用PLC和变频器实现电机的变频调速和远程控制

湖南工程学院应用技术学院

毕业设计（论文）任务书

PLC和变频器实现电机的变频调速和远程

设计（论文）题目： 用

控制

姓名 王松涛 专业 自动化 班级 0481 学号 200413110103

指导老师 赵葵银 职称 教授 教研室主任 赵葵银 李晓秀 一、基本任务及要求：

随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流调速取代直流调速已成为现代电气传动的主要发展方向之一。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机来实现远程控制 二、进度安排及完成时间：

1、（2～4周）接受任务、准备资料、拟定方案，写出开题报告 2、（5周）根据题目要求及已知条件，确定控制方案及所选用的控制器件 3、（6～7周）控制程序的设计 4、（8周）毕业实习，撰写毕业实习报告 5、（9～12周）程序的现场调试 6、（13～14周）相关图纸的设计 7、（15周）完成设计、撰写论文 8、（16周）修改完善论文，准备答辩

目 录

摘 要 .............................................................. 1 Abstract： ........................................ 错误！未定义书签。 第1章 绪论 ........................................................ 1

1.1 概论 ........................................................ 2 1.2 设计论文的主要内容和要求 ................... 错误！未定义书签。 1.3相关技术的发展展望 .......................... 错误！未定义书签。 1.3.1变频调速系统的发展展望 ....................... 错误！未定义书签。 1.3.2 组态软件 ..................................... 错误！未定义书签。 1.3.2.1. 发展概况 ................................................... 2 1.3.3变频器的应用与发展概况 ........................................ 6 1.3.4．PLC的应用与发展概况 ......................................... 7 1.4 变频调速理论 ................................................ 9 1.4.1 异步电动机调速方式 ............................................ 9 1.4.2 变频调速原理 .................................................. 9 1.4.3 变频调速的特点及发展 ......................................... 10 第2章 确定设计方案和系统的构成 ................................... 12

2.1 方案确定 ................................................... 12 2.2 主电路的设计 ............................................... 13 2.3 网络系统组成及说明 ......................................... 13 2.3.1 系统说明 ..................................................... 14 2.3.2 以太网络及组成 ............................................... 15 2.3.3 系统DP拓扑结构及说明 ........................................ 16 2.3.4 工业通讯网络SIMATIC NET性能 ................................. 19 2.3.5 Profibus-DP现场总线 ......................................... 19 第3章 系统硬件设计 ............................................... 21

3.1 变频调速单元的构成及其功能 ................................. 21 3.1.1 变频调速单元的构成 ........................................... 21 3.1.2 变频器的选择与参数设定 ....................................... 22 3.2 PLC的选型与功能说明 ........................................ 25 3.2.1 西门子PLC的基本组成 ......................................... 25 3.2.2 S 7-400PLC及其相关模块 ...................................... 26 3.3 MP270B触摸屏 ............................................... 27 3.4 系统设计元器件汇总表（见附录3） ............................ 28 第4章 系统软件设计 ............................................... 29

4.1 Step7及其特点 .............................................. 29

4.1.1 Step7应用 ................................................... 29 4.1.2 使用STEP7完成一个项目 ....................................... 29

4.2软件设计 .................................................... 31 4.2.1 系统硬件组态 ................................................. 31 4.2.2 创建网络组态 ................................................. 32 4.2.3 PLC程序设计 ................................................. 33 4.2.4 梯形图及功能说明 ............................................. 33 4.3 组态王软件控制系统的设计 ................................... 43 4.3.1 组态王软件控制 ............................................... 43 4.3.2 建立本系统工程应用项目的基本方法 ............................. 44 第5章 系统调试及结果 ............................................. 46

5.1 系统操作中的注意事项 ....................................... 46 5.1.1 系统上电 ..................................................... 46 5.1.2 变频器的操作注意事项 ......................................... 46 5.1.3 画面操作中的注意问题 ......................................... 46 5.2 系统调试及结果 ............................................. 47 第6章 总结 ....................................................... 51 参考文献 ........................................................... 52 致 谢 ............................................................. 54 附 录 ............................................................. 55

附录A：变频调速控制电气图 ...................................... 55 附录B：多功能PLC网络控制屏电气图 .............................. 56 附录C：系统设计元器件明细表 .................................... 57

用 PLC和变频器实现电机的变频调速

摘 要：在本设计任务中，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SIMTIC MANGER440，此变频器能很好的解决转速之间的切换和启动问题。系统中由PLC完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。基于S7-1200 PLC的编程软件 step7 V13 采用模块化的程序设计方法，大量采用功能模块重用，减少软件的开发和维护。利用组态软件Wince，Protool/Pro良好的人机界面和通信能力和Profibus总线技术，使工程师、操作人员可以在中央控制室的工控机上方便的浏览现场的工业流程、实现变频器的参数设置、故障诊断和电机的启动和停止的控制；同时可以在现场进行电机的启动、停止及增减速等的操作。

关键词： PLC；变频器；变频调速；组态软件

第1章 绪论

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1.1 概论

科学技术的发展，对于改变社会的生产 面貌，推动人类文明向前发展，具有极其重要的意义。电气自动化技术是多种学科的交叉综合，特别在电力电子、微电子及计算机技术迅速发展的今天，电气自动化技术日新月异。随着电力电子技术、微电子技术和计算机控制技术的飞速发展，交流变频调速技术的发展也十分迅速。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。本次设计是以电梯控制技术为背景，针对以前的拖曳电梯的一些缺点，采用现在流行的PLC控制技术、变频调速技术、现场总线技术来实现电梯的各种控制。在本课题的系统中，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，采用高功能性控制的通用变频器，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。系统中由PLC完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。基于S7-1200 PLC的编程软件采用模块化的程序设计方法，大量采用功能模块重用，减少软件的开发和维护。利用组态软件良好的人机界面和通信能力及PROFIBUS总线技术，使工程师、操作人员可以在中央控制室的工控机上方便的浏览现场的工业流程、实现变频器的参数设置、故障诊断和电机的启动和停止的控制；同时可以在现场进行电机的启动、停止及增减速等的操作。

