s7-200plc在纸机传动中的应用_毕业设计

I毕业设计S7200PLC在纸机传动中的应用摘要本文是关于纸机传动控制系统的设计，该系统实际上是异步电机变频调速的PLC控制系统，PLC和变频器之间通过MODBUS协议进行串行数据通讯，共同实现对电机的速度同步控制。首先对PLC和变频器的工作原理和主要组成进行了介绍，在此基础上，再对变频调速的基本原理进行了一定的讨论。变频器采用的是ABB公司的变频器，因此本文对ACS550变频器的参数设置也进行了讨论。而PLC采用的是西门子公司S7200系列，变频器和PLC之间的通讯协议在文中也有很详细的介绍。最后是系统的具体设计，包括硬件和控制程序的设计，对其设计思路也有相应的讨论，控制程序部分不仅给出了具体的程序，还有相应的注解。该系统能够实现交流传动的速度链和负荷分配以及张力控制，具有很强的工程模拟性能和实用价值。关键词可编程序控制器（PLC），MODBUS协议，变频器IIS7200PLC在纸机传动中的应用IIIBASEDONTHEPAPERMACHINES7200PLCCONTROLSYSTEMABSTRACTTHISPAPERISONTHEPAPERMACHINETRANSMISSIONCONTROLSYSTEMDESIGN,THESYSTEMISACTUALLYASYNCHRONOUSMOTORVVVFTHEPLCCONTROLSYSTEM,PLCANDINVERTERAGREEMENTBETWEENTHEMODBUSSERIALDATACOMMUNICATION,COMMONTOACHIEVETHESPEEDSYNCHRONOUSMOTORCONTROLFIRSTOFALLPLCANDINVERTEROFTHEWORKINGPRINCIPLEANDTHEMAINCOMPONENTSWEREINTRODUCED,ONTHEBASISOFTHIS,THENTHEVVVFTHEBASICPRINCIPLEOFACERTAINAMOUNTOFDISCUSSIONTHEINVERTERISUSEDINABBSINVERTER,THISCONVERTERONTHESETOFPARAMETERSACS550ALSODISCUSSEDTHEPLCISBASEDSIEMENSS7200SERIES,DRIVESANDCOMMUNICATIONSBETWEENTHEPLCINTHETEXTOFTHEAGREEMENTAREALSOVERYDETAILEDPRESENTATIONFINALLY,THEREISASPECIFICSYSTEMDESIGN,HARDWAREANDCONTROLPROCEDURES,INCLUDINGTHEDESIGN,ITSDESIGNCONCEPTISALSOACORRESPONDINGDISCUSSION,THECONTROLPROCEDURESARENOTONLYPARTOFASPECIFICPROCEDURE,THECORRESPONDINGNOTESTHESYSTEMCANBEREALIZEDEXCHANGERATEOFTRANSMISSIONCHAINANDLOADDISTRIBUTION,ANDTENSIONCONTROL,WITHSTRONGENGINEERINGSIMULATIONPERFORMANCEANDPRACTICALVALUEKEYWORDSPROGRAMMABLELOGICCONTROLLERPLC，MODBUSAGREEMENT，CONVERTERIV目录摘要IABSTRACTII第一章绪论111概论112交流调速的发展概况113PLC技术的发展概况214变频器在纸机传动中的应用2第二章速度链与负荷分配421速度链的定义422速度链的分类423负荷分配控制的原理与实现624负荷分配设计方法7第三章PLC和变频器技术简介931PLC概述932PLC的基本组成与各部分的作用9321PLC的基本组成9322PLC各部分的作用933A/D和D/A转换概念10331A/D和D/A原理10332模拟量输入输出系统11333输入输出数据的处理1134PLC的主要特点1235SIEMENSS7200系列PLC特性1236变频器简介13361变频器主电路13362变频器的控制电路14363变频调速的基本原理15364变频调速的优点16365ABB公司的ACS550变频器性能介绍16第四章通信协议1841MODBUS协议概述1842MODBUS的数据传输方式1943MODBUS消息帧20431消息帧的组成20432消息帧组成部分具体定义2044MODBUS错误检测方法22第五章系统的设计实现2651系统结构26511PLC控制系统与系统构建26512工业现场2652系统硬件实现28521上位机人机交互设备的选型28S7200PLC在纸机传动中的应用V522PLC及其它模块的选型2853变频器的选型及其系统功能设定29531容量选择29532ACS550系列变频器的参数及设置2954系统的实现31541技术数据31542变频器及低压电器的选择3255电路图简介33551变频器电路图33552变频器其它电路图简介36553PLC部分的设计38图510S7200PLC接线电路图错误未定义书签。56系统程序实现40561程序流程图40562具体程序4157抗干扰措施5358系统运行情况53第六章全文总结54致谢55参考文献56S7200PLC在纸机传动中的应用1第一章绪论11概论电气传动技术以运动机械的驱动装置电动机为控制对象，以微电子装置为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下完成电气传动自动控制系统，控制电动机的转矩和转速，将电能转换成机械能，实现工作机械的旋转运动或反复运动。