资源描述
摘 要目前，各种自动化技术手段并行发展、相互融合，为工业控制提供了多种可行的技术途径。可编程序控制器技术、工业控制计算机技术、分布式控制系统、数控系统、人机面技术以及各种嵌入式控制器系统的快速发展进一步提升了工业自动化技术的发展水平。在工业自动化控制领域的发展过程中，变频器的使用越来越受人们的关注。但是变频调速具有一定的技术难度，人们需要一个慢慢了解和熟悉的过程。变频器的使用最主要的个特点就是节能和降低成本，许多传统的耗能设备都要进行技术改造。所以变频调速技术的推广有着十分重要的现实意义。同时，随着PLC的不断发展，使得工业自动化控制更加的准确、方便、安全和可靠。把PLC和变频器结合起来一起对电机传动进行控制，实现远程监视网络控制系统。在实际工程中，有的企业已实现了全车间或全厂的综合自动化，即将不同厂家生产的可编程设备连接在单层或多层网络上，相互之间进行数据通信，实现分散控制和集中管理。因此，通信与网络已经成为控制系统不可缺少的重要组成部分，也是控制系统的设计和维护的重点和难点之一。在小型自动化控制系统中，USS协议通信是一种很成功的解决力一案，能显示出具有硬件逻辑简单、抗十扰能力强的特点，可以实现车间级的现场总线网络控制。本文介绍了自动化控制技术的综合应用，将各种通用的自动化技术与实践优化结合，将SIEMENS公司的S7-200 PLC不口变频器应用于铜大拉机的自动控制中，通过基于USS协议的RS485总线进行组网，进行PLC和变频器对电机的控制，其中PLC和变频器之间的通信设计最为关键。并日_将其作了标准化的设计，可以应用于多个自动化控制系统中，大大节约了项目的开发时间和成本，在实际应用中取得了良好的效果。关键词：自动化控制，USS协议，变频器，PLC，通信ABSTRACTRecently, many ways of automation technology develop together, which provides a series of technology solution for Industry Controlling. The development of the technology of Programmable Logic Controller, Industry Personal Computer, distribution Control System, HMI,EMCU upgrades industry automation technology.In the process of the industrial automation control development, the use of frequency converter is gradually concerned. The use of frequency converter is difficult, we need some time to understand it. The advantage of frequency converter is that it can reduce the power source and cost, many traditional equipments will be reconstructed at the technical problem. So the frequency converter technology which is popularized has a significant social meaning.At the same time, with the development of PLC, the industry automation is become more precision,more convenience, safer and more credibility. PLC is together with transducer to control the engine, realizing the long-distance watch network control system.In the proj ects, the synthetical automation of the whole workshop or factory have come true in many enterprises. Some programmable equipments of different companies that linked in single layer or sevaral layers of network could communicate each orther, which can be controlled in distibution or in concentration. So, communication and nets have been important to controlling systems, and the difficulty and priority of the designing of automation systems. In small automation control system, communication based on USS protocal