基于WinCC的变频调速控制系统的应用研究李强论文Word文档格式.docx
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变频控制在工业生产和人民生活中起着越来越重要的作用，对电机控制水平的要求也越来越高。
因此，我们希望用一种更加便捷、安全可靠、能实现远程控制，更具人性化的电机控制系统。
本设计主要以WinCC组态软件、PLC和6SE70变频器为核心。
通过WinCC组态软件与S7-300系列的CPU315-2DPPLC进行通信,CPU315-2DPPLC再通过PROFIBUS-DP总线控制6SE70变频器，来对三相交流异步电动进行控制。
本设计通过PC机和现场操台作分别实现对三相异步电动机控制,并能够在PC机上显示三相异步电动机的电流实际值和转速的实际值。
PC机上可修改电机的转速，并通过报警画面，显示电机的故障。
电机的历史状态和当前状态可在历史趋势曲线读取。
同时，在控制画面中有变频器上电指示和变频器启动指示。
从而，整个组态界面实现远程控制。
关键词：
WinCC组态软件；
6SE70变频器；
STEP7编程软件；
S7-300；
MPI通信
ABSTRACT
WithChina'
sscienceandtechnologyandtheconstantdevelopmentofeconomy,mostofthepowersourceisthemotorfromfrequencyconverterinmanufacturingandprocessindustries.Frequencyconversioncontrolinindustrialproductionandpeople'
slifeplaysamoreandmoreimportantroleinmotorcontrol.What’smore,therequirementsofmotorcontrollevelalsobecomemoreandmorestrict.Therefore,wehopetouseamoreconvenientandsafeandreliable,thatcanrealizeremotecontrol,morehumanizedmotorcontrolsystem.
ThisdesignmainlyWinCCconfigurationsoftware,PLCand6SE70inverterascore.ThroughWinCCconfigurationsoftwareandS7-300seriesofCPU315-2DPPLCCPU315-2DPcommunicate,andthenthroughPLCcontrolprofibus-dp6SE70inverter,cametoa3-phaseasynchronouselectriccontrol.
ThisdesignthroughthePCandon-sitefucksetstoberealizedrespectivelythree-phaseasynchronousmotorcontrol,andcaninPCdisplaythree-phaseasynchronousmotorcurrentpracticalvalueandtheactualvaluespeed.InPCcanmodifymotorspeed.Andthroughthealarmscreendisplaymotor,fault.Motorhistorystatusandthecurrentstateofthemotorcanbeloadedinhistoricaltrendcurve.Meanwhile,inthecontrolpicturehasinstructionsforinverterpoweronandinverterstartup.Thus,thewholeconfigurationpicturestorealizetheremotecontrol.
Keywords:
WinCCconfigurationsoftware;
6SE70inverter;
STEP7programmingsoftware;
S7-300;
MPIcommunication
目录
1绪论1
1.1WinCC在变频调速控制系统应用的意义1
1.2组态软件2
1.3变频调速3
2系统硬件设计5