1.3.2.1. 发展概况

组态的概念最早来自英文configuration，含义是使用软件工具对计算机及其软件的各种资源进行配置，达到使计算机和软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者要求的目的。组态软件是面向监控和数据采集(super visors control and data acquisition> SCADA)的软件平台工具。具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。组态软件最早出现时，HMI (human machine interface)或MMI(man machine interface)是其主要内涵，即主要解决人机界面的问题。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通信及联网、开放数据接口、对I/0设备的广泛支持已经成为它的主要内容。随着时代的发展，组态软件将不断的被赋予新的内容。

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。首先，微处理器在提高计算能力的基础上，大大

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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(open system)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。

1.3.2.2. 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

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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。

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，具有很强的逻辑、算术运算能力和丰富的控制算法。它以工EC-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。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。

1.3.2.3. 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； 处理数据报错和系统报错；

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

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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工/0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，与被控对象相连的工/0设备数据发生变化会直接带动被控对象的属性变化。

1.3.2.4. SIMATIC PROTOOL组态软件性能介绍

SIMATIC PROTOOL/Pro Runtime即是一种基于用户标准PC的软件，理想用于各种工业领域中机器或小型系统的操控：通用，灵活，高效，SIMATIC PROTOOL/Pro Runtime是一种基于先进Windows的可视化软件，为了实现直观、友好的可视化界面，PROTOOL /Pro Runtime提供有多种现成图片对象，诸如幻灯片控件、条形图、模拟显示、时钟、开关、状态显示等；通过配方管理，数据记录(相关数据)可以从PROTOOL/Pro站同步传送PLC，反之亦然。例如机器设置数据或生产参数。每个配方都可在线管理、保存和编辑大量的数据记录；预组态报警系统可自动采集错误信息和系统状态信息，并使之清晰可视化。例如：对于不同的报警状态，可采用不同的颜色或指示灯闪烁。所有的报警事件随时即可获得并打印。当前信息可显示故障位置和时间。根据特定的报警信息，调用支持信息，操作者可以快速排队故障，过程画面(“Loop in Alarm”)可以提供机器或系统的当前状况的详细信息；PROTOOL /Pro可以通过监控PLC内的数据范围产生报警。如果一个位发生变化，PROTOOL /Pro Runtime会随之显示相应的报警信息。如果与SIMATIC S7连接使用，PLC可主动发送报警信号进行可视化(Alarm多)，减轻通讯负荷；为了实现质量控制或过程优化，报警或过程值可以暂时或长期存档。不管是标准存储格式US还是ODBC数据库，不管是本地可视化PC还是网络数据服务器，测量值档案都可直接通过趋势分析曲线(版本b以上还有一条读线)或标准工具(如：Microsoft Excel)在机器中进行分析：使用分页和缩放功能，可以很方便地查看趋势；在报告系统中，过程数据和报警文件可以单独创建。例如：质量控制或班次报告。

PROTOOL/Pro Runtime采用Windows标准，全面支持OLE-Automation，ODBC或OPC，实现了全面开放，具有如下优点：

1) 开放性：标准PC硬件，Windows操作系统，全面支持Windows标准，更灵活，更独立，更富投资保证。

2) 外向型：提供有在线语言转换功能。

3) 无缝解决方案，不同选项级别：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。

4) 全集成自动化：SIMATIC系列的全线集成，即意味着营造了一种通讯、数据管理

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及组态或编程的无缝环境。

5) 组态简单、快速：丰富的在线帮助功能，直观的界面环境及面向对象的设计，一经启动，即可运行。

6) 各种控制器，轻松相连： PROTOOL /Pro Runtime为各种不同的自动化系统提供有驱动程序，全面集成开放。

7) 卓越的系统性能：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。

1.3.3变频器的应用与发展概况

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(Vector control)、IGBT(双极绝缘可关断晶闸管)、操作面板(OPRATE PANEL)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

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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。

1.3.4．PLC的应用与发展概况

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20世纪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，迈出其实用化阶段的第一步。

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，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。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。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。

1. 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。

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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。

2. PLC的特点

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

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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。

1.4 变频调速理论

1.4.1 异步电动机调速方式

根据电机学和电力拖动基础中提供的结论，异步电动机转速n的转速方程为：

n=n1(1－S)=60f1(1－S)/p (1.1)

式(1.1)中： n—电动机的实际转速；

f1—电动机定子绕组的供电频率； p—旋转磁场的磁极对数；

S—转差率，表示定子旋转磁场的同步转速n.与n的关系。

由上述交流电动机的转速公式(1.1)可以知道要改变转速可以采取以下三种基本措施：(1)改变转差率S； (2)改变磁极对数p； (3)改变电动机的定子供电频率。调节转差率调速的实质是将输入功率的一部分转化为转差功率以削减轴上输出功率的大小，迫使电动机运行速度下降。改变电动机的定子供电频率f(即变频调速)，可使电机始终运行在高效率区，并保证良好的动态性能，是目前最为广泛使用的调速方式。

