基于PROFIBUS_DP的伺服驱动设计与调试毕业设计.doc

学号 127301137 苏州市职业大学 毕业设计 题目题目 基于 profibus dp 的伺服驱动设计与调试 学生姓名： 专业班级： 学院 (部)： 电子信息工程学院 校内指导教师： （副教授） 校外指导教师： 仲清清（生产部班长） 完成日期： 2015 年 5 月 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 摘摘 要要： 运动控制系统在数控机床中的应用，主要采用永磁同步交流伺服电机运动 控制整个系统。此实验室用的西门子 s120 进行实验，伺服驱动控制器对伺服电 机进行控制，用 s120 控制伺服电机直接进行驱动，本课题的核心是进行预定轨 道的设定，这样的话系统会稳定，控制效果比较不错。 伺服控制器 profibus-dp 接口的引入，提高了工业自动化运动控制的水平， 使伺服电机在工业控制网络中的通信与控制更为方便、灵活和可靠，实际情况 已证明这种控制方式效果好。 profibus-dp 总线和伺服控制系统在工业控制中应用非常广泛，这为带 profibus-dp 总线接口的伺服控制器提供了广阔的应用前景。 关键字：自动化控制 伺服传动 s120 profibus-dp 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 abstract： the application of motion control system in cnc machine tools, mainly adopts synchronous ac servo motor motion control system of the permanent magnet. the siemens s120 laboratory experiment, the contr- oller to control the servo motor drive, s120 control servo motor dir- ect drive, the core of this topic is the orbit of the set, if such a system will be stable, the control effect is good. servo controller is the introduction of profibus-dp interface, raised the level of industrial automation control, servo motor in the industrial control network of communication and control is more convenient, flexible and reliable, good effect in actual situation has proved that this control method. profibus-dp bus and servo control system is widely used in industrial control, for the belt profibus-dp bus interface of servo controller provides a broad application prospect. keywords: automatic motion control servodrive s120 profibus-dp 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 目录目录 1.1.引言引言1 1 2.2.概述概述2 2 2.1 运动控制系统的现状.2 2.2 西门子的工业网络体系.2 2.3 profibus-dp .3 2.4 设计内容及工作安排.4 3.3.设备的选型设备的选型6 6 3.1 plc 基本单元 7 3.2 控制单元的选型.8 3.3 电机选型11 3.4 触摸屏12 3.5 电气图14 4.4.软件系统设计软件系统设计1616 4.1 系统的编程 .16 4.2 调试18 总结总结2323 致谢致谢2424 参考文献：参考文献：2525 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 1 1.引言引言 随着工业自动化技术和通信网络技术的飞速发展，plc 应用领域大大扩展， plc 技术已经成为自动化行业核心应用技术。