变频器的远程控制设计毕业设计Word下载.docx

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1.2现状与发展及主要工作内容

USS是西门子公司为变频器开发的通信协议，可以支持变频器同PC或PLC之间建立通信连接，常适合于规模较小的自动化系统。

它以主从方式构成工业监控网站，在网络内有一个主站，1～31个从站，各站点有唯一的标识码识别。

这种结构的特点是:

用单一的、完全集成的系统来解决自动化问题。

所有的西门子变频器都可以采用USS协议作为通信链路。

数字化的信息传递，提高了系统的自动化水平及运行的可靠性，解决了模拟信号传输所引起的干扰及漂移问题。

通信介质采用RS-485屏蔽双绞线，最远可达1000m，因此可有效地减少电缆的数量，从而可以大大减少开发和工程费用，并极大地降低客户的启动和维护成本；

通信效率较高，可达187.5kbit/s。

对于有10个调速器，每个调速器有6个过程数据需刷新的系统，PLC的典型扫描周期为几百毫秒，采用与PROFIBUS相似的操作模式，总线结构为单位站、主从存取方式，报文结构具有参数数据与过程数据，前者用于改变调速器的参数，后者用于快速刷新调速器的过程数据，如启动停止、速度给定、力矩给定等。

具有极高的快速性和可靠性。

利用西门子变频器的主机上提供的USS接口，仅在终端机中插入RS-485通信板，就可实现变频器的全部远程控制。

1.3设计任务及要求

利用USS协议实现PLC与变频器之间的通信，完成远程控制。

在设计中，要了解以下几点:

1.了解改造工程的工作流程,正确分析改造对象和改造任务；

2.掌握完整的控制系统的设计、安装、调试方法；

3.按国家标准与规范完成相关图纸；

4.学会论文的写作方法和技巧。

第2章系统总体设计

2.1控制要求

变频器的远程控制要求如下：

1.利用USS协议实现PLC与变频器之间的通信，完成远程控制；

2.文本显示器显示和设定电机转速；

3.文本显示器上操作实现电机的起停控制；

4.PLC外接按钮实现电机的起停控制；

5.PLC外接电位器，可实现电机转速的无级调速。

2.2系统组成

2.2.1系统示意图

本系统由PLC、变频器、文本显示器、电位器、计算机和直流电机等组成。

系统示意图如下:

