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专业课程设计结题版
课程名称:
专业课程设计
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
专业课程设计课程设计任务书
2012-2013学年第一学期 第14周-16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。
能在硬件系统中完整运行。
进度安排
1、方案论证3天
2、分析、设计6天
3、加载到硬件系统调试、运行3天
4、检查、整理、写设计报告、小结3天
合计15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12月中旬
指导地点:
F213
任务下达
2012年12月5日
任务完成
2012年12月21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
1.2STEP7概述2
1.3PROFIBUS现场总线2
1.4电力拖动控制系统2
第二章硬件平台3
2.1S7-300PLC概述3
2.1.1300系列PLC简介3
2.1.2CPU314C-2PN/DP4
2.2MM440变频器5
2.3拖动电机额定参数6
2.4PROFIBUS—DP电力拖动控制系统硬件连接结构6
第三章上位机与PLC通讯7
3.1上位机与PLC常用通讯方案7
3.2通讯方式的选择8
3.3通讯的硬件连接8
3.3.1PROFIBUS通信线8
3.3.2SIEMENSCP5611通讯接口卡10
3.4STEP7与PLC连接通讯11
第四章PLC之间的通信设计12
4.1设计软件流程图12
4.2PLC之间PROFIBUS-DP组态13
4.3程序的编写14
第五章调试运行15
5.1仿真运行15
5.2程序的下载16
5.3运行调试程序17
第六章心得体会20
参考文献26
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。
1.1.2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SIMATICS7-300一级主站和从站,然后再在网络上挂上MICROMASTER4XX系列变频器,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
1.2STEP7概述
STEP7编程软件用于SIMATICS7/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STEP7Micro/DOS和STEP7Micro/Win,用于SIMATICS7-200的简化单机应用应用程序;第二部分为STEP7,用于SIMATICS7-300/400、SIMATICM7-300/400以及SIMATICC7上。
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。
1.3PROFIBUS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。
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器 PLC 与现场分散外设间的通讯。
PROFIBUS—DP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MM440、触摸屏、实验用小型拖动电机等。
2.1S7-300PLC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SIMATICS7M7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。
2.1.1300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,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DC24V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。
2.1.2CPU314C-2PN/DP
1.CPU的属性:
产品
CPU314C-2PN/DP
9针DP接口(X1)
X
9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1CPU314C-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809
2个模拟量输出
800到803
表2CPU314C-2PN/DP的集成I/O
3.图1CPU314C-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
2.2MM440变频器
MICROMASTER440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10W~200KW,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、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/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
2.4PROFIBUS—DP电力拖动控制系统硬件连接结构
图3PROFIBUS-DP总线系统结构
第三章上位机与PLC通讯
3.1上位机与PLC常用通讯方案
这里我们指的上位机是装载有STEP7的PC工控机,而上位机与SIEMENSPLC的连接方式通常有以下几种:
1、STEP7使用CP5611通讯卡通过MPI连接PLC
前提条件:
(1)通过CP5611实现PLC系统与STEP7通讯的前提条件是在安装有STEP7的计算机上安装CP5611通讯板卡。
(2)使用STEP7编程软件能够通过MPI正常连接PLC。
2、STEP7使用CP5611通讯卡通过PROFIBUS连接PLC
前提条件:
(1)通过CP5611实现PLC系统与STEP7通讯的前提条件是在安装有STEP7的计算机上安装CP5611通讯板卡。
(2)将所要连接的PLC的端口设置为PROFIBUS通讯协议,对于MPI/DP类型的端口尤其重要。
3、STEP7使用普通网卡通过TCP/IP连接PLC
前提条件:
(1)通过以太网实现PLC系统与STEP7通讯的前提条件是PLC系统配备以太网模或者使用带有PN接口的PLC,S7-300系列PLC以太网模块如下所示:
S7-300CP343-1/CP343-1Lean/CP343-1Advanced-IT
(2)只有支持ISO通讯协议的模块才支持(IndustrialEthernet工业以太网)通讯,具体情况可察看STEP7中的模块信息。
4、STEP7使用普通网卡通过IndustrialEthernet连接PLC
前提条件:
(1)通过IndustrialEthernet工业以太网实现PLC系统与STEP7通讯的前提条件是PLC系统配备以太网模块或者使用带有PN接口的PLC,S7-300系列PLC以太网模块有:
CP343-1/CP343-1Advanced-IT
(2)只有支持ISO通讯协议的模块才支持(IndustrialEthernet工业以太网)通讯,具体情况可察看STEP7中的模块信息。
3.2通讯方式的选择
当然还有其他的通讯连接方式,在此仅列举这四种常用的。
因为有众多的通讯选择方案,且从硬件条件来看,几乎都满足以上通讯所需的条件。
因为在PC机里装载有CP5611的通讯卡。
因为有专有的通讯卡,我们就放弃后两种建立在普通网卡上的通讯,专有的通信卡可以更加的符合工业控制的要求。
选定通讯卡之后,到底选择哪种协议比较好呢?