1.4.2 变频调速原理

由电机学理论，在忽略定子漏阻抗的情况下，三相异步电动机定子每相电压U；有以下关系式：

U1≒E1=4.44f1N1k1фm (1.2) 式中：U1—定子相电压；

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E1—定子相电动势；

N1—定子相绕组总匝数； K1—基波绕组系数； фm—每极气隙磁通。

由上式可以知道：为了保持电动势的平衡关系，当电源频率f1改变时，如果电源U1

保持不变，那么必然引起气隙磁通фm的变化，但是фm的变化都会给异步电动机的运行性能带来不良影响。所以要必须保持主磁通不发生改变。由(1.2)式可以看出，фm是由E1和f1来共同决定的，对E1和f1进行适当控制，就可以保持фm保持额定值不发生改变。但是这种控制受到基频f1(电机额定频率)的影响，在f1 < fN（即基频以下调速控制方式）和f1 > fN（即基频以上调速控制方式）时，E1的变化规律不一样。

1.4.3 变频调速的特点及发展

交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换(整流、逆变)，又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决(基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略)的硬、软件开发问题(在目前状况下主要全数字控制技术)。接近我们生活的高速电力机车、汽车、电梯、音乐喷泉、冰箱、洗衣机、空调等，采用变频控制的越来越多。

1. 交流变频调速具有以下特点：

1) 可以使普通异步电动机实现无级调速； 2) 启动电流小，减少电源设备容量；

3) 启动平滑，消除机械的冲击力，保护机械设备； 4) 对电机具有保护功能，降低电机的维修费用； 5) 具有显著的节电效果。 2. 其主要发展方向有如下几项：

1) 实现高水平的控制。基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制、直接传矩控制和机械扭振补偿等；基于现代理论的控制策略，有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器，在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。

2) 开发清洁电能的变流器。所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为1，网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。对中小容量变流器，提高开关频率的PWM控制是有效的。对大容量变流器，在常规的开关频率

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下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。

3) 缩小装置的尺寸。紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源，以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。功率器件冷却方式的改变(如水冷、蒸发冷却和热管)对缩小装置的尺寸也很有效。

4) 高速度的数字控制。以32位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各种控制算法，Windows操作系统的引入使得可自由设计，图形编程的控制技术也有很大的发展。

5) 模拟与计算机辅助设计(CAD)技术。电机模拟器、负载模拟器以及各种CAD软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。

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第2章 确定设计方案和系统的构成

2.1 方案确定

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和起制动性能，高效率、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。随着现代化工厂的自动化程度不断提高，不仅要求控制系统的各个部件具有强大的通讯功能，实现同类控制器间的数据交换，还要和目前应用广泛的PLC、工控机、变频器等按一定的通讯协议进行数据交换。PLC技术，通讯技术，变频器技术的飞跃发展，为我们实现现代化传动控制系统，达到对控制系统在不同情况下的不同要求，提供了良好的技术基础和理论基础。

虽然以前也学习过变频调速的理论知识，对变频器和可编程控制器也比较了解，但是要想很好的完成这次的毕业设计，我知道自己的能力和知识还差很远，尤其是对于PROFIBUS-DP总线和组态软件确实知之甚少，几乎没什么概念，所以刚开始的时候，心里一点底都没有，找资料又不知道该从何入手，于是找到了赵老师诉说自己的心情，想放弃这个课题。听了我的诉说，赵老师没有责怪我，而是耐心的劝说我，帮我建立起必胜的信心，然后又细心的指导我该如何的查找收集资料，如何的筛选有用的资料，而且还给了好一些比较好的有用的资料。于是每天去图书馆查找资料。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，于是自己大概有了一个头绪。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。于是我从图书馆借了关于西门子PLC系列的教材，如《深入浅出西门子S7-300PLC》等，我们虽然用的主要是S7-400，但西门子系列的都是相容相通，它的基本指令都是一样的，只要抓住核心内容就行了。在开始几周的时间里，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。但在赵老师和我自己的努力下，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

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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和S7-300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。而变频器通过COMBIT MASTER CB15或COMBIMASTER CB155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，才可以绘制电气接线图、装配图。

2.2 主电路的设计

本课题设计的变频调速系统单元，采用交流变频调速，通过控制变频器来实现三相异步电动机的开闭环、正反转和快慢速的转换。其具体工作过程如下：

从电网上接入380V交流三相电源，首先通过一个空气开关作为漏电保护，然后接入三个熔断器作为过流保护。电动机三相U、V、W接在变频器的输出端口，输入端口L1、L2、L3通过了A级滤波器连接在交流接触器KM1上，变频电机的风机则通过热继电器FR1连接在交流接触器KM2上，再连接到交流接触器KM1的电网上。接下来是变频电机简单的起、停、开闭环、变频调速电器控制线路。其控制线路说明如下：QF1为空气断路器，当空气开关闭合，没有按下启动按钮SB1时，交流接触器KM1处于断开状态；当按下起动按钮SB1时，接通交流接触器KM1，KM1继电器通电，交流接触器KM1保持通电状态，可编程序控制器运行，输出端给变频器一个启动信号，电源指示灯HR4亮。在运行中按下停止按钮SB2，则KM1继电器断电，交流接触器KM1断开。同时我们还用了热继电器FR1，用于过载保护。在加速和减速过程以外，电机一直是稳速运行。变频电机的加速、减速、慢速和稳速运行全部都由变频器控制。加速和减速过程时间的长短，以及稳速值的大小由人为在变频器中根据需要设定。

变频调速控制电气图如附录图A所示：

2.3 网络系统组成及说明

本系统中，对三相异步电机采用一台变频器来进行频率的调节控制。通过PLC输出的模拟量信号作为变频器的控制端输人信号，由总线Profibus-DP作为信号的传输通道，完成对电动机的自动控制。变频调速器对电机具有完善的自我保护和电机保护的功能，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

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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。

2.3.1 系统说明

本课题是由三个站点（工程师站、操作员站、编程站）、工业以太网、Prifibus-DP总线、S7-400、S7-300、变频器、三相异步电动机以及人机交换界面-触摸屏组成。本系统网络结构图如图2.1所示：

