主要形式，但由于相位控制时，晶闸管导通后负载上获得的电压波形不是电网提供的完整的工频电压波形，因此产生了成分复杂的谐波。(2)串级调速系统：绕线转子异步电动机串级调速是将转差功率加以利用的一种经济、高效的调速方法，改变转差率的传统方法是在转子回路中串入不同的电阻以获得不同斜率的机械特性，从而实现速度的调节。这种方法简单方便，但是调速是有级的、不平滑，并且转差功率消耗在电阻发热上，效率低，自大功率器件问世后，人们采用在转子回路中串联晶闸管功率变换器来完成馈送任务，这就构成了由绕线异步电动机与晶闸管变换器共同组成的晶闸管串级调速系统。由于晶闸管的逆变角的可以平滑连续的改变，使得电动机转速也能平滑连续的调节。另外转差功率又可以通过逆变器回馈到交流电网，提高了效率。串级调速的缺点是功率因数较低，采用强迫换流、改进型三相四线逆变器、逆变器的不对称控制以及转子直流回路加斩波器控制等，可以提高功率因数。其中采用强迫换流方式可使用门极可关断晶闸管(GTO)构成，这样可以省去关断晶闸管用的储能电路，使逆变电路简单、体积小。(3)变频调速系统:变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是运用最广、最有发展前途的调速方式。交流电机变频调速系统的种类很多，从50年代提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型、脉宽调制型等各种变频佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸器。目前变频调速的主要方案有:交一交变频调速，交一直一交变频调速，同步电动机自控式变频调速系统，正弦波脉宽调制(SPWM)，矢量控制、直接转矩控制变频调速等，而且无速度传感技术日益成熟，许多智能技术逐步渗透到其中，如模糊控制、专家系统、神经网络、自适应控制等，与这些控制方式相结合，大大提高了变频器调速系统的控制效果，这些变频器调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平以及电力电子技术的发展水平。80年代中期随着第三代电力半导体器件如门极可关断晶闸管GTO、绝缘栅双极晶体管IGBT的相继出现，交流变频调速技术得到了飞速发展。日、美、德、英等国家在结合现代微处理器控制技术、电力电子技术、电机传动技术的基础上，相继推出了一系列的变频器，且不断进行更新换代。这些高精度、多功能、智能化的变频器将调速效率和精度提高到了前所未有的水平。1.1.1组态软件发展概况组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的。50年代虽然计算机开始涉足工业过程控制，但由于计算机技术人员缺乏工厂仪表和工业过程的知识，导致计算机工业过程系统在各行业的推广速度比较缓慢。20世纪70年代初，微处理器的出现，促进了计算机控制技术走向成熟。首先，微处理器在提高计算能力的基础上，大大降低了计算机的硬件成本，缩小了计算机的体积，很多从事控制仪表和原来一直就从事工业控制计算机的公司先后推出了新型控制系统，其中具有代表性的是美国Honeywell公司于1975年推出的世界上第一套DCS，即TDC-2000。在随后的20年中，DCS及其计算机控制技术日趋成熟，并得到了广泛应用，市场发展迅速。但当时的DCS软件是专用和封闭的，且成本居高不下。80年代中后期，随着个人计算机的普及和开放系统(OpenSystem)概念的推广，基于个人计算机的监控系统开始进入市场并发展壮大。基于个人监控系统呈现出智能化、小型化、网络化、PC化的发展趋势，并逐渐形成了各种标准的网络结构、硬件规范。组态软件在自动化系统的“水平”和“垂直”集成中起着桥梁和纽带的作用，已成为自动化系统中的重要组成部分。计算机的监控系统开始进入市场，为组态软件提供了发展空间。目前自动化产品呈现出智能化、小型化、网络化、PC化的发展趋势，并逐渐形成了各种标准的网络结构、硬件规范。组态软件作为个人计算机监控系统的重要组成部分，比PLC监控的硬件系统具有更为广阔的发展空间。这是因为，第一，很多DCS和PLC厂家主动公开通信协议，加入“PLC监控”的阵营。目前，几乎所有的PLC和一半以上的DCS都使用PLC作为操作站。第二，由于PLC监控大大降低了系统成本，使得市场空间得以扩大，从无人值守的远程监视(如防盗报警、江河汛情监视、环境监控、电信线路监控、交通管制与监控、佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸矿井报警等)、数据采集与计量(如居民水电气表的自动抄表、铁道信号采集与记录等)、数据分析(如汽车和机车自动测试、机组和设备参数测试、医疗化验仪器设备实时数据采集、虚拟仪器、生产线产品质量抽检等)到过程控制，几乎无处不用。第三，各类智能仪表、调节器和PLC可与组态软件构筑完整的低成本自动化系统，具有广阔的市场空间。第四，各类嵌入式系统和现场总线的异军突起，把组态软件推到了自动化系统主力军的位置，组态软件越来越成为工业自动化系统中的灵魂。国际上比较有名的监控组态软件如表1-1所示:表1-1组态软件概况图公司名称产品名称国别公司名称产品名称国别IntellutionFIX,iFIX美国Rock-wellRSView32美国WonderwareIntouch美国信肯通ThinkHo美国NemaSoftParagonParagonTNT美国NationalInstrumentsLabView美国TAengineeringAIMAX美国IconicsGenesis美国通用电气Cimplicity美国PCsoftWizCon以色列西门子Wincc德国CitechCitech澳大利亚1.1.1PLC技术的发展概况第一台可编程控制器(以下简称PLC)的设计规范是美国通用汽车公司提出的。当时的目的是要求设计一种新的控制装置以取代继电器盘，在保留了继电器控制系统的简单易懂。操作方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代化生产线所要求的时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多高品质与功能。这一设想提出后，美国数字设备公司(DEC)于1969年研制成第一台PLC，型号为PDP-14，投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了令人满意的效果，从此开创了PLC的新纪元。在短时间内，PLC在其他工业部门也得到应用。到70年代初，食品、金属和制造等工业部门相继使用PLC代替继电器控制设备，迈出了其实用化阶段的第一步。佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸70年代中期，由于大规模集成电路的出现，使8位微处理器和位片处理器相继问世，使可编程控制技米产生了飞跃。在逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算。闭环控制，提高了运算速度，扩大了输入输出规模。在这个时期，日本、西德(原)和法国相继研制出自己的PLC，我国在1974年也开始研制。70年代末由于超大规模集成电路的出现，使PLC向大规模、高速性能方向发展，形成了多种系列化产品。这时面向工程技术人员的编程语言发展成熟，出现了工艺人员使用的图形语言。在功能上PLC已可以代替某些模拟控制装置和小型机的DDC系统。进入八九十年代后，PLC的软硬件功能进一步得到加强，PLC已发展成为一种可提供诸多功能的成熟的控制系统，能与其他设备通信，生成报表，调度产出，可诊断自身故障及机器故障。这些改进使PLC符合今天对高质量高产出的要求。尽管PLC功能越来越强，但它仍然保留了先前的简单与易于使用的特点。PLC未来的发展不仅依赖于对新产品的开发，还在于PLC与其他工业控制设备和工厂管理技术的综合。无疑，PLC将在今后的工业自动化中扮演重要角色。在未来的工业生产中，PLC技术和机器人、CAD/CAM将成为实现工业生产自动化的三大支柱。目前PLC朝以下几个方向发展：(1)大型网络化:主要朝DCS方向发展，网络化和强通信能力是PLC发展的一个主要的方面，向下与多个智能装置相连，向上与工业计算机、以太网等相连构成特殊的控制任务。(2)多功能：为了适应特殊功能的需要，连续推出多种智能模块，如模拟量模输入输出、回路控制、通信控制、机械运动控制、高速技术、中断输入等。这些智能模块以为处理器为基础，其CPU与PLC的CPU并行工作，占用主机CPU时间很少，有利于提高PLC扫描速度和完成特殊的控制任务。(3)高可靠性、好兼容性:由于现代控制系统的可靠性和兼容性日渐受到人们的重视，一些公司强自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中。推出了高可靠的冗余系统。(4)编程语言向高级语言发展：PLC的编程语言在原有梯形图语言、顺序功能块和指令表语言基础上，推出了可运行与计算机windows环境下，界面友好的强劲的梯形图和语句表两种形式的编程、调试、诊断等功能。SIMATIC则使用C/C++等高级语言进行编程，体现了面向未来的种种特征。佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸第1章变频调速原理1.1变频器的基本结构变频器的基本结构见图2-1图2-1变频器结构图1.1.1变频器的主电路(1)电力电子开关器件电力半导体器件已经历了以晶闸管为代表的分立器件，以可关断晶闸管(GTO)，巨型晶体管(GTR)，功率MOSFET、绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的功率集成器件(PID)，以智能化功率集成电路(SPIC)，高压功率集成电路(HVIC)为代表的功率集成电路(PIC)等三个发展时期。