基于USS协议的PLC与变频器的通信设计与研究样本.docx

烟台工程职业技术学院 机电工程 系 机电一体化 专业 级 毕业设计（论文）题目；基于PLC与变频器通讯调速统 姓名 杜洪恩 学号 080246 指引教师（签名） 李明 二一三年 十一月一 日烟台工程职业技术学院毕业设计（论文)诚 信 承 诺 书本人慎重承诺：我所撰写设计（论文）基于plc与变频器通讯调速系统是在教师指引下自主完毕，没有抄袭或抄袭她人论文或成果。如有抄袭、抄袭，本人乐意为由此引起后果承担相应责任。毕业论文（设计）研究成果归属学校所有。 学生(签名) 杜洪恩 11月1日机电工程系11级 高职学生毕业设计（论文）任务书 设计题目 基于PLC与变频器通讯调速系统 学生姓名 杜洪恩 系别 机电工程系 专业 机电一体化 班级 机电11305 指引教师 李明 职称 讲师 课题来源 工程设计 任务书下达时间 -9-2 系主任签字 教研室主任签字 1、毕业设计（论文）重要内容及技术指标重要内容；本文综合应用电子学与机械学知识去解决基于可编程控制器变频调速系统，本次设计选用三相异步交流电机，而 PLC和 交流电机无论在工业还是生活中都是应用最广，因而本次设计具备相称实用价值技术指标：误差5%2、毕业设计（论文）基本规定规定：能准时完毕毕业设计(论文)各阶段所规定工作， 论文构造完整、合理，条理清晰，对实验方案阐述对的3、所需数据资料及参照文献（1） 张万钟主编，周渊深主审可编程控制器应用技术，化学工业出版社（2） 张明金、于静主编，电工电子技术，北京师范大学出版社（3） 常斗南 ，可编程控制器（第2版），北京：高等教诲出版社 1994（4） 魏天路 、倪依纯主编，机电一体化系统设计，机械工业出版社4、进度筹划序号阶段性工作及成果时间安排123456申报毕业设计（论文）课题开题会，各指引教师下达任务书。全体指引教师及学生大会：考试时间调节；各指引教师检查工作进展状况。课题设计、撰写论文、实物制作上交关于材料给指引教师答辩会-9-10.2-10-20-9-12-11-26-12-7目录第一章绪论. 1 1.1课题研究背景. 1 1.2课题来源和意义. 2 1.3本文研究内容和所做工作. 2第二章PLC简介. 4 2.1 PLC原理. 4 2.2 PLC特点. 5 2.3 PLC应用领域. 6第三章通用变频器原理. 7 3.1变频器工作原理. 7 3.1.1变频器基本构造和原理. 73.1.2交始终变换电路. 83.1.3直一交变换电路. 9 3.1.4能耗制动电路. 10 3.1.5变频器控制方式.11 3.1.6变频器干扰问题. 12 3 .2变频器类别. 13 3.2.1依照变频环节不同分类. 13 3.2.2依照主电路工作方式分类. 14 3.2.3依照电压调制方式分类. 14 3.3变频调速控制系统优势. 14 3.4实现变频调速要解决问题. 16 3.4.1大功率开关器件是实现变频调速必要条件. 17 3.4.2变频变压.17 3.9变频调速现实意义.19第四章控制系统设计. 20 4.1系统硬件简介. 2 1 4.1.2 TP270触摸屏.21 4.1.3变频器.21 4.1.4光电编码器. 23 4.2系统界面设计. 24 4.2.1 Protool组态语言. 24 4.2.2开机画面设计. 26 4.2.3主画面. 26 4.2.4报警画面. 26 4.2.5 I/O点画面. 26第五章系统通信设计和调试. 29 5.1通信方式选取. 29 5.2 PLC之间通讯. 31 5.2.1 NETR(网络读)和NETW(网络写)指令. 31 5.2.2通信程序设计. 32 5.3 PLC与变频器通讯. 35 5.3.1 USS合同.35 5.3.2 USS通信数据格式和编程规定.37 5.3.3 57-200接受和发送指令(XTM/RCV ) . 