西门子S7400PLC在运动系统精确定位的设计方案Word文档格式.docx

1、前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决的软硬件开发问题，此部分作为与本课题相结合的PLC控制技术将在后面的章节里作系统的分析。1.4论文的主要工作本文以西门子S7-400PLC定位控制为主线，主要讨论了运料小车的定位控制系统的构建，定位控制程序的编写，PLC与变频器的结合及运料小车定位控制系统的实现等问题。全文共分四章，下面简要介绍各章的主要工作：1、综述了定位控制系统的背景资料及国国外现状，同时对与本课题紧密相关的运料小车和变频器调速技术作了简要的介绍。2、西门子S7-400PLC是贯穿本课题的主线，本章对其软硬件方面的知识作了基本的介绍。同时也对变

2、频调速的历史及原理作了扼要的说明。3、在本章中将对整个控制系统的组成作了系统的阐述，切实的提出一套运料小车的精确定位的设计方案。4、作为全文的结尾，总结了本文的主要工作，取得的成果及有待改进的地方，并进一步展望了定位控制系统的长远发展。2西门子S7-400的组成与变频调速原理可编程序控制器（PLC）是应用十分广泛的通用微机控制装置，是自动控制系统中的关键设备。西门子公司的S7-300/400在大中型PLC中应用最广，市场占有率最高。而其强大的编程软件STEP7和通信网络的功能也使其在各行各业得到了广泛的使用3。作为本论文的主控设备，现将其系列的组成作如下介绍：2.1 S7-400系列PLC的基

3、本结构S7-400由机架、电源模块（PS）、中央处理单元（CPU）、数字量输入/输出（DI/DO）模块、模拟量输入/输出（AI/AO）模块、通信处理器（CP）、功能模块（FM）和接口模块（IM）组成。DI/DO模块和AI/AO模块统称为信号模块（SM）。S7-400的模块插座焊在机架中的总县连接板上，模块插在模块插座上，有不同槽数的机架供用户选用，如果一个机架容纳不下所有的模块，可以增设一个或数个扩展机架，各机架之间用接口模块和通信电缆交换信息。中央机架（或称中央控制器，CC）必须配置CPU模块和一个电源模块，可以安装除用于接受和IM（接口模块）外的所有S7-400模块。如果有扩展机架，中央机

4、架和扩展都需要安装接口模块。集中式扩展适用于小型配置或一个控制柜中的系统。CC和EU的最大距离为1.5m（带5V电源）或3m（不带5V电源）。分布式扩展适用于分布围广的场合，CC与最后一个EU的最大距离为100m（S7 EU）或600m（S5 EU）。CC最多插6块发送IM，最多只有2个IM可以提供5V电源。通过C总线（通信总线）的数据交换仅限于CC和6个EU之间。用ET 200分布式I/O可以进行远程扩展，用于分布围很广的系统。通过CPU中的PROFIBUS-DP接口，最多连接125个总线节点。使用光缆时CC和最后一个节点的距离为23km。电源模块应安装在机架的最左边（第1槽），有冗余功能的

5、电源模块是一个例外。中央机架，最多能连接21个扩展机架。中央机架中同时传送电源的发送接口模块（IM 460-1）不能超过两块，IM461-1的每个接口只能带一个扩展机架。扩展机架中的借口模块只能安装在最右边的槽（第18槽或第19槽）。通信处理器CP只能安装在编号不大于6的扩展机架中。2.2 STEP7的编程语言 STEP 7是S7-300/400系列PLC的编程软件。梯形图、语句表和功能块图是标准的STEP 7软件包配备的3种基本编程语言，这3种语言可以在STEP 7中相互转换。STEP 7还有多种编程语言可供用户选用，但由于本系统中未曾涉及，在本文里就不作介绍了。1、梯形图（LAD）梯形图是

6、使用得最多的PLC图形编程语言。梯形图与继电器电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂熟悉继电器控制的电气人员掌握，特别适合于数字逻辑控制。有时把梯形图称为电路或程序。2、语句表（STL）S7系列PLC将指令表称为语句表（Statement List），它是一种类似于微机的汇编语言中的文本语言，多条语句组成一个程序段。语句表比较适合经验丰富的程序员使用，可以实现某些不能用梯形图或功能块表示的功能。3、功能块图（FBD）功能块图用类似于与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框被“导线”连接在一起，信号自左向