2.1系统结构总图5
2.2西门子6SE70变频器5
2.3西门子S7-300PLC6
2.4变频器的控制方式8
2.4.1V/F控制9
2.4.2矢量控制9
2.5变频电机9
3系统的软件设计11
3.1系统通信总图11
3.2WinCC组态软件11
3.3西门子S7-300PLC编程软件STEP715
3.3.1STEP7编程软件硬件组态15
3.3.2STEP7编程软件编程16
3.4西门子S7-300PLC通信17
3.4.1西门子S7-300PLCMPI通信17
3.4.2全局数据块通讯方式21
3.4.3西门子S7-300PLCPROFIBUS-DP通信21
4WinCC组态软件在变频调速系统中的应用26
4.1创建立WinCC项目26
4.2西门子6SE70变频器设置30
4.3程序编写34
5系统调试40
5.1硬件测试40
5.1.1静态测试40
5.1.2联机调试40
5.2软件测试40
5.3系统调试41
结论43
参考文献44
附录1：
编程程序45
致谢58
1绪论
1.1WinCC在变频调速控制系统应用的意义
在电力拖动中，过去很长一段时间内，变速拖动的电动机都是直流电动机，而不变速拖动的电动机都是交流电动机，但直流电动机有它固有的缺点：
有换向器，需要经常更换；
有换向火花，难以应用在易燃易爆场合；
结构复杂。
交流电机能克服上述缺点，但不容易调速。
近年来随着微电子技术的高速发展，变频技术也获得了很大发展，变频器将输入幅值、频率固定的交流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源，从而实现对异步电动机的转速控制。
变频调节的第一个优点是节能。
例如工业上使用广泛的风扇、鼓风机、泵类，它的流量多半用档板、阀门来控制。
若使用变频调速电机之后，可节省消耗在档板、阀门上的能量损耗，所以节能效果是非常明显的。
第二个优点是减少了传统调速系统中的维护工作量；
第三个优点是可实现异步电机的大范围平滑转速调节，且转速控制精度高。
交流电机变频调速技术是应用当今国际最新变频技术产品—交流变频调速器，对交流电机进行无级调速控制的高新技术。
变频调速控制系统主要由电控设备、变频器、交流电动机、传动机械及传感器等部分组成。
变频控制系统可进行开环控制，也可进行闭环控制。
开环系统的控制是通过设定值的改变，来实现对被控制对象输出值的直接控制。
闭环控制系统是通过被控制对象反馈系统与设定值的动态比较，自动调节被控电机的转速，从而实现对被控制对象输出的控制。
无论是大系统还是小系统，也无论是简单系统还是大的网络系统，人都必须直接或间接地参与其中。
具体的参与方式可以分为两类:
获取信息和发出指令。
实质上就是信息的交流。
由于人能够发送和接收信息的方式有限，无法直接与系统中的信息进行沟通。
这里就需要一种“中介机构”，一种能为双方翻译的机构，这就是现在的人机界面。
WinCC（WindowsControlCenter）是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术中性系统，它提供了适用于工业的图形显示、消息归档以及报表的功能模板。
高性能的过程耦合快速的画面更新以及可靠的数据使其具有高度的实用性。
除了这些系统功能外WinCC还提供了开放的界面，用于用户解决方案。
这使得将WinCC集成到复杂广泛的自动控制解决方案成为可能，可以集成通过ODBC（OpenDatabaseConnectivity，开放数据库互连）和SQL（StructuredQueryLanguage，结构化查询语言）方式的归档数据访问以及通过OLE2.0（ObjectLinkingandEmbedding，对象链接与嵌入）和ActiveX控件的对象和文档的链接这些机制使WinCC成为Windows世界中性能卓越善于沟通的伙伴。
WinCC在变频调速系统中的应用，能够使操作人员及时掌握系统的运行状态，方便的对系统进行调整。
这样增加了系统的稳定性、可靠性，提高了生产效率。
系统结构框图如图1-1所示
图1-1系统结构框图
1.2组态软件
组态软件是一种面向工业自动化的通用数据采集和监控软件，即SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition）软件，亦称人机界面或HMI/MMI（HumanMachineInterface/ManMachineInterface）软件。
