基于PLC通信方式的变频器闭环通信设计.docx
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基于PLC通信方式的变频器闭环通信设计
1绪论
1.1基于PLC的变频调速系统的研究背景和意义
随着变频调速技术的应用日益广泛，应用水平的不断提高，对变频调速控制系统的精度要求也越来越高。
目前。
许多变频调速装置属于开环控制方式，不能满足较高精度的要求。
为提高调速系统的精度，一般都需要进行闭环控制。
交流异步电机因其价格低廉，经久耐用，易于维修，适合在恶劣的环境中使用等优点已得到广泛的应用。
但交流电机的数学模型和运算较为复杂，其控制特性会受对象内部参数变化的影响，因而用固定的调节器去控制时，往往难以得到较理想的静动态特性。
采取可靠的PLC和变频器控制交流异步电机方法，把模糊控制算法引入到控制系统中，提高了系统的静动态特性[1]。
由于工业控制要求的不断发展，对电机速度控制的要求也越来越高，一般都需进行闭环控制。
交流电机调速的方法很多，调压、串级、滑差、变频等方式都不同程度地应用于各种各样的工控领域。
随着变频技术的发展，变频器越来越多地被应用于调速场合。
使用变频器实现交流闭环调速的方法，具有系统软起动、可带负载起动、配置灵活、控制精度高、可靠、经济效益明显等优点，正运行于许多工控领域中[2]。
并且变频器与PLC通信，随着生产工艺对设备自动化的要求越来越高，通信功能已经成为现代变频器一种“标准配置”[3]。
采用通信的好处主要有以下几点:
简化了硬件;提高了信号的传输精度;维护工作量小;能与高层网络方便地交换信息,从而实现工厂的高度自动化[4]。
USS协议是SIEMENS公司所有传动产品的通用通讯协议，它是一种基于串行总线进行数据通讯的协议，可支持变频器同PC或PLC之间建立通信连接。
在实际的工程应用中，将其通信程序编写成通用性的程序，实现标准化，有一定的必要性和很好的意义，可以大大节省项目的开发时间和成本[5]。
USS协议是由西门子定义的简单串行数据通讯协议，属于数据链路层，RS678为其物理层。
运用USS协议，用户可以在上级主站系统与多个从站系统之间建立串行总线链接，上级主站可以是PLC或PC机，下级从站可以是直流调速器或变频器等。
触摸屏将信号送至可变程控制器（S7-200），经过逻辑运算，通过USS协议再传送到直流调速器和变频器，同时采集电机的多个运行参数显示在触摸屏上，可以通过棒图、数字模拟仪表盘、趋势图监控参数变化，并对过程参数有全面了解，及时进行故障判断[6]。
1.2三相异步电机变频调速系统技术的国内外发展现状
1.2.1国外研究现状
1.1
长期以来，计算机控制和传统PLC控制一直是工业控制领域的两种主要控制方法。
PLC自1969年问世以来，以其功能强、可靠性高、使用方便、体积小等优点在工业自动化领域得到迅速推广，成为工业自动化领域中极具竞争力的控制工具。
但传统PLC的体系结构是封闭的，各个PLC厂家的硬件体系互不兼容,编程语言及指令系统各异,用户选择了一种PLC产品后，必须选择与其相应的控制规程，学习特定的编程语言,不利于终端用户功能的扩展。
1990年美国国家制造科学中心（NCMC）提交了一份名为“NextGenerationWorkstation/MachinecontrollerRequirementDefinitionDocument”的报告，提出了175条未来制造业对PLC技术的要求。
随后，欧共体提出了OSACA（OpenSystemEnvironmentforController）计划，对自动化生产领域的PLC提出了系统开放、公共协议标准化等新要求。
1993为了规范PLC编程语言,IEC（国际电工委员会）公布了IEC61131-3标准。
IEC61131-3标准的推出和实施，有力地推动了各种PLC兼容和统一，有力地推动了软PLC的发展[7]
近年来，工业自动化控制系统的规模不断扩大，控制结构更趋分散化和复杂化，需要更多的用户接口。
同时，企业整合和开放式体系的发展要求自动控制系统应具有强大的网络通讯能力，使企业能及时地了解生产过程中的诸多信息，灵活选择解决方案，配置硬件和软件，并能根据市场行情，及时调整生产。
此外，为了扩大控制系统的功能，许多新型传感器被加装到控制单元上，但这些传感器通常都很难与传统PLC连接，且传统PLC价格较贵。
因此，改革现有的PLC控制技术，发展新型PLC控制技术已成为当前工业自动化控制领域迫切需要解决的技术难题[8]。
虽然计算机控制技术能够提供标准的开发平台、高端应用软件、标准的高级编程语言及友好的图形界面，但其在恶劣控制环境下的可靠性和可扩展性受到限制。
因此，人们在综合计算机和PLC控制技术优点的基础上，逐步提出并开发了一种基于PC的新型控制技术——软PLC控制技术。
