电气传动控制系统设计.docx

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电气传动控制系统设计

重庆XX学院

课程设计报告

院（系）:

_电气与信息工程学院专业班级:

自应本XXX-01

学生姓名:

张X学号:

2008540XXX

设计地点（单位）__XXXI311_____________

设计题目:

__基于触摸屏的变频调速控制系统设计__

完成日期：

2011年月日

指导教师评语:

_______________________________________

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

成绩（五级记分制）:

________________

指导教师（签字）:

________________

目录

1设计任务书………………………………………………………………………………XX

2变频调速控制系统概述…………………………………………………………………XX

3方案设计…………………………………………………………………………………XX

3.1变频器选型及概述………………………………………………………………XX

3.1功能图及变频器参数设置………………………………………………………XX

3.2变频调速控制系统的硬件、软件配置……………………………………………XX

3.3变频调速控制系统的网络结构……………………………………………………XX

4S7-300PLC控制程序的设计……………………………………………………………XX

4.1硬件组态…………………………………………………………………………XX

4.2控制程序设计……………………………………………………………………XX

5触摸屏组态………………………………………………………………………………XX

5.1变量组态……………………………………………………………………………XX

5.2画面组态……………………………………………………………………………XX

5.3变量连接…………………………………………………………………………XX

6程序调试…………………………………………………………………………………XX

6.1PLC调试方法与结果………………………………………………………………XX

6.2触摸屏调试方法与结果……………………………………………………………XX

7技术小结…………………………………………………………………………………XX

参考文献…………………………………………………………………………………XX

附录1：

S7-300控制程序清单…………………………………………………………XX

1设计任务书

1.1设计内容及要求

1、变频调速控制系统硬件设计

2、网络系统设计

3、变频器功能预置，参数设定

4、PLC硬件组态及程序设计

5、触摸屏组态及程序设计

6、系统统调

7、撰写设计报告

1.2设计参数

电机额定转速2840r/min电机额定频率50HZ电机额定电压380V

电机额定功率1.0KW调速范围>100

1.3设计目的

可编程逻辑控制器（PLC）以其编程简单方便、控制稳定可靠，功能强大等优点通常作为控制器广泛应用于现代工业控制领域，触摸屏作为人机界面在一定程度上减少了PLC的外部I/O点的使用以及减轻系统外部按钮开关的连线复杂程度，同时也也提高系统运行维护的便捷性。

在我校处的石油和冶金行业背景是在大功率的拖动和拖动速度要求很高的情况下我们开设：

电气传动实验-基于触摸屏的调速系统。

主要是锻炼同学们对工控设备S7-300和工程变频器6SE70变频器的使用和相关参数设置以及调试，锻炼同学们的实际动手解决遇到相关问题的能力。

2.变频调速控制系统概述

2.1变频调速控制系统定义

变频调速系统主要是由变频器、电动机和相关工作机械等组成的机电系统。

电力拖动的任务就是使用电动机实现由电能向机械能转换，完成工作机械的启动、运转、调速、制动作业的要求。

变频器调速系统也就是由电动机带动设备可以自由调节的速度进行旋转的运动系统。

2.2变频调速控制系统分类

他控式变频调速系统

用独立的变频变压装置给同步电机供电的系统

同步电动机

自控式变频调速系统

用电动机轴上所带的转子位置检测起来控制变频装置的逆变器换流，从而改变同步电动机的变频调速系统供电频率

恒压频比交流调速系统

异步电动机

转差频率控制变频调速系统

矢量变换控制变频调速系统

2.3变频调速控制的优点国内组要采用方案和品牌市场份额

1、变频调速控制的优点

1）调速时平滑性好，效率高。

低速时，特性相对稳定

2）调速范围大，精度高。

3）起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显

4）变频器体积小，便于安装、调试、维修简便

5）易于实现过程自动化

2、国内主要采用变频调速方案

1）国内变频器使用的行业和控制方案

主要是外国品牌占领市场份额的大部分，国产品牌市场份额很少。

不过，近年来，由于国家政策的硬性规定，石化和钢铁企业对部分电机进行了节能改造，归纳起来有以下几种控制方式：

1）       DCS变频控制

这种控制方式在石化和钢铁行业比较常见。

比如风机调速是由操作人员通过DCS系统的CRT上的模拟操作器，参照烟气温度、锅炉蒸汽温度、负压等参数，对DCS的输出值进行调节，此输出值为反馈给变频器的4～20mA标准信号，对应不同的频率（速度）给定值，变频器通过比较转速输出量与DCS速度给定之间的大小，自动调节电机的转速，实现风机转速控制，从而达到调节的目的。