西门子工业以太网的建立需要相应的软件支持，STEP7是西门子工业自动化控制系统软件，该软件为模块化的软件，在本体软件的基础上有很多可选软件能和其实现无缝连接，本系统选用的是西门子的工业网络软件Soft Net，该软件和STEP7配合能组建西门子的工业以太网、DP网等，并能PLC编程，如图2.1所示。

工程师站打印机ESMIndustralEthernat操作及PLC编程站3#工程师站S7-412-2DP主控单元2#M270HMIProfibus-DP7#1#S7-315-2DP 控制单元其它被控对象MM420变频器电梯、温控等变频电机编码器图 2.1 系统结构图

系统网络结构的最上一层为SIEMENS工业以太网，该网络上有两台计算机，分别为工程师站和操作员站，工程师站安装有监控软件组态王运行狗，负责整个监控系统的运行；同时作为OPC服务器，负责与PROFIBUS主站---西门子S7400系列可编程CPU412-2DP交换数据，使组态王的变量与PLC中的各个控制点关联起来。

工程师站、操作员站、CPU412-2DP是通过SIEMENS工业以太网电气链路模块（相当于HUB）6GV1 105-3AA0互相连接通讯；其中工程师站和操作员站分别装有SIEMENS专用

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工业以太网卡CP1612；而CPU412-2DP则是通过CP443-1工业以太通讯模块连接。（该模块的作用相当于PLC的以太网卡），同时CPU412-2DP是OPC客户端。在以太网中是通过各站点的IP地址来标识身份的。

第二层为PROFIBUS-DP现场总线网，各站点是通过DP地址来标识身份的，本系统的各站点地址分别为：主站CPU412-2DP其DP地址为2，挂在DP总线上的各从站点分别：CPU315-2DP其DP：3；变频器其DP：5， CP5613其DP：0（系统规定，一般不允许更改），触摸屏其DP：1（系统规定，一般不允许更改）

由系统的网络结构图，可以看出本课题的关键主要在于网络系统的构成和编程站程序的编写。程序编出来以后，接下来的工作就是利用组态软件把控制图组态到操作员站点，再连接写入到PLC 当中去，这样就可以把整个系统结构连接到一起，组成相通的网络系统。变频器通过DP通讯模块挂在主站S7400上，在硬件组态时，系统会自动分配通讯字地址给变频器，通讯字为16位，分为控制字和状态字，控制字用于发指令控制变频器，状态字用于反应变频器的工作状态。变频器驱动一台变频电机，变频电机的轴上装有旋转编码器，旋转编码器的脉冲信号送至S7 300中的FM350高速记数模块检测转速。变频器在程序中设有两种控制方式：开环和闭环，开环控制模式时，变频器的转速直接由PLC发出的频率信号（0~50Hz）确定；闭环模式时，PLC给出转速设定值，与旋转编码器检测的速度信号比较，经PID运算后控制变频器转速。(由于电源通断的顺序问题，可能有时变频器会处于报错状态而通讯不上，只要按一次变频器上的Fn键即可恢复)。

2.3.2 以太网络及组成

SIEMENS工业以太网的硬件结构：

西门子工业以太网其本质上与传统的以太网一样，只是其硬件都是工业级专用，如网卡、网线、链路模块（HUB）等；PLC连接以太网是通过以太网通讯模块来实现，采用标准的TCP/IP通讯协议，10M带宽，硬件结构见图2.2所示：

PC Station 1CP 1612PC Station 1CP 1612S 7400PLC以太网通讯模块CP443-1Profibus-DP链路模块（HUB）6GV1105-3AA0

图 2.2 以太网硬件结构图

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以太网作为通信网络的技术优势：

1. 以太网是一种标准的开放式网络，采用TCP／IP通信协议，可以解决物理层、数据链路层、网络层和传输层采用统一的通信协议的问题，不同厂商的控制网络很容易互联。

2. 以太网能便捷地访问远程系统，实现远程诊断和远程维护，共享／访问多数据库。

3. 以太网使以万维网为基础的所有手段可以移植到管控一体化系统中来。 4. 能降低系统成本，包括技术人员培训费用、网络维护费用及系统初期投资。 以太网作为现场总线的技术优势： 1. 可以保证现场总线技术可持续发展。 2. 广泛的开发技术支持。 3. 可以有大量硬件产品选择。 4. 可以拥有大量的软件资源。

5. 可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术发展主流之外，使现场总线技术和计算机网络主流技术很好地融合起来，形成现场总线技术和一般的计算机网络技术同步发展的局面。

在设备中心网络结构中，I／O设备连接到以太网或连接到以太网兼容的I／O数据 集中器上。在这种结构中，以太网取代了现场总线，真正构成了从企业的上层和底层统一的以太网结构。如用Optimation公司的Opti Logic以太网RTU构成的设备中心网络结构，如图2.3所示：

本系统中工业以太网的主要作用是连接上位机和S7-400，以实现上位机对变频器和 三相异步电动机的控制。

上位机以太网EternetRTUEternetRTUEternetRTUEternetRTU 图2.3 设备中心网络结构

2.3.3 系统DP拓扑结构及说明

系统的DP拓扑结构图如图2.5所示，即整个网络系统各被控单元（变频电动机、电

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梯等）通过PROFIBUS-DP总线连接起来，系统为每块分配了相应的DP地址。本课题的变频调速单元通过DP总线与上位机、触摸屏等站点连接起来以实现变频调速的控制。

