基于PROFIBUSDP电力拖动控制系统的设计课设.docx

1、 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

2、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

3、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 1 1.1 引言 1 1.1.1研究目的和意义 1 1.1.2 主要研究内容及设计思路 1 1.1.3任务分配 1 1.2 STEP7 2 1.2.1 STE

4、P7 概述 2 1.2.2 STEP7 功能 2 1.3 PROFIBUS现场总线 2 1.3.1现场总线 PROFIBUS-DP 2 1.4 电力拖动控制系统 3 第二章 硬件平台 4 2.1 S7-300PLC概述 4 2.1.1 300系列 PLC简介 4 2.1.2 CPU314C-2PN/DP 5 2.2 MM440 变频器 6 2.3 拖动电机额定参数 7 2.4 PROFIBUSDP电力拖动控制系统硬件连接结构 7 第三章 软件设计 8 3.1 PROFIBUS-DP网络 8 3.1.1 PROFIBUSDP 总线网络 8 3.1.2网络连接模式 8 3.2软件流程图 9 3.3

5、 MM440 变频器参数配置 9 3.4组态软件 WinCC 应用 10 3.5 控制系统的软件设计 10 3.5.1软件的功能 10 3.5.2软件功能的实现 10 第四章 网络组态 12 4.1搭建 PROFIBUS-DP网络参数配置 12 4.2组态控制系统网络 12 4.3建立上位机 WinCC项目 13 4.4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

6、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.

7、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 SIMATIC S7-300一级主站和从站，然后再在网络上挂上 MICROMASTER4XX系列变频

8、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 1.2 STEP7 1.2.1 STEP7 概述 STEP7编程软件用于 SIMATIC S7/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 STEP7 Micro/DO

9、S和 STEP7 Micro/Win，用于SIMATIC S7-200的简化单机应用应用程序；第二部分为 STEP7，用于 SIMATIC S7-300/400、SIMATIC M7-300/400以及 SIMATIC C7上。1.2.2 STEP7 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

10、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。1.3 PROFIBUS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-DP PROFIBUS-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

11、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

12、MM440、触摸屏、实验用小型拖动电机等。2.1 S7-300PLC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 SIMATIC S7 M7 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

13、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。2.1.1 300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

14、，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 DC 24V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

15、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。2.1.2 CPU314C-2PN/DP 1.CPU的属性：产品 CPU314C-2PN/DP 9 针 DP接口（X1）X 9

16、 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 1 CPU314C-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 136.3 4+1 个模拟量输入 800 到 8

17、09 2 个模拟量输出 800 到 803 表 2 CPU314C-2PN/DP 的集成 I/O 3.图 1 CPU314C-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 2.2 MM440 变频器 MICROMASTER 440 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

18、、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-240V 10%，单相/三相，交流，0.12kW-45kW；380V-480V 10%，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/

19、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

20、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 Y 2.4 PROFIBUSDP电力拖动控制系统硬件连接结构 图 3 PROFIBUS-DP总线系统结构

21、第三章 软件设计 3.1 PROFIBUS-DP网络 3.1.1 PROFIBUSDP 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 SIMATICS S7300PLC,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

22、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

23、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

24、，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 3.3 MM440 变频器参数配置 MM440 交流变频器与 SIMATICS s7300 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 P918 1125 装置的PROFIBUSDP地址 每台地址不同 P1000 66 频率设定值的选择 频率设定值来自 CB 安装在计算机上 P700 6 命令源的选择 命令源来自 CB通信板 P

25、2040 0 通信板报文停止时间-P204100 3 选择 PPO 类型 PPO3 P719 66 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 SIMATICS S7 protocol suite，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

26、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 S7300PLC MM440 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Windows NT 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

27、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

28、 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 5 PROFIBUS-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

29、 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：_ 学号：_ 姓名：_ 学号：_ 姓名：_ 学号：_ 姓名：_ 学号：_ 姓名：_ 学号：_ 姓名：_ 学号：_ 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 2011.05 5马宁.基于 PROFIBUS-DP 的传动控制系统.电气时代期刊 2004（9）