图2-1系统示意图

2.2.2系统框图

由电位器或文本显示器作为输入信号，信号经PLC处理后，通过USS通信协议将控制信号送给变频器，变频器控制电机的转速，从而达到远程控制。

当电机启动后，用文本显示器或外接按钮切换调速模块，实现多地控制。

系统框图如下：

图2-2系统框图

2.2.3工作条件

1.MM420变频器；

2.供电：

三相4线，380V；

3.PLC；

4.交流电机。

2.3控制方案

2.3.1起停控制

1.文本显示器起动

在文本显示器上设置启动按钮和停止按钮，当按下某一按钮时，控制信号由文本显示器输入给PLC，以实现电机的启停控制。

2.按钮起动

按下启动按钮，电机启动；

按下停止按钮，电机停止。

2.3.2调速控制

1.文本显示器

在文本显示器速度设定区域输入电机转速设定值后，电机以当前设定转速运行。

2.电位器

调节电位器旋钮，改变模拟量输入的大小，经PLC处理后将速度控制信号输出给变频器，以实现电机无极调速的目的。

2.3.3调速模块的切换

在文本显示器上设置调速模块切换开关，当开关闭合时，系统采用文本显示器的速度给定信号作为控制信号。

当开关断开时，系统采用电位器的模拟量输入信号作为速度控制信号。

2.按钮

在系统采用文本显示器的速度给定信号作为控制信号时，按下切换按钮，系统切换为以电位器的模拟量输入信号作为控制信号。

当系统采用电位器的模拟量输入信号作为控制信号时，按下切换按钮，系统切换为以文本显示器的速度给定信号作为控制信号。

2.3.4保护措施

1.接地保护

接地为防止触电或保护设备的安全,把PLC、变频器和电机等设备的金属底盘或外壳接上地线。

2.短路保护

熔断器做短路保护，DZ系列的空气开关是带有漏电保护的小型断路器也具有短路保护。

3.过载保护

MM420变频器带有过载保护功能。

2.4电气原理图

图2-3电气原理图

2.5通讯

2.4.1USS协议

1.USS通信协议概述

在自由端口模式下,S7-2OO的通信接口支持与MircoMaster变频器通信的USS通信协议。

所有的西门子变频器均带有一个RS-485串行通信接口。

PLC作为主站，最多31个变频器作为通信链路中的从站。

根据各变频器的地址或采用广播方式，可以访问需要通信的变频器。

主站才有权利发出通信请求报文，报文中的地址字符指定要传输数据的从站。

从站只有在接收到主站的请求报文后才可以向主站发送数据，从站之间不能进行数据交换。

USS通信容易实现，硬件成本低。

报文格式简单，数据传输灵活高效。

使用USS协议的优点如下：

（1）USS协议对硬件设备要求低，减少了设备之间布线的数量。

（2）无需重新布线就可以改变控制功能。

（3）可通过串行接口设置来修改变频器的参数。

（4）可连续对变频器的特性进行监测和控制。

（5）利用S7-200CPU组成USS通信的控制网络具有较高的性价比。

2.USS专用指令

（1）USS_INT指令

1）仅限为通信状态的每次改动执行一次USS_INIT指令。

使用边缘检测指令，以脉冲方式打开EN输入。

欲改动初始化参数，执行一条新的USS_INIT指令。

2）字节“Mode”输入数值选择通信协议：

输入值1将端口分配给USS协议，并启用该协议；

输入值0将端口分配给PPI，并禁止USS协议。

3）双字“Baud”将波特率设为1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600或115200。

4）双字“Active”表示激活驱动器。

某些驱动器仅支持地址0～31。

每一位对应一台变频器，如图22-3所示。

如第0位为1表示激活0号变频器，激活的变频器自动地被轮询，以控制其运行和采集其状态。

指令如下所示:

图2-3USS初始化指令

（2）USS_CTRL

USS_CTRL指令用于控制处于激活状态的变频器，每台变频器只能使用一条该指令。

指令说明：

5）USS_CTRL（端口0）或USS_CTRL_P1（端口1）指令被用于控制ACTIVE（激活）驱动器。

USS_CTRL指令将选择的命令放在通信缓冲区中，然后送至编址的驱动器DRIVE（驱动器）参数，条件是已在USS_INIT指令的ACTIVE（激活）参数中选择该驱动器。

