基于PROFIBUSDP电力拖动控制系统的设计课设.docx

基于PROFIBUSDP电力拖动控制系统的设计课设.docx

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基于基于PROFIBUSDP电力拖动控制系统的设计课设电力拖动控制系统的设计课设课程名称：

创新性实践报告名称：

基于PROFIBUS-DP电力拖动控制系统的设计专业名称：

自动化班级：

090443小组成员：

陈典、张鹏磊、张思听、邓超峰、赖薇、朱继生指导老师:

彭元修二O一二年十月十二日创新性实践课程设计任务书20122013学年第一学期第10周11周题目基于PROFIBUS-DP电力拖动控制系统设计内容及要求1、要求系统用PROFIBUS-DP搭建成网络；2、软件设计,用STEP7、WinCC完成；3、软件能在硬件通信。

能在硬件系统中完整运行。

进度安排1、方案论证2天2、分析、设计4天3、加载到硬件系统调试、运行2天4、检查、整理、写设计报告、小结2天合计10天学生姓名：

陈典、张鹏磊、张思听、邓超峰、朱继生、赖薇指导时间：

2012年11月中旬指导地点：

F213任务下达2011年11月5日任务完成2011年11月19日考核方式1.评阅2.答辩3.实际操作4.其它指导教师彭元修系（部）主任王长坤注：

1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。

2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。

摘要在许多工业控制系统中，广泛采用了交流变频器控制系统和全数字直流调速装置组成的直流调速系统。

在多套拖动系统综合控制过程中，存在着多控制点而且各拖动控制装置精度分布线长和分散的特点。

采用PROFIBUS-DP现场总线的电力拖动控制系统，可以把控制室内和现场操作台所装备的分布式模块连成总线网络，以数字方式进行数据的串行传输，使控制系统具有了更佳的抗干扰能力，从而进一步的增强了整个系统的可靠性，提高了系统的响应速度和控制精度。

目录第一章概述11.1引言11.1.1研究目的和意义11.1.2主要研究内容及设计思路11.1.3任务分配11.2STEP721.2.1STEP7概述21.2.2STEP7功能21.3PROFIBUS现场总线21.3.1现场总线PROFIBUS-DP21.4电力拖动控制系统3第二章硬件平台42.1S7-300PLC概述42.1.1300系列PLC简介42.1.2CPU314C-2PN/DP52.2MM440变频器62.3拖动电机额定参数72.4PROFIBUSDP电力拖动控制系统硬件连接结构7第三章软件设计83.1PROFIBUS-DP网络83.1.1PROFIBUSDP总线网络83.1.2网络连接模式83.2软件流程图93.3MM440变频器参数配置93.4组态软件WinCC应用103.5控制系统的软件设计103.5.1软件的功能103.5.2软件功能的实现10第四章网络组态124.1搭建PROFIBUS-DP网络参数配置124.2组态控制系统网络124.3建立上位机WinCC项目134.4基于PROFIBUS-DP的电力拖动控制系统网络14第五章结论15第六章心得体会16参考文献22第一章概述1.1引言1.1.1研究目的和意义本文通过对PROFIBUS现场总线和传统电力拖动控制系统的研究，希望能够把现在较为成熟的现场总线技术应用到电力拖动控制系统中。

鉴于传统的电力拖动控制系统在实际工业控制中，多存在多套拖动系统综合控制，而在此过程中，存在着多控制点而且各拖动控制装置精度分布线长和分散的特点。

因此，在很多情况下有需要时可以使用PROFIBUS总线和S7-300PLC组成的控制系统，从而进一步提高系统的可靠性和稳定性，同时利用S7-300PLC的高性能实现多机群控。

采用PROFIBUS-DP现场总线的电力拖动控制系统，可以把控制室内和现场操作台所装备的分布式模块连成总线网络，以数字方式进行数据的串行传输，使控制系统具有了更佳的抗干扰能力，从而进一步的增强了整个系统的可靠性，提高了系统的响应速度和控制精度。

