基于变频器的运料小车控制系统.docx
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基于变频器的运料小车控制系统
第一章引 言
随着社会迅速的发展，各机械产品层出不穷。
控制系统的发展已经很成熟，应用范围涉及各个领域，例如：
机械、汽车制造、化工、交通、军事、民用等。
PLC专为工业环境应用而设计，其显著的特点之一就是可靠性高，抗干扰能力强。
PLC的应用不但大大地提高了电气控制系统的可靠性和抗干扰能力，而且大大地简化和减少了维修维护的工作量。
PLC以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、使用方便、控制程序可变、体积小、质量轻、功能强和价格低廉等特点，在机械制造、冶金等领域得到了广泛的应用。
送料小车控制系统采用了PLC控制。
在设计该PLC送料小车设计程序的同时总结了以往PLC送料小车设计程序的一般方法、步骤，并且把以前学过的基础课程融汇到本次设计当中来，更加深入的了解了更多的PLC知识
这篇论文是以S7-200系列PLC为主要载体，结合他对应的来对运料小车的控制进行编程，虽然没有具体的见到他的硬件，但是也对这样一个程序对应的接口做了了解。
本文主要是在对PLC进行系统的介绍后，进入具体是S7-200的PLC，针对S7-224这个型号进行硬件及其软件的介绍，最后写出运料小车对应PLC的接口图及其对应的程序。
第二章运料小车控制系统的方案论证
2.1运料小车控制系统的控制内容与要求
2.1.1运料小车的运动流程
某自动生产线上运料小车的运动如图2.1所示
图2.1运料小车示意图
运料小车由一台三相异步电动机拖动，电机正转，小车向右行，电机反转，小车向左行。
在生产线上，每一个停靠站安装一个行程开关以监测小车是否到达该站点。
对小车的控制除了启动按钮和停止按钮之外，还应该检测料斗内是否还有料，以确定是否继续下去。
2.1.2设备控制要求
运料小车在自动化生产线上运动的控制要求如下：
小车原位在后退终端，当小车压下后限位开关SQ1时，按下启动按钮SB，小车前进，当运行至料斗下方时，前限位开关SQ2动作，此时打开料斗给小车加料，延时8s后关闭料斗，小车后退返回，SQ1动作时，打开小车底门卸料，6s后结束，完成一次动作。
如此循环。
2.2方案论证
早期运料小车电气控制系统多为继电器-接触器组成的复杂系统，这种系统存在设计周期长、体积大、成本高等缺陷，几乎无数据处理和通信功能，必须有专人负责操作。
后来，单片机应用到运料小车控制系统中。
单片机有优异的性能价格比、集成度高、体积小、有很高的可靠性、控制功能强、低功耗、低电压，便于生产便携式产品，外部总线增加了I C及SPI，单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。
单片机编程方法复杂，不容易上手，使用于简单应用。
将PLC应用到运料小车电气控制系统，可实现运料小车的自动化控制，降低系统的运行费用。
PLC运料小车电气控制系统具有连线简单，控制速度快，精度高，可靠性和可维护性好，安装、维修和改造方便等优点。
变频调速已被公认为是最理想、最有发展前景的调速方式之一，采用变频器构成变频调速传动系统的主要目的，一是为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求；二是为了节约能源、降低生产成本。
用户根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。
随着电力电子技术以及控制技术的发展，交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用；可编程控制器PLC作为替代继电器的新型控制装置，简单可靠，操作方便、通用灵活、体积小、使用寿命长且功能强大、容易使用、可靠性高，常常被用于现场数据采集和设备的控制；组态软件技术作为用户可定制功能的软件开发平台工具，可实现显示电机转速，可实现远程调速控制，在PC机上可开发友好人机界面，通过PLC可以对自动化设备进行“智能”控制。
在此，本次设计就是基于PLC控制变频器的小车运料系统。
将现在应用最广泛的PLC和变频器综合起来主要功能实现了变频调速。
电机的正反转，加减速以及快速制动等。
因此，该系统必须具备以下两个主体部分：
控制运算部分、执行。
控制运算主要由PLC和变频器来完成；执行元件为变频器和电机；
2.3确定设计方案
经过对多种方案的比较，我们最终决定用变频器来实现电机的控制。
通过USS协议，实现S7-200对变频器的控制，从而控制电机的启动，运行，停车和正方转。
通过软件来实现对电机的控制，可以减少继电器的使用，简化硬件电路，可靠性和稳定性也得到了提高。
系统总体框图如图2.2所示
图2.2系统总体框图
第三章运料小车控制系统的硬件设计