对于MPI和PROFIBUS协议通信都有自己的优点,很难从此来判断优劣,只能判断是否适合自己所需的系统,因为本文探讨的是要建一个分散式的网络控制电力拖动系统,在网络里会出现很多节点和控制对象。
因此,在这里,选择最适合的协议PROFIBUS用来通讯。
这里来检验一下是否拥有必要的软硬件和符合本论文探讨系统的前提条件:
1、工控机上装载有SIEMENS的CP5611通讯板卡符合
2、上位机装载有STEP7编程软件符合
3、PROFIBUS电缆有
4、PLC集成了MPI/DP接口有
5、PROFIBUS支持多点分布式控制多个节点通信是
3.3通讯的硬件连接
3.3.1PROFIBUS通信线
PROFIBUS的总线是有方向性的。
根据站点的不同,所选择的通信路径也有所不同,通过总线开关的选择终端电阻即路径。
当节点不是终端的时候,把总线插头的开关打到OFF档,当节点是终端节点的时候,节点打到ON档。
在DP插头上有A1B1/A2B2两路通道,一路用来传出信号,一路用来传出信号。
如下图1所示:
图1DP插头
1、PROFIBUS-DP插头定义:
图2PROFIBUS-DP插头定义示意图
2、PROFIBUS接口
CP5611和PLC处理模块CPU上均有PROFIBUS接口,该接口可以与上面介绍的终端器插头连接通信。
PROFIBUS接口是RS485串口,一般采用SUB-Dfemale的接口,其管脚定义为:
引脚功能
1shield(保护)
224V-
3B(RXD/TXDP)
4RTS
5D-GND
6VP(+)
724V+
8A(RXD/TXDN)
9RTS(N)
图3PROFIBUS接口及管脚定义
PROFIBUS网络传输用的电缆即PROFIBUS双绞屏蔽电缆,它的物理层实现对称数据的传输,符合EIARS-485标准。
一个总线段内的导线是屏蔽双绞电缆,总线段的两端各有一个终端器,它的传输速率从9.6kbit/s到12Mbit/s可选,所选用的波特率适用于连接到总线(段)上的所有设备。
线缆有红绿两种,对应的线缆连接起来,注意剥线的时候一定要分层次剥开,保证连接起来的时候屏蔽层能良好的接地。
通过多个插头的连接,最终就做成了PROFIBUS电缆,如下图5所示:
图5PROFIBUS电缆示意图
3.3.2SIEMENSCP5611通讯接口卡
CP5611是SIEMENS公司推出的网络接口卡,CP5611用于工控机连接到PROFIBUS和SIMATIC的MPI,支持PROFIBUS的主站和从站、PG/OP及S7通信。
CP5611网络接口卡的主要特点如下:
1)不带微处理器;
2)经济的PROFIBUS接口,1类PROFIBUS-DP主站可进行扩展;
3)同时可作为PC上的编程和监控接口。
当CP5611作为网络上的主站的时,通过轮询方式与从站进行通信,即主站想要和从站通信时,首先发送一个请求数据帧,从站得到请求数据帧后,向主站发送一个相应帧。
请求数据帧包括主站给从站的输出数据,如果当前没有输出数据,则向从站发送一个空帧。
从站必须向主站发送响应帧,响应帧包括从站给主站的输入数据,如果没有输入数据时,同样发送空帧,这样即完成一次通信。
3.4STEP7与PLC连接通讯
使用STEP7软件组态PLC的硬件信息,将相应的板卡在硬件进行硬件组态,选择你将要连接STEP7的对应端口,如果其类型为MPI/DP,则需要将端口指定为PROFIBUS,其它参数设置如下图6所示:
图6硬件组态窗口
点击选项窗口进去设置PG/PC接口,激活CP5611(PROFIBUS)接口,如下图7所示:
图7激活PROFIBUS接口
点击属性进行网络参数设置,设置的参数必须和组态的网络参数一致:
这里传输速率设置为1.5Mbps,最高站地址为126,勾选
选用PROFIBUS-DP协议。
保证连接时参数的一致性而不出错,参数设置窗口如下他8所示,设置好参数后对设置信息诊断。
只有正确才能正常通信。
图8接口网络参数设置
第四章PLC之间的通信设计
如前面介绍的,两台PLC之间用PROFIBUS网络通信,因为所用的这一套设备PLC是新型紧凑型的PLC带有MPI/DP集成通讯口。
它可以作为PROFIBUS-DP的通讯接口使用,两台PLC中,一台可作为从站,该从站与一般的从站不同,它是一个智能从站,可以接受和反馈信息,虽然它没有主站的功能,但是它不是现场级的智能从站,它可以发出指令,而非执行的终端。
它与主站一样拥有处理模块。
只要用自己做的PROFIBUS电缆连接起来,然后再在编程的时候调用一下通讯程序块就可以了。
4.1设计软件流程图
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
4.2PLC之间PROFIBUS-DP组态
PROFIBUS-DP系统结构如下图所示,系统由一个DP主站和一个智能DP从站构成。
主从站皆是CPU314C-2PN/DP,本处理模块含有集成的DP口,前面已经介绍过,在这里不再赘述,结构如下图14所示,
图14系统结构
本系统的目标主要是:
(1)上位机给主站发出命令,送出开关信号
(2)主站把接收到的开关信号传给从站执行,从站把运行状态返回主站显示。
首先对该通信进行组态,在对两个CPU主-从通信组态配置时,原则上要先组态从站,组态的过程很是简单,这里需要插入两个300站点,其中的一个作为主站Master,一个用来作从站Slave。
先组态从站,进入硬件组态窗口,依次插入机架、电源、CPU。
在新建PROFIBUS-DP网络,这个网络的速率参数设置为1.5Mbps,把站点设置为3,选择从站模式,定义从站的接口区,在DP属性对话框中,打开I/O通信接口区的属性设置窗口,点击按钮新建一行通信接口区,而主站的组态和从站几乎一样,只是把工作模式改为DP主站就可以了,在此时可以看到从主站的DP接口里生出一条PROFIBUS网络线,这网络线即是用来悬挂从站的,在目录窗口中可以找到已经组态好的从站,直接把其拖出来挂在网路上即可,这时会弹出来一个窗口,在这窗口中需要真正的连接主从站,然后定义主站的通信接口区。
其中定义通信借口去的时候,主站的IB139对应从站QB140,主站的QB139对应从站的IB140。
4.3程序的编写
点击进入STEP7主程序编辑界面,在这里选择用LAD梯形图进行编程,这种语言比较直观易懂,尤其是针对简单的程序,可以说是一目了然。
此次程序主要在于检测网络设置,所以只编写一个简单的控制程序,把主站的开关信息传给从站,再把从站的信息传给主站显示。
先生成符号表,即I/O分配表,之后保存以便LAD调用地址。
如下图9所示:
图9主站符号表
编写的主从站程序如下,只要按下I136.0就可以吧信号传给从站,同理停止信号也
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