【《基于西门子S7-300系列PLC的位置控制系统设计》9300字】

I1.3课题设计的主要内容本课题基于可编程逻辑控制器S7-300系列西门子PLC与直流调速器6RA80，通过软件STARTER配置电机参数。使用博途V16软件组态硬件实现S7-314C和直流调速器6RA80的通讯连接，在其中编写程序和触摸屏HMI、上位机WINCC监控界面，经由PROFIBUS和PROFINET总线将所编写的工程分别下载至6RA80和HMI，利用触摸屏对位置控制系统进行控制并监控被控对象的实时位置和电机转速等，博途通过以太网实现上位机监控。本文分为六个章节：第一章绪论。本章节简要概述了位置控制技术的选题意义和国内外现状、发展趋势，以及本文的设计内容。第二章硬件组成。本章节主要介绍了本次毕设的软硬件构成。第三章硬件组态。本章节主要介绍博途软件中的硬件组态配置和通过STARTER软件配置直流电机参数。第四章程序设计。本章节主要介绍了博途中PLC位置控制系统程序的设计。第五章监控界面设计。本章节主要介绍了触摸屏HMI监控界面与上位机WINCC监控界面的设计步骤和调试。第六章小结。本章节主要介绍了本次设计的成果和不足。2软硬件组成2.1位置控制系统概述本课题所用软硬件如下表2-1所示。表2-1基于工业全数字化平台的位置控制系统设备版本/型号数量说明软件博途V16SP11硬件组态、建立主从站通讯、编写程序与监控画面STARTERV5.31配置直流电机参数硬件PC1编写程序与监控画面PLCS7-314C-2PN/DP1主站直流调速器6RA801从站HMIKTP-700basic1监控直流电动机1500rpm，220V，2.2A，335W1驱动光电编码器2048p/r1位置反馈元件垂直定位装置1控制对象电源三相交流电380V1通讯线以太网线1连接PLC和PCPROFIBUS1连接PLC和直流调速器RS232/USS1连接PC和直流调速器PROFINET1连接PLC和HMI课题设计以“工业全数字交直流调速装置”为对象，选择其中的直流模块用以设计。在PC博途软件中进行硬件组态并配置主站（S7-300）与从站(6RA80),在主站（S7-314C-2PN/DP）编写PLC程序并通过以太网下载至PLC中；在软件中编写触摸屏HMI监控画面,通过HMI和PLC的PROFINET连接下载至HMI进行监控；在软件STARTER配置直流电动机参数,通过RS232/USS通讯线下载至直流调速器中；通过直流电动机转动轴上的传送带控制被控对象的升降；直流调速器（6RA80）与PLC（S7-314C-2PN/DP）通过PROFIBUS总线实现数据交换，博途软件可通过以太网实现上位机监控。本次设计实现了控制直流电机启停与正反转、读取电机实时转速、修改电机转速、现场监控画面和上位机画面对被控对象实时位置的监控。2.2直流调速装置本次课题设计使用西门子全数字直流调速器6RA80，在调试6RA80时可通过标准操作面板BP020或软件完成对电机参数配置。6RA80作为从站可通过PROFIBUS总线向主站发送电机数据，并根据主站指令控制电机。SINAMICSDCMASTER(简称SINAMICSDCM)，集SINAMICS系列产品的优点于一身，将闭环控制、开环控制、功率单元集成于一台设备，且其可靠性、紧凑的结构、节省空间的设计、性价比方面较诸模拟调速有明显优势。2.3博途软件TIA博途V16全称SiemensSimaticTIAprotalV16，是西门子工业自动化集团于2019年12月发布的一款全集成自动化编程软件，该软件提供了丰富的功能模块，可以有效缩短工程时间，提高使用者的工作效率，软件为控制器、人机接口、驱动器以及共享数据存储和一次性提供了标准化操作概念，并为所有数据化对象提供了强大的库，通过该软件可进行产品的组态、编程和调试。其具备的特点如下：可在一个共享编辑内组态控制系统的网络与设备；可用在线功能获取当前运行的实时程序状态；软件由西门子PLC、西门子触摸屏HMI、驱动装置、PC部分组成，有利于提高组态效率；博途提供了功能图（FBD）、语句表（STL）、梯形逻辑图（LAD）三种编程语言；该软件运行程序大，会占用更多的硬盘空间和物理内存，安装耗时较长。2.4西门子可编程控制器S7-300 本工程使用的主站是德国西门子公司生产的可编程序控制器S7-300系列PLC。其由于易于实现分布式的配置、安装简单、性价比高、电磁兼容性强、易于维护、模块化结构等特点而被广泛用于工业控制领域。\t"/item/s7-300/_blank"PLC采用循环执行程序的方式，OB1是主程序用于循环处理的组织块，其可以调用其他\t"/item/s7-300/_blank"逻辑块，或被中断程序中断。起动后不停地循环执行OB1，在OB1中又可以调用其它逻辑块。2.5光电编码器本文选用的位置反馈元件为旋转式光电编码器，其是通过光电转换将电机轴的角位移量转换成脉冲的传感器。旋转编码器主要参数是分辨率，在编码器的光电码盘腐蚀雕刻了许多细小的缝的数量称为分辨率，相当于把一个码盘分割成多个等分。然后在码盘的一面安装一个发光源，另一面安装个接收器，如此码盘转动时光会透过缝隙，接收器收到脉冲经过电路处理输出一个脉冲信号。如此，当有仪器读到脉冲个数，就知道码盘转动的角度。