3.1PLC的组成及选型
3.1.1PLC的结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。
根据结构形式的不同，PLC的基本结构分为整体式和模块式结构两类。
整体式（又称箱体式）结构的PLC由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等组成，并将这些组装在同一机体内。
这种结构的特点是结构简单、体积小、价格低、输入/输出点数固定、实现的功能和控制规模固定，但灵活性较低。
其基本结构框图如图3.1所示
图3.1整体式结构
模块式（又称组合式）结构的PLC是将中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等分别做成相应的模块，应用时将这些模块根据控制要求插在机架上，各模块间通过机架上的总线相互联系。
模块式的PLC安装完成后，需进行登记，以便PLC对安装在总线上的各模块进行地址确认，其特点是系统构成的灵活性较高，可以构成不同控制规模和功能的PLC，但同时价格也较高。
基本结构框图如图3.2所示
3.1.2PLC的工作原理
PLC与继电器构成的控制装置的重要区别之一就是工作方式不同，继电器控制是并行运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作，只要形成电流通路，就有可能有几个电器同时动作。
而PLC则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才会动作，而且每次它只能执行一条指令，这也就是说PLC以“串行”方式工作的，这种工作方式可以避免继电器控制的触点竞争和时序失配等问题。
也可以说，继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC控制则需要输入传送、执行程序指令、输出3个阶段才能完成控制过程。
PLC采用循环扫描技术可以分为3个阶段：
输入阶段（将外部输入信号的状态传送到PLC）、执行程序和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）。
在输入阶段中，PLC先进行自我诊断，然后与编程器或计算机通信，同时中央处理器扫描各个输入端并读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储单元。
在执行阶段中，PLC按照由上到下的次序逐步执行程序指令。
从相应的输入存储单元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存储器单元。
在输出阶段中，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块向外部没备传送输出信号，开始控制外部设备。
3.1.3PLC的选型
选择PLC主要从以下两方面考虑：
一方面是选择多大容量的PLC，另一方面是选择什么公司的PLC及外设。
对于第一个问题，首先要对控制任务进行详细分析，找出所有I/O点，包括开关量I/O和模拟量I/O以及这些I/O点的性质，包括它们是直流信号还是交流信号，它们的电源电压，以及输出是继电器型还是晶体管型。
控制系统输出点的类型非常关键，如果它们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，又有直流24V的指示灯，则最后选用PLC的输出点数有可能大于实际点数。
。
因为PLC输出点一般几个一组共用一个公共端，这一组输出只能用相同种类和等级的电源。
所以一旦它们是供交流220V负载使用，则直流24V只能用其他组的输出端了，有可能造成了输出点的浪费，增加了成本。
对于第二个问题要根据PLC的功能以及工程技术人员的个人喜好。
从功能方面上讲，所有的PLC都具有常规功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力完成控制任务。
这就要求用户对市场上流行的PLC品牌有个详细的了解，以便做出正确的选择。
表3.1系统I/O地址分配表
输入点分配
输出点分配
输入接点
输入开关名称
输出接口
驱动设备
I0.0
槽罐有料与否
Q0.0
打开槽罐阀门
I0.1
写入参数
Q0.1
打开小车阀门
I0.2
启动电机
Q0.2
打开地上阀门
I0.3
左限位开关
Q0.3
显示变频器运行
I0.4
右限位开关
Q0.4
显示正反转
I0.5
急停
Q0.5
变频器禁止位状态
I0.6
消除故障
Q0.6
变频器故障位状态
PLC主机及扩展模块图如图3.2所示
图3.2PLC主机及扩展模块
3.2检测元件选型
由于需要检测料罐里是否还有料，这里我们选择称重传感器来检测。
