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1、目录第一章 概要31.1 基于PLC通信控制电机多段速设计背景31.2 网络化控制电机多段速设计技术目标3第二章 系统设计32.1 设计总体规划32.2 系统组成4第三章 硬件系统设计介绍43.1 西门子MM420变频器43.2 西门子S7-300PLC63.3 西门子S7-200PLC73.4 三相笼型异步电动机83.5 PROFIBUS-DP网络通讯9第四章 软件设计94.1 S7-300PLC软件上的硬件组态与编程94.2 S7-200PLC的软件编写184.3 WinCC监控软件制作与监控19总 结22第一章 概要1.1 基于PLC通信控制电机多段速设计背景近年来，随着电力电子技术、计
2、算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电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。在工业自动化控制系统中，最为常见的是PLC和变频器的组合运用，并且产生了多种多样的PLC控制变频器的方式，比如可以利用PLC的模拟量输出模块控制变频器，PLC还可以通过485通信
3、接口控制变频器，也可以利用PLC的开关量输入/输出模块控制变频器。1.2 网络化控制电机多段速设计技术目标本实训网络化控制电机多段速设计应该具有以下技术要求：1）基于PROFIBUS-DP网络的现场总线通信技术，实现西门子S7-300与S7-200PLC的通信。2）完成硬件设计，熟悉西门子S7-300、S7-200与MM420变频器的硬件构造与使用方法，连线的方法与注意事项。3）软件设计：实现电机多段速的控制，在S7-300里编写控制的逻辑程序，实现全自动定时多段速控制，在S7-200里编写通信传送程序，将S7-300里传送过来的数据结果传送给S7-200的控制端口。本设计基于PROFIBUS
4、网络通信使S7-200与S7-300通信，用S7-200的I/O端口控制变频器的工作。通过设置变频器的工作方式等参数，使电机按固定的预设频率转动，并通过WinCC监控软件和S7-300PLC通信对整个系统进行监控，同时检测电机的实时转速。第二章 系统设计2.1 设计总体规划先对MM420变频器进行学习，掌握变频器的参数设置，配置变频器的方法。再了解电动机的星三角接法，学习S7-200与S7-300PLC硬件、软件使用方法，掌握它们的PROFIBUS-DP网络的通信原理及通信的方法。最后学习WinCC组态软件的应用以及与PLC之间的通信规则。本设计整体的图如下：控制控制通信S7-300PLCS7
5、-200PLCMM420变频器电机图1 设计总体框架方案图2.2 系统组成本系统包括：编程与监控的PC电脑，西门子S7-300PLC，西门子S7-200PLC，西门子MM420变频器，三相笼型异步电动机。它们间的具体结构如图2所示：PROFIBUS-DPPC/PG编程与监控S7-300PLCS7-200PLCMM420变频器电机图2 系统联网控制结构图第三章 硬件系统设计介绍3.1 西门子MM420变频器MICROMASTER 420变频器适合用于各种变速驱动装置，尤其适合用于水泵，风机和传送带系统的驱动装置。它的特点是设备性能面向用户的需求，并且使用方便。它的电源电压规格很多，因而可在世界范
6、围内应用。MICROMASTER 420 具有模块化的设计。操作面板和通讯模块可以不使用任何工具，非常方便地用手进行更换。主要特征：调试简单；模块化的结构，因而组态具有最大的灵活性；具有三个完全可编程的隔离的数字输入；一个可标定的模拟输入(0V至10V)；它也可以作为第4个数字输入来使用；一个可编程的模拟输出(0mA至20mA)；一个完全可编程的继电器输出 (30V，直流/5A，电阻负载或250V，交流/2A，感性负载)；采用较高的开关频率时，电动机运行的噪声很小 (在脉冲的开关频率较高的情况下，额定输出电流要降格使用)；完善的变频器和电动机保护功能。变频器参数功能表序号变频器参数出厂值设定值