39 5.3.4设计通信程序.39 5.4通信参数设立.47 5.4.1 PP工和MPI合同.47 5.4.2通信参数设立.48 5.5系统通信. 50 5.5.1 PLC之间通信调试. 50 5.5.2触摸屏与PLC通信调试. 50 5.5.3 PLC和变频器通信. 51 5.5.4变频器、编码器和电动机通信测试. 52 5.5.5调试分析.52第六章结论. 5 参照文献. 54道谢. 56 基于PLC与与变频器通讯调速系统杜洪恩 【摘要】当前，各种自动化技术手段并行发展、互相融合，为工业控制提供了各种可行技术途径。可编程序控制器技术、工业控制计算机技术、分布式控制系统、数控系统、人机界面技术以及各种嵌入式控制器系统迅速发展进一步提高了工业自动化技术发展水平。 在工业自动化控制领域发展过程中，变频器使用越来越受人们关注。但是变频调速具备一定技术难度，人们需要一种慢慢理解和熟悉过程。变频器使用最重要一种特点就是节能和减少成本，许多老式耗能设备都要进行技术改造。因此变频调速技术推广有着十分重要现实意义。同步，随着PLC不断发展，使得工业自动化控制更加精确、以便、安全和可靠。把PLC和变频器结合起来一起对电机传动进行控制，实现远程监视网络控制系统。 在实际工程中，有公司己实现了全车间或全厂综合自动化，即将不同厂家生产可编程设备连接在单层或多层网络上，互相之间进行数据通信，实现分散控制和集中管理。因而，通信与网络己经成为控制系统不可缺少重要构成某些，也是控制系统设计和维护重点和难点之一。 在小型自动化控制系统中，USS合同通信是一种很成功解决方案，能显示出具备硬件逻辑简朴、抗干扰能力强特点，可以实现车间级现场总线网络控制。本文简介了自动化控制技术综合应用，将各种通用自动化技术与实践优化结合，将SIEMENS公司57-200 PLC和变频器应用于铜大拉机自动控制中，通过基于USS合同RS485总线进行组网，进行PLC和变频器对电机控制，其中PLC和变频器之间通信设计最为关键。并且将其作了原则化设计，可以应用于各种自动化控制系统中，大大节约了项目开发时间和成本，在实际应用中获得了良好效果。核心词:自动化控制，USS合同，变频器，PLC，通信第一章绪论1.1课题研究背景 在工业自动化控制领域发展过程中，控制系统发展经历了模仿仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统(DCS：Distribution Control System)、现场总线控制系统(FCS：Field-bus Control System)1fzf3。现场总线具备开放性、分散化和低成本三大特性。它浮现使老式自动控制系统产生了划时代变革，网络化操作系统开始流行，并发挥了巨大作用。计算机及通信技术己经成为工业环境中大某些解决方案核心某些，其在控制系统中比重正在迅速增长。 当前，在工业公司自动化技术应用中，自动化控制系统广义上按功能可分为三个层次，见图1.1，分别是基本自动化、过程自动化和管理自动化，核心是基本自动化和过程自动化。其中，基本自动化某些涵盖了常规意义上自动控制系统内容，过程自动化某些是基于信息化技术自动化，管理自动化则是最上层融合了控制技术、管理技术综合自动化技术4 图1.1:白动化应用系统功能构造图 本文要阐述是电线、电缆用铜线拉拔设备自动化控制系统设计。当前电线电缆专用设备中仅有很少某些是自动化，在设备部件中，也似乎只有放线和收线装置，可使电缆收线、放线以及调换线盘实现自动化。生产过程自动化一种也许是将两道工序合并在一条生产线上。较高一级自动化是自动化物流解决系统以及生产过程和生产线控制系统。物流解决系统通过自动线盘搬运和信息加工使两道或两道以上生产工序生产过程协调一致，从而得到均衡物料流动和机器高运用率。