is a good solution, which has simple hardware logic, good resistance of interferences. And in this way the field-can-controling of whole-workshop come true.This article discussed comprehensive application of automation control technology, combination of practices and many automation control technologies in common use, and that the 57-200 PLC and frequency converter of SIEMENS is applied to cupper block controling system. The PLC and frequency converter control the engine, which is based on the USS consultation RS485 to make network. The design of the communication between PLC and frequency converter is the most important. The article introduces a standard design, which could be applied to a series of automation systems. It could save the period and cost of the projects, which have gotten accomplishtion in a degree.Key words: Automation control, USS protocol, transducer, PLC, Communication目 录第一章 PLC简介11.1 PLC的原理11.2 PLC的特点2第二章 通用变频器原理32.1 变频器的工作原理32.1.1 变频器的基本结构和原理32.1.2 变频器的控制方式42.2 变频器的类别52.2.1 根据变频环节的不同的分类52.2.2 根据主电路工作方式分类52.2.3 根据电压的调制方式分类5第三章 控制系统的设计73.1 系统的硬件介绍73.1.1 变频器73.1.2 光电编码器9第四章 系统通信设计和调试104.1 通信方式的选择104.2 PLC之间的通讯124.2.1 NETR（网络读）和NETW（网络写）指令124.2.2 通信程序的设计144.3 PLC与变频器的通讯154.3.1 USS协议154.3.2 USS通信数据格式和编程要求164.3.3 S7-200的接收和发送指令（XTM/RCV）184.3.4 设计通信程序194.4 PLC和变频器的通信20第五章 结束语21致 谢22参考文献23 第一章 PLC简介1.1 PLC的原理可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称为，是20世纪60年代末逐步发展起来的一种以计算机技术为基础的新型工业控制装置，专门为工业环境应用而设计制造的计算机9。近几年来，PLC技术在各种工业过程控制、生产自动线控制及各类机电一体化设备控制中得到了极为广泛的应用，成为工业自动化领域中的一项十分重要的应用技术。PLC的硬件系统由中央处理单元、存储器、输入输出电路等组成，软件系统由系统程序和用户程序组成。由于顺序控制是PLC的主要功能，因此输入端以开关量部件按钮、继电触点、限位开关等为主，输出端多为继电器、电磁阀线圈和指示灯等，其工作过程总可分为三个阶段:输入采样(处理)、程序执行和输出刷新(处理)。 外部设备CPU存储器电源输入接口输出接口通讯接口外部输入外部输出 图1.1是控制系统图PLC采用循环扫描的工作方式。在输入采样阶段，PLC以扫描方式顺序读入所有输入端的通断状态，并将此状态存入输入映像寄存器。在程序执行阶段，PLC按先左后右、先上后下顺序，逐条执行程序指令，从输入映像寄存器和输出映像寄存器读出有关元件的通断状态，根据用户程序进行逻辑、算术运算，再将结果存入输出映像寄存器中。在输出刷新阶段，将输出映像寄存器的通断状态转存到输出锁存器，向外输出控制信号，去驱动用户输出设备。上面三个阶段的工作过程称为一个扫描周期，然后又重新执行上述过程，周而复始地进行。扫描周期一般为几ms到几十ms。由PLC的工作过程可见，PLC执行程序时所用到的状态值不是直接从输入端获得的，而是来源于输入映像寄存器和输出映像寄存器.因此PLC在程序执行阶段，即使输入发生变化，输入映像寄存器的内容也不会改变，要等到下一周期的输入采样阶段才能改变。同理，暂在输出映像寄存器中的内容，等到一个循环周期结束，才输送给输出锁存器。所以，全部输入、输出状态的改变需要一个扫描周期。PLC是以扫描方式循环、连续、顺序地逐条执行程序。任何时刻，它只能执行一条指令，也就是说，是以“串行”方式工作。PLC的这种串行方式可避免继电器控制系统中触点竞争和时序失配的问题。1.2 PLC的特点PLC的高可靠性和强抗干扰性，平均无故障时间一般可达35万小时，而且PLC的环境适应性也很能强，这是PLC得到广泛应用的重要原因之一。