因电机的种类的不同，我们可以将其分为直流电动机传动和交流电动机传动。自19世纪80年代起至19世纪末，工业上传动用的电动机一直被直流电机垄断，到了19世纪末，出现了三相电源和结构简单且坚固耐用的交流鼠笼型电机以后，交流电机才在调速的领域代替了直流电动机传动装置。随着生产的不断发展，速度可调节成了电动装置的一项基本要求，并且，除了满足一定的调速范围和连续可调的同时，还必须具有持续的稳定性和良好的瞬态性能。随着电力电子学与电子技术的发展，使得采用半导体变流调速系统得以实现，70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，现代控制理论的应用，为交流电机拖动系统的发展创造了有利条件，促进了各种类型的交流电机调速系统，如串级调速系统、变频调速系统、无换相器电动机调速系统以及大量控制调速系统等的飞速发展。12交流调速的发展概况交流调速系统大致经历过以下几个阶段1异步电动机调压调速系统。2串级调速系统。3变频调速系统。其中变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是运用最广、最有发展前途的调速方式。交流电机变频调速系统的种类很多，有电压源型变频器，电流源型、脉宽调制型等各种变频器。目前变频调速的主要方案有交一交变频调速，交一直一交变频调速，同步电动机自控式变频调速系统，正弦波脉宽调制PSWM，矢量控制、直接转矩控制变频调速等，而且无速度传感技术日益成熟许名智能技术逐步渗透到其中，如模糊控制、专家系统、神经网络、自适应控制等，与这些控制方式相结合，大大提高了变频器调速系统的控制效果，这些变频器调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平以及电力电子技术的发展水平。日、美、德、英等国家在结合现代微处理器控制技术、电力电子技术、电机传动技术的基础上，相继推出了一系列的变频器，且不断进行更新换代。陕西科技大学毕业论文（设计说明书）213PLC技术的发展概况第一台可编程控制器以下简称PLC的设计规范是美国通用汽车公司提出的。美国数字设备公司DEC于1969年研制成第一台PLC，型号为PDP一14，投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了令人满意的效果，从此开创了PLC的新纪元。在短时间内，PLC在其他工业部门也得到应用。到20世纪70年代初，食品、金属和制造等工业部门相继使用PLC代替继电器控制设备，迈出其实用化阶段的第一步。70年代中期，由于大规模集成电路的出现，使8位微处理器和位片处理器相继问世，在逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算。闭环控制，提高了运算速度，扩大了输入输出规模。70年代末由于超大规模集成电路的出现，使PLC向大规模、高速性能方向发展，形成了多种系列化产品。进入八九十年代后，PLC的软硬件功能进一步得到加强，PLC已发展成为一种可提供诸多功能的成熟的控制系统，能与其他设备通信，生成报表，调度产出，可诊断自身故障及机器故障。PLC未来的发展不仅依赖于对新产品的开发，还在于PLC与其他工业控制设备和工厂管理技术的综合。无疑，LPC将在今后的工业自动化中扮演重要角色。在未来的工业生产中，PLC技术和机器人、CAD/CMA将成为实现工业生产自动化的三大支柱。目前PLC朝以下几个方向发展1大型网络化2多功能3高可靠性、好兼容性4编程语言向高级语言发展。14变频器在纸机传动中的应用造纸机对电气传动系统的主要性能要求是线速的稳定性，要求速度长期稳定；另一点就是速度的可调性及快速响应的特点。全球一些著名的电气公司象西门子、ABB、东芝、三菱等，在这一领域的开发与研究都取得了巨大成就，使得变频调速技术迅速发展并日渐成熟，它较直流调速系统及其它类型的调速系统有以下3个最突出的特点L省电节能使电耗降低是因为，一方面是因为交流电机的效率比其它类型的电机都要高；另一方面，一般的电机控制回路中都有过流，过压，失相等安全保护元件，而“变频器电机”控制回路则没有这些耗能元件，更不需要像直流源调速系统所必备的励磁电源，变压器等元件。2系统造价低同直流传动系统相对比，异步电机的价格要比直流电机的价格低130350；另外，技术的发展使得变频器成本逐年下降，现市场价格约为1000元/千瓦，而直流整流设备110KW容量以下平均每套的价格约为21000元。因此对于纸机电气传动系统，单机容量不超过160KW，在同样装机容量下，交流传动系统的造价要比直流传动系统低515。针对中低档纸机来说，装机容量不太大交流调速具有大的价格优势。S7200PLC在纸机传动中的应用33维护工作量小变频器普遍采用大规模、超大规模集成电路，设有附加的外围元器件，因此从某种意义上说，变频器是免费维护设备直流电机的维护周期为L个月，而交流电机的维护周期为3个月以上，且维护工作量要小的多。