企业建设电子商务网站的预期收益,花卉电子商务网站开发,北票网站建设,成都做小程序摘要 现代科技发展迅速#xff0c;特别是通讯技术的发展#xff0c;工业现场提供了便捷的数据交互和控制的手段#xff0c;将工业现场的仪表、驱动器、控制器以及上位机之间进行通讯连接#xff0c;进行相互信息交互#xff0c;数据准确高效的传送#xff0c;并且对现场的…摘要 现代科技发展迅速特别是通讯技术的发展工业现场提供了便捷的数据交互和控制的手段将工业现场的仪表、驱动器、控制器以及上位机之间进行通讯连接进行相互信息交互数据准确高效的传送并且对现场的干扰环境抵抗力强对生产自动化建立提供了很大帮助通过现场总线技术进行工程建设提高了生产效率降低了设备故障并且能够对现场的设备运行状况进行诊断达到了区域网监控和控制的目的。 本设计主要针对电动机进行调速控制通过现场总线将变频器、可编程控制器以及上位机通过Profibus-DP现场总线进行连接对变频器调速进行控制和监控。通过增量式PID算法实现电动机速度调节精确控制速度。通过编码器对电动机的转速进行测量将数据传输到变频器通过模拟量输出将编码器的实时转速传输到可编程控制器通过编码器反馈值和速度给定值之间比较输出调节值叠加在速度输出值进行电动机的速度调节实现闭环控制设计。系统设计分为工艺分析、总体设计、硬件设计以及软件设计通过现场总线技术进行通讯达到自动控制变频器并且精确调速控制的目的。 关键词Profibus-DP变频器可编程控制器增量PID算法 Abstract With the rapid development of modern science and technology, especially the development of communication technology, it provides a convenient means of data interaction and control for the industrial field. It connects the instruments, drivers, controllers and upper computers in the industrial field to communicate with each other for information exchange, accurate and efficient data transmission, and has strong resistance to the interference environment on the site, providing for the establishment of production automation It helps a lot. Through the field bus technology for engineering construction, the production efficiency is improved, the equipment failure is reduced, and the operation condition of the field equipment can be diagnosed, so as to achieve the purpose of regional network monitoring and control. This design is mainly for the motor speed control, through the field bus to connect the inverter, PLC and upper computer through PROFIBUS DP field bus, to control and monitor the inverter speed control. Through incremental PID algorithm, the motor speed can be adjusted and controlled accurately. The speed of the motor is measured by the encoder, the data is