高可靠性的主要措施有:良好的综合设计;选用优质器件;采用隔离、滤波、屏蔽等抗干扰技术;采用先进的电源技术;采用实时监控技术和故障诊断技术:采用冗余技术及良好的制造工艺。编程简单，最常用的编程语言是梯形图语言。梯形图与继电器原理图类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识，便于广大现场工程技术人员掌握。当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便灵活。在大型中还有高级编程语言以满足各种不同控制对象和不同使用人员的需要。通用性强，各个的生产厂家都有其各种系列化的产品、各种模块供用户选择。用户可根据控制对象的规模及控制要求，选择合适的产品，组成所需要的控制系统。在进行应用设计时，一般不再需要用户制作其它任何附加装置，从而使设计工作简化。体积小、结构紧凑、安装维修方便，体积小，重量轻，便于安装。一般PLC都具有自诊断、故障报等、故障种类显示等功能，便于操作和维修人员检查，可以较容易通过更换模块插件来迅速排除故障。它与被控制对象的硬件连接方式简单、接线少，便于维护。在应用PLC系统设计时，应遵循以下的基本原则，才能保证系统工作的稳定:（1）最大限度地满足被控对象的控制要求；（2）系统结构力求简单，控制系统能方便的进行功能扩展、升级；（3）系统工作要稳定、可靠，人机界面友好。第二章 通用变频器原理2.1 变频器的工作原理2.1.1 变频器的基本结构和原理变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。变频器的基本构成如图3.1所示，其主电路主要由整流电路、直流中间电路和逆变电路三部分以及有关的辅助电路组成14。其中整流电路将电网的交流电源进行整流后给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路是变频器的最主要的部分之一。它的主要作用是在控制电路的控制下将直流中间电路输出的直流电压(电流)转换为具有所需频率的交流电压(电流)。逆变电路的输出即为变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。与主电路相对应，为主电路提供所需驱动信号的电路称为变频器的控制电路。控制电路的主要作用是根据事先确定的变频器控制方式，产生进行V/f或电流控制时所需要的各种门极驱动信号或基极驱动信号。此外，变频器的控制电路还包括对电流、电压、电动机速度进行检测的信号检测电路，为变频器和电动机提供保护的保护电路，对外接口电路和对数字操作盒的控制电路。图2.1：变频器的基本结构框图频率和电压可调交流电交流电电网电源整流电路直流中间电路逆变电路控制电路变频器主控制电路的中心是一个高性能的微处理器，并配以PROM、RAM、ASIC芯片和其它必要的周边电路。它通过A/D、D/A等接口电路接收各种检测信号和参数设定值，并进行处理。它主要完成以下任务:(1)输入信号的处理;输入信号包括频率(速度)指令信号和运行、停止、正转、反转的操作控制信号。指令信号有两种:模拟指令信号:010V的电压指令信号或420mA的电流指令信号;数字指令信号:来自RS232C、RS-485(通常为选件的数字信号。本系统中PLC输入变频器的信号为420mA模拟指令信号，此信号经过A/D变换器转变为数字信号后送入微处理器。(2)加减速速率调节功能:(3)运算处理等7。主电路驱动电路是为变频器逆变电路的换流器件提供驱动信号。信号检测电路是将变频器和电动机的工作状态反馈至微处理器，并由微处理器进行处理后为各部分电路给出所需的控制信号和保护信号，以达到控制变频器的输出和为变频器及电动机提供必要的保护的目的。而保护电路是由微处理器来判断变频器本身或系统是否出现了异常，异常时则进行各种必要的处理，包括停止变频器的输出。变频器的保护功能包括对变频器的输出，对驱动电动机8的保护和对系统的保护三个方面的内容。变频器的种类较多，但是工作原理类似，以交-直-交电压型变频器为例，简要介绍其工作原理。交-直-交电压型变频器是中小容量、通用型变频器的主要形式，其主电路如图3.2所示。它由交-直变换电路、直-交变换电路和能耗制动电路组成。 图2.2：“交-直-交”变频器的主电路2.1.2 变频器的控制方式作为变频调速系统的核心-变频器的性能越来越成为调速性能优劣的决定因素，在交流变频器中常用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。1.v/f控制即u/f=c，正弦脉宽调制(SPWM)控制方式。v/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。2.转差频率控制转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在v/f控制的基础上，按照知道异12步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩8。3.矢量控制(磁场定向法),又称VC控制矢量控制变频调速的做法是:将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流通过三相等效成两相静止坐标系下的交流电流再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。