在机组DCS系统中，进行控制运算，将计算结果形成4～20mA的速度给定指令信号，反馈给变频器，变频器通过比较转速输出量与DCS速度给定之间的大小，自动调节电机的转速，实现风机的转速自动控制。

2）       PLC变频控制

这种控制方式比较简单，比如在压缩机控制上，变频控制电路由频率给定电路和变频启动停止电路组成，频率给定电路由PLC、频率选择开关和中间继电器组成，用户可根据实际用气量来选择不同的排气量，不同档位的频率选择，输出至可编程控制器的不同输入端，就会输出不同的输出状态，对变频器多段频率进行设定，使之对应于不同排气量时的频率，压缩机达到不同转速运行的需求。

这种调速方式虽然可以实现压缩机的变速运行，但是不能够实现无级调速，排气量需人工选择，自动化程度不高，不适合于精确控制场合，节能效果不显著。

3）       以压力传感器、PID调节器、PLC组成的闭环控制系统

这是最近几年才兴起的一种控制方式，以恒压无塔供水系统为例，这种控制方式实现的方法是取供水系统管网上的压力，作为控制参数，压力传感器将管网上压力信号变化量转化为电信号变化量，输给PID控制器。

PID控制系统将电信号经分析运算后，输出给变频调速器。

变频器按PID的信号控制水泵转速以调节水压。

用户根据实际情况在PID上设定所需压力值，该系统根据用户用水量的变化，随时自动调节水泵转速，以维持恒压变量供水，从而大幅度的节约电能，提高供水质量。

3、工控上主要采用的变频器品牌及市场份额

西门子、ABB、施耐德、三菱之类的，国内做得好的变频器有汇川、三晶变频器等等

时至今日，国内变频器市场还可以说是外国人的天下，日系和欧美瓜分了80%的市场份额，但近年来台湾变频品牌也有一些强势表现，国产品牌总体仍处于弱势。

图１、变频器市场份额

目前内资品牌中市场份额最大的如深圳英威腾、成都希望森兰、烟台惠丰等企业06年的销售额都突破1亿元。

深圳英威腾、成都希望森兰都推出了矢量产品，其中深圳英威腾不但低压矢量产品的功率规格已经比较丰富，还拥有成熟的中压矢量产品，其综合产品线齐全程度逐步接近国际顶级品牌,满足今后各领域的发展需要。

