基于USS协议的PLC与变频器的通信设计与研究.docx

烟台工程职业技术学院

机电工程 系 机电一体化 专业2011 级

毕业设计（论文）

题目；基于PLC与变频器的通讯调速统

姓名 杜洪恩
学号 2011080246
指导教师（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：
我所撰写的设计（论文）《基于plc与变频器的通讯调速系统》是在老师的指导下自主完成，没有剽窃或抄袭他人的论文或成果。如有剽窃、抄袭，本人愿意为由此引起的后果承担相应责任。
毕业论文（设计）的研究成果归属学校所有。

学生(签名) 杜洪恩
2013年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与变频器的通讯调速系统 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
指导教师 李明 职称 讲师 课题来源 工程设计 任务书下达时间 2013-9-2
系主任签字 教研室主任签字
1、毕业设计（论文）主要内容及技术指标
主要内容；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的变频调速系统，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，因此本次设计具有相当的实用价值
技术指标：误差≤±5%
2、毕业设计（论文）基本要求
要求：能按时完成毕业设计(论文)各阶段所要求的工作，
论文结构完整、合理，条理清晰，对实验方案的论述正确
3、所需数据资料及参考文献
（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2007
（2） 张明金、于静主编，〈电工电子技术〉，北京师范大学出版社2005
（3） 常斗南 ，〈可编程控制器（第2版）〉，北京：高等教育出版社 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2007
4、进度计划
序号
阶段性工作及成果

时间安排

1

2

3

4

5

6
申报毕业设计（论文）课题

开题会，各指导教师下达任务书。

全体指导教师及学生大会：考试时间调整；各指导
教师检查工作进展情况。

课题设计、撰写论文、实物制作

上交有关材料给指导老师

答辩会
2013-9

2013-10.2

2013-10-20

2013-9~2013-12

2013-11-26

2013-12-7

目录
第一章绪论................................................................................................................................... 1
1.1课题研究的背景................................................................................................................ 1
1.2课题的来源和意义............................................................................................................ 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的原理........................................................................................................................ 4
2.2 PLC的特点........................................................................................................................ 5
2.3 PLC的应用领域................................................................................................................ 6
第三章通用变频器原理............................................................................................................... 7
3.1变频器的工作原理........................................................................................................... 7
3.1.1变频器的基本结构和原理..................................................................................... 7
3.1.2交一直变换电路........................................................................................................ 8
3.1.3直一交变换电路........................................................................................................ 9
3.1.4能耗制动电路....................................................................................................... 10
3.1.5变频器的控制方式.........................................................................................……11
3.1.6变频器的干扰问题............................................................................................... 12
3 .2变频器的类别................................................................................................................. 13
3.2.1根据变频环节的不同的分类............................................................................... 13
3.2.2根据主电路工作方式分类................................................................................... 14
3.2.3根据电压的调制方式分类................................................................................... 14
3.3变频调速控制系统的优势............................................................................................. 14
3.4实现变频调速要解决的问题......................................................................................... 16
3.4.1大功率开关器件是实现变频调速的必要条件................................................... 17
3.4.2变频变压.........................................................................................................17
3..9变频调速的现实意义................................................................................................19
第四章控制系统的设计............................................................................................................. 20
4.1系统的硬件介绍............................................................................................................. 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系统的界面设计............................................................................................................. 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通信方式的选择............................................................................................................. 29
5.2 PLC之间的通讯............................................................................................................. 31
5.2.1 NETR(网络读)和NETW(网络写)指令..................................................... 31
5.2.2通信程序的设计................................................................................................... 32
5.3 PLC与变频器的通讯..................................................................................................... 35
5.3.1 USS协议.........................................................................................................……35
5.3.2 USS通信数据格式和编程要求.....................................................................……37
5.3.3 57-200的接收和发送指令(XTM/RCV ) ......................................................... 39
5.3.4设计通信程序.................................................................................................……39
5.4通信参数设置...........................................................................................................……47
5.4.1 PP工和MPI协议....................................................................................................47
5.4.2通信参数设置.................................................................................................……48
5.5系统通信.......................................................................................................................... 50
5.5.1 PLC之间的通信调试........................................................................................... 50
5.5.2触摸屏与PLC的通信调试.................................................................................. 50
5.5.3 PLC和变频器的通信........................................................................................... 51
5.5.4变频器、编码器和电动机的通信测试............................................................... 52
5.5.5调试分析.........................................................................................................……52
第六章结论............................................................................................................................. 5
参考文献....................................................................................................................................... 54
致谢........................................................................................................................................... 56