4.直接转矩控制，又称DTC控制该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。2.2 变频器的类别2.2.1 根据变频环节的不同的分类1.交-直-交变频器先将频率固定的交流电通过整流电路“整流”成直流电，再通过逆变电路把直流电“逆变”成频率任意的可调的三相交流电。2.交-交变频器不通过中间直流环节而把电网频率的交流电直接变换成不同频率的交流电，仅用一次变换就实现变频。交-交变频器与交-直-交变频器相比，有以下优点：（1）只有一次变流，提高了变流效率；（2）低频时，输出接近正弦波。主要缺点：（1）接线复杂，使用的晶闸管较多；（2）受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低；（3）采用相控方式，功率因数较低。2.2.2 根据主电路工作方式分类交-直-交变频器可以分为电压型变频器和电流型变频器。1.电压型变频器在电压型变频器中，逆变电路所需要的支流电压是由整流电路或者斩波电路输出，通过直流中间电路的电容进行滤波平滑后产生的，在逆变电路中被变换为所需频率的交流电压。在电压型变频器中，还需要有专用的放电电路，防止由于能量回馈给电容时直流电压上升，使变流器件因电压过高而被损坏。2.电流型变频器在电流型变频器中，整流电路给出直流电，并通过中间电路的电抗进行滤波后使电流平滑输出，在逆变电路中，被变换为所需频率的交流电流提供给电动机。电流型控制方式更适合于大容量变频器。2.2.3 根据电压的调制方式分类1.正弦脉宽调制（SPWM）变频器电压的大小是通过调节脉冲宽度与脉冲占空比来实现的。2.脉幅调制（PAM）变频器电压的大小是通过调节直流电压幅值来实现的。3.变频调速控制系统的优势在现代的工业调速控制装置中，为了满足各种工作速度的要求，目前常用的调速传动方法有:机械式有级调速传动、电气和机械配合的有级调速、电气无级调速。根据拖动系统采用的调速电动机种类不同，电气无级调速系统分为直流调速和交流调速两种类型。第三章 控制系统的设计控制系统核心是PLC控制部分，包括接受触摸屏传送的逻辑点和数据，两个PLC的数据交换，传送数据对变频器实现控制。控制系统结合了Siemens公司提供的S7-200的控制方案和以往项目的控制系统设计方案而设计的，设计的控制系统通信图见第5章。该项目在小型自动化项目中是比较复杂的控制系统，因此次方案能实现要求比较高的控制。硬件系统的设计是根据大拉机的具体情况而定的，以达到系统高的稳定性，可靠性和操作简单的目的。3.1 系统的硬件介绍3.1.1 变频器根据铜大拉机设备的现场生产工艺需要，这里选择了西门子1台6RA70和6台6SE70系列的变频器，分别用来控制主机，退火牵引，左、右收线和圈收7台电动机的启/停，频率设定等，以达到控制要求。图4.2是主机变频器的接线图，其余变频器接线与此相似要实现变频器控制电机，且与PLC之间实现USS通讯，就需要设置变频器的参数下面列出了一些参数的意义：P558.1端子7，设定值18，急停；P568.1端子8，设定值20，点动值P448设定为5%，点动；P554.1端子9，设定值22，启动；P443.1端子15，设定值11，主给定；P640.1端子19、20，设定值148，转速显示；P640.2端子21、20，设定值148，速度反馈；P130，设定值11，编码器反馈；P151，编码器脉冲数；P131端子29、30，设定值0或3，视电机温度传感器具体情况而定，同时调整P380P381参数；P368设定值4，USS通讯；P702设定值4，过程控制字长；P703设定值4，参数控制字长；P701设定值38400，波特率；P700.1，地址（从站地址）；P707.1、P707.2，设定值32、33，报警字送PLC；电机参数：P101，电机电压；P102，电机电流；P104，功率参数；P105，电机功率；P107，电机频率；P108，电机转速；P462，上升时间；P464，下降时间。 图3.1：主机调速器接线图3.1.2 光电编码器光电编码器通常分为增量式光电编码器、绝对式光电编码器、以及将两者结合在一起的混合式光电编码器。根据现场需要，我们选择了增量式光电编码器，西门子6SE6440-2UD31-8DA1。增量式光电编码器由以下四个基本部分组成:光源、转盘(动光栅)、遮光板(定光栅)和光敏元件。转动圆盘上刻有均匀的透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期。遮光板上刻有与转盘相应的透光缝隙，以用来通过或阻挡光源和位于遮光板后面光敏元件之间的光线。通常，遮光板上所刻制的两条缝隙使输出信号的点角度相差90度，即所谓两路输出信号正交。在增量式光电编码器中还备有用作参考零位的标志脉冲或指示脉冲，圆盘每转动一周，只发出一个标志脉冲。因此，在转动圆盘和遮光板相同半径的对应位置上刻有一道透光缝隙。标志脉冲通常与数据通道有着特定的关系，用来指示机械位置或对累计量清零。光电编码器的分辨能力是以编码器转动一周所产生的输出信号基本周期数，也就是用脉冲数/转(ppr)表示的，并以此定义为编码器的分辨率。在工业电气传动中，根据不同的应用对象，可选择分辨率为5005仪旧脉冲/转的光电增量编码器。