【正文】 和降低成本，許多傳統(tǒng)的耗能設(shè)備都要進行技術(shù)改造。編號 河南機電高等?？茖W校畢業(yè)設(shè)計（論文）基于USS協(xié)議的PLC的變頻器監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計摘要摘 要目前，各種自動化技術(shù)手段并行發(fā)展、相互融合，為工業(yè)控制提供了多種可行的技術(shù)途徑。但是變頻調(diào)速具有一定的技術(shù)難度，人們需要一個慢慢了解和熟悉的過程。把PLC和變頻器結(jié)合起來一起對電機傳動進行控制，實現(xiàn)遠程監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。本文介紹了自動化控制技術(shù)的綜合應(yīng)用，將各種通用的自動化技術(shù)與實踐優(yōu)化結(jié)合，通過基于USS協(xié)議的RS485總線進行組網(wǎng)，進行PLC和變頻器對電機的控制，其中PLC和變頻器之間的通信設(shè)計最為關(guān)鍵。本論文以工業(yè)生產(chǎn)過程中對變頻器的監(jiān)控需要為背景，理論與實踐相結(jié)合，設(shè)計了一套基于USS協(xié)議的PLC的變頻器監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)計的主要思路是基于USS協(xié)議，實現(xiàn)SIEMENS S7200 PLC對變頻調(diào)速裝置的控制，上位機采用SIEMENS TP270觸摸屏及Protool組態(tài)語言。PLC的硬件系統(tǒng)由中央處理單元、存儲器、輸入輸出電路等組成，軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)程序和用戶程序組成。在程序執(zhí)行階段，PLC按先左后右、先上后下順序，逐條執(zhí)行程序指令，從輸入映像寄存器和輸出映像寄存器讀出有關(guān)元件的通斷狀態(tài)，根據(jù)用戶程序進行邏輯、算術(shù)運算，再將結(jié)果存入輸出映像寄存器中。 由PLC的工作過程可見，PLC執(zhí)行程序時所用到的狀態(tài)值不是直接從輸入端獲得的，即使輸入發(fā)生變化，輸入映像寄存器的內(nèi)容也不會改變，要等到下一周期的輸入采樣階段才能改變。任何時刻，它只能執(zhí)行一條指令，也就是說，PLC是以“串行”方式工作。梯形圖與繼電器原理圖類似，這種編程語言形象直觀，容易掌握，不需要專門的計算機知識，便于廣大現(xiàn)場工程技術(shù)人員掌握。用戶可根據(jù)控制對象的規(guī)模及控制要求，選擇合適的PLC產(chǎn)品，組成所需要的控制系統(tǒng)。（2）編程簡單、使用方便目前大多數(shù)PLC采用繼電器控制形式的梯形圖編程方式，很容易被操作人員接受。（5）與外部設(shè)備連接方便，采用統(tǒng)一接線方式的可拆裝的活動端子排，提供不同的端子功能適合于多種電氣規(guī)格。PLC對一些機床、機械手的控制、生產(chǎn)自動線的控制都屬于這一類應(yīng)用。PLC通過模擬量I/O模塊，實現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換，并對模擬量實行閉環(huán)PID（比例積分微分）控制。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，也可以用通信功能傳送到別的智能裝置，或者將它們打印制表。它的主要作用是在控制電路的控制下將直流中間電路輸出的直流電壓(電流)轉(zhuǎn)換為具有所需頻率的交流電壓(電流)。此外，變頻器的控制電路還包括對電流、電壓、電動機速度進行檢測的信號檢測電路，為變頻器和電動機提供保護的保護電路，對外接口電路和對數(shù)字操作盒的控制電路。輸入信號包括頻率(速度)指令信號和運行、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的操作控制信號。(2)加減速速率調(diào)節(jié)功能:(3)運算處理等。變頻器的保護功能包括對變頻器的輸出，對驅(qū)動電動機的保護和對系統(tǒng)的保護三個方面的內(nèi)容。 交直變換電路交直變換電路就是整流和濾波電路，其任務(wù)就是把電源的三相交流電變換成平穩(wěn)的直流電。即當電源電壓為380V時，ＵRM =2380V=1073V，則選擇ＵRM=1200V。為了是ＵC1和ＵC2相等，在C1和C2的旁邊個并聯(lián)一個阻值相等的均壓電阻Rc1和Rc2。限流電阻S就可起到削弱該沖擊電流而串接在整流橋和濾波電容之間。，有開關(guān)器件V1～V6組成逆變橋，V1～V6的工作接受控制電路中的SPWM調(diào)制信號控制，把直流電壓逆變成三相交流電。SPWM脈沖系列中，各脈沖的寬度以及相互間的間隔寬度是由正弦波（基準波或調(diào)制波）和等腰三角波（載波）的交點來決定的，以單極性SPWM法為例。