7、右流动。2.3变频调速的原理变频调速的基本控制方式：异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为1=601/p （2.1）式中 1同步转速（r/min）；1定子频率（Hz）；p磁极对数；而异步电动机的轴转速为1（）/p （2.2）异步电动机的转差率， 其中（11 （2.3）改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行4。3运料小车的精确定位的设计方案3.1设计的产生背景在工业生产工程控制中，有不少定位、定量的控制任务而且这些定位的问题是其过程实现自动化的一个极其重要的环节。正如本文提出的运料小车的精确定位控制，在煤炭焦化工艺中，运料车在炉口定位与装卸是其工艺工程自动化的一个重要环节，

8、它要求运料车定位系统实现准确定位、可靠运行，且定位误差不得超过8mm。由于焦化的运料车质量大，行走惯性大，从运料小车行走状态转变为停止状态要求平稳过度。为了完成上述控制要求的行车运行，采用PLC和变频器的结合将是一个很好的选择。3.2小车运行设计1、运行图按照上述要求可以归纳出行车运行图如（图3.1）。假设纵坐标为速度，横坐标为距离，从原位出发，先以匀加速运行；当速度达到高速时，再以匀速运行；当到达A点时，改为匀减速运行，到达炉口B点时，运料车立即停止运行，准备卸煤于炉中。 图3.1在图3.1中，当行车从原位出发后，先以匀加速运行，加速度的选择主要考虑下面两种因素：1） 在加速过程中，必须保持

9、运料车运行平稳，不发生剧烈的晃动。2） 在满足上述条件的情况下，尽可能地选择较大的加速度，以提高生产效率。当行车运行到B点时，接近开关产生一个信号，使行车立即停止运行，准备卸料。根据以上的系统功能要求，我们决定使用PLC系统以分布式总线结构来实现控制系的全部功能。其中主PLC系统安装在中央控制室，子PLC系统安装在运料小车上，它们之间通过PROFIBUS现场总线通讯。2、硬件选择（1） 主站的PLC系统采用西门子的S7-400系列。S7-400的DI、DO部分连接于控制柜，用于开关系统和电源监视，一部分连接小车运行轨道上，用于轨道的状态监视和控制。子站采用西门子的ET200S远程I/O系统。E

10、T200S是专门的小型PLC控制器，用于小车控制的最大特点是：1） M151-7CPU，可以控制小车完成所有动作，处理大量细节问题。主站只需要发送命令即可，减轻了主站PLC的负担。而且使整个系统易于维护。2） 有专用的柔性电机启动器，用于小车卸煤开关电机的控制。主站和子站分工合作，运料小车的动作控制功能由其上安装的ET200S来完成，而主站只负责发送命令信号。例如，操作员在现场安下起动按钮，主站接收到DI输入，并转化成起动命令，传递给子站。子站接收到起动命令后，向变频器发出控制字和频率字，并在适当的时候使电机转动，使小车运动。ET200S还负责控制小车的前进，后退，在装卸煤的精确定位等动作的执

11、行，以及一些错误状态的自动复位等。主站通过在小车轨道上设置电压信号让小车读取，或者直接通过软件设置的通讯区传达命令字来控制小车的运行。S7-400除了控制小车的运行，还负责系统的开关、状态的显示以及错误状态的手动复位等。主站的S7-400和子站的ET200S上都安装有PROFIBUS-DP接口模块，这样它们就可以通过PROFOBUS-DP总线传递信息，相互通讯。（2） 变频器我们选用Siemens的MicroMaster 440变频器来控制小车的行走。MicroMaster 440变频器采用模块化设计。因此只需插入PROFIBUS-DP通讯模块，即可通PROFIBUS总线与子站PLC通讯。可以

12、很方便的实现控制功能和状态反馈。MicroMaster 440变频器在控制运料小车时因为其功率较小，采用V/F控制方式。根据现场调试的情况，选择适当的加速度和减速度。假设变频器的输出频率从2.4Hz增加到50Hz、从50Hz降至2.4Hz的时间设定为1s时，小车所获得加速度和减速度都可以满足要求。另外，为了保证定位精度，要求小车到达B点时，其速度已经降到足够小，又为了提高生产效率，最好的运行情况是：到达B点时，恰好减速过程结束，这就要求正确的选择A点的位置与减速度的一致配合。假设变频器的输出频率从最高频率50Hz下降到所指定的频率2.4Hz期间，小车处于匀减速运行，当变频器输出频率为50Hz时