1.1.2主要研究内容及设计思路本文主要通过研究PROFIBUS现场总线和传统电力拖动控制系统，把现在较为成熟的现场总线技术应用到电力拖动控制系统中，怎样实现多机群控、怎样搭建PROFIBUS-DP网络，对软件的和设计，实现基于PROFIBUS-DP的电力拖动控制系统的完整设计。

要建立一个较为完善的基于PROFIBUS-DP的电力拖动控制系统，需要对PROFIBUS现场总线和电力拖动系统有一个比较深刻的了解，首先要搭建一个PROFIBUS-DP网络，对各参数进行设置。

分别建立基于SIMATICS7-300一级主站和从站，然后再在网络上挂上MICROMASTER4XX系列变频器，本文采用的是MM440变频器，用变频器驱动各电机进行控制，以数字方式进行数据的串行传输控制。

1.1.3任务分配陈典：

上位机与硬件的通信设计张鹏磊：

软件软件程序的编写设计张思听：

软件流程及硬件组态设计朱继生：

程序的装载和调试运行赖薇：

资料的收集及报告书撰写邓超峰：

硬件的线路的分布设计1.2STEP71.2.1STEP7概述STEP7编程软件用于SIMATICS7/M7/C7和基于PC的WinAC，是提供他们编程、监控和参数设置的标准软件包，是属于SIMATIC工业软件的一部分。

STEP7标准软件包由两大部分构成：

第一部分为STEP7Micro/DOS和STEP7Micro/Win，用于SIMATICS7-200的简化单机应用应用程序；第二部分为STEP7，用于SIMATICS7-300/400、SIMATICM7-300/400以及SIMATICC7上。

1.2.2STEP7功能STEP7主要完成以下任务：

工程管理里、硬件配置与参数设置、网络配置、编程、测试、启动、维护、文件建档、运行和诊断等。

基本编程语言主要由有梯形图（LAD）、功能块图（FBD）和语句表（STL）,硬件组态主要有两大部分工作，分别为“组态”和“分配参数”。

用户程序由用户在STEP7中生成，然后将它下载到CPU中。

而程序的下载与上传的前提是PLC已经建立了一个在线连接，以便上传与下载程序。

在STEP7中程序的调试有多种，主要使用变量表调试程序和在程序状态调试程序。

1.3PROFIBUS现场总线PROFIBUS总线是西门子公司开发的开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，具有协议简单开放、容错能力强、安全性好、成本低等优势，广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化，可承担现场、控制、监控三级通信。

1.3.1现场总线PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP是一种高速低成本通信网络，使用PROFIBUS-DP可取代24VDC或4-20MA信号传输，尤其适用于可编程控制器PLC与现场分散外设间的通讯。

PROFIBUSDP现场总线的硬件由主设备、从设备和网络等三部分组成。

主设备用以控制总线上的数据传输，可与从设备及在总线上所挂的各拖动装置直接交换信息，从设备只能与主设备交换信息，并通过主设备控制各拖动装置。

1.4电力拖动控制系统在许多工业控制系统中，广泛采用了交流变频器控制系统和全数字直流调速装置组成的直流调速系统。

在多套拖动系统综合控制过程中，存在着多控制点而且各拖动控制装置精度分布线长和分散的特点。

第二章硬件平台本文所做的研究是基于下述硬件平台展开的。

在本实验室里，拥有工控机、S7-300PLC（处理模块CPU314-2PN/DP）、变频器MM440、触摸屏、实验用小型拖动电机等。

2.1S7-300PLC概述目前，世界上有200多家厂商生产PLC，其中，德国西门子（SIEMENS）公司的PLC产品里面有SIMATICS7M7和C7等几大系列。

S7是具有传统意义上的PLC产品，其中S7-300是针对低性能要求的模块式中小型PLC，最多可以扩展32个模块。

300系列的PLC是一种通用型的PLC，具有模块化，无风扇结构，易于实现分布式的配置以及易于掌握的特点，这使它能够适应自动化工程中的各种应用场合，执行各种控制任务，因此在实践中成为一种既经济又可靠的控制装置。

