【文章內容簡介】 具有多種功能模塊和人機界面可供選擇，可以很容易的組成PLC網絡。同時具有功能齊全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件，使得S722*系列PLC來完成控制系統(tǒng)的設計時更加簡單，系統(tǒng)的集成非常方便，幾乎可以完成任何功能的控制任務。S7200硬件系統(tǒng)的配置方式采用整體式加積木式，即主機中包含一定數(shù)量的I/O輸入輸出，同時還可以擴展各種功能模塊。（1） 基本單元：基本單元有時又稱作CPU模塊，也有的稱之為主機或本機。特包括CPU、存儲器、基本輸入輸出點和電源等，使PLC的主要部分。它實際上就是一個完整的控制系統(tǒng)，可以單獨的完成一定的控制任務。（2）擴展單元：主機I/O數(shù)量不能滿足控制系統(tǒng)的要求時，用戶可以根據需要擴展各種I/O模塊，所能連接的擴展單元的數(shù)量和實際所能使用的I/O點數(shù)是多種因素共同決定的。（3）特殊功能模塊：當需要完成某些特殊功能的控制任務時，可與SIMATIC S7200主機相連，已完成某種特殊的控制任務而特制的一種裝置。（4）相關設備：相關設備是為了充分和方便的利用SIMATIC S7200系統(tǒng)的硬件和軟件資源而開發(fā)和使用的一些設備，主要有編程設備、人際操作界面和網絡設備等。（5）工業(yè)軟件：工業(yè)軟件是為更好的管理和使用這些設備而開發(fā)的與之相配套的程序，它主要有標準工具、工程工具、運行軟件和人機接口等幾大類構成。 CPU型號選擇（1）西門子CPU的介紹SIMATIC S7200的CPU模塊包括一個中央處理單元、電源以及數(shù)字I/O點，這些都被集成在一個緊湊、獨立的設備中。CPU負責執(zhí)行程序，以便對工業(yè)自動化控制任務或過程進行控制。輸入部分則輸出控制信號，控制工業(yè)過程中的設備。西門子第二代產品的CPU模塊位CPU 22*，是在本世紀初投放市場的。其速度快，具有極強的通訊能力。它具有四種不同結構配置的CPU單元。① CPU 221：CPU 221具有6輸入/4輸出，共計10個點的I/O，無擴展能力，有6KB程序和數(shù)據存儲空間。還具有4個獨立的30kHz高數(shù)計數(shù)器，2路獨立的20kHz高數(shù)脈沖輸出端，一個RS485通訊/編程端口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由通訊方式。非常適合小點數(shù)的控制系統(tǒng)。② CPU 222：CPU 222除了具有CPU 221的功能外，其不同在于：它有8輸入/6輸出，共計14點I/O，可以擴展8路模擬量和最多64個I/O,因此使更廣泛的全功能控制器。③ CPU 224：它在CPU 222的基礎上使主機的輸入輸出點數(shù)增為24點，最大可擴展為168點數(shù)字量或者35點模擬量的輸入和輸出；存儲量也進一步增加，還增加了一些數(shù)學指令和高數(shù)計數(shù)器的數(shù)量，具有較強的控制能力。④ CPU 226：這種模塊在CPU 224的基礎上功能又進一步增強，主機輸入和輸出點增加到40點，最大可擴展為248點數(shù)字量和35點模擬量；增加了通訊口的數(shù)量，通訊能力大大增強；它可用于點數(shù)較多、要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。（2）CPU型號的選擇 根據控制點數(shù)來計算，可以選用CPU226這個型號的CPU，CPU226有24輸入/16輸出，最大可以擴展為248點數(shù)字量或35點模擬量。其特點如下：① 集成的24V電源：可直接連接到傳感器和變送器、執(zhí)行器，可用作負載電源。② 高速脈沖輸出：具有2路高速脈沖輸出端，輸出脈沖頻率可達20KHZ，用于控制步進電機或伺服電機，實現(xiàn)定位任務。③ 通信口：CPU226具有2個RS485通信口，支持PPI、MPI協(xié)議，有自由口通信能力。④ 模擬電位器：CPU226有兩個模擬電位器，用來改變特殊寄存器中的數(shù)值，以改變程序運行的參數(shù)，如定時器、計數(shù)器的預設值，過程量的控制參數(shù)。⑤ 中斷輸入允許以極快的速度對過程信號的上升沿做出響應。⑥ 數(shù)字量輸入/輸出點：CPU226具有24輸入/16輸出，輸出點為24V直流雙向偶看光電耦合輸入電路，輸出有繼電器和直流兩種類型，可擴展模塊為7個。