在大功率交——交变频调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单机容量达3万千瓦的电气传动设备用于船舶推进系统。
在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB公司提供了单机容量为6万千瓦的设备用于抽水蓄能电站。
在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司的simovertA电流型晶闸管变频调速设备容量为10一2600KVA和simovertPGTOPWM变频调速设备单机容量为loo一900KVA，其控制系统已实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动。
在小功率交流变频调速技术方面，日本富士BJT变频器最大单机容量为700KVA，IGBT变频器己形成系列产品，其控制系统也己实现全数字化[9]
1.2.2国内研究现状
目前，传统硬PLC控制系统已广泛应用于机械制造、工程机械、农林机械、矿山、冶金、石油化工、交通运输、海洋作业、军事器械以及航空航天和原子能等技术领域。
但是，随着近几年计算机技术、通讯和网络技术、微处理器技术、人机界面技术等迅速发展，工业自动化领域对开放式控制器和开放式控制系统的需求更加迫切，硬件和软件体系结构封闭的传统硬PLC遇到了严峻的挑战。
由于软PLC技术能够较好地满足和适应现代工业自动化技术的要求以及用户对开放式控制系统的需求，目前美国、德国等一些西方发达国家都非常重视软PLC技术的研究与应用，并开始有成熟的产品出现。
随着电力电子技术、计算机技术以及自动控制技术的迅速发展，电气传动技术正面临一场历史性的革命。
经过了二十多年的发展，近代交流传动逐渐成为电气传动的主流。
电机交流变频调速是当今节电改善工艺流程以提高产品质量和改善环境，推动技术进步的一种主要手段。
变频调速以其优异的起动、调速和制动性能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的应用范围等优点被国内为公认为最有发展前途的调速方式[7]。
变频调速系统有广泛的应用前景，但如何使变频调速系统具有更好的调速性能和更高的控制精度，是我们在选题过程中首先考虑到的问题。
交流异步电动机是一个非线性，强耦合的对象，异步电动机变频调速时传递函数的推导过程是相当复杂的，即使作了很多简化（例如假设磁势是正弦分布的，磁路不饱和，没有磁滞与涡流损耗等）所得到的一组微分方程式也是非线性的，一般不能用解析法来求解，而只能借助于模拟计算机去模拟系统的动态方程或者借助于数字计算机去取一组数值解，这样用常规的控制方法来实现精确度高的变频调速是较困难的。
针对这一情况，采取可靠的PLC和变频器控制交流异步电机方法，并把模糊控制算法引入到该控制系统中，从而有效提高了系统的静动态特性[10]。
PLC未来的发展不仅依赖于对新产品的开发，还在于PLC与其他工业控制设备和工厂管理技术的综合[11]。
无疑PLc将在今后的工业自动化中扮演重要角色。
在未来的工业生产中，PLC技术和机器人、CAD／CAM将成为实现工业生产自动化的三大支柱[12]。
1.3论文内容安排
本文以电机的变频定位控制为主要内容，介绍了相关技术的发展概况，对相关技术的原理进行了分析。
具体包括以下几个方面：
第一章介绍了基于PLC的变频器调速控制的的研究背景及意义、相关技术的发展概况以及本课题研究概述。
第二章介绍了西门子PLC与变频器的组成、工作原理、功能及特点等。
第三章介绍了系统设计的基本原则及整体思路。
第四章介绍了USS通信协议的定义及通信的数据格式。
第五章具体介绍了本设计的硬件设计及变频器的参数设置。
第六章具体介绍了本设计的程序流程图及程序设计。
第七章对这次设计主要内容及设计过程做出总结。
2西门子PLC与变频器介绍
2.1西门子PLC技术
2.1.1西门子S7-200系列的概述
此次课题中我选用的是西门子S7-200系列CPU22X型中的CPU224，其具有如下特点：
（1）集成的24V电源
可直接连接到传感器和变送器执行器。
CPU224输出280mA可用作负载电源。
（2）高速脉冲输出
具有2路高速脉冲输出端，输出脉冲频率可达20KHz，用于控制步进电机或伺服电机，实现定位任务。
（3）通信口
CPU224具有1个RS-485通信口。
支持PPI、MPI通信协议，有自由口通信能力。
（4）模拟电位器
CPU224有2个模拟电位器。
模拟电位器用来改变特殊寄存器（SMB28，SMB29）中的数值，以改变程序运行时的参数。
如定时器、计数器的预置值，过程量的控制参数。