transmitted to the frequency converter, and the real-time speed of the encoder is transmitted to the programmable controller by the analog output. By comparing the feedback value of the encoder with the given value of the speed, the output adjustment value is superimposed on the speed output value to adjust the speed of the motor and realize the closed-loop control design. The system design is divided into process analysis, overall design, hardware design and software design, through the field bus technology for communication, to achieve the purpose of automatic control of frequency converter, and precise speed control.
Keywords: PROFIBUS DP; frequency converter; PLC; incremental PID algorithm 目录
摘要 1
Abstract 2
1 绪论 4
1.1 课题研究的目的及意义 4
1.2 课题研究的内容 4
1.3 课题研究的思路 5
2 变频调速系统的总体设计 6
2.1 Profibus-DP的介绍 6
2.2 系统设计的工艺方案 8
3 变频调速系统的硬件设计 9
3.1 可编程控制器的选型 9
3.2 变频器的选型 10
3.3 总线连接器的选型 11
3.4 系统的硬件方案 13
3.5 可编程控制器的硬件设计 14
3.6 变频器的硬件设计 15
3.7 变频器的参数设置 16
4 变频调速系统的软件设计 18
4.1 编程软件的介绍 18
4.2 硬件组态配置设计 18
4.3 程序的设计 21
4.3.1 通讯程序的设计 21
4.3.2 逻辑程序设计 22
4.3.3 速度给定及PID调节程序设计 24
4.3.4 数据转换程序设计 25
5 变频调速系统的上位机设计 28
5.1 组态设计的工艺分析 28
5.2 组态设计的过程 28
总结 31
致谢 32
参考文献 33 1 绪论
1.1 课题研究的目的及意义 现场总线技术主要在计算机的控制技术、信息技术以及自动控制理论技术等基础上进行研发实现设备之间的数据传输。现场总线技术在生产中应用比较广泛特别是造纸行业、钢铁行业以及多传动系统行业等有大量的应用现场总线技术只需一根通信电缆可以将多个设备连接通过设置通讯地址、传输速率建立主站和从站实现系统的相互数据传输。特别是变频器的应用每个厂家的变频器都开发有通讯技术包括常见的以太网、Modbus、USS、Profibus以及光纤通信等。 变频器作为工业应用常用的驱动单元通过变频控制技术以及现代微电子应用技术对现场工作电动机进行频率、转矩控制的电力设备。变频器的分类主要包括高压大功率变频器和低压小功率变频器常用变频器的工作电源使用工频交流电源。可编程控制器品牌较多共同的特点是产品的体积较小、控制模块比较丰富、控制功能强大而且能够通过编程的方式实现控制系统的工艺改变和升级改造。特别是可编程控制器强大的通讯功能能够将现场的实时数据通过各种通讯协议进行传输为未来自动化工业革命提供良好的发展基础。
1.2 课题研究的内容 本设计主要通过Profibus-DP通讯技术对变频器、可编程控制器进行通讯。通过通讯技术将变频器与可编程控制器之间进行控制字、速度给定以及状态字、速度电流反馈等进行数据交互。通过MPI通讯技术实现可编程控制器与上位机之间的通讯实现可编程控制器与上位机之间的给定命令、状态反馈以及速度电流反馈等数据交换。系统设计对电动机通过安装编码器实现电动机速度测量将速度测量值与速度给定值之间通过增量PID算法实现速度的调节控制。 按照以上的设计内容对系统进行硬件设计和软件程序设计通过上位机进行可视化设计实现系统的现场总线通讯技术和变频器调速控制的应用。