发展的明显的特征是变频器的体积在变小，同时功能逐渐增强，维护操作更为方便并开始从模拟量速度链技术，发展到数字化技术使得更为高级的变频器诞生，内部采用模块化的结构，使得参数的配置与修改及各功能的实现乃至连接更为方便，速度链上传递的为数频信号，使系统的抗干扰能力更强，故障的诊断，信号的检查也很方便数频处理、速度设定、马达控制等模块的链接位置让操作者修改参数比较直观、简洁，同时也进入变频器在纸厂应用发展的第三阶段陕西科技大学毕业论文（设计说明书）4第二章速度链与负荷分配21速度链的定义在纸机分布式传动中，由于各相邻传动点之间的速度应保持一定的比例，且在车速调整过程中，应满足只影响本级和本级以后的各传动点，而不影响前面各传动的速度，这样每传动点在前一级的基础上可以调整并把速度信号传送给下一级形成一个链式结构，即为速度链。如何实现速度链是纸机传动中的一个关键性问题，设计时应考虑以下几个方面的因素。A精度，速度链一定要满足纸机传动中的精度。B稳定性，速度链一定要稳定、可靠、才能保证系统正常运行。C操作方便，由于工厂中工人的文化程不一，因此一定要注意操作不能太复杂。D性价比，一定要在满足系统性能的基础上尽量降低成本。22速度链的分类一般来说速度链可分为两类A摸拟式速度链B数字式速度链其中数字链其根据操作又可分为按键式，触摸屏式，根椐控制器又可分为速度链控制器式，电动电位器、PLC控制式，工业控制计算机式，但无论是哪一种方式都具有操作方便、准确、抗干扰力强等优点。由于模拟式速度链存在操作不便，易受干扰等缺陷，因此现在已基本上不使用了，只有在部分小型纸机中还在应用。下面我们将对两种数字式速度链作以介绍。（1）电动电位器型的速度链该速度链的构成如图21所示它主要利用交流驱动装置本身所具有的数字频率输入功能来解决速度级联问题（如三菱变频器的遥控功能、ABB变频器的电动电位器功能）。图21中只画出了速度增加部分，速度减少部分与此完全相同。这种速度链的优点在于系统工作可靠，变频器的频率设定直接由数字信号设定，克服了模拟信号易受干扰的缺点。K01K0N为AC24V的继电器。也可以根据用户的要求用PLC来完成以提高系统的可靠性和简化系统结构。S7200PLC在纸机传动中的应用5图21电动电位器型速度链的构成（2）基于PLC、工业控制计算机通讯控制的速度链随着计算机通讯技术的发展，纸机传动控制过程中广泛采用通讯控制方式，利用RS485总线或现场总线CAN总线、PROFIBUSDP总线与变频器通讯完成纸机传动控制。传动控制中心一般采用PLC。速度链控制由PLC内部软件来实现。软件设计可以有多种方法。下面介绍一种设计方法说明PLC速度链的软件设计。（A）速度链结构设计速度链结构采用二叉树数据结构算法，用于完成传递功能。首先对各传动点进行数字抽象，确定速度链中各传动点编号，此编号应与变频器内部地址一致。然后根据二叉树数据结构，确定各结点的上下、左或右编号。即任一传动点由3个数据（“父子兄”或“父子弟”）确定其在速度链中的位置，填位置寄存器数值。如图22所示。图22位置寄存器示意图该传动点速度给变频器后，访问位置寄存器，确定子寄存器结点号，若不为0，则对该经点进行相应处理，直到该链完全处理完；再查兄弟寄存器结点号，处理另一支链。故只须对位置寄存器初始化，即可构成任意分支速度链。陕西科技大学毕业论文（设计说明书）6（B）算法设计算法设计采用了调节变比的控制方法。如图23所示，纸机第一分部点作为速度链中的主节点，即它的速度就是整个纸机的工作车速，则其速度调节就调节了整个纸机车速。图23PLC程序速度链原理图在PLC内，我们检测到车速调节信号则改变车速单元值，1点处的速度就为第一台变频器的运行速度设定值，将其送第一台变频器执行，并送给第二台计算。第一分部的速度值乘以第二分部的变比B1/A则为第二台变频器的运行值。若第二分部速度不满足运行要求，说明第二分部变比不合适，可通过操作第二分部的加速、减速按钮实现，PLC检测到按钮信号后调节B1即调整了变比，使其适应生产要求。任意无级调速。若正常生产中变比合适，某种原因需要用紧纸、松纸时，按下该分部紧纸、松纸按钮，PLC将对应在速度链上附加一正或负的偏移量则实现紧纸、松纸功能。图中2点就包含了调速和紧纸、松纸等操作指令的速度值，将它送给第二台变频器执行，同时送下一级计算。依此类推，构成速度链控制系统。23负荷分配控制的原理与实现（1）负荷分配问题产生的原因和影响在传动控制过程中经常遇到由几台电机同时拖动同一负载的情况。例如压榨部两辊压榨，上下传动辊都有自己的传动电机，通过加压同步运行。所以类似这样的传动只有电动机速度同步并不能满足实际系统的工作要求，实际系统还要求各传动点电机负载率相同，否则会出现某台电机出力大，某台电机出力小的情况。对于造纸机如网部真空伏辊、驱网辊同时带一条网；压榨部真空吸移、真空压榨等复合压榨；光压上、下辊；施胶机上、下辊等都属于多电机传动。所以这些分部要求有负荷分配，它们之间要求速度同步的同时要求负载率均衡，否则会影响正常抄纸。当负荷不能均匀分布S7200PLC在纸机传动中的应用7时，有可能撕坏毛布或造成断纸。（2）负荷分配原理在多电机传动过程中要求各传动点电机负载率相同，即PI/PIE相同（PI为I电机所承担负载功率，PIE为电机额定功率）。而且在负荷分配调节过程中不能影响其它各分部的速度。所以我们采用速度链主链与子链相结合的设计方法。图24带负荷分配点的速度链图负荷分配控制中我们选取一台电机作为本组主电机，连接在速度链上，其它电机作为子电机，形成子链控制结构。以三点负荷分配为例,如图24所示，编号为0和4是需要负荷分配的前级和后级，负荷分配以1为主，2、3作为1的从机，处于速度链的子链上。P1E、P2E、P3E为三台电机额定功率，PE为额定总负载功率，PEP1EP2EP3E。P为实际总负载功率，P1、P2、P3为电机实际负载功率，则PP1P2P3。系统工作要求P1PP1E/PE，P2PP2E/PE，P3PP3E/PE。