该系统涉及1 w-4个线盘搬运机器人，这些机器人在生产线(机群)、立体仓库和控制装置之间来回搬运线盘。 过程控制系统由可编程序控制器和工业计算机构成，通过可编程序控制器对生产线运营进行控制;通过工业计算机跟踪生产现状，对生产和产品质量进行管理;该系统还可通过屏幕实现人机对话。采用过程控制系统可使生产线效率和产品质量达到最佳化，而不受操作者技术水平和能力影响。生产线能储存大量工艺文献，以便迅速调换产品，并能持续监察和记录产品质量，对产品进行全面描述。1.2课题来源和意义 大拉机是铜加工生产中咽喉设备。十几年来国产拉丝机水平有了稳步提高，并己系列化除拉线速度尚有一定差距外，持续退火、迅速换模、双盘收线、拉丝鼓轮等离子喷涂等先进技术己得到应用。近几年来，国外拉丝机虽然没有突破性进展，最高拉线速度也己稳定，但在构造上也有某些值得借鉴改进。例如某些大拉机采用浸没式乳浊液润滑系统，提高铜线表面质量，延长鼓轮和模具寿命;改进大拉持续退火装置中导轮和退火轮布置，简化导线途径，减少操作高度，便于穿线和维护保养;主齿轮箱采用原则化模块构造，可以依照顾客订货规定组合成不同拉制道数拉丝机。在拉丝机系列中，巨拉机和微细线拉丝机由于需求量小，发展缓慢，差距较大s。 随着计算机技术、自动控制技术和通讯技术综合发展，浮现了新型、通用自动化控制装置PLC。控制技术和变频调速技术在工业设备控制中大量推广，变频控制开始在直进式拉丝机中大量使用，系统并可借助PLC来实现拉丝速度、品种设定、过程闭环控制、定长控制等功能。在工业控制中，交流电机拖动控制越来越多地采用变频器完毕，而它也不但仅作为一种单独执行机构，而是随着其不断智能化，可以同上位计算机之间可以通过各种通信方式结合成一种有机整体。本文所作研究就是在这样背景下运用PLC和变频器对大拉机生产线实现自动化控制。大拉机工艺流程如图1.1所示。 图1.2:工艺流程图1.3本文研究内容和所做工作 自动控制技术在工业领域中应用即工业控制自动化技术应用技术，对公司生产过程有明显提高作用，提高了工业生产产品质量、数量和生产设备效率，改进了劳动条件，先进控制技术手段还极大地提高了人们对社会生产预测及决策能力。自动控制技术应用系统是指可以对被控对象工作状态进行自动控制系统，它普通由控制装置和被控对象构成，如图1.3所示。其中，控制装置可由各种嵌入式微控制器、可编程控制器、工业控制计算机、分布式控制系统、回路调节器、变频器以及其她控制技术(如现场总线技术、无线通信技术等)构成;控制对象涉及各种电动机、生产单元、生产过程等;过程通道完毕控制装置与控制对象之间信号(也涉及相应反馈信号某些)匹配。 同步，随着计算机控制迅速地被推广和普及，相称多公司己经在大量地使用各式各样可编程设备，如工业控制计算机、PLC、变频器、机器人、数控机床、柔性制造系统等。有公司己实现了全车间或全厂综合自动化，即将不同厂家生产可编程设备连接在单层或多层网络上，互相之间进行数据通信，实现分散控制和集中管理。因而，通信与网络己经成为控制系统不可缺少重要构成某些，也是控制系统设计和维护重点和难点之一67。 图1.3:自动控侧应用系统圈示 本文通过对大拉机控制系统设计，涵盖了当前基本自动化和过程自动化中典型自动控制技术手段或装置应用，涉及可编程序控制器技术、工业控制计算机技术、变频器技术、触摸屏技术及组态软件技术8。并且重点对PLC和变频器通信作了很完整研究，将通信程序作了原则化设计。该设计重要是针对小型自动化控制系统所作一种控制方案，有一定合用价值，缩短了项目开发周期。设计重要思路是基于USS合同，实现SIEMENS 57-200 PLC对变频调速装置控制，上位机采用SIEMENS TP270触摸屏及Protool组态语言。