1、 山东交通学院毕业论文 基于 S7-200 的变频调速控制柜 设计与实现 院 (部、系 ) 信息科学与电气工程学院 专 业 电气工程及其自动化 届 别 2016 届 学 号 140817121 姓 名 孟凡洋 指导教 师 潘为刚 山东交通学院教务处 二一六 年六月 原 创 声 明 本人孟凡洋郑重声明：所呈交的论文“基于 S7-200 的变频调速控制柜设计”，是本人在指导老师潘为刚的指导下开展研究工作所取得的成果。除文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果
2、，尊重知识产权，并愿为此承担一切法律责任。 论文作者 (签字 )： 日期： 2016 年 6 月 10 日 I 摘 要 近些年来，交流变频调速技术在我国有了迅猛的发展，变频调速在调速范围、低速转矩、调速精度、功率因数、动态响应、通讯功能、智能控制、节约电能、工作效率、使用方便等方面的优异性能，是其他的交流调速方式无法比拟的。交流变频调速已逐渐取代了传统的滑差调速、变极调速、直流控制调速等调速系统，它以体积小、重量轻 、适用范围广、通用性强、可靠性高、保护功能完善、操作简便等优点，越来越广泛的应用于钢铁、石化、冶金、食品、矿山、医药、电力、纺织、印染、机械、建材、造纸等行业，使用变频器后经济效益
3、和社会效益非常显著。 本次设计是在熟悉西门子 WinccFlexible、 S7-200 编程软件、西门子 MM440 变频器、以及 USS 通信协议的基础上完成的。本文主要体现了 PLC 与变频器之间利用 USS 协议进行通讯，共同控制电动机调速，最终要实现的是利用触摸屏的监控界面可以控制 PLC 运行状态，能够监控电机的运转画面。文中重点介绍了组态界 面的制作及参数的设置、 USS协议的应用、 PLC 程序的编写过程及参数设置、变频器的参数设置、 PLC 与变频器的通信等。 PLC 和变频器是工厂实现远程控制，提高生产效率的重要硬件。采用 PLC 的优点就在于 PLC 的程序编程过程不是很
4、复杂。而组态软件又使得工厂在生产过程中能够远程监控设备的运行，能够及时有效的处理突发事件。 关键词： 西门子 PLC，变频器，触摸屏，变频调速 II Abstract In recent years, AC variable frequency speed control technology in the I state the development by leaps and bounds, excellent performance of frequency control of motor speed in the speed range, speed precision, dynam
5、ic response, low speed torque, communication, intelligent control, power factor, energy saving, work efficiency, convenient use and the like is unmatched by other AC speed control mode. AC variable frequency speed regulation have been gradually replaced by the traditions of the past slip speed, vari
6、able speed control, DC speed control speed system, it has the advantages of small volume, light weight, strong versatility, wide application range, perfect protection function, high reliability, easy to operate and so, more and more widely should used in iron and steel, metallurgy, mining, petrochem
7、ical, pharmaceutical, food, textile, printing and dyeing, machinery, electric power, building materials, paper and other industries, using frequency after the economic benefit and social benefit is very significant. The design is familiar with WinccFlexible, S7-200 programming software, SIEMENS MM42
