PLC与变频器联合通信.docx
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PLC与变频器联合通信
张家口职业技术学院
毕业设计
课题名称：
指导教师：
罗振成
专业班级：
2005级机电一体化（一班）
姓名：
梁海涛
日期：
2008年6月5日
指
导
教
师
指导教师签字：
年月日
答
辩
小
组
评
语
答辩小组组长签字：
年月日
评
价
等
级
系部盖章：
年月日
任务书
一．课题的目的、意义
利用变频器与可编程控制器之间的通讯方法进行系统调速，降低成本，增大可靠性，丰富极指令，易于掌握、操作。
因此由上位计算机与西门子可编程控制器、交流变频器组成的调速系统在各种行业广泛应用。
本课题对变频器与可编程控制器之间的通讯方法进行研究。
通过毕业设计，可使学生对变频器与可编程控制器的变频调速理论有较深的理解，培养学生对变频调速控制系统设计分析的能力。
二．课题的主要内容及要求
1.查阅有关可编程控制器与变频器的通讯的参考文献资料。
2.深入学习、掌握变频器与可编程控制器的理论知识。
3.提出较好的设计方案，介绍研究方法，建立协议，完成安装调试等工作。
4.整理资料,毕业答辩。
三．成品要求
1.完成对资料文献的理解并整理，原文上不能涂改，语言规范，语意表达准确流畅。
2.完成毕业设计，包括研究方法、USS协议、连接、安装、编程调试。
要求格式规范，条理清楚，引用文献资料注明出处。
3.资料整理，装订成册，提交。
四．课题的计划进度
周次
设计各阶段内容
日期
7
认真研究设计课题并制定设计方案
2008-04-13—2008-04-19
8—9
先上校园网查阅资料然后去图书馆借阅相关图书最后整理资料
2008-04-20—2008-05-03
10—11
开始设计并与老师交流、沟通多次修改设计并完善设计
2008-05-04—2008-05-17
12—13
调试设计程序熟悉设计的实验设备的操作调控不断修改完善设计程序使其达到设计要求。
2008-05-18—
2008-05-31
摘 要
在机电一体化产品中经常需要速度调节，通常是利用直流电动机实现。
在近些年，随着微处理器技术、控制技术、电力电子等技术的发展，具有矢量变换控制和直接转矩控制的变频器克服了以往从电动机稳态方程出发研究控制特性,静动态效果不理想的情况,使得交流电动机的调速性能可与直流电动机相媲美。
因此，在机电一体化产品中交流调速系统得到了广泛的应用。
可编程控制器是机电一体化产品中常用的控制器，通常具有通讯功能，利用可编程控制器的通讯功能与变频器通讯来组成交流调速系统具有连线简单、控制精度高、可靠性高的特点。
本设计介绍了一种西门子可编程控制器与交流变频器设备联网组成的调速系统,其采用基于RS-485/232接口的USS协议实现了1台可编程控制器和1台交流变频器的串行通信控制，可实现启动、急停、惯性停止、正反转。
现场运行表明,该系统具有一定的控制精度、可靠性高、维护简单的特点。
[关键词]USS协议；可编程；变频器；通信
第一章可编程控制器与变频器联合通信简介
1.1引言
在可编程控制器出现以前，继电器控制在工业控制领域主导地位，由此构成的控制系统都是按预先设定好的时间或条件顺序地工作，若改变控制的顺序就必须改变控制系统的硬件接线，因此，其通用性和灵活性较差。
[6]
电气控制技术是随着科学技术不断发展、生产工艺不断提出新的要求而得到迅速发展的。
继电器—接触器控制系统采用固定接线的，则无法满足复杂的自动控制要求，可编程控制器（ProgrammableLogicController,简称PLC）应运而生。
之后在工业控制和机电一体化产品中得到了广泛的应用。
在当前的工业控制和机电一体化产品中需要自动控制和较大范围的调速。
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，它具有很高的运行可靠性和功能的多样性。
其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。
变频器既可用于单机驱动系统，也可集成到自动化系统中，具有较宽调速范围，非常适合远程通信控制。
作为工控行业的主流产品，PLC与变频器在各种机械设置上的应用可谓无处不在。
常见的用法是使用模拟信号（一般是电压）来完成对变频器的控制。
这种方法的缺点是成本高，易受干扰（电压方式），控制精度也很难作得很高，而采用通信方式就可以很好地避免这个缺点。
可编程控制器S7-200如同由用户程序控制那样监控输入并改变输出，可以包含布尔型逻辑计算、定时、复杂数学运算和与其它智能设备通讯。
