基于Profibus的电力传动控制系统硬件部分毕业设计论文.docx
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基于Profibus的电力传动控制系统硬件部分毕业设计论文
毕业设计(论文)
题目:
基于PROFIBUS的电力传动控制系统(硬件)
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
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日期:
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日期:
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作者签名:
日期:
导师签名:
日期:
基于PROFIBUS的电力传动控制系统(硬件)
学生姓名:
陈典班级:
090443
指导老师:
彭元修
摘要:
本文以西门子工控仪器作为硬件平台,搭建设计了基于PROFIBUS的电力传动控制控制系统。
该系统的设计包括上位机的电机操作、监控界面单元、上位机与控制器通信单元、控制器执行单元以及现场设备单元。
本文设计的内容针对于系统控制单元和现场设备的连接;上位机和控制器的连接;执行器的参数设置等硬件调试。
本文以工业现场总线中常用的PROFIBUS-DP作为通信的基础,完成上位机与控制单元、多个控制单元之间的通信。
本设计的控制单元包括两个S7-300PLC和一个MM440变频器。
一个S7-300作为监控主站,另一个作为控制从站。
采用PROFIBUS-DP主从MS通信方式。
主站监控获取变频器的运行频率和输出电压,从站发出上位机的控制命令给变频器,MM440变频器作为控制执行单元。
由于MM440没有带集成DP口和专用通讯板,设计时控制单元和控制执行单元之间的所有连接通过导线完成。
变频器采用控制从站输出的模拟量给定作为频率控制标准。
本系统的现场设备为一个三相异步电动机。
本设计的目的主要在于解决该现场设备的远程正反转、无级调速和正反向点动控制,同时读取MM440的运行数据送上位机对比显示。
通过调试运行,本系统设计基本达到预想的各项指标,同时具有良好的稳定性和安全性。
关键词:
PROFIBUS-DP网络S7-300MM440通信异步电动机传动控制
指导老师签名:
ElectricdrivecontrolsystembasedonPROFIBUS(hardware)
Studentname:
ChenDianClass:
090443
Supervisor:
PengYuanxiu
Abstract:
ThisthesisconstructsacontrolsystemofelectricdrivecontrolsystemthatusesPROFIBUScommunicationmodebasedontheSIEMENSindustrialequipmentasthehardwareplatform.Thedesignofthesystemincludesthemotoroperationofthehostcomputer,themonitorinterfaceunit,thehostcomputerwiththecontrollercommunicationunit,thecontrollerexecutionunitsandfielddevicesunit.Thepaperdesigncontentincludesconnectioninthesystemcontrolunitandfielddevices,theconnectionhostcomputertothecontroller,actuatorparametersettingandhardwaredebugging.
Inthispaper,completethehostcomputerandthecontrolunit,apluralityofcommunicationbetweenthecontrolunitsbasedonthecommonlyusingPROFIBUS-DPindustrialfieldbuscommunicationasafoundation.ThedesignofthecontrolunitincludestwoS7-300PLCsandaMM440inverter.OneS7-300isthemonitoringmaster,andtheotheristhecontrolslavestation.ThesystemusesPROFIBUS-DPmaster-slaveMScommunicationmode.Mastermonitoraccessestothedriveoperatingfrequencyandoutputvoltage,theslavestationaccesscommandfromhostcomputerandtransmittedittothefrequencyconverter,MM440ascontrolexecutionunit.DuetotheMM440withouttheintegratedDPportoradedicatedcommunicationboard,betweenthecontrolunitandcontrolexecutionunit’sconnecteduseawiretocompletethedesign.Invertersusetheanalogoutputgivenwitchfromslaveasacontrolstandardtocontrolfrequencies.Thesystem'sfielddeviceisathree-phaseasynchronousmotor.Themainpurposeofthedesignistosolvetheremotereversingofthefielddevicesprosandconsofmoving,step-lessspeedregulation,prosandconsJOPcontrol.RunningdataobtainfromMM440andsendtohostcomputerdisplaycontrast.Debuggingandrunning,thesystemdesignedtomeettheinitialindicators,andalsohasgoodstabilityandsecurity.
