基于MPI网络的电机控制课程设计论文

1、辽 宁 工 业 大 学 工业控制网络 课程设计（论文）题目： 基于MPI网络的电机控制 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 自动化 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间：2016.1.42016.1.15课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目课程设计（论文）任务进度计划指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要西门子公司的系列PLC可以通过QU 模块上的MPI接口组成MPI网络，通过它实现全局数据通信。

2、在PLC之间进行少量数据交换。通过MPI网络的全局数据通信不需要额外的硬件和软件，结构简单，端口管理与布线容易。装置连接成本低。拥有很大的市场前景。通过MPI网络通讯控制星角启动更是体现了装置成本低的特点，并且在没有变频器的情况写，可以利用星角启动实现电动机的减压启动，星角启动是利用了电动机星接与角接时转矩、转速、启动电流的不同来启动三相电动机的一种方式，这样可以降低启动电流，可以延长电机的寿命，同时减可以少该线路上的电压突降。 关键词：PLC；MPI；星角启动目 录第1章 绪论1第2章 课程设计的方案32.1 概述32.2 系统控制方案32.3 总体设计框图3第3章 硬件设计53.1 可编程

3、控制器(PLC)的设计53.1.1 输入输出(I/O)点数的估算53.1.2 控制功能的选择53.1.3 存储器容量的估算53.2 星角减压启动63.2.1 星角减压启动原理63.2.2 星角减压启动的条件73.3 星形三角形减压启动控制电路7第4章 软件设计104.1 设计实现功能104.2 控制系统的I/O地址分配114.3 控制系统基本流程图124.4 硬件组态134.4.1 创建项目134.4.2 插入SIMATIC300工作站144.4.3 插入电源模块及CPU模块144.5 MPI网络的设置154.6 梯形图编程16第5章 课程设计总结18参考文献19第1章 绪论现场总线(Fiel

4、dbus)是20世纪80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于现场总线技术过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多有实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通

5、讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点 :具有一定的时间确定性和较高的实时性要求，还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。MPI是多点接口(Multi Point Interface)的简称，是西门子公司开发的用于PLC之间通讯的保密的协议。是消息传递函数库的标准规范，由MPI论坛开发，支持Fortran和C语言。它一种新的库描述，而不是一种语言；它共有上百个函数调用接口，在Fortran和C语言中可以直接对这些函数进行调用；它是一种标准或规范，而不是特指某一个对它的具体实

6、现；MPI是一种消息传递编程模型，并成为这种编程模型的代表和事实上的标准。MPI具有高可移植性，当MPI已在PC机、MS Windows以及所有主要的Unix工作站上和所有主流的并行机上得到实现时，使用MPI作消息传递的C语言或Fortran语言并行程序可不加改变地在上述平台实现。MPI通讯是当通信速率要求不高、通信数据量不大时，可以采用的一种简单经济的通讯方式。MPI通信可使用PLC S7-200/300/400、操作面板TP/OP及上位机MPI/PROFIBUS通信卡，如CP5512/CP5611/CP5613等进行数据交换。S7-300 PLC的MPI最大传输速率为187.5 Kbps。

7、MPI网络两相邻节点间的最长传输距离为50 m，加中继器后为1000 m，但两个节点间不应再有其它节点。若采用光纤，网络最长可达到2318 km。通过MPI接口，QU可以自动广播其总线参数组态(例如波特率)，然后可以自动检索正确的参数。常用的MPI版本为MPICH和LAMMPI。MPICH是MPI最流行的非专利实现,由Argonne国家实验室和密西西比州立大学联合开发,具有更好的可移植性。当前最新版本有MPICH 1.2.7和MPICH2 1.03；LAMMPI是美国Indiana 大学Open Systems 实验室实现，当前最新版本7.1.2。西门子公司的系列PLC可以通过QU 模块上的M

8、PI接口组成MPI网络，通过它实现全局数据通信。在PLC之间进行少量数据交换。通过全局数据通信，一个QU 可以访问另一个QU 的数据块、存储位和过程映像等。通过MPI网络的全局数据通信不需要额外的硬件和软件，结构简单，端口管理与布线容易。装置连接成本低。PLC通过MPI接口能同时连接运行STEP 7的编程器、计算机、人机界面接入MPI网络的设备均称作节点，S7-300 PLC的MPI网络节点数量的最大值为32个。第2章 课程设计的方案2.1 概述本次设计主要是综合应用所学知识，设计出基于MPI网络的电机控制，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用现场总线课程中所学的基