从晶闸管靠换相电流过零关断的半控器件发展到PID,PIC通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件。在器件的控制模式上，从电流型控制模式及发展到电压型控制模式，不仅大大降低了门极(栅极)的控制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换速度，从而使器件的工作频率不断提高。在器件结构上，从分立器件发展到由分立器件组合成功率变换电路的初级模块，继而将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在一起的复杂模块。(2)整流电路佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流电路按其控制方式，可以是直流电压源，也可以是直流电流源。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。此外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中有时还包括制动电阻以及其它辅助电路。逆变电路逆变电路是变频器主要的部分之一。它是利用六个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中的主开关元器件的通与断，得到任意频率的三相交流电输出。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电动机处于电动还是发电制动状态，变频器功率因素总不会为1。因此，在直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量就靠之间直流环节的储能元件来缓冲。它的主要作用是在控制电路的控制下，将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。1.1.1变频器的控制电路构成包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分，是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣。控制电路的主要作用是完成对逆变器开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能。控制算法随着电力半导体器件和微型计算机控制技术的迅速发展，促进了电力变频技术新的突破性发展，70年代后期发展起来的脉宽调制(PulseWidthModulation,PWM)技术成了现在最常用的变频器功率开关器件的控制策略。PWM控制利用了采样控制理论中的一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果相同，指环节的输出响应波形基本相同。根据这个原理，可以用一系列等幅而不等宽的脉冲来近似正弦波，且脉冲的宽度按正弦规律变化，这种方法称为SPWM(SinusoidalPWM)。佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸SPWM各脉冲的宽度和间隔可以准确计算出来，按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的SPWM波形。但这种计算很繁琐。较为常用的方法是采用调制的方法，即把正弦波作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制即可得到SPWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度线性关系，且左右对称，当它与正弦波调制信号相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于正弦波幅值的脉冲，这正好符合SPWM控制的要求。三角载波的频率和正弦调制波的频率之比即∕=称为载波比。用生成的SPWM波控制逆变器开关器件的通断，可得到等幅且脉冲宽度按正弦规律变化的矩形脉冲列输出电压。正弦调制波的频率即是逆变器的输出频率，改变,便可改变。三角载波的幅值为恒定，因而改变正弦调制波的幅值就改变了矩形脉冲的面积，由此实现输出电压幅值的改变。根据以上介绍的SPWM逆变电路的基本原理和控制方法，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对功率开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波形。但这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制。微机控制技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易。1.1变频调速的基本原理当在一台三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压时，该电压将产生一个旋转磁场，其速度由定子电压的频率所决定。当磁场旋转时，位于该磁场中的转子绕组将切割磁力线，并在转子绕组中产生相应的感应电动势和感应电流，而此感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力，即转矩，使转子跟随旋转磁场旋转。当将三相异步电动机绕组的任意两相进行交换时，所产生的旋转磁场的方向将发生改变。因此，电动机的转向也将发生改变。异步电动机定子磁场的转速被称为异步电动机的同步转速，其同步转速由电动机的磁极个数和电源频率所决定:ns=50/np(2-1)ns------同步频率------电源频率np------磁极对数异步电动机的转速总是小于其同步转速，异步电机的实际转速可由下式给出:n=ns(1-s)=50(1-s)/np(2-2)式中：n------电动机实际转速（r/min）s------异步电动机的转差率由式(2)可知，改变参数,s中佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸的任意一个就可以改变电动机的转速，即对异步电动机进行调速控制。因此，可以通过改变该电源的频率来实现对异步电动机的调速控制。从某种意义上说，变频器就是一个可以任意改变频率的交流电源。在电动机调速时，一个重要的因素时希望保持每极磁通量为额定值不变。磁通太弱，没有充分利用电机的磁心，是一种浪费:若要增大磁通，又会使磁通饱和，从而导致过大氏励磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。对于直流电机来说，励磁系统是独立的，所以只要对电枢反应的补偿合适，保持不变是很容易做到的。在交流异步电机种，磁通是定子和转子合成产生的。三相异步电机定子每相电动势的有效值是：=4.44公式(2-3)式中：------气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值（V）；-------定子频率，单位位HZ；------定子每相绕组串联匝数；-----基波绕组系数；-----每极气隙磁通量，单位位Wb；由公式可知，只要控制好和，便可以控制磁通不变。需要考虑基频(额定频率)以下和基频以上两种情况：1.基频以下调速：即采用恒定的电动势。由上式可知，要保持不变，但频率从额定值向下调节时，必须同时降低。然而绕组中的感应电动势是难以控制的，但电动势较高时可以忽略电子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压，则得=常值。低频时，和都较小，定子阻抗压降所占的份量都比较显著，不能再忽略。这时，可以人为的把电压抬高一些，以便近似的补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性为b线，无补偿的为a线。如图2-2所示。佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸图2-2恒压频比控制特性2.基频以上调速在基频以上调速时，频率可以从往上增高，但电压磁通与频率成反比的降低，相当与直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得到异步电动机的变频调速控制特性，如图2-3。如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，则电动机都能在温升容许的条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。在基频以下，属于“恒转矩调速”的调速，而在基频以上，基本上属于“恒功率调速”。图2-3异步电动机变频调速控制特性1.1变频调速的优点佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。它与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。电机在带动较大负载在启动时，会有较大的冲击电流，采用变频器时，可以实现软启动，减小冲击电流，解决大负载的启动问题。电源功率因素大，所需容量小，可以组成离性能的控制系统等。完善的保护功能:变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别(如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等)，并立即封锁输出电压。