基于USS协议的PLC的变频器监控系统设计毕业设计.docx

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基于USS协议的PLC的变频器监控系统设计毕业设计

编号

河南机电高等专科学校

毕业设计（论文）

基于USS协议的PLC的变频器监控系统设计

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，有的企业已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，通信与网络已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，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II

Abstract

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

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

Intheprojects,thesyntheticalautomationofthewholeworkshoporfactoryhavecometruenmanyenterprises.Someprogrammableequipmentsofdifferentcompaniesthatlinkedininglelayerorsevarallayersofnetworkcouldcommunicateeachorther,whichcanbecontrolledindistibutionorinconcentration.So,communicationandnetshavebeenimportanttocontrollingsystems,andthedifficultyandpriorityofthedesigningofautomationsystems.

Insmallautomationcontrolsystem,communicationbasedonUSSprotocalisagood.solution,whichhassimplehardwarelogic,goodresistanceofinterferences.Andinthiswaythefield-can-controlingofwhole-workshopcometrue.Thisarticlediscussedcomprehensiveapplicationofautomationcontroltechnology,combinationofpracticesandmanyautomationcontroltechnologiesincommonuse.ThePLCandfrequencyconverterontroltheengine,whichisbasedontheUSSconsultationRS485tomakenetwork.ThedesignofthecommunicationbetweenPLCandfrequencyconverteristhemostimportant.Thearticletroducesastandarddesign,whichcouldbeappliedtoaseriesofautomationsystems.Itcouldavetheperiodandcostoftheprojects,whichhavegottenaccomplishtioninadegree.

Keywords:

Automationcontrol,USSprotocol,transducer,PLC,CommunicationII.

第1章绪论

1.1课题研究的背景

随着变频器技术和工业生产的发展，变频器作为交流调速的重要手段在各行业中得到了广泛的应用。

变频器的应用不仅大大提高了生产过程的生产效率和节能效果，而且可以在控制室内远程监控变频器的运行状态，最大限度地减轻操作人员的负担，改善工作环境，提高企业的自动化水平。

本论文以工业生产过程中对变频器的监控需要为背景，理论与实践相结合，设计了一套基于USS协议的PLC的变频器监控系统。

1.2系统设计的总体思路

本文通过对变频器控制系统的设计，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。

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SIEMENSS7-200PLC对变频调速装置的控制，上位机采用SIEMENSTP270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。

第2章PLC简介

2.1PLC的原理

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）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。

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。

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。

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。

2.2PLC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。

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。

一般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：

（1）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。

（2）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。

2.3PLC的应用领域

PLC已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：

（1）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。

（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-积分-微分）控制。

SIEMENS的S7-300/400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。

其闭环控制功能已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。

第3章通用变频器原理

3.1变频器的工作原理

3.1.1变频器的基本结构和原理

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。

变频器的基本构成如图3.1所示，其主电路主要由整流电路、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。

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控制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主要的部分之一。

它的主要作用是在控制电路的控制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控制。

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控制电路。

控制电路的主要作用是根据事先确定的变频器控制方式，产生进行V/f或电流控制时所需要的各种门极驱动信号或基极驱动信号。

此外，变频器的控制电路还包括对电流、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保护的保护电路，对外接口电路和对数字操作盒的控制电路。

变频器主控制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。

它主要完成以下任务:

（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、反转的操作控制信号。

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，此信号经过A/D变换器转变为数字信号后送入微处理器。

（2）加减速速率调节功能:

（3）运算处理等。

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控制信号和保护信号，以达到控制变频器的输出和为变频器及电动机提供必要的保护的目的。

而保护电路是由微处理器来判断变频器本身或系统是否出现了异常，异常时则进行各种必要的处理，包括停止变频器的输出。

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

变频器的种类较多，但是工作原理类似，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、通用型变频器的主要形式，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。

3.1.2交-直变换电路

交-直变换电路就是整流和滤波电路，其任务就是把电源的三相交流电变换成平稳的直流电，其结构如图3.2中的交-直变换电路所示。

1.整流电路

在SPWM变频器中，大多数采用桥式全波整流电路。

在中、小容量的变频器中，整流器件采用不可控的整流二极管，如图3.2中的VD1～VD6，其导通顺序是VD1→VD2→VD3→VD4→VD5→VD6。

但对这些整流器件有一定的选择原则：

（1）最大反向电压

ＵRM=2ＵM（3_1）

式中，ＵM为电源线电压的振幅值。

即当电源电压为380V时，

ＵRM=2×

×380V=1073V，则选择ＵRM=1200V。

（2）最大整流电流

ＩMAX=2ＩN（3_2）

式中，ＩN为变频器的额定电流。

2.滤波限流电路

（1）滤波电路

由于受到电解电容的电容量和耐压能力的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，如3.2中所示，C1和C2。

