基于USS协议的PLC与变频器的通信设计与研究全套资料.doc

目 录 1 绪论 1 1 1 课题研究的背景 1 1 2 课题的来源和意义 2 1 3 本文研究内容和所做工作 2 2 PLC 简介 4 2 1 PLC 的原理 4 2 2 PLC 的特点 5 3 通用变频器原理 6 3 1 变频器的工作原理 6 3 1 1 变频器的基本结构和原理 6 3 1 2 变频器的控制方式 7 3 2 变频器的类别 8 3 2 1 根据变频环节的不同的分类 8 3 2 2 根据主电路工作方式分类 8 3 2 3 根据电压的调制方式分类 8 4 控制系统的设计 9 4 1 系统的硬件介绍 9 4 1 1 变频器 9 4 1 2 光电编码器 11 1 5 系统通信设计和调试 11 5 1 通信方式的选择 11 5 2 PLC 之间的通讯 14 5 2 1 NETR 网络读 和 NETW 网络写 指令 14 5 2 2 通信程序的设计 15 5 3 PLC 与变频器的通讯 16 5 3 1 USS 协议 16 5 3 2 USS 通信数据格式和编程要求 17 5 3 3 S7 200 的接收和发送指令 XTM RCV 19 5 3 4 设计通信程序 20 5 4 PLC 和变频器的通信 21 6 结束语 22 致谢 23 参考文献 24 1 绪论 1 1 课题研究的背景 在工业自动化控制领域的发展过程中 控制系统的发展经历了模拟仪表控 制系统 集中式数字控制系统 集散控制系统 DCS Distribution Control System 现场总线控制系统 FCS Field bus Control System 现场总线具有开放性 分散 化和低成本的三大特征 它的出现使传统的自动控制系统产生了划时代的变革 网络化的操作系统开始流行 并发挥了巨大的作用 计算机及通信技术已经成 为工业环境中大部分解决方案的核心部分 其在控制系统中的比重正在迅速增 加 目前 在工业企业自动化技术应用中 自动化控制系统广义上按功能可分 2 为三个层次 见图 1 1 分别是基础自动化 过程自动化和管理自动化 核心是 基础自动化和过程自动化 其中 基础自动化部分涵盖了常规意义上的自动控 制系统的内容 过程自动化部分是基于信息化技术的自动化 管理自动化则是 最上层的融合了控制技术 管理技术的综合自动化技术 1 基础自动化 过程自动 化化 管理控制机 工程师工作 站站 操作员人机界 面 检测计算机 监控计算机 管理自动化 直接数字控制系统数字采集系 统 回路调节器PLC 控制系 统 工业生产工艺过程相关设备 控制对象 本文要阐述的是电线 电缆用铜线的拉拔设备的自动化控制系统的设计 目前电线电缆专用设备中仅有很少部分是自动化的 在设备部件中 也似乎只 有放线和收线装置 可使电缆的收线 放线以及调换线盘实现自动化 生产过 程自动化的一种可能是将两道工序合并在一条生产线上 较高一级的自动化是 自动化物流处理系统以及生产过程和生产线的控制系统 物流处理系统通过自 动线盘搬运和信息加工使两道或两道以上的生产工序的生产过程协调一致 从 而得到均衡的物料流动和机器的高利用率 该系统包括 1 4 个线盘搬运机器人 这些机器人在生产线 机群 立体仓库和控制装置之间来回搬运线盘 过程控 制系统由可编程序控制器和工业计算机组成 通过可编程序控制器对生产线的 运行进行控制 通过工业计算机跟踪生产的现实情况 对生产和产品质量进行 管理 该系统还可通过屏幕实现人机对话 采用过程控制系统可使生产线的效 率和产品质量达到最佳化 而不受操作者的技术水平和能力的影响 生产线能 储存大量的工艺文件 以便迅速调换产品 并能持续监察和记录产品质量 对 产品进行全面的描述 1 2 课题的来源和意义 大拉机是铜加工生产中的咽喉设备 十几年来国产拉丝机水平有了稳步的 提高 并已系列化除拉线速度尚有一定差距外 连续退火 快速换模 双盘收 线 拉丝鼓轮等离子喷涂等先进技术已得到应用 近几年来 国外拉丝机虽然 图 1 1 自动化应用系统功能结构图 3 没有突破性的进展 最高拉线速度也已稳定 但在结构上也有一些值得借鉴的 改进 例如一些大拉机采用浸没式乳浊液润滑系统 提高铜线的表面质量 延 长鼓轮和模具的寿命 改进大拉连续退火装置中导轮和退火轮的布置 简化导 线路径 降低操作高度 便于穿线和维护保养 主齿轮箱采用标准化的模块结 构 可以根据用户订货要求组合成不同拉制道数的拉丝机 在拉丝机系列中 巨拉机和微细线拉丝机由于需求量小 发展缓慢 差距较大 随着计算机技术 自动控制技术和通讯技术的综合发展 出现了新型 通 用的自动化控制装置 PLC 控制技术和变频调速技术在工业设备控制中大量推 广 变频控制开始在直进式拉丝机中大量使用 系统并可借助 PLC 来实现拉丝 速度 品种设定 过程闭环控制 定长控制等功能 在工业控制中 交流电机 的拖动控制越来越多地采用变频器完成 而它也不仅仅作为一个单独的执行机 构 而是随着其不断的智能化 可以同上位计算机之间可以通过各种通信方式 结合成一个有机的整体 本文所作的研究就是在这样的背景下利用 PLC 和变频 器对大拉机生产线实现自动化控制 大拉机的工艺流程如图 1 2 所示 铜线铜杆 主机放线退火牵引拉线收线圈收 图 1 2 工艺流程图 1 3 本文研究内容和所做工作 自动控制技术在工业领域中的应用即工业控制自动化技术应用技术 对企 业生产过程有明显的提升作用 提高了工业生产产品的质量 数量和生产设备 的效率 改善了劳动条件 先进的控制技术手段还极大地提高了人们对社会生 产的预测及决策能力 自动控制技术应用系统是指能够对被控对象的工作状态 进行自动控制的系统 它一般由控制装置和被控对象构成 如图 1 3 所示 其 中 控制装置可由各种嵌入式微控制器 可编程控制器 工业控制计算机 分 布式控制系统 回路调节器 变频器以及其他控制技术 如现场总线技术 无 线通信技术等 构成 控制对象包括各种电动机 生产单元 生产过程等 过 程通道完成控制装置与控制对象之间的信号 也包括相应的反馈信号部分 匹 4 配 同时 随着计算机控制迅速地被推广和普及 相当多的企业已经在大量地 使用各式各样的可编程设备 如工业控制计算机 变频器 机器人 数控机床 柔性制造系统等 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 过程通道 控制装置 控制对象 嵌入式微控制器 可编程序控制器 工业控制计算机 分布式控制系统 回路调节器 变频器 其他控制技术 电动机 断续 连续生产单 元生产过程 图 1 3 自动控制应用系统图示 本文通过对大拉机控制系统的设计 涵盖了目前基础自动化和过程自动化 中典型自动控制技术手段或装置的应用 包括可编程序控制器技术 工业控制 计算机技术 变频器技术 并且重点对 PLC 和变频器的通信作了详细的研究 将通信程序作了标准化设计 该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 有一定的适用价值 缩短了项目开发的周期 设计的主要思路是 基于 USS 协议 实现 SIEMENS S7 200 对变频调速装置的控制 在规模相对较 小的自动化系统中 由于 USS 协议是西门子公司一变频器开发的通信协议 可 支持变频器同 PC 或之间建立通信连接 因此 USS 协议通信是一种很成功的解 决方案 能显示出具有硬件逻辑简单 抗干扰能力强的特点 可以实现车间级 5 的现场总线网络控制 因此 有一定的研究意义 2 PLC 简介 2 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 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 2 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 外部设备 6 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 5 2 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 3 5 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 7 图 3 1 变频器的基本结构框图 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 6 3 系统工作要稳定 可靠 人机界面友好 3 通用变频器原理 3 1 变频器的工作原理 3 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 