这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。1.1西门子MM(5SE92)变频器性能介绍这类产品功能很强，性价比高;具有高可靠性，而且内带有滤波器和平板式滤波器，可以一个紧挨一个，大大节省空间。(1)功能特点：1)FCL快速电流限幅，无跳闸功能。即使设定的加速时间超出了变频器的过电流限制，也可以自动减缓加速、不跳闸、失速;运行有负载冲击，能自动降低频率，防止跳闸失速。(2)10位模拟量输入通道保证对速度的精确给定。(3)可选用自动和设定的自动提升功能，保证最佳的启动。(4)可设定加速时间(0.1秒到550秒)，具有S形加减速功能，让加减速过程变得缓和，防止冲击和载物倒塌。(5)COMPOUNDBRAKING制动功能，保证快速可控的制动，不需要外接电阻。I/O特性：(1)三个可设定的开关量输入口，给操作者极大的灵活性(如固定频率、固定给定、电动电位计、点动)；(2)一个可设定的继电器输出口；(3)RS-485接口。可实现远程通信。对变频器的保护功能：(1)过电压/欠电压；(2)短路保护；(3)过热保护。对电机的保护：(1)电机热敏电阻PTC的接口；(2)电机过热保护；佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸(3)电机锁死保护；(4)缺相保护。由上可见，变频器和电机得到全面的保护。其技术特性如表2.1所示：表2-1MM(5SE92)变频器性能表功率范围120～7.5KW电压范围208～240V+/-10%380～500V+/-10%输入频率47～53HZ输出功率0～400HZ功率因数COS>0.98变频效率97%过载能力150%50秒控制方式V/F操作温度0～50保护等级IP20RS-485接口D型PID闭环控制自带PI佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸第1章组态软件技术1.1组态软件的构成(1)以使用软件的工作阶段划分从总体上讲，组态软件是由系统开发环境和系统运行环境两大部分构成。系统开发环境它是自动化工程设计工程师为实施其控制方案，在组态软件的支持下进行应用程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境。通过建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用系统，供系统运行环境运行时使用。系统开发环境由若干个组态程序组成，如图形界面组态程序，数据库组态程序等。系统运行环境在系统运行环境中，由系统开发环境下生成的各种应用程序无论是图形或者数据库，可以结合现场的数据实时地运行，同时可以各种关联关系也可以得到体现。系统运行环境由若干个运行程序组成，如图形界面运行程序和实时数据库运行程序等。自动化工程设计师最先接触的一定是系统开发环境，通过一定工作量的系统组态和调试，最终将目标应用程序在系统运行环境投入实时运行，完成一个工程项目。(2)按照成员构成划分：组态软件因为功能强大，而每个功能相对来说又具有一定的独立性，因此其组成形式是一个集成软件平台，由若干程序组件构成。组态软件必备的典型组件包括以下部分：应用程序管理器。图形界面开发程序；图形界面运行程序；实时数据库系统组态程序；实时数据库系统运行程序；I/O驱动程序；组态软件扩展可选组件包括：通用数据库接口(ODBC接口)组态程序;通用数据库接口组件用来完成组态软件的实时数据库与通用数据库(如Oracle,Sybase,Foxpro,DB2,SQLServer等)。通用数据库接口(ODBC接口)运行程序。策略(控制方案)编辑组态程序;它是以PC为中心的实现低成本监控的核心软件，具有佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸很强的逻辑、算术运算能力和丰富的控制算法。它以IEC-1131-3标准为使用者提供标准的编程环境，共有四种编程方式:梯形图、结构化编程语言、指令助记符、功能化模块。策略运行程序。实用通信程序组件。极大的增强了组态软件的功能，可以实现与第三方程序的数据交换。实用通信组件可以使用以太网、RS485,PSTN等多种通信介质和网络来实现数据的远程访问和传输。1.1组态软件的功能特点◆组态软件有以下功能：◆与采集、控制设备之间的进行数据交换；◆使来自设备的数据与计算机图形界面上的各元素关联起来；◆处理数据报警和系统报警；存储历史数据并支持历史数据的查询；各类报表的生产和打印输出；为使用者提供灵活、灵活的组态工具，可以适应不同应用领域的需求；最终输出的应用系统运行稳定可靠；具有与第三方程序的接口，方便数据共享。组态软件的特点:实时多任务是最大特点。例如数据采集与输出、数据处理与算法实现、图形显示及人机对话、实时数据的存储、检索管理、实时通信等多个任务要在同一台计算机上同时运行。程序设计人员在组态软件中只需要填写一些事先设计的表格，再利用图形功能把被控对象(如温度计、电动机、趋势曲线、报表)形象的画出来，通过内部数据连接把被控对象的属性与I/O设备的实时数据进行逻辑连接。当由组态软件生成的应用系统投入运行后，与被控对象相连的I/O设备数据发生变化会直接带动被控对象的属性变化。1.2组态软件的数据处理流程组态软件通过I/O驱动程序从现场I/O设备获得实时数据，对数据进行必要的加工后，一方面以图形方式直观的显示在计算机的屏幕上;另一方面按照组态要求和操作人员的指令将控制数据送给I/O设备，对执行机构实施控制或调整控制参数。如图3.1所示：对已经组态的历史趋势的变量存储历史数据，对历史数据检索请求给予响应。当发生报警时及时将报警以声音、图像的方式通知操作人员，并记录报警的历史信息，以被检索。佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸图3-1组态软件的数据处理流程佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸第1章PLC技术1.1PLC概述可编程程序控制器((ProgrammableController)，因为早期主要应用于开关量的控制，因此也称为PLC(programmableLogiccontroller)，即是可编程逻辑控制器。现代的可编程控制器是以微处理器为基础，高度集成的新型工业控制装置，是计算机技术与工业控制技术相结合的产品。PLC自问世以来，经过20年的发展，已经成为最受欢迎的工业控制类产品。它之所以高速发展，除了工业自动化的客观需求外，还有许多独特的优点。它较好的解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。1.2PLC的基本组成与各部分的作用1.2.1PLC的基本组成PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。整体式PLC是将中央处理单元(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的I/O扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，I/O单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/O单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m。无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配置与组合。1.2.2PLC各部分的作用1.中央处理单元(CPU)CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务：(1)接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸(2)诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误；(3)用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来；(4)PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作；(5)将用户程序的执行结果送至输出端。现代PLC使用的CPU主要有以下几种：(1)通用微处理器，如8080,8088,Z80A,8085等。通用微处理器的价格便宜，通用性强，还可以借用微机成熟的实时操作系统、丰富的软硬件资源。(2)单片机，如8051等。单片机由于集成度高、体积小、价格低和可扩充性好，很适合在小型PLC上使用，也广泛地用于PLC的智能UO模块。(3)位片式微处理器，如AMD2900系列等。位片式微处理器是独立于微型机的另一分支。它主要追求运算速度快，它以4位为一片。用几个位片级联，可以组成任意字长的微处理器。改变微程序存储器的内容，可以改变计算机的指令系统。位片式结构可以使用多个微处理器，将控制任务划分为若干个可以并行处理的部分，几个微处理器同时进行处理。这种高运算速度与可以适应用户需要的指令系统相结合，很适合于以顺序扫描方式工作的PLC使用。2.存储器根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种：(1)系统程序存储器:和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM。(2)用户程序存储器:用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。