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1、目 录目 录1第一章 概要21.1 基于PLC通信控制电机多段速设计背景21.2 网络化控制电机多段速设计技术目标2第二章 系统设计32.1 设计总体规划32.2 系统组成3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S7-300PLC53.3 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134.1 S7-300PLC软件上的硬件组态与编程134.2 S7-200PLC的软件编写184.3 WinCC监控软件制作与监控18总 结26参考文献27附 录28第一章 概要1.1 基于PLC通信控制电机多段速
2、设计背景当今，对电动机的控制在各行各业中有着极其重要的作用，电机是生产生活中必不可少的动力源、能量源。而对电机控制的方法有很多种，主要对电机转速的控制可通过改变电压或改变频率等方法实现控制要求，但每种方法都有自己的利弊。现阶段电机变频调速的理论与实践已很成熟，对电机变频调速的应用已相当广泛，变频器的种类功能相当强大，对变频器的控制也有很多种方法。用PLC与变频器联合的方法控制电机的多段速是实用又常用的手段之一。电机多段速控制可在很多的领域上应用，例如生产线、传送运输线、轧钢机等领域。所以对电机多段速控制的研究，使之达到规定的某种生产工艺、要求，实现某些特定的控制功能是有现实意义的。1.2 网络
3、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
4、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组态软件的应用与他和PLC之间的通信规则。本设计整体的图如下：控制控制通信S7-300PLCS7-200PLCMM420变频器电机图2.1 设计总体框架方案图2.2 系统组成
5、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2.2所示：PROFIBUS-DPPC/PG编程与监控S7-300PLCS7-200PLCMM420变频器电机图2.2 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，因而可在世界范围内应用。MICROMASTER 420 具有模块化的设计。操作面
6、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。MM420变频器的基本操作面板BOP如图3.1所示：图3.1 BOP操作面板为启动电机，为停止电动机，改变电
7、动机的旋转方向，电动机点动，功能键，访问参数，增加数值，减小数值。本设计中需设置变频器的参数及操作步骤如下：先将P0003设置为3访问等级为专家级，P0010设置为1开始快速调试，P0100设置为0选择电机的功率单位为kW，电网频率为50Hz，P0205设置为0变频器应用对象为恒转矩，P0300设置为1选择电机类型为异步电机，P0304为设置电机额定电压根据电机铭牌设置，P0305为电机额定电流根据电机铭牌设置，P0307为设置电机额定功率根据电机铭牌设置，P0308为设置电机功率因数，P0700设置2为选择命令给定源由I/O端子控制，P1000设置3为频率给定源设置为固定频率，P1300设置
8、0为控制方式的选择为线性V/F，要求电机的压频比准确。快速调试完毕，将P0010设置为0以便设置更多参数同时只有在P0010=0的情况下，变频器才能运行。然后设置P0701、P0702参数为16，使DIN1和DIN2功能为固定频率选择+ON命令，P0703设置为12使DIN3功能为反转，P1001设置为15Hz即DIN1为15Hz的固定频率，P1002设置为35Hz即DIN2为35Hz的固定频率。变频器工作及多段速的参数便设置完成。变频器的硬件接线为将变频器的三相输出接至电动机的三相输入，三个I/O控制端口接入S7-200PLC的输出端口，其硬件的大致接线图如图3.2所示。MWDIN1UVDI
9、N2DIN3Q0.2Q0.1Q0.0MM420变频器S7-200PLC CPU224CN电动机图3.2 变频器硬件接线图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
10、模块的背后，使背板总线联成一体。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的实际硬件如图3.3所示，他由电源模块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PROFIBU
11、S-DP网络的接口，还有CPU的下载线接口，本实训只需通过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。图3.3 S7-300PLC实物图3.3 西门子S7-200PLCSIMATIC S7-200PLC是经济的微型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；易学好用的工程软件；多种通讯选项。S7-200PLC系统是紧凑型可编程序控制器。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
