基于PROFIBUS-DP变频器通讯控制系统设计自控系毕业论文.doc
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1、摘要 摘摘 要要 在造纸机中,同步控制和纸张力控制是造纸机控制中极为重要的一环。本 文就是以西门子 S7-300 PLC 和基于 PROFIBUSP-DP 的 MM440 变频器组合的控制 方案在造纸过程中实现多电机同步传动,提出适于 PLC 控制的、能在纸传动过 程中实现高精度稳速控制及恒张力控制的控制方案。该方案建立了过程运行参 数与控制目标的准确定量关系,既没有理论误差,又避免了多电机的性能差异 及负载波动等对控制的影响,为实现造纸机多电机高精度同步传动提供了技术 手段。 本文所研究的基于 PROFIBUSP-DP 变频器造纸机械控制系统采用 PLC 来控 制变频器调速,充分发挥 PRO
2、FIBUSP-DP 模块的高可靠性、灵活性、通用性、扩 展性等优点,通过 RS485 传输技术建立 PLC 与变频器的 PROFIBUSP-DP 通讯进 而完成 PLC 控制变频器调速系统的方案设计和全部的控制系统设计 。 关键词:关键词:PLC ; PROFIBUSP_DP 变频器 Abstract ABSTRACTABSTRACT In the paper machine, synchronous control and paper tension control in paper high precision steady speed control and constant tensi
3、on control method. Themachine control is a very important link in. This article is based on Siemens S7-200PLC and Siemens MM440 converter combined control scheme in the paper_making process multi motor synchronous drive, put forward suitable for PLC control, in the paper the transmission process ach
4、ieves plan to establish the process parameters and the control goal of accurate quantitative relation, neither theory error, but also avoid the multi motor performance differences and load fluctuation on control effect, for the realization of paper machine with multi high precision synchronous trans
5、mission provides technical means。 In this paper, the study by AC motor speed control system using PLC to control the frequency converter speed control,programmable logic controller and give fullplay to the high reliability,flexibility,versatility,scalability,etc,through the PLC switches to control t
6、he volume of input and output modules multi-functional inverter input to achieve the multi-stage motor speed control,during the RS485 transmission technology through the establishment of the PLC and inverter PROFIBUSP-DP communication to complete the PLC control program inverter speed control system
7、 design and all of the control system design. Keywords: : The alternating current; PLC; PROFIBUSP-DP communication 目录 i i 目目 录录 第 1 章 绪 论.1 1.1 基于PROFIBUS-DP通讯控制发展与现状 1 1.2 基于PROFIBUS-DP通讯控制的意义 1 第 2 章 系统的功能设计分析和总体思路 2 2.1 概述 2 2.2 系统功能设计分析2 2.3 系统设计原理和方法. 3 第 3 章 变频器通讯控制系统的硬件设计 5 3.1 PROFIBUS-DP 的变
8、频器控制系统结构5 5 3.2 通过 Profibus-DP 数据通讯6 6 3.3 变频器的选择 8 8 3.4 系统硬件组态. 9 9 第 4 章 系统的软件设计与调试. 15 4.1 STEP 软件简介15 4.2 PLC 和存储点的地址分配 .16 第 5 章 结论与展 望18 5.1 结论 22 5.2 不足之处及未来展望. 目录 22 参考文献 23 致谢致谢 24 基于 PROFIBUS-DP 计变频器通讯控制系统设 1 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP 通讯控制系统发展与现状通讯控制系统发展与现状 随着工业自动化的不断