由于RAM掉电会丢失数据，因此使用RAM作用户程序存储器的PLC，都有后备电池(理电池)保护RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入EPROM。目前较先进的PLC(如欧姆龙公司的CPMIA型PLC)采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需用后备电池保护。(3)工作数据存储器:工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸元件映象寄存器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器。计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来存放A113转换得到的数字和数学运算的结果等。根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可以保持数据的存储器区域称为数据保持区。3.I/O单元I/O单元也称为I/O模块。PLC通过I/O单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收操作指令和现场的状态信息，加控制按钮、操作开关和限位开关、光电管、继电器触点、行程开关、接近开关等信号，并通过输入电路的滤波、光电隔离和电平转换等将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出单元将CPU送出的弱电控制信号通过输出电路的光电隔离和功率放大等转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀、电磁铁等执行元件。1.1A/D和D/A转换概念1.1.1A/D和D/A原理图4-1采样图模拟量转换成数字量的基本原理:输入信号是现场物理参数(如温度、压力和流量等)经传感器检测变成电信号(弱信号)，再经过放大、滤波之后成为连续变化的波形。根据事先确定的频率对波形采样，假定采样四次(t1、t2、t3和t4)，如图4-1。将每次的采样值(如模拟电压值)送给A/D变换器，则对应每次采样的电压值转换成的数字信号(H进制数字)。将数字信号转换成为模拟量的原理:首先将数字信号并行输入给D/A转换器，经转换后输出一个矩形波，经过放大滤波之后即变成一个连续变化的模拟量输出信号。佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸模拟量的输入在过程控制中的应用很广泛，如常用的温度、压力、速度、流量、碱度、位移等的工业检测都是对应电压、电流的大小模拟星，再通过一定的运算(如PID)后控制生产过程达到一定的目的(如恒温等)。模拟量输入的电平大多是从传感器通过变换后得到的，模拟量输入信号按IEC标准为4～20not电流信号，或1～5V、-10～10V、0～10V的直流电压信号。输入模块接收这种模拟信号之后，把它转换成8位或10位或12位的二进制数字信号(最大值分别为255,1023或4095)，送给中央处理器进行处理。因此，模拟量输入模块又叫D/A转换输入模块。模拟量输出模块是将中央处理器的二进制数字信号(如4095等)转换成4～20mA的电流输出信号或0～10V、1～5V的直流电压输出信号，以提供给执行机构。因此，模拟量输出模块又叫A/D转换输出模块。1.1.1输入输出数据的处理在扫描读入模拟量值时，处理器从模拟量输入模块读入模拟量并转换成数字信号值，再将其送入用户指明的位置。一般地，模拟量输入模块提供不止一个通道的输入，因而只要信号兼容或类型相同(电压、电流)，就能连接几个或十几个输入信号。对于这些信号，不同的PLC有不同的处理方式。一般有两种方式，一是使用指令充分利用多通道一次性将几个或十几个值放入寄存器数据区中，称为块转移输入。这种指令可以使用户将值放置于任意数据区。模块的地址反映于块转移指令的配置中，而输入的数据本身在存贮时不受地址的约束。另一种处理方法则跟离散量数据输人存贮方式相似，PLC将数据存贮于与输入模块地址相对应的输入/输出映像区中。同样，模拟量输出方式的数据处理也存在块传输与输出映像区两种方式。块传输输入方式的好处是可以由模块给出每一模块及各通道的诊断信息，信息刷新速度较快。块传输输出方式则可灵活地配置输出模块的工作方式。模块地址通常由机架安插的物理位置所定义，处理器可以根据软件I/O配置识别插槽中模块是否为模拟量模块。1.2PLC的主要特点(1)可靠性高、抗干扰能力强，平均故障时间为几十万小时。而且PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施。硬件方面：1.隔离，在微处理与I/O电路之间采用光电隔离减少外部干扰源对PLC的影响。2.滤波，对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，减少高频干扰。且有些模块还设置了连锁保护、自诊断电路等。软件方面：佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸1.设置故障检测与诊断程序。2.当软故障条件出现时，立即把状态重要信息存入指定存储器，禁止对存储器进行任何不稳定的读写操作，以防止存储器信息被冲掉。这样，一旦外界调节正常后，便可以恢复故障发生前的状态，恢复原来的工作。(2)编程简单、使用方便目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。一些PLC还根据具体问题设计了如步进梯形指令等，进一步简化了编程。(3)设计安装容易，维护工作量少。功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。1.1SiemensS7200系列PLC特性1.1.1S7200系列PLC介绍S7200系列PLC功能强、速度快、扩展灵活，具有模块化、紧凑的结构。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域，包括电力设施、民用设施、机械、机床等领域。S7200系列具有极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、操作便捷、内置丰富的集成功能、实时特性，强劲的通迅能力、丰富的扩展模块。S7200系列的强大功能使其无论是在独立运行中，或相连成网络都能实现复杂控制功能。所以它具有极高的性价比。S7200系列可以根据对象的不同，可以选用不同的型号和不同数量的模块。并可以将这些模块安装在同一机架上。1.1.2SiemensS7200主要功能模块介绍1.CPU模块CPU226具有24KBKAM,40KB(KAM)的装载存储器，可用存储卡装载存储器容量最大到512KB,最大可扩充到512点数字量1/0或54路模拟量通道。CPU226内装硬件实时时钟，自带后备电源，在正常电源被关掉的情况下，CPU的时钟仍能正常工作。CPU226的操作系统是事件驱动的用户程序扫描过程。CPU响应那些事件，操作系统就会去调用相应的该事件的组织块OB。CPU226可调用128个功能块FB(0-127)；128个功能调用FC(0-127)；127个数据块DB(1-127)；OB、FB、FC、佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸DB的容量均不大于8KB。另外，有34个系统功能SFC集成在操作系统中。2.I/O扩展模块S7200有多种型号I/O模块用来进行扩展。在这里主要介绍模拟量输出模块EM232和模拟量输入模块EM231：EM232模块提供了有2输出模拟量通道，具有12位的分辨率，且具有多种输入、输出信号范围。其内部集成了D/A转换器、放大器等多种功能的电路，可用于复杂的控制场合。它能够不用外放大器而与传感器直接相连，可根据输出模拟量的大小，通过其外置的DIP开关选择不同的档位及分辨率，且模拟量的输出可作为测量传感器的恒流源使用。EM232是两通道模拟量输出模块，电路图如图4-2所示：图4-2EM232模拟量输出模块方框图EM231模拟量输入扩展模块提供了4X12位模拟量输入的功能。其内部集成了AID转换器、放大器等多种功能的电路，有很强的抗干扰性，可用于复杂的控制场合。它能够不用外放大器而与传感器直接相连，有4输入模拟量通道，具有12位的分辨率，且具有多种输入、输出信号范围。佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸图4-3EM231模拟量输入模块方框图1.1.1SiemensS7200PLC的工作原理PLC的循环扫描工作过程各种PLC都采用扫描工作方式，具体工作过程大同小异。SiemensS7200PLC的工作过程:PLC上电后，首先进行初始化，然后进入循环工作过程。一次循环过程可归纳为公共处理、程序执行、扫描周期计算处理、I/O刷新和外设端口服务五个工作阶段，一次循环所用的时间称为一个工作周期(或扫描周期)，其长短与用户程序的长短以及PLC机本身性能有关，其数量级为ms级，典型值为几十ms。各阶段完成的任务如下：(1)公共处理：复位监视定时器，进行硬件检查、用户内存检查等。检查正常后，方可进行下面的操作。如果有异常情况，则根据错误的严重程度发出报警或停止PLC运行。(2)程序执行：在程序执行阶段，CPU按先左后右，先上后下的顺序对每条指令进行解释、执行，CPU从输入映像寄存器(每个输入继电器对应一个输入映像寄存器，其通/断状态对应110)和元件映像寄存器(即与各种内部继电器、输出继电器对应的寄存器读出各继电器的状态，根据用户程序给出的逻辑关系进行逻辑运算，运算结果再写入元件映像寄存器中。(3)扫描周期计算处理:若设定扫描周期为固定值，则进入等待循环，直到该固定值到，再往下进行。