7、功能说明1P0304230380电动机的额定电压( 380V )2P03053.250.35电动机的额定电流( 0.35A )3P03070.750.06电动机的额定功率( 60W )4P031050.0050.00电动机的额定频率( 50Hz )5P031101430电动机的额定转速( 1430 r/min )6P100023固定频率设定7P108000电动机的最小频率( 0Hz )8P10825050.00电动机的最大频率( 50Hz )9P11201010斜坡上升时间( 10S )10P11211010斜坡下降时间( 10S )11P070022选择命令源（ 由端子排输入 ）12P070
8、1117固定频率设值（二进制编码选择+ON命令）13P07021217固定频率设值（二进制编码选择+ON命令）14P0703917固定频率设值（二进制编码选择+ON命令）15P10010.005.00固定频率116P10025.0010.00固定频率217P100310.0020.00固定频率318P100415.0025.00固定频率419P100520.0030.00固定频率520P100625.0040.00固定频率621P100730.0050.00固定频率7注: （1）设置参数前先将变频器参数复位为工厂的缺省设定值（2）设定P0003=2 允许访问扩展参数 （3）设定电机参数时先设定
9、P0010=1(快速调试),电机参数设置完成设定P0010=0(准备)图3 变频器外部接线图3.2 西门子S7-300PLCSIMATIC S7-300主要面向制造工程的系统解决方案，主要任务和性能特征有通用性应用和特别丰富的CPU及模块种类；高性能；模块化设计；具备紧凑设计模块；由于使用了MMC存储数据和程序，系统免维护。S7-300由多种模块部件所组成，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。各模块安装在DIN标准导轨上，并用螺丝固定。这种结构形式既可靠，又能满足电磁兼容要求。背板总线集成在各模块上，通过将总线连接器插在模块的背后，使背板总线联成一
10、体。在一个机架上最多可并排安装8个模块。S7-300有各种不同性能档次的CPU模块可供使用。标准CPU提供范围广泛的基本功能，如指令执行、I/O读写、通过MPI和CP模块的通讯，部分CPU还集成了点到点或PROFIBUS通讯接口。S7-300的指令集包含350多条指令，包括了位指令、比较指令、定时指令、整数和浮点数运算指令等。本实训用到的S7-300PLC由电源模块PS307、CPU模块CPU315-2DP以及一些信号模块和特殊功能模块组成。而实际我们只用到了他的电源和CPU模块。CPU315-2DP型号的CPU本身自带一个PROFIBUS-DP网络的接口，还有CPU的下载线接口，本实训只需通
11、过PROFIBUS-DP网线将S7-300和S7-200PLC连接起来进行通讯，同时网线还连接着PC机的CP5611板卡以便PC机上的WinCC对系统进行监控。3.3 西门子S7-200PLCSIMATIC S7-200PLC是紧凑型微型PLC，其主要的任务和性能特征有串行模块结构，模块化扩展；紧凑设计，CPU集成输入输出；实时处理能力，高速计数器和报警输入和中断；多种通讯选项。系统的硬件构架由系统的CPU模块和丰富的扩展模块组成。他能够满足各种设备的自动化控制需求。本实训用到的S7-200PLC实际硬件设备模块包括有CPU224CN、数字量输入输出模块EM223 DI8/DO8 DC24V、
12、模拟量输入输出模块EM235 AI4/AO1 12bit和工业以太网通讯模块CP243-1。由于S7-200PLC要连入PROFIBUS-DP网络所以还要扩展PROFIBUS-DP网络通讯模块EM277。图4 S7200接线图图5 变频器与电机接线图3.4 三相笼型异步电动机三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到