（5）中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。
（6）EEPROM存储器模块
可作为修改与拷贝程序的快速工具，无需编程器并可进行辅助软件归档工作。
（7）电池模块
用户数据（如标志位状态、数据块、定时器、计数器）可通过内部的超级电容存储大约5天。
选用电池模块能延长存储时间到200天（10年寿命）。
电池模块插在存储器模块的卡槽中。
（8）不同的设备类型
CPU224各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。
（9）数字量输入/输出点
CPU224具有14个输入点和10个输出点；
（10）高速计数器
CPU224有6个30KHz的高速计数器，用于捕捉比CPU扫描频率更快的脉冲信号。
2.1.2PLC的基本结构
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，基本构成为：
（1）电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用，如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其他措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
（2）中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接受并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描方式接受现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
（3）存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
（4）输入输出接口电路
1现场输入接口电路由光电耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。
2现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
（5）功能模块
如计数、定位等功能模块。
（6）通信模块
如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。
2.1.3PLC的组成
PLC的组成如图2.1所示。
图2.1PLC的组成
（7）中央处理单元CPU
CPU是PLC的核心部件，由运算器和控制器组成。
主要用于：
接收并存储从编程器输入的用户程序；检查编程过程是否出错；进行系统诊断；解释并执行用户程序；完成通信及外设的某些功能。
（8）存储器
存储器有三种：
1系统程序存储器：
用于存放系统程序，这些程序在PLC出厂前就已经固化到只读存储器ROM中。
第一部分为系统管理程序；第二部分为用户指令解释程序；第三部分为标准程序模块与系统调用程序。
2用户程序存储器：
用于存储PLC用户的应用程序，在调试阶段，用户程序存放在读写存储器RAM中，可由备用电池（一般为锂电池）保存2～3年。
3工作数据存储器：
工作数据存储器用来存储工作数据，即用户程序中使用的ON/OFF状态、数值数据等。
（9）PLC的I/O模块
输入/输出接口是PLC与外界连接的接口。
1输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等的开关量输入信号。
另一类是由电位器、测速发电机和各种变送器等来的模拟量输入信号。
2输出接口用来连接被控对象中各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）等。
（10）PLC的编程器
编程器是PLC最重要的外围设备，是PLC不可缺少的部分。
编程器的作用是输入和编辑用户程序、调试程序和监控程序的执行过程。
编程器一般有两种类型：
简易编程器和图形编程器。
简易编程器体积小，便宜，使用方便，适合小型PLC，缺点是需联机编程；图形编程器是指带有显示屏的编程器，有液晶显示（LCD）和阴极射线式（CRT）两种，可用指令语句编程，也可用梯形图编程，可联机编程也可脱机编程，操作方便，功能强大，还可与打印机、绘图仪等设备相连，但价格较高，适用于大型PLC。
随着PLC联网功能增强，出现了第三种编程方式，即计算机辅助编程。
由于计算机的参与，用PLC编程软件编程的工作效率和编程量远非前两种编程器可比，因此，越来越多的用户更愿意采用这种编程方式。
（11）PLC的电源模块
