基于PROFIBUSDP变频器通讯控制系统设计自控系毕业论文.docx

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基于PROFIBUSDP变频器通讯控制系统设计自控系毕业论文

摘要

在造纸机中，同步控制和纸张力控制是造纸机控制中极为重要的一环。

本文就是以西门子S7-300PLC和基于PROFIBUSP-DP的MM440变频器组合的控制方案在造纸过程中实现多电机同步传动，提出适于PLC控制的、能在纸传动过程中实现高精度稳速控制及恒张力控制的控制方案。

该方案建立了过程运行参数与控制目标的准确定量关系，既没有理论误差，又避免了多电机的性能差异及负载波动等对控制的影响，为实现造纸机多电机高精度同步传动提供了技术手段。

本文所研究的基于PROFIBUSP-DP变频器造纸机械控制系统采用PLC来控制变频器调速，充分发挥PROFIBUSP-DP模块的高可靠性、灵活性、通用性、扩展性等优点，通过RS485传输技术建立PLC与变频器的PROFIBUSP-DP通讯进而完成PLC控制变频器调速系统的方案设计和全部的控制系统设计。

关键词：

PLC;PROFIBUSP_DP变频器

ABSTRACT

Inthepapermachine,synchronouscontrolandpapertensioncontrolinpaperhighprecisionsteadyspeedcontrolandconstanttensioncontrolmethod.Themachinecontrolisaveryimportantlinkin.ThisarticleisbasedonSiemensS7-200PLCandSiemensMM440convertercombinedcontrolschemeinthepaper_makingprocessmultimotorsynchronousdrive,putforwardsuitableforPLCcontrol,inthepaperthetransmissionprocessachievesplantoestablishtheprocessparametersandthecontrolgoalofaccuratequantitativerelation,neithertheoryerror,butalsoavoidthemultimotorperformancedifferencesandloadfluctuationoncontroleffect,fortherealizationofpapermachinewithmultihighprecisionsynchronoustransmissionprovidestechnicalmeans。

Inthispaper,thestudybyACmotorspeedcontrolsystemusingPLCtocontrolthefrequencyconverterspeedcontrol，programmablelogiccontrollerandgivefullplaytothehighreliability，flexibility,versatility，scalability，etc，throughthePLCswitchestocontrolthevolumeofinputandoutputmodulesmulti-functionalinverterinputtoachievethemulti-stagemotorspeedcontrol，duringtheRS485transmissiontechnologythroughtheestablishmentofthePLCandinverterPROFIBUSP-DPcommunicationtocompletethePLCcontrolprograminverterspeedcontrolsystemdesignandallofthecontrolsystemdesign.

Keywords:

Thealternatingcurrent;PLC;PROFIBUSP-DPcommunication

目录

第1章绪论……………………………………………………………….1

1.1基于profibus-dp通讯控制发展与现状…………………………………………1

1.2基于profibus-dp通讯控制的意义………………………………………………1

第2章系统的功能设计分析和总体思路………………………………2

2.1概述……………………………………………………………………………..2

2.2系统功能设计分析……………………………………………………………..2

2.3系统设计原理和方法………………………………………………………….3

第3章变频器通讯控制系统的硬件设计………………………………5

3.1PROFIBUS-DP的变频器控制系统结构…………………………………………5

3.2通过Profibus-DP数据通讯……………………………………………………6

3.3变频器的选择…………………………………………………………………8

3.4系统硬件组态………………………………………………………………….9

第4章系统的软件设计与调试……………………………………….15

4.1STEP软件简介………………………………………………………………..15

4.2PLC和存储点的地址分配………………………………………………...16

第5章结论与展望……………………………………………………..18

5.1结论…………………………………………………………………………..22

5.2不足之处及未来展望………………………………………………………….22

参考文献………………………………………………………………..23

致谢……………………………………………………………………..24

第1章绪论

1.1PROFIBUS-DP通讯控制系统发展与现状

随着工业自动化的不断发展，工厂业主对生产效率和产品质量要求的不断提高，分别对每台电机进行单独控制在某些场合已经不能满足生产工艺的要求，而需要同时对多台电机进行控制，让其更好地协调运行，因此多电机同步传动控制应运而生。