9、本理论和基本方法，并初步掌握MPI网络系统设计的基本方法。MPI网络是基于MPI（MultiPoint Inteface）多点接口协议的一种通信网络，相对于其它总线网络结构，它更简单、更经济。由于西门子PLC S7-200/300/400 CPU上的RS485接口不仅是编程接口，同时也是一个MPI的通信接口，所以在没有额外硬件投资的状况下，可以实现PG/OP、全局数据通信以及少量数据交换的S7通信等通信功能，其网络节点通常包括S7 -PLC、TP/OP、PG/PC、ET200S以及RS485中继器等网络元器件。2.2 系统控制方案基于MPI网络的电机控制与其他总线的控制方式具有很对优点，相对基

10、于Profibus-DP总线的控制系统硬件和软件成本都非常高，很难被推广应用。为此，本文提出了一种基于MPI网络结构的电机自动控制系统，它可以实现电机的控制，而其成本远低于Profibus-DP总线控制系统。MPI网络的通信速率为19.2Kbit/s-12Mbit/s，通常默认设置为187.5Kbit/s，只有能够设置为PROFIBUS接口的MPI网络才支持最大的12Mbit/s的通信速率。普通PC需要通过MPI/PROFIBUS通信卡（如CP5512/CP5611/CP5613等）联入MPI网络，其中CP5611和CP5613用于台式电脑，后者带网络诊断功能，但价格相对较高。2.3 总体设计

11、框图在设计基于MPI网络的电机控制时，需要用PLC通过对MPI网络对变频器进行控制，从而达到对电机的控制作用，其总体结构图如图2.1所示。图2.1 基于MPI网络的电机控制总体结构图第3章 硬件设计3.1 可编程控制器(PLC)的设计可编程控制（PLC）的设计是电机星角启动控制的关键，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析。工艺过程的特点、控制要求，控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。3.1.1 输入输出(I/O)点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量

12、，通常根据统计的输入输出点数，再增加1O%20%的可扩展。余量后，作为输入输出点数估算数据。3.1.2 控制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专门的输入输出单元完成控制功能，提高PLC的处理速度和节省储存器容量。3.1.3 存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知

13、的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。 存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同的公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。因此本课题的PLC内存容量选择应能存储2000条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。综上所述可以选择西门子公司生产的S7-300系列PLC，西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力、功能更强、可靠性更高等特点。该控 制系统选用西门子S7300系列PLC，它是

14、超小型化的PLC，它适用于各行个业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7300 PLC的强大功能使其无论单击运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。S7300系列 PLC可提供4种不同基本型号的8种CPU。西门子S7-300系列 CPU314晶体管输出型的PLC，集成I/O模块上有DI8DC24V AI5/AO212Bit,DI16/DO16DC24V，并可连接8个扩展单元，MPI连接数量为32，这已经可以满足系统所需要的输入输出端口要求。电动机星形-角型减压启动PLC外部接线图如图3.1所示。图3.1 电动机星形-角型减压启动PLC外部接线图3.2 星角减压启动3.2.1 星角减压启动原

15、理当负载对电动机启动力矩无严格要求又要限制电动机启动电流、电机满足380V角型接线条件、电机正常运行时定子绕阻接成三角形时才能采用星三角启动方法。该方法是：在电机启动时将电机接成星型接线，当电机启动成功后再将电机改接成三角型接线（通过双投开关迅速切换）；由于电机启动电流与电源电压成正比，而此时电网提供的启动电流只有全电压启动电流的1/3，因此其启动力矩也只有全电压启动力矩的1/3；星三角启动属降压启动，它是以牺牲功率为代价换取降低启动电流来实现的，所以不能一概而论以电机功率的大小来确定是否需采用星三角启动，还要看是什么样的负载。一般在启动时负载轻、运行时负载重的情况下可采用星三角启动，通常鼠笼

16、型电机的启动电流是运行电流的5-7倍，而电网对电压要求一般是正负10%，为了使电机启动电流不对电网电压形成过大的冲击，可以采用星三角启动。一般要求在鼠笼型电机的功率超过变压器额定功率的10%时就要采用星三角启动；在实际使用过程中，有时电机功率为11KW就需要星三角启动，如额定功率11KW的风机在启动时电流为7-9倍(100A左右），按正常配置的热继电器根本启动不了（关风门也没用），热继电器配太大又无法起到保护电机的作用，所以建议采用星三角启动。3.2.2 星角减压启动的条件1、容量7.5KW以上的三相异步电动机。2、电动机在启动瞬间造成电网电压波动小于10%的，对于不经常启动的电动机可以放宽到

17、15%；如果有专用变压器S变压器5P电机，电动机允许直接频繁启动。3、满足经验经验公式：Ist/IN0.75+ST4PNST-公用变压器容量，KVA；PN-电动机额定功率，KW；Ist/IN-电动机启动电流和额定电流之比。4、星三角降压启动的电动机三相绕组共有六个外接端子：A-X、B-Y、C-Z （以下以额定电压380V的电机为例）A.星形启动：X-Y-Z相连，A、B、C三端接三相交流电压380V，此时每相绕组电压为220，较直接加380V启动电流大为降低，避免了过大的启动电流对电网形成的冲击。此时的转矩相对较小，但电动机可达到一定的转速。B.角形运行：经星形启动电动机持续一段时间（约几十秒钟