负荷分配的目的就是使P1、P2、P3满足上述要求。在实际控制当中，电机功率是一间接量。实际控制近似以电机定子电流代替电机功率。负荷分配就是依据电机电流，利用上述原理对控制的各台电机调节，使电机电流百分比一样，即各电机转矩电流和额定电流比值应相等。这样完成负荷分配的自动控制。24负荷分配设计方法传动系统分为两大类直流传动和交流传动，所以负荷分配设计也依据传动形式有不同的控制方法。下面主要说明交流传动负荷分配的设计。交流传动采用变频调速后，交流电机没有像直流调速那样明确的电流环、速度环，又不能直接控制变频器内的电流环，所以做负荷分配较为复杂，现在常用也较为实用的方法有A使用负荷分配控制器陕西科技大学毕业论文（设计说明书）8负荷分配控制器是专门用来解决变频器、直流调速装置的负荷分配问题。这种控制方法简单，价格低廉。B使用PLC控制负荷分配有些变频器、直流调速装置没有通讯控制功能，负荷分配只能通过端口控制。我们利用PLC作为负荷分配控制器，在PLC上扩展A/D模块，采样电机电流，依据负荷分配原理经过PLC运算处理，输出数字量的加速、减速信号连接到速度链控制回路，完成负荷分配控制功能。这种控制方法简单，系统可靠，适用性较好。CPLC通讯控制负荷分配上述的几种控制方法都属于模拟控制，适用于5台电机以下的负荷分配，控制精度比较低。PLC通讯控制负荷分配采用全数字化控制，PLC采样电机电流转矩，依据负荷分配控制算法精确计算，控制变频器达到负荷平衡。现在的大多数公司所生产的变频器都具有通讯功能。通过现场总线，变频器可以和工控机、PLC之间进行通讯，交换数据。解决负荷分配问题所使用的思路是通过PLC通讯，读到各传动点的转矩值，将转矩值加以比较，再通过PLC通讯调节各变频器的给定频率，加大或减小该电机的转差率，从而调整该电机的转矩。使用PLC解决负荷分配问题，其优点是调试容易、工作可靠，但不适之处在于过于专业化，对用户技术要求较高。PLC控制负荷分配可以达到20点以上，控制精度很高，负荷分配不平衡度可以控制在3以内。是上述其它控制所不能达到的效果。D使用高性能变频器的转矩控制性能现在有些公司的变频器可以采用转矩控制方式，如ABB公司的ACX600系列，西门子公司的6ES70变频器等。采用这些变频器可以利用转矩控制方式解决负荷分配的问题。选取一台变频器作为负荷分配主机，这台变频器作为主机处于速度控制模式在速度链结构上，其它从机选用转矩控制模式，将主机的转矩输出作为从机的转矩给定，这样其它从机变频器的给定信号是转矩，而非一般变频器的频率信号。从机时刻跟随主机转矩的变化，起到负荷分配控制的目的。但是这样的控制适合于文化纸机的复合压榨部，不适合于网部、施胶机、光压等传动负荷分配。这是因为当从机负载转矩较大时，电机转速低，当负载转矩较小时，电机转速高，空载时甚至达到最大频率。这种特性有些类似于直流调速上的速度调节器饱和的电流控制方法。所以要求负载在运行时必须一直处于加压状态或类钢性连接。这种控制方法进度精度高，动态相应快，控制品质高，但适用范围小，对负载有一定的要求。E利用各公司自己的特殊软件解决负荷分配各公司相继推出多传动的解决方案，通过其变频器附加软件或控制板实现，如ABB公司的主从应用宏软件、西门子的工艺板等。利用这些附件可以很好的解决负荷分配问题。其控制的原理与负荷分配原理不矛盾，利用它可以获得良好的动态性能和具有速度限幅保护。提高设备的运行性能和可靠性。S7200PLC在纸机传动中的应用9第三章PLC和变频器技术简介31PLC概述可编程程序控制器PROGRAMLABELCONTROLLER，因为早期主要应用于开关量的控制，因此也称为PLCPROGRAMMABLELOGICCONTROLLER，即是可编程逻辑控制器。现代的可编程控制器是以微处理器为基础，高度集成的新型工业控制装置，是计算机技术与工业控制技术相结合的产品。PLC自问世以来，经过20年的发展，己经成为最受欢迎的工业控制类产品。它之所以高速发展，除了工业自动化的客观需求外，还有许多独特的优点。它较好的解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。32PLC的基本组成与各部分的作用321PLC的基本组成PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。整体式PLC是将中央处理单元CPU、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的I/0扩展单元与主机配合使用。主机中，CUP是PLC的核心，I/O单元是连接CUP与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式PLC将CUP单元、输入单元,输出单元、智能I/0单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU单元的底板称为CUP底板，其它称为扩展底板。CUP底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10M无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配置与组合。