紧凑的设计、灵活的配置和功能强大的指令集组合在一起，使得S7-200成为控制多种应用程序的理想解决方案。
1.2常用的可编程控制器（简称PLC）
现在的PLC有好多的品牌有西门子、欧姆龙、LG、三菱、ABB、施耐德等，本设计主要用到西门子可编程控制器。
[6]
西门子可编程控制器具有联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能系统设备间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散设备的集中控制。
现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。
[1]
当然，PLC之间的通信网络是各厂家专用的，一些生产厂家在PLC与计算机之间的通信上采用工业标准总线，并向标准协议靠拢，这将使不同的PLC之间、PLC与计算机之间可以方便地通信与联网。
[1]
SIMATICS7系列的PLC是德国SIEMENS公司1996年推出的新产品，它包括小型PLCS7-200、中型PLCS7-300和PLCS7-400。
由于设计试验现要求S7-200具有紧凑设计、良好的扩展性、低廉的价格和强大的指令系统，它能近乎完美地满足小规模的控制设计要求。
[1]
它的特点有：
极高的可靠性，极丰富的指令集，易于掌握，便捷的操作，丰富的内置集成功能，实时特性，强大的通信能力，丰富的扩展模块。
[1]
1.3常用变频器
现在的变频器有好多的品牌有西门子、欧姆龙、LG、ABB、施耐德等。
西门子MICROMASTER420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，从单相电源电压，额定功率120W到三相电源电压，额定功率11KW可供用户选用。
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。
其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。
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MICROMASTER420具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。
由于MICROMASTER420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。
MICROMASTER420既可用于单机驱动系统，也可集成到自动化系统中。
[5]
MICROMASTER420系列变频器特点：
（1）主要特性：
易于安装，易于调试，牢固的EMC设计，可由IT（中性点不接地）电源供电，对控制信号的响应是快速和可重复的，参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置，电缆连接简便，采用模块化设计，配置非常灵活，脉宽调制的频率高，因而电动机运行的噪音低，详细的变频器状态信息和信息集成功能，有多种可选件供用户选用：
用于与PC通讯的通讯模块，基本操作面板（BOP）高级操作面板（AOP），用于进行现场总线通讯的PROFIBUS通讯模块。
[5]
（2）性能特征：
磁通电流控制（FCC），改善了动态响应和电动机的控制特性，快速电流限制（FCL）功能，实现正常状态下的无跳闸运行，内置的直流注入制动，复合制动功能改善了制动特性，加速/减速斜坡特性具有可编程的平滑功能，具有比例，积分（PI）控制功能的闭环控制，多点V/f特性。
（3）保护特性：
过电压/欠电压保护，变频器过热保护，接地故障保护，短路保护，I2t电动机过热保护，PTC电动机保护。
[5]
1.4PLC通信方式
（1）选择网络通讯接口
S7-200支持许多不同类型的通讯网络。
网络选择可在“设置PG/PC接口”属性对话框中完成。
所选网络将作为接口引用。
有不同类型的接口可用于访问这些通讯网络：
①PPI多台主设备电缆
②CP通讯卡
③以太网通讯卡
（2）要为STEP7-Micro/WIN选择通讯接口，可执行下列步骤。
①双击通讯设置窗口中的刷新图标。
图1.1
②选择STEP7-Micro/WIN的接口参数。
图1.2
（3）PPI多台主设备电缆
S7-200支持通过两种不同类型的PPI多台主设备电缆进行通讯。
这些电缆类型允许通RS-232或USB接口进行通讯。
（4）选择PPI多台主设备电缆类型很简单。
请执行下列步骤：
①单击“设置PG/PC接口属性”页面上的“属性”按钮。
②单击“属性”页面上的“本地连接”标签。