8、0 inverter, as well as USS communication protocol based on the completion of the. This paper is mainly and between PLC and frequency converter using USS protocol connected, common control motor speed, and ultimately to achieve is using the touch screen monitoring interface can PLC control running st
9、ate, so it can monitor the motor of the operation of the screen. In this paper, the configuration interface of the production and parameters of the settings, the application of the USS protocol, the preparation process and parameters of PLC program settings, the parameters of the inverter settings,
10、PLC and frequency converter communication, etc. PLC and frequency converter are the important hardware to realize the remote control and improve the production efficiency of the factory. The advantage of using PLC is that the process of the PLC program is not very complex. And the configuration soft
11、ware makes the factory in the production process can monitor the operation of the equipment, and can effectively deal with emergencies. Key words： Siemens， Frequency Converter , HMI , VVVF IV 目 录 前 言 .1 1、绪论 .1 1.1 课题研究背景及其意义 .1 1.2 国内外研究现状 .1 1.3 论文研究的主要内容 .2 2、控制系统硬件设计 .4 2.1 硬件总体框架 .4 2.2 电动机概述与选
12、取 .5 2.2.1 电动机结构 .5 2.2.2 电动机选取 .6 2.3 PLC 概述与选取 .7 2.3.1 PLC 特点及其工作过程 .7 2.3.2 西门子 200 PLC 组件的选取 .8 2.3.3 模拟量输入输出模块（ EM235） . 11 2.4 变频器结构与选型 . 14 2.4.1 变频器概述 . 14 2.4.2 西门子变频器选择 . 15 2.4.3 MM440 变频器基本操作 . 17 2.5 设计用到的变送器 . 21 2.5.1 压力变送器 . 错误 !未定义书签。 2.5.2 温度变送器 . 错误 !未定义书签。 2.6 控制柜内部基本元器件 . 22 3、
13、控制系统软件设计 . 26 3.1 STEP 7 Micro/WIN 编程软件介绍 . 26 3.2 USS 通讯协议 . 26 3.2.1 USS 通讯概述 . 27 3.2.2 USS 通讯的参数设置 . 28 3.2.3 USS 库中指令介绍 . 28 3.3 PID 算法介绍 . 32 3.3.1 PID 控制算法 . 32 3.3.2 PLC 中的 PID 实现 . 33 3.3.3 PID 参数的自整定 . 36 3.4 程序设计 . 38 3.4.1 I/O 分配及其内存地址分配表 . 38 3.4.2 梯形图编写 . 39 3.4.3 变频器基本参数设置 . 49 3.5 抗干
14、扰措施 . 50 4、 控制系统组态设计 . 51 4.1 组态软件介绍 . 51 4.2 组态界面的设计 . 51 V 4.3 系统调试过程 . 57 结 论 . 58 致 谢 . 59 参考文献 . 60 1 前 言 变频调速系统具有精度高、范围宽和效率高的特点，是目前运用最广和最有发展前途的电机调速方式。交流电机变频调速系统种类很多，从上世纪提出的电压源型变频器开始，相继发展出了电流源型、脉宽调制型各种变频器。目前变频调速 主要方案有：交流 -交流变频，交一直一交变频，同步电动机自控式变频，直接转矩控制，正弦波脉宽调制，矢量控制等，同时无速度传感技术日益的成熟，许多智能技逐渐的渗透到其中