最早的同步控制方法有模拟放大器同步控制和电动式连锁同步控制等方式，前者有抗干扰差和漂移等缺陷，而后者有调整不方便和体积庞大等不足。

从90年代中期国外现场总线技术开始进入工业化实用阶段，采用现场总线通讯方式的多电机同步控制系统开始广泛应用。

在纸机传动系统中，随着车速的提高和生产工艺的要求，也逐步地引进多电机同步控制方法，现代纸机的多分部传动系统采用现场总线通讯同步控制的已经占到了90%以上。

　　现场总线种类很多,但由于大多交直流传动装置可以采用PROFIBUS（ProcessFieldBus）现场总线通讯，所以PROFIBUS现场总线在传动控制领域占有较大的市场份额，并且在逐年地增加。

另外PROFIBUS总线标准包括3个方面的内容：

FMS、DP、PA，可以适用于不同的应用领域。

PROFIBUS现场总线技术就是实现现场级设备数字化的工业现场层网络通信技术，它具有较强的现场信息集成能力，可靠性好，维护性好，且总线协议是开放的。

这样，如果给现场设备接入具有现场总线网络功能的接口，不仅可以利用现场总线网络来管理分布的设备，还可以克服目前普通控制方式的缺点。

1.2PROFIBUS-DP通讯控制的意义

给予PROFIBUS-DP现场总线的造纸机多电机同步传动系统的研究与开发，提高了传动系统的可靠性和控制的精度，增强了系统的抗干扰能力。

利用PROFIBUS-DP现场总线使系统各设备件具有通讯能力，形成网络系统，同时强大的软件功能可缩短工程时间，提高系统的智能化程度，实现复杂的控制功能，并应用于大中型纸机传动控制系统中，降低对进口产品和软件的依赖性,加大了造纸行业中国内相关产品和技术所占的比重,提高具有自主知识产权的产品在市场中的竞争力。

在实际中，用它对造纸系统进行改造，完成了预期的通信和控制功能，大大提高了生产效率，取得了满意的效果,这对国家的经济建设和经济安全都具有重要意义。

第2章系统的功能设计分析和总体思路

2.1概述

本文就是以西门子S7-300PLC和基于PROFIBUSP-DP的MM440变频器组合的控制方案在造纸过程中实现多电机同步传动，提出适于基于profibus-dp变频器通讯控制的、能在纸传动过程中实现高精度稳速控制及恒张力控制的控制方案。

该方案建立了过程运行参数与控制目标的准确定量关系，既没有理论误差，又避免了多电机的性能差异及负载波动等对控制的影响，为实现造纸机多电机高精度同步传动提供了技术手段。

。

2.2系统功能设计分析

设计四台电机构成的变频调速同步控制系统：

四台电机速度可以同步升降，也可以微调，1#电机微调其他电机同步微调，2#电机微调1#不同步微调，其他电机须同步微调，3#电机微调1#和2#不同步微调，4#电机同步微调，4#电机微调，其他电机均不同步微调。

纸机对电气传动形同的要求

1）纸机工作速度要有较大的调节范围。

为了纸纸机具有较强的的产品、原料的适应性，纸机传动可在较大的范围内均匀的调节速度，调节范围为1：

8。

2）车速要有较高的稳定裕度，总车速提升、下降要平稳。

为了稳定纸页的定量和质量、减少断头、要求纸机的稳速精度为（0.05-0.01）%。

3）速差控制，速比可调、稳定。

纸幅在网部和压榨部时，其纵向伸长横向收缩，而在烘干部时，两向都收缩，因此纸机各分部的线速稍有差错，即速差。

误差应控制在0.1%以内保持纸张不被拉断。

纸机各分部的速比的最大波动值与浆料配比、定量、车速、生产工艺、纸页收缩率及分部之间的纸幅无承托引段张力等因素有关。

因此，纸机各相邻部分之间应有适当的速差来形成良好的纸页。

纸机各分部的速度必须可调，为（10-15）%。

4）各分部点具有速度微升微降功能，引纸操作时的紧纸、松纸功能。

5）爬行速度。

为了方便检修和清洗干网以及为了各部分的运行运行工况，各部分应有15-50m/min的可调爬行速度。

6）纸机为恒转矩负载性质，要选择具有恒转矩控制性能的变频器，良好的通信能力，并采用PLC作为控制单元，实现对整个控制的可靠、协调的控制，以满足纸机控制系统正常工作的需要。