基于PLC与与变频器的通讯调速系统
杜洪恩
【摘要】目前，各种自动化技术手段并行发展、相互融合，为工业控制提供了多种可行的技术途径。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的快速发展进一步提升了工业自动化技术的发展水平。
在工业自动化控制领域的发展过程中，变频器的使用越来越受人们的关注。但是变频
调速具有一定的技术难度，人们需要一个慢慢了解和熟悉的过程。变频器的使用最主要的
一个特点就是节能和降低成本，许多传统的耗能设备都要进行技术改造。所以变频调速技
术的推广有着十分重要的现实意义。同时，随着PLC的不断发展，使得工业自动化控制更
加的准确、方便、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，有的企业己实现了全车间或全厂的综合自动化，即将不同厂家生产的
可编程设备连接在单层或多层网络上，相互之间进行数据通信，实现分散控制和集中管理。
因此，通信与网络己经成为控制系统不可缺少的重要组成部分，也是控制系统的设计和维
护的重点和难点之一。
在小型自动化控制系统中，USS协议通信是一种很成功的解决方案，能显示出具有硬
件逻辑简单、抗干扰能力强的特点，可以实现车间级的现场总线网络控制。本文介绍了自
动化控制技术的综合应用，将各种通用的自动化技术与实践优化结合，将SIEMENS公司
的57-200 PLC和变频器应用于铜大拉机的自动控制中，通过基于USS协议的RS485总线
进行组网，进行PLC和变频器对电机的控制，其中PLC和变频器之间的通信设计最为关
键。并且将其作了标准化的设计，可以应用于多个自动化控制系统中，大大节约了项目的
开发时间和成本，在实际应用中取得了良好的效果。
关键词:自动化控制，USS协议，变频器，PLC，通信

第一章绪论
1.1课题研究的背景
在工业自动化控制领域的发展过程中，控制系统的发展经历了模拟仪表控制系统、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)}1]fz]f3]。现场总线具有开放性、分散化和低成本的三大特征。
它的出现使传统的自动控制系统产生了划时代的变革，网络化的操作系统开始流行，并发挥了巨大的作用。计算机及通信技术己经成为工业环境中大部分解决方案的核心部分，其在控制系统中的比重正在迅速增加。
目前，在工业企业自动化技术应用中，自动化控制系统广义上按功能可分为三个层次，见图1.1，分别是基础自动化、过程自动化和管理自动化，核心是基础自动化和过程自动化。
其中，基础自动化部分涵盖了常规意义上的自动控制系统的内容，过程自动化部分是基于信息化技术的自动化，管理自动化则是最上层的融合了控制技术、管理技术的综合自动化技术[4]