⑦ CPU226有6個30KHZ的高速計數(shù)器，用于捕捉比CPU掃描頻率更高的脈沖信號。 PLC模塊選型 由于S7200CPU226的集成24輸入/16輸出不能滿足設計的要求，所以又選用了EM221擴展模塊和EM235擴展模塊，正好滿足設計的需要。所選模塊型號如表23所示。表23 擴展模塊選型表系列號類別描述選型型號數(shù)量EM221輸入擴展模塊DI166ES72211BH220XA01EM235輸入/輸出擴展模塊AI4/AO16ES72350KD220XA02 由于CPU226的輸入點只有24個，不能滿足設計的輸入點的需要，所以加入一個EM221模塊，該模塊有16個數(shù)字輸入點，總體上可以滿足系統(tǒng)輸入的要求。另外加入兩個EM235模擬量輸入/輸出模塊是為控制水平和垂直運行的交流電機。： 系統(tǒng)總體結構圖 堆垛機變頻調速系統(tǒng)設計為了實現(xiàn)堆垛機的準確定位，提高存取效率和保證堆垛機的穩(wěn)定性，必須對堆垛機三個機構的速度進行合理有效的控制，由于水平和垂直運行電機分別采用三相交流異步電動機和單相交流異步電動機，所以對這兩個方向的速度控制采用閉環(huán)變頻調速控制。 變頻器的選型（1） 變頻的概念變頻器的工作原理是通過改變交流電頻率方式實現(xiàn)交流電的控制。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功率。主要特點如下：① 通過改變變頻器的輸出頻率實現(xiàn)對異步電動機的調速控制。② 在利用變頻器進行調速控制時，只需改變變頻器內部逆變電路換流器件的開關順序即可達到對輸出進行換向的目的，不需要設置專門的切換裝置。③ 高速驅動是變頻器調速控制的一個顯著優(yōu)點。④ 如果變頻器的容量允許的話，可以使用一臺變頻器同時驅動多臺電機。⑤ 采用變頻器對異步電動機進行啟動時，由于可以將輸出頻率降至一個很小的值起動，電動機起動電流很小，對電機會起到較好的保護作用。（2） 變頻器的分類按照主電路工作方式進行分類，變頻器可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器。電壓型變頻器的特點是將直流電壓源轉換為交流電源，而電流型變頻器的特點則是將直流電流源轉換為交流電源。① 電壓型變頻器。在電壓型變頻器中，整流電路或者斬波電路產生逆變電路所需要的直流電壓，并通過中間電路的電容進行平滑后輸出。整流電路和直流中間電路起直流電壓源的作用，而電壓源輸出的直流電壓在逆變電路中被轉換為具有所需頻率的交流電壓。在電壓型變頻器中，由于能量回饋給直流中間電路的電容，并使直流電壓上升，還需要有專用的放電電路，以防止換流器件因電壓過高而被破壞。② 電流型變頻器。在電流型變頻器中，整流電路給出直流電流，并通過中間電路的電抗將電流進行平滑后輸出。整流電路和直流中間電路起電流源的作用，而電流源輸出的交流電流在逆變電路中被轉換為所需要的交流電流，并被分配給各輸出相后作為交流電流提供給電動機。在電流型變頻器中，電動機定子電壓的控制是通過檢測電壓后對電流進行控制的方式實現(xiàn)的。（4） 變頻器的選型本文根據綜合考慮選擇西門子MM440變頻器，MM440型使用PID控制器，具PID微調等功能，MM440可用于矢量控制，可以實現(xiàn)高性能的應用，帶內置制動單元，可以快速制動。MM440變頻器各項參數(shù)指標如下：輸入電壓：3相380VAC，50Hz。輸入電流：。輸出功率：。輸出電壓：3相(0380)VAC可調。輸出頻率：(0650)Hz可調。輸出電流：。輸出控制：變頻器由微機處理器控制絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的脈沖寬度調制頻率，實現(xiàn)輸出電壓、頻率可調?？刂谱饔茫?，矢量—轉矩、光電編碼器反饋的速度控制等。數(shù)字量輸入：6路帶隔離的數(shù)字量輸入。數(shù)字量輸出：8路繼電器輸出。模擬量輸入：2路(0~10) 模擬量輸入。模擬量輸出：2路(0~20) 模擬量輸出。通訊接口：RS485通訊、USS協(xié)議。操作功能：AOP盤、BOP控制盤、電位器與外接端子操作。 水平方向變頻調速系統(tǒng)設計水平行走電機采用220W的三相交流異步電動機，運行速度要求為2m/min~360m/min，系統(tǒng)采用轉速閉環(huán)控制方式。S7200PLC的模擬量輸出信號作為MM440變頻器的模擬量輸入，來控制變頻器輸出頻率和輸出電壓的變化，從而控制三相異步電動機的運行；，構成閉環(huán)變頻調速系統(tǒng)。