18、）达到一定的转速后，电器开关把六个接线端子转换成三角形连接并再次接到380V电源时每相绕组电压为380V，转矩和转速大大提高，电动机进入额定条件下的运行过程。3.3 星形三角形减压启动控制电路正常运行为三角形联接且功率较大的电动机可以采用星形三角形减压启动。电动机启动时，定子绕组接成星形联结，每相绕组的电压由额定380V降到220V，起动电流降为三角形联结起动电流的1/3。待转速升高到额定转速时改为三角形联结，直到稳定运行。星形三角形减压启动主电路电路如图2.2所示。控制电路如图2.3所示。图2.2 主电路图图2.3 控制电路图电路工作过程为：按下SB2之后KM线圈得电，主触点闭合，KM1线圈

19、得电，主触点闭合，KT线圈得电，开始计时，然后电动机星型联结起动运行，直到KT延时到KT常开触点闭合，KT常闭触电断开。此时KM星型线圈失电，触电动作，然后KM角型线圈带电，主触点闭合辅助常开触电闭合，最后电动机三角形联结运行。完成电动机的星角启动。在硬件接线时，都应特别注意电路和程序的互锁，组成双重互锁系统，提高安全系数。星形和三角换接时，中间有一个断电状态，是为了防止在开关电弧未熄灭时，另一个开关已经接上，形成瞬时短路，造成不安全事故。第4章 软件设计4.1 设计实现功能基于MPI网络的电机控制的控制核心是PLC，在建立一个PLC控制系统时，哪些信号需要输入至PLC，PLC需要驱动哪些负载

20、,以及采用何种编程方式，都会影响到其内部I/O点数的分配，必须首先把系统需要的输入，输出数量确定下来，然后按需要确定各种控制动作的顺序和各个控制装置彼此之间的相互关系。在确定控制系统各环节的相互关系之后，就可以进行分配输入输出设备。因此，I/O点数的确定，是设计整个PLC电机控制系统首先需要解决的问题，它不仅决定着系统硬件部分的设计，也是系统软件编写的前提。本设计是基于MPI网络的电机控制,根据PLC 的I/O节点使用原则,应留出一定的I/O点以做扩展时使用。在对系统的控制要求进行分析后，可以大概确定系统的输入输出点数。本系统其数字量输入需要满足系统启动、停止和星角启动转换三个功能。如表4.1

21、所示。表4.1 系统数字量输入所需各元器件功能及所占PLC点数项目名称输入点数备 注总点数启动按钮1系统给电输入点数：3停止按钮1系统断电 热继电器触电1电动机星角转换本系统数字量输出所需点数估算系统数字量输出分为主接触器、星型接触器和叫星型接触器。如表4.2所示。表4.2系统数字量输出所需各元器件功能及所占PLC点数项目名称输出点数备 注总点数主接触器 1主触点闭合，KM线圈得电输出总点数：3星型接触器1KM1线圈失电，触电动作三角形接触器1KM2线圈带电，主触点闭合4.2 控制系统的I/O地址分配PLC控制系统硬件设计的关键部分是设计PLC的外部电路，即画出PLC的外部硬件连线图。根据以上

22、所选的CPU模块型号、各扩展模块的型号以及本机的I/O地址，为了明确每个输入端传入数据的意义和每个输出线圈所控制的量，给出I/O资源配置表如表4.3和表4.4所示。表4.3数字量输入地址分配表 信号名称 符号输入地址 启动按钮 SB1I0.0 停止按钮 SB2I0.1 热继电器触点 FRI0.2表4.4 数字量输出部分地址分配表信号名称外部元件 输出地址主接触器 KMQ0.0星型接触器 KM1Q0.1三角形接触器 KM2Q0.24.3 控制系统基本流程图控制系统流程图的编制是在对控制系统进入深入的了解后，了解各种控制设备之间的关联；然后详细的了解每个被控设备的特性。分析完工艺流程和控制要求后，

23、根据工艺的总体要和控制系统的具体情况，画出控制系统的流程图。基于MPI网络的电机控制的流程图如图4.1所示。图4.1喷泉控制的流程图电机星角启动控制过程说明如下：1） 通电后，进入工作状态。按下启动按钮SB2，电动机星形启动。（KM、KM1线圈同时得电），并延时10s。2） 10s定时到，断开KM1线圈，星形启动结束，同时延时0.5s3） 0.5s定时到。接通KM2线圈，电动机三角形联结正常运转（KM、KM2线圈通电）。4.4 硬件组态4.4.1 创建项目S7-300PLC的组态软件是STEP 7。STEP 7是一种用于西门子PLC进行组态和编程的专用集成软件包。它是西门子工业软件的一部分。S