6）仅限为每台驱动器指定一条USS_CTRL指令。

7）某些驱动器仅将速度作为正值报告。

如果速度为负值，驱动器将速度作为正值报告，但逆转D_Dir（方向）位。

8）EN位必须为ON，才能启用USS_CTRL指令。

该指令应当始终启用。

9）RUN表示驱动器是ON还是OFF。

当RUN（运行）位为ON时，驱动器收到一条命令，按指定的速度和方向开始运行。

为了使驱动器运行，必须符合以下条件：

a）DRIVE（驱动器）在USS_INIT中必须被选为ACTIVE

b）OFF2和OFF3必须被设为0。

c）Fault（故障）和Inhibit（禁止）必须为0。

10）当RUN为OFF时，会向驱动器发出一条命令，将速度降低，直至电动机停止。

OFF2位被用于允许驱动器自由降速至停止。

OFF2被用于命令驱动器迅速停止。

11）Resp_R（收到应答）位确认从驱动器收到应答。

对所有的激活驱动器进行轮询，查找最新驱动器状态信息。

每次S7-200从驱动器收到应答时，Resp_R位均会打开，进行一次扫描，所有数值均被更新。

12）F_ACK（故障确认）位被用于确认驱动器中的故障。

当F_ACK从0转为1时，驱动器清除故障图。

13）DIR（方向）位用来控制电动机转动方向。

14）Drive（驱动器地址）输入是MicroMaster驱动器的地址，向该地址发送USS_CTRL命令。

有效地址：

0～31。

15）Type（驱动器类型）输入选择驱动器的类型。

将MicroMaster3（或更早版本）驱动器的类型设为0，将MicroMaster4驱动器的类型设为1。

16）Speed_SP（速度设定值）是作为全速百分比的驱动器速度。

Speed_SP的负值会使驱动器反向旋转方向，其范围为-200.0%～200.0%。

17）“Fault”表示故障位的状态（0—无错误，1—有错误），驱动器显示故障代码（有关驱动器信息，请参阅用户手册）。

欲清除故障位，纠正引起故障的原因，并打开F_ACK位。

18）Inhibit表示驱动器上的禁止位状态（0—不禁止，1—禁止）。

欲清除禁止位，故障位必须为OFF，运行、OFF2和OFF3输入也必须为OFF。

19）D_Dir表示驱动器的旋转方向。

20）Run_EN（运行启用）表示驱动器是在运行

（1）还是停止（0）。

21）Speed是以全速百分比表示的驱动器速度，其范围为：

-200.0%～200.0%。

22）Staus是驱动器返回的状态字原始数值。

23）Error是一个包含对驱动器最新通信请求结果的错误字节。

USS指令执行错误主题定义了可能因执行指令而导致的错误条件。

24）Resp_R（收到的响应）位确认来自驱动器的响应。

对所有的激活驱动器都要轮询最新的驱动器状态信息。

每次S7-200接收到来自驱动器的响应时，每扫描一次，Resp_R位就会接通一次并更新所有相应的值。

2.4.2MPI协议

MPI 

（Multipoint 

interface）是SIMATICS7多点通信的接口，是一种适用于少数站点间通信的网络，多用于连接上位机和少量PLC之间近距离通信。

MPI的通信速率为19.2K～12Mbit,但直接连接S7-200CPU通信口的MPI网，其最高速率通常为187.5Kbit/s 

（受S7-200CPU最高通信速率的限制）。

在MPI网络上最多可以有32个站，一个网段的最长通信距离为50米（通信波特率为187.5Kbit/s时），更长的通信距离可以通过RS-485中继器扩展。

MPI允许主－主通信和主－从通信，每个S7-200CPU通信口的连接数为4个。

此处用于文本显示器与S7-200间的数据交换。

第3章系统的硬件设计

3.1系统的硬件选型

3.1.1PLC及其扩展模块的选型

在本系统中，PLC主要起控制作用，将PLC外接按钮的数字量信号和文本显示器的控制信号进行采集和分析，并送给变频器，实现远程控制。

对PLC的要求如下：

1.数字量输入2个；

2.模拟量输入1个；

3.RS-485接口2个。

综合考虑，S7200系列PLC中S7-200XPCNAC/DC/RLY有，通信速率为9.6,19.2和187.5k波特率，32本机集成模拟量输入点数为2输入模拟量输入类型为单端输入电压范围±