在国内通常称为“组态软件”。
“组态（Configuration）”的含义是“配置”、“设定”、“设置”等，是指用户通过类似“搭积木”的方式完成自己所需有的软件功能，通常不需要编写计算机程序，即通过“组态”的方式就可以实现各种功能。
有时也称此“组态”过程为“二次开发”，组态软件就称为“二次开发平台”。
“监控（SupervisoryControl）”，即“监视和控制”，指通过计算机对自动化设备或过程进行监视、控制和管理。
组态软件能够实现对自动化过程的监视和控制，能从自动化过程中采集各种信息，并将信息以图形化等更易于理解的方式进行显示，将重要的信息以各种手段传送给相关人员，对信息执行必要的分析、处理和存储，发出控制指令等。
组态软件提供了丰富的用于工业自动化监控的功能，根据工程的需要进行选择、配置建立必要的监控系统。
组态软件广泛用于机械、钢铁、汽车、包装、矿山、水泥、造纸、水处理、环境监测、石油化工、电力、纺织、冶金、智能建筑、交通、食品、智能楼宇、实验室等领域。
组态软件既可以完成对小型自动化设备的集中监控，也能有互相联网的多台计算机完成复杂的大型分布式监控，还可以和工厂的管理信息系统有机的整合起来，实现工厂的综合自动化和信息化。
作为通用的监控软件，所有的组态软件都能提供对工业自动化系统进行监视、控制、管理和集成等一系列的功能，同时也为用户实现这些功能的组态过程提供了丰富和易于使用的手段和工具。
利用组态软件，可以完成的常见功能有：
（1）可以读写不同类型的PLC（ProgrammableLogicController，可编程逻辑控制器）、仪表、智能模块和板卡，采集工业现场的各种信号，从而对工业现场进行监视和控制。
（2）可以以图形和动画等直观形象的方式呈现工业现场信息，以方便对控制流程的监视；
也可以对控制系统发出指令、设置参数干预工业现场的控制流程。
（3）可以将控制系统中的紧急工况（如报警等）通过软件界面、电子邮件、手机短信、即时消息软件、声音和计算机自动语言等多种手段及时通知给相关人员，使之及时掌控自动化系统的运行状况。
（4）可以对工业现场的数据进行逻辑运算和数字运算等处理，并将结果返回给控制系统。
（5）可以对从控制系统得到的以及自身生产的数据进行记录存储。
在系统发生事故和故障的时候，利用记录的运行工况数据和历史数据，可以对系统故障原因等进行分析定位，责任追查等。
通过对数据的质量统计分析，还可以提高自动化系统的运行效率，提升产品质量。
（6）可以将工程的运行状况、实时数据、历史数据、警告和外部数据库的数据集以及统计运算结果制作成报表，供运行和管理人员参考。
（7）可以提供多种手段让用户编写自己的需要的特定功能，并与组态软件集成为一个整体运行。
大部分组态软件提供通过C脚本、VBS脚本或C#等来完成此功能。
（8）多个组态软件之间可以互相联系，提供客户端和服务器架构，通过网络实现分布式监控，实现复杂的大系统监控。
（9）可以将控制系统中的实时信息送入管理信息系统，也可以反之，接受来自管理系统的管理数据，根据需要干预生产现场或过程。
（10）可以通过因特网发布监控系统的数据，实现远程控制。
1.3变频调速
20世纪70年代后，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，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。
在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化。
1.
交流变频调速的优异特性
（1）
调速时平滑性好，效率高。
低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。
（2）
调速范围较大，精度高。
（3）
起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。
（4）
变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。
（5）
易于实现过程自动化。
（6）
在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。
2.
