河北大学毕业论文 基于西门子S7300PLC电机变频调速系统.docx
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河北大学毕业论文基于西门子S7300PLC电机变频调速系统
本科生毕业论文（设计）
题目：
基于S7-300PLC电机变频调速系统
学部信息科学与工程学部
学科门类工学
专业电气工程及其自动化
学号
姓名
指导教师
基于S7-300PLC电机变频调速系统
摘 要
本设计对基于S7-300PLC电机变频调速系统的设计与实现给出了软硬件设计方案,并通过调试，对PLC数字信号控制和变频器控制以及编码器反馈调节进行了相关的实验，实现了变频系统的信号采集、计算、判断并输出的功能。
系统采用以西门子S7-300PLC为控制器、MM440变频器为执行机构、旋转编码器为反馈装置、电动机为控置对象的闭环调速系统。
通过编码器采集目标电机转速信号并传递给PLC，并由PLC判断并输出速度调节信号给变频器，最后由变频器直接调节电机转速。
主要目的是通过设定好的程序来使得电动机按照设想的状态工作，以便达到自动化、智能化的控制需求。
通过调试，本课题的变频调速系统具有安全、高效、稳定的特点，并且修改调试相对简便，能够根据用户需求自由改变控制模式，具有一定的使用价值。
关键词：
MM440变频器；PLC；闭环调速；
BasedOnSiemensS7-300PLCMotorVariableFrequencySpeedRegulatingSystem
ABSTRACT
ThedesignofmotorvariablefrequencyspeedregulatingsystembasedonS7-300PLCdesignandimplementationofthehardwareandsoftwaredesignschemeisgiven.Throughdebugging,PLCdigitalsignalcontrolandinvertercontrolandfeedbackregulationofrelevantexperiments,toachievefrequencyconversionsystemsignalacquisition,calculation,judgingandoutputfunction.PLCcontroloffrequencyspeedregulatingcontrolsystem,usingS7-300PLCascontroller,MM440VFD（Variable-frequencyDrive）foractuatingmechanism,therotaryencoderasfeedbackdevice,motorastheobjectoftheclosedloopspeedcontrolsystem.TheencodercapturetargetmotorspeedsignalandpassedtothePLC,judgedbyPLCandoutputspeedadjustmentsignaltotheMM440VFD,theVFDdirectlyregulatesthemotorspeed.Themainpurposeisbysettingagoodprogramtomakethemotorvehicleinaccordancewiththeideaofstate,inordertoachieveautomation,intelligentcontrol.Throughdebugging,thevariablefrequencyspeedregulationsystemhastheadvantagesofsafety,highefficiency,stablecharacteristics.Ithasacertainpracticalvalueandmodifythedebuggingisrelativelysimple,canbebasedonuserdemandthefreedomtochangecontrolmode.
Keywords：
MicromasterMM440；PLC；Closed-LoopSpeed-Regulating
目 录
1 概述
1.1 课题来源及意义
随着电力电子技术和自动控制技术的日益发展，电动机的变频调速已经从继电气控制时代发展到了今天的由变频器控制调速，并在工业各个领域中得到了广泛的发展。