根据现场实际需要，我们选择了分辨率为2048脉冲/转的光电编码器，完全满足我们的实际需要。电机尾端安装一个编码器，信号反馈回变频器，组成一个速度闭环。第四章 系统通信设计和调试4.1 通信方式的选择西门子S7系列PLC中的S7-200 CPU支持多种通信协议。根据所使用的S7-200 CPU，网络可以支持一个或多个协议，包括通用协议和公司专用协议。专用协议包括：点对点（Point-to-Point）接口协议（PPI）、多点（Multi-Point）接口协议（MPI）、自由通信接协议、Profibus协议和USS协议。S7-200 PLC有很强的通信功能，有多种通信方式可供选择，如单主站方式、多主站方式和远程通信方式等。（1）单主站方式在单主站方式的通信网络中，PC作为单一主站，S7-200作为从站，两者之间通过PC/PPI电缆连接，系统连接示意图如图5.1所示。这样可以实现点对点通信、监控、参数设定、编程等。（2）多主站方式在多主站方式下，通信网络中有多个主站，一个或多个从站，系统连接示意图如图5.2所示。图中，带CP卡的计算机、文本显示器TD200及操作面面板OP15是主站，S7-200的各CPU是从站。 图4.1:单主站通信方式（3）远程通信方式单主站方式通过调制解调器与一个或多个作为从站的S7-200 CPU相连。（4）自由端口通信方式由用户程序来控制CPU的串口通信。用户可以利用发送/接收中断、发送/接收指令来控制通信的操作，实现与打印机、CRT、条形码阅读器等设备的通信。通信方式按照实际的要求进行选择，通信电缆和接口（如RS-232、RS-485、25-pin to9-pin Adapter）则需要硬件的支持。表5.1是S7-200所支持的通信硬件及波特率，可供用户选择。此外，S7-200还可以通过EM277PROFIBUS-DO模块连接到PROFIBUS-DP现场总线网络，各通信卡提供一个与PROFIBUS网络相连的RS-485通信口。表4.1 STEP7-Micro/WIN32支持的硬件配置支持的硬件类型支持的波特率（Kbit/s）支持的协议PC/PPI电缆电线连接器，与PC通信口连线9.6,19.2PPI协议CP5511类型，PCMCIA卡9.6,19.2, 187.5用于笔记本电脑的PPI，MPI协议，及PROFIBUS协议CP5611PCI卡MPI集成在PG/PC的ISA卡内用于PC的PPI,MPI及PROFIBUS协议图4.2多主站通信方式图4.3：通过Modem的远程通信方式在该大拉机的工艺装置要求的基础上，我们定义了项目的网络通信方式，它有一个触摸屏TP270作为上位机，可用带有STEP7-Micro/WIN32的PC机监控，两个S7-200 PLC并两者之间有通信，以及7个西门子的调速变频装置。将触摸屏TP270和带有STEP7-Micro/WIN32的PC机作为主站，采用多主站的方式，站地址分别设为0和1，两个PLC设为2和3，带EM277模块设为2与主站通信，并作为PLC之间通信的主站，7个调速变频装置的地址分别为4-10，通信设计图如图5.4所示。 4.2 PLC之间的通讯4.2.1 NETR（网络读）和NETW（网络写）指令两台PLC的CPU之间的数据通信是用NETR（网络读）和NETW（网络写）指令来实现的。西门子S7-200 PLC的NETR和NETW的指令格式如图5.5所示. TBL：缓冲区首地址,操作数为字节；PORT：操作端口，CPU226可为0或1，其他CPU只能为0图5.5: 网络读/网络写指令格式网络读（NETR）通信指令，通过指令指定的通信端口（PORT）从远程设备上接收数据，并将接收到的数据存储在指定的缓冲区表（TBL）中。网络写（NETW）通信指令，通过指令的通信端口（PORT）向远程设备写入指令指定的缓冲区表（TBL）中的数据。缓冲区表（TBL）的参数定义如表5.2所示，其中“字节0”的各标志位及错误码（4位）的含义见表5.3。 表5.2缓冲区的参数定义地址定义字节0DAE0错误码字节1远程的地址（被访问的PLC地址）字节2远程站的数据指针（指向远程PLC存储区中数据的间接指针）字节3字节4字节5字节6数据长度116（远程站点被访问数据的字节数）字节7数据字节0接收或发送数据区，1-16个字节，其长度在字节6中定义执行NETR后，从远程读到的数据放在这个数据区；执行NETW后，发送到远程站的数据放在这个数据区字节8数据字节1字节22数据字节15 表5.3缓冲区首字节标志位的定义标志位定义说明D操作已完成0=未完成，1=功能完成A激活（操作已排队）0=未激活，1=激活E错误0=无错误，1=有错误错误码0无错误1超时错误远程站点无响应2接收错误有齐偶错误，帧或校验和出错3离线错误重复的站地址或无效的硬件引起冲突4队列溢出错误多于8条NETR/NETW指令被激活5违反通信协议在SMB30中不允许PPI就试图执行NETR/NETW命令6非法的参数NETR/NETW表中包含非法或无效的参数值7没有资源远程站点忙（正在进行上装或下载操作）8第7层错误违反应用协议9信息错误错误的数据地址或数据长度错误4.2.2 通信程序的设计在该项目中，按照通信方式的设计模式选择PLC1的端口0与PLC2的端口0作为两个PLC之间的通道进行3个字节的数据传输。PLC1作为PLC间通信的主站，站地址为2，PLC2为从站，站地址为3，因此，在PLC1中编写通信程序，用NETR/NETW指令来分别读取PLC2的数据和向PLC2写入数据，而PLC2不需要通信程序。