西门子 s-7300plc 是目前市场占 有率极高的大中型 plc，在工业上广泛应用。 profibus 是一种国际化、开放式、不依赖于生产商的现场总线标准，广泛 应用于工业自动化领域。其中profibus-dp是一种高速(数据传输速9.6kbit/s- 12mbit/s)经济的设备级网络，主要用于现场控制器与分散 i/o 之间的通信，可 满足交直流调速系 统快速响应的时间要求。由于其高可靠性、高性能、实时性 好及其独特的设计，已被几乎全部的生产厂商和用户所接受。 伺服电机具有结构紧凑性,比较容易控制,能够稳定运行,反应快等优越性, 越发成为现代工业自动化的一个重要运动控制的操作。在实际控制 profibus- dp 被广泛应用运用 profibus 总线对伺服的控制具有很重要的现实意义。 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 2 2 概述概述 2.1 运动控制系统的现状运动控制系统的现状 运动控制系统是机械运动的驱动装置，电机为控制对象，控制器为核心， 与执行器，电力电子装置的电力改造，电气传动控制系统的引导下自动控制理 论。这种系统来控制电机的转矩，速度和角度，将电能转换成机械能，进行机 械运动要求的运动。 在电气时代，汽车已在现代化的生产和生活中起着非常重要的作用。不仅 在交通运输，医疗保健，商业和办公，并在家电和消费电子产品，各种电机的 广泛应用。从直流到交流电机控制系统，开环闭环，从模拟到数字，是基于网 络的发展过程中 pc 机和运动控制的伺服控制系统，每个进程的发展在很大程度 上，促进了运动控制系统的发展。 近年来，伺服驱动控制的产品开始走向了机械类的舞台上，所以机械了的 产品的数量和质量成为了我们最关心的问题。因此，近年来许多厂商开始使用 通用伺服驱动控制系统，使得通用伺服驱动控制产品在之前许多冷门的产业中 逐渐的发展起来了。 2.2 西门子的工业网络体系西门子的工业网络体系 一般来说,企业通信网络可以分为三个层次:企业和车间级和现场级水平。 企业通信网络为企业的高层管理人员,企业的生产和管理数据,提高企业的管理 水平。车间级通信网络之间的企业层次和领域之间的水平。它的主要任务是解 决不同的进程之间的通信需要协调工作在车间,通信速度可以传输大量的数据和 少量的控制数据。 西门子工业控制网络主要由 as-i,工业以太网、现场总线, ,eib 总线组成。 (1)as-i 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 3 asi 接口是开放的国际标准 en50295，用于现场级小数据量的传送。 (2)eib 欧洲安装总线是一种特殊的现场总线标准使用在智能建筑领域,具有开放性 的特点,可操作性和灵活性。可以通过编程改变 eib 总线智能设备功能,它不仅 可以完成诸如开关、控制、监测等,还可以根据不同的需求进行组合。 (3) profibus profibus 总线是一种国际标准 iec61158 111型的一部分,它定义了连续的 现场总线系统的技术特点。从字段级控制器的串行总线单元分布式数字可编程 网络。根据应用特点,现场总线分为:现场总线,profibus-fms - dp 和 profibus - pa 三个版本兼容。现场总线不仅适用于工厂自动化和过程自动化,也适用于 交通工程、发电、输电和配电等。 (4)工业以太网 具有 profinet 是基于 ieee 802.3(以太网)强大的区域单位和网络,是一个 重要的国际标准 iec61158的一部分。pno 具有 profinet,是一个全面的现场总 线系统垂直整合、开放和一致的解决方案。工厂自动化和企业信息管理技术有 机地结合起来,并充分保留了现有开放的现场总线。 2.3 profibus-dp 传统的现场级与车间级与控制系统主要特点之一是，现场级的设备与控制 器之间的连接是一对一的。所谓 i/o 接线方式，即传递420ma 或 dc24v 信号。 主要有以下缺点: 信息集成能力不强 系统不开放，可集成性差，专业性不强 可靠性不易保证 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 4 可维护性不高 由于现场级设备信息不全，现场级设备的在线故障诊断，报警，记录功能 不全。另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定，修改等参数化功能，影 响了系统的可维护性。 