西门子CPU412-2DP和CPU315-2DP都带有两个通讯口，一个为MPI另一个为DP，在出厂时，新的PLC其MPI地址和DP地址都为2，因此在CPU首次使用时，若系统中DP总线上有两个以上的CPU就必须先对每个CPU进行单独DP地址设置，否则系统将报错，地址重复。CP5613既可设置为DP也可设置为MPI，先将CP5613设置为MPI方式，然后用一根两端装有总线接头的DP电缆（注：电缆和总线接头MPI和DP是一样的）一端插在CP5613上，另一端插在PLC的MPI口上，通过STEP7就可以和PLC连接上了，此时通讯占用MPI口，DP口被自由释放，可以修改地址。本系统就是通过此方式将CPU412-2DP的DP地址设置为2，CPU315-2DP的DP地址设置为3，ET200M、变频器的DP地址通过其自身拨码开关设置，网关和触摸屏可通过其设置按键设置。一般情况下，为保证系统的通讯可靠，我们只修改DP的地址，DP的通讯速率等参数均采用系统的默认值（1.5Mbps），这样一致性好，且不会出错。

当硬件连接好后，主要是通过STEP7软件中的管理器来组态各硬件之间的关系。首先在管理器中建立各个站（这里主要是指建立各类型主站），本系统各类型主站分别为：S7300 Station、S7400 Station、PC Station (5613)、PC Station 1 (1612)、PC Station 2 (1612)，然后再分别对每个站进行硬件配置，此处必须与实物对应，包括具体的槽位、各组件的产品序列号等，当配置PLC的CPU时，系统会自动提示网络选择。

本系统的DP主站CPU412-2DP，而CPU315-2DP也是主站类型PLC，在硬件设置时要将其改为从站，此时系统会要求你选择和主站的数据交换方式，选择MS方式，即主从方式，再设置相应的数据交换区间以及长度，这里的交换区间是指PI和PQ，S7300和S7400都有此两个称之为外部输入输出的交换区，交换数据的方式是交叉的，区间定义好了后，S7300和S7400的数据交换就会通过DP总线自动进行，无须编写通讯程序，如图2.4所示：

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S7400PLC一般存储器I、Q、M等S7300PLC一般存储器I、Q、M等外部输入存储区P L外部输入存储区P L外部输出存储区P Q外部输出存储区P Q 图2.4 S7300和S7400通过DP的主从方式交换数据

例如：当设置了 S7 300的PQW100与S7400的PIW100交换数据，S7 400的PQW100与S7300的PIW100交换数据。

在S7300中PQW100的状态会自动同步反应在S7400的PIW100上，在S7400中对PQW100的操作将自动同步反应在S7300的PIW100中，也就是说在主站S7400中通过PI反应从站的状态，通过PQ操作从站。

DP总线接头6ES7972-0BA12-0XA0终端置ONDP从站变频器MM420 6ES6400-1PB00注：两端的总线接头终端开关要置ON，其他的置OFFOFFON编程站 PC Station CP5613DP从站PLCCPU412-2DPDP从站PLCCPU315-2DP触摸屏MP270B终端置ON 图2.5 系统的DP拓扑结构图

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2.3.4 工业通讯网络SIMATIC NET性能

SIMATIC NET是全集成自动系统中的一个重要组成部分，它为完善的工业通讯提供部件和网络。通讯网络中最重要的部分是：

1. 工业以太网(IEEE802.3) 用于区域和单元级设备联网的国际标准； 2. PROFIBUS (IEC61158和EN50170)用于一定数目的区域和单元级设备联网的国际标准。

工业通讯网络SIMATIC NET通讯服务内容：

1. 通过MPI， PROFIBUS和工业以太网实现数据通讯；

2. 在数据通讯时是否采用多点接口(MPI)，PROFIBUS或工业以太网，很大程度上取决于需要如网络的大小、数据量、节点数和扩展能力等；

3. 网络的基本通讯功能能满足应用上的相容性，也就是说功能贯穿整个网络。 它的通讯功能包括： 1. PG / OP通讯； 2. S7基本通讯； 3. 多点接口(MPI)。 选择/优化网络的标准：

在进行数据通讯时，是否采用多点接Fl(MPI)， PROFIBUS或工业以太网很大程度上取决于应用需要，例如，网络的大小、数据量、拓扑结构、每条信息的典型数据量、节点数以及扩展能力等。

2.3.5 Profibus-DP现场总线

DP是一种现场工业总线标准，最先由西门子公司使用，由于其应用广泛，传输速度快（最大12M）、传输距离远（最远1KM左右）以及总线结构简单（两芯DP通讯电缆）、最多能挂126个站等优点而在全球范围内普及开来，被越来越多的生产厂商采用。

西门子公司的PLC产品有多种支持DP的产品可供选择，其他非PLC同类产品也有相应的DP通讯适配选件供使用。本系统的DP主要器件见表2.1：

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表2.1 系统DP主要器件

名 称 PLC PLC 变频器 DP Interface 型 号 CPU412-2DP CPU315-2DP MM420 CP5613 备 注 自带DP口 自带DP口 外置DP通讯模块 自带DP口

地 址 2 3 5 0

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第3章 系统硬件设计

3.1 变频调速单元的构成及其功能

3.1.1 变频调速单元的构成

变频器的基本构成如图3.1所示。它由整流电路、直流中间电路、逆变电路及控制电路等部分组成。交流电源经整流、直流中间电路滤波后变成直流电源，控制电路有规律地控制逆变器的导通和截止，使之向异步电动机输出电压和频率可变的电源，驱动电机运行，整个系统是开环的。

对于速度精度和响应快速性要求较高的系统，采用图3.1的开环系统还不够，还需要由变频器主回路及电动机检测反馈信号，经运算回路综合后控制触发回路，构成一个闭环系统。根据变频器的构成与功能分析，整个系统硬件的设计由主电路的和控制电路两个部分组成。

交流电源整流电路直流中间电路逆变电路电机控制电路 图3.1 变频器的基本构成

1） 系统的主电路采用常用的典型交—直—交电源型变频器结构，由整流、滤波、 逆变三个环节构成。整流环节采用三相桥式整流模块，逆变电路功率器件采用目前应用广泛的智能功率模块IPM，中间直流环节采用加大电容滤波。