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 0 10V 的电压指令信号或 4 20mA 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 4 20mA 模拟指令信号 此信 8 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 3 2 交 直 交 变频器的主电路 3 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 9 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 3 2 变频器的类别 3 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 10 3 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 10 3 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 11 4 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 4 1 系统的硬件介绍 4 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 P380 P381 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 12 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 4 1 主机调速器接线图 13 4 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 500 5 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 5 系统通信设计和调试 5 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 14 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 5 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 5 1 STEP7 Micro WIN32 支持的硬件配置 支持的硬 件 类型支持的波特率 Kbps 支持的协议 15 图 5 2 多主站通信方式 PC PPI 电 缆 电线连接器 与 PC 通信 口连线 9 6 19 2 PPI 协议 CP5511 类型 PCMCIA 卡用于笔记本电脑 的 PPI MPI 协议 及 PROFIBUS 协 议 CP5611 PCI 卡 MPI 集成在 PG PC 的 ISA 卡 内 9 6 19 2 187 5 用于 PC 的 PPI MPI 及 PROFIBUS 协议 16 图 5 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 图 5 4 系统通信设计图 5 2 PLC 之间的通讯 5 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 17 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 0 DAE0 错误码 字节 1远程的地址 被访问的 PLC 地址 字节 2 字节 3 字节 4 字节 5 远程站的数据指针 指向远程 PLC 存储区中数据的间接指针 18 字节 6数据长度 1 16 远程站点被访问数据的字节数 字节 7数据字节 0 字节 8数据字节 1 字节 22数据字节 15 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 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 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 错误 码 9 信息错误错误的数据地址或数据长度错误 19 5 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 VB4100VB4101VD4102VB4106VB4107 NEYR 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 5 3 PLC 与变频器的通讯 5 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 20 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 21 产品通讯接口最大通讯波特率 CPU22X 9 芯 D 型插头 115 2Kbps CPU31XC PTP 15 芯 D 型插头 19 2Kbps CPU340 C 15 芯 D 型插头 9 6Kbps CPU341 C 15 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 ECO 3 固定2 固定 NONO 9 芯 D 型插头或 插头 19 2Kbps MM410 420 0 3 4 1 27 0YESNO 端子 57 6Kbps MM430 440 0 3 4 1 27 0YESNO 端子 115 2Kbps Simoreg 6RA70 0 3 4 1 27 0YESYES 9 芯 D 型插头或 插头 115 2Kbps Simovert 6SE70 0 3 4 1 27 0YESYES 9 芯 D 型插头或 插头 115 2Kbps 5 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 22 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 3 n 254 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 PKWPZD PKEIND PWE1 PWEnPZD1 PEDn 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 23 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 1 2 1 3 1 4 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 5 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 24 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 1 255 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 5 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 25 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 VB4200 VW4201 VB4203 VW4212 VW4214 VW4216 VW4218 00010100 00000010 STX 00010010 LGE ADR 数据块长度 16 字节 LGE 16 2 20 16 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 符号 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 26 1主程序OB1主程序 2IO CtrlSBR0I O 点逻辑控制程序 3COM NetSBR1NETR NETW 4COM 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 5 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 6 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 27 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