因为电解电容有较大的离散性，故电容C1和C2的电容量不会完全相等，这样使得它们承受的电压ＵC1和ＵC2不相等。

为了是ＵC1和ＵC2相等，在C1和C2的旁边个并联一个阻值相等的均压电阻Rc1和Rc2。

（2）限流电路

图3.2中，串接在整流桥和滤波电容之间，由一个限流电阻Rs和一个短路开关S组成。

1）限流电阻Rs

变频器在接入电源之前，滤波电容上的直流电压UD=0。

当变频器刚接入电源的瞬间，将有一个很大的冲击电流经整流桥流向滤波电容，使得整流桥可能因此受到损坏，同时，也可能使得电源瞬间电压明显下降，形成干扰。

限流电阻S就可起到削弱该冲击电流而串接在整流桥和滤波电容之间。

2）短路开关S

限流电阻Rs如果长期接在电路内，会影响直流电压UD和变频器输出电压的大小。

所以，当直流电压UD增大到一定程度时，把短路开关S接通，限流电阻Rs就短路了。

3.1.3直-交变换电路

三相逆变桥的功能就是把直流电变换成频率可调的三相交流电，其基本结构由逆变电路和续流电路组成。

1.逆变电路

在图3.2中，有开关器件V1～V6组成逆变桥，V1～V6的工作接受控制电路中的SPWM调制信号控制，把直流电压逆变成三相交流电。

SPWM是指在进行脉宽调制时，使得脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。

当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则较大。

这样的电压脉冲系列可以使得负载电流中的谐波成分大为减少，故称为正弦波脉宽调制（SPWM）。

SPWM脉冲系列中，各脉冲的宽度以及相互间的间隔宽度是由正弦波（基准波或调制波）和等腰三角波（载波）的交点来决定的，以单极性SPWM法为例，如图3.3所示。

图3.3中ur为正弦调制波，ut为等腰三角载波，每半周期内所有三角波的极性均相同。

逆变器件的选择:

（1）截止状态下的击穿电压

UCEX=2DMAX（3-3）

式中，UMAX为直流电压的最大值。

（2）集电极最大电流

ICM=2IMAX（3-4）

式中,UMAX为输出电流的最大值。

2.续流电路

由图3.2可知，续流电路由VD7～VD12构成，其功能是：

（1）为电动机绕组的无功电流返回直流电路时提供通路；

（2）当频率下降、从而同步转速下降时，为电动机的再生电能反馈至直流电路提供通路；

（3）为电路的寄生电感在逆变过程中释放能量提供通路。

3.1.4能耗制动电路

1.能耗制动电路的作用

（1）电动机的工作状态

在频率刚减少的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电动机的转子转速未变。

当同步转速低于转子转速时，转子电流的相位几乎改变了1800，电动机处于发电机状态。

与此同时，电动机轴上的转距变成了制动转距，使得电动机的转速迅速下降。

从电动机的角度来看，处于再生制动状态。

（2）变频调速系统的工作状态

电动机再生的电能经图3.2中的续流二极管（VD7～VD12）全波整流后反馈到直流电路，由于直流电路的电能无法回输给电网，只有靠C1和C2吸收，尽管各个部分的电路还在继续消耗电能，但C1、C2上仍有短时间的电荷堆积，形成“泵生电压”，使得直流电压升高。

过高的直流电压将使得各部分器件受到损害。

因此，当直流电压超过一定值时，就要求提供一条放电回路，将再生的电能消耗掉。

所以，从变频调速系统的角度看，拖动系统在转速下降时减少的动能，由电动机“再生”电能后，在变频器的直流电路中被消耗掉了。

总的来说，是通过消耗能量而获得制动转距的，属于能耗制动状态。

用于消耗电动机再生电能的电路，就是能耗制动电路。

2.能耗制动电路的构成

从图3.2中知，RB为制动电阻，用于将电动机的饿再生电能转换成热量而消耗掉。

其选择原则如下：

（1）RB的阻值

RB的阻值大小一般以使制动电流不超过变频器额定电流的一半为宜，即

IRB=

UD∕RB≤IN/2

RB≥2UD/IN（3-5）

式中IN为变频器的额定电流；

UD为直流电压。

（2）RB的功率P

制动电阻RB是属于短时间工作，所以比长期通电时的消耗功率要小。

P≥AU2D⁄RB（3-6）

式中，UD为直流电压；a为选用系数，取值范围一般a∈[0.3,0.5]，取决于电动机的容量和工作情况。

通常，电动机容量较少、制动时间短时取小值，反之取较大值。

当电动机的再生制动状态属于正常工状态时，取a=1.0。

3.1.5变频器的控制方式

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，除了变频器本身制造工艺的“先天”条件外，对变频器采用什么样的控制方式也是非常重要的。

在交流变频器中常用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。

1.v/f控制

即u/f=c，正弦脉宽调制（SPWM）控制方式。

其特点是：

控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，己在产业的各个领域得到广泛应用。

这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，故造成输出最大转矩减小。

2.转差频率控制

转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在v/f控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。

这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。

3.矢量控制（磁场定向法）,又称VC控制

矢量控制其实质是将交流电动机等效直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。

通过控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电