PLC内部配有开关式稳压电源的电源模块，用来将外部供电电源转变成供PLC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需要的直流电源。
另外，为防止在外部电源发生故障的情况下，PLC内部程序和数据等重要信息的丢失，PLC还带有锂电池作为后备电源。
（12）PLC的I/O模块的外部接线方式
外部接线方式有汇点式、分组式和分隔式三种。
2.1.4PLC的工作原理
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，它是采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
（1）PLC工作方式
1顺序扫描工作方式。
PLC在运行过程中，CPU每次扫描读取输入采样、执行用户程序和改写输出刷新等任务所需要的时间称作扫描周期或工作周期，典型值为（1～100）ms。
在每个扫描周期，CPU从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到结束，然后再返回第一条指令重新开始新一轮扫描并循环下去，这种周而复始的按顺序对系统内部各种任务进行查询、判断和执行的循环工作方式称为顺序扫描工作方式。
在PLC工作时，CPU的两种工作方式为RUN和STOP方式。
在扫描周期内，RUN工作方式下执行用户控制程序，STOP工作方式下不执行用户控制程序。
2信号集中皮处理方式。
信号集中批处理方式用于普通讯号处理，在扫描周期的开始或结束将由所有输入/输出信号的状态集中采集并存放到输入/输出映像寄存器中。
当执行用户程序所需要输入状态时，均在输入映像寄存器中取用；用户程序执行完后所有输出结果一次性向输出端或输出模块输出，控制输出负载动作。
这种集中批处理方式便于控制，提高系统的可靠性。
3信号立即处理方式。
对于“立即指令”和“中断程序”采用信号处理方式，程序执行到该信号就直接从输入端或输出端进行读取或刷新处理，不受扫描周期的限制。
（2）PLC工作过程
PLC工作全过程见图2.2所示。
图2.2PLC工作全过程
1初始化阶段。
PLC上电后，对内存初始化、清除内部输入/输出继电器区、时间继电器复位等。
2读取输入信号阶段。
CPU对输入端信号顺序扫描与采集，并把读取的有关信息状态存放到输入映像寄存器对应的位中。
3通讯信息处理阶段。
在每个通讯信息处理扫描阶段，PLC与上位计算机、PLC与PLC之间、PLC与第三方设备之间都要进行信息交互、检查与处理，实现PLC控制系统的通讯化。
4执行用户程序阶段。
CPU采用循环顺序扫描工作方式，执行控制程序，并把有关信息状态与运算结果存放到输出映像寄存器中。
5输出刷新处理阶段。
CPU执行完用户程序，把运算结果进行输出刷新，传送到外部被控设备。
6CPU出错处理阶段。
在PLC的每个扫描周期，CPU都要对电源、内部电路、用户程序语法、看门狗等进行自检查和自诊断，以保证系统可靠运行。
（3）PLC扫描处理
PLC等效工作电路由外部输入电路、内部控制电路和外部输出电路组成。
外部输入电路由外部输入电器（如按钮、行程开关等）和PLC输入端子组成，每个电器与PLC输入端子有地址对应关系，当外部电器动作时，内部输入继电器状态发生变化。
内部控制电路就是用户的控制程序，即要求完成的控制任务。
外部输出电路由外部输出电器（如指示灯、线圈等）和PLC输出端子组成，每个电器与PLC输出端子有地址对应关系，当PLC有刷新输出时，驱动外部电器动作。
在RUN运行方式下的每个扫描周期内，PLC对用户控制程序采用扫描处理工作方式，要完成以下三大工作任务，即读取输入采用阶段、执行用户程序阶段和改写输出刷新阶段。
7读取输入采样阶段。
在当前扫描周期开始，CPU采用集中批处理方式进行输入端信号扫描与采集，并将外部输入端的当前值读取到内存对应的输入映像寄存器中。
这时用户程序根据输入信号的状态，从输入映像寄存器中读取数据。
当外部输入电路接通时，对应输入映像寄存器的状态为1，对应梯形图中输入常开触点接通，常闭触点断开；当外界输入电路断开时，对应输入映像寄存器的状态为0，对应梯形图中输入常开触点断开，常闭触点接通；如果输入量是变化较慢的模拟量，要采用数字滤波，CPU从模拟量输入模板读取滤波值。
在用户程序执行期间，即使外部输入信号的状态发生变化，输入映像区对应的状态也不会发生变化，这些输入信号状态必须等到下一个扫描周期的输入采样阶段才被读取。
8执行用户程序阶段。
CPU仍采用集中批处理的方式，先上后下、从左到右对用户程序进行顺序扫描，每扫描到一条指令，把需要的输入信息的状态从输入映像寄存器中读出，并根据后面指令的要求执行相应的逻辑运算，再把运算的结果写到相应的输出映像寄存器中，为后面被扫描到的指令计算所用，直到用户程序扫描结束为止。
执行完用户程序，PLC将其对输出继电器扫描结果都存入输出映像寄存器中。