称重传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。
用传感器应先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确选用称重传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。
称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8类，以电阻应变式使用最广。
3.2.1构成
（1）敏感元件
直接感受被测量（质量）并输出与被测量有确定关系的其他量的元件。
如电阻应变式称重传感器的弹性体，是将被测物体的质量转变为形变;电容式称重传感器的弹性体将被测的质量转变为位移。
（2）变换元件
又称传感元件，是将敏感元件的输出转变为便于测量的信号。
如电阻应变式称重传感器的电阻应变计（或称电阻应变片），将弹性体的形变转换为电阻量的变化;电容式称重传感器的电容器，将弹性体的位移转变为电容量的变化。
有时某些元件兼有敏感元件和变换元件两者的职能。
如电压式称重传感器的压电材料，在外载荷的作用下，在发生变形的同时输出电量。
（3）测量元件
将变换元件的输出变换为电信号，为进一步传输、处理、显示、记录或控制提供方便。
如电阻应变式称重传感器中的电桥电路，压电式称重传感器的电荷前置放大器。
（4）辅助电源
为传感器的电信号输出提供能量。
一般称重传感器均需外连电源才能工作。
因此，作为一个产品必须标明供电的要求，但不作为称重传感器的组成部分。
有些传感器，如磁电式速度传感器，由于他输出的能量较大，故不需要辅助电源也能正常工作。
所以并非所有传感器都要有辅助电源。
3.2.2称重传感器的选型
这里我们选择型号为YHT-320C的槽料称重传感器，不仅可以检测槽罐内是否有剩余料，还可以检测剩余料的多少。
3.3电机及驱动控制
3.3.1西门子MM440系列变频器
MICROMASTER440是用于控制三相交流电动机速度和转矩的变频器。
本系列有多种型号，额定功率范围从120W到200kW（恒定转矩（CT）控制方式），或者可达250kW（可变转矩（VT）控制方），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。
采用脉冲频率可选的专用脉宽调制技术，可使电动机低噪声运行。
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。
MICROMASTER440具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的可变速控制系统供电的理想变频传动装置。
由于MICROMASTER440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。
MICROMASTER440既可用于单独传动系统，也可集成到‘自动化系统’中。
如图图3.3所示
图3.3MICROMASTER440系列变频器
（1）MM440变频器的控制端子
表3.2MM440变频器的控制端子
（2）西门子MM440操作面板
图3.4西门子MM440变频器操作面板
变频器MM440系列（MicroMaster440）是德国西门子公司广泛应用与工业场合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。
对于变频器的应用，必须首先熟练对变频器的面板操作，以及根据实际应用，对变频器的各种功能参数进行设置。
表3.3操作面板上的数据
（3）操作面板修改设置参数的方法
MM440在缺省设置时，用BOP控制电动机的功能是被禁止的。
如果要用BOP进行控制，参数P0700应设置为1，参数P1000也应设置为1。
用基本操作面板（BOP）可以修改任何一个参数。
修改参数的数值时，BOP有时会显示“busy”，表明变频器正忙于处理优先级更高的任务。
下面就以设置P1000=1的过程为例，来介绍通过基本操作面板（BOP）修改设置参数的流程，见表7。
表3.4基本操作面板（BOP）修改设置参数流程
操作步骤
BOP显示结果
1
按
键，访问参数
2
按
键，直到显示P1000
3
按
键，直到显示in000，即P1000的第0组值
4
按
键，显示当前值2
5
按
键，达到所要求的值1
6
按
键，存储当前设置
7
按
键，显示r0000
8
按
键，显示频率
3.4低压电器选型
3.4.1电磁阀的原理
电磁阀（solenoidvalve）是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压、气动。
用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。
电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。