随着通信技术的发展，结构简单，成本低廉，和远程传输的串行通信方式 在工业控制领域得到了广泛的应用。具有串行通信接口的设备如果采用了统一 的通信协议，便可以通过一对一双绞线来实现现场信号的传输。 基于现场总线的控制系统使用一根通信电缆，将所有的具有统一的通信协 议通信接口的现场设备连接，这样的话，在设备层传递的不再是 i/o 信号，而 是基于现场总线的数字化通信，由数字化通信网络构成现场级与车间级自动化 监控及信息集成系统。其具有以下优点： 增强现场级信息集成的能力 开放式，互操作性，互换性，可集成性 系统可靠性提高，可维护性好 降低了系统及工程成本 profibus 由 profibus-dp, profibus-fms 和 profibus-pa 三个部分构成。 其中，profibus-dp 用来分散外设与控制设备间的高速数据传输，适和用于加 工自动化领域；profibus-fms 适用于纺织，楼宇自动化,plc 和抵押开关等，适 合用于一般自动化；profibus-pa 是过程自动化设计的总线类型，使用的是扩 展的 profibus-dp 协议，还描述了现场设备行为的 pa 行规，适合用于过程自动 化。 2.4 设计内容及工作安排设计内容及工作安排 本课题以西门子的先进运动控制系统设备为平台，通过上位机软件对 plc 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 5 进行编程，并通过伺服驱动控制器进一步控制伺服电机，利用西门子的软件， 对系统的硬件及软件进行组态，并且将触摸屏添加到系统中，最终实现利用触 摸屏来控制伺服电机。 基于之前的系统组态，在软件中进行编程，控制伺服电机的速度、相对运 动的速度与位置、绝对运动的速度与位置以及同步运动的速度与速度比，实现 了基本的定位功能。 本课题的重点是对西门子先进运动控制系统的软硬件的熟悉，因此前期所 花费的时间比较多，在熟悉了软硬件之后，接下来是对控制对象确定控制方案， 在控制方案的选取上，进行了多个方案的比较，最终确定对电机进行相对运动、 绝对运动以及同步运动的控制。在程序编写的时候，软件方面遇到了一些难题， 由于对西门子的编程软件不是非常的熟悉，编程也花了许多时间，在指导老师 的帮助下，解决了编程时遇到的问题与困难，最后实现了课题的研究内容。 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 6 3.设备选型设备选型 sinamics s120 是西门子新一代的驱动控制系统，它是集 v/f、矢量和伺服 控制于一体的驱动系统，多轴资源共享的理念和模块化的设计使得它能实现高 效而又复杂的运动控制，其性能远远超过同类系统。控制系统的组成如图所示。 图 3.1 sinamics s120 驱动控制系统组成图 图 3.2 sinamics s120 驱动控制系统实际图 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 7 3.1 plc 选型选型 plc 选型一般根据以下几个方面： 合理的结构形式，plc 主要有的是整体式与模块式这两种结构形式。模 块式 plc 性能好但价格贵，相比整体式 plc 性能虽然有所降低但价格 实惠，适和用于普通运用，所以这次设计选用整体式 plc。 相应功能的要求，小型的 plc 的有逻辑运算、计数、定时等功能对于常 规控制要求完全可以满足，对于一些简单的模拟量运用，只需添加 a/d、d/a 模块即可，所以选用小型的 plc。 响应速度要求，plc 是为工业自动化设计的通用控制器，不同 plc 的响 应速度一般都能满足它应用范围内的需求。这次设计只是普通运用， 所以选用常规 plc。 i/o 点数，i/o 点数需根据实际控制要求并留有一定的余量，点数过多 会浪费，点数过少会导致系统不能完成控制要求，所以合适的点数很 重要。 西门子s7-300系列的plc 有许多种，本课题选用的是cpu315t-2dp，实物如 图2-1所示。该控制器集成运动控制功能，在西门子传统的运动控制系统中，采 用s7 cpu 加 fm353/354/357-2 定位模块来实现运动控制。用户不仅需要花费 许多的时间学习复杂的 nc 编程语言， cpu315t-2dp 则讲这些功能都集成在了 simatic s7-300t-cpu technology 系统固件中，因此不需要话费大量的时间和 精力去解决这些问题，所以本课题选用cpu315t-2dp作为系统的控制器。 