24、TEP 7是用于S7-300/400系类PLC自动化系统设计的标准软件包。在设计一个自动化系统时，既可以采用先硬件组态，后创建程序的方式，也可以先创建程序，后硬件组态的方式。如果要创建一个使用较多输入和输出的复杂程序，建议先进性硬件组态。在SIMATIC管理器中执行菜单命令FileNew，弹出图4.2所示的新项目窗口。图4.2 新建项目窗口项目包含“用户项目”（User projects）、“库”（Libraries）、“多项目”（multiprojects）三个选项卡，一般选择用户项目选项卡。在用户项目选项卡的Name区域需要输入项目名称，也可以在上方窗口内所列出的已有项目中选择一个作为新建

25、项目，在Type区域可选择项目类型。设置本次试验将项目命名为，项目类型为Project。4.4.2 插入SIMATIC300工作站在项目中，工作站代表了PLC的硬件结构，并包含有用于组态和给各个模块进行参数分配的数据。使用菜单命令InsertStationSIMATIC 300 Station插入一个SIMATIC 300工作站，如图4.3所示图4.3 插入SIMATIC 300工作站4.4.3 插入电源模块及CPU模块硬件组态，就是使用STEP 7对SIMATIC工作站进行硬件配置和参数分配。所配置的数据以后可以通过“下载”传送到PLC。硬件组态的条件是必须创建一个带有SIMATIC工作站的

26、项目。在图4.2所示项目窗口的左视图内，点击工作站图标SIMATIC 300，然后在右视图内双击硬件配置图标Hardware，打开硬件配置窗口。选中槽号1，然后在硬件目录内展开PS-300子目录，双击PS 307 5A图标插入电源模块，选中槽号2，然后在硬件目录内展开CPU-300子目录下的CPU 314 子目录，双击6ES7 314-1AF10-0AB0图标插入V2.0版本的CPU 314模块，如图4.4所示。图4.4 插入电源模块及CPU模块4.5 MPI网络的设置MPI网络苻合RS-485标准，具有多点通信的性质，MPI的波特率固定地设为1875kbps。每个MPI网有个分支网络号，以区

27、别不同的MPI分互网；在MPI分互网或称MPI网上的每一个节点都有一个网络地址，称为MPI地址。MPI地址的编址规则： 1)、MPI分互网号缺省设置为0，在一个分支网络中，各节点要设置相同的分支网络号。2）、必须为MPI网络上每一节点分配一个MPI地址和最高MPI地址同一MPI分支网络上各节点地址号必须是不同的，但各节最高地址号均是相同的。3）、节点MPI地址号不能大于给出的最高MPI地址号；最高地址号可以是126。为提高MPI网络节点通信速度最高MPI地址应设置得较小。4) 、如果机架上安装有功能模块(FM）和通信模板，则它们的MPI地址是由CPU的MPI地址顺序加1构成。MPI通讯设置首先

28、进入网络配置画面，如图4.5所示。图4.5 网络配置画面点击MPI线（线变粗），右键，进入“Define Global Data”画面，点击“GD ID”行，进行CPU选择。4.6 梯形图编程基于MPI网络的电机控制的控制器是S7300PLC，本次程程设计采用梯形图对PLC进行编程。梯形图语言沿袭了继电器控制电路的形式，梯形图是在常用的继电器与接触器逻辑控制基础上简化了符号演变而来的，具有形象、直观、实用等特点，电气技术人员容易接受，是目前运用上最多的一种PLC的编程语言。在PLC程序图中，左、右母线类似于继电器与接触器控制电源线，输出线圈类似于负载，输入触点类似于按钮。梯形图由若干阶级构成，

29、自上而下排列，每个阶级起于左母线，经过触点与线圈，止于右母线。用梯形图编译程序网络如图4.6。图4.6 网络1梯形图编译网络2和网络3如图4.7所示。图4.7 网络2与网络3网络4如图4.8所示。图4.8 网络4第5章 课程设计总结本系统主要以基于MPI网络的电机控制功能，实现了通过MPI网络的通信来控制电机的星角启动功能，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。通过本设计，我学习到了很多东西，在工作的细心上也得到了提高。并且，更了解里有关可编程器件和现场总线的知识。在课设过程中，遇到的最大问题就是，关于MPI网络的不熟悉，以往的总线大多都是DeviceNet或ControlNet网络的，这也反映了我在学习过程中的不足。最后，我是在老师和同学的帮助下，以及查阅资料最终解决的问题。通过这次设计是为了弥补以前学习上的不足，使我了