【正文】 ructed at the technical thefrequency converter technology which is popularized has a significant social thesame time,with the development of PLC,the industry automation is bee more precision 、 more convenience 、 safer and more is together with transducer to control the engine,realizing the longdistance watch work control system. In the projects,the synthetical automation of the whole workshop or factory have e true n many programmable equipments of different panies that linked in ingle layer or sevaral layers of work could municate each orther,which can be controlled in distibution or in ,munication and s have been important to controlling systems,and the difficulty and priority of the designing of automation systems. In small automation control system,munication based on USS protocal is a ,which has simple hardware logic,good resistance of in this way the fieldcancontroling of wholeworkshop e article discussed prehensive application of automation control technology,bination of practices and many automation control technologies in mon use,and that the S7200 PLC and frequency converter of SIEMENS is applied to cupper block controling PLC and frequency converter ontrol the engine,which is based on the USS consultation RS485 to make design of the munication between PLC and frequency converter is the most article troduces a standard design,which could be applied to a series of automation could ave the period and cost of the projects,which have gotten acplishtion in a degree. Key words:Automation control,USS protocol,transducer,PLC,CommunicationIII.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 3 第 1 章 緒論 課題研究的背 景 在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的發(fā)展過(guò)程中，控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng) (DCS:Distribution Control System)、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) (FCS:Fieldbus Control System)。它的出現(xiàn)使傳統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)生了劃時(shí)代的變革，網(wǎng)絡(luò)化的操作系統(tǒng)開(kāi)始流行，并發(fā)揮了巨大的作用。 目前，在工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化 技術(shù)應(yīng)用中，自動(dòng)化控制系統(tǒng)廣義上按功能可分為三個(gè)層次，見(jiàn)圖 ，分別是基礎(chǔ)自動(dòng)化、過(guò)程自動(dòng)化和管理自動(dòng)化，核心是基礎(chǔ)自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化。 本文要闡述的是電線、電纜用銅線的拉拔設(shè)備的自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的一種可能是將兩道工序合并在一條生產(chǎn)線上。物流處理系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)線盤(pán)搬運(yùn)和信息加工使兩道或兩道以上的生產(chǎn)工序的生產(chǎn)過(guò)程協(xié)調(diào)一致，從而得到均衡的河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 4 物料流動(dòng)和機(jī)器的高利用率。 過(guò)程控制系統(tǒng)由可編程序控制器和工業(yè)計(jì)算機(jī)組成，通過(guò)可編程序控制器對(duì)生產(chǎn)線的運(yùn)行進(jìn)行控制；通過(guò)工業(yè)計(jì)算機(jī)跟蹤生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)情況，對(duì)生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行管理；該系統(tǒng)還可通過(guò)屏幕實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì) 話。生產(chǎn)線能儲(chǔ)存大量的工藝文件，以便迅速調(diào)換產(chǎn)品，并能持續(xù)監(jiān)察和記錄產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面的描述。十幾年來(lái)國(guó)產(chǎn)拉絲機(jī)水平有了穩(wěn)步的提高，并已系列化除拉線速度尚有一定差距外，連續(xù)退火、快速換模、雙盤(pán)收線、拉絲鼓輪等離子噴涂等先進(jìn)技術(shù)已得到應(yīng)用。