电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。
这里我们选用直动式电磁阀：
通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。
特点：
在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm。
3.4.2熔断器选择
熔断器选择包括熔断器类型选择和熔体额定电流确定两项内容。
1）熔断器类型的选择
熔断器类型应根据负载的保护特性和短路电流大小来选择。
对于保护照明和电动机的熔断器，一般只考虑它们的过载保护，这时，熔体的熔化系数适当小些。
对于大容量的照明线路和电动机，除过载保护外，还应考虑短路时分断短路电流的能力来选择。
当短路电流较大时，还应采用具有高分断能力的熔断器甚至选用具有限流作用的熔断器。
此外，还应根据熔断器所接电路的电压来决定熔断器的额定电压。
2）熔体与熔断器额定电流的确定
熔体额定电流大小与负载大小、负载性质有关。
对于负载平稳、无冲击电流，如一般照明电路、电热电路可按负载电流大小来确定熔体的额定电流。
对于有冲击电流的电动机负载，为达到短路保护目的，又保证电动机正常起动，对笼型感应电动机其熔断器熔体的额定电流为：
单台电动机
INP=（1.5~2.5）INM（3.1）
式中，INP为熔体额定电流（A）；INM为电动机额定电流（A）。
多台电动机共用一个熔断器保护
INP=（1.5~2.5）INMmax+∑INM（3.2）
式中，INMmax为容量最大一台电动机的额定电流（A）；∑INM为其余各台电动机额定电流之和（A）。
在式（3.3）与式（3.4）中，对于轻载起动及起动时间较短时，式中系数取1.5；重载起动及起动时间较长时，式中系数取2.5。
熔断器的额定电流大于或等于熔体额定电流。
3）校核熔断器的保护特性
对上述选定的熔断器类型及熔体额定电流，还须校核该熔断器的保护特性曲线是否与保护对象的过载特性有良好的配合，使在整个范围内获得可靠的保护。
同时，熔断器的极限分断能力应大于或等于所保护电路可能出现的短路电流值，这样才能得到
可靠的短路保护。
4）熔断器上、下级的配合
为满足选择性保护的要求，应注意熔断器上下级之间的配合。
一般要求上一级熔断器的熔断时间至少是下一级的3倍，不然将会发生超级动作，扩大停电范围。
为此，当上下级选用同一型号的熔断器时，其电流等级以相差2级为宜；若上下级所用的熔断器型号不同，则应根据保护特性上给出的熔断时间来选取。
3.4.3塑壳式断路器的选用
塑壳式断路器常用来作电动机的过载与短路保护，其选择原则是：
1）断路器额定工作电压等于或大于线路额定电压。
2）断路器额定电流等于或大于线路计算负荷电流。
3）断路器通断能力等于或大于线路中可能出现的最大短路电流，一般按有效值算。
4）断路器欠压脱扣器额定电压等于线路额定电压。
5）断路器分励脱扣器额定电压等于控制电源电压。
6）长延时电流整定值等于电动机额定电流。
’
7）瞬时整定电流：
对保护笼型感应电动机的断路器，其瞬时整定电流为（8~15）倍电动机额定电流；对于保护绕线型电动机的断路器，其瞬时整定电流为（3~6）倍电动机额定电流。
8）6倍长延时电流整定值的可返回时间等于或大于电动机实际起动时间。
按起动时负载的轻重，可选用可返回时间为1、3、5、8、15s中的某一档。
3.4.4电器元件明细表
如图表3.5电器元件明细表
符号
元件名称
型号
规格
件数
作用
MA
异步电动机
Y132M-4-B3
7.5KW1450r/min
1
控制小车的前进后退
QA
低压断路器
DZ5-20
380V20A
2
控制主电路和变频器
QB
隔离开关
GW7-380
380V
1
变频器的开关
BG
行程开关
LX19-001
交流至380V及直流电压至220V
2
控制小车停止
SF1
按钮
LA2型
500V5A
1
写入参数
SF2
按钮
LA2型
500V5A
1
启动
SF3
按钮
LA2型
500V5A
1
急停
SF3
按钮
LA2型
500V5A
1
消除故障
B
称重传感器
YHT-320C
-
1
称重，检测
TA
变压器
DB-200
220/24
3
电源变压器
TA
变频器
M440
三相AC380V
变速
FA1
熔断器
RL1
40A
1
全电路的短路保护
FA2
熔断器
RL1
40A
1
变频器保护
PG
指示灯
ADP16-0
额定电压6.3V-220V
额定功率：
0.1W
4
指示灯
3.5电源设计
本设计中PLC选的是晶体管输出型，输出端为直流信号，电压大小为0-220V，输入端是直流信号，电压大小为0-24V。