2.3系统设计原理和方法

四台电机速度可以同步升降，也可以微调，1#电机微调其他电机同步微调，2#电机微调1#不同步微调，其他电机须同步微调，3#电机微调1#和2#不同步微调，4#电机同步微调，4#电机微调，其他电机均不同步微调。

设有启动/停止按钮和速度同步升/降旋钮，每台电机设有选择开关和升/降微调旋钮。

2.3.1硬件电路图

图2-1造纸电机硬件电路图

图2-2主程序流程图

第3章变频器通讯控制系统的硬件设计

PROFIBUSP-DP是一种国际化的开放式现场总线标准，即EN50170欧洲标准和IEC61158国际标准的一部分。

并且，在2001年12月成为我国的现场总线标准。

Profibus由PROFIBUSP-FMS（FieldbusMessageSpecification），PROFIBUSP-PA（ProcessAutomation）和Profibus-DP（DistributivePeripheral）三部分组成。

其中，PROFIBUSP-DP具有高速传输、价格低廉等特点，实现起来比较简单，主要用于分散设备间的数据高速传输。

该总线物理层采用RS485传输方式，传输速率可达9.6kbps至12Mbps。

一般用于自动化控制系统和现场设备之间的通信。

可以满足全数字交直流调速系统对于时间快速响应要求。

目前80%以上的PROFIBUSP应用基于PROFIBUSP-DP。

基于PROFIBUSP-DP现场总线的控制系统与以前的集散型控制系统（DCS）相比,具有很多优越性，如：

（1）采用双绞线、光缆或无线电方式传送数字信号，从而大量削减现场仪表与控制室之间一对一连接的导线，节省安装费用，提高可靠性和抗干扰能力，增强控制精度，信息传输速率可达1-12Mb/s，传输距离可达数公里。

（2）由于采用了统一的国际标准，不同厂家的产品在硬件、软件、通信标准、连接方式等方面互相兼容，使系统具有开放性，这对用户的操作、维修、扩展都是十分有利的。

（3）由于现场设备本身可完成自动控制的基本功能，导致现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。

从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。

许多控制功能从控制室移至现场仪表，大量过程检测与控制的信息就地采集、就地处理、就地使用，在新的技术基础上实施就地控制，使过程控制基本分散到现场，而控制室内的仪表装置主要完成数据处理、监控、优化控制、协调控制和管理自动化功能。

（4）开放式系统：

系统分层分级集成，设计灵活，网络可采用多种拓扑结构。

3.1PROFIBUS-DP的变频器控制系统结构

现以济钢三炼钢板坯连铸机自动控制系统为例介绍现场总线的组成。

济钢三炼钢板坯连铸机基础自动化控制系统配置采用德国SIEMENS公司的S7系列产品，组成仪控合一的基础自动化控制级（L1级），用于主PLC与从PLC（产PLC的相关品）之间相互通讯，使之现场设备正常运行的媒介——PROFIBUS总线。

PROFIBUS总线在板坯连铸机系统中应用广泛，在设备运行过程中显示出了它强大的稳定性能和可靠性。

作为PROFIBUS-DP网的典型配置如图1所示，PLC（SIMATICS7-300或S7-400系列）作为一级DP主站，他负责在预定的信息周期内循环与从站交换信息，发送控制信息，读取从站的状态等，组态软件Wincc作为二级DP主站，用于操作与监控。