322PLC各部分的作用（1）中央处理单元CPUCPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务A接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；B诊断电源、LPC内部电路的工作状态和编程的语法错误；C用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来；DPLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作；E将用户程序的执行结果送至输出端。陕西科技大学毕业论文（设计说明书）10（2）存储器根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种A系统程序存储器和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器RMO或EPROM。B用户程序存储器用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RMA。由于ARM掉电会丢失数据，因此使用RMA作用户程序存储器的PLC，都有后备电池保护ARM，以免电源掉电时，丢失用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入EPROM。目前较先进的PLC采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不用后备电池保护。C工作数据存储器工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在ARM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映像寄存器和数据表。元件映像寄存器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执行时的某些可变参数值。它还用来存放A/D转换得到的数字和数学运算的结果等。根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可以保持数据的存储器区域称为数据保持区。（3）I/O单元L/0单元也称为1/0模块。PLC通过I/0单元与工业生产过程现场相联系，输入单元接收操作指令和现场的状态信息，加控制按钮、操作开关和限位开关、光电管、继电器触点、行程开关、接近开关等信号，并通过输入电路的滤波、光电隔离和电平转换等将这些信号转换成CUP能够接收和处理的信号。输出单元将CUP送出的弱电控制信号通过输出电路的光电隔离和功率放大等方法转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀、电磁铁等执行元件。33A/D和D/A转换概念331A/D和D/A原理模拟T转换成数字F的基本原理输入信号是现场物理参数如温度、压力和流量等经传感器检测变成电信号弱信号，再经过放大、滤波之后成为连续变化的波形。根据事先确定的频率对波形采样，假定采样四次1T、2T、3T和4T，如图31。将每S7200PLC在纸机传动中的应用11次的采样值送给AD/变换器，则对应每次采样的电压值转换成的数字信号H进制数字。将数字信号转换成为模拟量的原理首先将数字信号并行输入给DA/转换器，经转换后输出一个矩形波，经过放大滤波之后即变成一个连续变化的模拟量输出信号。图31采样图332模拟量输入输出系统模拟量的输入在过程控制中的应用很广泛，如常用的温度、压力、速度、流量、碱度、位移等的工业检测都是对应电压、电流的大小模拟量，再通过一定的运算后控制生产过程达到一定的目的如恒温等。模拟量输入的电平大多是从传感器通过变换后得到的，模拟量输入信号按EIC标准为420MA电流信号，或15V、1010V、010V的直流电压信号。输入模块接收这种模拟信号之后，把它转换成8位或10位或12位的二进制数字信号最大值分别为255、1023或4095，送给中央处理器进行处理。因此，模拟量输入模块又叫D/A转换输入模块。模拟量输出模块是将中央处理器的二进制数字信号转换成420MA的电流输出信号或O1V0、1V5的直流电压输出信号，以提供给执行机构。因此，模拟量输出模块又叫AD/转换输出模块。333输入输出数据的处理在扫描读入模拟量值时，处理器从模拟量输入模块读入模拟量并转换成数字信号值，再将其送入用户指明的位置。模拟量输入模块提供不止一个通道的输入，因而只要信号兼容或类型相同，就能连接几个或十几个输入信号。对于这些信号，不同的PLC有不同的处理方式。一般有两种方式，一是使用指令充分利用多通道一次性将几个或十几个值放入寄存器数据区中，称为块转移输入。这种指令可以使用户将值放置于任意数据区。模块的地址反映陕西科技大学毕业论文（设计说明书）12在块转移指令的配置中，而输入的数据本身在存贮时不受地址的约束。另一种处理方法则跟离散量数据输人存贮方式相似，PLC将数据存贮于与输入模块地址相对应的输入/输出映像区中。同样，模拟量输出方式的数据处理也存在块传输与输出映像区两种方式。块传输输入方式的好处是可以由模块给出每一模块及各通道的诊断信息，信息刷新速度较快。块传输输出方式则可灵活地配置输出模块的工作方式。模块地址通常由机架安插的物理位置所定义，处理器可以根据软件I/0配置识别插槽中模块是否为模拟量模块。34PLC的主要特点（1）可靠性高、抗干扰能力强，平均故障时间为几十万小时。而且PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施。硬件方面A隔离，在微处理与工/O电路之间采用光电隔离减少外部干扰源对PLC的影响。B滤波，对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，减少高频干扰。