，為速度給定量，為PLC輸出的控制量，為變頻器輸出電壓，為被控量，控制算法為PID。 擾動 三相異步電動機（負載系統(tǒng)）變頻器主電路（IGBT逆變器） PLC控制器（PID算法） 光電編碼器反饋 PLC變頻調速閉環(huán)系統(tǒng)結構圖（1）運用指令系統(tǒng)中的PID指令，偏差信號按照PID算法計算出控制量，用傳送指令輸出電壓控制量到變頻器的模擬量輸入AIN1口。（2）運用指令系統(tǒng)中的HDEF、HSC指令，進行高速計數(shù)中斷程序設計，高速計數(shù)器設為HSC0和模式9，增計數(shù)，實時采集并存儲光電編碼器反饋的A、B兩相正交脈沖數(shù)。（3）在上位機監(jiān)控系統(tǒng)中，實時測取系統(tǒng)各參數(shù)和輸出特性，并能在上/下位機進行系統(tǒng)控制。（4）采用模塊化程序結構設計出控制程序，包括主程序、子程序和中斷程序。采用帶傳感器矢量控制閉環(huán)調速，能滿足像堆垛機這樣動態(tài)特性要求較高，并且在低頻時輸出高轉矩以及轉速精度要求較高的場合。由于堆垛機在工作過程中是頻繁啟動和停車的，在高速運行的狀態(tài)下還要求堆垛機能夠快速精準地停在目的地，因此在制動方面采用了動能制動，將電動機運行在發(fā)電狀態(tài)下所回饋的能量消耗在制動電阻中，從而達到快速停車的目的。根據控制系統(tǒng)的性能指標要求，三相異步電動機采用泰安伊萬福電機有限公司生產的系列6322型電機，額定功率300W，額定電壓380， 額定頻率50Hz， 轉速。變頻器參數(shù)設定如表24所示。 表24 變頻器參數(shù)設定參數(shù)號 設定值 功能說明P0003 3 專家模式，使能讀/寫所有參數(shù) P0004 0全參數(shù) P0700 2 外部按鈕或上位機啟動/停止系統(tǒng) P1000 2上位機或PLC程序給定設定 P1300 1帶磁通電流的V/f控制方式 P2010 6通訊波特率設為9600 P2011 0MM440變頻器通訊地址 垂直方向變頻調速系統(tǒng)設計垂直運行電動機采用200W的單向交流異步電動機，運行速度要求為2m/min~80m/min。垂直方向變頻調速系統(tǒng)與水平方向變頻調速系統(tǒng)結構相似，但是由于單相異步電動機和三相異步電動機有所區(qū)別，所以垂直變頻調速系統(tǒng)和水平變頻調速系統(tǒng)也有不同的地方。從結構上看單相異步電動機與三相籠型異步電動機相似，其轉子也為籠型，只是釘子繞組為單相工作繞組，但通常為起動的需要，定子上除了工作繞組外，還設有起動繞組，它的作用是產生起動轉矩，一般只在起動時接入，當轉速達到70%~80%的同步轉速時，由離心開關將其從電源自動切除，所以正常工作時只有工作繞組在電源上運行。但也有一些電容或電阻電動機，在運行時將起動繞組接于電源上，這實質上相當于一臺兩相電機，但由于它接在單相電源上，故稱為單相異步電動機。 單相異步電動機的突出特點是沒有啟動轉矩和固定的轉向。為此要設置啟動裝置，以及電機中產生一個與主磁場在空間和時間上不同相得磁場，從而形成一定大小的旋轉磁場以產生啟動轉矩。單相異步電動機因有反轉轉矩，與相同容量的三相異步電機比較，具有勵磁電流大、功率因數(shù)低、過載能力小、效率也比較低等缺點。但因其結構簡單、使用方便，使數(shù)瓦至三百瓦左右的小功率電機得以廣泛采用。 電容分組式單相異步電動機原理圖1— 工作繞組；2—起動繞組K—離心式開關；C—電容器單相交流電動機的變頻調速與三相交流電動機的變頻調速不同，將單相220V輸入、三相輸出的變頻器的三個輸出端子（U、V、W），接任意兩端。輸出單相變頻調速電源在輸出端上串上一個足夠電感量的電感，用于隔離電動機電容對變頻器的危害作用（同時對變頻器的高載波率起到一定的濾波作用），并保護電動機電容，此電路只適用于小功率單相電容運轉式和罩極式電動機，不適用于帶離心開關的單相電動機。另外，變頻器的輸出電壓和電動機的輸出電壓相匹配，變頻器要留有足夠的容量（應比電動機的使用功率大三倍）。串聯(lián)的電感要有足夠的電感量和通過電流的流量，電感的磁性材料應與變頻器的載波率相匹配。根據控制系統(tǒng)的性能指標要求，單相異步電動機選用許昌萬通電機制造有限公司生產的YY7112型電機，額定功率250W，效率67，額定轉速2800，堵轉電流10A。 變頻器與單相電容式運轉電動機的接線圖 堆垛機貨叉控制系統(tǒng)設計步進電動機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。步進電機定子的各相繞組按照一定的順序通電、斷電，從而帶動轉子