cpu315t的优点有： 具有中等规模的程序存储容量和程序框架 对二进制和浮点数运算具有较高的处理能力 集成的profinet 接口 组合了mpi/profibus dp- 主/ 从接口 在profinet 上实现基于组件的自动化 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 8 图3.3 cpu315t-2dp实物图 3.2 控制单元选型控制单元选型 sinamics推动西门子新一代产品,它将逐步取代现有的驱动系统 masterdrives和simodrive系列对象,如图3 - 2。sinamics s120 sinamics之一 驱动系统具有模块化设计,可以提供高性能单引号和双轴驱动,和广泛的工业应 用。由于其灵活、高性能、sinamics s120轴的驱动系统和性能需求的数量不断 增长的应用完美的满足。联合国大会模块和sinamics s120可以扩大选择各种各 样的应用程序控制单元(cu)执行一个司机操作过程操作和控制功能,并提供一个 连接到主机控制器接口。sinamics s120有以下模块: 电源模块为直流母线提供电源； 电机模块逆变器，为电机提供运行电源； 交流驱动器功率模块其内置了电源模块； 直流母线模块为其他模块提供稳定的直流电源； 网侧功率元件模块例如熔断器，接触器，电抗器，滤波器 。 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 9 图3.4 sinamics s120 驱动控制器实物图 电源模块 电源模块是我们常说的整改或整改/反馈单元,它是三相交流到直流电源模 块,电机,反馈功能模块也可以直流反馈给电网。根据是否有反馈功能和反馈模 式,电源模块分为以下三种: 基本类型电源模块:整流单元,但没有反馈功能。地面上的制动单元可以实 现快速制动。blm 是三相交流变成直流,只能依靠制动单元和制动电阻实现制动。 这本书分为 blm 类型(20 千瓦,40 千瓦,100 千瓦)和内阁(200 千瓦、250 千瓦), 内阁类型,请参考其他的相关信息。内部冷却和冷板 blm 型两种类型的书籍,有 两种电源电压内阁:blm 380 - 480 真空吸尘器和 480 660 vac。在实际应用程 序中,blm 必须安装电网和电力之间的对应反应堆。 智能功率模块(slm:智能模块,也称为非稳压电源模块):整流/反馈单元,但 直流总线电压可调。slm 是三相交流变成直流,直流电源网格,但直流总线电压 不能调整,所谓的非稳压电源模块。5 千瓦和 10 千瓦 slm,终端 x22:2 选择是否 需要能量反馈;16 千瓦和 36 千瓦 slm,可以选择是否需要反馈的能量通过参数。 电力供应是不允许返回,也可以连接一个电阻和制动单元实现制动。5 千瓦和 10 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 10 kw slm 由终端控制,而 16 千瓦和 36 千瓦的 slm 由 drive-cliq 控制接口,在接 口和数据交换主要控制单元。slm 的供电电压 380480 v,5-36kw 功率范围。在 实际应用程序中,必须安装相应的网格和 blm 之间动力反应堆。36 千瓦 slm,我 们建议使用过滤器。 有功功率模块(alm:主动线模块,也称为稳压电源模块):整流/回馈单元,和 直流总线电压可调。alm 是三相交流变成直流,直流电源网格,和直流母线电压 的闭环控制,所谓的稳压电源模块。较 blm 和 slm,因为 alm 可以调整直流总线 电压,因此,即使电网电压波动和 alm 整流器可以维护总线电压的稳定。电力供 应是不允许返回,也可以连接一个电阻和制动单元实现制动。主控制单元通过 drive-cliq 接口集成在 alm 进行控制。这本书 alm 类型,供电电压是 380 - 480 v,权力是 16 - 120 千瓦。内阁 alm 类型,当电源电压 380 - 480 v,权力是 132 - 900 千瓦,660 - 690 v 电源电压时,电源是 560 - 1400 千瓦。在实际应用程 序中,必须安装相应的网格和 alm 之间动力反应堆。为大于或等于 36 千瓦 alm, 必须使用匹配滤波器。活动接口模块目标(活跃的接口模块),目标是安装在电网 和 alm,它集成滤波器,预充电电压监控电路和电源电路。 电机模块 电机模块就是 sinamics s120 中的逆变单元，它是将 540v 或 600v 的直流 电逆变成三相交流电。目前的电机模块有两种类型：书本型和装机装柜型。书 本型又分为单轴电机模块和双轴电机模块。电机模块和主控单元之间通过 drive-cliq 接口，进行快速数据交换。 