且有些模块还设置了连锁保护、自诊断电路等。软件方面A设置故障检测与诊断程序。B当软件故障条件出现时，立即把状态重要信息存入指定存储器，禁止对存储器进行任何不稳定的读写操作，以防止存储器信息被冲掉。（2）编程简单、使用方便，目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。（3）设计安装容易，维护工作量少。功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。35SIEMENSS7200系列PLC特性西门子S7200系列可编程控制器是当前小型PLC领域内技术先进、性能/价格比高、单元/模块齐全的主流产品系列之一。SIMATICS7200由硬件系统和工业软件两大部分构成，如下图。S7200PLC在纸机传动中的应用13图32S7200PLC系统组成（1）S7200系列PLC的存储系统A存储系统S7200系列PLC的存储系统由RAM和EEPROM两种型存储器构成，CPU模块内部配备一定容量的RAM和EEPROM，同时，模块支持可选的EEPROM存储器卡。B存储器及使用S7200的程序从广义上看，由三部分构成用户程序、数据块和参数块。用户程序是必选部分，数据块和参数块是可选部分，参数块主要是指CPU的组态数据，数据块主要是用户程序执行过中所用到和生成的数据。上装和下装用户程序是用STEP7MICRO/WIN32编程软件时，PLC主机和计算机之间的程序、数据和参数的传送。当系统运行时有时会出现电源掉电的意外情况，可以设置CPU参数定义可选的保持的存储区。可以定义的存储区变量存储器V、通用辅继电器M、计数器C和定时器T只有TONR有记忆接通延时定时器。可以将用户程序存储在RAM中的字节、字或双字数据备份到EEPROM存储可以保存变量存储区任意位置的数据。存储卡是一个便携式的EEPROM存器，可以将PLC中的程序和重要数据进行备份，使用方便，可保存用程序、CPU组态参数和存储在EEPROM存储器中的变量存储器永久区的数使用简单。（2）扫描周期S7200系统的扫描周期包括输入处理、执行程序、处通信请求、执行CPU自诊测试和写输出。不同CPU工作方式下的扫描周期执行的任务也有所不同。S7200CPU226这种模块功能增强，主机输出和输入点为40点，最大可以扩展为248点数字量或35模拟量，通信能力增强，可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。具有集成的24V负载电源，可以直接用于连接到传感器和执行机构输入同时接通的数量24路输入，主机输出16路输出存储安全，EEPROM存储模块可选，可在不用编程器的条件下作为拷贝与修改程序的快速工具，并可进行辅助软件归档工作，超级电容和电池模块，用于长时间保存数据，用户数据可以通过主机的超级电容存储若干天，电池模块可选，可以使数据的存储时间延长到200天高速反应，脉冲捕捉功能，可以用于普通输入端子捕捉比CPU扫描周期更快的脉冲信号中断输入，它允许以极快的速度对信号的上升沿做出响应高速计数器，速度为30KHZ，可编程并具有复位输入，多个独立的输入端可同时用作加减计数，可以连接相应数量的相位差为90的A/B相增量编码器。脉冲输出，2路最大可达20KHZ的高频脉冲输出，可以驱动步进电机和伺服电机以实现准确定位可以用模块电位器来改变它对应的特殊寄存器中的数值，可以即时更改程序运行中的一些参数可用以对信息加注时间标一记，记录机器运行时间或对过程进行时间控制可扩展模块数为7。陕西科技大学毕业论文（设计说明书）1436变频器简介361变频器主电路（1）电力电子开关器件电力半导体器件已经历了以晶闸管为代表的分立器件，以可关断晶闸管GTO，巨型晶体管GTR，功率MOSEFT、绝缘栅双极晶体管GITB为代表的功率集成器件PIO，以智能化功率集成电路SPIC，高压功率集成电路HVIC为代表的功率集成电路PLC等三个发展时期。从晶闸管靠换相电流过零关断的半控器件发展到PID、PCI通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件。在器件的控制模式上，从电流型控制模式及发展到电压型控制模式。在器件结构上，从分立器件发展到由分立器件组合成功率变换电路的初级模块。（2）整流电路一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流电路按其控制方式，可以是直流电压源，也可以是直流电流源。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。（3）逆变电路逆变电路是变频器主要的部分之一。它是利用六个半导体开关器件组成桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中的主开关元器件的通与断，得到任意的三相交流电输出。它的主要作用是在控制电路的控制下，将平滑电路输出的直流电源为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，用来实现对异步电动机的调速控制。图33变频器的基本构成S7200PLC在纸机传动中的应用15362变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路以及保护等几个部分，是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定了变频器性能的优控制电路的主要作用是完成对逆变器开关控制、对整流器的电压控制以及完种保护功能。