MM440变频器加上CB通讯板（PROFIBUS通讯模块）后作为从站，这样的从站可带32个。

如果使用中继器，最多可达127个从站。

MM440是MICROMASTER4系列变频器中的顶尖机型。

有精确的控制性能，适应多种工业应用场合。

除了包含有MM440所具有的安装简便和用户界面友好的优势外,还具有快速的输入响应，优化的矢量控制特点。

另外由于内置制动单元，使变频器在制动和减速方面,具有优良的功能品质。

图3-1Profibus-DP网的总线拓扑结构

3.2通过Profibus-DP数据通讯

MM440变频器既支持和主站的周期性数据通讯，也支持和主站的非周期性数据通讯，即S7-300可以使用功能块SFC14/SFC15读取和修改MM440参数值，调用一次可以读取或者修改一个参数。

同时也可以使用功能块SFC58/SFC59或者SFB52/SFB53读取和修改MM440参数值，一次最多可以读取或者修改39个参数。

在变频器现场总线控制系统中，Profibus-DP的通讯协议的信息帧分为协议头、用户数据和协议尾。

用户数据结构被指定为参数过程数据对象（PPO），有的用户数据带有一参数区域和一过程数据区域，而有的用户数据仅由过程数据组成。

变频传动概要定义了5种PPO如图2所示。

图3-2Profibus-DP信息帧中用户数据结构

MICROMASTER4仅支持PPO型1和型3。

参数值PKW是变频器运行时要定义的一些功能码，如最大频率、基本频率、加/减速时间等。

过程数据PZD用来传输控制字和设定值（主——-变频器）或状态字和实际值（变频器——-主）等输入/输出的数据值。

MICROMASTER4系列变频器与SIMATICS7-300通讯，必须完成下列变频器功能码的设置：

P918（PROFIBUS地址）设定值可以是1-125，P1000（频率设定值的选择）=6（CB通讯板），P2041.00（CB参数）=3（PPO3），P2040（CB停止报文时间）>0，P0927（修改参数的途径）=1（COMMS模板），P700（选择命令源）=6（PROFIBUS/Fieldbus通讯链路的现场总线）。

采用SIMATICS7-300系列的CPU315-2DP作为DP主站，CPU315-2DP系统本身具有Profibus-DP接口，无需另外的通讯接口单元。

在编程软件STEP7中完成硬件网络组态，为变频器分配网络地址，该地址必须与变频器CB板中设置的相同，在组织块OB中选用SFC14"DPRD_DAT"、SFC15"DPWR_DAT"系统功能块向变频器的CB模块接收/发送过程数据，如图3所示。

要注意的是MICROMASTER4系列变频器与以前的MICROMASTER3系列变频器的控制字是不同的。

图3-3PLC与CB板之间的通讯

工业组态软件WinCC提供各种PLC的驱动程序，本文实例要建一个Profibus-DP的二级主站，所以选择支持S7协议的通讯驱动程序SIMATICS7ProtocolSuite，在其中的“PROFIBUS”下连接一台S7-300，设置参数必须与PLC中的设置相同。

通过以上步骤，即完成了对整个变频器控制系统Profibus-DP网的组态与通讯。

3.3变频器的选择

正确选择通用型变频器对于传动系统能够正常运行时至关重要的，首先要明确使用通用变频器的目的，按照生产机械的类型、调速范围、速度响应和控制精度、启动转矩等要求，充分了解变频器所驱动负载特性，决定采用什么功能的通用变频器构成控制系统，然后决定选用哪种控制方式最合适。

所选用的通用变频器应是既满足生产工艺要求，又要在技术经济指标上合理。

若对通用变频器选型、系统设计及使用不当，往往会使通用变频器不能正常的运行、达不到预期目标，甚至引发设备故障，造成不必要的损失。

另外，为了确保通用变频器长期可靠的运行，变频器的地线的连接也是非常重要的。

变频器在调速系统中的优点：

1．控制电机的启动电流；

2．降低电力线路的电压波动；

3．启动时需要的功率更低；

4．可控的加速功能；

5．可调的运行速度；

6．可调的转矩极限；

7．受控的停止方式；

8．节能；

9．可逆运行控制；

10．减少机械传动部件。

在本系统中，选用了由西门子生产的通用变频器MM420。

3.4系统硬件组态

1.组态主站打开SIMATICMANAGER，通过FILE菜单选择NEW新建一个项目，在NAME栏中输入项目名称，将其命名为S7300_MM440，在下方的StorageLocation中设置其存储位置，如图3.5所示。