Keywords:
PROFIBUS-DPnetworkS7-300MM440Communication
AsynchronousmotorDrivecontrol
SignatureofSupervisor:
1引言
1.1研究目的及意义
本课题的选题依据源自一个工控实验室里的教学开发项目。
变频器的应用、PLC的PROFIBUS通信、电力传动系统的控制是该实验室研究的三个部分。
在传动控制系统中,选择怎样的方式来控制电机的转动姿态,用什么硬件设备来作为控制器,需要达到什么样的控制精度,这对传动控制系统在实际生产中的应用来说是非常重要的。
而且随着信息技术的进步和制造的工业不断发展,在工业生产上对电机姿态的监控也是不可或缺的,上位机监控不仅能确保生产的安全性,同时基于上位机的远程监控也能让控制更加的人性化,节省一定的资源。
目前电机的控制一般多采用现场按钮接通给电的方式来控制。
本课题的研究主要是为了对电机的控制更加的方便、快捷、精确。
以西门子可编程控制器S7-300PLC、变频器MM440作为控制器,安装有WinCC的工控机作为上位机,使用PROFIBUS现场总线建立通信网络。
用户能够坐在电脑前就对电机的各项参数指标精确的控制,同时实时的监控显示电机的电压、频率、转速等参数。
电机的各种姿态信息能直观地在上位机界面上以数字或图表的方式向用户反映出来,这样能让控制更加的的方便快捷,也能够精确的达到各种控制指标。
德国西门子公司开发的PLC、变频器等产品能够让用户快速有效的开发出一套基于PROFIBUS通信协议的传动控制系统。
人性化的硬件系统、精准的控制模块、便捷的接线端口、集成的接口模式使得这一套硬件在传动控制系统中应用十分的广泛。
而基于PROFIBUS的通信方式用来控制传动系统对于工业领域的精确控制有着重要的意义。
本文中用到的PLC是面向用户的工业控制计算机,相比于传统的一些控制器具有许多明显的优点[1]:
1)高可靠性:
PLC所有的输入输出接口电路都采用光电隔离,使工业现场的外部电路与PLC内部电路之间实现电气隔离;PLC各输入上均采用R-C滤波技术,其滤波时间常数一般为10-20ms;PLC各模块采用了性能良好的开关电源;PLC所采用的器件都进行严格的筛选和长期的使用验证。
2)丰富的输入输出模块:
PLC针对不同的工业现场信号,有丰富的模块供用户选用。
如:
DC/AC、数字量/模拟量、电压/电流、脉冲/电位等等。
PLC相应的输入输出模块可以与工业现场的多种器件或者设备相连接。
与输入模块相连有按钮、行程开关、接近开关等;与输出模块相连的有电磁阀、接触器、电机、指示灯等。
为了提高PLC的功能,它还提供了多种人机对话的接口模块。
为了组成工业局部网络,PLC还有多种通信模块。
3)采用模块化结构:
除了厢体式的小型PLC,目前绝大多数PLC均采用模块化结构。
PLC的各个部件如CPU、电源等都采用模块化设计,由机架和电缆将各模块连接起来,系统的规模和功能用户可自己组合。
4)编程简单:
PLC的编程大多数采用类似于继电器控制线路的梯形图格式,形象直观,易学易懂。
5)安装简单,维修方便。
因此,为保证高效,可靠的工作,本系统采用PLC控制。
1.2国内外文献综述及相关领域的研究进展及成果
1.2.1PROFIBUS现场总线的研究现状
现场总线(Fielebus)是20世纪80年代中后期随着计算机、通信、控制和模块化集成等技术的发展而出现的一门新兴技术,代表自动化领域发展的最新阶段。
现场总线最初的概念是由欧洲人提出的,随后北美和南美也都投入了巨大的人力和物力开展研究工作,现场总线的定义有多种。
国际电工委员会(IEC)对现场总线的定义为:
现场总线是应用于生产现场,在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。
现场总线是当今自动化领域发展的热点之一,被誉为自动化领域的计算机局域网。
它作为工业数据通信网络的基础,沟通了生产现场级控制设备之间及其与更高的控制管理层之间的联系。
它不仅是一个基础网络,而其还是一种开放式、新型全分布式的控制系统。
这项以智能传感器、控制器、计算机、数据通信为主要内容的综合技术。
因为受到世界范围内的关注而成为自动化技术发展的热点,并引发了自动化系统结构与设备的深刻变革[10]。
现场总线包括众多的标准,国际电工委员会(IEC)确立了在国际上各种不同类型的现场总线标准有10种,包括CANBUS、PROFIBUS、FF、LONWORKS等现场总线,每种协议都有其特有的应用领域和支持背景,大多成为了一个地区或国家的标准,谁也取代不了谁。
在2001年PROFIBUS现场总线被定为中国的国家标准JB/T103010.3—2011。