西门子变频器市场营销以推出新产品快见长。

西门子产品一般的更新周期不超过5年。

其产品能够满足不同用户的特殊要求。

其第4代标准系列变频器科技含量较高，在价格、驱动解决方案等方面对客户有吸引力，在欧洲市场份额为15%，居第1位。

3方案设计

3.1变频器选型及概述

主要是根据电机的额定功率和额定电流，再看负载类型是不是恒转矩还是变转矩负载，另外看是多少伏的电压输入到变频器。

其他的看看通信或者是要不要四象限或者二象限等。

本次实训是根据我校立足西南，背靠石油和冶金行业的特点，服务基层，注重实践的要求，我们在调研很多友好企业单位主要使用传动和拖动系统中使用的变频器我们得出：

6SE70变频器（中大型工业控制）实用型。

选型主要考虑和涉及的技术参数 

总的来说我们在选择变频器的时候主要涉及如右图所示的选型要求：

控制对象、控制过程精度、负载特性、电参数的匹配关系等具体而言如下

1、采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。

2、变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。

3、变频器与负载的匹配问题；

1）电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。

2）电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。

对于特殊的负载如深水

图２、变频器选型图

泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。

3）转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。

4、在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。

因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。

5、变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。

6、对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。

6SE70主要技术指标

控制模式

V/F控制磁场定向矢量控制

带编码器的矢量控制应用于需要高度精确转矩和动态响应

无编码器的矢量控制在水泵、风机的简单应用和U/f控制。

控制性能

模块化的硬件、软件单独传动或成组传动

输出频率

0~200Hz速度响应时间60ms

过载能力

1.36倍额定电流60秒1.60倍额定电流30秒

标准功能

可编程的输入/输出接口可编程的加减速率速度给定速度限幅

图３、西门相关系列变频器

3.2变频器调速系统的硬件、软件配置

1、变频器调速系统的硬件配置

主要的硬件：

触摸屏TP、S7-300PLC、变频器6SE70、异步电动机、直流电源、编码器以及继电保护和相关的低压开关和控制器件触摸屏

紫色的PROFIBUS网络变频器内插接CBP通信板（6SE7010-XX94），操作盒的SA转换钮

按钮盒：

所用有SA、SB2、SB3（所有SB按钮均为自锁按钮）；

接触器KM1、KM3中间继电器KA4、KA5

图４、硬件配置图

2、变频器调速系统的软件配置

软件系统方面：

PLC编程软件STEP7V5.5触摸屏软件WINCCFLEXBLE2008

驱动软件DRIVERMONITER

工业以太网：

工业以太网是基于IEEE802.3（Ethernet）的强大的区域和单元网络。

利用工业以太网，SIMATICNET提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。

PROFIBUS-DP:

用于现场层的高速数据传送。

主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。

总线循环时间必须要比主站（PLC）程序循环时间短。

除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态．诊断和报警处理。

传输技术：

RS－485双绞线．双线电缆或光缆。

波特率从9.6Kbit/s到12Mbit/s。

3.3功能图和变频器参数设置

1、主要功能图

如左图所示组要功能图

可以知道主要是增

减键

功能键

以及启动和停止

和

还有就是数显模

块以及9针通讯口

我们在旁图可以看到变频器上还有很多输入输出接口

图５、主要功能图

2、变频器参数设置

设置一般步骤：

1）上电看变频器能否完成自检显示o009

2）使用DRIVERMONITER下载变频器的初始数据主要是.htm文件下到变频器里面。

3）设置参数先选用户等级P060的值，不同的只代表不同的参数过滤或者使用访问权限。

4）设置电机参数和相关电参量，在完成相关设置后要将P060=1结束设置才能启动。

控制项目

图６、电机参数的优化、

根据不同的控制方案设置不同的变频器参数例如：

交流调速器基本操作（通过变频器端子控制变频器的启停及调速）

交流变频器闭环控制的实现、交流调速器的PROFIBUS网络通信的实现

通过触摸屏来控制电机传动

根据控制要求进行相应的设置，但是电机参数的优化和变频器用户等级的设置还是必要的。

1

P053

参数设置等级

2

P060

固定参数设置组

3

P366

工厂固定参数组，主要用于特定项目的参数，可用过复位方式写入

4

P970

启动参数复位

5

P443

主给定的信号源入口

6

P554

变频器启/停信号源入口

17

P918

DP通信地址（现设为5）

P060是用户等级的设定，也可以把相关参数进行过滤掉，进行快速设置。

P443组参数一般选用第一组o.001这组数据

P554组数据中的o.001这组数据通过不同控制字控制变频器启停

P918组参数的设置也是很重要的，他能反映触摸屏上的给定传到变频器里面了没有

交流调速器基本操作（开环控制）

变频参数设置如下表一

序号

参数号

说明

设置值

备注

1

P443

主给定的信号源入口

3002

模拟端子1输入

2

P554

变频器启/停信号源入口

3100

端子排X101:

7

3

P100

速度控制

4

带编码器测试机

4

P462

加速时间

10

5

P464

减速时间

10

在这里P443、P554组数据的设置

P554.01组数据设置为3100的原因如上图所示PWE1是一个16位数据而且是低字节有效在第三个字里面传送所以ON/OFF1指令（控制字1，位0）的源：

P554将标号1的参数值改为3100

P443.01组数据的值为3002是因为过程数据连接给定值通道是以16位数据传送过来的PZD是由一个过程数据的16位项赋值的

3.4变频调速控制系统的网络结构

图７变频调速控制系统网络结构

通过触摸屏、S7-300PLC和变频器以及电动机和旋转编码器组成一个控制系统，实现电气传动和相关的控制要求

数据的流动方向，先是由触摸屏给出相关给定到PLC进行D/A数据的转化，再由PLC进行A/D转换把数据传输到变频器进行相应的控制字的改变从

而达到控制目的，以及相关的一系列动作

从右图可以看出系统是闭环的控制有编码器的反馈数据给PLC、变频器进行相应的数据修正，从而提高控制效果的精度。

这是当下使用最为广泛的控制系统既有远程网络控制，也可以设备与设备之间使用相关联的数据。

具体表现为PROFIBUS-DP用来上位机与PLC、触摸屏之间通信和数据交换。

SIMLANK用于设备之间通信，主要使用在企业局域里面使用也就是工业以太网。

4S7-300PLC控制程序设计

4.1硬件组态

１、主要使用到硬件模块

S7-300PLC：

CPU单元、电源模块、SM中的A/O模块等和变频器。

在明确所使用的硬件相关参数和型号后进行组态连接：

主要硬件列表二

序号

名称

代号

型号

数量

说明

1

PLC电源

P1

6ES73071EA000AA0

1

电源:

AC220/DC24V,5A

2

CPU

CPU

6ES7315-2EH13-0AB0

1

CPU315,1DP/MPI,1以太网接口

远程IO

ET200S

1

3

交换机

NET

6GK50050BA001AA3

1

4口交换机

4

模拟量输入模块

AI

6ES7331-7KF02-0AB0

1

8AI多功能模拟量模块，可接U,I,TC,RTD信号

5

模拟量输出模块

AO

6ES7332-5HD01-0AB0

1

4模拟量输出模块，可输出U,I信号

6

数字量输入/输出

DI01

6ES7323-1BL00-0AA0

1

16DI/D6DO;DC24V供电

7

数字量输入/输出

DI02

6ES7323-1BL00-0AA0

1

16DI/D6DO;DC25V供电

17

交流调速器

VF

6SE7016-1EA61

1

驱动交流电机

23

编码器

CD1

交流电机用

1

反馈交流电机的工作速度

25

交流电机

MOTOR1

1

交流电机

２、硬件在软件中进行组态

１）根据硬件型号选择相应的组态代号如ＣＰＵ型号３１５－２ＰＮ／ＤＰ　在右边的SIMANTIC300中选取RACK300下的RAIL为系统添加导轨在机架UR第一项中添加电源：

方法为选中右边的电源并按住鼠标拖放到相应的机架槽中，以后的器件添加相同；

a选择PLC电源型号

b选择安装导轨RAIL

c然后选择CPU型号主要是根据订货号来选择

d选择S7-300SM模块中的A/O型号

主要是更具设备型号还有控制要求

图８、导轨和主要元件

图９、数模块的参数设置

２）修改模块地址（根据习惯），本次将数字量输入、输出改为从0开始，模拟量输入、输出改为从100开始；双击修改的模块，打开配置窗口，选择ADDRESS项，反选SystemDefault,并将默认地址256改为100；

３）设置输入／输出电压ＡＯ模块下设置如下图所示

图１０、输入输出电压设置

主要涉及的参数是输出的电压范围，根据采集数据的标称是0——10V和电流0——20mA

４）硬件之间的连接　ＰＲＯＦＩＢＵＳ

图１１、创建通讯连接

创建ＰＲＯＦＩＢＵＳ连接线与变频器和ＰＬＣ相连接并填上上对应的ＰＬＣ地址

5）变频器和PLC的组网

图１２、通信地址单元设置

这里在进行组态的时候先是如上图1、2、3的步骤进行设置，在第一步的时候主要是注意在鼠标的十字光标在PROFIBUS总线上出现时才表示能添加变频器。

其次第二步的时候选择通道5主要是根据功能参数组P918=5来进行设置的，最后一步是地址的添加我们一般选择3箭头尾端加粗的数据组作为其地址。

4.2控制程序设计

达到控制目的：

通过触摸屏来修改变频器的相关参数和调速。

为达到此目的主要是通过触摸屏和ＰＬＣ相连接然后再由ＰＬＣ通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线以及西门子变频器的ＵＳＳ协议来达到控制目的