a、对于一般的数字量输入和输出，CPU以循环扫描的工作方式，从执行用户控制程序的第1条指令开始到指令结束，即完成了一个扫描周期，同时又进入下一个扫描周期循环工作。
b、对于立即I/O指令，信息立即读取或立即刷新输出，不受扫描周期的约束。
c、对于模拟量I/O指令，对于不设数字滤波的直接模拟量的输入/输出，其执行方式与立即I/O指令基本相同。
d、对于中断处理指令，如果用户控制指令使用了中断，当中断事件发生时，CPU停止正常的扫描工作方式，立即执行中断程序。
执行完中断程序再返回正常的扫描工作方式。
9改写输出刷新阶段。
CPU执行完用户程序后，把输出映像寄存器中的状态传送到输出锁存器，再采用集中输出工作方式进行输出刷新，传送控制信号到输出端子，从而驱动外部负载运行。
当梯形图程序中某一输出点线圈接通时，对应的输出映像寄存器存放状态为1，信号经输出模块隔离和功率放大后，驱动硬件继电器的线圈通电，常开触点接通，使外部负载通电工作。
若梯形图中输出点线圈断开，对应的输出映像寄存器的存放状态为0，将它送到继电器输入模块，对应的硬件继电器的线圈断电，常开触点断开，外部负载断电停止工作。
这样就完成了对输出点的改写与刷新处理过程，CPU又进入下一个扫描周期继续工作。
（4）PLC的PID控制
可编程控制器（PLC）是利用其闭环控制模块来实现PID控制。
10P比例控制：
P比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
11PI积分控制：
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
12PID微分控制：
在微分控制D中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调解过程中可能会出现振荡甚至失稳，其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后的组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入“比例P”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势。
这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调，所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例P+积分I+微分D（PID）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
（5）PLC响应时间
由于PLC采用循环扫描工作方式，使控制程序会产生延迟，其原因与以下因素有关：
13与输入延迟时间有关，输入延迟时间由RC铝箔电路时间常数决定。
14与输出延迟时间有关，输出延迟时间与输出电路方式有关，继电器输出方式的滞后时间为10ms左右；晶体管输出方式的滞后时间小于1ms。
15与PLC的循环扫描工作方式有关。
16与PLC的输入采用、输出刷新集中处理有关。
17与用户控制程序的结构、语句安排顺序有关。
如果在第1个扫描周期结束前CPU收到输入端一个信号，经输入滤波电路输出后，正好赶上第2个扫描周期的I/O刷新时间，这个输入信号能在第2个扫描周期被采样刷新，这时PLC响应时间较短。
PLC最短响应时间=输入延迟时间+一个扫描周期+输出延迟时间
如果在第1个扫描周期结束前CPU收到输入端一个信号，经输入滤波电路输出后，错过了第2个扫描周期的I/O刷新时间，这个输入信号只能在第3个扫描周期被采样刷新，这时PLC响应时间最长。
PLC最长响应时间=输入延迟时间+两个扫描周期+输出滞延迟时间
2.1.5PLC的主要功能
PLC的主要功能和应用如下:
（1）开关逻辑和顺序控制这是PLC应用最广泛、最基本的场合。
它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种简单或十分复杂的控制要求。
（2）模拟控制在工业生产过程中，由许多连续变化的物理量需要进行控制，如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。
为了实现工业领域对模拟量控制的广泛要求，目前大部分PLC产品都具备处理这类模拟量的功能。
特别是在系统中模拟量控制点数不多，同时混有较多的开关量时，PLC具有其他控制装置所无法比拟的优势。
另外某些PLC产品还提供了典型控制策略模块，如PID模块，从而可实
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