1.3 课题研究的思路 根据基于现场总线的变频调速的工艺要求和设计内容按照一般设计流程首先对系统进行总体的工艺分析和方案设计当确定方案后完成系统的硬件图纸绘制和分析并对软件流程和程序进行详细设计通过系统的调试达到设计要求。具体设计的思路按照以下步骤分析 1在总体设计工艺分析中对现场总线的控制工艺进行详细的分析明确现场总线控制技术以及设计要求。确定系统方案。 2在系统的硬件设计中明确硬件设计的要求对系统的电路进行分部设计详细设计每个电路图对线路部分的接线要求和原理进行明确分析。 3在系统的软件程序设计主要按照工艺流程图和对程序进行分部设计完成程序的各种功能实现分析程序的设计思路和注释。 4按照硬件设计和软件的程序设计通过仿真进行功能的验证和修改确定系统功能全部按照设计的要求进行通过仿真对系统的稳定性和可靠性进行验证。满足系统的工艺要求。 5完成系统设计的总结对本系统设计的优缺点进行分析为后期的升级改造留有空间并且进行设计的总结分析。 2 变频调速系统的总体设计
2.1 Profibus-DP的介绍 Profibus-DP现场总线技术主要由德国西门子公司自主研发设计该总线技术的协议主要以国际标准化开放式互联网作为设计的模型使用过程中主要采用第一层和第二层。第一层主要为物理层第二层为数据链路。采用Profibus-DP现场总线技术对工厂的现场设备实现高速率通讯。该现场总线技术主要应用于中央处理单元和现场分布式的I/O设备以及驱动器等通讯。对于每个主站之间采用的通讯方式为令牌方式。而对于主站设备和从站设备之间采用的是主从的控制方式。 Profibus-DP现场总线技术在传输时的速率比较高并且传输距离比较远采用双绞线屏蔽电缆通讯距离最远可以达到10千米。如果采用光纤的方式进行数据传输可以达到90千米。Profibus-DP现场总线可以实现127个站点之间同时进行通讯具有灵活的拓补结构以及其他的结构应用。现场总线技术的使用实现了数据通信速率高、距离远以及抗干扰性能强可靠稳定的效果成为生产现场总线通信的首选。 1Profibus-DP的协议结构 现场总线技术主要采用国际标准和OSI标准作为设计参考模型。现场总线主要通过定义第一层和第二层实现对用户的接口定义而对于第三层到第七层并不做相关的技术描述。对于用户的接口可以实现不同的现场设备和仪表之间的参数调用和功能设计。 2Profibus-DP的特征 现场总线技术采用的双绞屏蔽线为RS-485双绞屏蔽线。该屏蔽线信号稳定传输的速率比较高可以实现9.6kbps到12Mpbs之间的数据速率选择和传输。主站之间通过令牌的方式进行轮询传递而对于主站和从站之间主要通过主从的控制方式进行数据交互。系统可以实现127个从站和主站之间进行数据传输。灵活的拓补结构以及其他的结构应用。 3单主站或多主站系统
在PROFIBUS-DP现场总线系统中可以连接126个从站设备在进行从站设备的配置时需要对站点的地址、数量、输入地址和输出地址以及数据格式、诊断格式等信息进行设置。在PROFIBUS-DP现场总线系统中需要设置一个主站。如下图所示PLC作为该系统的主站进行数据传输。 图2-1 Profibus-DP单主站系统
PROFIBUS-DP多主站系统中总线上连有多个主站。总线上的主站与各自从站构成相互独立的子系统。如图2-2所示任何一个主站均可读取DP从站的输入输出映像但只有一个DP主站允许对DP从站写入数据。 图2-2 ProfibusDP多主站系统
2.2 系统设计的工艺方案 本设计主要针对电动机进行调速控制实现精确调速的控制功能。具体工艺如下分析 1采用可编程控制器与变频器之间实现Profibus-DP通讯通过设置DP地址和通信速率实现系统的相互通讯对变频器的控制字、速度给定、状态字、电流反馈进行数据交互。 2采用可编程控制器与上位机之间实现MPI通讯设置MPI的通信地址并且设置通信速率实现可编程控制器与上位机之间速度给定设置、启停命令、变频器的速度反馈、电流反馈等的信息交互。 3通过编码器对电动机的转速进行监测将编码器信号接入变频器通过变频器的编码转换转换为实际监测速度值通过模拟量输出进行编码器检测值的反馈反馈到可编程控制器通过可编程控制器的模拟量输入模块进行信号接收将模拟量信号转换为数字信号并通过程序的数据转换转换为实际检测值。 4将反馈回来的监测速度值与速度给定值进行比较通过增量PID的应用算法输出调节值对变频器的速度输出给定值进行微量调节变频器的速度精确控制。通过P、I、D的参数调节对变频器的当前速度进行恒变量控制调节实现精确控制速度的工艺要求。 5系统设计主要进行现场总线的硬件组态设计、变频器参数设置、以及通讯程序设计等通过详细设计实现Profibus-DP的通信。 3 变频调速系统的硬件设计