12、足各种设备的自动化控制需求。本实训用到的S7-200PLC实际硬件如图3.4所示。其设备模块包括有CPU224CN、数字量输入输出模块EM223 DI8/DO8 DC24V、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3.4 S7-200PLC实物图实际本实训只用到了三个数字量的输出端口和一个模拟量的输入端口还用DP网络的通信模块EM277，模拟量的输入用于采集检测传回来的电机转速的模拟量值，电机转速检测传感器的输出信号是-5V+5V
13、。本实训用到的S7-200PLC简略的组成构造原理如图3.5所示。SIEMENSS7-200PLCPPICPU224CNEM235 AI4/AO1 *12bitEM277 PROFIBUS-DPPROFIBUS-DPX10X1I0.0I0.1I0.2I0.3 Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3 至变频器 DIN1DIN2DIN3CPU模块 自带数字量14输入10输出模拟量输入输出模块 4模拟量输入1模拟量输出PROFIBUS-DP网络通讯模块图3.5 本设计S7-200PLC简略的组成构造原理图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
14、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3.6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，
15、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3.6 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
16、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。S7-300与S7-200PLC通信的软件上的硬件组态过称为，打开STEP7软件后先插入一个S7-300的站，如图3.7所示：图3.7 插入一个S7-300站选中STEP7的硬件组态窗口中的菜单选项安装GSD文件导入SIEM089D.GSD文件，安
17、装EM277从站配置文件，如图3.8所示：浏览文件，找到EM277的GSD文件，然后全选并安装。过程如图3.9所示：图3.8 安装GSD文件图3.9 GSD文件的安装过程导入GSD文件后，在右侧的设备选择列表中找到EM277从站，PROFIBUS-DPAdditional Field DevicesPLCSIMATICEM277，并且根据通讯字节数，选择一种通讯方式，本实训中选择了8字节入/8字节出的方式，如图3.10所示：根据EM277上的拨位开关设定以上EM277从站的站地址。在组态时，EM277的系统参数中S7-200中V寄存器的偏移地址设为100。图3.10 添加EM277选择通讯方式
18、完成组态系统的硬件配置后，将硬件信息下载到S7-300的PLC当中。图3.11 EM277实物图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，EM277实物如图3.11所示，在S7-200中编写程序将进行交换的数据存放在VB0VB15，对应S7-300的QB0QB7和IB0IB7，打开STEP7中的变量表和STEP7 MicroWin32的状态表进行监控，他们的数据交换结果如图3.12所示：图3.12 STEP7中的变量表监控的结果图3.13 STEP7 MicroWin32中的状态表监控的结果要注意VB0VB7是S7-300写到S7-200的数据，VB8
19、VB15是S7-300从S7-200读取的值。EM277上拨位开关的位置一定要和S7-300中组态的地址一致。第四章 软件设计4.1 S7-300PLC软件上的硬件组态与编程编写S7-300PLC的程序前，需在STEP7软件中对硬件进行组态，以便使软件识别硬件，同时分配硬件的地址。其建立过程步骤如下：首先打开STEP7软件，新建项目，如图4.1所示：图4.1 新建项目弹出对话框，输入项目名称并选择保存路径。如图4.1所示：图4.2 新建项目对话框插入一个S7-300的站点，开始硬件组态，如图4.3所示：图4.3 插入S7-300站点图4.4 双击硬件开始硬件组态图4.5 进入硬件组态的界面 图
20、4.6 插入S7-300导轨 图4.7 第一槽位插入电源模块图4.8 第二槽位插入CPU模块 找到型号订货号相同的CPU315-2DP模块图4.9 选择CPU的地址 新建一个PROFIBUS-DP的网络图4.10 选择DP网络传输率设置为1.5Mbps之后与上章介绍的步骤相同，安装EM277的GSD文件，在PROFIBUS-DP网络上插入EM277模块，配置通讯方式，选择EM277地址。图4.11 硬件模块组态后的界面图4.12 编译和保存并下载到S7-300PLC中最后新建OB1组织块，在里面写上控制程序，其梯形图程序见附录所示。图4.13 新建组织块编写程序4.2 S7-200PLC的软件
21、编写在S7-200PLC中只需编写数据传送指令。将S7-300中传送到S7-200V寄存器中的数据传送给S7-200的输出印象寄存器Q中，将S7-200输入印象寄存器以及模拟量输入寄存器AI中的数据传送给S7-200的V寄存器中，经过S7-200与S7-300PLC的DP网络通讯把数据传送至S7-300PLC中。其S7-200PLC中的程序如图4.14所示：图4.14 S7-200PLC中的程序编译将程序后下载到S7-200PLC中。4.3 WinCC监控软件制作与监控在完成S7-300与S7-200PLC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-