PROFIBUS(ProcessFieldBus的缩写)是由SIEMENS等公司组织开发的一种国际化的、开放的、不依赖于设备生厂商的现场总线标准。
广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其它领域自动化。
PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。
可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场网络通信,从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案[4、10]。
在现代化工厂环境及大规模的工业生产过程控制中,工业硬件设备被简单地划分为三个层次,即工厂级、车间级和现场级。
在现场一般都配置了数量庞大的传感器、执行器、远程I/O、仪表、控制器等等一系列的设备。
这些设备传送或接收的既有模拟信号,又有数字量信号。
传统的连接方式是将这些设备通过信号线各自接到控制器上,造成了明显的通信速度低、系统不开放、可靠性不易保证和维护性不高[4]。
采用现场总线PROFIBUS使得生产上所有集成了PROFIBUS总线接口的设备都可以被挂到现场总线上来,解决了上面的一系列缺点。
PROFIBUS由以下三个兼容部分组成。
即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS。
其中本文所运用的PROFIBUS-DP应用于现场级,它是一种高速低成本通信,用于设备级控制系统与分散式I/O之间的通讯,总线周期一般小于10ms,使用协议第1、2层和用户接口,确保数据传输的快速和有效进行[10]。
1.2.2电力传动控制研究现状
电力传动控制系统在当今的工业中应用的十分广泛。
如矿山的矿井提升作业、炼钢的轧钢轨道控制、高楼的电梯运行、国防中的大型传送装置等。
在这一系列的机械作业中,电力传动装置扮演着不可获取的地位。
换而言之,当今的社会如果没有对电力传动系统的研究,那么工业将会止步不前。
电力传动的研究已经十分成熟,但是电力传动控制系统的研究并没有十分完善,各种各样的控制系统充斥于工业应用中。
从最初的闸刀给电控制到后来简单的逻辑按钮控制,后来出现了电力电子调速控制,从速度不可控到后来的无级调速。
电力传动控制逐渐的向着专用的调速控制装置,专有的中心处理计算机控制,集散系统的转变,到现在PLC可编程控制器的普及。
电力传动控制正在变成以计算机为监控,可编程控制器作为控制中枢,电力电子变频装置作为执行器的网络控制模式。
工业控制中传动控制系统的体系结构正在由模拟与数字的分散性控制系统(DCS)向全数字现场总线系统(FCS)转换,现在的现场设备和仪表设备的产品结构也将发生重大的变革,现场总线使传动的传动控制设备进入了信息网络的行列,为其应用开拓了更为广阔的应用领域,克服了传统传动控制系统中的“信息孤岛”效应[4]。
1.3主要研究内容
1.熟悉PLC硬件系统。
2.学习西门子的工控硬件平台,学习使用变频器、工控机等。
3.了解PLC的网络构建,学会使用PROFIBUS协议连接控制器和上位机进行通信。
4.对硬件系统组态学习,同时掌握不同硬件系统之间的相互连接。
5.设计基于PROFIBUS网络的PLC电力传动控制系统,实现远程网络控制并用PLC采集变频器的模拟输出运算出电机各项运行参数。
2电力传动控制系统硬件平台
本系统设计开发的硬件平台主要是基于工控教学实验室里的西门子工业控制设备,同时也有一些其它的配件,主要硬件如下表2-1所示:
表2-1硬件平台
设备及配件
型号
数量
西门子S7-300PLC
CPU314C-2PN/DP
2台
西门子变频器
MM440
1台
工控机
凌华工控机
1台
上位机通信卡
CP5611
1张
接触器
CJX2-0910
1只
正泰继电器
JZX-22F(D)/2Z
1只
总线连接器
DP总线连接器
3只
空气开关
施耐德C65N
1只
三相异步电动机
Y90L-4
1台
通信电缆
PROFIBUS双绞线
5米
2.1PLC
PLC(ProgrammableLogicController)即可编程逻辑控制器,PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都按照易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。
目前,世界上有200多家厂商生产PLC。
其中,西门子的PLC在我国各行各业应用相当的广泛。
2.1.1300系列PLC