3.1 可编程控制器的选型 可编程控制器在市场上应用比较多可编程控制器可以解决工业现场各种问题包括现场逻辑控制功能、数据处理功能、通信功能以及过程控制的实现功能等。可编程控制器采用专用的程序编译软件通过该软件的组态设计、工艺程序设计等方法帮助完成工业控制现场的各种复杂的工艺能够实现工业现场的各种通讯和互联网进行数据交互达到客户的要求。可编程控制器具有高可靠性、高稳定性、扩展性强等优点成为当前工业发展的主力产品。
对于工业现场应用有许多连续量需要进行控制比如常见的温度控制、压力控制以及流量控制等。这些变量往往要求恒定比如恒压供水场合要求管道压力恒定比如恒温水箱控制场合要求水温恒定等。为了实现某连续量恒定的控制就需要应用到可编程控制器特定的功能PID控制功能。通过PID控制可以将外部检测的模拟量信号输入到可编程控制器与设定的变量之间进行比较通过比例增益、积分时间、微分时间的调节输出模拟量到执行单元对特定的变量进行调节控制。
可编程控制器具有强大的通信功能能够通过设定的通信协议将上位机和其他通信单元之间进行联网达到快捷的数据交互和控制目的。常用的通信方式主要由MODBUS通信协议、以太网通信协议、USS通信协议以及Profibus-DP通信协议。通过这些协议能够使用通讯电缆将设备之间进行连接方便了数据通信提高了控制的精度。
在西门子公司生产的PLC中常用的有S7-200以及S7-300产品S7-300系列PLC的应用场合较多该可编程控制器使用的功能强大能够实现较为复杂的控制功能编程的指令比较丰富能够实现PID控制功能和PTO脉冲输出功能以及高速计数器功能等。通讯方式比较多通过MPI通讯方式可以使用编程电缆进行程序的下载和上传。通过程序编译组态可以实现设备与设备之间的MODBUS通讯和Profibus通讯通过通信端口进行硬件连接。S7-300可编程控制器的功能模块比较丰富有常用的DI/DO模块AI/AO模块通信模块高速计数模块等。CPU的类型也比较多包含CPU312-CPU318每个CPU型号的程序处理能力各不相同等级越高处理的能力越强。 按照系统的设计要求采用西门子S7-300 CPU3135-2DP可编程控制器作为系统的控制单元完成系统的设计。该型号的可编程控制器可以实现本系统涉及的基本逻辑控制能够对外部输入信号进行数据逻辑计算、特殊功能的使用通过外部输出将连接外部的执行单元。通过端子计算和存储容量计算本系统选择的CPU315-2DP型号选用SM321数字量输入模块和SM335模拟量输入输出模块实现外部数字量输入以及模拟量输入采用的工作电源模块位PS307 10A该模块输入电源为AC220V为CPU和输入输出模块提供DC24V电源。采用的编程软件为Step7。产品如下所示。 图3-1 S7-300可编程控制器
3.2 变频器的选型
变频器主要的工作原理是先将外部工频交流电通过整流单元和滤波单元变换为直流电然后按照电路板发送的脉冲指令控制IGBT逆变单元将直流电逆变为交流电从而达到对电动机的速度及转矩电流的控制。在通常情况下变频器主要将固定电压的交流电变换为直流电然后通过一系列的控制参数将直流电转换为可调节电压及转矩电流控制电动机的运转频率及转矩。
