Uss通信在无级调速系统中的应用.docx

Uss通信在无级调速系统中的应用.docx

《Uss通信在无级调速系统中的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《Uss通信在无级调速系统中的应用.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

Uss通信在无级调速系统中的应用

Uss通信在无级调速系统中的应用

题目Uss通信在无级调速系统中的应用

电气与自动化工程学院院〔系〕自动化专业

学生姓名学号

指导教师职称

指导教师工作单位

起讫日期

摘要

目前，各种自动化技术手段并行进展、相互融合，为工业操纵提供了多种可行的技术途径。

可编程序操纵器技术、工业操纵运算机技术、分布式操纵系统、数控系统、人机面技术以及各种嵌入式操纵器系统的快速进展进一步提升了工业自动化技术的进展水平。

在工业自动化操纵领域的进展过程中，变频器的使用越来越受人们的关注。

然而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。

变频器的使用最要紧的个特点确实是节能和降低成本，许多传统的耗能设备都要进行技术改造。

因此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的不断进展，使得工业自动化操纵更加的准确、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操纵，实现远程监视网络操纵系统。

在实际工程中，有的企业已实现了全车间或全厂的综合自动化，立即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，实现分散操纵和集中治理。

因此，通信与网络差不多成为操纵系统不可缺少的重要组成部分，也是操纵系统的设计和爱护的重点和难点之一。

在小型自动化操纵系统中，USS协议通信是一种专门成功的解决力一案，能显示出具有硬件逻辑简单、抗十扰能力强的特点，能够实现车间级的现场总线网络操纵。

本文介绍了自动化操纵技术的综合应用，将各种通用的自动化技术与实践优化结合，将SIEMENS公司的S7-200PLC不口变频器应用于铜大拉机的自动操纵中，通过基于USS协议的RS485总线进行组网，进行PLC和变频器对电机的操纵，其中PLC和变频器之间的通信设计最为关键。

并日_将其作了标准化的设计，能够应用于多个自动化操纵系统中，大大节约了项目的开发时刻和成本，在实际应用中取得了良好的成效。

关键词：

自动化操纵，USS协议，变频器，PLC，通信

ABSTRACT

Recently,manywaysofautomationtechnologydeveloptogether,whichprovidesaseriesoftechnologysolutionforIndustryControlling.ThedevelopmentofthetechnologyofProgrammableLogicController,IndustryPersonalComputer,distributionControlSystem,HMI,EMCUupgradesindustryautomationtechnology.

Intheprocessoftheindustrialautomationcontroldevelopment,theuseoffrequencyconverterisgraduallyconcerned.Theuseoffrequencyconverterisdifficult,weneedsometimetounderstandit.Theadvantageoffrequencyconverteristhatitcanreducethepowersourceandcost,manytraditionalequipmentswillbereconstructedatthetechnicalproblem.Sothefrequencyconvertertechnologywhichispopularizedhasasignificantsocialmeaning.Atthesametime,withthedevelopmentofPLC,theindustryautomationisbecomemoreprecision,moreconvenience,saferandmorecredibility.PLCistogetherwithtransducertocontroltheengine,realizingthelong-distancewatchnetworkcontrolsystem.

Intheprojects,thesyntheticalautomationofthewholeworkshoporfactoryhavecometrueinmanyenterprises.Someprogrammableequipmentsofdifferentcompaniesthatlinkedinsinglelayerorsevarallayersofnetworkcouldcommunicateeachorther,whichcanbecontrolledindistibutionorinconcentration.So,communicationandnetshavebeenimportanttocontrollingsystems,andthedifficultyandpriorityofthedesigningofautomationsystems.