可编程控制器一般使用市电（220V50Hz），电网的冲击，频率的波动都会对PLC的准确度和可靠性造成影响，因此作为控制生产线传输系统的PLC应有独立稳定的安全电源，还应设计一个独立开关，能够同时切断CPU、输入电路和输出电路的所有供电。
如果使用开关电源为PLC提供直流24V电源，应对开关电源供电的交流电源采用隔离变压器与电源隔离。
3.6人机接口设计
人机界面（又称用户界面或使用者界面）是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。
凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。
人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存储单元等，其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低，是HMI的核心单元。
根据HMI的产品等级不同，处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。
HMI软件一般分为两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件（如JB－HMI画面组态软件）。
使用者都必须先使用HMI的画面组态软件制作“工程文件”，再通过PC机和HMI产品的串行通讯口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。
本设计采用TD200，其人机接口界面如图3.5所示。
图3.5人机接口
第四章运料小车控制系统的软件设计
4.1控制程序流程图
图4.1控制程序流程图
4.2控制程序设计
4.2.1内部软元件表
内部软元件表4.1
内部标志位寄存器
常用状态字SMBO
M0.0~M0.6
内部标志位
SM0.0
动断触点
M1.1
变频器启动/停止
SM0.1
调用初始化子程序
M1.2
电机正/反转
M3.1
电机减速停车
M4.0
写入参数
M4.1
到右限位位置减速
M4.2
到左限位位置减速
4.3通信
USS主站（S7-200PLC）与USS从站（传动装置，即变频器）之间的通讯是异步方式的，通讯的工作程序为后台工作方式，发送接收数据与控制逻辑无关。
用户程序通过改变USS报文中的STW及HSW的值，来控制变频器的启停及改变设定频率值。
USS报文通过发送指令发送至传动装置，利用接收指令接收变频器返回的USS报文，同一时刻只能有一个发送指令或接收指令被激活。
4.3.1USS通信协议
USS协议是由SIEMENSAG定义的串行数据通讯协议，SIEMENS所有传动产品都支持这个通用协议。
它与Profibus及其它协议相比，USS协议无须购置通讯附件，是一种低成本、高性能的工业网络组态连接方案。
USS协议采用主一从结构，总线上可以连接1个主站和最多31个从站，在主站没有要求从站通信时，从站不能首先发送数据，各个从站之间也不能直接进行数据传输。
主站一般为PLC或者PC机，从站可以是变频器或者直流调速器.
在其他一些串行通讯场合，例如PC机与智能终端或嵌入式系统网络之间的通信，由于缺乏现成的标准协议，用户不得不自己制定一些协议，而USS协议由于其简单、高效、灵活和易于实现，也被广泛的应用在这些场合。
4.3.2USS通信程序编写
STEP7-MicroWIN编程软件有实现USS通信协议的库指令，需要进行添加及分配相应的库存储区，共包括14个子程序、3个中断程序和8条指令，编写通信程序时需要在主程序中进行指令块调用，如图4.2所示
图4.2USS通信指令的调用
如图4.2左边为初始化指令，USS_INIT中的Mode为1表示将Port0通信口用于USS协议并使能该协议；Baud为波特率的大小，可根据需要进行设置（包括1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600和115200）；Acitive指示驱动激活的编号，所有被激活的驱动都会在后台被自动的轮询，控制驱动的搜索状态，防止驱动的串行链接超时；Done位表示输出接通；Error的字节中存放指令的执行结果。
图4.3变频器驱动控制指令USS_CTRL
图4.3为变频器驱动控制指令USS_CTRL，EN位为使能端，需要使用SM0.0保持接通；RUN位表示驱动接通或断开；OFF2位用来允许MicroMaster驱动斜坡减至停止；OFF3位用来命令MicroMaster驱动快速停止；F_ACK（故障应答）位用于应答驱动的故障，当F_ACK从0变1时，驱动清除该故障（Fault）；DIR（方向）位指示驱动应向哪个方向运动；Drive（驱动地址）是MicroMaster驱动的地址，USS_CTRL命令发送到该地址，有效地址为0到31；Type（驱动类型
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