供电电路主电路控制电路电源电压检测专用PWM波形发生器整流电路滤波电路逆变电路电机人机界面PLC存储器过载检测PC通讯控制

图3.2 变频调速单元原理图

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2） 系统的控制电路主要由专用SPWM波形发生器SA4828、单片机AT89C51，键盘显示电路、故障处理电路、控制电源和PC控制部分等组成。

随着变频器产品的不断成熟，众多品牌不断竞争，使得变频器的性能不断的得到提升，功能越来越丰富，可靠性也不断的提高。纵观各种变频器，给变频器设置了如下功能：

1） 基本功能：频率的设定和显示，设定加减速时间，正反转和停止控制功能。 2） 特殊功能：低速时转矩补偿功能，在低速时由于定子压降的比例增大，造成转矩的下降，可以通过适当的提升定子电压的方法来提升转矩。

3） 保护功能：保护变频器防止在非正常状态下工作，如过电流、过载保护和变频器内部模块的保护等等功能。

4）与上位机通讯功能：通过RS232接口，建立起与上位机的通讯，以便能够进行PC通讯控制。

5） 多种运行方式功能：可以进行点动和正常运动控制

6） 减振 、降低冲击功能：通过跳跃频率的设定，可使通用变频器不能输出与负载机械设备共振的频率值，适当地对载波频率进行调节，可降低机械振动，避开机械振动。另外，在变频器上电后，通过启动键方便启动变频器，通过连击加、减键可以方便的改变运转频率。

3.1.2 变频器的选择与参数设定

随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速已应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速在得到广泛应用。在本设计中起停的速度控制由变频器来控制。本设计采用西门子MICROMASTER 420。MICROMASTER 420是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。本系列有多种型号，额定功率范围从7.5KW到90KW，可供用户选择。

在采用变频器的出厂设定功能和缺省设定值时，MICROMASTER 420变频器特别适合用于水泵和风机的驱动。本变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性，其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机的运行噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。

MICROMASTER系统参数的简要介绍：

变频器的参数只能用基本操作面板（BOP-2）或者通过串行通讯接口进行修改。用BOP-2可以修改该和设定系统参数，使变频器具有期望的特性，例如，斜坡时间，最小和最大频率等。钻子的参数号和设定的参数值在五位数字的LCD（液晶显示，可选件）

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上显示。

变频器的参数有三个用户访问级：即标准访问级，扩展访问级和专家访问级。访问的等级由参数0003来选择。对于大多数应用对象，只要访问标准级（P0003=1）和扩展级（P0003=2）参数就足够了。而第四访问级的参数只是用于内部的系统设置，因而是不能修改的。只有得到了授权的人的允许才能修改。

本系列变频器本身无DP通讯口，通过一块DP通讯模块卡在变频器前操作面板上来实现DP通讯，该模块上有拨码开关用于设置DP地址。在STEP7软件的硬件组态中，DP从站里没有变频器选项，通过将MM420系列变频器GSD（类说明和DP驱动）文件导入后就有该变频器的选项了。

表3.1 常用参数表

参数号 参数名称 缺省值 Level DS QC r0000 P0003 P0004 P0010 驱动装置只读参数的显示值 用户的参数访问级 参数过滤器 调试用的参数过滤器 - 1 0 0 1 1 1 1 - CUT CUT CT - N N N 变频器通过DP通讯模块挂在主站S7-400上，在硬件组态时，系统会自动分配通讯字地址给变频器，通讯字为16位，分为控制字和状态字，控制字用于发指令控制变频器，状态字用于反应变频器的工作状态。

变频器驱动一台变频电机，变频电机的轴上装有旋转编码器，旋转编码器的脉冲信号送至S7300中的FM350高速记数模块检测转速。变频器在程序中设有两种控制方式：开环和闭环，开环控制模式时，变频器的转速直接由PLC发出的频率信号（0~50Hz）确定；闭环模式时，PLC给出转速设定值，与旋转编码器检测的速度信号比较，经PID运算后控制变频器转速。(由于电源通断的顺序问题，可能有时变频器会处于报错状态而通讯不上，只要按一次变频器上的Fn键即可恢复) 变频器DP设置：

具体的操作步骤：

1）在STEP7编程软件中先组建Profibus-DP网：PROFIBUS（1）； 2） 并定义CPU412-2DP为主站：DP Master System(1)；

3） 导入MM420系列变频器GSD文件，此操作使STEP7能识别变频器并声明数据格式；

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4）导入后在从站选项中自动添加了MM4XX系列变频器选项； 5）添加一个变频器从站到DP Master System(1)。

通过DP模块6ES6400-1PB00上的拨码开关定义变频器的DP地址为：5号站。系统自动分配通讯数据地址为：512-515也就是PIW512和PIW514；PQW512和PQW514在PLC程序中就可以直接引用以上地址对变频器进行操作以及监视。

6）具体的数据格式为： 控制字为16位：

位00：ON（斜坡上升）/OFF（斜坡下降） 位01：OFF2：按惯性自由停车 位02：OFF3：快速停车 位03：脉冲使能 位04：斜坡函数发生器（RFG）使能 位05：RFG开始 位06：设定值使能 位07：故障确认 位08：正向点动 位09：反向点动 位10：由PLC进行控制 位11：设定值反向

位12：未使用 位13：用电动电位计（MOP）升速 位14：用（MOP）降速 位15：本机/远程控制 状态字为16位：

位00：变频器准备 位01：变频器运行准备就绪 位02：变频器正在运行 位03：变频器故障 位04：OFF2 命令激活 位05：OFF3命令激活 位06：禁止ON接通命令 位07：变频器报警 位08：设定值 /实际值偏差过大 位09：过程数据控制 位10：已达到最大频率 位11：电动机电流极限报警 位12：电动机包闸制动投入 位13：电动机过载 位14：电动机正向运行 位15：变频器过载