按照电机拖动基础知识可知电动机的转速与频率、极对数之间的关系如下公式所示 N为电机实时转速f为电机的工作频率s为电机的转差率p为电机的极对数。按照此公式的关系可知在电机极对数和转差率恒定的条件下电机的频率和转速之间成正比例关系当频率改变电机的转速随之改变这样就实现了电动机频率和转速之间的无级调节关系。变频器可以对频率参数进行调节通过频率的设定改变电路板输出到IGBT逆变单元的脉冲速度和数量从而达到调节电机转速的目的。 设计变频器具体型号为MMV型号变频器对于该变频器在市场上应用很广泛对电动机的调速效果比较好能够实现对电动机的频率调速功能电流控制功能等。该变频器使用的功能很丰富可以适用于各种电动机控制场合。变频器的参数主要分为电动机参数设置、启停控制参数设置、速度给定控制参数设置、速度斜坡参数设置启动和停止方式参数设置、报警故障功能参数设置、现场总线功能参数设置、编码器控制功能参数设置以及各种数据监控功能等。对于该变频器的使用中对电动机的控制方式包括V/F方式的标量控制、带编码器的矢量控制以及不带编码器的矢量控制。当使用矢量控制时电动机参数设置完成后就需要进行电机的自学习功能使变频器能够更好的控制电动机达到无缝连接控制的效果。调速性能好现场总线通讯的功能强大可以通过购买通讯模块来实现各种控制的通讯协议。能够和可编程控制器之间进行数据交互达到自动化控制的要求。
MMV变频器按照本设计的工作要求选用的变频器额定输入电压为AC400V频率调节范围为0-1000HZ冷却方式为风扇冷却安装方式为壁挂式安装控制方式为V/F电压频率控制通过现场总线进行变频器的启停控制通过现场总线进行变频器的速度调节。
3.3 总线连接器的选型
对于Profibus-DP的现场总线连接器主要功能是实现可编程控制器与变频器之间的通信连接该总线连接器如下图所示。 图3-2 RS485总线连接器 该总线连接器的电路图如下图3-3所示。 图3-3 RS485总线连接器电路图 通过上图可知现场总线连接器采用终端电阻进行系统的通讯起始和结束。当终端电阻开关打开时将220欧姆的电阻投入并联在现场总线的线路之中并且通讯两端的电阻开关都打开此时现场总线的电阻值为110欧姆左右表示设置正常。在现场总线中主要使用三号引脚和八号引脚三号引脚为RS485八号引脚为RS485-。通过三号引脚和八号引脚连接到系统的终端接头达到通讯的目的。
3.4 系统的硬件方案 系统采用S7-300 CPU315-2DP作为控制单元采用SM321模拟量输入模块进行外部的数字量信号输入采用SM335进行检测速度反馈的模拟量输入采用PS307-10A作为系统的电源模块。通过CPU315-2DP的通信端口实现DP通信和MPI通信。与MMV变频器之间实现DP通讯与上位机之间实现MPI通信。通过编码器将电动机的实时监测速度反馈给变频器通过模拟量端口实现变频器与PLC之间的模拟量通信将实时监测速度值反馈给可编程控制器。具体的硬件方案如下图所示。 图3-4 系统硬件设计方案图 按照以上图可知PLC的MPI地址为2触摸屏上位机的MPI地址为1对于变频器来说DP地址为11PLC的DP地址为2。将增量式编码器接入变频器的编码器接线端子进行编码器的参数设置后将该检测速度反馈值通过模拟量输出端子传输到可编程控制器。按照此方案对系统进行设计。
3.5 可编程控制器的硬件设计 本系统设计采用CPU315-2DP进行现场总线变频器调速系统的电气接线图设计该接线图按照I/O分配进行输入和输出部分的接线设计以及电源的接线设计。在本设计中CPU315-2DP按照选型可知通过PS307-10A电源模块的电源输入为AC220V通过断路器进行电源的开断当断路器接通时电源模块将开始上电并输出DC24V给CPU和外部输入输出模块。CPU进行扫描完成初始化当电源断开时PLC将停止运行。 图3-5 可编程控制器硬件接线图 通过SM321模块作为数字量输入模块在DI输入部分公共端分别为M和L等该公共端需要接入电源的正极对于输入部分的按钮等电器元件对于输入的按钮需要进行两端接线其中一段和PLC的正极相连接另外一端将接入PLC的DI端子内。如果按钮常开触点闭合后可编程控制器相应的端子灯亮表示了按钮接线正常。对于模拟量输入输出模块SM335对实时监测速度反馈进行设计通过A和A-实现模拟量的输入模拟量输入类型为4-20MA。CPU315-2DP通信端口实现DP通信和MPI通信。与MMV变频器之间实现DP通讯与上位机之间实现MPI通信。
3.6 变频器的硬件设计