9、发展,工厂业主对生产效率和产品质量要求的不断提 高,分别对每台电机进行单独控制在某些场合已经不能满足生产工艺的要求,而 需要同时对多台电机进行控制,让其更好地协调运行,因此多电机同步传动控制 应运而生。最早的同步控制方法有模拟放大器同步控制和电动式连锁同步控制等 方式,前者有抗干扰差和漂移等缺陷,而后者有调整不方便和体积庞大等不足。 从 90 年代中期国外现场总线技术开始进入工业化实用阶段,采用现场总线通讯 方式的多电机同步控制系统开始广泛应用。在纸机传动系统中,随着车速的提高 和生产工艺的要求,也逐步地引进多电机同步控制方法,现代纸机的多分部传动 系统采用现场总线通讯同步控制的已经占到了 9
10、0%以上。 现场总线种类很多, 但由于大多交直流传动装置可以采用 PROFIBUS( Process Field Bus)现场总线通讯,所以 PROFIBUS 现场总线在传动控制领域占 有较大的市场份额,并且在逐年地增加。另外 PROFIBUS 总线标准包括 3 个方面 的内容:FMS、DP、PA,可以适用于不同的应用领域。PROFIBUS 现场总线技术就 是实现现场级设备数字化的工业现场层网络通信技术,它具有较强的现场信息集 成能力,可靠性好,维护性好,且总线协议是开放的。这样,如果给现场设备接 入具有现场总线网络功能的接口,不仅可以利用现场总线网络来管理分布的设备, 还可以克服目前普通控制
11、方式的缺点。 1.21.2 PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP 通讯控制的意义通讯控制的意义 给予 PROFIBUS-DP 现场总线的造纸机多电机同步传动系统的研究与开发,提 高了传动系统的可靠性和控制的精度,增强了系统的抗干扰能力。利用 PROFIBUS-DP 现场总线使系统各设备件具有通讯能力,形成网络系统,同时强大 的软件功能可缩短工程时间,提高系统的智能化程度,实现复杂的控制功能,并 应用于大中型纸机传动控制系统中,降低对进口产品和软件的依赖性,加大了造 纸行业中国内相关产品和技术所占的比重,提高具有自主知识产权的产品在市场 中的竞争力。在实际中,用它对造纸系统进行改造,完成
12、了预期的通信和控制功 能,大大提高了生产效率,取得了满意的效果,这对国家的经济建设和经济安全 都具有重要意义。 河南机电高等专科学校毕业论文 第第 2 2 章章 系统的功能设计分析和总体思路系统的功能设计分析和总体思路 2.12.1 概述概述 本文就是以西门子 S7-300 PLC 和基于 PROFIBUSP-DP 的 MM440 变频器组合 的控制方案在造纸过程中实现多电机同步传动,提出适于基于 profibus-dp 变 频器通讯控制的、能在纸传动过程中实现高精度稳速控制及恒张力控制的控制 方案。该方案建立了过程运行参数与控制目标的准确定量关系,既没有理论误 差,又避免了多电机的性能差异及
13、负载波动等对控制的影响,为实现造纸机多 电机高精度同步传动提供了技术手段。 2.22.2 系统功能设计分析系统功能设计分析 设计四台电机构成的变频调速同步控制系统:四台电机速度可以同步升降, 也可以微调,1#电机微调其他电机同步微调, 2#电机微调1#不同步微调,其 他电机须同步微调,3#电机微调1#和2#不同步微调,4#电机同步微调,4#电 机微调,其他电机均不同步微调 。 纸机对电气传动形同的要求 1) 纸机工作速度要有较大的调节范围。为了纸纸机具有较强的的产品、 原料的适应性,纸机传动可在较大的范围内均匀的调节速度,调节范围为 1:8。 2) 车速要有较高的稳定裕度,总车速提升、下降要平
14、稳。为了稳定纸页 的定量和质量、减少断头、要求纸机的稳速精度为( 0.05-0.01)%。 3) 速差控制,速比可调、稳定。纸幅在网部和压榨部时,其纵向伸长横 向收缩,而在烘干部时,两向都收缩,因此纸机各分部的线速稍有差错,即 速差。误差应控制在 0.1%以内保持纸张不被拉断。纸机各分部的速比的最大 波动值与浆料配比、定量、车速、生产工艺、纸页收缩率及分部之间的纸幅 无承托引段张力等因素有关。因此,纸机各相邻部分之间应有适当的速差来 形成良好的纸页。纸机各分部的速度必须可调,为( 10-15)%。 4) 各分部点具有速度微升微降功能,引纸操作时的紧纸、松纸功能 。 5) 爬行速度。为了方便检修
15、和清洗干网以及为了各部分的运行运行工况, 各部分应有 15-50m/min 的可调爬行速度。 6) 纸机为恒转矩负载性质,要选择具有恒转矩控制性能的变频器,良好 的通信能力,并采用 PLC 作为控制单元,实现对整个控制的可靠、协调的控 制,以满足纸机控制系统正常工作的需要。 基于 PROFIBUS-DP 计变频器通讯控制系统设 3 3 2.32.3 系统设计原理和方法系统设计原理和方法 四台电机速度可以同步升降,也可以微调, 1#电机微调其他电机同步微 调,2#电机微调 1#不同步微调,其他电机须同步微调, 3#电机微调 1#和 2# 不同步微调,4#电机同步微调,4#电机微调,其他电机均不同
16、步微调。设有 启动/停止按钮和速度同步升/降旋钮,每台电机设有选择开关和升 /降微调 旋钮。 2.3.12.3.1 硬件电路图硬件电路图 图 2-1 造纸电机硬件电路图 河南机电高等专科学校毕业论文 图 2-2 主程序流程图 基于 PROFIBUS-DP 计变频器通讯控制系统设 5 5 第第 3 3 章章 变频器通讯控制系统的硬件设计变频器通讯控制系统的硬件设计 PROFIBUSP-DP 是一种国际化的开放式现场总线标准,即 EN50170 欧洲 标准和 IEC61158 国际标准的一部分。并且,在 2001 年 12 月成为我国的现 场总线标准。Profibus 由 PROFIBUSP-FM