，續(xù)流電路由VD7～VD12構(gòu)成，其功能是：（1）為電動機繞組的無功電流返回直流電路時提供通路；（2）當頻率下降、從而同步轉(zhuǎn)速下降時，為電動機的再生電能反饋至直流電路提供通路；（3）為電路的寄生電感在逆變過程中釋放能量提供通路。從電動機的角度來看，處于再生制動狀態(tài)。所以，從變頻調(diào)速系統(tǒng)的角度看，拖動系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速下降時減少的動能，由電動機“再生”電能后，在變頻器的直流電路中被消耗掉了。其選擇原則如下：（1）RB的阻值RB的阻值大小一般以使制動電流不超過變頻器額定電流的一半為宜，即IRB=UD ∕ RB≤ IN / 2RB≥2UD / IN （35）式中IN為變頻器的額定電流；UD為直流電壓。當電動機的再生制動狀態(tài)屬于正常工狀態(tài)時，取a=。其特點是：控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求，己在產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。(磁場定向法),又稱VC控制矢量控制其實質(zhì)是將交流電動機等效直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。不通過中間直流環(huán)節(jié)而把電網(wǎng)頻率的交流電直接變換成不同頻率的交流電，僅用一次變換就實現(xiàn)變頻。在電壓型變頻器中，逆變電路所需要的支流電壓是由整流電路或者斬波電路輸出，通過直流中間電路的電容進行濾波平滑后產(chǎn)生的，在逆變電路中被變換為所需頻率的交流電壓。 根據(jù)電壓的調(diào)制方式分類（SPWM）變頻器電壓的大小是通過調(diào)節(jié)脈沖寬度與脈沖占空比來實現(xiàn)的。 變頻調(diào)速的現(xiàn)實意義自從19世紀80年代發(fā)明了三相交流異步電動機以來，由于其轉(zhuǎn)子回路內(nèi)的電流不必外部通入，轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)極為簡單堅固、易于維護。近年來，隨著科技的進步、企業(yè)自動化程度的提高，對機械設(shè)備的要求不僅僅是性穩(wěn)定、操作方便，還應(yīng)該盡可能地節(jié)約能源。該項目在小型自動化項目中是比較復雜的控制系統(tǒng)，因此次方案能實現(xiàn)要求比較高的控制。S7200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能?？紤]到現(xiàn)場實際的環(huán)境條件，選用西門子公司生產(chǎn)的TP270觸摸屏。TP270可與有的SIMATIC S7 CPU一起操作，其設(shè)計易于機器操作和監(jiān)控，對要監(jiān)控的機器或系統(tǒng)供了逼真的圖形表示，使用范圍包括機器和設(shè)備結(jié)構(gòu)，以及包裝和電子工業(yè)，TP270系允許將自己創(chuàng)建的圖形、數(shù)字照片和掃描的畫面集成到項目中。 系統(tǒng)的界面設(shè)計軟件界面是系統(tǒng)功能的體現(xiàn)，上位機是西門子觸摸屏TP270，其編程語言是Protool。ProTool是用于整個SIMATIC HMI系列的創(chuàng)新的組態(tài)軟件包。為此，要根據(jù)需要盡量精確地把設(shè)備或過程映射在操作單元上。：Protool操作界面：開機畫面設(shè)計是整個畫面系統(tǒng)的開始，當觸摸屏上電以后，開始自檢，完成后進入此畫面。 I/O點畫面I/，反映了生產(chǎn)設(shè)備在運行過程中的邏輯點狀態(tài)。S7200 PLC有很強的通信功能，有多種通信方式可供選擇，如單主站方式、多主站方式和遠程通信方式等。（3）遠程通信方式單主站方式通過調(diào)制解調(diào)器（Modem）與一個或多個作為從站的S7200 CPU相連，如圖所示?？晒┯脩暨x擇。 PLC之間的通訊 NETR（網(wǎng)絡(luò)讀）和NETW（網(wǎng)絡(luò)寫）指令 兩臺PLC的CPU之間的數(shù)據(jù)通信是用NETR（網(wǎng)絡(luò)讀）和NETW（網(wǎng)絡(luò)寫）指令實現(xiàn)的?？梢詮腟MB30和SMB130讀取或向SMB30和SMB130寫入。另外，還有一種廣播通訊方式，主站可以同時給所有從站發(fā)送報文，從站在接收到報文做出相應(yīng)的響應(yīng)后可不回送報文。,無需重新連線就可以改變控制功能。在使用USS協(xié)議通訊時，其通訊系統(tǒng)的硬件連接主要要求如下：，USS主站盡量選用直流型的CPU（針對S7200系列），USS通訊電纜采用雙絞線即可（如常用的以太網(wǎng)電纜），如果干擾比較大，可采用屏蔽雙絞線。建議將傳動裝置上的0V端子連接到機箱接地點。