15、，如模糊控制、自适应控制、神经网络、专家系统等，与这些控制方式相结合，提高了变频器调速系统的控制效果。变频控制柜主要用于调节设备的工作频率，减少能源损耗，能够平稳启动设备，减少设备直接启动时产生的大电流对电机的损害。同时自带模拟量输入（速度控制或 反馈信号用）， PID 控制，泵切换控制（用于恒压），通信功能，宏功能（针对不同的场合有不同的参数设定） ，多段速等等。可广泛适用于工农业生产及各类建筑的给水、排水、消防、喷淋管网增压以及暖通空调冷热水循环等多种场合的自动控制。 变频控制柜是技术人员充分吸收国内外水泵控制的先进经验，经过多年生产和应用，不断完善优化后，精心设计制作而成。变频控制柜产品
16、具有过载、短路、缺相保护以及泵体漏水，电机超温及漏电 等多种保护功能及齐全的状态显示，并具备单泵及多泵控制工作模式，多种主备泵切换方式及各类起动方式。可广泛适用于工农业生产及各类建筑的给水、排水、消防、喷淋管网增压以及暖通空调冷热水循环等多种场合的自动控制。变频控制 柜内在质量优良，外形美观耐用，安装操作方便，是各类水泵安全可靠的伴侣。典型应用：恒压供水、空压机、风机水泵、中央空调、港口机械、机床、锅炉、造纸机械、食品机械等等。 本文通过对变频调速控制系统的设计，包括了可编程序控制技术应用、工业控制技术应用、变频器技术应用、触摸屏技术及组态软件技术的应用。并且重点对 PLC 和变频器的通信作了
17、完整的研究，将通信程序作了标准化设计。有一定适用价值，缩短了项目开发的周期。本设计基于“ PLC+变频器 +触摸屏”的控制思想，实现 SIEMENS S7-200 PLC 对 变频调速装置的控制，上位机采用 SIEMENS smart 700 触摸屏 。变频控制柜主要用于调节设备的工作频率，减少能源损耗，能够平稳启动设备，减少设备直接启动时产生的大电流对电机，泵等用电设备的损害。同时自带模拟量输入（速度控制或反馈信号用）， PID 控制，泵切换控制（用于恒压），通信功能，宏功能（针对不同的场合有不同的参数设定），多段速等等。可广泛适用于工农业生产及各类建筑的给水、排水、消防、冷热水循环等多种场
18、合的自动控制 。 山东交通学院毕业设计 1 1、绪论 1.1 课题研究背景及其意义 在工业生产中各种用电设备 并不是所有时间都是满负荷的运转，同时这些用电设备在启动时瞬间产生的大电流，强电压会对设备的一些精密部件产生损害，甚至影响设备的使用寿命。变频控制柜主要用于调节设备的工作频率，减少能源损耗，能够平稳启动设备，减少设备直接启动时产生的大电流对电机，泵等用电设备的损害。同时自带模拟量输入（速度控制或 反馈信号用）， PID 控制，泵切换控制（用于恒压），通信功能，宏功能（针对不同的场合有不同的参数设定），多段速等等。可广泛适用于工农业生产及各类建筑的给水、排水、消防、冷热水循环等多种场合的自
19、动控制 。 可编程控制器 (以下简称 PLC)是一种取代继电器盘的新的控制装置，在保留了继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代化生产线所要求的时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多高品质与功能。 PLC 系统构成灵活，以开关量控制 尤为突出 ； 同时 能进行连续过程 PID 的多 回路控制；实现生产过程综合自动化。 而且 使用方便，编程简单，采用简 单明了 的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言， 通俗易懂， 系统开发周期短，现场调试容易 。 能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力 很 强，可靠性 很高 ，远 远胜
20、于其他各种 控制 机型。 伴随着可编程序控制器的突飞猛进， HMI（人机界面）也在不停发展。它不仅可以 用于参数的设置、数据的显示和存储，还可以以曲线、图形等形式直观反映工业控制系统的流程，其稳定性与可靠性可以与 PLC 相当，能够在恶劣的工业环境中长时间运行，是现代工业控制系统中不可或缺的辅助设备。在价格方面，随着科学技术的突飞猛进，各种可编程序控制器与触摸屏的价格日趋低廉，但是功能日益强大。本文中所提到的触摸屏就是属于 HMI，现在触摸屏几乎成为人机界面的代名词。 1.2 国内外研究现状 国外交流 变频调速技术现如今具有以下主要几点特点： (1)在功率器件方面，近年来高电压、大电流的 SC
21、R、 GTO、 IGBT、 IGCT 等器件的生产使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为了现实。 (2)在微电子技术方面， 16 位、 32 位的高速处理器以及 DSP 技术的快速发展，为实现变频器多功能化、高精度提供了硬件基础。 (3)在控制理论方面，矢量控制、磁通控制、转矩控制、智能控制等新的控制理论为研究高性能变频器的发展提供了相关理论上的基础。 (4)在产品化生产方面，基础工业和各种制造业的高速发展，促进 了变频器相关配套产品的社会化、专业化生产。 孟凡洋：基于 S7-200 的变频调速控制柜的设计 2 在国家“八五”、“九五”科技攻关计划中，交流调速技术受到重视，被列为重点科技攻