17、S(Fieldbus Message Specification) ,PROFIBUSP-PA (Process Automation)和 Profibus- DP(Distributive Peripheral)三部分组成。其中,PROFIBUSP-DP 具有高 速传输、价格低廉等特点,实现起来比较简单,主要用于分散设备间的数据 高速传输。该总线物理层采用 RS485 传输方式,传输速率可达 9.6kbps 至 12Mbps。一般用于自动化控制系统和现场设备之间的通信。可以满足全数字 交直流调速系统对于时间快速响应要求。目前 80%以上的 PROFIBUSP 应用基 于 PROFIBUSP-
18、DP。 基于 PROFIBUSP-DP 现场总线的控制系统与以前的集散型控制系统 (DCS)相比,具有很多优越性,如: (1)采用双绞线、光缆或无线电方式传送数字信号,从而大量削减现场 仪表与控制室之间一对一连接的导线,节省安装费用,提高可靠性和抗干扰 能力,增强控制精度,信息传输速率可达 1-12Mb/s,传输距离可达数公里。 (2)由于采用了统一的国际标准,不同厂家的产品在硬件、软件、通信 标准、连接方式等方面互相兼容,使系统具有开放性,这对用户的操作、维 修、扩展都是十分有利的。 (3)由于现场设备本身可完成自动控制的基本功能,导致现场总线已构 成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根
19、本上改变了现有 DCS 集中与 分散相结合的集散控制系统体系,简化了系统结构,提高了可靠性。许多控 制功能从控制室移至现场仪表,大量过程检测与控制的信息就地采集、就地 处理、就地使用,在新的技术基础上实施就地控制,使过程控制基本分散到 现场,而控制室内的仪表装置主要完成数据处理、监控、优化控制、协调控 制和管理自动化功能。 (4)开放式系统:系统分层分级集成,设计灵活,网络可采用多种拓扑 结构。 3.13.1 PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP 的变频器控制系统结构的变频器控制系统结构 现以济钢三炼钢板坯连铸机自动控制系统为例介绍现场总线的组成。济 钢三炼钢板坯连铸机基础自动化控制系
20、统配置采用德国 SIEMENS 公司的 S7 系列产品,组成仪控合一的基础自动化控制级( L1 级) ,用于主 PLC 与从 PLC(产 PLC 的相关品)之间相互通讯,使之现场设备正常运行的媒介 河南机电高等专科学校毕业论文 PROFIBUS 总线。PROFIBUS 总线在板坯连铸机系统中应用广泛,在设备运行过 程中显示出了它强大的稳定性能和可靠性。 作为 PROFIBUS-DP 网的典型配置如图 1 所示,PLC(SIMATIC S7-300 或 S7-400 系列)作为一级 DP 主站,他负责在预定的信息周期内循环与从站交 换信息,发送控制信息,读取从站的状态等,组态软件 Wincc 作
21、为二级 DP 主站,用于操作与监控。 MM440 变频器加上 CB 通讯板(PROFIBUS 通讯模块) 后作为从站,这样的从站可带 32 个。如果使用中继器,最多可达 127 个从 站。MM 440 是 MICROMASTER 4 系列变频器中的顶尖机型。有精确的控制性能, 适应多种工业应用场合。除了包含有 MM 440 所具有的安装简便和用户界面 友好的优势外,还具有快速的输入响应,优化的矢量控制特点。另外由于内置 制动单元,使变频器在制动和减速方面 , 具有优良的功能品质。 图 3-1 Profibus-DP 网的总线拓扑结构 3.23.2 通过通过 Profibus-DPProfibu
22、s-DP 数据通讯数据通讯 MM440 变频器既支持和主站的周期性数据通讯,也支持和主站的非周期性 数据通讯,即 S7-300 可以使用功能块 SFC14/SFC15 读取和修改 MM440 参数值, 调用一次可以读取或者修改一个参数。同时也可以使用功能块 SFC58/SFC59 或 者 SFB52/SFB53 读取和修改 MM440 参数值,一次最多可以读取或者修改 39 个 参数。 在变频器现场总线控制系统中,Profibus-DP 的通讯协议的信息帧分为协 议头、用户数据和协议尾。用户数据结构被指定为参数过程数据对象(PPO), 基于 PROFIBUS-DP 计变频器通讯控制系统设 7
23、7 有的用户数据带有一参数区域和一过程数据区域,而有的用户数据仅由过程数 据组成。变频传动概要定义了 5 种 PPO 如图 2 所示。 图 3-2 Profibus-DP 信息帧中用户数据结构 MICROMASTER 4 仅支持 PPO 型 1 和型 3。参数值 PKW 是变频器运行时要定 义的一些功能码,如最大频率、基本频率、加/减速时间等。过程数据 PZD 用 来传输控制字和设定值(主-变频器)或状态字和实际值(变频器-主) 等输入/输出的数据值。 MICROMASTER 4 系列变频器与 SIMATIC S7-300 通讯,必须完成下列变频器 功能码的设置:P918(PROFIBUS 地
24、址)设定值可以是 1-125,P1000(频率设 定值的选择)=6(CB 通讯板),P2041.00(CB 参数)=3(PPO3),P2040(CB 停止报文时间)0,P0927(修改参数的途径)=1(COMMS 模板),P700(选择 命令源)=6(PROFIBUS/Fieldbus 通讯链路的现场总线)。 采用 SIMATIC S7-300 系列的 CPU315-2DP 作为 DP 主站,CPU315-2DP 系统 本身具有 Profibus-DP 接口,无需另外的通讯接口单元。在编程软件 STEP7 中 完成硬件网络组态,为变频器分配网络地址,该地址必须与变频器 CB 板中设 置的相同,
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