在规模相对较小自动化系统中，由于USS合同是西门子公司一变频器开发通信合同，可支持变频器同PC或PLC之间建立通信连接，因而USS合同通信是一种很成功解决方案，能显示出具备硬件逻辑简朴、抗干扰能力强特点，可以实现车间级现场总线网络控制，因而，有一定研究意义。 第二章plc简介2.1 PLC原理 可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)简称为PLC，是20世纪60年代末逐渐发展起来一种以计算机技术为基本新型工业控制装置，专门为工业环境应用而设计制造计算机f9l。近几年来，PLC技术在各种工业过程控制、生产自动线控制及各类机电一体化设备控制中得到了极为广泛应用，成为工业自动化领域中一项十分重要应用技术。 PLC硬件系统由中央解决单元、存储器、输入输出电路等构成，软件系统由系统程序和顾客程序构成。由于顺序控制是PLC重要功能，因而输入端以开关量部件按钮、继电触点、限位开关等为主，输出端多为继电器、电磁阀线圈和批示灯等，其工作过程总可分为三个阶段:输入采样(解决)、程序执行和输出刷新(解决)。图2.1是PLC控制系统图。 图2.1： PLC控制系统图 PLC采用循环扫描工作方式。在输入采样阶段，PLC以扫描方式顺序读入所有输入端通断状态，并将此状态存入输入映像寄存器。在程序执行阶段，PLC按先左后右、先上后下顺序，逐条执行程序指令，从输入映像寄存器和输出映像寄存器读出关于元件通断状态，依照顾客程序进行逻辑、算术运算，再将成果存入输出映像寄存器中。在输出刷新阶段，PLC将输出映像寄存器通断状态转存到输出锁存器，向外输出控制信号，去驱动顾客输出设备。上面三个阶段工作过程称为一种扫描周期，然后PLC又重新执行上述过程，周而复始地进行。扫描周期普通为几ms到几十ms o 由PLC工作过程可见，PLC执行程序时所用到状态值不是直接从输入端获得，而是来源于输入映像寄存器和输出映像寄存器.因而PLC在程序执行阶段，虽然输入发生变化，输入映像寄存器内容也不会变化，要等到下一周期输入采样阶段才干变化。同理，暂存在输出映像寄存器中内容，等到一种循环周期结束，才输送给输出锁存器。因此，所有输入、输出状态变化需要一种扫描周期。 PLC是以扫描方式循环、持续、顺序地逐条执行程序。任何时刻，它只能执行一条指令，也就是说，PLC是以“串行”方式工作。PLC这种串行方式可避免继电器控制系统中触点竞争和时序失配问题。2.2 PLC特点 PLC高可靠性和强抗干扰性，平均无端障时间普通可达3 - 5万小时，并且PLC环境适应性也很能强，这是PLC得到广泛应用重要因素之一。 PLC高可靠性重要办法有:良好综合设计;选用优质器件;采用隔离、滤波、屏蔽等抗干扰技术;采用先进电源技术;采用实时监控技术和故障诊断技术:采用冗余技术及良好制造工艺。 编程简朴，PLC最惯用编程语言是梯形图语言。梯形图与继电器原理图类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门计算机知识，便于广大现场工程技术人员掌握。当生产流程需要变化时，可以现场变化程序，使用以便灵活。在大型PLC中尚有高档编程语言以满足各种不同控制对象和不同使用人员需要。 通用性强，各个PLC生产厂家均有其各种系列化产品、各种模块供顾客选取。顾客可依照控制对象规模及控制规定，选取适当PLC产品，构成所需要控制系统。在进行应用设计时，普通不再需要顾客制作其他任何附加装置，从而使设计工作简化。体积小、构造紧凑、安装维修以便，PLC体积小，重量轻，便于安装。普通PLC都具备自诊断、故障报等、故障种类显示等功能yz，便于操作和维修人员检查，可以较容易通过更换模块插件来迅速排除故障。它与被控制对象硬件连接方式简朴、接线少，便于维护。 归纳起来，PLC特点有: C1)可靠性高、抗干扰能力强，并且PLC采用了许多硬件和软件抗干扰办法。 