１）首先是从触摸屏上获得转速给定　　　　送到ＰＬＣ　ＳＭ单元中变频器

图１３、变频器启停控制设计

所以在程序设计上我采用Ｍ２２．１来获得电机启停信号，具体而言是通过Ｐ５５４．１组的控制字来实现的。

所以程序首先的把控制字送到变频器Ｐ５５４．１里面去：

先通过ＰＱＷ２７６（这是Ｐ５５４．１组的地址）所以给了一个１６为数据Ｗ＃１６＃４０１这个控制字。

在Ｐ５５４．１里面具体体现为ＫＫ３１００

２）数据传送转换

数据的变换给定主要是在Ｍ２１０里面进行１６进制转换主要过程是：

先将给定数据做乘法Ｍ２１０×１６４然后

将数据送到PLC站点ＰＱＷ２７８里面，再发送到变频器站点

图１４、转速给定数据变送

3）数据回送显示

数据回送显示，主要要是将测得数据传

到触摸屏显示监控

图１５、转速回馈显示

数据回送显示，主要是将测得数据传触摸屏显示监控运行的情况

5触摸屏组态

5.1变量组态

首先根据控制要求确定要控制的变量：

变频器的启停，转速的给定，速度的反馈，画面的的切换，历史是曲线等。

图１６、变量组态

主要涉及的变量：

变量的类型B00l（开关型变量），int（整数型）

变量组态是连接选S7-300/400硬件——然后定义相关的变量名称——选择变量类型——选择相对应的地址

5.2WINCCFIXLE画面组态

画面组态：

首先确定触摸屏的型号

图１７、触摸屏选型

然后将功能参变量通过画面工具绘出通按钮的事件属性来改变控件的形状，颜色等

图１８、画面组态主界面

图１９、画面组态历史曲线

主要是通过工具箱里面按钮：

启动、停止画面切换。

文本：

主要是美化界面，I/O域：

主要是变量传输数以及对象里面的趋势图：

主要是负责记录数据等组成设计的画面。

5.3变量连接

变量连接主要是将组态画面的变量进行相应的地址链接，简而言之：

就是硬件就位，只差用导线连同并网组成系统。

图２０、主画面变量连接

主要是在ＷＩＮＣＣ　ＦＩＸＬＥ变量进行物理地址的链接如上图讲启停——Ｍ２０．１

图２１、趋势图画面变量连接

趋势图的变量链接主要还是最开始定义的变量，只是如上图所示的主要参数和变量设置。

在属性中的坐标轴的定义和取值幅度的设置

６程序调试

６．１　ＰＬＣ调试方法与结果

１、通信下载调试方案

先是ＰＬＣ程序是否能下载来验证ＰＬＣ通信是否正常

图２２、ＰＬＣ通讯下载调试

如果出现上述画面表示能通信

２、在线调试方案

图２３在线运行调试

如上图所示ＭＷ２１０的值是速度给定　可以通过触摸屏来给定，也可以直接给个常数？

比如我把ＭＷ２１０改为５０系统一样运行

３、ＰＬＣ寻址调试

　在下载的时候有的时候会遇到ＰＬＣ选址的问题是不能下载原因为找不到ＰＬＣ的地址

通常会出现一个对话框让你选择ＰＬＣ的地址，而且手动输入是不得行的，在这个时候我们只能点击ＶＩＥＷ让其自动扫描上传ＰＬＣ的地址１９２．１６８．１．１７７，然后在加载这个地址。

６．２触摸屏的调试方法与结果

１、触摸屏的通讯调试

在完成画面组态的情况下下载画面到触摸屏上，具体按下载键弹出如下对话框进行计算机

　图２４、触摸屏通讯

地址的设置１９２．１６８．１．１００设置好了就进行下载

２、在线调试方案

　　　　　　　　　　　图２５趋势图在线调试

趋势图是反应执行过的数据参数的变化规律的有效方式，主要是在线变量的趋势反应。

图26趋势曲线图

通过趋势曲线可以进行相关参数的量化分析，和模糊表示，非常遗憾的视图中的坐标没有显示全面出现了###的符号

分析原因是在趋势图的坐标值的设置上出现了问题没有做换算16834——100的对应关系没有进行变化在曲线变量的属性设置上也是欠妥当的，有改进的必要性。

７　技术小结

１、遇到下载不起或则检查电缆是否连接

图27故障分析图

分析问题　先是检查通讯电缆是否正常连接或者设置是否正确

在检查设置方面很是棘手不知道从哪下手，但是根据自己所学的知识来看应该是软件方面的错误，再结合是连接不能建立一般是通讯地方面的设