S7-300PLC采用模块化的结构，各种模块能以不同的放肆组合在一起，模块式PLC由机架和模块组成。

品种繁多的CPU模块、信号模块和功能模块能完成各种领域的自动控制任务，用户可以根据系统的具体情况选择、更换合适的模块。

同样可以扩展PLC。

简单实用的分布式结构和强大的通信联网能力，使其应用十分广泛。

2.1.1300系列PLC简介S7-300PLC是模块化的PLC，它由以下及部分组成：

1.中央处理单元（CPU）功能：

执行用户程序；为S7-300背板总线提供5V电源；在MPI网络中通过MPI与其他的MPI网络节点进行通信。

各种CPU有不同的性能，例如有的CPU集成有数字量和模拟量的输入输出点，有的额CPU集成了PROFIBUS-DP等通信接口，CPU前面板上有状态故障指示灯、模式开关、24V电源端子、电池盒与存储器模块盒（有的没有）。

2.负载电源模块（PS）负载电源模块用于将AC220V电源转换为DC24V电源，提供S7-300CPU和24V直流负载电路（信号模块、传感器、执行器等）使用.3.信号模块（SM）信号模块包括数字量输入输出模块，数字量I/O模块、模拟量输入输出模块、模拟量I/O模块。

他们使不同级的过程信号电压或电流与PLC内部的信号电平相匹配，。

信号模块主要有数字量输入模块（SM321）和输出模块（SM322），模拟量输入模块（SM331）和模拟量输出模块（SM332）。

4.功能模块（FM）功能模块主要用于时间要求苛刻、储存容量要求较大的过程信号处理任务。

5.通信处理器（CP）通信处理器用于PLC之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入PROFIBUS-DP和工业以太网，或用于实现点对点通信等。

6.接口模块（IM）接口模块用于多机架配置时连接主机架（CR）和或扩展机架（ER）.S7-300通过分布式的主机架和3个扩展机架，最多可以配置32个信号模块、功能模块和通信处理器。

2.1.2CPU314C-2PN/DP1.CPU的属性：

产品CPU314C-2PN/DP9针DP接口（X1）X9针DP接口（X2）X数字量输入24数字量输出16模拟量输入4+1模拟量输出2工艺功能4个计数器一个用于定位的通道表1CPU314C-2PN/DP的属性2.CPU314C-2PN/DP的集成I/O寻址:

输入/输出默认地址注释24个数字量输入136.0到138.7，其中16个输入用于工艺功能；136.0到137.7可以为所有数字量输入分配中断功能。

可选的工艺功能：

计数频率测量脉冲宽度调制定位16个数字量输出136.0到137.7，其中4个输入用于工艺工能；136.0到136.34+1个模拟量输入800到8092个模拟量输出800到803表2CPU314C-2PN/DP的集成I/O3.图1CPU314C-2PN/DP集成I/O的方框图图1集成数字量/模拟量I/O的方框图图2集成数字量I/O的方框图2.2MM440变频器MICROMASTER440变频器简称MM440变频器，是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列，本系列有多种型号供用户选用，恒定转矩（CT）控制方式额定功率范围从10W200KW，可变转矩（VT）控制方式可达到250KW。

用其稳定的性能、丰富的组合功能、高性能的矢量控制技术、低速高转矩输出、良好的动态特性、超强的过载能力、创新的BiCo（内部功能互联）功能以及无可比拟的灵活性，在变频器市场占据着重要的地位。

西门子变频器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。

创新的BiCo（内部功能互联）功能有无可比拟的灵活性。

主要特征：

200V-240V10%，单相/三相，交流，0.12kW-45kW；380V-480V10%，三相，交流，0.37kW-250kW；矢量控制方式，可构成闭环矢量控制，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。