C2)编程简朴、使用以便当前大多数PLC采用继电器控制形式梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。某些PLC还依照详细问题设计了如步进梯形指令等，进一步简化了编程。 (3)设计安装容易，维护工作量少。 (4)合用于恶劣工业环境，采用封装方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等应用场合。 (5)与外部设备连接以便，采用统一接线方式可拆装活动端子排，提供不同端子功能适合于各种电气规格。 (6)功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。 在应用PLC系统设计时，应遵循如下基本原则，才干保证系统工作稳定: (1)最大限度地满足被控对象控制规定; (2)系统构造力求简朴; (3)系统工作要稳定、可靠; (4)控制系统能以便进行功能扩展、升级; (5)人机界面和谐。2.3 PLC应用领域 PLC己广泛应用国内外机械、冶金、化工、汽车、轻工等行业中。随着其性能价格比不断提高，应用范畴不断扩大，重要有如下几种方面13. (l开关量逻辑控制 PLC最基本功能是逻辑运算、计时、计数等，可实现逻辑控制，常惯用来取代老式继电器控制系统。PLC对某些机床、机械手控制、生产自动线控制都属于这一类应用。这是PLC最基本应用。例如在中、高档数控机床数控系统中，大多采用PLC+NC控制方式，前者实现对开关量控制。后者完毕插补运算等功能。 (2)运动控制 PLC使用专用指令或运动控制模块，对直线运动或圆周运动位置、速度和加速度进行控制，可以实现单轴、双轴、3轴和多轴联动位置控制，使运动控制与顺序控制功能有机结合在一起。PLC运动控制功能广泛用于各种机械，例如金属切削机床、金属成形机械、装配机械、机器人、电梯等场合。 (3)闭环过程控制 闭环过程控制是指对温度、压力、流量等持续变化模仿量闭环控制。PLC通过模仿量I/O模块，实现模仿量(Analog)和数字量(Digital)之间A/D转换与D/A转换，并对模仿量实行闭环PID(比例一积分一微分)控制。SIEMENS57-300/400有闭环控制模块、用于闭环控制系统功能块和闭环控制软件包供顾客选用。其闭环控制功能己经广泛地应用于塑料挤压成形、加热炉、热解决炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。 (4)数据解决 当代PLC具备整数四则运算、矩阵运算、函数运算、字逻辑运算、求反、循环、移位、浮点数运算等运算功能，和数据传送、转换、排序、查表、位操作等功能，可以完毕数据采集、分析和解决。这些数据可以与存储在存储器中参照值比较，也可以用通信功能传送到别智能装置，或者将它们打印制表。 (5)通信联网 PLC通信涉及PLC与远程I/O之间通信、多台PLC之间通信、PLC与其她智能控制设备(例如计算机、变频器、数控装置)之间通信。PLC与其她智能控制设备一起，可以构成“集中管理、分散控制”分布式控制系统。第三章通用变频器原理3.1变频器工作原理3.1.1变频器基本构造和原理 变频器是把工频电源(SOHz或60Hz)变换成各种频率交流电源，以实现电机变速运营设备。变频器基本构成如图3.1所示，其主电路重要由整流电路、直流中间电路和逆变电路三某些以及关于辅助电路构成“。其中整流电路将电网交流电源进行整流后给逆变电路和控制电路提供所需要直流电源，直流中间电路对整流电路输出进行平滑滤波，逆变电路是变频器最重要某些之一。它重要作用是在控制电路控制下将直流中间电路输出直流电压(电流)转换为具备所需频率交流电压(电流)。逆变电路输出即为变频器输出，它被用来实现对异步电动机调速控制。与主电路相相应，