与其它调速方法的比较
交流电动机的调速方法有三种：
变极调速、改变转差率调速和变频调速。
其中，变频调速最具优势。
这里就交流变频调速系统与直流调速系统做一比较。
在直流调速系统中，由于直流电动机具有电刷和整流子，因而必须对其进行检查，电机安装环境受到限制。
例如：
不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用。
此外，也限制了电机向高转速、大容量发展。
而交流电机就不存在这些问题，主要表现为以下几点：
第一，直流电机的单机容量一般为12-14MW，还常制成双电枢形式，而交流电机单机容量却可以数倍于它。
第二，直流电机由于受换向限制，其电枢电压最高只能做到一千多伏，而交流电机可做到6-10kV。
第三，直流电机受换向器部分机械强度的约束，其额定转速随电机额定功率而减小，一般仅为每分钟数百转到一千多转，而交流电机的达到每分钟数千转。
第四，直流电机的体积、重量、价格要比同等容量的交流电机大。
最后，特别要指出的是交流调速系统在节约能源方面有着很大的优势。
一方面，交流拖动的负荷在总用电量中占一半或一半以上的比重，这类负荷实现节能，可以获得十分可观的节电效益。
另一方面，交流拖动本身存在可以挖掘的节电潜力。
在交流调速系统中，选用电机时往往留有一定余量，电机又不总是在最大负荷情况下运行；
如果利用变频调速技术，轻载时，通过对电机转速进行控制，就能达到节电的目的。
工业上大量使用风机、水泵、压缩机等，其用电量约占工业用电量的50%；
如果采用变频调速技术，既可大大提高其效率，又可减少10%的电能消耗。
2系统硬件设计
2.1系统结构总图
整个系统的硬件设计包括PC（PersonalComputer，个人计算机）机一台、西门子S7-300模块三套、6SE70变频器三套和三相变频电机三台。
如图2-1所示。
图2-1硬件系统结构图
2.2西门子6SE70变频器
SIMOVERTMASTERDRIVES矢量控制的变频器是具有IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管）逆变器、全数字技术的有电压中间回路的变频器。
它同西门子三相交流电动机一起为所有工业领域和所有应用场合提供高性能、最经济的解决方案。
SIMOVERTMASTERDRIVES共同遵守相同的设计原则。
在所有功率范围中的装置和系统元件都有一个统一的设计和相同的接线系统。
它们能以任何方式组合并能并列安装以满足传动系统各种要求。
作为系统模块，可用于建立单独传动、成组传动或多电机传动的最佳传动系统。
图2-26SE70变频器型号
SIMOVERTMASTERDRIVES矢量控制系列变频器是通用和模块化的：
标准装置功率范围从0.55kW～2300kW。
覆盖全球的三相交流电网电压，380V～690V。
按照使用场合及所需功率，可做成4种结构：
增强书本型、书本型、装机装柜型及变频调速柜。
其模块化的硬件、软件使其能够达到精确配合、最经济的解决方案。
同电机侧最佳性能的闭环矢量控制相适应，SIMOVERTMASTERDRIVESAFE（ActiveFrontEnd）装置通过一个主动的面向电网角度的矢量控制确保最佳的电能供应。
控制功能由存储在逆变器和变频器模块中的软件所决定。
在SIMOVERTMASTERDRIVES产品系列中提供了下列各种控制方式：
1.矢量控制：
带编码器的矢量控制应用于需要高度精确转矩和动态响应，无编码器的矢量控制在水泵、风机的简单应用和U/f控制。
2.Motion控制：
矢量控制用于伺服系统，用于可选的高级工艺功能。
型号含义如图2-2所示。
2.3西门子S7-300PLC
SIMATICS7-300是一种通用型的PLC，能适合自动化工程中的各种应用场合，尤其是在生产制造工程中的应用。
模块化、无风扇结构、易于实现分布式的配置以及易于掌握等特点，使得S7-300在各种工业领域中实施各种控制任务时，成为一种既经济又切合实际的解决方案。
S7-300由多种模块部件组成，包括导轨（Rack）、电源模块（PS）、CPU模块、接口模块（IM）、输入输出模块（SM）。
各种模块能以不同方式组合在一起，从而可使控制系统设计更加灵活，满足不同的应用需求。
S7-300有多种型号的数字量I/O模块供选择。
数字量输入模块SM321、数字量输出模块SM322、数字量I/O模块SM323。
（1）数字量输入模块SM321
数字量输入模块将现场送来的数字信号电平转换成S7-300内部信号电平。
（2）数字量输出模块SM322
数字量输出模块SM322将S7-300内部信号电平转换成过程所要求的外部信号电平，可直接用于驱动电磁阀、接触器、小型电动机、灯和电动机启动器等。