例如一些大拉機(jī)采用浸 沒(méi)式乳濁液潤(rùn)滑系統(tǒng)，提高銅線的表面質(zhì)量，延長(zhǎng)鼓輪和模具的壽命；改進(jìn)大拉連續(xù)退火裝置中導(dǎo)輪和退火輪的布置，簡(jiǎn)化導(dǎo)線路徑，降低操作高度，便于穿線和維護(hù)保養(yǎng)；主齒輪箱采用標(biāo)準(zhǔn)化的模塊結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)用戶訂貨要求組合成不同拉制道數(shù)的拉絲機(jī)。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)的綜合發(fā)展，出現(xiàn)了新型、通用的自動(dòng)化控制裝置 PLC。在工業(yè)控制中，交流電機(jī)的拖動(dòng)控制越來(lái)越多地采用變頻器完成，而它也不僅僅作為一個(gè)單獨(dú)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而是隨著其不斷的智能化，可以同上位計(jì)算機(jī)之間可以通過(guò)各種通信方式結(jié)合成一個(gè)有機(jī)的整體。大拉機(jī)的工藝流程如圖 所示。自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)是指能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)，它一般由控制裝置和被控對(duì)象構(gòu)成，如圖 所示。 同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)控制迅速地被推廣和普及 ，相當(dāng)多的企業(yè)已經(jīng)在大量地使用各式各樣的可編程設(shè)備，如工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、 PLC、變頻器、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、柔性制造系統(tǒng)等。因此，通信與網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分，也是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和維護(hù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一 。并且重點(diǎn)對(duì) PLC 和變頻器的通信作了很完整的研究，將通信程序作了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的主要思路是基于 USS 協(xié)議，實(shí)現(xiàn) SIEMENS S7200 PLC 對(duì)變頻調(diào)速裝置的控制，上位機(jī)采用 SIEMENS TP270 觸摸屏及 Protool 組態(tài)語(yǔ)言。 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 6 第 2 章 PLC 簡(jiǎn)介 PLC 的原理 可編程邏輯控制器（ Programmable Logic Controller）簡(jiǎn)稱為 PLC，是 20 世紀(jì) 60 年代末逐步發(fā)展起來(lái)的一種以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置，專門(mén)為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)。 PLC 的硬件 系統(tǒng)由中央處理單元、存儲(chǔ)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。圖 是 PLC 控制系統(tǒng)圖。在輸入采樣階段， PLC 以掃描方式順序讀入所有輸入端的通斷狀態(tài)，并將此狀態(tài)存入輸入映像寄存器。在輸出刷新階段， PLC 將輸出映像寄存器的通斷狀態(tài)轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器，向外輸出控制信號(hào)，去驅(qū)動(dòng)用戶輸出設(shè)備。掃描周期一般為幾 ms 到幾十 ms。同理，暫存在輸出映像寄存器中的內(nèi)容，等到一個(gè)循環(huán)周期結(jié)束，才輸送給輸出鎖存器。 PLC 是以掃描方式循環(huán)、連續(xù)、順序地逐條執(zhí)行程序。 PLC 的這種串行方式可避免繼電器控制系統(tǒng)中觸點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)和時(shí)序失配的問(wèn)題。 編程簡(jiǎn)單， PLC 最常用的編程語(yǔ)言是梯形圖語(yǔ)言。當(dāng)生產(chǎn)流程需要改變時(shí)，可以現(xiàn)場(chǎng)改變程序，使用方便靈活。 通用性強(qiáng)，各個(gè) PLC 的生產(chǎn)廠家都有其各種系列化的產(chǎn)品、各種模塊供用戶選擇。在進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，一般不再需要用戶制作其它任何附加 裝置，從而使設(shè)計(jì)工作簡(jiǎn)化。一般 PLC 都具有自診斷、故障報(bào)等、故障種類(lèi)顯示等功能，便于操作和維修人員檢查，可以較容易通過(guò)更換模塊插件來(lái)迅速排除故障。 歸納起來(lái)， PLC 的特點(diǎn)有： （ 1）可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，而且 PLC 采用了許多硬件和軟件抗干擾措施。一些 PLC 還根據(jù)具體問(wèn)題設(shè)計(jì)了如步進(jìn)梯形指令等， 進(jìn)一步簡(jiǎn)化了編程。 （ 4）適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境，采用封裝的方式，適合于各種震動(dòng)、腐蝕、有毒氣體等的應(yīng)用場(chǎng)合。 （ 6）功能完善、通用性強(qiáng)、體積小、能耗低、性能價(jià)格比高。隨著其性能價(jià)格比的不斷提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，主要有以下幾個(gè)方面： (1)開(kāi)關(guān)量邏輯控制 PLC 最基本的功能是邏輯運(yùn) 算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等，可實(shí)現(xiàn)邏輯控制，常常用來(lái)取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。 (2)運(yùn)動(dòng)控制 PLC 使用專用的指令或運(yùn)動(dòng)控制模塊，對(duì)直線運(yùn)動(dòng)或圓周運(yùn)動(dòng)的位置、速度和加速度進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)單軸、雙軸、 3 軸和多軸聯(lián)動(dòng)的位置控制，使運(yùn)動(dòng)控制與順序控制功能有機(jī)結(jié)合在一起。 (3)閉環(huán)過(guò)程控制 閉環(huán)過(guò)程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。 SIEMENS 的S7300/400 有閉環(huán)控制模塊、用于閉環(huán)控制的系統(tǒng)功能塊和閉環(huán)控制軟件包供用戶選用。 (4)數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代的 PLC 具有整數(shù)四則運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、字邏輯運(yùn)算、求反、循環(huán)、移位、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算等運(yùn)算功能，和數(shù)據(jù)傳 送、轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 9 第 3 章 通用變頻器原理 變頻器的工作原理 變頻器的基本結(jié)構(gòu)和原理 變頻器是把工頻電源 (50Hz 或 60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備。其中整流電路將電網(wǎng)的交流電源進(jìn)行整流后給逆變電路和控制 電路提供所需要的直流電源，直流中間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路是變頻器的最主要的部分之一。逆變電路的輸出即為變頻器的輸出，它被用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。控制電路的主要作用是根據(jù)事先確定的變頻器控制方式，產(chǎn)生進(jìn)行 V/f 或電流控制時(shí)所需要的各種門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)或基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 變頻器主控制電路的中心是一個(gè)高性能的微處理器，并配以 PROM、 RAM、 ASIC芯片和其它必要的周邊電路。它主要完成以下任務(wù) :(1)輸入信號(hào)的處理 。指令信號(hào)有兩河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 10 種 :模擬指令信號(hào) :0～ 10V的電壓指令信號(hào)或 4～ 20mA的電流指令信號(hào) 。本系統(tǒng)中 PLC 輸入變頻器的信號(hào)為 4～ 20mA 模擬指令信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過(guò) A/D 變換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)后送入微處理器。 主電路驅(qū)動(dòng)電路是為變頻器逆變電路的換流器件提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 而保護(hù)電路是由微處理器來(lái)判斷變頻器本身或系統(tǒng)是否出現(xiàn)了異常，異常時(shí)則進(jìn)行各種 必要的處理，包括停止變頻器的輸出。 變頻器的種類(lèi)較多，但是工作原理類(lèi)似，以交 直 交電壓型變頻器為例，簡(jiǎn)要介紹其工作原理。它由交 直變換電路、直 交變換電路和能耗制動(dòng)電路組成。 在 SPWM 變頻器中，大多數(shù)采用橋式全波整流電路。但對(duì)這些整流器件有一定的選擇原則： （ 1）最大反向電壓 Ｕ RM =2Ｕ M (3_1) 式中， Ｕ M為電源線電壓的振幅值。 （ 2）最大整流電流 Ｉ MAX = 2Ｉ N (3_2) 式中， Ｉ N為變頻器的額定電流。因?yàn)殡娊怆娙萦休^大的離散性，故電容C1 和 C2 的電容量不會(huì)完全相等，這樣使得它們承受的電壓 Ｕ C1 和Ｕ C2 不相等。 （ 2）限流電路 圖 中，串接在整流橋和濾波電容之間，由一個(gè)限流電阻 Rs 和一個(gè)短路開(kāi)關(guān) S組成。當(dāng)變頻器剛接入電源的瞬間，將有一個(gè)很大的沖擊電流經(jīng)整流橋流向?yàn)V波電容，使得整流橋可能因此受到損壞，同時(shí)，也可能使得電源瞬間電壓明顯下降，形成干擾。 2）短路開(kāi)關(guān) S 限流電阻 Rs 如果長(zhǎng)期接在電路內(nèi)，會(huì)影響直流電壓 UD 和變頻器輸出電壓的大小。 直 交變換電路 三相逆變橋的功能就是把直流電變換成頻率可調(diào)的三相交流電，其基本結(jié)構(gòu)由逆變電路和續(xù)流電路組成。 SPWM 是指在進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，使得脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來(lái)安排。這樣的電壓脈沖系列可以使得負(fù)載電流中的諧波成分大為減少，故稱為正弦波脈寬調(diào)制（ SPWM）。 圖 中 u r 為正弦調(diào)制波， u t 為等腰三角載波，每半周期內(nèi)所有三角波的極性均相同。 （ 2）集電極最大電流 ICM = 2IMAX （ 34） 式中 , UMAX 為輸出電流的最大值。 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 13 能耗制動(dòng)電路 （ 1）電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài) 在頻率剛減少的瞬間，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨之下降，而由于機(jī)械慣性的原因，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)速未變。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)距變成了制動(dòng)轉(zhuǎn)距，使得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速下降。 （ 2）變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作狀態(tài) 電動(dòng)機(jī)再生的電能經(jīng)圖 中的續(xù)流二極管（ VD7～ VD12）全波整流后反