图1.1:白动化应用系统功能结构图
本文要阐述的是电线、电缆用铜线的拉拔设备的自动化控制系统的设计。目前电线电缆专用设备中仅有很少部分是自动化的，在设备部件中，也似乎只有放线和收线装置，可使电缆的收线、放线以及调换线盘实现自动化。生产过程自动化的一种可能是将两道工序合并在一条生产线上。较高一级的自动化是自动化物流处理系统以及生产过程和生产线的控制系统。物流处理系统通过自动线盘搬运和信息加工使两道或两道以上的生产工序的生产过程协调一致，从而得到均衡的物料流动和机器的高利用率。该系统包括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组成，通过可编程序控制器对生产线的运行进行控制;通过工业计算机跟踪生产的现实情况，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的效率和产品质量达到最佳化，而不受操作者的技术水平和能力的影响。生产线能储存大量的工艺文件，以便迅速调换产品，并能持续监察和记录产品质量，对产品进行全面的描述。
1.2课题的来源和意义
大拉机是铜加工生产中的咽喉设备。十几年来国产拉丝机水平有了稳步的提高，并己系列化除拉线速度尚有一定差距外，连续退火、快速换模、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的进展，最高拉线速度也己稳定，但在结构上也有一些值得借鉴的改进。例如一些大拉机采用浸没式乳浊液润滑系统，提高铜线的表面质量，延长鼓轮和模具的寿命;改进大拉连续退火装置中导轮和退火轮的布置，简化导线路径，降低操作高度，便于穿线和维护保养;主齿轮箱采用标准化的模块结构，可以根据用户订货要求组合成不同拉制道数的拉丝机。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的综合发展，出现了新型、通用的自动化控制装置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，交流电机的拖动控制越来越多地采用变频器完成，而它也不仅仅作为一个单独的执行机构，而是随着其不断的智能化，可以同上位计算机之间可以通过各种通信方式结合成一个有机的整体。本文所作的研究就是在这样的背景下利用PLC和变频器对大拉机生产线实现自动化控制。大拉机的工艺流程如图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的应用即工业控制自动化技术应用技术，对企业生产过程有明显的提升作用，提高了工业生产产品的质量、数量和生产设备的效率，改善了劳动条件，先进的控制技术手段还极大地提高了人们对社会生产的预测及决策能力。自动控制技术应用系统是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统，它一般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、变频器以及其他控制技术(如现场总线技术、无线通信技术等)构成;控制对象包括各种电动机、生产单元、生产过程等;过程通道完成控制装置与控制对象之间的信号(也包括相应的反馈信号部分)匹配。
同时，随着计算机控制迅速地被推广和普及，相当多的企业己经在大量地使用各式各样的可编程设备，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。有的企业己实现了全车间或全厂的综合自动化，即将不同厂家生产的可编程设备连接在单层或多层网络上，相互之间进行数据通信，实现分散控制和集中管理。因此，通信与网络己经成为控制系统不可缺少的重要组成部分，也是控制系统的设计和维护的重点和难点之一[6][7]。
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的设计，涵盖了目前基础自动化和过程自动化中典型自动控制技术手段或装置的应用，包括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和变频器的通信作了很完整的研究，将通信程序作了标准化设计。该设计主要是针对小型自动化控制系统所作的一种控制方案，有一定的适用价值，缩短了项目开发的周期。设计的主要思路是基于USS协议，实现SIEMENS 57-200 PLC对变频调速装置的控制，上位机采用SIEMENS TP270触摸屏及Protool组态语言。在规模相对较小的自动化系统中，由于USS协议是西门子公司一变频器开发的通信协议，可支持变频器同PC或PLC之间建立通信连接，因此USS协议通信是一种很成功的解决方案，能显示出具有硬件逻辑简单、抗干扰能力强的特点，可以实现车
间级的现场总线网络控制，因此，有一定的研究意义。
第二章plc简介
2.1 PLC的原理
可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)简称为PLC，是20世纪60年代末逐步发展起来的一种以计算机技术为基础的新型工业控制装置，专门为工业环境应用而设计制造的计算机[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的应用，成为工业自动化领域中的一项十分重要的应用技术。
PLC的硬件系统由中央处理单元、存储器、输入输出电路等组成，软件系统由系统程序和用户程序组成。由于顺序控制是PLC的主要功能，因此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、电磁阀线圈和指示灯等，其工作过程总可分为三个阶段:输入采样(处理)、程序执行和输出刷新(处理)。图2.1是PLC控制系统图。
图2.1: PLC的控制系统图