CPU412-2DP DP 接口 Profibus-DP主站Profibus-DP总线6ES6400-1PB00MM420 变频器

图 3.3 Profibus-DP与S 7-400连接结构图

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3.2 PLC的选型与功能说明

3.2.1 西门子PLC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1/0扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，I/0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1/0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10cm。无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配置与组合。 3.2.1.1 PLC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；

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808018 08812等； 2）单片机 ，如8051等；

3）位片式微处理器，如AMD2900系列等。 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； 2）用户程序存储器； 3）工作数据存储器。

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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A/D转换得到的数字和数学运算的结果等。

3. I/0单元

I/0单元也称为I/0模块。PLC通过I/0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，以驰动接触器、电磁阀、电磁铁等执行元件。

4. PLC部分选型

本系统中主要选用了SIMATIC S7-400 和SIMATIC S7-300， SIMATIC S7-400可编程序控制器采用模块化设计，性能范围宽广的不同模板可灵活组合，扩展十分方便。一个系统可包括：电源模板（附言）、中央处理器(CPU)、数字两输入/输出(DI/DO)和模拟量输入/输出(AI/AO)的信号模板、通讯处理器(CP)、功能模板(FM)。SIMATIC S7-400还提供以下部件以满足用户的需要：接口模板（IM）、SIMATIC M7自动化计算机和SIMATIC S5模板。SIMATIC S7-400性能优越，环境适应性很强，因此应用范围十分广泛。

3.2.2 S 7-400PLC及其相关模块

1. CPU412-2DP

CPU412-2DP用于需要更多的扩展编程和高速指令处理的大型装置，它内置的PROFIBUS-DP接口使它能作为主站直接连接到PROFIBUS-DP现场总线。

它的RAM是72K字节的，数据后备通过电源模板中的电池或在应用时可以通过外部电池，它所使用的编程语言是STEP7，编程结构是线性、结构化的，它具有组织块（OB）、功能块（FB）、功能（FC）、数据块（DB）、系统功能（SFC）、系统功能块（SFB）六种块的类型。其中FB、FC和OB的块的数量最大分别为256、256和511。系统功能包括中断屏蔽、数据复制、始终功能、诊断功能、故障和出错处理、模板参数分配、运行时间计数器、中断和信号功能。

2. PS407电源（4A）

S7-400需要24伏直流电源，而PS-307负载电源模块可将120/230伏交流电压转化为该单元的24伏直流工作电压，这样就可以使用线路电源来运行SIMATIC S7-400和过程传感器及执行元件了。传感器和执行器使用的负载电压应单独提供。使用冗余电源时，标准系统和容错系统可作为无故障安全系统运行。

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PS-407的输入电压额定值为120/230VAC，允许范围为85～132VAC/170～264VAC；电网频率额定值为60/50HZ，容许范围：47～63HZ；额定输入电流230V时为0.31A，120V时为0.55A，浪涌电流最大为15×额定输入电流，输出电压额定值为5.1/24VDC，输出电流额定值在5VDC时为4A，在24VDC时为0.5A；功率典型值为46.5W，功率损失典型值为13.9W。

3. CP443-1工业以太网通讯处理器

CP443-1将SIMATIC S7-400连接到工业以太网，所具有的组合模式的通讯服务为SEND/RECEIVE和S7通讯。该模块可在AUI和工业双绞线接口之间实现自动切换，并且配置了可选软件包的CP 433-1通讯处理器用于工业以太网。它具有自己的微处理器，因而能减轻CPU的通讯任务和进一步扩展连接。它可通过CP 433-1的S7 400通讯能力实现与以下设备的通讯：编程器、计算机、HMI设备、其他SIMATIC S7系统和SIMATIC S5可编程序控制器。

CP443-1安装在S7-400的DIN导轨上，并经过背板总线连接到邻近的S7-400模板，并且不存在槽位规则，所以安装十分方便。它的D型插座连接器，在AUI和双绞线接口之间自动切换，而且不需要风扇和后备电池，所以接线非常方便。

该模块的数据传输率为10Mbit/s，从5VDC的电流消耗约为1A，从24VDC的典型值为220mA，最大为450mA。其功率损失为8.4W。允许的运行温度为0～60℃，非运行时温度为-40～70℃，工作海拔为30000m。它采用紧凑型、单宽度的模板格式。

3.3 MP270B触摸屏

HMI可以在生产过程中对机器进行操作控制和过程监控。SIMATIC HMI文本显示，操作员面板和触摸屏不仅是信誉度很高而且是最适用的人机界面。HMI能显示操作员和故障信息，可以通过TD/OP/TP很轻松、方便地更改与机器有关的参数。在故障事件时，HMI能快速地进行人工干预。但事实上，它能做的远不止这些，它还能直接连接到SIMATIC S7-CPU的PPI或MPI。通过PROFIBUS系统能在更远的距离范围进行过程的操作与监控。它有四种可选择的人机界面：按钮面板、文本显示、操作员面板和触摸屏。其中，按钮面板能够完成通用操作员面板能完成的任何工作，而且它的增加的功能不需要扩展的SPS编程并具有高度灵活性；文本显示能够存储和管理过程信号；操作员面板和触摸屏可以显示过程的信号/故障信息，设置专用的数值，调用机器或过程数据，修改机器或过程专用参数。

本系统选择的是MP270B触摸屏，MP270B触摸屏为西门子公司较高档次的产品，其显示分辨率为640×480 256色，装有Microsoft windows CE操作系统，带有多个通讯端