若设定扫描周期为不定的(即决定于用户程序的长短等，为不定值)，则进行扫描周期的计算。佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸(4)110刷新：在此阶段，进行I/0刷新。输入刷新时，CPU从输入电路中读出各输入点状态，并将此状态写入输入映像寄存器中；输出刷新时，将输出继电器的元件映像寄存器的状态(I/0)传送到输出锁存电路，再经输出电路隔离和功率放大，驱动外部负载。(5)外设端口服务：完成与外设端口连接的外围设备部编程器或通信适配器的通信处理。CPU从输入电路的输出端读出各路状态，并将其写入输入映像寄存器；在程序执行阶段，CPU从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出各继电器的状态，并根据此状态执行用户程序，执行结果再写入元件映像寄存器中;在紧接着的下一个I/0刷新阶段，将输出映像寄存器的状态写入输出锁存电路，再经输出电路传递到输出端子，从而控制外接器件动作。PLC的循环扫描工作方式也为PLC提供了一条死循环自诊断功能。PLC内部设置了一个监视定时器WDT，其定时时间可由用户设置为大于用户程序的扫描周期，PLC在每个扫描周期的公共处理阶段将监视定时器复位。正常情况下，监视定时器不会动作，如果由于CPU内部故障使程序执行进入死循环，那么，扫描周期将超过监视定时器的定时时间，这时，监视定时器动作，运行停止，以示用户。佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸第1章系统的设计实现1.1系统的整体设计1.1.1用户需求分析(1)系统要求用户能够的直观浏览现场的工艺流程；(2)要求用户能够在PC界面上启动和停止现场驱动皮带的电机；(3)电机运行频率可以由用户根据生产的需要自行设置，电机具有自行速度调节功能；(4)变频器的故障信息能够及时反映在操作界面上；(5)物料仓内有无物料状态检测，能够提示用户；(6)打开和关闭物料仓的电磁阀；(7)电机实时转速显示功能；1.1.2系统结构一般来说，PLC控制系统有以下三种类型：(1)PLC构成的单机系统这种系统的被控对象是单一的机器生产或生产流水线，其控制器是由单台PLC构成，一般不需要与其它PLC或计算机进行通信。但是，设计者还要考虑将来是否联网的需要，如果有的话，应当选用具有通信功能的PLC。如图5-1所示。(2)PLC构成的集中控制系统这种系统的被控对象通常是数台机器或数条流水线构成，该系统的控制单元由单台PLC构成，每个被控对象与PLC指定的I/0相连。由于采用一台PLC控制，因此，各被控对象之间的数据、状态不需要另外的通信线路。但是，这种系统也有一个缺点，一旦PLC出现故障，整个系统将停止工作。对于大型的集中控制系统，通常采用冗余系统克服上述缺点。如图5-2所示。(3)PLC构成的分布式控制系统这类系统的被控对象通常比较多，分布在一个较大的区域内，相互之间比较远，而且，被控对象之间经常的交换数据和信息。这种系统的控制器采用若干个相互之间具有通信功能的PLC构成.系统的上位机可以采用PLC，也可以采用工控机。如图5-3所示。佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸图5-3PLC分布式控制系统由于现场有五台电机以及数量不是很多的其它被控对象，可以使用单台PLC进行多个对象的控制，只要适当的选用高性能的PLC,完全能够胜任。另外，为了用户的直观方便的使用，需要给予人机界面，所以我们采用如图5-4所示的控制结构：佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸图5-4系统结构图1.工业现场包括驱动大石皮带的电动机、驱动小石皮带的电动机、驱动粗粉皮带的电动机、驱动细粉皮带的电动机、搅拌罐电机和和控制这些电机的变频器、测量大石料仓、小石料仓、粗粉料仓、细粉料仓有无进料的光电传感器、控制各个料仓的电磁阀、西门子公司的可编程控制器S7200及其扩展模块。PLC利用传感器和继电器采集监控电机、电磁阀、变频器等有关的各类对象信息的信息。PLC经过对输入信息的处理，综合高速采集器所获得的信息，反馈控制监控对象，将信息送入上一级过程监控机。另一方面接受监控机(上位机)的控制指令，通过对输入和操作指令的分析、判断，进行综合处理，输出控制信号，控制变频调速系统的工作。完成监控机对监控对象的实际控制。本系统中，对每一台电机采用一台变频器来进行频率的调节控制。采用PLC输出的模拟量信号作为变频器的控制端输入信号。变频调速器对驱动物料皮带的电机以及驱动搅拌罐的电机的控制具有完善的自我保护和电机保护功能的完成。它通过接受PLC的信号控制电机转速大小，并且向PLC反馈自身的工作状态信号，当发生故障时，能够向PLC及上位机发出报警信号。由于变频调速是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现的，故在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差功率，因此具有高效率、宽范围、高精度的调速性能。佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸为了保证系统的可靠性，采用较高性能的PLC，选择合适的工业现场应用的数据采集模块，选用合适的变频器。2.控制室由一台控制计算机(PC)以及打印机、Protool/Pro。工业监控组态软件等组成。上位PC接受PLC采集的信息，对监控对象进行故障报警以及参数显示;向下属PLC发送控制信息。在本系统中，它具有生产工业流程图显示、电机启动停止控制、变频器工作状态显示、事故报警显示、变频器运行参数设置和显示等功能。可靠性保障是选用性能较好的工业控制计算机。1.1.1控制算法在工业控制系统中，目前有多种控制策略(1)开环控制开环控制策略(如图5-5)主要是在输入和输出的过程中，不采用任何的反馈信号，系统响应速度快，缺点是系统精度不够高、运行不够稳定。图5-5开环控制图(2)闭环控制闭环控制策略(如图5-6)主要是在输入和输出的过程中，采用一定的反馈信号，再将该反馈信号与输入信号进行“+”(正反馈)或者“—”(负反馈)运算后，作为新的输入信号输入系统中，特点是控制的精度高，可以将系统的输出值控制在要求的范围之内。图5-6闭环控制图佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸在本系统中，是利用电机转速与输入控制信号(一般是电压信号)成正比的特性来控制电机的速度的可调节性，希望电机运行频率或者运行速度在某一稳定在某值附近，所以开环控制策略是难以满足控制要求，所以拟采用闭环控制。从被控电机取回速度值或者频率值作为反馈信号与电机运行频率设定值进行运算后，再作为输入信号给电机，从而使电机能够稳定运行在某一稳定值。1.1系统硬件实现1.1.1上位机人机交互设备的选型:根据生产的需要，控制系统应具备良好的人机交互的功能，这种功能的实现，采用触摸式PC作为PLC的上位机来实现。CPU：PⅢ1G内存：256M以CP5611通讯卡来实现与下位PLC之间的通信。1.1.2PLC及其扩展模块的选型目前，存在着种类繁多的大、中、小型PLC，小到作为少量的继电器装置的替代品，大到作为分布式系统中的上位机，几乎可以满足各种工业控制的需要。另外，新的PLC产品还在不断的涌现，那么，如何选择一个合适的PLC?一般的流程如下：定义PLC的I/O点数，包括开关量的I/O点数、模拟量的I/O点数以及特殊功能模块。建立I/O分配表，绘制PLC的输入、输出接线图。根据控制要求绘制程序的流程图，绘制用户程序，装入PLC的用户程序存储器，并进行初步测试。本系统中共有五台电机、四个电磁阀、四个光电传感器、五个速度传感器、四个继电器，共有27个I/O点(如图5-1所示)，它们构成了被控对象。电机的启动由开关量控制，PLC模拟量模块输出4-25mA电流作为变频器的控制端输入，然后经变频器调制输出高频脉冲给异步电动机，光电传感器作为料仓有无物料的测量装置，速度传感器测量电机的转速。I/O点数量如表5-1：佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸1.PLC选型目前PLC使用性能较好的有SIEMENS公司、日本的三菱、欧姆龙、美国的AB公司，根据性价比的选择，根据被控对象的I/O点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面的考虑，采用SIEMENS公司的z37-200系列PLC。考虑到以后的扩展要求，选用CPU226型号PLC,S7-200CPU包括一个主要处理单元、电源以及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑的独立的设备中，该型号具有24输入/15输出。可提供标准值为24VDC的输入和输出电压。2.模拟量扩展模块的选型(1)模拟量输出扩展模块：EM232模拟量输出扩展模块提供了有2输出模拟量通道，具有12位的分辨率，且具有多种输入、输出信号范围。其内部集成了A/D转换器、放大器等多种功能的电路，可用于复杂的控制场合。它能够不用外放大器而与传感器直接相连，可根据输出模拟量的大小，通过器外置的DIP开关选择不同的档位及分辨率，且模拟量的输出可作为测量传感器的恒流源使用。由于该系统有五路模拟量输出作为变频器的控制端输入，在这里选用三块EM232模拟量输出模块。(2)模拟量输入扩展模块：EM231模拟量输出扩展模块提供了有4输入模拟量通道，具有12位的分辨率，且具有多种输入、输出信号范围。其内部集成了D/A转换器、放大器等多种功能的电路，可用于复杂的控制场合。