控制功能：

线性v/f控制，平方v/f控制，可编程多点设定v/f控制，磁通电流控制免测速矢量控制，闭环矢量控制，闭环转矩控制，节能控制模式；标准参数结构，标准调试软件；数字量输入6个，模拟量输入2个，模拟量输出2个，继电器输出3个；独立I/O端子板，方便维护；采用BiCo技术，实现I/O端口自由连接；内置PID控制器，参数自整定；集成RS485通讯接口，可选PROFIBUS-DP/Device-Net通讯模块；具有15个固定频率，4个跳转频率，可编程；可实现主/从控制及力矩控制方式；在电源消失或故障时具有自动再起动功能；灵活的斜坡函数发生器，带有起始段和结束段的平滑特性；快速电流限制（FCL），防止运行中不应有的跳闸；有直流制动和复合制动方式提高制动性能。

保护功能：

过载能力为200%额定负载电流，持续时间3秒和150%额定负载电流，持续时间60秒；过电压、欠电压保护；变频器、电机过热保护；接地故障保护，短路保护；闭锁电机保护，防止失速保护；采用PIN编号实现参数连锁。

2.3拖动电机额定参数型号Y90L-4额定电压380V额定功率1.5KW额定频率50HZ额定转速1400r/min额定电流3.7A功率因数0.79接线方式Y2.4PROFIBUSDP电力拖动控制系统硬件连接结构图3PROFIBUS-DP总线系统结构第三章软件设计3.1PROFIBUS-DP网络3.1.1PROFIBUSDP总线网络在这套基于PROFIBUSDP总线的拖动控制系统中，我们采用了SIMENS公司的相关产品作为PROFIBUSDP网的典型配置，如上章图1所示。

DP主站和从站均选用SIMATICSS7300PLC,处理模块为新型紧凑型的CPU314C-2PN/DP。

该PLC是适应性较强的模块化PLC系统，它具有组态灵活、易于实现分布的特点，已成为各种机床制造、造纸、水处理等项目经济方便地实现小规模控制系统的首选产品。

在总线上同时还挂有多套拖动设备：

全部选用MM440全数字型交流调速装置加上CB通信板（PROFIBUS通通信模块），分别控制多台交流鼠笼型异步电动机，实现交流变频调速控制。

主站PLC负责读取多台从站PLC的信息，而从站PLC负责读取悬挂在总线上的所有分布式模块的数字量和模拟量信息，同时进行数字量和模拟量信息的传送，包括与多套拖动装置之间的信息交换。

以组态软件WinCC组建的上位机系统作为监控平台，用于系统操作和监视等。

从站PLC负责与主站PLC进行信息交换并通过主站PLC实现对悬挂在总线上的拖动系统的控制，同时进行系统的数据通信。

3.1.2网络连接模式网络连接模式在本分布式自动电力拖动系统中，以装载有WinCC的工控机作为上位机，在上位机中建立分布式控制画面，每一个拖动电机对应一块监控画面，在监控画面中显示电机的转动情况，这些信息收集于PLC主站，再由主站通过信息交换反馈给上位机，主站起到一个桥梁纽带的作用，一方面要与上位机通信，同时也要与PLC从站通信，发送各种有效的指令，对从站反馈回来的信息进行处理送给上位机用以显示，以便用户直观的了解到电机的运转情况。

从站负责收集变频器的各项参数并接受到主站的指令执行命令，因为由多个从站，属于分布式的控制，从站中有事先编辑好的程序块，当接收到来至总站的命令的时候执行对变频器的控制，以便驱动电机运转。

主站与上位机机之间通过工业以太网连接，实现通信，而由于电机较多，需要实行分布式的控制，所以优先建立PROFIBUS-DP网络，主站与从站之间建立PROFIBUS网络，通过PROFIBUS电缆连接。

3.2软件流程图图4

（1）上位机程序流程图

（2）主站框架程序流程图（3）从站框架程序流程图3.3MM440变频器参数配置MM440交流变频器与SIMATICSs7300通信，必须完成下列变频器功能码的设置：

表3.MM440变频器参数配置编号设定值功能说明P9181125装置的PROFIBUSDP地址每台地址不同P100066频率设定值的选择频率设定值来自CB安装在计算机上P7006命令源的选择命令源来自CB通信板P20400通信板报文停止时间-P2041003选择PPO类型PPO3P71966命令和频率设定值选择命令和频率设定值来自cB通信板3.4组态软件WinCC应用工业组态软件WinCC提供了各种PLC的驱动程序，在本系统中需建一个PROFIBUSDP的二级主站。