Insmallautomationcontrolsystem,communicationbasedonUSSprotocalisagoodsolution,whichhassimplehardwarelogic,goodresistanceofinterferences.Andinthiswaythefield-can-controlingofwhole-workshopcometrue.Thisarticlediscussedcomprehensiveapplicationofautomationcontroltechnology,combinationofpracticesandmanyautomationcontroltechnologiesincommonuse,andthatthe57-200PLCandfrequencyconverterofSIEMENSisappliedtocupperblockcontrolingsystem.ThePLCandfrequencyconvertercontroltheengine,whichisbasedontheUSSconsultationRS485tomakenetwork.ThedesignofthecommunicationbetweenPLCandfrequencyconverteristhemostimportant.Thearticleintroducesastandarddesign,whichcouldbeappliedtoaseriesofautomationsystems.Itcouldsavetheperiodandcostoftheprojects,whichhavegottenaccomplishtioninadegree.

Keywords:

Automationcontrol,USSprotocol,transducer,PLC,Communication

第一章PLC简介

1.1PLC的原理

可编程逻辑操纵器〔ProgrammableLogicController〕简称为，是20世纪60年代末逐步进展起来的一种以运算机技术为基础的新型工业操纵装置，专门为工业环境应用而设计制造的运算机[9]。

近几年来，PLC技术在各种工业过程操纵、生产自动线操纵及各类机电一体化设备操纵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、储备器、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。

由于顺序操纵是PLC的要紧功能，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时期:

输入采样（处理）、程序执行和输出刷新（处理）。

图1.1是操纵系统图

PLC采纳循环扫描的工作方式。

在输入采样时期，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。

在程序执行时期，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，依照用户程序进行逻辑、算术运算，再将结果存入输出映像寄存器中。

在输出刷新时期，将输出映像寄存器的通断状态转存到输出锁存器，向外输出操纵信号，去驱动用户输出设备。

上面三个时期的工作过程称为一个扫描周期，然后又重新执行上述过程，周而复始地进行。

扫描周期一样为几ms到几十ms。

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截了当从输入端获得的，而是来源于输入映像寄存器和输出映像寄存器.因此PLC在程序执行时期，即使输入发生变化，输入映像寄存器的内容也可不能改变，要等到下一周期的输入采样时期才能改变。

同理，暂在输出映像寄存器中的内容，等到一个循环周期终止，才输送给输出锁存器。

因此，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，也确实是说，是以〝串行〞方式工作。

PLC的这种串行方式可幸免继电器操纵系统中触点竞争和时序失配的问题。

1.2PLC的特点

PLC的高可靠性和强抗干扰性，平均无故障时刻一样可达3～5万小时，而且PLC的环境适应性也专门能强，这是PLC得到广泛应用的重要缘故之一。

高可靠性的要紧措施有:

良好的综合设计;选用优质器件;采纳隔离、滤波、屏蔽等抗干扰技术;采纳先进的电源技术;采纳实时监控技术和故障诊断技术:

采纳冗余技术及良好的制造工艺。

编程简单，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，容易把握，不需要专门的运算机知识，便于宽敞现场工程技术人员把握。

当生产流程需要改变时，能够现场改变程序，使用方便灵活。

在大型中还有高级编程语言以满足各种不同操纵对象和不同使用人员的需要。

通用性强，各个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。

用户可依照操纵对象的规模及操纵要求，选择合适的产品，组成所需要的操纵系统。

在进行应用设计时，一样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、安装修理方便，体积小，重量轻，便于安装。

一样PLC都具有自诊断、故障报等、故障种类显示等功能，便于操作和修理人员检查，能够较容易通过更换模块插件来迅速排除故障。

它与被操纵对象的硬件连接方式简单、接线少，便于爱护。

在应用PLC系统设计时，应遵循以下的差不多原那么，才能保证系统工作的稳固:

〔1〕最大限度地满足被控对象的操纵要求；

〔2〕系统结构力求简单，操纵系统能方便的进行功能扩展、升级；

〔3〕系统工作要稳固、可靠，人机界面友好。

第二章通用变频器原理

2.1变频器的工作原理

2.1.1变频器的差不多结构和原理

变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。

变频器的差不多构成如图3.1所示，其主电路要紧由整流电路、直流中间电路和逆变电路三部分以及有关的辅助电路组成[14]。

其中整流电路将电网的交流电源进行整流后给逆变电路和操纵电路提供所需要的直流电源，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路是变频器的最要紧的部分之一。