由于该系统有五路模拟量输入作为反馈信号，选用EM231模拟量输入扩展模块两块。1.1.1变频器的选型及其系统功能设定佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸容量选择常规设计的交流电动机，通常都是在额定频率、额定电压下工作的。此时，轴上输出转矩、输出功率都可以达到额定值。在变频调速的情况下，供电频率是变化的，电机的实际输出也会变化。由于变频器有一定的通用性，因此在与不同拖动场合的电机配合时，必须合理选择容量。对于现场己使用或己选定的电动机，需要选配相应的变频器。在一台变频器驱动一台电机的情况下，变频器的容量选择要保证变频器的额定电流大于该电动机的额定电流，或者是变频器所适配的电动机功率大于当前该电动机的功率。按连续恒负载运转时所需的变频器容量(KVA)的计算式计算:公式(5—1)公式(5—2)公式(5—3)式中—负载所要求的电动机的轴输出功率；—电动机的效率(通常约0.85)；—电动机的功率因数(通常约0.75)；—电动机电压(V)；—电动机电流(A)，工频电源时的电流；K—电流波形的修正系数，对PWM方式，取k=1.05；—变频器的额定容量(KVA)；—变频器的额定电流(A)。这三个式子是统一的，选择变频器容量时，应同时满足三个算式的关系，尤其变频器电流是一个较关键的量。考虑到电机性能上的差异及机械负载的不同，变频器容量应是电机容量的1-2倍。另外，也可根据生产机械所需的实际转矩与稳定运行时的转速，求其乘积，得到所需电机的轴上功率，据此确定变频器容量。佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸西门子公司提供了5SE92系列变频器与该公司的标准电机相匹配时的技术参数。如果采用西门子的标准电机，则可以按照这些技术参数选用电机，如果不属于西门子的标准电机，则需严格按照上式计算得到变频器容量。本系统中的驱动传送带的电机属有载启动的输送类机械，所需电机的轴上功率为14kW，按1.5倍容量应选择21kw以上变频器。驱动搅拌罐的电机的轴上功率为20kW，按1.5倍容量应选择30kw以上变频器。变频器的系统功能设定根据皮带机的运行特性及系统的功能，要对变频器进行相关的系统设定，这里对其中的一些主要设定进行介绍。(1)变频器的运行模式设定P051=1选择控制功能，DINI(端子5)；高态时为运行，向左转。P052=5选择控制功能DINZ(端子5)；低态时为OFF3，在紧急情况下，使皮带机快速制动。P053=19选择控制功能，DINS(端子7)；外部故障跳闸/PTC。P005=0使变频器按P005中设定的频率运行。PO15=1在主电源掉电或欠压后，若起停开关仍有效，进行自动在起动。P015=2允许变频器起动一台正旋转的电机，变频器自动扑捉电机的旋转方向及转速，跟随电机转速并运行电机从这一速度到设定值。P051=4继电器输出RL1输出外部制动接通信号，只用于倾斜皮带机，同时要设置P053外部拖闸释放延迟时间和P054外都抱闸投入延时时间。P079起动提升设置(0-250%)，可以增加起动转矩，使皮带机在带载起动时不至于起动不了。P085电机电流限制(0-250%)，定义电机过载是额定电流的百分比，用这个参数可以限制电机电流，预防过热。P085和P079的值根据实际的调试情况确定，P085中的值必须大于P079中的设置值。(2)皮带机的加减速时间设定(设定值根据现场的调试情况来确定)P002加速时间(0-5505)，此时间为电机从静止加速到P013中所设定的最大频率时间。P003减速时间(0-5505)，此时间为电机从最大频率减速到静止所需时间。P004平滑((0^-405)，用于平滑电机的加减速过程，在传送带系统中减小冲击及振动。1.1.1电机的变频器控制电气原理图1.下面对变频器需要注意的一些问题进行一定的解释：佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸(1)对变频器采用的是参数完全远程控制，状态部分本地控制方式，远程控制频率。也即变频器的故障信息，运行参数，运行频率通过远程读写，但变频器的起停通过本地控制。(2)由于变频器内带有COMPOUNDBRAKING制动功能，因此对于水平皮带电机不须外加制动器，但对大转矩电机，必须外加制动器，以产生静止时的保持转矩。同时可将变频器的继电器输出功能，设定为外部制动接通信号，则对于倾斜皮带，当启停变频器时，变频器便按设定好的时间投入或断开制动器。2.电机、变频器以及与模拟量输出模块EM232的电气连接原理图(1)主回路连接变频器的L1,L2,L3为输入端，直接连50HZ三相380V交流电源。输出端U、V、W则直接接到交流电机上驱动电动机。变频器的输出也为三相交流电，但是在变频器内部经过了交一直变换，之后经过逆变器，利用设定的参数进行了逆变，使得输出为某一相应设定频率的交流电。前面我们在讲到变频器的理论基础时提到，变频器输出频率的变化，将导致电动机的输出转速变化，二者之间的关系近似线性。这样，就起到了调速的作用。在电路系统中，为了保证正常运行安全，必须将设备可靠的接地，因此，变频器的接地端也应可靠接地。佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸主回路中，还有两对用于连接制动电阻和制动单元的端子，用于再生电动势较大的场合，如起重机、升降机等在垂直方向上运动的机械，或者高速、大惯性运动的场合。这时，由于工作运动过程中，某些时候，工件释放出积聚的能量.实际上是由工件在带动电动机运转，因而产生很大的再生电动势，如果再生电动势超过了变频器可以承受的范围，就会损坏变频器。为此，可以利用外接制动电阻或者外接制动单元的方法来消耗部分能量，提高变频器的工作能力。但是，我们的系统中，对于驱动皮带电机而言，由于传送的工件质量并不是很大，运行速度也不高，而且是在水平方向上运行，因此，再生电动势不可能很大，没有必要在变频器之外再外接制动电阻或制动单元。但由于搅拌罐电机为大负载，驱动搅拌罐电机的变频器需要外接制动电阻。(2)控制回路输入信号连接根据变频调速原理，在变频器的控制输入回路中接入频率设定电路，由PLC输出的模拟量，即电压或电流信号来控制变频器的输出频率。此时的变频器输出频率与设定电压或电流输入成正比。在这里由EM232输出模块的V,M端分别接变频器的3、2两端。(3)控制回路输出信号连接为了便于监控变频器的运行状态并及时发现异常，我们取出了变频器的异常信号送到PLC的输入模块，以作为变频器的事故报警信号。1.1上位机软件实现系统中，要求上位机能够直接启动和停止各台电机，打开和关闭物料仓的电磁阀。可以设定电机的运行频率，对下位机进行监控，显示电机的运行速度和料仓中的物料状态，显示变频器的故障信息。1.1.1上位机应用软件开发方法(1).采用VB,VC等开发工具进行开发软件的控制界面和控制算法功能是靠软件工作人员通过编程从底层来实现的，工作量大且设计的软件通用型差，软件功能可靠性也低。因为自动化系统的差异性，每次系统应用，其软件都是新的。但科技的发展，对自动化程度、可靠性要求都很高的工业监控领域，对软件的要求越来越高。而对软件人员的高要求，相对于开发出来的软件的薄弱功能的情况尤其突出。(2)采用组态软件进行开发实时监控系统上位机应用软件的开发建立在组态软件的基础之上，是工业控制系统软件开发的一个方向。当计算机硬件有了飞速发展之后，各种应用领域对软件提出了更高的要求。佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸所谓组态软件，即一组功能强大的软件包，它有一个友好的人机界面，且不用编什么代码程序便可以自己需要的应用“软件”。图形界面和可视化设计使组态软件具备了良好的人机交互界面。开发时操作简易灵活，开发的产品直观生动、显示画面丰富、工业控制中的各种显示仪表控制表盘、回路调节图、历史趋势图、实时曲线都可通过它来实现。在组态软件的基础上开发的控制软件可以适用于一大类被控对象，对于不同的对象只需改变底层驱动即可。用组态软件实现用于工业控制的系统软件，不仅可以大大提高系统软件的开发速度，而且保证了系统软件的成熟性、可靠性和易于维护性。考虑到上面的因素，所以我们拟采用组态软件来在上位机上进行应用开发。1.1.1监控画面的设计操作系统：对于上位机，由于设计系统管理和人机界面，应该采用成熟的通用系统平台，32位优先级抢占式的多任务多进程操作系统Windows2000Professional作为系统软件，就是一种很好的选择。Windows2000Professional作为新的操作系统，具有较好的调度管理和内存保护机制，在上位机中采用成熟的操作系统可以对多任务提供良好的支持。组态软件：Protool/pro软件系统是西门子公司的基于PC硬件、运行在Windows平台上的一种组态软件。该组态软件是由Protool/proCS和Protool/proRT构成，其中前者是应用程序的集成开发环境。软件开发者在这个环境中完成界面的设计、变量的定义等工作，它具有先进完善的图形生成功能;变量有多种数据类型，能合理的抽象被控对象的特性，对数据的报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能有简单的操作方法。Protool/proRT是软件的实时运行环境，用于显示画面开发系统中建立的图形画面，并负责软件与PLC之间的数据交换，实时更新变量的数值，同时完成报警显示、历史记录查询、趋势曲线监视等功能，并可生成历史数据文件，它是工业现场监控和数据采集系统的最终形式。上位机应用软件的开发建立在组态软件的基础之上，是工业控制系统软件开发的一个方向。