在日常的生活中和工业生产中，变频调速系统得到了广泛的应用。
采用PLC和MM440变频器控制的运料车，能够实现小车的自动化控制。
不仅降低了系统的运行费用，而且系统运行稳定可靠、控制速度快、可维护性好[1]。
在安装了变频器的自动电梯中，能够实现电梯的自动调速，使得电梯平稳启动、加速、停止。
这样人在电梯中感觉又舒服有安全[2]。
在工业生产中，过去通常采用人工控制开关对大功率电动机调速，这样做既不安全又不准确，如果采用PLC结合变频器速度控制，就能够有效安全准确地控制大功率设备运转[3]。
所以说，PLC与变频器的变频调速系统具有：
安全、高效、稳定和相对简便的特点。
对于生活生产中提高工作效率是具有积极意义的。
1.2 国内外发展现状
我国关于变频调速的研究始于20世纪60年代初期，当时典型的技术是交-交变频器供电的交流变频调速传动；继此之后80年代主体技术为电压或电流型六脉冲逆变器供电的交流变频调速传动；从90年代中期至今，随着调制技术以及控制技术的发展，BJT（IGBT）PWM逆变器供电的交流变频调速传动空前发展，并得到广泛应用，而随着SPWM的发展，变频系统的优点越来越突出，应用面也越来越广[4]。
变频调速是强、弱电混合，机电一体的综合技术，既要处理巨大电能的转换，又要处理信息的收集变换和传输。
各种高性能变频控制都是国内外研究的热点，目前国外主要的发展方向是：
1.实现变频调速的人工智能化，对于交流电机这样多变量、强耦合的参数非线性时变的复杂被控对象，要获得良好的控制性能较为困难。
近年来，国外神经网络在变频调速系统控制中获得了应用，已成为当前神经网络理论及应用的研究热点[5]。
2.实现全数字控制化。
全数字控制使硬件简化，柔性的控制算法使控制灵活、可靠，易实现复杂的控制规律，便于故障诊断和监视[6]。
3.实现变频调速系统的通信网络化和技术规格标准化。
当前，国外先进的变频器都配有总线适配器模块（如modbusfeidbusinterbus等）作为选件，外部总线可以双绞线和适配器连接，变频器则作为系统的智能终端。
进一步可形成集散式（DCS）变频控制系统和现场总线（FCS）变频控制系统[7]。
4.硬件的集成化为了使变频装置体积更小巧，新型变频系统要求功率和控制单元具有高集成度。
利用不断发展的大规模集成电路工艺，把自动控制系统中控制电路集成化为若干个专用IC芯片（ASIC），使整个系统的构成更小型、可靠，从而构成强弱电一体的智能化电机[8]。
5.实现调速软开关化。
近年来，软开关技术被引进变频控制中并己逐渐推向实用。
软开关技术可以减小甚至完全消除变换器中开关器件在开关过程中的损耗，使缓冲吸收电路成为多余，提高了开关器件的工作频率，减小了开关器件的散热体积，提高了变频器工作的可靠性和效率[9]。
1.3主要工作内容
本文主要利用可编程控制器PLC、变频器、旋转编码器等来完成对小车变频调速系统的设计，并利用变频调速技术实现自动控制电动机在不同时间下的速度调节。
最终目的是实现电动机在不同的给定转速下，通过PLC和变频器来实现动态速度控制。
主要工作有：
（1）变频调速系统的硬件连接。
（2）变频调速系统的软件设计。
（3）变频调速系统的联机调试工作。
（4）变频调速系统的优化与整理。
2 基于S7-300的变频调速系统硬件结构
2.1硬件系统介绍
图2-1系统结构图
如图2-1所示，系统主要由五个部分构成，即可编程逻辑控制器PLC、变频器、编码器电机和转速表。
首先通过设置给定输入给PLC，再通过PLC控制变频器，再经由变频器来控制电机，随后将电机的转速反馈给PLC，经比较后输出给变频器从而实现调速[10]。
转速表用来监控电动机转速。
2.2西门子S7-300系列PLC
系统采用西门子的可编程逻辑器件S7-300PLC，型号为315-2DP，其外观如图2-2所示。
图2-2S7-300PLC
如图2-2，SIMATICS7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。
如图2-2，各种单独西门子PLC的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。
S7-300PLC采用模块化结构，具备高速（0.6~0.1μs）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。
SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。
S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：
超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；同时具备强大的通信功能，S7-300PLC可通过编程软件Step7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。
S7-300PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATICS7/M7/C7等自动化控制系统。
2.3西门子MM440变频器
图2-3西门子MM440变频器
如图2-3所示，MicroMaster440是全新一代可以广泛应用的多功能标准变频器。
它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。
输入200V-240V±10%，单相/三相，交流。
输出380V-480V±10%，三相，交流，0.55kW。
矢量控制方式可构成闭环矢量控制，具有闭环转矩控制；高过载能力，内置制动单元；三组参数切换功能。
2.4旋转编码器
图2-4欧姆龙E6B2-CWZ6C
如图2-4所示，编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。
欧姆龙E6B2-CWZ6C编码器是以集电极开路输出的NPN型旋转通用编码器，外径40，具有A、B、Z三相脉冲输出，AB相输出频率为100P/R。
3 软件环境介绍
3.1编程软件及环境
采用Step7v5.5编程软件对电梯控制系统进行编程。
西门子STEP7是用于SIMATICS7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形图逻辑、功能块图和语句表进行编程操作，如图3-1。
标准软件在自动化任务创建过程的所有阶段都将给予支持，如：
创建和管理项目、为硬件和通讯组态并分配参数、管理符号、创建程序、测试自动化系统、诊断设备故障等。
图3-1SIMATICManagerStep7
3.2软件组态设置
双击SIMATICManager图标，打开STEP7主画面。
点击FILE\NEW，按照图例输入文件名称（TEST）和文件夹地址，然后点击OK；系统将自动生成TEST项目。
点亮TEST项目名称，点击右键，选中newobject，点击SIMATIC300STATION 将生成一个S7-300的项目。
TEST左面的+点开，选中SIMATIC300，然后选中Hardware并双击/或右键点OPENOBJECT，硬件组态画面即可打开。
双击SIMATIC300\RACK-300,然后将Rail拖入到左边空白处。
生成空机架。
选中PS3072A、CPU-315-2DP、SM321、SM322将其拖到机架RACK上，在Address中选择分配地址。
检查组态，点击STATION\Consistencycheck,如果弹出NOerror窗口,则表示没有错误产生如图3-2。
图3-2Step7硬件组态界面
3.3PLCSIM仿真器介绍
如图3-3，S7-PLCSIM是用于STEP7的可选项软件包。
该软件可以在电脑上用一台模拟的PLC对所编程序进行运行和测试。
由于模拟完全存在于STEP7软件上，因此无需连接到任何S7硬件（如CPU或I/O模块）。
用模拟的S7系列CPU，可以对用于S7-300和S7-400系列CPU的程序进行测试和监控。
图3-3PLCSIM仿真器界面
3.4安装电缆驱动
如图3-4，用USB电缆下载程序前需要安装驱动。
将USB驱动安装文件拷贝到系统盘根目录下，运行SETUP.EXE。
进入安装界面，按顺序安装电缆驱动。
图3-4USB电缆驱动安装界面
4 变频调速系统的实现
4.1系统硬件设计
4.1.1S7-300模块组态
图4-1PLC硬件组态
PLC硬件组态连接如图4-1所示。
将PS307、CPU、SM321和SM322按顺序连接到背部硬件连接器上，再将各个模块用螺丝固定在导轨上，如图4-2所示。
图4-2导轨和背部连接器
4.1.2系统硬件接线
图4-2系统电气接线图
4.1.3输入输出接口地址分配
表4-1I/O地址分配
输入地址
说明