它的要紧作用是在操纵电路的操纵下将直流中间电路输出的直流电压（电流）转换为具有所需频率的交流电压（电流）。

逆变电路的输出即为变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速操纵。

与主电路相对应，为主电路提供所需驱动信号的电路称为变频器的操纵电路。

操纵电路的要紧作用是依照事先确定的变频器操纵方式，产生进行V/f或电流操纵时所需要的各种门极驱动信号或基极驱动信号。

此外，变频器的操纵电路还包括对电流、电压、电动机速度进行检测的信号检测电路，为变频器和电动机提供爱护的爱护电路，对外接口电路和对数字操作盒的操纵电路。

变频器主操纵电路的中心是一个高性能的微处理器，并配以PROM、RAM、ASIC芯片和其它必要的周边电路。

它通过A/D、D/A等接口电路接收各种检测信号和参数设定值，并进行处理。

它要紧完成以下任务:

（1）输入信号的处理;输入信号包括频率（速度）指令信号和运行、停止、正转、反转的操作操纵信号。

指令信号有两种:

模拟指令信号:

0～10V的电压指令信号或4～20mA的电流指令信号;数字指令信号:

来自RS232C、RS-485（通常为选件的数字信号。

本系统中PLC输入变频器的信号为4～20mA模拟指令信号，此信号通过A/D变换器转变为数字信号后送入微处理器。

（2）加减速速率调剂功能:

（3）运算处理等［7］。

主电路驱动电路是为变频器逆变电路的换流器件提供驱动信号。

信号检测电路是将变频器和电动机的工作状态反馈至微处理器，并由微处理器进行处理后为各部分电路给出所需的操纵信号和爱护信号，以达到操纵变频器的输出和为变频器及电动机提供必要的爱护的目的。

而爱护电路是由微处理器来判定变频器本身或系统是否显现了专门，专门时那么进行各种必要的处理，包括停止变频器的输出。

变频器的爱护功能包括对变频器的输出，对驱动电动机8的爱护和对系统的爱护三个方面的内容。

变频器的种类较多，然而工作原理类似，以交-直-交电压型变频器为例，简要介绍其工作原理。

交-直-交电压型变频器是中小容量、通用型变频器的要紧形式，其主电路如图3.2所示。

它由交-直变换电路、直-交变换电路和能耗制动电路组成。

图2.2：

〝交-直-交〞变频器的主电路

2.1.2变频器的操纵方式

作为变频调速系统的核心-变频器的性能越来越成为调速性能优劣的决定因素，在交流变频器中常用的非智能操纵方式有V/f和谐操纵、转差频率操纵、矢量操纵、直截了当转矩操纵等。

1.v/f操纵

即u/f=c，正弦脉宽调制（SPWM）操纵方式。

v/f操纵是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器差不多上都采纳这种操纵方式。

2.转差频率操纵

转差频率操纵是一种直截了当操纵转矩的操纵方式，它是在v/f操纵的基础上，按照明白异12步电动机的实际转速对应的电源频率，并依照期望得到的转矩来调剂变频器的输出频率，就能够使电动机具有对应的输出转矩［8］。

3.矢量操纵（磁场定向法）,又称VC操纵

矢量操纵变频调速的做法是:

将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流通过三相等效成两相静止坐标系下的交流电流再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流然后仿照直流电动机的操纵方法，求得直流电动机的操纵量，通过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的操纵。

4.直截了当转矩操纵，又称DTC操纵

该技术在专门大程度上解决了上述矢量操纵的不足，并以新颖的操纵思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速进展。