Protool/pro组态软件功能强，实时性好，人机界面美观，软件稳定性好，应用程序开发周期短，是一种较为理想的实时控制平台软件，尤其是面向对象的开发界面和采用结构化程序设计开发的新一代组态式工业控制软件，方便的构造适应自己需要的“佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸数据采集和监控系统”。基于Protool/pro我们可以构造C/S模式的两层结构，方便用户对现场设备的观测和控制，可以查看现场的图形显示、历史曲线、报警信息，并能根据权限进行报警应答、变量修改，直观，易于操作。SIMATICProTool/Pro具有以下的特点：适用于单机设备或较为简单的控制系统，具有响应时间快的特点，非常适合于设备旁边就近使用。ProTool/Pro是全套产品系列的操作和监控部分，项目一经创建，即应用于各种HMI平台。SIMATIC系列的全线集成，即意味着营造了一种通讯、数据管理及组态或编程的无缝环境。直观的界面环境及面向对象的设计，一经启动，即可运行。ProTool/ProRuntime为各种不同的自动化系统提供有驱动程序，全面集成开放。快速数据采集和存储，响应时间短，即使在点动模式，也可确保过程控制的可靠性。ProTool/Pro支持OLE,ODBC,OPC等标准接口，同时用户程序可以采用内嵌VB语言编写。ProTool能够集成到SIMATICSTEP7组态软件中。从而允许在ProTool中作为变量选择STEP7符号和数据块。这样不仅节省时间和金钱，也消除了当数次输入同样数据时发生错误的可能性。佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸图5—8上位机软件模块图1.生产过程流程图模块在本生产过程中，物料料仓中分别放着粗粉、细粉、大石、小石，料仓的开关分别由各自的电磁阀控制，可用开关信号量表示各自料仓有无进料。四台鼠笼式异步电机分别驱动四条皮带，皮带将由各自对应的料仓倾倒下来的物料送到搅拌罐中，搅拌罐由一台鼠笼式异步电机来驱动。2.开关控制及变频器参数设置模块可以通过点击按钮，分别实现启动和停止粗粉电机、细粉电机、大石电机、小石电机以及搅拌罐电机。可以设置粗粉电机、细粉电机、大石电机、小石电机以及搅拌罐电机的运行频率。由PLC将该设定值转换成的相应的模拟量给变频器，然后再由变频器将该模拟量进行处理并调制成相应频率的脉冲，来驱动电机。3.电机转速显示模块现场电机的转速经过传感器处理输入PLC，由PLC进行相应的处理，将在界面中显示。4.料仓无进料及变频器故障报警模块在该模块中，当料仓中无进料时，图中对应的椭圆会不断地闪烁；同样，当某变频器出现故障时，该变频器在图中对应的椭圆会闪烁，并进行切断变频器的输入；另外，在该界面里，可以打开、关闭粗粉料仓电磁阀、细粉料仓电磁阀、大石料仓电磁阀、小石料仓电磁阀。1.1.1上位机和PLC之间的通信硬件:上位计算机((PC)通过CP5611卡与可编程控制器(PLC)的串行通信接口连接，对PLC进行集中监视和管理。软件实现上：PLC和PC是通过变量来实现的，变量是上位机与PLC之间用于数据交换的最重要的通讯方式。变量有两种类型:全局变量和局部变量。全局变量是带有PLC链接的变量，它在PLC上占据一个定义的存储器地址，从上位机与PLC都可以对之进行读与写访问。它是通信的关键。局部变量不连到PLC上，它们仅在上位机上可用。系统变量表如表5-1。佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸在启动ProTool/Pro建立一个新的ProTool/Pro项目时，在要组态的设备中选择基于WindowsPC,选择PLC，以及使用的协议，因为这里使用的是S7-200,所以选择SIMANTICS7200V5协议。在组态完的S7-200下设置变量，每个变量有三个设置项：变量名、数据类型、地址，其中最重要的是变量地址，它定义了此变量与S7-200中某一确定地址如某一输入位、输出位或标志位等一一对应的关系。可以直接利用在STEP7中配置的变量表，如设置变量地址为Q0.0，表示S7-200中输出地址Q0.0。以此方法，将S7-200与ProTool/Pro之间需要通信的数据一一定义变量，即完成了S7-200与ProTool/Pr。之间的数据通信。然后在画面编辑器(Graphediter)中，用基本元件或图形库中对象制作生产工艺流程监控画面，并将变量与每个对象连接，即相当于画面中各对象与现场设备相连，从而可在屏幕上显视、控制现场设备。表5-1系统变量表symboldeclControlAddressDatatypeInitialValuecommentDJK_CFMPLC1M0.5Bool0驱动粗粉电机的中间变量DJK_GMPLC1M0.2Bool0驱动搅拌罐电机的中间变量DJK_XFMPLC1M0.1Bool0驱动细粉皮带电机的中间变量DJK_DSMPLC1M0.3Bool0驱动水泥皮带电的中间变量DJK_XSMPLC1M0.4Bool0驱动沙皮带电机的中间变量LCF_CFMPLC1M1.0Bool0驱动粗粉电机的中间变量LCF_GMPLC1M1.1Bool0驱动搅拌罐电机的中间变量LCF_XFMPLC1M1.2Bool0驱动细粉电机的中间变量佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸LCF_DSMPLC1M1.3Bool0驱动大石电机的中间变量LCF_XSMPLC1M1.4Bool0驱动小石电机的中间变量BP_CFMPLC1MW0Word0驱动粗粉皮带电的频率设置BP_XFMPLC1MWOWord0驱动细粉皮带电机的频率设置BP_DSMPLC1MW2Word0驱动沙皮带电机的频率设置BP_XSMPLC1MW4Word0驱动水泥皮带电机的频率设置BP_GMPLC1MW6Word0驱动搅拌罐电机的频率设置LC_CFInPLC1I0.0Bool0料仓中的粗粉有无进料状态信号LC_XFInPLC1I0.1Bool0料仓中的细粉有无进料状态信号LC_DSInPLC1I0.2Bool0料仓中的大石有无进料状态信号LC_XSInPLC1I0.3Bool0料仓中的小石有无进料状态信号GZ_CFBInPLC1I0.4Bool0粗粉变频器故障信号GZ_XFBInPLC1I0.5Bool0细粉变频器故障信号GZ_DSBInPLC1I0.6Bool0大石变频器故障信号GZ_XSBInPLC1I0.7Bool0小石变频器故障信号GZ_GBInPLC1I1.0Bool0罐变频器故障信号O_DSOutPLC1AOW0Word0大石频率输出值O_XSOutPLC1AOW2Word0小石频率输出值佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸O_CFOutPLC1AOW4Word0粗粉频率输出值O_XFOutPLC1AOW6Word0细粉频率输出值O_GOutPLC1AOW8Word0罐频率输出值I_DSInPLC1AIW0Word0大石电机频率反馈值I_XSInPLC1AIW2Word0小石电机频率反馈值I_CFInPLC1AIW4Word0粗粉电机频率反馈值I_XFInPLC1AIW6Word0细粉电机频率反馈值I_GInPLC1AIW8Word0搅拌罐电机频率反馈值DJK_CFqOutPLC1Q0.5Bool0闭合动粗粉电机的继电器DJK_GqOutPLC1Q0.2Bool0闭合搅拌罐电机的继电器DJK_XFqOutPLC1Q0.1Bool0闭合细粉皮带电机的继电器DJK_DSqOutPLC1Q0.3Bool0闭合水泥皮带电机的继电器DJK_XSqOutPLC1Q0.4Bool0闭合水泥皮带电机的继电器LCF_CFqOutPLC1Q1.0Bool0闭合粗粉电机继电器LCF_GqMPLC1Q1.1Bool0驱动搅拌罐电机继电器LCF_XSqOutPLC1Q1.4Bool0驱动小石电机继电器LCF_DSqOutPLC1Q1.3Bool0驱动大石电机继电器1.1PLC程序设计1.PLC编程软件S7200的编程语言是STEP7，它是用于S7系列PLC进行编程、调试的全新软件，它是在国际标准IEC1131-3的基础上建立的，可以用LAD、佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸CSF和STL来编程。这是一种可以运行于通用微机中，在WNDOWS环境下进行编程的语言。将它通过计算机的串口和一根PC/MPI转接电缆与PLC的MPI口相连，即可以进行相互间的通信。通过STEP7编程软件，不仅可以非常方便的使用梯形图和语句表等形式进行离线编程，经过编译后通过转接电缆直接下载入PLC的内存中执行，而且在调试运行时，还可以在线监视程序中各个输入输出或状态点的通断状况，甚至进行在线修改程序中的变量，给调试工作也带来极大的方便。STEP7软件的一个特点是调试功能很强大，不仅能在线读取数据，而且能在线修改过程数据，对于调试大型复杂控制程序非常有效。STEP7软件还附带一些控制程序模块，如PID调节模块，这些模块可以从主控制程序中直接调用，实现不同的功能。STEP7采用模块化的程序设计方法，它采用文件块的形式管理用户编写的程序及程序运行所需的数据。通常用户程序由功能块(FB,FC)，组织块(DB)、数据块(DB)构成.。功能块(FB,FC)实际上是用户子程序，可以分为带记忆的功能块和不带记忆的功能块FC。前者有一个后备数据块(INTANCEDATABLOCK)与之相对应，后备数据块是一个数据结构与该功能块的参数完全相同的数据块。存放在后备数据块中的数据在FB结束时继续保持，所以被称之为“记忆”。功能块FC没有后备数据块，当FC完成操作后数据不能保持。S7200CPU还提供标准功能块(SFB,SFC)，它们是事先编好的，经测试集成在S7200CPU的功能程序库中。用户可以直接调用他们，高效的编制自己的程序。由于它们是操作系统程序的一部分，所以不必将它们下载到PLC。