控制算法为PWM控制利用了采样控制理论中的结论冲量相等而形状不同的冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里的效果相同，指环节的输出响应波形基本相同。根据这个原理，可以用一系列等幅而不等宽的脉冲来近似正弦波，且脉冲的宽度按正弦规律变化。363变频调速的基本原理当在一台三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压时，该电压将产生一个旋转磁场，其速度由定子电压的频率所决定。当磁场旋转时，位于该磁场中的转子绕组将切割磁力线，并在转子绕组中产生相应的感应电动势和感应电流，而此感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力，即转矩，使转子跟随旋转磁场旋转。当将三相异步电动机绕组的任意两相进行交换时，所产生的旋转磁场的方向将发生改变。因此，电动机的转向也将发生改变。异步电动机定子磁场的转速被称为异步电动机的同步转速，其同步转速由电动机的磁极个数和电源频率所决定60F/P公式310N电机同步转速F供电电源频率HZP电机定子磁极对数异步电动机的转速总是小于其同步转速，异步电机的实际转速可由下式给出N1S60F1S/P公式320N式中N电机实际转速S转差率同步电动机时，S0由式2可知，改变参数F，S中的任意一个就可以改变电动机的转速，异步电动机进行调速控制。因此，可以通过改变该电源的频率来实现对异步机的调速控制。从某种意义上说，变频器就是一个可以任意改变频率的交流在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通量适中。磁通过大，导致励磁电流过大，严重时会因为绕组过热而损坏电机。对于直流电机来说，励磁系统是独立的，所以只要对电枢反应的补偿合适。三相异步电机定子每相电动势的有效值是公式（33）114MEFNK式中E1气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值陕西科技大学毕业论文（设计说明书）16F1定子频率定子每相绕组串联匝数1N基波绕组因数K每相气隙磁通量。M由公式可知，只要控制好E1和F1，便可以控制磁通不变。需要考虑基定频率M以下和基频以上两种情况即基频以下调速基频以上调速。364变频调速的优点利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。电机在带动较大负载在启动时，会有较大的冲击电流，采用变频器时，可以实现软启动，减小冲击电流，解决大负载的启动问题。电源功率因素大，所需容量小，可以组成离性能的控制系统等。完善的保护功能变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等，并立即封锁输出电压。这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。365ABB公司的ACS550变频器性能介绍（1）功能特点A工业型变频器，比通用型产品更适合于环境恶劣的工业生产现场。B标准化及模块化。整个变频器的结构非常紧凑，主板及扩展板都有是通过总线插槽连接，各组件接近，便于维修。由于集成度的提高，使装置具有很高的可靠性。C搞于扰性好，运行可靠，不受元器件老化和温度漂移的影响，能长期保持稳定的控制精度。D适应电源电压波动范围广，能自动适应电网频率变化。E具有很强的自诊断处理功能，提供有关故障原因的补充信息，使故障排除更为简单，维护方便。F灵活多变的通讯能力。G32位CUP全数字控制，组态功能丰富。H可针对具体交流电机进行优化，以达到优良的控制性能。I低速时也能提供额定转矩。在造纸过程中，保持各传动子系统之间的同步运行是尤为重要的。这种同步，不仅仅是稳速运行时需要同步，而且在加减速的动态过程中也需要保证线速度的一致。为此，我们采取以下两个措施，以达到同步的目的。S7200PLC在纸机传动中的应用17（2）提高系统的动态响应所有变频器都采用光电编码器的反馈方式，通过矢量运算，它能够确定和控制转矩和磁通的电流分量，获得同直流传动相媲美的动态特性。这就从基础上保证了同步的可实现性。（3）建立速度给定值链在各个变频器之间建立装置对装置通讯过程，通过此方式能够将速度给定值用数字量迅速而准确地传递给第一个变频器，消除模拟信号传递中由于线路损耗、干扰等带来的信号漂移、干扰所带来的不利影响。各个分部之间不同的机械变化则由变频器内部不同的比例因子控制，从而实现动态与稳态时各分部线速度的恒比例运行。陕西科技大学毕业论文（设计说明书）18第四章通信协议41MODBUS协议概述MODBUS就是工业控制器的网络协议中的一种。MODBUS协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。MODEBUS协议是一种串行的主从通讯协议。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。当在一MODBUS网络上通信时，此协议决定了每个控制器需要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用MODBUS协议发出。在其它网络上，包含了MODBUS协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。