③选择USB或期望的COM端口。
（5）RS-232/PPI多台主设备电缆替换以前的PC/PPI电缆。
使用PROFIBUS网络上的主设备和从属装置。
图1.3
图1.4
S7-200支持主从设备网络，在PROFIBUS网络中，既可以用作主设备，也可以用作从属装置，而STEP7-Micro/WIN则始终作为主设备。
主设备在网络上作为主设备的设备可以启动对网络上其它设备的请求。
主设备也可以响应来自网络上其它主设备的请求。
典型的主设备包括STEP7-Micro/WIN、人机界面设备，例如TD200、S7-300或S7-400PLC。
S7-200从其它S7-200请求信息时用作主设备（对等通讯）。
从属装置配置为从属装置的设备只能响应来自主设备的请求；从属装置永远不发出请求。
对于大多数网络，S7-200都用作从属装置。
作为从属装置，S7-200将响应来自网络主设备的请求，例如操作员面板或STEP7-Micro/WIN的请求。
1.5联合通信的方式
（1）标准现场总线制法
PLC作为一级PD站，通过CPU内置的PROFIBUS—PD接口或通讯模板再与PROFIBUS总线连接，作为主设备，它负责读取在总线上的所有分布式I/O模块的变频器状态字（包括数字量和模拟量），同时进行变频器控制字（包括数字量和模拟量）的传送。
组态软件WinCC作为二级PD主站，用于系统操作和监视等。
变频器加上CBP通讯板（PROFIBUS通讯模块）作为从站，可带这样的从站）32个，如果加上中继器，最多可达125个从站。
（2）PLC与变频器联合通信控制法
采用RS—232/485接口通过USS协议指令自由通讯来完成设计要求的功能。
上位计算机和PLC与变频器组成的通信控制系统。
随着现场总线底层控制网络的发展,许多电气生产厂家推出了具有数据通信功能的产品，可以采LonWorks、PROFIBUS、CAN等进行系统组态，但需要另外购置。
德国西门子公司变频器可采用基于RS485通信接口USS协议作为其串口通讯协议。
由于该公司的USS协议是开放的，为开发用户自己的基于USS协议的软件提供了可行性。
用户可以直接利用USS控制协议对变频器进行读写,无需购置额外的附件进行系统组态。
这样不仅有利于降低成本，而且能充分满足特定项目的需要。
总上所述，第一种标准现场总线制法：
需要另外购置组态，可以实现的功能也比较复杂。
如果用于本设计则有些不太合适。
第二种PLC与变频器联合通信控制法则很符合本设计要求。
在1.2和1.3以说明所选用的PLC和变频器的品牌与型号了，下面是系统结构图。
图1.5
I0.0（启动）
I0.1（惯性停止）
I0.2（迅速停止）
I0.3（反馈信号）
I0.4（正反转）
I0.5（点动频率下降）
I0.6（点动频率上升）
I0.7（频率设定50HZ）
I1.0频率复位
通过RS-232/485电缆连接可编程控制器与变频器。
1.6电动机型号及参数
参照表1.1
型号
WDJ26
电压UN（V）
380
接法
△
转速
1430
功率PN（W）
60
电流IN（A）
0.35
频率f（HZ）
50
绝缘等级
E
表1.1
第二章USS协议指令
2.1USS协议的使用要求
STEP7-Micro/WIN指令库提供了支持USS协议的14个子程序、3个中断例行程序和8个指令。
USS指令将使用S7-200中的下列资源：
启用USS协议将使端口0专门用于USS通讯。
可使用USS_INIT指令来选择用于端口0的USS或PPI。
（关于USS协议，请参见SIMOTIONMicroMaster变频器的USS协议。
）在选择使用与变频器进行通讯的USS协议之后，不能再将端口0用于任何其它的用途，包括与STEP7-Micro/WIN的通讯。
在使用USS协议开发应用程序期间，应使用计算机中与PROFIBUSCP卡相连接的CPU226、CPU226XM或EM277PROFIBUS-DP模块。
第二个通讯端口将允许STEP7-Micro/WIN在运行USS协议时对应用程序进行监控。
USS指令将影响与端口0上的自由端口通讯相关联的所有SM单元。
USS指令使用了14个子程序和3个中断例行程序。
USS指令将使应用程序所需要的存储空间最多达到3450个字节。
根据所使用的特定USS指令，这些指令的支持程序将使控制程序的负荷至少增加2150个字节，最多可达到3450个字节。
用于USS指令的变量需要一个400字节的V存储器块。
用户可分配该字节块的起始地址，并可为USS变量保留。
某些USS指令还可能需要一个16字节的通讯缓冲区。
至于指令参数，可为该缓冲区提供一个V存储器中的起始地址。