表5.4是PLC1的网络读写缓冲区的地址定义。表5.4 PLC1的缓冲区定义文字意义状态文字远程站地址远程站数据区指针数据长度数据字节NETW缓冲区VB4100VB4101VD4102VB4106VB4107NEYR缓冲区VB4110VB4111VD4112VB4116VB4117通信程序编程中需要利用寄存器SMB30和SMB130进行S7-200 PLC CPU的通讯端口、 通信协议以及波特率的设置，寄存器SMB30控制端口0的自由通讯；SMB130控制端1的自由口通讯。可以从SMB30和SMB130读取或向SMB30和SMB130写入。这些字节配置各自的通讯端口，进行自由口操作，并提供自由口或系统协议支持选择，见附录所示。4.3 PLC与变频器的通讯4.3.1 USS协议USS协议（Universal Serial Interface Protocol通用串行接口协议）是SIEMENS公司所有传动产品的通用通讯协议，它是一种基于串行总线进行数据通讯的协议，可支持变频器同PC或之间建立通信连接。USS协议是主-从结构的协议，规定了在USS总线上可以有一个主站和最多30个从站；总线上的每个从站都有一个站地址（在从站参数中设定），主站依靠它识别每个从站；每个从站也只对主站发来的报文做出响应并回送报文，从站之间不能直接进行数据通讯。另外，还有一种广播通讯方式，主站可以同时给所有从站发送报文，从站在接收到报文做出相应的响应后可不回送报文。西门子的S7-200提供USS协议的指令，用户使用指令可以方便地实现对变频器的控制，常常适用于规模较小的自动化系统。该自动化系统中利用USS协议以主从方式够成工业监控网站，在网络内有一个主站，1-31个从站，各站点有惟一的标识码识别，然后用一个主站（PC，西门子）进行控制，包括变频器的启/停、频率设定，参数修改等操作，总线上的每个传动装置都有一个从站号（在参数中设定），主站依靠它识别每个传动装置。使用USS协议的优点：1.对硬件设备要求低，减少了设备之间的布线。2.通信速率高，可达187.5kbit/s。对于有十个调速器，每个调速器有6个过程数据需要刷新的系统，的典型扫描时间周期为几百毫秒。3.具有极高的快速性和可靠性。数字化的信息传递，提高了系统的自动化水平及运行的可靠性，解决了模拟信号传输所引起的干扰及漂移问题。4.可通过串行接口设置或改变传动装置的参数,无需重新连线就可以改变控制功能。5.可实时的监控传动系统。在使用USS协议通讯时，其通讯系统的硬件连接主要要求如下：1.条件许可的情况下，USS主站尽量选用直流型的CPU（针对S7-200系列）。2.一般情况下，USS通讯电缆采用双绞线即可（如常用的以太网电缆），如果干扰比较大，可采用屏蔽双绞线。3.在采用屏蔽双绞线作为通讯电缆时，把具有不同电位参考点的设备互连会在互连电缆中产生不应有的电流，从而造成通讯口的损坏。要确保通讯电缆连接的所有设备，或是共用一个公共电路参考点，或是相互隔离的，以防止不应有的电流产生。屏蔽线必须连接到机箱接地点或9针连接的插针1。建议将传动装置上的0V端子连接到机箱接地点。4.尽量采用较高的波特率，通讯速率只与通讯距离有关，与干扰没有直接关系。5.终端电阻的作用是用来防止信号反射的，并不用来抗干扰。如果在通讯距离很近，波特率较低或点对点的通讯的情况下，可不用终端电阻。多点通讯的情况下，一般也只需在USS主站上加终端电阻就可以取得较好的通讯效果。6.建议使用CPU226(或CPU224+EM277)来调试USS通讯程序。7.不要带电插拔USS通讯电缆，尤其是正在通讯过程中，这样极易损坏传动装置和的通讯端口。如果使用大功传动装置，即使传动装置掉电后，也要等几分钟，让电容放电后，再去插拔通讯电缆。针对USS协议通信方式的常用USS主站和从站的性能对比见表5.6和表5.7。表5.6 常用USS主站的性能产品通讯接口最大通讯波特率CPU22X9芯D型插头115.2KbpsCPU31XC-PTP15芯D型插头19.2KbpsCPU340-C15芯D型插头9.6KbpsCPU341-C15芯D型插头19.2Kbps 表5.7 常用USS从站的性能产品PKW区PZD区Bico终端电阻通讯接口最大通讯波特率MM3/ECO3 固定2固定NONO9芯D型插头或插头19.2KbpsMM410/4200，3，4，1270YESNO端子57.6KbpsMM430/4400，3，4，1270YESNO端子115.2KbpsSimoreg6RA700，3，4，1270YESYES9芯D型插头或插头115.2KbpsSimovert6SE700，3，4，1270YESYES9芯D型插头或插头115.2Kbps4.3.2 USS通信数据格式和编程要求USS协议是以字符信息为基本单元的协议，而CPU22X的自由口通讯功能和CPU31XC-PTP的RS422/485串行口正好也是以ASCII码的形式来发送接收信息的。利用这些CPU的RS485串行口的通讯功能，由用户程序完成USS协议功能，可实现与SIEMENS传动装置简单而可靠的通讯连接。USS协议的通信字符格式为一位起始位、一位停止位、一位偶校验位和八位数据位。数据报文最大长度位256个字节，它包括3字节的头部、一字节的校验码和主数据块，数据块按照字的方式组织，高字节在前。通信数据报文格式如图5.6所示。