PLC采用循环扫描的工作方式。在输入采样阶段，PLC以扫描方式顺序读入所有输入端的通断状态，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有关元件的通断状态，根据用户程序进行逻辑、算术运算，再将结果存入输出映像寄存器中。在输出刷新阶段，PLC将输出映像寄存器的通断状态转存到输出锁存器，向外输出控制信号，去驱动用户输出设备。上面三个阶段的工作过程称为一个扫描周期，然后PLC又重新执行上述过程，周而复始地进行。扫描周期一般为几ms到几十ms o
由PLC的工作过程可见，PLC执行程序时所用到的状态值不是直接从输入端获得的，而是来源于输入映像寄存器和输出映像寄存器.因此PLC在程序执行阶段，即使输入发生变化，输入映像寄存器的内容也不会改变，要等到下一周期的输入采样阶段才能改变。同理，暂存在输出映像寄存器中的内容，等到一个循环周期结束，才输送给输出锁存器。所以，全部输入、输出状态的改变需要一个扫描周期。
PLC是以扫描方式循环、连续、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的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的问题。
2.2 PLC的特点
PLC的高可靠性和强抗干扰性，平均无故障时间一般可达3 -}- 5万小时，而且PLC的环境适应性也很能强，这是PLC得到广泛应用的重要原因之一。
PLC高可靠性的主要措施有:良好的综合设计;选用优质器件;采用隔离、滤波、屏蔽等抗干扰技术;采用先进的电源技术;采用实时监控技术和故障诊断技术:采用冗余技术及良好的制造工艺。
编程简单，PLC最常用的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，不需要专门的计算机知识，便于广大现场工程技术人员掌握。当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便灵活。在大型PLC中还有高级编程语言以满足各种不同控制对象和不同使用人员的需要。
通用性强，各个PLC的生产厂家都有其各种系列化的产品、各种模块供用户选择。用户可根据控制对象的规模及控制要求，选择合适的PLC产品，组成所需要的控制系统。在进行应用设计时，一般不再需要用户制作其它任何附加装置，从而使设计工作简化。体积小、结构紧凑、安装维修方便，PLC体积小，重量轻，便于安装。一般PLC都具有自诊断、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。它与被控制对象的硬件连接方式简单、接线少，便于维护。
归纳起来，PLC的特点有:
C1)可靠性高、抗干扰能力强，而且PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施。
C2)编程简单、使用方便目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。一些PLC还根据具体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)适用于恶劣的工业环境，采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。
(5)与外部设备连接方便，采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子功能适合于多种电气规格。
(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，应遵循以下的基本原则，才能保证系统工作的稳定:
(1)最大限度地满足被控对象的控制要求;
(2)系统结构力求简单;
(3)系统工作要稳定、可靠;
(4)控制系统能方便的进行功能扩展、升级;
(5)人机界面友好。
2.3 PLC的应用领域
PLC己广泛应用国内外的机械、冶金、化工、汽车、轻工等行业中。随着其性能价格比的不断提高，应用范围不断扩大，主要有以下几个方面[13].
(l}开关量逻辑控制
PLC最基本的功能是逻辑运算、计时、计数等，可实现逻辑控制，常常用来取代传统的继电器控制系统。PLC对一些机床、机械手的控制、生产自动线的控制都属于这一类应用。这是PLC的最基本的应用。例如在中、高档数控机床的数控系统中，大多采用PLC+NC的控制方式，前者实现对开关量的控制。后者完成插补运算等功能。
(2)运动控制
PLC使用专用的指令或运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，可以实现单轴、双轴、3轴和多轴联动的位置控制，使运动控制与顺序控制功能有机结合在一起。PLC的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、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量I/O模块，实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换与D/A转换，并对模拟量实行闭环PID(比例一积分一微分)控制。SIEMENS的57-300/400有闭环控制模块、用于闭环控制的系统功能块和闭环控制软件包供用户选用。其闭环控制功能己经广泛地应用于塑料挤压成形、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电
力、建材等行业。
(4)数据处理
现代的PLC具有整数四则运算、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，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，也可以用通信功能传送到别的智能装置，或者将它们打印制表。
(5)通信联网
PLC的通信包括PLC与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC与其他智能控制设备(例如计算机、变频器、数控装置)之间的通信。PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。