控制单元 sinamics s120 dc/ac 多轴驱动控制单元即 cu320，它是驱动系统的大脑， 负责控制和协调整个驱动系统中的所有模块，完成各轴的电流环、速度环甚至 位置环的控制，并且同一块 cu320 控制的各轴之间能相互交换数据，这一特征 广泛被用作多轴之间的简单的速度同步。根据连接外围 i/o 模块的数量、轴控 制模式、所需的功能以及 cf 卡的不同，1 块 cu320 能够控制轴的数量也不同。 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 11 图 3.5 cu320 实物图 3.3 电机选型电机选型 西门子伺服电机定子结构基本相似的阶段电容式单相异步电动机。交流伺 服电动机的转子通常是由鼠笼式,但为了机械性能与速度的线性范围宽,因此,伺 服电机的性能,没有“旋转”现象和快速反应,与普通汽车相比,大型和小型惯性 转子电阻的这两个特点。转子结构中使用的两种形式:一是由导电材料的高电阻 率的高电阻率的鼠笼式转子;另一个是由铝合金空心杯转子,杯子壁很薄,只有 0.2 - -0.3毫米,以减少磁路的磁阻,空心杯转子定子在固定的地方。空心杯转 子惯性小,响应快,稳定运行,所以它被广泛采用。控制电压时,定子产生旋转磁 场,转子沿旋转方向旋转磁场,在恒定负载的情况下,电机速度控制的大小与电压 变化的电压相对相位控制,伺服电机将会逆转。 根据以上原则,本文选择西门子1 fk7系列电机,1 fk7系列电机的永磁同步 电动机是非常紧凑的。根据不同的应用程序,您可以自由选择编码器。随着集成 变速箱选项和一个广泛的产品1 fk7系列电机可应用于各种场合。可以满足的要 求改进机器。1 fk7系列电动机和sinamics s120高性能驱动系统有机地结合起 来,可以实现精确的速度和位置的控制。1 fk7系列电动机只有自然冷却,没有外 部冷却系统,通过电动机热表面发射。1 fk7电机具有较强的过载能力。它具有 一些优点:高功率密度;广泛应用,完成模型;转子惯量低、高动态响应。西门子1 fk7伺服电机的应用范围广泛，如：机床、辅助轴、机器人和机械手、包装/塑 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 12 料和纺织机器和石器加工。 图 3.6 伺服电机 图 3.7 伺服电机接入 profibus-dp 系统的结构图 3.4 触摸屏触摸屏 根据触摸屏的工作原理和传输信息的介质，把触摸屏划分为四种：红外扫 描触摸屏，电阻压力触摸屏，电容感应式触摸屏，表面声波式触摸屏。 本课题以西门子tp177b触摸屏作为人机界面。触摸屏正视图和后视图分别 如图3-5、图3-6所示。 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 13 图3.8 触摸屏正视图 多媒体卡插槽 显示屏/触摸屏 安装密封垫 安装卡件凹槽 图3.9 触摸屏后视图 多媒体卡插槽 标牌 dip 开关 接口名称 3.5 电气原理图电气原理图 经过前期资料的收集，对 sinamics s120 控制器进行了 cad 原理图的设计， 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 14 具体的电路图如图 3.10- 3.12 所示： 图3.10 sinamics s120 电源模块图 图3.11 sinamics s120 主电路图 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 15 图3.12 sinamics s120 主电路图 备注：x3:1-820为di输入端子排 x4:1-16为do输入端子排 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 16 4.软件系统设计软件系统设计 4.1 系统编程系统编程 step7 是一个用于对西门子 s7-200 系列 plc、s7-300 系列 plc、以及 s7- 400 系列 plc 创建、测试、维护和编写程序的工具。它可以读取 plc 的设备型 号和地址信息，可以使得 plc 和相应的网络设备进行通信。 该软件具有如下特点： （1）统一的 windows 开发环境: 使用 windows 环境下的各种工具能够同时在不同程序之间进行剪切或粘贴 程序语句或者他数据，能够毫不费力的对项目进行设计以及后期的开发工作。 （2）能在以下工业领域实现各种各样的自动化控制任务： 汽车工业；生产制造工程；过程控制工程；专业机械制造；通用机械制造； 包装工业；食品和烟草工业；塑料加工； （3） 其特点有： * 效率比较高，而且方便，大大减少了成本和时间。 * 性能比较高的系统诊断功能，可以使控制器能够更好地被利用，大大提 高了工作的效率。 * 可以提供可以组态的过程，用来减少时间，增加产品的数量跟质量，可 以省去大量的故障跟时间。 1) 主程序 根据第一章所确定的控制方案，对伺服电机的相对运动、绝对运动及同步 运动分别进行编程，程序如下： 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 17 4.1 主程序 图 4.2 子程序 1 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 18 图 4.3 子程序 2 图 4.4 变量地址 4.2 调试调试 1）硬件组态 打开 simatic manager ，选择新建项目，在创建好的项目中添加一个 simatic t station ,plc 的型号选择 315t-2dp，完成创建后，进行系统的硬件 组态，如图 3-4 所示。 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 19 图 4.5 硬件组态 其中，cp343-1 的 ip 地址就是 plc 的地址，为：192.168.0.11。如图 3-5 所示。 图 4.6 cp343-1 地址设置 完成系统的基本硬件组态后，进行编译，在没有错误的情况下将组态下载 到 cpu 中，此时可以看到 plc 上的指示灯为绿灯，说明硬件组态没有问题。 2）系统的网络组态 在 simatic 中打开 netpro,完成系统的网络组态。plc 与驱动控制系统之间 的通信采用 dp 通信，进行数据的交换。plc 与触摸屏、上位机之间的通信方式 则是以太网通信，网络组态如图 3-6 所示。 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 20 图 4.7 系统的网络组态 在网络组态中需要添加一个 pg/pc，通过一个虚拟的路由，上位机可以对 驱动控制系统进行控制，pg/pc 的地址为上位机的地址。 3）驱动系统的参数设置 在已经创建好的项目中打开 s120_cu320_2_dp 中的 commissioning，如图 3-7 所示。 图 4.8 驱动系统的参数设置 在出现的界面中对设备进行初始化，然后对每一个伺服电机进行组态，两 个电机的组态基本一样，首先对第一个电机即 servo_02 进行组态，如图 3-8 所 示。 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 21 图 4.9 servo_02 组态 用同样的方法对第二个电机即 servo_03 进行组态，如图 3-9 所示，完成组 态后将项目下载到驱动控制器的控制单元中，即 cu320，进行基本功能的测试， 监测通信是否正常，电机是否正常。 图 4.10 servo_03 组态 在软件的控制面板中可以分别对每个电机进行速度的设置，这样可以快速 地对电机的正常进行判断。 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 22 结论结论 伺服电机具有结构紧凑性,比较容易控制,能够稳定运行,反应快等优越性, 越发成为现代工业自动化的一个重要运动控制的操作。特别是在自动化程度相 对较高,并且需要精确控制速度、位置、转矩和其他应用程序,被广泛使用。虽 然 profibus-dp 不像 sercos、macro、fire wire 是专门为运动控制而开发的， 但是在实际控制中 profibus-dp 被广泛应用，所以运用 profibus 总线对伺服的 控制具有很重要的现实意义。 伺服控制器 profibus-dp 接口的引入，提高了工业自动化运动控制的水平， 使伺服电机在工业控制网络中的通信与控制更为方便、灵活和可靠，实际情况 已证明这种控制方式效果好。 profibus-dp 总线和伺服控制系统在工业控制中应用非常广泛，这为带 profibus-dp 总线接口的伺服控制器提供了广阔的应用前景。 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 23 致谢致谢 很感谢我的指导老师邓建平，他是一位性格温和，和蔼可亲的老师，总是 耐心的指导我，为我点播迷津，在我的毕业设计做做过程中，付出了很多的辛 劳。 本课题从选材上到题目的确定，然后是搜集资料