按照现场总线变频调速控制系统的工艺分析要求以及控制策略结合总体设计方案选择MMV变频器进行主电路的设计变频器额定输入电压为AC380V频率调节范围为0-50HZ控制策略为V/F电压频率控制通过现场总线控制字进行变频器的启停控制变频器的速度给定方式采用现场总线进行速度给定给定信号为0-16384的数据。当输入数据为0时给定频率为0HZ当输入数据为16384时给定频率为50HZ。变频器主电路设计元件包括断路器、变频器等断路器的作用是通断电动机主电路回路当主电路发生过流现象时断路器将立即动作切除故障线路。对于变频器控制的工艺要求通过认真学习变频器的硬件接线手册对变频器进行接线设计。变频器的接线中主要为动力线路的接线和控制线路的接线。 图3-6 变频器硬件接线图 按照以上变频器的硬件接线图可知编码器进行电动机的实时转速测量将测量结果传输到变频器通过编码器接线实现编码器电压为DC24V每转1024脉冲。通过正交方式进行编码器的速度检测输入。模拟量输出端口为AO1和AGND输出信号类型为4-20MA主要将实时监测的速度进行反馈。
3.7 变频器的参数设置
变频器的参数设置首先进行电动机的参数设置按照该控制电动机的铭牌进行设置其次进行变频器启停方式的设置本系统采用现场总线启停控制。再次进行变频器的通讯进行设置通讯地址为11通讯速率为187.5通讯主要通过PPO4的数据方式进行设计变频器接受的数据分别为控制字和速度给定数据变频器发送给可编程控制器的数据有状态字、速度反馈以及电流反馈。对模拟量输出AO1进行设置数据源为编码器反馈速度数据类型为4-20MA。对变频器的加减速时间进行设置加减速时间分别为20S。详细参数表如下表所示。
表3-1变频器参数表-基本参数
参数
参数描述
参数值 P10
调试参数
3 P3
用户访问等级
3 P304
电机额定电压
380 P305
电机额定电流
15A P307
电机额定功率
7.5 P311
电机额定速度
1475 P303
加速时间
20 P304
减速时间
20 P658
控制字急停
10 P661
控制字运行
3103 P665
控制字复位
3107 P388
给定与实际差值
10 P443
标准给定的源
3002 P225
速度调节器P增益
23 P226
速度调节器积分时间
0.45 对于变频器的通讯参数主要实现变频器与可编程控制器之间进行数据通讯选择数据类型为PPO4地址为11对状态字和电流反馈速度反馈进行设置如下表所示。
表3-2变频器参数表-通讯参数
参数
参数描述
参数设置 P648
控制有效P654-P675有效
9 P918
变频器地址
11 P927
参数化接口使能
7 U734.01
状态字有效
32 U734.02
滤波后实际速度反馈
179 U734.03
实际电流
107 本设计采用的编码器为正交增量编码器脉冲数为1024PPr/min采用的电压为24V该电机的最大转速为1500r/min。对编码器的参数设置如下。
表3-3 变频器参数表-编码器参数
参数
参数描述
参数设置 P140
编码器类型
1 P141
编码器脉冲数
1024 P142
编码器电压选择
124V P143
电机最大转速
1500rpm 4 变频调速系统的软件设计
4.1 编程软件的介绍
本系统设计采用S7-300可编程控制器作为控制单元使用的编程软件为S7-300可编程控制器专用的软件STEP7。该软件安装必须在微软操作系统上该软件能够完成硬件的组态设计、功能块以及数据块的建立、每个功能块程序的编译、特殊功能的建立、程序的下载以及在线监控。当系统处于在线状态下可以进行变量的查询等。软件功能强大、指令丰富能够对各种控制方案进行程序编译。S7-300采用专用的MPI编程电缆通过驱动的选择以及波特率、通讯地址的设置可编程控制器之间进行通讯连接进行程序的上传下载以及在线监控操作。STEP7软件的界面功能丰富通常情况下在每个组织块和功能块的编程界面分为菜单栏、工具栏、状态栏以及程序编译栏、系统的变量表栏可以通过交叉应用对某变量在程序中的出现位置进行搜索。该软件使用方便、功能全面。软件界面如下所示。 图4-1 STEP7软件编程界面
4.2 硬件组态配置设计 在硬件组态配置中首先对设备进行添加按照硬件组态的步骤首先添加RACK-300该型号为各种S7-300模块的安装底板。该安装底板可以插入各种功能模块。在第一槽插入PS 307 10A的电源模块在第二槽插入CPU315-2DP在第四槽插入SM321数字量输入模块在第五槽插入SM335模拟量输入输出模块。如下图所示。 图4-2 硬件组态图 当插入以上模块后对CPU进行属性设置MPI接口组态进行联网设置设置MPI的地址为2并且设置传输率为187.5Kbps对MPI接口的组态配置是为了和上位机之间进行通讯。如下所示。 