（1）在MODBUS网络上转输标准的MODBUS口是使用一个RS232C兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由MODEM组网。MODICON控制器使用的是与RS232C兼容的标准通讯接口。它定义了插头外型、接线管脚、信号等级、传输波特率和奇偶校验等。控制器可以直接与网络联接，也可以通过调制解调器联接。控制器通信使用主从技术，即仅有一个设备（主设备）能初始化传输（查询）。其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。典型的主设备主机和可编程仪表。典型的从设备可编程控制器。主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。MODBUS协S7200PLC在纸机传动中的应用19议建立了主设备查询的格式设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、一错误检测域。从设备回应消息也由MODBUS协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和一错误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。（2）在其它类型网络上转输在其它网络上，控制器使用对等技术通信，故任何控制都能初始和其它控制器的通信。这样在单独的通信过程中，控制器既可作为主设备也可作为从设备。提供的多个内部通道可允许同时发生的传输进程。在消息位，MODBUS协议仍提供了主从原则，尽管网络通信方法是“对等”。如果一控制器发送一消息，它只是作为主设备，并期望从从设备得到回应。同样，当控制器接收到一消息，它将建立一从设备回应格式并返回给发送的控制器。（3）MODBUS查询响应周期（A）查询查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息。例如功能代码03是要求从设备读保持寄存器并返回它们的内容。数据段必须包含要告之从设备的信息从何寄存器开始读及要读的寄存器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。（B）响应正常情况下，从机响应的功能代码与查询的功能代码相对应，数据区包含从机根据查询要求收集到的数据，如寄存器的值或状态等。当发生通讯错误时，功能代码就转而指示该响应为故障响应，数据字节则包含故障描述代码。错误校验域允许主机确认信息内容是否有效。42MODBUS的数据传输方式控制器能设置为两种传输模式（ASCII或RTU）中的任何一种在标准的MODBUS网络通信。用户选择想要的模式，包括串口通信参数（波特率、校验方式等），在配置每个控制器的时候，在一个MODBUS网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数,这里我们只介绍RTU模式。RTU模式地址功能代码数据数量数据1数据NCRC高字节CRC低字节表41两种传输模式陕西科技大学毕业论文（设计说明书）20所选的RTU方式仅适用于标准的MODBUS网络，它定义了在这些网络上连续传输的消息段的每一位，以及决定怎样将信息打包成消息域和如何解码。在其它网络上（像MAP和MODBUSPLUS）MODBUS消息被转成与串行传输无关的帧。当控制器在MODBUS网络上被设定为采用RTU（远程终端单元）模式进行通讯时，信息中的每一个8位字节包括两个4位的十六进制字符。这种方式的最大好处就是字符的密度可以更高，相同波特率的数据流量比ASCII模式更大。每个信息必须在一个连续的数据流中进行传输。RTU模式中每个字节的格式是编码系统8位二进制，十六进制09，AF每个8位的信息域中包含2个十六进制字符字节的位1个开始位8个数据位，首先发送最低位1个位用于奇偶校验；无校验时没有这一位1个停止位（有校验时）；2个停止位（无校验时）错误校验区循环冗余校验（CRC）43MODBUS消息帧431消息帧的组成两种传输模式中（ASCII或RTU），传输设备以将MODBUS消息转为有起点和终点的帧，这就允许接收的设备在消息起始处开始工作，读地址分配信息，判断哪一个设备被选中（广播方式则传给所有设备），判知何时信息已完成。部分的消息也能侦测到并且错误能设置为返回结果。其中在RTU模式中，新的信息总是以至少35个字符的静默时间开始。在以波特率计算传输速率的网络上，以字符为单位计算时间显得很容易（如下面图所示的T1T2T3T4）。紧接着传送第一个域设备地址。每个域的允许传输字符都是09，AF的十六进制数。网络设备始终监视着通讯总线的活动，即使在静默间隔时间内。当接收到第一信息域后（地址信息），每个网络设备都对此进行译码，以确定自己是不是所寻址的设备。随着最后一个字符传输结束，又有一段类似的35个字符的间隔时间，用来标志本次的信息传输已经结束。在此之后，又将开始一个新的信息。整帧的信息必须以一个连续的数据流进行传输。如果信息结束前存在超过15个字符以上的间隔时间，接收设备将清除这些不完整的信息，并错误的认为随后一个字符是新一帧信息的地址部分。S7200PLC在纸机传动中的应用21同样地，如果一帧新信息的开始与前一信息的间隔小于35个字符时间，接收设备将认为它是前一信息的继续。由于信息的错乱，最终的CRC域不正确，将导致产生一个故障。下图是一帧信息的标准结构。开始地址域功能域数据域CRC校验结束T1T2