德国西门子(SIEMENS)公司的PLC产品里面有SIMATICS7、M7和C7等几大系列。
S7是具有传统意义上的PLC产品,其中S7-300是针对低性能要求的模块式中小型PLC,最多可以扩展32个模块[1]。
300系列的PLC是一种通用型的PLC,具有模块化,无风扇结构,易于实现分布式的配置以及易于掌握的特点,这使它能够适应自动化工程中的各种应用场合,执行各种控制任务,因此在实践中成为一种既经济又可靠的控制装置。
S7-300PLC采用模块化的结构,各种模块能以不同的方式组合在一起,模块式PLC由机架和模块组成。
品种繁多的CPU模块、信号模块和功能模块能完成各种领域的自动控制任务。
用户可以根据系统的具体情况选择、更换合适的模块,同样可以扩展PLC。
简单实用的分布式结构和强大的通信联网能力,使其应用十分广泛。
S7-300PLC是模块化的PLC,它由以下及部分组成:
1.中央处理单元(CPU)
功能:
执行用户程序;为S7-300背板总线提供5V电源;在PROFIBUS网络中通过PROFIBUS与其它的PROFIBUS网络节点进行通信。
各种CPU有不同的性能,例如有的CPU集成有数字量和模拟量的输入输出点,有的CPU集成了PROFIBUS-DP等通信接口,CPU前面板上有状态故障指示灯、模式选择开关、24V电源端子、电池盒与存储器模块盒(有的没有)。
2.负载电源模块(PS)
负载电源模块用于将AC220V电源转换为DC24V电源,提供S7-300CPU和24V直流负载电路(信号模块、传感器、执行器等)使用。
3.信号模块(SM)
信号模块包括数字量输入输出模块,数字量I/O模块、模拟量输入输出模块、模拟量I/O模块。
它们能使不同级的过程信号电压或电流与PLC内部的信号电平相匹配。
信号模块主要有数字量输入模块(SM321)和输出模块(SM322),模拟量信号模块主要有输入模块(SM331)和输出模块(SM332)。
4.功能模块(FM)
功能模块主要用于时间要求苛刻、储存容量要求较大的过程信号处理任务。
5.通信处理器(CP)
通信处理器用于PLC之间、PLC与计算机和其它智能设备之间的通信,可以将PLC接入PROFIBUS-DP网络和工业以太网,或用于实现点对点通信等。
6.接口模块(IM)
接口模块用于多机架配置时连接主机架(CR)和或扩展机架(ER)。
S7-300通过分布式的主机架和3个扩展机架,最多可以配置32个信号模块、功能模块和通信处理器。
2.1.2CPU314C-2PN/DP
本系统设计用到的两台PLC均是西门子300系列PLC,型号:
CPU314C-2PN/DP
订货号:
6ES7314-6EH04-0AB0,固件版本V3.3。
该CPU是西门子公司刚推出的新型紧凑型处理模块。
集成信号输入输出模块,晶体管输出。
模块结构如下图2-1所示:
[11]
图2-1CPU模块结构
①状态和出错LED灯
②带有弹性装置的SIMATICMMC卡插槽
③集成输入和输出的端子
④电源连接端子
⑤接口X1(MPI/DP)
⑥接口X2(PN),配有交端口交换机
⑦MAC地址和二维条形码
⑧模式选择器开关
1.CPU的属性如下表2-2所示:
表2-2CPU314C-2PN/DP的属性[11]
产品型号
CPU314C-2PN/DP
9针DP接口(X1)
X
9针DP接口(X2)
X
数字量输入
24
数字量输出
16
模拟量输入
4+1
模拟量输出
2
工艺功能
4个计数器,一个用于定位的通道
2.CPU314C-2PN/DP与其它的大多数CPU不一样,它工作时不需要给它提供额外的数字量输入输出、模拟量输入输出模块,如SM331/SM331/SM334/SM335等。
它自身集成数字量和模拟量的输入输出模块,有X11和X12两个信号模块,有四排共80个I/O接线端子,端子功能分布如图2-2所示,模块的I/O寻址如下表2-3CPU314C-2PN/DP的集成I/O寻址所示,方框图和引脚分配如图2-3、2-4所示:
[11]
图2-2I/O功能分布
①模拟量输入和模拟量输出②数字量输入③数字量输出
3.CPU的寻址如下表2-3所示:
输入/输出
默认地址
注释
24个数字量输入
136.0到138.7,其中16个输入用于工艺功能:
136.0到137.7
可以为所有数字量
输入分配中断功能。
可选的工艺功能:
计数
频率测量
脉冲宽度调制
定位
16个数字量输出
136.0到137.7,其中4个输入用于工艺工能;136.0到136.3
4+1个模拟量输入
800到809
2个模拟量输出
800到803
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