13、了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。三相异步电动机的三角接法和星型接法，他们接线图如图4所示。三角接法的电动机功率大，接入的绕阻电压大，而星型接法电机功率小，接入的绕阻电压小，一般采用星角降压法启动电机，以保证电网电压的稳定以及电动机的启动性能和安全性。ABCABCD1D2D3D4D5D6D1D2D3D4D5D6异步电机星型接法异步电机三角接法图6 异步电机三角接法与星型接法示意图3.5 PROFIBUS-DP网络通讯PROFIBUS是属于单元级和现场
14、级的SIMATIC网络，适用于传输中小量的数据。其开放性可以允许多家厂商开发各自的符合PROFIBUS协议的产品，这些产品均可以连接在同一个PROFIBUS网络上。PROFIBUS是一种电气网络，物理上传输介质可以是屏蔽双绞线、光纤或无线传输。网络连接可利用PLC站的DP口，上位机插卡CP5411/CP5511/5611/5613的DP口进行数据交换。连接电缆为PROFIBUS电缆，接头为PROFIBUS接头并带有终端电阻。S7-300与S7-200通过EM277进行PROFIBUS-DP通讯，需要在STEP7中进行S7-300站组态，在S7-200系统中不需要对通讯进行组态和编程，只需要将要
15、进行通讯的数据存放在V存储区与S7-300的组态EM277从站时的硬件I/O地址相对应就可以了。第四章 软件设计4.1 S7-300PLC软件上的硬件组态与编程S7-300硬件组态1. 启动STEP 7 V5.3编程软件：双击 打开STEP 7软件2. 新建项目（1）根据STEP 7向导新建项目图7 STEP 7向导新建项目按【下一步】出现下图：图8 为项目选择CPU类型图选择您对应项目的CPU类型，如果发现您的CPU315找不到相应的定货号，因此根据“STEP 7向导新建项目”无法创建项目，单击“取消”。（2）软件（SIMATIC Manager）界面新建项目双击 新建项目【文件】【新建】，
16、如图：图9 新建项目操作图右击项目名称【300与200通讯】 选中【插入新对象】单击【SIMATIC 300站点】，硬件组态：插入一个S7-300的站点，开始硬件组 双击“ ”双击“ ”进入硬件组态界面如图所示。图10 硬件组态界面 根据S7-300主机的组合进行硬件组态（电源PS307 5A）： 选择S7-300导轨：RACK-300中的Rail 选择电源模块PS307（有配置时） 选择CPU主机（CPU右边可以安装不超过八个模块SM、FM、CP） 选择数字量输入输出（如CPU主机没带时，需要组态） 选择其他扩展模块（3）安装EM277 PROFIBUS-DP模块GSD文件系统采用PROFI
17、BUS DP通讯，S7-300作为主站，S7-200作为从站，其中数据由通过EM277 PROFIBUS-DP进行交换。STEP 7需要安装EM277 GSD 文件。启动STEP 7 V5.3编程软件，进入硬件组态界面如图2.1.7所示。【选项】【安装GSD文件】单击【浏览】，找到放置“SIEM089D.GSD”文件夹并打开，再在如图2.1.12中选中“SIEM089D.GSD” 单击【安装】。图11 选中EM277 PROFIBUS-DP模块GSD文件（4）S7-300、EM277 PROFIBUS-DP模块硬件组态（PROFIBUS-DP通讯）双击机架2中的“DP”（如图12）进入DP属性
18、窗口，设定DP连网，操作如下所示：图12 进入DP属性窗口1. 进入“属性-DP-（R0/S2.1）”窗口图13 属性-DP-（R0/S2.1）窗口单击“属性”图14属性-PROFIBUS接口 DP（RO/S2.1）窗口2. 单击【新建】单击【网络设置】选择传输率图15 属性-PROFIBUS网络设置传输率3.PROFIBUS DP线上挂上EM277 单击PROFIBUS DP线左键单击图16设定主站后出现DP主站系统线 插入EM277 PROFIBUS-DP并设置地址选择地址图17 选择从站地址S7-300的硬件下载完成后，将EM277的拨位开关拨到与以上硬件组态的设定值一致，在S7-200