13、，测得小车速度为vmax；当变频器输出频率为2.4Hz时，测得小车的速度为vmin；则小车的减速度a为： a=（vminvmax）/t （3.1）式中为减速过程所需的时间，为预先设定时间，然后根据匀减速运行方程，可以求得A点到B点的距离为： s=at2/2 （3.2）3、软件组态（1） 使用的组态软件为了能使用编程器对选定的硬件进行编程，并且必须在编程器中先对硬件进行组态，并将组态好的信息通过编程设备电缆下载到PLC中。我们使用Siemens的S7 Step 7 v5.2来完成硬件组态。为了识别ET200S远程I/O站和MicroMas-ter 440变频器，还必须加装S7 Step 7 v5

14、.2 SP1软件包。（2） 主站PLC系统的组态主站 S7-400系统由S7 417-4DP CPU，PROFIBUS-DP接口模块，电源模块，数字量/模拟量输入输出模块等部分组成，存储卡使用S7 MMC 64Kbyte。（3） 子站PLC系统的组态一套ET200S系统包括IM151-7 CPU，PROFIBUS-DP接口模块，电源模块，数字量/模拟量输入输出模块，电机启动器等部分。存储卡使用S7 MMC 64kbyte。（4） 分布式结构的组态和通讯区设置主站和子站之间是一对多的关系，一台主站与所有子站通过PROFIBUS-DP通讯。这种网络结构也需要进行组态，并下载到PLC中。可以使用Ne

15、t Pro程序进行网络结构组态和下载。为了将命令传递给子站，还应该在主站和子站系统上分别开辟用于通讯的虚拟I/O区。主站上的虚拟I/O区对应于小车上的虚拟I/O区。这样主站程序只要按一定的格式输出虚拟DO，子站的虚拟DI就会接收到信号。同样的，子站可以通过虚拟DO将自身的状态返回到主站，以供主站监视和判断。可以在硬件组态过程过HW config程序设置通讯区，因为虚拟I/O并不是硬件上真实存在的，因此可以设置得很大，只要不超出存储单元的容量就行。（5） 组态信息的下载HW config程序和Net pro程序都提供组态信息的下载。设置好编程器与PLC的连接后，就可以将组态好的硬件和网络结构信息

16、通过编程设备电缆下载到相应的PLC中。下载完成后如果诊断无误，那么硬件的设置工作就完成了，可以开始进一步的工艺流程编程设计。4、PLC编程实现控制功能（1） 标志位的定义（单位：mm）DBD 4 定位设置DBD 8 固定参照物的实际位置DBD 20 向前距离的预置关断开关DBD 24 向前距离的关断开关DBD 28 慢速向前的速度设置点（只在定位）DBD 32 快速向前的速度设置点（只在定位）DBD 36 向前的距离X （为了快速向前速度）DBD 40 向后距离的预置关断开关DBD 44 向后距离的关断开关DBD 48 慢速向后的速度设置点（只在定位）DBD 52 快速向后的速度设置点（只在定

17、位）DBD 56 向后的距离X （为了快速向后速度）DBD 60 向前中的Kp =DBD32/DBD36DBD 64 向前中的附加设置点dDBD 68 向后中的Kp =DBD52/DBD56DBD 72 向后中的附加设置点dDBD 76 估计向前或向后的附加设置点d = dmaxDBD 80 预置关断开关点DBD 84 关断开关点DBD 88 临时缓存：关于定位的斜坡发生器之后的速度设定点DBD 92 临时缓存：定位的速度设置点 = 向前最小值DBD88 和（设置点+/- d 实际值） x KpDBD 96 临时缓存：定位的速度设置点=向前最大值DBD92和最小电压DBD 116 临时缓存：D

18、BD 120 预置加速向前循环中的增量（爬行和定位）DBD 124 预置减速向前循环中的减量（爬行和定位）DBD 128 预置加速向后循环中的增量（爬行和定位）DBD 132 预置减速向后循环中的减量（爬行和定位）DBD 140 向前的最小电压=速度设置点的最小量 （向此点运动中）DBD 144 向后的最小电压=速度设置点的最小量 （向此点运动中）DBW 240 错误字BIT 241.0 1=错误BIT 240.0 空置BIT 240.1 1=定位设置点大于向前软限制开关（如果不等于0 定位设置点 EMAX = DBD260）BIT 240.2 1=定位设置点大于向前软限制开关（如果不等于0

19、定位设置点 定位误差BIT 240.6 1=向前结束位置的硬限位开关（定位期间）BIT 240.7 1=向后结束位置的硬限位开关（定位期间）DBD 260 向前的软限制开关 （只对定位和行动中不等于0时的情况）DBD 272 向前的软限制开关 （只对定位和行动中不等于0时的情况）DBD 480 临时存储用户的辅助标志位MD200DBD 484 临时存储用户的辅助标志位MD204DBW 488 临时存储用户的辅助标志位MW208DBD 500 临时存储部的辅助标志位MD200DBD 504 临时存储部的辅助标志位MD204DBW 508 临时存储部的辅助标志位MW208MB200 = DBB50