（3）数字量I/O模块SM323
SM323模块有两种类型，一种是带有8个共地输入端和8个共地输出端，另一种是带有16个共地输入端和16个共地输出端，两种特性相同。
S7-300中模拟量模块，模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332、模拟量I/O模块SM334。
（1）模拟量值的表示方法
S7-300的CPU用16位的二进制补码表示模拟量值。
其中最高位为符号位S，“0”表示正值，“1”表示负值，被测值的精度可以调整，取决于模拟量模块的性能和它的设定参数，对于精度小于15位的模拟量值，低字节中幂项低的位不用。
S7-300模拟量输入模块的输入测量范围很宽，它可以直接输入电压、电流、电阻、热电偶等信号，而S7-300模拟量输出模块可以输出0～10V，1～5V，－10V～10V，0～20mA，4～20mA，－20～20mA等模拟信号。
（2）模拟量输入模块SM331
SM331主要由A/D（AnalogtoDigitalConverter，模数转换器）转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成。
A/D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法，积分时间直接影响到A/D转换时间和A/D转换的精度。
（3）模拟量输出模块SM332
模拟量输出模块的转换时间包括内部存储器传送数字化输出值的时间和数/模转换的时间，模拟量输出各通道的转换是顺序进行的。
模块的循环时间是所有活动的模拟量输出通道的转换时间的总和。
（4）模拟量I/O模块SM334
SM334模块输入测量范围为0～10V或0～20mA，输出范围为0～10V或0～20mA。
它的I/O（input/output，输入输出端口）测量范围的选择是通过恰当的接线而不是通过组态软件编程设定的。
2.4变频器的控制方式
根据电机学原理，三相异步电动机定子每相感应电动势的有效值为［１］
（2-30）
式中：
Cm－电动机转矩常数；
E1－气隙磁通在定子每相由感应的电动式的方均根值，单位为V；
f1－定子频率，单位为HZ；
N1－定子相绕组有效匝数；
KN1－基波绕组系数；
Φm－电动机气隙每极合成磁通量，单位为Wb。
三相异步电动机电磁转矩Te为
（2-31）
（2-32）
（2-33）
其中：
I2'
－转子电流折算到定子侧的电流有效值，单位为A；
cosφ2－转子电路的各相功率因数；
R2'
－转子相绕组电阻折算的定子侧的折算值；
L'
l2－转子相绕组电感值折算的定子侧的折算值；
S－电动机的转差率。
由式（2-30）和式（2-31）可知，当改变定子侧频率f1进行调速时，异步电动机的物理量E1、Φm、Te都会发生变化，影响电动机的电磁转矩特性和机械转矩特性，影响电动机的转差率。
因此，改变电动机的定子侧频率f1进行调速时，还必须考虑如何处理和控制其他物理量，以保证调速系统满足生产工艺的要求。
变频器对电动机进行控制是根据电动机的特性参数及电动机运转要求，进行对电动机提供电压、电流、频率进行控制达到负载的要求。
因此就是变频器的主电路一样，只是控制方式不一样，其控制效果是不一样的。
所以控制方式是很重要的。
它代表变频器的水平。
目前变频器对电动机的控制方式大体可分为U/f恒定控制，转差频率控制，矢量控制，直接转矩控制，非线性控制。
2.4.1V/F控制
U/f控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压，使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率，功率因数不下降。
因为是控制电压（Voltage）与频率（Frequency）之比，称为U/f控制。
恒定U/f控制存在的主要问题是低速性能较差，转速极低时，电磁转矩无法克服较大的静摩擦力，不能恰当的调整电动机的转矩补偿和适应负载转矩的变化;
其次是无法准确的控制电动机的实际转速。
由于恒U/f变频器是转速开环控制，由异步电动机的机械特性图可知，设定值为定子频率也就是理想空载转速，而电动机的实际转速由转差率所决定，所以U/f恒定控制方式存在的稳定误差不能控制，故无法准确控制电动机的实际转速。
2.4.2矢量控制
矢量控制，也称磁场定向控制。
它是70年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流电机和交流电机比较的方法阐述了这一原理。
由此开创了交流电动机和等效直流电动机的先河。
矢
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