多點通訊的情況下，一般也只需在USS主站上加終端電阻就可以取得較好的通訊效果。USS協(xié)議的通信字符格式為一位起始位、一位停止位、一位偶校驗位和八位數(shù)據(jù)位。數(shù)據(jù)塊由參數(shù)值域（PKW）和過程數(shù)據(jù)域（PZD）組成，二者都為變長數(shù)據(jù)。b)利用發(fā)送指令（如XMT，P_SEND，P_SND_RK）發(fā)送USS報文至傳動裝置，利用接收指令（如RCV，P_RCV，P_RCV_RK）接收變頻器返回的USS報文。d)設(shè)立發(fā)送接收數(shù)據(jù)緩存區(qū)與映像區(qū)，用戶應(yīng)通過改變映像區(qū)的USS發(fā)送報文值來控制傳動裝置，或通過讀取映像區(qū)USS接收報文中的狀態(tài)值來判斷傳動裝置的當前狀態(tài)。 S7200的接收和發(fā)送指令（XTM/RCV）(1)發(fā)送指令發(fā)送指令XMT（Transmit）啟動自由端口模式下數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（TBL）的數(shù)據(jù)發(fā)送，過指定的通信端口（PORT），發(fā)送存儲在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（TBL）中的信息。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的第一個字節(jié)用來累計接受到字節(jié)數(shù)，它本身不是接收到的，起始字符和結(jié)束字符是可選項。為了實現(xiàn)其通用性，在通信程序中將通信端口及波特率都設(shè)置成多種選擇。在這里設(shè)為1649，轉(zhuǎn)化為二進制為：0101001，即：偶校驗，波特率=9600bit/s，自由端口協(xié)議。通信幀有特殊的起始和結(jié)素字符、源和目的站地址、幀長度和數(shù)據(jù)完整性檢查組成。、PPI是一個主/從協(xié)議。S7200可以通過內(nèi)置接口連接到MPI網(wǎng)上。MPI總是在兩個已經(jīng)建立連接的設(shè)備之間相互通信，這種連接可能是兩個設(shè)備之間的非固定連接，另一個主站不能干涉兩個設(shè)備之間已經(jīng)建立的連接，如為了應(yīng)用，可以建立一個短時間暫時連接，或無限地保持連接或斷開。STEP 7Micro/WIN 32提供了通信設(shè)定對話框，可使用次對話框配置通信設(shè)定。從左邊的選擇列表框中選擇要安裝的硬件型號“PC/PPI cable”，窗口下部顯示出對選擇硬件的描述。在“Set PG/PC Interface”對話框中的“InterfaceParameter Assignment”（接口參數(shù)設(shè)定）列表框中選擇通信協(xié)議，PC/PPI電纜只能選用PPI協(xié)議，單擊“Properties”（屬性）按鈕，出現(xiàn)“PropertiesPC/PPI cable(PPI)”窗口，設(shè)置通信參數(shù)。搜索到從站后，在STEP7Micro/WIN 32上點擊下載按鈕，這時便將程序下載到PLC了。 觸摸屏與PLC的通信調(diào)試將在PG/PC中用Protool編寫的畫面下載到觸摸屏TP270中，下載時需要進行TP270和Protool的參數(shù)設(shè)置。：啟動設(shè)置對話框圖 ：下載模式對話框設(shè)置好TP270通信模式后，在Protool中進行畫面下載。這就說明觸摸屏與PLC的通信實現(xiàn)了，上位機可以控制PLC。首先考慮到由于用電纜傳輸，在電纜上有電壓降問題，這在實際中必需解決的問題。利用PG/PC可以監(jiān)控PLC能夠順利地讀取和寫入變頻器的通信數(shù)據(jù)。從電機尾端編碼器反饋回來的數(shù)據(jù)，和實際數(shù)據(jù)相比較，調(diào)整以后，轉(zhuǎn)速的實際數(shù)值滿足生產(chǎn)需要。 第6章 結(jié)論本文介紹了自動化控制技術(shù)的綜合應(yīng)用，將各種通用的自動化技術(shù)與實踐優(yōu)化結(jié)合，從PLC和變頻器自動控制系統(tǒng)入手，詳細介紹了PLC和變頻器在工業(yè)自動化控制的應(yīng)用狀況，介紹了控制系統(tǒng)的通信方式和通信設(shè)計，將西門子S7200 PLC和西門子變頻器利用USS協(xié)議通信作為一個典型的控制方案，做了通信程序的標準化設(shè)計。(4)USS協(xié)議是SIEMENS公司所有傳動產(chǎn)品的通用通訊協(xié)議，它是一種基于串行總線進行數(shù)據(jù)通訊的協(xié)議，可支持變頻器同PC或PLC之間建立通信連接。我的畢業(yè)設(shè)計已整理完畢，系統(tǒng)調(diào)試進展良好。不僅如此，張老師還無私的給我提供了豐富的學習資源和良好的學習環(huán)境，為我的畢業(yè)設(shè)計帶來了很大方便。在校期間，這里給我留下了美好