建议为USS指令的每个事例分配一个唯一的缓冲区。
当完成计算时，USS指令将使用AC0至AC3的累加器。
也可在程序中使用累加器；然而，累加器中的值将由USS指令进行修改。
在中断例行程序中，不能使用USS指令。
[5]
2.2变频器通信时间
变频器的通讯与S7-200的扫描是不同步的。
在完成一个变频器通讯事务处理之前，S7-200通常将完成多次扫描。
下列因素均有助于确定所需要的时间量：
现有变频器数目、波特率以及S7-200的扫描时间。
当使用参数访问指令时，某些变频器将需要更长的延迟。
参数访问所需要的时间量将取决于变频器的类型以及正在访问的参数。
一旦USS_INIT指令指定端口0使用USS协议之后，S7-200就将按所示的周期定期轮询所有有效的变频器。
必须设置每个变频器的超时参数宜允许执行该任务。
[5]
2.3编程顺序
使用USS协议指令的编程顺序如下：
（1）将USS＿INIT指令置于用户程序会自动将几个隐含的子程序和中断程序加到程序内。
只能通过一次扫描调用USS_INIT以启动或改变USS通信参数。
（2）将一个V存储器地址分配给USS全局表中的第一个存储单元。
所有其它地址都是自动分配的。
总共需要400连续字节。
（3）用户程序内每一个激活变频器只能有一个USS_CTRL指令可以任意添加USS_RPM和USS_WPM指令，但每次只能激活其中的一个指令。
（4）配置变频器参数，以便与程序中所使用的波特率和地址相匹配。
（5）连接CPU和变频器之间的通讯电缆。
非常重要的是，连接到变频器的任何控制设备（如PLC），均需一根短、粗的电缆连接到与变频器相同的地线或星形接线的终点。
2.4协议指令
USS协议指令共有4条分别是USS＿INIT（初始化指令）、DRV＿CRTL（控制指令）、RPM＿x（读取指令）、WPM＿x（写入指令），下面分别详细介绍这四条指令。
（1）USS＿INIT（初始化指令）
USS_INIT指令用于激活和启用，或禁止MicroMaster变频器通讯。
在任何其它USS指令可使用之前，必须没有错误地执行USS_INIT指令。
指令完成后，将立即设置Done位，然后继续执行下一个指令。
当EN输入处于接通状态时，指令将在每次扫描时执行。
对于通讯状态的每次变化，可只执行一次USS_INIT指令。
可使用边沿检测指令脉冲将EN输入触发为接通状态。
为改变初始化参数，可执行新的USS_INIT指令。
Mode的值选择通讯协议：
输入值为1时表示将端口0分配给USS协议，并激活协议，而输入值为0时表示将端口0分配给PPI，并禁止USS协议。
Baud将波特率设置为1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600或115200。
图2.1
Active将指示有效的变频器是哪一个。
某些变频器只支持地址0至30。
表2.1用于USS_INIT指令的参数
输入/输出
数据类型
操作数
Mode
BYTE
VB、IB、QB、MB、SB、SMB、LB、AC、常量、*VD、*AC、*LD
BaudActive
DWORD
VD、ID、QD、MD、SD、SMD、LD、常量、AC
Done
BOOL
I、Q、M、S、SM、T、C、V、L
Error
BYTE
VB、IB、QB、MB、SB、SMB、LB、AC、*VD、*AC、*LD
表2.1
D31
D30
D29
D28
……
D19
D18
D17
D16
……
D3
D2
D1
D0
0
0
0
0
……
0
1
0
0
……
0
0
0
0
表2.2
其中D0～D31代表有32台变频器，变频器站点号不能相同，如果激活哪台变频器就使该位为1，现在激活18号变频器，即为表二。
四位为一组，构成16进位数得出Active即为0004000
若同时有32台变频器须激活，则Altive为16＃FFFFFFFF，此外还有一条指令用到站点号，USS-CTRL中的Drive驱动站号不同于USS-INIT中的Active激活号，Active激活号指定哪几台变频器须要激活，而Drive驱动站号是指先激活后的哪台电机驱动，因此程序中可以有多个USS-CTRC指令。
（2）DRV＿CRTL（控制指令）
USS_CTRL指令用于控制已激活的MicroMaster变频器。
USS_CTRL指令将所选的命令放置在通讯缓冲区中，它们随后将被发送到已编址的变频器（变频器参数）中，前提是在USS_INIT指令的激活参数中已经选择了该变频器。
每个变频器应只分配一个USS_CTRL指令。
某些变频器将只报告正数值的速度。
如果速度是负的，变频器将仍把速度报告为正的，只是要将D_Dir（方向）位取反。
