基于PLC及其网络的变频调速系统的设计.docx
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基于PLC及其网络的变频调速系统的设计
基于PLC及其网络的变频调速系统的设计
摘要：
本控制系统中，采用高功能性通用变频器西门子SIMTICMANGER对电机进行转速调节，该变频器能很好的解决启动停止和转速变化的问题。
由PLC对变频器、电机等设备的控制任务和数据采集的任务。
本课题的变频调速单元通过DP总线与上位机、人机交换等站点连接起来以实现变频调速的控制。
用STEP7软件对系统进行硬件与网络组态和程序编写处理各硬件之间的关系。
利用组态王软件，使操作人员可以在远程PC机或触摸屏浏览现场的流程、实现变频器的参数设置和电机的启动停止和增减速的控制。
关键词：
PLC；变频器；变频调速；组态软件
BasedonPLCanditsnetworkofthedesignofthevariablefrequencyspeedregulationsystem
Abstract：
Inthecontrolsystem,usinghighfunctionalinverterSIMTICMANGERmotorspeedregulation,thetransducercanwellsolvetheproblemofstartstopandspeedvariation.FromPLCtofrequencyconverter,motorequipmentsuchasthecontroltaskandthedataacquisitiontask.ThefrequencyconversionandspeedregulationunitthroughtheDPbusandhostcomputer,man-machineexchangesitesconnectedtoachievefrequencyconversionspeedcontrol.UsingSTEP7softwareforsystemhardwareandnetworkconfigurationandprogrammingoftherelationshipbetweenprocessinghardware.Usethesoftware,sothattheoperatorcanremotelybrowsethesitePCortouchscreenprocess,realizetheparametersettingoffrequencyconverterandthemotorstartstopandadecelerationcontrol.
Keywords：
PLC;Transducer;ACfrequencyconversionforspeedadjustment;Configurationsoftware
第1章绪论
1.1本课题意义及发展概况
PLC控制系统呈现综合化、网路化的发展趋势，为了适应当今PLC课程教学的需要，应提供具有现场控制对象的完整控制层、监控管理层、远程控制层三层结构的远程网络控制系统，并将组态软件技术、网络通信配置、现场触摸屏技术融合在控制系统中。
由于PLC的功能强大、使用容易、可靠性高，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，在工控机上可开发出友好的人机界面，通过PLC可以对自动化设备进行“智能化”控制。
电动机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境，推动技术进步的一种主要手段。
变频调速以其优异的调速性能和起制动平稳性能、高性能、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
1.2本课题的总体思路
本控制系统中，采用高功能性通用变频器西门子SIMTICMANGER对电机进行转速调节，该变频器能很好的解决启动停止和转速变化的问题。
由PLC对变频器、电机等设备的控制任务和数据采集的任务。
本课题的变频调速单元通过DP总线与上位机、人机交换等站点连接起来以实现变频调速的控制。
用STEP7软件对系统进行硬件与网络组态和程序编写处理各硬件之间的关系。
利用组态王软件，使操作人员可以在远程PC机或触摸屏浏览现场的流程、实现变频器的参数设置和电机的启动停止和增减速的控制。
电机由变频器来控制，变频器带有PROFIBUS-DP通讯接口，通过PROFIBUS网络由主站对变频器进行远程控制，可在触摸屏上生成组态画面实现远程控制，也可通过工业以太网在上位机PC实现远程控制。
具体要求有：
1.采用西门子的可编程控制器、触摸屏及有关的应用软件，实现对电动机转速或频率调节控制；
2.在触摸屏上生成组态画面由触摸屏来实现远程控制；
3.采用PROFIBUS-DP总线，通过组态王生成画面由PC来实现远程控制。
1.3本课题要解决的主要问题
1.了解相关技术概况；
2.设计出PROFIBUS现场总线的总体结构图；
3.设计出变频器调速控制系统与总线网络的连接；
4.确定变频器和其他控制设备的型号，并设定变频器的功能参数；
5.用STEP7对系统进行组态和程序编写；
6.实验室进行系统调试，实现远程控制。
1.4相关技术概况
1.4.1PLC技术的特点与发展
PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。
PLC与普通微机一样，以通用或专用CPU作为字处理器，实现通道（字）的运算和数据存储，另外还有位处理器（布尔处理器），进行点（位）运算与控制。
PLC控制一般具有可靠性高、易操作、维修、编程简单、灵活性强等特点。
1）可靠性：
对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性
•PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。
•PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，冗余设计，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，提高了MTBF，降低了MTTR，使可靠性提高。
•PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不易发生操作的错误。
•PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。
采用了精简化的编程语言，编程出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。
•在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。
例如：
采用可靠性的元件；采用先进的工艺制造流水线制造；对干扰的屏蔽、隔离和滤波等；对电源的断电保护；对存储器内容的保护等。
•PLC的软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。
例如：