22、关项目。但是我国电力半导体器件虽然经过好长时间的发展，其发展总体水平仍然很低，几乎不具备新型高科技产品的独立开发能力。 IGBT、 GTO 器件的生产虽然引进了一些国外技术，但一直未形成规模化的经济效益，变频器产品所使用的半导体功率器件的制造也几乎是空白，一定程度上影响了变频调速技术的发展。我国电气传动的技术水平从总体上看较国际先进水平差距 10-15 年。还有在大功率交 -交变频技术、无换向器 电机等等方面，国内虽然已经有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统的可靠性方面与国外相比起来，还有相当一段差距。在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是采用普通 V/F 控制，仅有少量采用矢量
23、控制，品种与质量还不能满足市场的需要，只能依靠大量进口产品满足市场的需求。同时 ,国外相关产业的工人成本相对很高 ,近几十年内 ,交流调速的制造业有向发展中国家转移的趋势 ,对于我国来说是一个难得的机遇。而我国国内也有一个巨大的市场 ,因此必须大力发展变频调速技术 ,把我国变频调速技术提高到一个新的发展水平 ,缩小与世界水平的差 距 ,提高自主开发的创新能力 ,满足国民经济的重点工程建设和市场的需求。同时应该规范我国的变频调速技术方面的标准 ,提高产品的可靠性及工艺水平 ,实现标准化、规模化的生产。 变频控制柜是技术人员充分吸收国内外水泵控制的先进经验，经过多年生产和应用，不断完善优化后，精心
24、设计制作而成。变频控制柜产品具有短路、过载、缺相保护以及泵体漏水，电机超温及漏电等多种保护功能及齐全的状态显示，并具备单泵及多泵控制工作模式，多种主备泵切换方式及各类起动方式。可广泛适用于工农业生产及各类建筑的排水、给水、消防、喷淋管网增压以及暖通空调 冷热水循环等多种场合的自动控制。变频控制柜内在质量优良，安装操作方便，外形美观耐用，是各类水泵安全可靠的伴侣。典型应用：恒压供水、中央空调、空压机、风机水泵、港口机械、机床、锅炉、造纸机械、食品机械等等。 1.3 论文研究的主要内容 本文通过对变频调速控制柜的设计，涵盖了可编程序控制器技术、工业控制计算机技术、触摸屏技术、变频器技术及组态软件技
25、术。并且重点对 PLC 和变频器的通信作了很完整的研究，将通信程序作了标准化设计。设计主要是针对小型自动化控制系统所作的一种控制方案，有一定适用价值，缩短了项目 开发周期。本设计基于“ PLC+变频器+触摸屏 ”的控制思想，实现 S7-200 PLC 对变频调速装置的控制，上位机采用 西门子 smart 700 触摸屏 。本设计具体实现的功能有： 、启、停控制功能：变频调速柜面板上设置变频启动按钮，变频停止按钮，用于变频装置运行控制，便于现场操作。 、手动调整：变频柜面板上设置频率调整电位器，可以方便手动调节变频器的输出频率，用以 手动控制电机转速 。 山东交通学院毕业设计 3 、表头显示：变
26、频柜面板上设置电流表 ,电压表和各种指示灯如电源指示，运行指示，报警指示，工频指示，实现对变频器输入电压、输出电流和各种工作状态监测。 、备用工频切换：当变频模式满足不了系统要求时，自动将电动机切换至工频运行。 、多种控制功能：可根据系统工况在变频柜面板上设置多种控制按钮和指 示灯如正转、反转、手动 /自动、电机增速、电机减速、变频 /工频、紧急停止等。 、 PID 连续调节：选用适当的压力变送器可实现系统恒压力的调节，本设计以某城市生活小区为例，对小区恒压供水的控制系统做了详细的设计与介绍。供水管道内的水压由压力传感器的信号 4-20mA 送入 PLC 控制器，利用 S7-200 软件内的
27、PID 编程向导，与用户设定的压力值进行比较，并将 PID 运算结果通过 USS 协议传送到变频器，以调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵的转速。西门子软件 内部自带的 PID 指令采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑和稳定。另外还有一路温度的采集，用于调节变频控制柜内部的温度，防止温度过高影响控制效果。 具体内容安排如下： 第一章 ：详细概述课题研究背景、意义及其国内外目前的发展趋势。 第二章 : 主要介绍本次设计的具体任务及硬件的选型部分。 第三章 : 重点介绍控制系统的软件设计，包括用到的通讯协议、编程算法、 PLC 程序、变频器参数设置等等。 第四章：详细介绍了系统的组态设计过程。 第五章：结论与总结。