与FB相似，SFB需要一个后备数据块，并将DB块作为程序的一部分安装到CPU中。数据块(DB)是用户定义的用来存储数据的存储区，也可以被打开和关闭。DB可以是通用的全局数据块，也可以是属于某个FB的后备数据块。系统数据块(SDB)是为存放PLC参数所建立的系统数据存储区。用STEP7的组态软件可以将PLC组态数据和其它操作参数存放与SDB中。结构块(OB)是操作系统程序和用户应用程序在一定条件下的接口界面，用于控制程序的运行。OB根据操作系统调用的条件的不同，可以分为不同的类型，这些不同的类型又有不同的优先级，优先级高OB的可以中断优先级低的OB。每个S7CPU包含一套可编程的OB块(随CPU而不同)，不同的OB块执行特定的功能。其中OBI是主循环块，它是必不可少的，可以将其它的程序块放入U131进行线形编程，或将应用程序用不同的逻辑块加以结构化，通过0131调用这些逻辑块。除了OBI，操作系统还可以调用其它的OB块来响应特定的事件。佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸2.程序设计在本系统中，PLC程序设计的主要任务是接受外部开关信号(按钮、继电器)的输入，判断当前的系统状态以及输出信号去控制接触器、继电器等器件，以完成相应的控制任务。除此之外，另一个任务就是接受上位机的控制命令，以进行全自动采样。PLC程序设计共有四个模块：1.按钮处理模块2.报警处理模块3.变频器给定模块4.变频器设定模块其中控制按钮模块主要处理各电机和电磁阀的启停控制。报警处理模块处理变频器的故障报警和料仓无进料的报警信息。变频器给定模块将处理变频器的工作模式，调用变频器设定模块。变频器设定模块是接受由模拟量输入模块接受速度传感器转换而来的信号，与频率给定值进行比较后再作为输入信号经D/A转换成模拟量给变频器。1.按钮处理模块的梯形图如图5-13：佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸图5-13电机和电磁阀处理模块梯形图2.变频器设定模块有五台变频器，每台变频器的变频器给定模块和设定模块结构和功能是相同的，不同的是输入参数。所以在这里采用代码重用方法，根据大石、小石、粗粉、细粉、搅拌罐的不同频率设置作为输入参数，调用变频器给定模块五次。这里以PLC处理大石电机为例：在这里EN为变频器的使能端，DEC为变频器以“—”模式工作，INC为变频器以“+”模式工作。MW2为PLC中变量，它对应组态中变频器参数设置界面所给定的值。佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸图5-14大石变频器给定梯形图3.变频器给定处理模块程序流程图如图5-15所示:佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸图5-15大石变频处理过程流程图大石变频给定模块的梯形图如5-16所示：佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸图5-16大石变频给定模块梯形图在该模块中分别实现变频器在“+”模式和“—”模式下的实现过程，在超出量程范围的输入值时的处理，速度传感器反馈回来电机的频率值经过处理和转换后的存放在AIWO变量中。其它变频器的处理过程与其类似。4.报警处理由画面元素和PLC变量直接对应，无需编程。佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸1.1抗干扰措施可编程控制器的主要应用场合是工业现场，但由于那里恶劣的工作环境，各种干扰对PLC设备的正常运行存在着严重的影响。当然，在本系统中也不例外。有必要考虑PLC的抗干扰措施。PLC的输入设备主要是传感器、光电开关、按钮等;PLC的输出设备主要有接触器、电磁阀线圈等。由于这些v0设备分布较广，因此，在运行过程中，会将大量的干扰信号带入PLC主机内。抗干扰的主要措施有：(1)输入信号电缆、输出信号电缆和电力电缆都要分开敷设，不能扎在一起。(2)必要时需选用带有屏蔽层的输入和输出信号电缆，并注意一端接地。(3)多芯电缆中的备用芯线也要一端接地，一则扩大屏蔽作用，二则抑制芯线间的信号串扰及外部干扰。(4)为避免干扰，同一电平等级的信号才能用一条多芯电缆传输。所以，对数字信号和模拟信号，在任何情况下，都必须分开电缆进行传输。低电平信号线应与其它信号线分开。尽量缩短模拟量I/0信号线的长度，并采用双芯屏蔽线作为信号线。(5)PLC电柜应有独立的接地线，接地电阻小于10欧姆。(6)引至PLC柜的电缆要尽量远离那些会产生电磁干扰的装置。(7)一般要将PLC装于专门的电柜中，要注意PLC四周留有50mm以上的净空间，保证良好的通风环境。在设备现场，要充分考虑周围环境的影响，尽量不要将PLC安装在多尘、有油烟、有导电灰尘、有腐蚀性气体、振动、热源或潮湿的地方。1.2系统运行情况变频调速器投用以后，系统运行良好。在变频器的控制下，电机的启动、制动过程中实行延时斜升、斜降，电机运行稳定和可靠，被控参数波动幅度较小，有良好的速度可调节性。变频器可故障报警，保证其运行安全可靠，降低设备故障率，减小了设备损耗，较大的改善了的生产的水平。佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸结论本文是为机械设备厂设计的一套物料搅拌控制系统。此系统主要是实现生产电机速度的可调节化，以节约能源和适应生产的需要。此系统要能达到现场的运行状况、运行数据都可以在中央控制室掌握，用户在控制室可以通过人机和搅拌罐电机的调速运行，结合PLC的强大功能、可靠性以及基于组态软件所开发出来的良好人机界面和通信能力，实现在中央控制室对电机的远程控制运行参数调节。上位机选界面来设置变频器的运行频率、启动和停止电机，并且变频器的故障信息可以在人机界面上反映出来，以用来提示用户。为了达到这些要求，最后决定采用变频器实现运送物料电机择触摸式PC，主要完成系统的组态、监控、参数设置和开关量置位。下位机采用PLC来实现各电机的启停、电磁阀的开关，数值的转换、速度的检测。论文重点解决了系统中的监控画面、PLC程序设计的问题以及上下位机之间的通信问题。根据STEP7的结构化程序设计特点，大量采用代码重用的方法，大大减少了系统的开发和维护。利用西门子公司的Protool/pro组态软件设计良好的人机界面以及实现与PLC的通信。由于时间的关系，系统中还有很多的问题在这里没有一一详细列举出来，希望在以后的学习过程当中，能够不断的深入。佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸致谢感谢我的指导老师——徐志如老师。徐老师学识渊博，治学严谨，勤奋敬业，使我于耳濡目染中受益匪浅。他不仅仅授业解惑，而且还孜孜不倦的教我做人的道理。熊老师事无巨细，都及其认真的对待，对我们学生给予无微不至的关怀，在此，谨向恩师致以崇高的敬意和衷心的感谢!佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸参考文献[1]李永东.交流电机数字控制系统.第1版.北京：机械工业出版社.2002[2]胡崇岳.现代交流调速技术.第2版.广州：机械工业出版社.1999[3]鲍燕传.变频器的故障诊断与维护技术.第1版.北京：机械工业出版社.1990[4]陈伯时.电力拖动自动控制系统.第2版.北京：机械工业出版社.1997[5]周绍英.储方杰.交流调速系统.第1版.第1版.北京：机械工业出版社.1996[6]苏彦明.李宏.交流调速控制系统的控制策略.第1版.北京：机械工业出版社.1988[7]郑晨.现代可编程序控制器原理与应用.第1版.北京：科学出版社.1999[8]张晓坤.可编程控制器原理及应用.第1版.西安：西北工业大学出版社.1988[9]朱少祥等.可编程控制器(PC)原理及应用.第1版.上海：上海交通大学出版社.1988[10]崔亚军.可编程控制器原理及程序设计.第1版.北京：电子工业出版社.1992[11]陈雨春.可编程控制器应用软件设计方法与技巧.第1版.北京：电子工业出版社.1992[12]陈宇.可编程程序控制器基础给编程技巧.第1版.北京：华南理工大学出版社.1999[13]韩安荣.通用变频器及应用.第1版.北京：机械工业出版社.2000[14]张燕宾.SPWM变频调速应用技术.北京：机械工业出版社.1997[15]王廷才.变频器原理及应用.北京:机械工业出版社，2006[16]张万忠.可编程控制器应用技术.第1版.北京：化学工业出版社.2002[17]邱士安等.机电一体化系统第1版.北京:机械工业出版社，2004[18]余协声.方宗达.电气控制与PLC应用.北京:机械工业出版社,2003[19]张坤侯.晓慧.简明电工手册.北京:防工业出版社，2006[20]白桂欣等.电气工程常用数据速查手册.北京:机械工业出版社，2007[21]陈瑜等.机电一体化技术手册.第二版.北京:机械工业出版社，2000[22]机械设计手册编委会.机械设计手册第二版北京:机械工业出版社，2004[23]Johnston,E,MechanicsofMaterialsMcGraw-HilNewYork,1999[24]ReasonJ.CommunicationsAlternativesforDistributionAutomation.ElectricWorld.1993佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸附录A佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸变频器接线图佳木斯大学教务处-54- 毕业论文（设计）用纸佳木斯大学教务处-54-