采用软件滤波；软件自诊断；简化编程语言等。
2）易操作性，PLC的易操作性表现在下列几个方面：
•操作方便对PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。
大多数PLC采用编程器进行输入和更改的操作。
编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的PLC，编程器采用了CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。
更改程序的操作也可直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。
更改的信息可在液晶屏或CRT上显示。
•编程方便PLC有多种程序设计语言可供使用。
对电气技术人员来说，由于梯形图与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。
采用布尔助记符编程语言时，十分有助于编程人员的编程。
•维修方便PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。
当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快的找到故障的部位，以便维修。
3）灵活性，PLC的灵活性表现在以下几个方面：
•编程的灵活性。
PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。
编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。
•扩展的灵活性。
PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。
它可根据应用的规模不同，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。
•操作的灵活性。
操作十分灵活方便，监视和控制变得十分容易。
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。
这些智能模块以微处理器为基础，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。
1.4.2变频器的应用与特点
变频器（Variable-frequencyDrive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。
本世纪70年代初，变频技术迅速发展，已经成为集电力、电子、计算机技术于一体的高科技产品。
全球一些著名的电气公司像西门子、ABB、东芝、三菱等，在这一领域的开发与研究都取得了巨大成就，使得变频调速技术迅速发展并日渐成熟，它较直流调速系统及其它类型的调速系统有以下3个最突出的特点：
1）省电节能，可使电耗降低。
这是因为，一方面，一个常识性的问题就是交流电机的效率比其它类型的电机都要高。
另一方面，一般的电机控制回路中都有过流过压失相等安全保护元件，而“变频器一电机”控制回路则没有这些耗能元件，更不需要像直流调速系统所必备的励磁电源变压器等。
2）系统造价低。
同直流传动系统相对比，异步电机的价格要比直流电机的价格低130%-350%；另外，技术的发展使得变频器成本逐年下降，现市场价格约为1000元/千瓦，而直流整流设备110kw容量以下平均每套的价格约为21000元。
因此对于纸机电气传动系统，单机容量不超过160kw，在同样装机容量下，交流传动系统的造价要比直流传动系统低5%-15%。
针对中低档纸机，装机容量不太大交流调速具有大的价格优势。
3）维护工作量小。
变频器普遍采用大规模、超大规模集成电路，设有附加的外围元器件，因此从某种意义上说，变频器是免费维护设备。
直流电机的维护周期为1个月，而交流电机的维护周期为3个月以上，且维护工作量要小的多。
随着时间的推移，产品不断更新换代，矢量控制（Vectorcontrol）、IGBT（双极绝缘可关断晶闸管）、操作面板（OPRATEPANEL）等新技术不断在变频领域采用，最明显的特征是变频器的体积在变小，同时功能逐渐增强，维护操作更为方便。
这一时期的代表产品有ABB公司的ACS400系列，日本三肯公司的MF，IF系列，富士公司的500系列等型号的变频器，此时控制系统多为双闭环结构，并开始采用模拟量速度链技术。
由于此时数字技术未在操作控制回路采用，所以变频器的抗干扰能力较以前没有太大的改善，通讯能力也比较差。
数字化技术的采用及模块化结构设计风格的出现使得更为高级的变频器诞生，内部采用模块化的结构，使得参数的配置与修改及各功能的实现乃至连接更为方便，速度链上传递的为数频信号，使系统的抗干扰能力更强，故障的诊断，信号的检查也很方便。
数频处理、速度设定、马达控制等模块的链接位置让操作者修改参数比较直观、简洁。
1.4.3组态软件
组态软件，又称组态监控软件系统软件。
译自英文SCADA,即SupervisoryControlandDataAcquisition（数据采集与监视控制）。
它是指一些数据采集与过程控制的专用软件。
它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。
组态软件的应用领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。
1.背景
监控组态软件是在信息化社会的大背景下，随着工业IT技术的不断发展而诞生、发展起来的。
在整个工业自动化软件大家庭中，监控组态软件属于基础型工具平台。
监控组态软件给工业自动化、信息化、及社会信息化带来的影响是深远的，它带动着整个社会生产、生活方式的变化，这种变化仍在继续发展。
因此组态软件作为新生事物尚处于高速发展时期，目前还没有专门的研究机构就它的理论与实践进行研究、总结和探讨，更没有形成独立、专门的理论研究机构。
近5年来，一些与监控组态软件密切相关的技术如OPC、OPC-XML、现场总线等技术也取得了飞速的发展，是监控组态软件发展的有力支撑。
2.发展
组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的。
20世纪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。
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；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、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。
3.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/0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，SQL，Server等）。
通用数据库接口（ODBC接口）运行程序。
4.特点