EN位必须处于接通状态，以激活USS_CTRL指令。
该指令应始终激活。
RUN（RUN/STOP）将指示变频器是接通
（1），还是断开（0）。
图2.2
当RUN位接通时，MicroMaster变频器将接收到一条命令，以启动特定速度和方向下的运行。
为了变频器的运行，必须具备下列条件：
（1）变频器必须选择为USS_INIT中的激活：
①OFF2和OFF3必须设置为0。
②Fault和Inhibit必须设置为0。
（2）当RUN处于断开状态时，将发送一条命令给MicroMaster变频器，以缓慢降低速度，直到电机完全停止。
OFF2位用于使MicroMaster变频器能够慢慢滑行到停止。
OFF3位用于命令MicroMaster变频器迅速停止。
（3）Resp_R（所接收的响应）位将确认变频器的响应。
将轮询所有激活的变频器，以获得最新的变频器状态信息。
每当S7--200接收到变频器的响应时，就将接通Resp_R位以扫描一次，并更新以下数值。
F_ACK（故障确认）位用于确认变频器中的故障。
当F_ACK从0跳转到1时，变频器将对故障（Fault）清零。
DIR（方向）位将指示变频器应移动的方向。
Drive（变频器地址）输入是MicroMaster变频器的地址，USS_CTRL命令将发送给该驱动器。
有效的地址：
0到31
Type（变频器类型）输入可选择变频器的类型。
对于MicroMaster4（或更早的）变频器，将Type设置为0。
对于MicroMaster4变频器，则将Type设置为1。
表2.3USS_CTRL指令的参数
输入/输出
数据类型
操作数
RUN、OFF2、OFF3、
F_ACK、DIR
BOOL
I、Q、M、S、SM、T、C、V、L、功率流
Resp_R、Run_EN、D_Dir、Inhibit、Fault
BOOL
I、Q、M、S、SM、T、C、V、L
Drive、Type
BYTE
VB、IB、QB、MB、SB、SMB、LB、AC、*VD、*AC、*LD、常量
Error
BYTE
VB、IB、QB、MB、SB、SMB、LB、AC、*VD、*AC、*LD
Status
WORD
VW、T、C、IW、QW、SW、MW、SMW、LW、AC、AQW、*VD、*AC、*LD
Speed_SP
REAL
VD、ID、QD、MD、SD、SMD、LD、AC、*VD、*AC、*LD、常量
Speed
REAL
VD、ID、QD、MD、SD、SMD、LD、AC、*VD、*AC、*LD
表2.3
Speed_SP（速度设定值）是全速度百分比形式的变频器速度。
Speed_SP的值为负，将使变频器倒转其旋转方向。
范围：
-200.0%到200.0%
Error是包含有变频器最新通讯请求结果的错误字节。
表11-6定义了执行指令时可能导致的出错条件。
Speed是全速度百分比形式的变频器速度。
范围：
-200.0%到200.0%
Run_EN（RUN激活）将指示变频器是运行
（1），还是停止（0）。
D_Dir将指示变频器的旋转方向。
Inhibit将指示变频器上的禁止位的状态（0-未禁止、1-禁止）。
为对Inhibit位清零，Fault位必须处于断开状态，且RUN、OFF2和OFF3输入也必须断开。
Fault将指示故障位的状态（0-没有故障、1-有故障）。
变频器将显示故障的代码。
（参见驱动器手册）。
为使故障位清零，可纠正故障的原因，并接通F_ACK位。
图2.3
图2.4
3.RPM＿x（读取指令）
USS_RPM_x指令存在USS协议的三种读操作指令：
1）USS_RPM_W指令将读取无符号字参数。
2）USS_RPM_D指令将读取无符号双字参数。
3）USS_RPM_R指令读取浮点型参数。
每次只能有一个读（USS_RPM_x）或写（USS_WPM_x）指令是激活的。
USS_RPM_x事务处理将在MicroMaster变频器确认已经收到命令或错误条件已发送时完成。
当该过程等待响应时，逻辑扫描将继续执行。
EN位必须接通，以便激活请求的传输，并应一直保持到设置Done位，发出该过程已经完成的信号。
例如，当XMT_REQ输入处于接通状态时，USS_RPM_x请求将在每次扫描时发送给MicroMaster变频器。
因此，XMT_REQ输入应通过边沿探测元素脉冲进行触发，该边沿探测元素将在EN输入每次进行正向转换时发送一个请求。
Drive输入是MicroMaster变频器的地址，USS_RPM_x命令将发送给该变频器。
各个变频器的有效地址为0到31。
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