图4-3 MPI组态配置图 对CPU315-2DP进行DP的组态配置将可编程控制器设为DP主站并设置DP的地址为2通讯速率为187.5Kbps对DP进行组态配置主要和变频器之间进行通讯如下所示。 图4-4 DP组态配置图 对于插入的SM321的地址为I0.0到I1.7对于模拟量模块SM335一共四个AI输入和四个AO输出模拟量地址分别为AI输入272-287AO输出位272-279。如下图所示。 图4-5 模块组态配置图 对于变频器的配置通过GSD文件的添加将GSD文件添加到Profibus-DP的总线上如下图所示。 图4-6 变频器添加组态图 对变频器的属性进行设置变频器的DP地址为11组态通讯速率和主站PLC的相同为187.5Kbps如下图所示。 图4-7 变频器DP组态图 对变频器进行PP04添加PP04主要进行为0PKW/6PZD。表示可以传输控制字和速度给定将控制字和速度给定写入变频器除过读取变频器的状态字和速度反馈还可以对变频器的6个数据进行状态读取。对于PP04的组态如下所示。 图4-8 PPO4添加组态图 通过以上的组态实现了可编程控制器的模块添加MPI组态、DP组态以及模块地址组态说明对变频器的GSD文件进行了添加并且通过变频器的DP组态图和PPO4的添加实现了变频器的组态设计。
4.3 程序的设计 对于本设计而言需要实现变频器与可编程控制器的数据读取功能、对变频器进行启停控制功能和速度给定调节功能通过PID的运算功能对测量速度值和设定速度值进行比较并输出调节量对变频器的输出值进行调节控制。系统设计将通过一个主程序调用多个子程序进行设计。其中OB1为组织块FC为功能FB为功能块DB为数据块SFC为系统功能。如下所示。 图4-9 程序结构图
4.3.1 通讯程序的设计 本设计的通讯程序使用FC10进行编写通过调用通讯数据读取SFC14和通讯数据写入SFC15进行设计。将地址为256的变频器数据通过SFC14进行状态字、速度反馈、电流反馈读取读的数据寄存到DB2.DBW0到DB2.DBW6
将控制字DB2.DBW10和速度给定值DB2.DBW12给到变频器通过SFC15进行数据传输。其中MW200和MW202为通讯故障代码。当出现故障时通过故障代码可以查询当前故障信息。 4.3.2 逻辑程序设计 逻辑程序通过OB1进行编写当DB2.DBX1.7故障位输入时M0.1故障得电按下上位机的M1.1启动按钮或者外部启动按钮I0.0输入将变频器启动47F命令给到控制字当按下上位机的M1.2停止按钮或者外部停止按钮I0.1输入或者故障输入将47E给到控制字并且将M10.1复位。当电机运行时通过状态字DB2.DBX1.2读取当前的状态表示当前电机在运行。 在主程序中对通讯程序和速度给定调节程序进行调用。 4.3.3 速度给定及PID调节程序设计 通过上位机给定速度MD100与电机最大值1500转/分钟相除得到百分比值乘以16384表示转换为0-16384的通讯数据。再将增量式PID调节的结果MD116的值进行叠加。得到结果为MD124将双整数MD124的低整数位MW126给到通讯值DB2.DBW12.对于PID调节将速度给定值和测量速度反馈值进行比较通过PID调节得到结果输出到MD116。 4.3.4 数据转换程序设计 在OB1中需要对数据进行转换将调用FC7对数据进行换算程序将反馈速度、电流以及外部检测速度进行实数转换。对于反馈速度和电流值该输入范围为0-16384通过转换将反馈速度转换为0-1500转的实时转速将电流值转换为0-1000A的实时电流值。对于外部监测速度值采用模拟量进行设计该模拟量的范围为6400-27648通过调用FC7数据转换程序将外部的模拟量数值转换为0-1500转的监测转速值。具体程序如下 通过以上的程序设计实现变频器的速度给定、控制字给定以及状态字反馈对电流值、速度反馈值以及测量速度值通过FC7实现了转换通过上位机进行显示。在速度调节控制中通过增量式PID进行速度调节将输出的调节值叠加到速度给定输出值实现变频器的速度调节达到设计的要求。 5 变频调速系统的上位机设计
5.1 组态设计的工艺分析 本系统采用WINCC FLEXIBLE软件进行组态设计对变频器调速控制系统的当前状态、频率输出值等进行数据监控。WINCC FLEXIBLE软件的版本为2008SP4,开发的公司为西门子自动化有限公司。该WINCC软件可以通过驱动程序与S7-200进行通讯和S7-300之间采用的通讯协议为MPI。对可编程控制器内部的变量数据通过该通讯协议进行数据交互和读写。系统组态设计分为工程建立、驱动建立、画面设计、变量添加设计、动画设计等。通过以上的步骤进行本系统的组态设计开发。达到设计的监控可视化要求。