2.2变频器的类别

2.2.1依照变频环节的不同的分类

1.交-直-交变频器

先将频率固定的交流电通过整流电路〝整流〞成直流电，再通过逆变电路把直流电〝逆变〞成频率任意的可调的三相交流电。

2.交-交变频器

不通过中间直流环节而把电网频率的交流电直截了当变换成不同频率的交流电，仅用一次变换就实现变频。

交-交变频器与交-直-交变频器相比，有以下优点：

〔1〕只有一次变流，提高了变流效率；

〔2〕低频时，输出接近正弦波。

要紧缺点：

〔1〕接线复杂，使用的晶闸管较多；

〔2〕受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低；

〔3〕采纳相控方式，功率因数较低。

2.2.2依照主电路工作方式分类

交-直-交变频器能够分为电压型变频器和电流型变频器。

1.电压型变频器

在电压型变频器中，逆变电路所需要的支流电压是由整流电路或者斩波电路输出，通过直流中间电路的电容进行滤波平滑后产生的，在逆变电路中被变换为所需频率的交流电压。

在电压型变频器中，还需要有专用的放电电路，防止由于能量回馈给电容时直流电压上升，使变流器件因电压过高而被损坏。

2.电流型变频器

在电流型变频器中，整流电路给出直流电，并通过中间电路的电抗进行滤波后使电流平滑输出，在逆变电路中，被变换为所需频率的交流电流提供给电动机。

电流型操纵方式更适合于大容量变频器。

2.2.3依照电压的调制方式分类

1.正弦脉宽调制〔SPWM〕变频器

电压的大小是通过调剂脉冲宽度与脉冲占空比来实现的。

2.脉幅调制〔PAM〕变频器

电压的大小是通过调剂直流电压幅值来实现的。

3.变频调速操纵系统的优势

在现代的工业调速操纵装置中，为了满足各种工作速度的要求，目前常用的调速传动方法有:

机械式有级调速传动、电气和机械配合的有级调速、电气无级调速。

依照拖动系统采纳的调速电动机种类不同，电气无级调速系统分为直流调速和交流调速两种类型。

第三章操纵系统的设计

操纵系统核心是PLC操纵部分，包括同意触摸屏传送的逻辑点和数据，两个PLC的数据交换，传送数据对变频器实现操纵。

操纵系统结合了Siemens公司提供的S7-200的操纵方案和以往项目的操纵系统设计方案而设计的，设计的操纵系统通信图见第5章。

该项目在小型自动化项目中是比较复杂的操纵系统，因此次方案能实现要求比较高的操纵。

硬件系统的设计是依照大拉机的具体情形而定的，以达到系统高的稳固性，可靠性和操作简单的目的。

3.1系统的硬件介绍

3.1.1变频器

依照铜大拉机设备的现场生产工艺需要，那个地点选择了西门子1台6RA70和6台6SE70系列的变频器，分别用来操纵主机，退火牵引，左、右收线和圈收7台电动机的启/停，频率设定等，以达到操纵要求。

图4.2是主机变频器的接线图，其余变频器接线与此相似

要实现变频器操纵电机，且与PLC之间实现USS通讯，就需要设置变频器的参数下面列出了一些参数的意义：

P558.1端子7，设定值18，急停；

P568.1端子8，设定值20，点动值P448设定为5%，点动；

P554.1端子9，设定值22，启动；

P443.1端子15，设定值11，主给定；

P640.1端子19、20，设定值148，转速显示；

P640.2端子21、20，设定值148，速度反馈；

P130，设定值11，编码器反馈；

P151，编码器脉冲数；

P131端子29、30，设定值0或3，视电机温度传感器具体情形而定，同时调整P380

P381参数；

P368设定值4，USS通讯；

P702设定值4，过程操纵字长；

P703设定值4，参数操纵字长；

P701设定值38400，波特率；

P700.1，地址〔从站地址〕；

P707.1、P707.2，设定值32、33，报警字送PLC；

电机参数：

P101，电机电压；

P102，电机电流；

P104，功率参数；

P105，电机功率；

P107，电机频率；

P108，电机转速；

P462，上升时刻；

P464，下降时刻。

图3.1：

主机调速器接线图

3.1.2光电编码器

光电编码器通常分为增量式光电编码器、绝对式光电编码器、以及将两者结合在一起的混合式光电编码器。

依照现场需要，我们选择了增量式光电编码器，西门子6SE6440-2UD31-8DA1。

增量式光电编码器由以下四个差不多部分组成:

光源、转盘（动光栅）、遮光板（定光栅）和光敏元件。

转动圆盘上刻有平均的透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期。

遮光板上刻有与转盘相应的透光缝隙，以用来通过或阻挡光源和位于遮光板后面光敏元件之间的光线。

通常，遮光板上所刻制的两条缝隙使输出信号的点角度相差90度，即所谓两路输出信号正交。

在增量式光电编码器中还备有用作参考零位的标志脉冲或指示脉冲，圆盘每转动一周，只发出一个标志脉冲。

因此，在转动圆盘和遮光板相同半径的对应位置上刻有一道透光缝隙。

标志脉冲通常与数据通道有着特定的关系，用来指示机械位置或对累计量清零。

光电编码器的辨论能力是以编码器转动一周所产生的输出信号差不多周期数，也确实是用脉冲数/转（ppr）表示的，并以此定义为编码器的辨论率。

在工业电气传动中，依照不同的应用对象，可选择辨论率为500～5仪旧脉冲/转的光电增量编码器。

依照现场实际需要，我们选择了辨论率为2048脉冲/转的光电编码器，完全满足我们的实际需要。

电机尾端安装一个编码器，信号反馈回变频器，组成一个速度闭环。

第四章系统通信设计和调试

4.1通信方式的选择

西门子S7系列PLC中的S7-200CPU支持多种通信协议。

依照所使用的S7-200CPU，网络能够支持一个或多个协议，包括通用协议和公司专用协议。

专用协议包括：

点对点〔Point-to-Point〕接口协议〔PPI〕、多点〔Multi-Point〕接口协议〔MPI〕、自由通信接协议、Profibus协议和USS协议。

S7-200PLC有专门强的通信功能，有多种通信方式可供选择，如单主站方式、多主站方式和远程通信方式等。

〔1〕单主站方式

在单主站方式的通信网络中，PC作为单一主站，S7-200作为从站，两者之间通过PC/PPI电缆连接，系统连接示意图如图5.1所示。

如此能够实现点对点通信、监控、参数设定、编程等。

〔2〕多主站方式

在多主站方式下，通信网络中有多个主站，一个或多个从站，系统连接示意图如图5.2所示。

图中，带CP卡的运算机、文本显示器TD200及操作面面板OP15是主站，S7-200的各CPU是从站。

图4.1:

单主站通信方式

〔3〕远程通信方式

单主站方式通过调制解调器与一个或多个作为从站的S7-200CPU相连。

〔4〕自由端口通信方式

由用户程序来操纵CPU的串口通信。

用户能够利用发送/接收中断、发送/接收指令来操纵通信的操作，实现与打印机、CRT、条形码阅读器等设备的通信。

通信方式按照实际的要求进行选择，通信电缆和接口〔如RS-232、RS-485、25-pinto9-pinAdapter〕那么需要硬件的支持。

表5.1是S7-200所支持的通信硬件及波特率，可供用户选择。

此外，S7-200还能够通过EM277PROFIBUS-DO模块连接到PROFIBUS-DP现场总线网络，各通信卡提供一个与PROFIBUS网络相连的RS-485通信口。

表4.1STEP7-Micro/WIN32支持的硬件配置

支持的硬件

类型

支持的波特率〔Kbit/s〕

支持的协议

PC/PPI电缆

电线连接器，与PC通信口连线

9.6,19.2

PPI协议

CP5511

类型，PCMCIA卡

9.6,

19.2,

187.5

用于笔记本电脑的PPI，MPI协议，及PROFIBUS协议

CP5611

PCI卡

MPI

集成在PG/PC的ISA卡内