STXLGEADR12.NBCC图5.6：通信数据报文格式其中：STX起始字符，位02Hex；LGE报文长度，为n+2（3n254）；ADR从站地址码，bit0-bit4表示从站地址，bit5为1表示广播发送，bit6为1表示镜象发送，用于网络测试，bit7为1表示特殊报文；BCC校验字符，为从STX开始所有字节的异或和。在一帧内完成过程控制数据传输的同时，可以通过指定参数号完成设备控制参数的读写。数据块由参数值域（PKW）和过程数据域（PZD）组成，二者都为变长数据，其格式如图5.7所示。PKWPZDPKEINDPWE1PWEnPZD1PEDn图5.7数据块格式其中：PKW域参数值域，由参数识别码、子参数号和参数值构成，参数个数根据设备的定义最大可有124个字；PZD域过程控制数据域，包括控制字/状态字，设定值/实际值，不同的驱动产品定义不同，最多可有16个字符；PKE参数标识码，PNU（bit0-bit10）表示参数号，SP（bit11）为参数改变标志，由从站设置；AK（bit12-bit15）为报文类型，主站-从站和从站-主站各有16种不同的报文类型；IND用来指定某些数组型设备参数号的子参数号。编程要求：a)USS主站（）与USS从站（传动装置）之间的通讯是异步方式的，负责与传动装置通讯的工作程序应采用后台工作方式，如何发送接收数据应与控制逻辑无关。用户程序通过改变USS报文中的STW及HSW的值，来控制变频器的启停及改变设定频率值。b)利用发送指令（如XMT，P_SEND，P_SND_RK）发送USS报文至传动装置，利用接收指令（如RCV，P_RCV，P_RCV_RK）接收变频器返回的USS报文。同一时刻，只能有一个发送指令或接收指令被激活。c)USS通讯程序包括通讯端口初始化子程序、BCC校验码计算子程序、数据发送子程序、数据接收子程序、通讯超时响应子程序、通讯流程控制子程序等。可采用中断响应的方式，也可用查询相应标志位的方式来实现。d)设立发送接收数据缓存区与映像区，用户应通过改变映像区的USS发送报文值来控制传动装置，或通过读取映像区USS接收报文中的状态值来判断传动装置的当前状态。以防止因干扰而接收到错误数据而使做出错误的判断和控制e)对各从站的控制应采取轮询方式，轮询程序同样也是后台工作方式工作的。根据对各台传动装置控制任务的轻重，在数据区内建立一个从站地址表，按该地址表轮询各传动装置。采用间接寻址的编程方式，可大大节省CPU的程序空间。d)轮询地址表示例，如图5.8所示，虽然，USS协议的实际物理地址只有30个，但轮询地址表的大小无限制，其有效站地址可以在表中根据实际应用需要反复出现。实际轮询站点数越多，其轮询的间隔时间也越大，而表中站地址重复次数越多，其轮询的间隔时间越小，因此必须为每个传动装置设定适当的通讯超时时间以适应这种轮询间隔。USS从站轮询地址表121314图5.8轮询地址f)不同USS从站可以有不同的USS报文结构，如3 PKW+2 PZD；4 PKW+4 PZD；0PKW+6 PZD等组合。但整个系统要支持广播方式，则USS网络中的所有从站都必须有相同的PKW区才行。传动装置对以广播方式发送的指令做出响应后，不再回送报文，因此可以不再进入数据接收状态。4.3.3 S7-200的接收和发送指令（XTM/RCV）发送和接收指令如图5.9所示 图5.9：发送与接收指令(1)发送指令发送指令XMT（Transmit）启动自由端口模式下数据缓冲区（TBL）的数据发送，通过指定的通信端口（PORT），发送存储在数据缓冲区（TBL）中的信息。XMT指令可以发送1255个字符如果有中断程序连接到发送结束事件上，在发送完缓冲区中的最后一个字符时，端口0会产生中断事件9，端口1会产生中断事件26。数据缓冲区（TBL）按照通信协议要求的格式。(2)接收指令接收指令RCV（Receive）初始化或中止接收信息的服务，通过指定的通信端口（PORT），接收信息并存储在数据缓冲区（TBL）中。数据缓冲区中的第一个字节用来累计接受到的字节数，它本身不是接收到的，起始字符和结束字符是可选项。4.3.4 设计通信程序在系统中有7台西门子的变频调速装置，其中与PLC1连接着3台，与PLC2连接着4台，因此在PLC1和PLC2的程序中都有与变频调速装置的通信程序。在这里，为了通信程序的通用性与标准化的目的，将PLC通过USS协议与变频调速装置的通信设计成4PKW+4PZD，它是子程序，通过主程序的调用来实现。通信程序的设计思路是利用发送指令XMT启动自由端口模式下数据缓冲区（TBL）的数据发送，通过指定的通信端口，发送存储在数据缓冲区（TBL）中的信息；接收指令RCV初始化或中止接收信息的服务，通过指定的通信端口，接收信息并存储在数据缓冲区（TBL）中。为了实现其通用性，在通信程序中将通信端口及波特率都设置成多种选择。根据USS协议的字符格式和实际工程中一般要求将报文长度设置成20字节，数据块长度为16，起始地址为VB4201，数据缓冲区的定义如图5.10所示。接收的数据缓冲区起始地址为VB4251，数据块长度也为16字节。按照S7-200支持的通信协议，将PLC1的通信端口1设置成自由口模式通过USS协议的报文格式与变频器的USS端口进行数据交换。根据表5.4寄存器SMB30和SMB130的定义设置特殊存储器字节SMB130，在这里设为16#49，转化为二进制为：0101001，即：偶校验，波特率=9600bit/s，自由端口协议。该程序的POU符号表见表5.8。