22、300PLC通讯对整个系统进行监控。WinCC监控软件的PC机上安装有CP5611通讯板卡，使用PROFIBUS-DP网络将S7-300PLC与PC机上的CP5611板卡连接进行通讯。其通讯步骤如下：先将S7-300的硬件组态下载到PLC中，其中硬件组态中PROFIBUS-DP的地址设置为2。然后就是在WinCC软件中的配置，打开WinCC工程Tag ManagementSIMATIC S7 PROTOCOL SUITEPROFIBUS右键点击PROFIBUS，在弹出菜单中点击System Parameter，弹出System Parameter-PROFIBUS对话框，选择Unit标签，查看
23、Logic device name。默认安装后，逻辑设备名为CP_L2_1:，如图4.16所示：图4.15 选择System Parameter配置图4.16 弹出的对话框设置Set PG/PC Interface，进入Windows操作系统下的控制面板，双击Set PG/PC Interface图标，在Access Point of the Application：的下拉列表中，点击CP5611（PROFIBUS），而后在Access Point of the Application：的下拉列表中显示：CP_L2_1：CP5611（PROFIBUS），如图4.17所示：图4.17 Set P
24、G/PC Interface的设置诊断PROFIBUS网络，点击Diagnosic按钮，进入诊断对话框。如图4.18所示，Test按钮点击后，显示OK表示CP5611工作正常。点击Read按钮后，将显示所有接入PROFIBUS网络中的设备的站地址，如果只能读到自己的站地址，此时需查看PROFIBUS网络和硬件连接设置，只有成功读取到CPU的站点地址，才能进行以下步骤，否则不能建立通讯。添加通道与连接设置，添加驱动连接，设置参数。打开WinCC工程在Tag ManagementSIMATIC S7 PROTOCOL SUITEPROFIBUS，右键点击PROFIBUS，在下拉菜单中，点击New
25、Driver Connection，如图4.19所示，在弹出的Connection properties对话框中点击Properties按钮，弹出Connection parameters-PROFIBUS属性对话框，填入参数，如图4.20所示：图4.18 诊断PROFIBUS网络图4.19 新建驱动与连接图4.20 配置Connection Parameter-PROFIBUS属性本实训WinCC中变量的配置如图4.21所示：图4.21 监控变量的设置通讯建立成功后，进行组态画面的制作，图4.22为组态制作的画面。图4.22 制作组态画面的界面制作完成后保存并运行程序，同时运行S7-300、
26、S7-200PLC以及变频器，在PC电脑里的WinCC监控画面就可以看到系统的运行状态。下面分别是电机在不同运行状态下WinCC监控的界面。图4.23 电机停止时切换到手动状态时的界面图4.24 电机在手动状态下以正转15Hz频率下的运行界面图4.25 电机在手动状态下以反转50Hz频率下的运行界面本实训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，实现电机的转速由正转15Hz正转35Hz正转50HZ正转35Hz反转15Hz反转35Hz反转50Hz反
27、转35Hz正转15Hz循环，每段转速持续10秒钟然后切换另一状态，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。一共有六个状态按键，分别为正转的15Hz、35Hz、50Hz和反转的15Hz、35Hz、50Hz六种状态。在手动状态时，自动启动按键无效。转速表以及电机转速的数值实时监测显示电动机的转速。总 结本实训最终完成了设计的目标，达到了设计的预期，并在最初的设计基础上完善了一些功能并且在实用性上有了很大的改进，更符合设备的实用功能，更好的在现场发挥其作用。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
28、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，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，加深了对这硬件的认识程度，掌握了使用的方法及技巧，对S7-200及S7-300PLC的编程运用有了很大的提高，基本掌握了项目开发与实
29、践的方法和一些必要的基础知识。参考文献1 胡敏，深入浅出西门子S7-300PLCM.北京：北京航空航天大学出版社,2004.82 廖常初，S7-300/400PLC应用技术M 北京：机械工业出版社.2008.53 梁德成，西门子S7-200 PLC入门和应用分析,M.北京：机械工业出版社，20084 张文涛，西门子S7-200PLC应用技术M.北京: 北京航空航天大学出版社,20045 姜建芳，西门子S7-200 PLC工程应用技术教程M. 国防科技大学出版社，20066 西门子工业领域网站，S7-200与S7-300之间的通信J,2008.27 西门子工业领域网站，WinCC连接Siemens PLC的常用方式J.2008.1 8 王实，刘晓明.深入浅出西门子WinCC V6M.北京：北京航空航天大学出版社2004.59 西门子有限公司自动化与驱动集团，micromaster 420简明调试指南10 崔坚，西门子工业网络通信指南，北京：机械工业出版社.2005.1附 录S7-300PLC中的电动机控制程序：