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口：MPI/DP、RS232、USB、IE等。触摸屏首次使用时，其默认的通讯端口为RS232串口，其他的端口需通过串口下载组态后激活，其DP地址允许修改，但一般系新触摸屏首次使用时，其默认的通讯端口为RS232串口，其他规定其DP地址为1，除非有两个以上挂在同一DP总线时才做修改。触摸屏的画面组态通过软件PROTOOL来完成，该软件能集成在STEP7中，也能单独使用。本系统为集成使用，相当于将PROTOOL作为STEP7的一部分由它统一管理数据，同时能方便地使用PLC程序中的符号表直接作为MP270B的变量使用。

3.4 系统设计元器件汇总表（见附录3）

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第4章 系统软件设计

4.1 Step7及其特点

4.1.1 Step7应用

STEP 7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器PLC进行组态和编程的标准软件包。它是SIMATIC工业软件的组成部分。STEP7提供了几种不同的版本以适应不同的应用和需求。

? 用于SimaticS7-200 上简单单站应用的STEP 7 Micro/DOS 和STEP 7Micro/WIN； ? 用于使用带有各种功能的SIMATIC S7-300/ST-400、SIMATICM7-300/M7-400和SIMATIC C 7的STEP 7；

? 适用于S7-300C7系列PLC、ET200X和ET200S系列分布式I/O编程、组态软件包。 编程器或PC通过编程电缆与PLCCPU模块相连。用户可以STEP 7 中编写程序和对硬件进行组态，并将用户程序和硬件组态信息下载到CPU，或者从CPU上载到PG或者PC。当程序下载、调试完成后，PLC系统就可以执行各种自动任务了。

4.1.2 使用STEP7完成一个项目

图4.1显示了使用STEP 7设计完成一项自动化任务的基本步骤。 第一步：要根据需求设计一个自动化解决方案； 第二步：在STEP 7中创建一个项目（Project）；

第三步：在项目中，可以选择先组态硬件再编写程序，或者先编写程序再组态硬件； 第四步：硬件组态和程序设计完成后，通过编程电缆将组态信息和程序下载到硬件设备中；

第五步：进行在线调试并最终完成整个自动化项目。

设计自动化任务解决方案创建一个项目（2）组态硬件编写程序编写程序组态硬件下载并进行调试

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图4.1 使用STEP 7的基本步骤

在大多数情况下，建议先组态硬件再编写程序，尤其是对于I/O点数比较多、结构复杂的项目（例如有多个PLC站的项目）来说，应该先组态硬件再编写程序。

当你用STEP 7 创建一个自动化解决方案时，有一系列的基本任务。图4.2所示为大多数项目需要执行的任务，并把这些任务分配到基本程序中。

安装STEP 7设计控制器组态和程序结构启动STEP 7并创建一个项目 ？YES 组态硬件和连续 —组态模板 —连网各个站 —组态与对方站的连接 NO现在组态硬件吗？ ？用符号编程代替绝对地址编程吗？ YES定义符号 NO 生成用户程序 ——编程块 ——在程序中调用块 ——定义局域符号 ？ YES NO生成参考数据现在生成参考数据吗？（例如，为调试） 选项—编程报文—为“操作员控制和监视”组态变量 ？你是否已组态了硬件？ NO 组态硬件和连接 YES下载程序测试程序并诊断错误打印文档 图4.2 Step 7执行的任务

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4.2软件设计

4.2.1 系统硬件组态

本次设计是基于西门子PLC的变频调速控制系统设计，主要是由西门子PLC的S7-300来控制系统的常规控制，S7-300连接PROFIBUS-DP网络至操作及PLC编程站，并且由S7-400连接工业以太网与上位机相连，从而可以由上位机来实时远程控制。

采用西门子公司的S7-300可编程控制器，S7-300采用模块化设计，在一块机架底板上可安装电源、CPU、I/O模板、通信处理器CP等模块，并且可以通过接口模块实现多个机架的扩展工作方式。硬件组态的主要工作是完成硬件型号参数设置、通讯模式选择、设定总线地址、传输方式、数据通讯方式等。使用西门子PLC专用编程软件STEP 7进行组态。具体的组态过程是这样的：打开SIMATIC Manager，进入STEP 7，创建一个STEP 7项目，新建S7-300工作站。如图4.3所示

图4.3 硬件组态

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图4.4 PLC的硬件组态图

接下来选中某个站的Hardware并双击，打开硬件组态程序Hardware，根据上面所选的硬件进行组态，基于硬件的组态图如图4.4所示。在这里要注意，由于S7－300采用的是固定槽编址，如电源模块PS 307 10A放在表中的一号槽位上，CPU插入二号槽位，三号槽位为接口模块保留，本系统中用的接口模块是IM365，从四号槽位开始可以插入最多八个信号模块（SM）、通讯处理器（CP）或功能模块（FM），每个模块的地址在组态硬件下面的模块信息窗口中显示。

4.2.2 创建网络组态

目的：组态网络，完成各个设备通讯。首先建立硬件组态，在硬件组态的基础上，切换到主画面，开始网络组态。

当硬件连接好之后，主要是通过STEP7软件中的管理器来组态各硬件之间的关系。然后再分别对每个站进行硬件配置，此处必须与实物对应，包括具体的槽位、各组件的产品序列号等，当配置PLC的CPU时，系统会自动提示网络选择。当硬件组态的基础上切换到主画面，开始网络组态。图4.5即网络组态画面。

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图4.5 网络组态画面

4.2.3 PLC程序设计

S7-1200编程语言是STEP 7，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、FBD、STL、CFC、SFC、SCL来编程。这是一种可以运行于通用微机中，在WINDOWS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。

STEP 7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，这些模块可以从主控制程序中直接调用，实现不同的功能。

STEP 7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。通常用户程序有功能块（FB，FC），组织块（OB）、数据块（DB）构成。

4.2.4 梯形图及功能说明

SIMATIC 400 程序块 OB1：

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