所以选择支持S7协议的通信驱动程序SIMATICSS7protocolsuite，在其中的“PROFIBUS下连接S7300PLC，设置参数时必须与PLC中的设置相同。

在编程软件STEP7中完成硬件网络组态，分别为总线上所挂的四套拖动装置分配网络地址，该地址必须与拖动装置CB板中的设置相同”。

3.5控制系统的软件设计本系统主要采用了SIMENS公司的WinCC组态软件。

WinCC是一个集成的人机界面软件系统，在本系统中利用WinCC组建的上位机系统与S7300PLCMM440交流调速装置组成的分布式自动化控制系相组合，实现各种功能。

上位机硬件系统由一台工控机及相应的硬件设备组成。

上位机软件系统是在WindowsNT系统平台下，将WinCC安装在计算机上，授权后，即可启动运行。

软件的功能3.5.1软件的功能根据工艺和控制要求，可在上位机完成以下功能：

1）数据通信：

通过PROFIBUS-DP网络，实现与PLC之间的数据交换。

2）数据处理：

根据各种工艺要求，可以非常方便的在计算机屏幕上设置或修改交直流电力拖动的参数。

3）工艺画面的显示：

可根据工艺要求，通过画面显示主要控制对象的工艺关系及当前状态。

4）实时曲线显示：

在此画面中可对观察对象进行选择，包括对各电动机的转速曲线、电流曲线显示，既可监视当前实时曲线，又可查询历史曲线。

5）报警处理：

对需要报警的信号进行实时报警和处理。

6）工艺参数设定：

按工艺要求对产品品种、成品规格等许多工艺参数进行设定。

3.5.2软件功能的实现1）与PLC的连接：

启动WinCC并建立目后，在树形视图中的“标签管理”行，通过选择PLC的系列进行连接，并通过内部标签的建立和分配实现WinCC与PLC的连接。

2）工艺画面的建立：

启动树形视图中的“图形编辑器”，借助软件提供的绘图工具，绘出所需工艺画面，并通过标签的连接，将画面中图形部件与现场中的工况连接，实现画面的实时动态显示。

3）测量值的显示：

启动树形视图中的“标签登录”编辑器，可以完成分类归档及建立各种图表和图形曲线报工作。

第四章网络组态4.1搭建PROFIBUS-DP网络参数配置图5PROFIBUS-DP网络参数配置4.2组态控制系统网络图6组态PROFIBUS-DP网络4.3建立上位机WinCC项目图7创建WinCC项目图8给WinCC项目添加驱动图9为WinCC项目配置连接参数4.4基于PROFIBUS-DP的电力拖动控制系统网络图10完成基于PROFIBUS-DP的电力拖动控制系统初步网络第五章结论本次课设完成了搭建初步的PROFIBUS-DP网络系统，组态了一个基本的网络，但是对其中的参数的设置只是一个不真实的反应，没有硬件的支撑，这是一个比较空泛的软件系统，但是本次课设为完善基于PROFIBUS-DP的电力拖动系统做好了充分的准备，本次完成的虽然是一小部分，但是却是开始的最基本的一部分。

后面的课设将会逐步的完善该系统，达到本课设要求的基本的要求，同时将也会创新出新的东西，更加完美的把PROFIBUS-DP现场总线技术应用到电力拖动系统当中去。

第六章心得体会姓名：

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_参考文献1吴作明、杜明星.STEP7软件应用技术基础.北京航空航天大学出版社.2009

（1）2吉顺平等.西门子现场总线通信原理与应用.机械工业出版社.2009.8

（1）3吉顺平等.西门子PLC与工业网络技术.机械工业出版社.2009.2

（1）4房立镇.PROFIBUS现场总线技术在PLC中的应用研究.硕士学位论文2011.055马宁.基于PROFIBUS-DP的传动控制系统.电气时代期刊2004（9）