输出地址
说明
I0.2
编码器计数输入端口
Q4.0
变频信号输出端口5
Q4.1
变频信号输出端口6
Q4.2
变频信号输出端口7
Q4.3
变频信号输出端口8
4.1.4MM440变频器设置
1.参数复位工厂缺省设置：
设置P0010=30；P0970=1；此时MM440显示BUSY，等待约30s后，变频器置于出场默认配置下。
2.设置P0010=1;启动快速调试。
快速调试状态需要用户输入电机相关的参数和一些基本驱动控制参数，使变频器可以良好的驱动电机运转。
一般在复位操作后，或者更换电机后需要进行此操作。
调试完成后设置P3900=1。
3.功能调试，指用户按照具体生产工艺的需要进行的设置操作。
这一部分的调试工作比较复杂，常常需要在现场多次调试。
过程如图4-3所示。
图4-3变频器设置
4.1.5编码器计数方式选择
本实验采用的欧姆龙E6B2-CWZ6C为三相脉冲增量式旋转编码器，为了方便计数，单取A相作为计数端口。
由于此编码器输出方式为NPN型集电极开路输出方式（图4-4），所以在使编码器接入SM321数字输入端时，需要在输入端口同时加入2k-3k欧姆上拉电阻。
本次采用大小为2.2kΩ的普通色环电阻，加入电阻的接线图如图4-2。
图4-4E6B2-CWZ6C输出回路
4.2系统控制程序开发
4.2.1主程序设计
图4-5主程序流程
如图4-5所示，主程序OB1主要包含两个部分：
调用FB4和计数器。
FB4用来给定速度，使速度随时间变化。
计数器用来读取编码器脉冲，计入I0.2接口的脉冲数值，并存入MW1中（图4-6）。
4.2.2中断组织块
图4-7OB34中断组织块
如图4-7所示，OB34循环中断组织块作用是每200ms中断启动并执行一次，用于调用FB1模块FB2模块和FB3模块。
调用FB1（测速模块）。
将DB1.DBD0地址和DB4.DBD0地址的值作为输入变量并调用FB2（比较模块）。
调用FB3（图4-8）。
4.2.3功能块程序设计
（1）FB1功能块
如图4-10所示，FB1测速模块作用是测量读取编码器返回数值，并通过计算转化为每分钟转数。
当计数器不为零时，将MW1计数器存储的数据转存到局部TEMP型变量“count”中，再将变量“count”乘以相应倍数装换成每分钟转数存储到STAT型变量“speed”中。
最后将计数器清零，测速工作完成。
（2）FB2功能块
图4-11FB2比较模块流程
如图4-11所示，FB2比较模块的作用：
判断当前速度与给定速度大小，并相应调整输出量。
定义内部变量“speed”和“setspeed”。
利用比较器，当“speed”值大于给定“setspeed”时，并且“setspeed”大于1，则频率段输出值“speedout”减1。
同理，当“speed”值小于给定“setspeed”时，并且“setspeed”小于15，则频率段输出值“speedout”减1。
这样保证频率段输出值“speedout”跟随当前速度变化而变化，并且不大于15，不小于1
（3）FB3输出模块
部分程序如图4-14所示，将“setspeed”值作为频率段值输出。
“setspeed”赋值给MB2，并按MB2端口顺序输出给数字量输出端口Q4.1-Q4.4。
（4）FB4变化给定速度模块
图4-15FB4给定速度功能块作用
如图4-15所示，将“setspeed”值按时间顺序变化。
定义内部变量“speednum”并将给定速度赋值给speednum，等待一段时间之后，继续将下一给定速度赋值给“speednum”。
此程序循环执行。
4.2.4数据块设计
数据块DB用来存储用户数据及程序的中间变量，为全局变量。
本设计共有数据块DB1、DB2、DB3、DB4。
他们都是背景数据块，分别对应存储FB1、FB2、FB3、FB4的全局变量。
这样，在整个程序内都可以随时访问任意指定的变量。
例如：
DB1.DBD0访问的是DB1中的0号地址，如图4-17。
图4-17DB1数据模块
4.3实验调试
4.3.1调试方案
实验室有S7-300（CPU型号为315-2dp）PLC一台以及一数字量输入输出扩展模块SM321和SM322，还有西门子变频器MM440一台。
控制程序调试时，利用PLC、变频器以及电动机来设计，输出速度则用电动机输出转速来代替。
实验设计思路是通过对主程序的控制，能够通过变频器自动改变电动机转速，并且能够通过编码器反馈值校正电动机转速。