1）延续性和可扩充性，用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改即可方便地完成软件的更新和升级；
2）封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，用户不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能；
3）通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I／ODriver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。
5.功能
1）强大的界面显示组态功能。
2）良好的开放性。
开放性是指组态软件能与多种通信协议互联，支持多种硬件设备。
3）丰富的功能模块。
提供丰富的控潲功能库，满足用户的测控要求和现场需求。
4）强大的数据库。
配有实时数据库，可存储各种数据，如模拟量、离散量、字符型等，实现与外部设备的数据交换。
5）可编程的命令语言。
有可编程的命令语言，使用户可根据自己的需要编撰程序，增强图形界面。
6）周密的系统安全防范，对不同的操作者，赋予不同的操作权限，保证整个系统的安全可靠运行。
7）仿真功能．提供强大的仿真功能使系统并行设计，从而缩短开发周期。
1.4.4现场总线及工业以太网的概念及应用
现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。
也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。
原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线（配线的共享）。
随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业，乃至世界各地的市场。
信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成了以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。
现场总线的出现标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始。
现场总线具有以下特点：
1）全数字化通信
2）开放型的互联网络
3）互可操作性与互用性
4）现场设备的智能化
5）系统结构的高度分散性
6）对现场环境的适应性。
由这些特点现场总线从而具备了现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域；一对双绞线上可挂接多个控制设备，便于节省安装费用；节省维护开销；提高了系统的可靠性；为用户提供了更为灵活的系统集成主动权的优点。
以太网（Ethernet）指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。
以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。
以太网与IEEE802·3系列标准相类似。
以太网技术和应用的发展，使其从办公自动化走向工业自动化。
首先是通信速率的提高，以太网从10M、100M到现在的100DM、10G，速率提高意味着网络负荷减轻和传输延时减少，网络碰撞几率下降；其次采用双工星型网络拓扑结构和以太网交换技术，使以太网交换机的各端口之间数据帧的输入和输出不再受CSMA/CD机制的制约，避免了冲突；再加上全双工通信方式使端口间两对双绞线（或两根光纤）上分别同时接收和发送数据，而不发生冲突。
这样，全双工交换式以太网能避免因碰撞而引起的通信响应不确定性，保障通信的实时性。
同时，由于工业自动化系统向分布式、智能化的实时控制方面发展，使通信已成为关键，用户对统一的通信协议和网络的要求日益迫切。
这样，技术和应用的发展，使以太网进入工业自动化领域成为必然。
简言之，工业以太网是将以太网应用于工业控制和管理的局域网技术。
传统的控制系统在信息层大都采用以太网，而在控制层和设备层则采用不同的现场总线或其他专用网络。
但目前以太网已经渗透到了控制层和设备层，开始成为现场控制网络的一员。
工业控制从早期的就地控制、集中控制，已经发展到现在的集散控制（DCS），在过去的20年中，过程工业对DCS系统及相关的仪表装置进行了大量的投入，DCS系统的应用结果得到了用户的肯定。
4-20mA信号是DCS系统及现场设备相互连接的最本质特点，这是控制系统和仪表装置发展的一大进步。
第2章系统构成
2.1方案确定
选择好自己毕业论文的课题后，看到这长达二十字的课题名称，头都有些发晕，这课题应该很难了，我就迫不及待的去校园图书馆和网络上查看资料。
我大略地阅读了课题的系统构成、所用元器件、发展前景等相关资料，这才有了一点点头绪。
知难就要勇进，于是我抓紧时间从网站上下载了很多有关PLC、变频器、电动机、变频调速和网络系统的资料，我们的老师也给了我们不少相关文字程序资料，并带我们参观了PLC网络系统控制室，让我们大致了解了一些基本的知识。
接下来的任务就是抓紧时间阅读手头上的资料，及时把握相关信息，为以后的课题设计、论文写作做好铺垫。
本课题的关键是PLC的构成、原理、接线及其网络系统，所以我们最基本的工作就是从PLC入手，学好掌握好PLC的原理及使用方法，只有打好基础，才会有高楼大厦。
老师给我们推荐了几本很好的有关PLC系列的教材，如《深入浅出西门子S7-300PLC》等，虽然我们用的主要是S7-400，但西门子系列的都是相容相通的。
抓住它的“中心思想”就行了。
在前几周的时间里，大部分时间就是用来熟悉相关软件，如Step7、组态软件等，以前基本上没有涉及到这方面的知识，所以初学起来感觉比较吃力。
但在我们带课老师和我们自己的努力下，经过反复的练习和摸索，最后终于掌握了基本的操作、编程等。
最后剩下来的任务就是方案的确定和系统的调试以及论文的书写。
经过一两个月的准备工作，结合课题任务要求，确定了本课题的方案。
基于变频调速控制系统的种种优点，我们采用基于西门子PLC的变频调速的网络控制系统，通过S7-400与工业以太网上的工程师站或操作员站进行通讯，上位机通过软件设计编程可以实现对电动机进行实时远程监控。
S7-400与PROFIBUS-DP总线进行通讯，再通过变频器对电动机进行开环闭环变频调速等控制，编程站和人机交换界面-触摸屏通过Profibus-DP总线进行通讯，在编程站编写好程序，写入S7-400中，我们可以通过操作员站，也可以通过触摸屏来实现对电动机的各项远程监控操作。
而变频器通COMBITMASTERCB15或COMBIMASTERCB155通讯口来实现与Profibus-DP总线相连。
输入/输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。
对软件来说，I/O地址分配以后才可进行编程；对控制柜及PLC的外围接线来说，只有I/O地址确定以后，才
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