5.2 组态设计的过程 首先打开工程管理器进行设备选择,如下图5-1所示。 图5-1 设备选择对话框 在该设备选择对话框中可以进行触摸屏的型号选择,本设计选择KTP1000 Basic DP按下确定后,就可以对此设备进行画面、变量连接、驱动连接等设计。在项目设计中可以对项目进行、驱动建立、画面设计、变量添加设计、动画设计等。本系统建立项目对话框时需要对项目的存储信息进行填写。当建立好设备类型后就需要对系统进行驱动连接如下图5-2所示。 图5-2 项目建立对话框 按照以上的驱动连接采用MPI通讯方式并且对PLC的地址为2对KTP-1000 Basic DP的触摸屏地址为1建立波特率为187.5Kbps.此时驱动连接完毕。开始进行项目的变量表添加变量表添加包括变量名称、变量地址、以及变量的属性设置。在变量管理中对每个变量进行设置包括对变量的基本属性设置、报警定义设置等。对变量的类型进行设置并且对初始值、最小值和最大值等等都需要进行设置更多时候都是保持默认设置即可。如下图5-3示。 图5-3 变量表 当所有变量设计完毕后就可以进行画面的设计在画面设计中有“工具”可以根据工具进行画面的背景设计、图表添加设计、字符输入设计以及简单图形设计也可以完成对象的颜色设计、位图设计、形状变化设计等。在进行画面设计时按照本系统设计的要求添加相关的对象并对该对象进行命名对添加的按钮、指示灯、输入数据框等进行变量的设置。本系统设计需要完成按钮的设计、指示灯的设计、相关的数据输入设计等。
在画面设计时对每个对象的颜色、形状都可以按照工艺的要求进行完成。特别是使用图库管理器在图库管理器中有诸多仪表、传感器、按钮、指示灯、电气符号、阀门等相关图形可以选择使用鼠标拖动的方式添加到画面并且对该对象进行变量的赋值完成该对象的详细参数设置等。画面设计需要美观大方可操作性强能够充分反映当前的系统状态和数据显示。如下图5-4所示。 图5-4 画面设计图
当画面设计大体完成后需要对某些图形进行变量的动画添加处理动画都包括闪烁动画、隐含动画、水平移动或垂直移动动画、填充属性对话等。根据不同的图表添加不同的动画如下图5-5所示。 图5-8 对象添加对话框 当设计到此所有的组态设计完成组态设计主要对驱动程序进行添加设计对变量进行命名并设置属性完成变量列表。当以上步骤全部完成后整个组态设计完整设计完成。需要进行“运行”对系统进行仿真调试。
总结 本系统设计的基于现场总线的变频控制系统主要的工艺为对变频器进行Profibus-DP通讯控制变频器的启动和停止以及速度给定对变频器的状态进行反馈等。设计中主要对该系统进行了现场总线的介绍和控制策略设计。按照设计的策略对可编程控制器、变频器以及连接器元件进行了选型设计并且完成了系统的总体设计方案。在硬件设计中首先进行硬件设计的分析完成了变频器电路和PLC电路的设计对变频器的参数设置进行了说明。在软件设计中对系统组态进行了详细设计对系统的程序流程图进行了说明完成了程序的设计和分析通过仿真调试达到了设计的要求。通过系统的调试可知系统设计还需要进一步完善特别是自动化程度的提高和工艺的保护功能完善。 致谢
大学的生活给了我很多美好的回忆在即将结束的大学生活中我有非常多的不舍得在这几年里通过专业课程的学习我获得了非常多的知识在今后的生活和工作中肯定会给我很多的帮助。感谢我的辅导老师,能够对我的论文进行指导,并给我讲解设计过程的具体问题。学习是一个循序渐进的过程在学习中掌握方法和技巧也是乐趣。本人设计为现场总线的变频器调速控制系统设计通过此次设计我懂得了变频器和PLC控制系统设计的思路和步骤明白了方案设计是系统设计最重要的部分只有方案设计准确无误后期的硬件设计和软件设计才能顺利展开。硬件设计中我学会了怎样绘制图纸也了解了电气设计的规范。软件设计中我认真学习了指令和编程方法这些对我来说受益匪浅。在后期的学习和工作中我将继续努力将秉承认真负责的研究精神和卓越的理念这些都是宝贵的精神财富 参考文献
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