VB4200VW4201VB4203VW4212VW4214VW4216VW42180001010000000010 STX00010010 LGEADR数据块长度=16字节LGE=16+22016#0212#Driver.NO从站地址PKW#W_PZD1#W_PZD2#W_PZD3#W_PZD4在主控程序中将数据写入通信子程序定义的数据符图5.10：数据缓冲区的定义表5.8程序POU符号表编号符号地址注释1主程序OB1主程序2IO-CtrlSBR0I/O点逻辑控制程序3COM-NetSBR1NETR/NETW4COM-IniSBR2USS通信的参数设置5TAL-XmtSBR5通信字符格式的TAL表6TIME-IntINT0通信中断时间7SED-OverINT1发送中断事件8RCV-OverINT2接收中断事件4.4 PLC和变频器的通信PLC到变频器之间用通讯电缆连接，利用两台PG/PC可以监控PLC能够顺利地读取和写入变频器的通信数据，在PLC上的PG/PC中写入数据，在变频器的P701的16个字节中可以读取，相反PLC和TP270上能读取变频器的控制字和状态字，及报警信息。从可编程控制的模拟量输出端输出电压，用一根屏蔽电缆接到变频器的模拟量输入端，实现频率的改变。由于可编程控制器和变频器在一个柜子里，柜子里还有其它的高压器件，所以抗干扰问题尤其严重。首先考虑到由于用电缆传输，在电缆上有电压降问题，这在实际中必需解决的问题。考虑控制柜里有很多的高压器件，干扰问题，基于这些问题，我们专门做了测试。从PLC中发出数据，在变频器中观测数据的变化，看看和实际的差距多大。测试以后，数据变化不是太大，我在程序里做了一下微小的调整，整个数据从PLC中传输到变频器中误差可以满足实际需要。利用PG/PC可以监控PLC能够顺利地读取和写入变频器的通信数据速度控制的关键所在，从变频器到电机之间的传输必须保证速度的一致性。电机运转的转速要和变频器中给定的数值一致，才能保证剪切的精度。实际运转了以后，我们实测到速度的变化，在变频器中修改参数，使速度的误差减小到最小，满足实际生产的需要。从电机尾端编码器反馈回来的数据，和实际数据相比较，调整以后，转速的实际数值满足生产需要。整个系统经过测试，调整了各部分之间的差距，达到了厂家要求的各项要求，完全满足生产需要。第五章 结束语本文介绍了自动化控制技术的综合应用，将各种通用的自动化技术与实践优化结合，从铜大拉机设备的PLC和变频器自动控制系统入手，介绍了PLC和变频器在工业自动化控制的应用状况，介绍了控制系统的通信方式和通信设计，将西门子S7-200 PLC和西门子变频器利用USS协议通信作为一个典型的控制方案，做了通信程序的标准化设计。通过上述设计，本论文的主要工作和结论是：(1)涵盖了目前基础自动化和过程自动化中的典型自动控制技术手段或装置，可编程序控制器技术、变频器技术。(2)利用工业通信网络和西门子公司提供的其工业控制产品所支持的通讯方式和通讯协议，设计自动化控制系统的通信方式。(3)USS协议是SIEMENS公司所有传动产品的通用通讯协议，它是一种基于串行总线进行数据通讯的协议，可支持变频器同PC或PLC之间建立通信连接。对USS协议作了很深入的研究，将两者之间的通信部分设计成标准化，可以在多个项目中直接应用。综上所述，本设计的重点是PLC和变频器的通信方式设计，并且经过了调试，符合要求，已经应用在多个同规模的项目中，达到了目的。 参考文献1蒋方炎.PLC在工业集散控制系统中的应用M.北京:冶金工业出版社,2000.2李国厚,PLC原理与应用设计.北京:化学工业出版社,2005.3杜坤梅，李铁才.电机控制技术M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2002.4王云亮.电力电子技术. M北京:电子工业出版社,2008.5王常力,罗安.集散控制系统选型与应用M.北京:清华大学出版社,1996.6宋书中.交流调速系统.北京:机械工业出版社,2004.7高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例M.北京:人民邮电出版社,2004.8邹金慧.可编程控制器及其系统M.重庆:重庆大学出版社,2002.9柴瑞娟,陈海霞.西门子PLC编程技术及工程应用.北京:机械工业出版社,2006.10龚仲华.S7-200/300/400 PLC应用技术.北京:人民邮电出版社,2006.11王占奎.变频调速应用百例M.北京:科学出版社,1999.12张燕宾主编.变频调速应用实践M.北京:机械工业出版社,2004.13黄俊,王兆安编.电力电子变流技术M.北京:机械工业出版社,2003.14胡崇岳主编.现代交流调速技术M.北京:机械工业出版社,2000.15李永东.交流电机数字控制系统.北京:机械工业出版社,2004.16宋银宾.电机拖动基础M.北京:冶金工业出版社,1987.17汤蕴璆,史乃.电机学M.北京:机械工业出版社,200 18刘美俊.变频器应用与维护技术M.北京:中国电力出版社,2008. 5719李训铭.PLC在纸板生产自动化系统中的应用J.自动化技术与应用,2003:21-24.20袁照平.自动检测技术M.北京:机械工业出版社,2008.21Getriebebau NORD GmbH&Co.KG.NORDAC SK 700E Manual USSprotocolJ.Decemb
展开阅读全文