10V。

由于自带模拟量输入端口，减少了扩展模块的使用，降低了系统的成本。

另外，S7-200较S7-300而言，价格低廉，使用方便，I/O占用较少，编程方便等优点。

3.1.4空气开关的选型

目前家庭使用DZ系列的空气开关（带漏电保护的小型断路器），常见的有以下型号/规格：

C6、C10、C25、C32、C40、C60、C80、C100、C120等规格，其中C表示脱扣电流，即起跳电流。

由分析可知，系统额定电流为：

4.6A,脱口电流为：

6A。

所以选择DZ47-63C6和DZ47-63C10的空气开关。

3.1.5直流稳压电源的选型

开关型直流稳压电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。

它的作用是将交流电转换为直流电，对PLC输入点、模拟量输入端口提供稳定可靠的直流电源。

系统对直流稳压电源的要求是：

输入电压DC24、输入电压AC220、输入功率20W。

所以选择S-100-24型号直流稳压电源。

3.2变频器和文本显示器的简介

3.2.1MM420变频器

MM420是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。

本系列有多种型号，从单相电源电压，额定功率120W到三相电源电压，额定功率11KW可供用户选用。

本变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。

因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。

其脉冲宽度调制的开关频率是选的，因而降低了电动机运行的噪声。

全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。

MM420具有缺省的工厂设置参数，它是数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。

由于MM420具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。

3.2.2文本显示器

TD设备是一种低成本的人机界面（HMI），使操作员或用户能够与应用程序进行交互。

TD400C可以查看、监视和更改应用程序固有的过程变量。

它是一个2行（大字体）或4行（小字体）的文本显示设备，可以与S7-200CPU连接。

显示器为背光液晶显示（LCD），分辨率为192×

64。

TD400C通过TD/CPU电缆从S7-200CPU获得供电，或者也可由单独电源供电。

3.2.3USS通信硬件连接

1.通信注意事项

（1）条件许可的情况下，USS主站尽量选用直流型的CPU。

当使用交流型的CPU22X和单相变频器进行USS通信时，CPU22X和变频器的电源必须接成同相位的。

（2）一般情况下，USS通信电缆采用双绞线即可，如果干扰比较大，可采用屏蔽双绞线。

（3）在采用屏蔽双绞线作为通信电缆时，把具有不同电位参考点的设备互联后在连接电缆中形成不应有的电流，这些电流导致通信错误或设备损坏。

要确保通信电缆连接的所有设备公用一个公共电路参考点，或是相互隔离以防止干扰电流产生。

屏蔽层必须接到外壳地或9针连接器的1脚上。

（4）尽量采用较高的波特率，通信速率只与通信距离有关，与干扰没有直接关系。

（5）终端电阻的作用是用来防止信号反射的，并不用来抗干扰。

如果通信距离很近，波特率较低或点对点的通信情况下，可不用终端电阻。

（6）不要带电插拔通信电缆，尤其是正在通信过程中，这样极易损坏传动装置和PLC的通信端口。

2.S7-200与MM440变频器的连接

将MM440的通信端子14和15分别接至S7-200通信口的3号与8号针即可。

3.3控制系统的I/O点及地址分配

表3-1I/O分配表

符号

地址

作用

注释

SB1

I0.0

系统启动

SB2

I0.1

系统停止

常闭

SB3

I0.2

切换

3.4系统主电路和控制电路的硬件设计

根据电气原理图，硬件设计如下：

图3-1硬件设计实物图

第4章系统软件设计

4.1编程软件介绍

本系统使用的是STEP于开发用户程序，又可实时监控用户程序的执行状态。

PLC控制程序由一个主程序、若干子程序构成，程序的编制在计算机上完成，编译后通过PC/PPI电缆把程序下载到PLC，控制任务的完成，是通过在RUN模式下主机循环扫描并连续执行7-Micro/WIN32,它是西门子公司专为SIMATICS7-200系列可编程序控制器研制开发的编程软件，它是基于Windows的应用软件，功能强大，既可用用户程序来实现的。

4.2系统软件设计分析

硬件连接确定之后，系统的控制功能主要通过软件实现，结合变频器的远程控制要求，对软件设计分析如下：

1.使用标志位对信号进行传递

文本显示器和PLC外接按钮实现电机的起停控制,同时需要实现文本切换和电位器的调速。

采用标志位对信号进行传递有效的减少了扫描时间。

2.用比较指令对偏差的数据进行处理

由于变频器中的频率设定范围的百分比形,选用的线性电位器调速存在一定的误差，采集的数据经转换会出现大于100%和小于0%的情况，所以这时可以采用比较指令，大于100%的数据取100%，小于0%的数据取0处理，避免出现故障。

3.用字符串对电机的状态进行显示

文本显示器可实时对电机进行监控，根据电机的状态可将实时数据通过字符串送到文本显示器进行显示。

效果如下图：

图4-1系统运行状态1

图4-1系统运行状态2

4.3程序流程图

4.4程序编写

1.程序初始化

程序初始化的同时，给文本显示器给定一个速度，若以文本启动，则有一定的转速。

2.电机的起动与停止

3.故障报警

4.调速模块的切换

5.采集电位器数据并保存

6.小于0%时,将0.0送到变频器。

7.大于100%时，将100.0送到变频器

8.大于100%时,将100%送到变频器。

9.小于0%,将0到变频器。

10.USS协议程序初始化

11.变频器控制指令

12.将系统状态送到文本显示器显示

13.显示电位器调速状态

14.文本显示器调速状态

第5章硬件和软件结合调试

5.1USS协议与MM420变频器的通信

5.1.1安装指令库

在使用USS协议之前，需要先安装西门子的指令库。

USS协议指令在指令树的“\指令\库”文件夹中，安装方法如下：

5.1.2编写通讯程序，编译下载程序

1.初始化通讯设置---初始化程序USS_INIT

2.变频器控制指令程序---变频器控制指令USS_CTRL

5.1.3设置MM420变频器参数，接好电动机

1.变频器恢复到出厂设置

P0010=30

P0970=1

2.参数设置

P0003=3启用所有参数的读写访问（专家级模式）

P0010=1启用快速调试模式

P0304=380V电机额定电压，根据实际所接电机设置

P0305=2.1A电机额定电流，根据实际所接电机设置

P0307=50HZ额定功率，根据实际所接电机设置

P0310=50HZ电机额定频率，根据实际所接电机设置

P0311=1410r/min据实际所接电机设置

P0010=0

P0700=5控制由USS控制

P1000=5频率由USS控制

P1120=2S加速时间设置成2秒，根据实际情况设置

P1121=2S减速时间设置成2秒，根据实际情况设置

P2009=0不规格化USS通信设定值，即设定为变频器中的频率设定范围的百分比形式 

P2010=6RS485通讯设置成9600波特率

P2011=0变频器号（USS地址）（0~31，与程序必须相对应）

P0971=1上述参数将保存入MM420EEPROM中

5.1.4连接网络线

西门子S7-200的PLC与西门子MM420变频器通过RS485口用西门子的专用协议USS协议进行通讯，应用在小型自动控制系统中。

因为USS协议采用轮询方式通讯，所以PLC所带的变频器不能太多，否则会因为超时而造成通讯失败。

另外，采用MM420