项目屏幕的左侧选中该项目，在右键弹出的快捷菜单中选择InsertNewObject插入SIMATIC300Station，双击MPI/DP槽，在弹出窗口“Interface”→“Type”中选择“PROFIBUS”，然后点击“Properties”，如图3.7所示点击“New”新建一条DP总线，并设置地址为2。

点击“Properties”，弹出如图3.8所示窗口，选择DP类型，并设置传输速率为1.5Mbps。

打开SIMATIC300Station，然后双击右侧生成的Hardware图标，在弹出的HWconfig中进行组态，在菜单栏中选择“View”选择“Catalog”打开硬件目录，按订货号和硬件安装次序依次插入机架、电源、CPU以及I/O模块，如图

2.组态从站在DP总线上挂上远程I/O模块，设置从站地址为3，并

图3-4设置PROFIBUS属性

图3-5插入从站

在其上加入相应I/O模块。

在DP总线上挂上MM440，并组态MM440的通讯区，通讯区与应用有关。

MM440采用通用串行接口协议，其报文结构将在软件部分讲述。

由程序操作的通讯数据通过参数标识符值PKW和过程数据PZD传递，最长使用的是中PKW为4个字（8个字节），PZD为2个字（4个字节）的固定长度报文，即PPO1类型，因此组态MM440的地址分别对应读写PKW和PZD。

组态MM440步骤如下：

①打开硬件组态，在右侧选择“PROFIBUSDP”→“SIMOVERT”→“MICROMASTER4”，添加到DP总线上，如图3-11。

图3-6新建PROFIBUS-DP

②在弹出窗口中选择地址为4，如图3-12所示。

图3-7新建S7-300项目

③选择“MICROMASTER4”→“4PKW，2PZD（PP01）”，添加到从站中，如图3-13所示。

图3-8组态PROFIBUS主站和插入主站

④从站组态完成，设置地址，PKW读为IB288~IB295，PZD读为IB296~IB299，PKW写为QB272~QB279，PZD写为QB280~QB283，如图3-14，。

图3-9组态从站

第4章系统的软件设计与调试

4.1STEP软件简介

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。

常规功能之外还具备以下的特点:

（1）MPI接口；

（2）集成modem支持:

内置modem功能，可进行远程编程、诊断或数据传输；

（3）编程不需MPI转换器，直接通过PC上的RS232口；

（4）现场总线通讯功能，制器功能中已集成了ProfibusDPMaster/Slave,ProfibusFMS和LONWorks；

（5）用STL,LAD,FBD编程；

（6）使用Siemens工程工具，监视修改变量，程序状态等；

4.2PLC和存储点的地址分配

PLC及存储点地址分配如表4.3所示：

表4.1PLC及存储点地址分配

如图4.3所示，首先在STEP7的硬件组态中设置通讯双方的MPI地址，然后新建一个MPI网络，名称为MPI

（1），并将通讯双方都连接到该网络上。

然后通过工具栏按钮打开【NetPro】来组态网络。

图4-1在STEP7中设置MPI网络

图4-2在NetPro中新建一个网络连接

在NetPro中可以看到，MPI网络上连接了两个站，选择S7-400的CPU，在连接列表里添加一个新的连接，如图4-4所示。

通讯连接选择对方站点，连接类型选择【S7Connection】，这时，在连接列表里，就建立了一个ID号为1的连接，如图4-5所示。

至此，硬件组态和网络组态就完成了。

图4-3组态网络连接

通过PROFIBUS通信模块可以实现MM440变频器与PLC基于PROFIBUS现场总线网络的双向高速、实时通信。

通信主要完成PLC和变频器之间的数据交换。

使用SFC14读与SFC15写功能进行通信程序如下。

SFC14（DPRD_DAT）用于读profibus从站的数据，SFC15（DPWR_DAT）用于将数据写入profibus从站，w#16#100是硬件组态时PZD的起始地址。

NETWORK1：

Title:

Coment:

CALLSFC14“DPRD_DAT”

LADDR:

=W#16#100