20、0BIT 0 输入信号AE： 1=带模拟输入的爬行BIT 1 输入信号ENDV： 1=向前结束位置的硬限位开关BIT 2 输入信号LAGV： 1=慢速向前的硬信号BIT 3 输入信号LAGR： 1=慢速向后的硬信号BIT 4 输入信号ENDR： 1=向后结束位置的硬限位开关BIT 5 输入信号MOTO： 1=数字输出的电机定位： 0=模拟输出和数字输出的部分阀门 BIT 6 输入信号QUIT： 1=错误警告BIT 7 输入信号INITMB201 = DBB501BIT 0 输入信号KNOT： 1=没有急停BIT 1 输入信号NSP： 1=定位操作BIT 2 输入信号STRT： 1=定位 （如果

21、 KNOT=1且NSP=1且ENTR=0）BIT 3 输入信号ENTR： 1=爬行操作BIT 4 输入信号TPVS： 1=快速向前爬行BIT 5 输入信号TPVL： 1=慢速向前爬行BIT 6 输入信号TPRL： 1=慢速向后爬行BIT 7 输入信号TPRS： 1=快速向后爬行MB202 = DBB502BIT 0 1=慢速向前的软限制开关BIT 1 1=慢速向后的软限制开关BIT 2 1=带模拟输出的向前BIT 3 1=带模拟输出的向后BIT 4 1=快速向前爬行BIT 5 1=慢速向前爬行BIT 6 1=快速向后爬行BIT 7 1=慢速向后爬行MB203 = DBB503BIT 0 1=给

22、定向前爬行的上升沿BIT 1 产生一个向前爬行的辅助上升沿BIT 2 1=给顶向后爬行的上升沿BIT 3 产生一个向后爬行的辅助上升沿BIT 4 1=向前爬行运行中BIT 5 1=向后爬行运行中BIT 6 1=爬行运行中BIT 7 1=爬行使能MB204 = DBB504BIT 0 部标志位：1=带AE选择的爬行BIT 1 部标志位：1=启动,0=比例阀BIT 2 部标志位：选择的向前爬行BIT 3 部标志位：选择的向后爬行BIT 4 带的辅助标志位的爬行BIT 5 1=模拟输出=0；0=模拟输出0=模拟输入BIT 2 1=上升沿确定BIT 3 给定一个辅助标志位的上升沿BIT 4 1=固定参

23、照物上升沿运行BIT 5 给定固定上升沿的辅助上升沿运行BIT 6 空置BIT 7 辅助标志位跳出网络MB206 = DBB506BIT 0 1=向前的软限制开关触发（DBD260不等于0）BIT 1 1=慢速向前到结束位置时触发（DBD264 不等于0）BIT 2 1=慢速向后到结束位置时触发（DBD268 不等于0）BIT 3 1=向后软限制开关触发（DBD272 不等于0）BIT 4BIT 7 空置MB207 = DBB507BIT 0 输入信号LAGPBIT 1BIT 6 空置BIT 7 急停记忆MB208 = DBB508BIT 0 空置BIT 1 空置BIT 2 1=慢速向前定位B

24、IT 3 1=快速向前定位BIT 4 1=慢速向后定位BIT 5 1=快速向后定位BIT 6 1=位置到达停止BIT 7 1=位置没有到达MB209 = DBB509BIT 0 1=给定STRT上升沿BIT 1 给定“STRT”一个辅助上升沿BIT 2 1=定位程序运行中BIT 3 驱动方向：0=向前，1=向后BIT 4 速度：0=慢速，1=快速BIT 5 1=轴运行BIT 6 1=定位不可能BIT 7 1=带电机的定位（2） 标志位的保存和载入打开程序块，要对程序的标志位进行赋值和传送操作，程序如下所示：L MD 200 T DBD 480 L MD 204 T DBD 484 L MW 208 T DBW 488 L DBD 500 T MD 200 L DBD 504 T MD 204 L DBW 508 T MW 208 SET R M 205.7 R M 209.6 （3） 标志位的二进制输入： 在此程序中，对小车运行过程中状态的不同采用二进制进行了相应的定义。 A #KNOT = M 201.0 A #NSP = M 201.1 A #STRT = M 2