所以，系统调试有以下两个目的：
（1）测试所设计的变频调速系统其基本功能能否实现。
（2）对于控制精度和速度的调试，验证控制方案，从而接近期望目标。
4.3.2硬件检查
首先检查设备是否完好，接线是否牢靠，用万用表检查实验室380V三相电源和220V两相电源是否满足要求。
检查PLC、变频器24V供电是否满足要求。
检查地线是否安全接地。
保证设备安全运行。
4.3.3调试程序
在不接入PLC和变频器下，在计算机上模拟系统运行状况。
安装并运行SIMATIC_S7_PLCSIM_V5.4对程序进行模拟验证，诊断并排除程序故障。
如图4-17所示，，运行仿真器PLCSIM。
图4-18PLCSIM监视变量
建立变量表并输入需要监视的变量地址值。
“显示格式”一栏输入“DEC”使数值呈十进制显示。
打开状态监控，则该变量地址的当前值就在“状态值”这一栏中显示。
在PLCSIM中将CPU窗口中的“RUN”打上勾，仿真器开始工作。
从变量表中能够完全实时监控程序中的地址值，通过观察这些变量，能够观察出程序的运行状态。
这样，完全排除了PLC硬件系统的故障，能够较好地检查软件程序中的漏洞和错误。
4.3.4调试PLC
先空载启动运行PLC，查看硬件故障，排除硬件故障。
再将程序下载进PLC，执行程序。
在菜单栏中的“PLC”-“诊断/设置”-“硬件诊断”中，可以看到PLC硬件组态是否正常工作。
使用快捷键“Ctrl+D”调出CPU模块信息窗口，在其中的“诊断缓冲区”里可以查看CPU的工作状态，如图4-19所示。
通过查看CPU的工作信息排除系统组态故障，并排除故障。
故障排除后开启组态监控和变量表，通过查看变量是否能按照设定值变化来检查程序能否正常运行。
图4-19CPU诊断缓冲区
4.3.5调试变频器
安装并设置MM440参数，接通电源，测试MM440能否接通电动机工作。
检查并排除MM440故障。
利用变频器的操作面板和相关参数设置，即可实现对变频器的某些基本操作。
MM440在缺省设置时，用BOP控制电动机的功能是被禁止的。
如果要用BOP进行控制，参数P0700应设置为1，参数P1000也应设置为1。
用基本操作面板（BOP）可以修改任何一个参数。
修改参数的数值时，BOP有时会显示“busy”，表明变频器正忙于处理优先级更高的任务。
下面就以设置P1000=1的过程为例，来介绍通过基本操作面板（BOP）修改设置参数的流程，见表4-2。
表4-2基本操作面板（BOP）修改设置参数流程
操作步骤
BOP显示结果
1
按
键，访问参数
2
按
键，直到显示P1000
3
按
键，直到显示in000，即P1000的第0组值
4
按
键，显示当前值2
5
按
键，达到所要求的值1
6
按
键，存储当前设置
7
按
键，显示r0000
8
按
键，显示频率
按照上述流程对变频器参数进行设置，设置变频器参数步骤如表4-3所示。
表4-3变频器参数
参数号
出厂值
设置值
说明
P0003
1
1
设定用户访问级为标准级
P0010
0
1
快速调试
P0100
0
0
功率以KW表示，频率为50Hz
P0304
230
380
电动机额定电压（V）
P0305
3.25
0.25
电动机额定电流（A）
P0307
0.75
0.18
电动机额定功率（KW）
P0310
50
50
电动机额定频率（Hz）
P0311
0
1400
电动机额定转速（r/min）
P0003
1
1
设用户访问级为标准级
P0004
0
7
命令和数字L/O
P0700
2
2
命令源选择由端子排输入
P0003
1
2
设用户访问级为拓展级
P0004
0
7
命令和数字L/O
P0701
1
17
选择运行方式为固定频率
P0702
1
17
选择运行方式为固定频率
P0703
1
17
选择运行方式为固定频率
P0703
1
17
选择运行方式为固定频率
P0004
2
10
设定值通道和斜坡函数发生器
P1000
2
3
选择固定频率设定值
P0003
1
2
设用户访问级为拓展级
P0004
0
10
设定值通道和斜坡函数发生器
P1001
0
3.3
选择第一段固定频率（Hz）
P1002
5
6.7
选择第二段固定频率（Hz）
P1003
10
10.0
选择第三段固定频率（Hz）
P1015
80
50
选择第十五段固定频率（Hz）
设置完成之后，MM440各个接口对应的频率如表4-4所示。
表4-4端口对
升级会员 