19、中编写程序将进行交换的数据存放在VB0VB63。改变硬件地址后必需断电重新启动。选择EM277 I/O地址单击PROFIBUS DP线上的EM277，再选择所需要的地址。选择“32Bytes Out/32Bytes In”,可以看到EM277的I/O地址。图18 EM277 PROFIBUS-DP详细参数S7-300、EM277硬件组态（PROFIBUS DP通讯）完成，如图：图19 工业全数字实训装置硬件组态（5）EM277 PROFIBUS-DP（S7-300）、S7-200对应的通讯地址VB0VB31是S7-300写到S7-200的数据，VB32VB63是S7-300从S7-200读取的
20、数据，EM277 PROFIBUS-DP上拨位开关的位置一定要和S7300中组态的地址值一致。EM277和S7-200对应地址表序号EM277（S7-300）S7-2001QBOQB31VB0VB312IB0IB31VB32VB63（6）根据项目要求编写程序PLC300的程序如下4.2 S7-200PLC的软件编写1处为输入程序，2处为输出程序把编写好的程序分别下载到PLC中，上点，测试，完成。DP线在300PLC上的端口应该是DP口（右边的那个端口），PLC200应该连接EM277上的端口，并与PLC300组态相对应站号。4.3 WinCC监控软件制作与监控在完成S7-300与S7-200P
21、LC通讯，并由S7-200PLC控制变频器使电机多段速运行后，使用WinCC监控软件和S7-300PLC通讯对整个系统进行监控。S7- 300H 采用模块化设计。CPU 模块上有标准化DP 接口和MPI 接口。本系统中, 我们选择MPI 接口,WinCC 和PLC 之间的过程通讯结构如下图所示。WinCC与PLC之间的通讯组态具体实现方法如下:第一步, 启动WinCC 并建立一个新的WinCC 项目后, 在变量管理器中选择添加通讯驱动程序“SIMATIC s7 ProtocolSuite CHN”, 然后选择期望的通道单元“MPI”为该通道单元组态逻辑连接, 设置逻辑连接节点名、网络地址等参数
22、这样就建立了WinCC 与S7-300间的通讯连接。第二步, 在已建立的通讯连接下定义变量组及相关变量,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S7-300中某一确定地址的一一对应的关系。以此, 将S7-300与WinCC之间需要通讯的数据一一定义变量.这样就完成了二者之间的数据通讯。我们通过对寄存器的寻址以及硬件组态，最终实现了WINCC与PLC300的通讯人机界面组态监控在该系统中, 需要监控的设备比较多, 让所有的设备都显示在一张画面中不太可能, 可将设备按照处理工艺的功能步骤分级在多张画面内。画面之间的切换用WinCC 中按钮的鼠标动
23、作来实现。为保证操作的一致性, 可在每张图上都使用相同数量且位置排列顺序一致的按钮。本实训WinCC监控界面的操作规则以及本设计的控制工艺要求为：整个电机控制系统分为手动和自动两个状态，通过手动/自动转换开关来切换状态，在自动状态时按下自动启动按钮，电机按规定的程序循环的自动运行，并且在此同时按任何手动控制按钮均无作用。当手动/自动切换开关打到手动时，按下不同的手动控制按键将实现相应的转速及状态。在手动状态时，自动启动按键无效。实时监测显示电动机转速数值。总 结本实训实现了电机多段速的自动运行以及手动状态的运行，自动状态运行可使电机正转反转定时循环的运行，并通过WinCC监控软件进行监控。通过本次实训对整个设备系统的原理与应用以及动手能力有了很大的提高，真正体会到理论与实践结合的重要性，达到了最初实训设计的目的及意义。本次实训设计，综合的运用了PLC、变频器、电机的相关技术与理论。通过对以前知识的综合运用，加深了对这些知识的理解程度，使得这些知识能够更加牢固的被自己掌握。在进行本次设计的过程中，翻阅了大量的文献书刊以及对一些相关网页的浏览，不仅复习了所学过的知识，而且学到了一些新的知识。通过对西门子系列PLC、变频器的运用，对这些硬件的认识程度进一步加深，对S7-200及S7-300PLC的编程运用能力也有很大的提高。