如果把编码器安装在电机轴上，两者关系会相对应，通过读取编码器的脉冲数就可知道电机的轴转动角度。而电机轴就会通过同步带或链条等带动被控对象，电机转动一圈被控对象就会前进相应的距离，同时编码器也会输出相应的脉冲数，通过总脉冲数可反推被控对象当前位置。3硬件组态3.1博途设备组态与配置3.1.2网络视图创建在博途软件中进行设备组态，其步骤如下：打开TIAPortalV16软件，新建一个项目，在“添加新设备”中选择控制器，在控制器列表中选择所需的CPU（CPU314C-2PN/DP）与订货号（6ES7314-6EH04-0AB0），如图3-1所示。图3-1CPU选择2、打开PLC设备视图界面，在右侧目录“PC>PS3075A>6ES7307-1EA00-0AA0”中添加电源模块。314C-2PN/DP自带模拟输入输出模块和数字量输入输出模块各一个。点击“以太网口>属性>常规>以太网地址>添加新子网”，可设置IP地址。点击“DP接口>属性>常规>PROFIBUS地址>添加新子网”，接口类型选择PROFIBUS，地址设置为2，如下图3-2所示。图3-2PLC配置电源模块与IP地址3、打开网络视图，在右侧硬件目录的“其它现场设备>PROFIBUSDP>驱动器>SIEMENSAG>SINAMICS>SINAMICSDCMASTERV1.3>6RA80xx-xxxxxx-xxxx”，将其拖到左侧的网络视图中完成从站6RA80的添加，如下图3-3所示。图3-3添加从站4、点击网络视图，在硬件目录“HMI>SINAMICS精简系列面板>7″显示屏>KTP700Basic>6AV6123-2GA03-0AX0”中添加监控面板。5、在网络视图，硬件目录“PC系统>常规PC>PCstation”添加PC；双击PC进入其设备视图界面右侧目录上添加上位机监控：“SINMATC应用软件>WinCCRTAdvanced”，如图3-4所示。图3-4添加上位机监控系统6、在网络视图中点击从站DCM上的“未分配”，而后点击选择主站下的“PLC_1.MPI/DP接口_1”，建立主站与从站的PROFIBUS连接。点击连接，连接建立PLC、HMI、PC的以太网口连接，如下图3-5所示。图3-5组态连接3.1.2配置报文进入从站DCM设备视图界面，在右侧硬件目录中双击“Standardtelegram1,PZD-2/2”，所选报文（标准报文1）自动进入设备概览图，如下图3-6所示。图3-6报文配置标准报文是指报文长度与报文中过程数据区PZD的作用已经被指定，于直流调速器中选择好标准报文后，直流调速器会自动完成报文相关参数的互连，不需要用户再进行设置。本程序所采用的标准报文1结构如下表3-1所示。表3-1标准报文1结构报文类型PZD1PZD2报文1STW1NSOLL_A控制字转速设定值ZSW1NIST_A_GLATT状态字滤波后的转速实际值控制字和设定值是由PLC发送给直流调速器的通讯数据，控制字作用是控制设备的启动和停止，使用时将控制字拆分成16个位，分别互连到直流调速器启停控制的相关参数，设定值用于给定速度、转矩等。状态字和实际值是由从站直流调速器发送给主站PLC的通讯数据，状态字用于表征直流调速器目前的运行状态，运用时将状态字拆分为16个位，其中每个位表示的含义取决于直流调速器中对状态字的定义；实际值体现直流调速器当前的一部分物理量的实际大小，如电压、频率、转速、电流、转矩等。3.1.3组态网络概览完成组态后的网络概览如下图3-7所示。图3-7网络概览3.2STARTER配置6RA801、打开STARTER软件，新建一个项目，输入项目名，选择存放路径。2、点击左侧“Insertsingledriveunit”，在弹出的对话框中选择“SINAMICS>SINAMICSDCM>Advanced-CUD>1.4.1>PROFIBUS>3>OK”，如下图3-8所示。图3-8添加驱动器3、选择“Optons>SetPG/PCinterface”中“Serialcable（PPI）”更改连接方式，PPI连接方式指PC与DCM采用RS232/USS通讯连接。4、配置驱动设备：、选择左侧项目树中的“Configuredriveunit”选项配置驱动器。、“Driveproperties”设置驱动单元信息界面：包括驱动器版本和作者等信息，可无视。、“Functionmodules”选择配置工艺调节器或自由功能块界面：本工程不需要复杂的工能模块，可无视。、“Powerunit”配置直流调速器电源界面：参数设置如图3-9所示。、“Motordata”设置电源电压和电机参数界面：如下图3-10所示。、“Motorbrake”设置抱闸功能界面：未设置电机抱闸，选择下一步默认。、“Encoder”设置编码器参数界面：参数设置如图3-11所示。图3-9配置直流调速器电源图3-10电源电压与电机参数图3-11编码器参数设置、“SpecificationsfortheField”设置励磁控制方式和励磁相关参数：不修改默认设置。、“Processdataexchange（drive）”设置驱动器的通讯报文界面：对应博图中的标准报文1设置、“Importantparameters”设置电流、转矩限幅和上下降时间参数界面：选择默认设置、“Summary”:选择Finsh完成驱动装置配置。5、当我们创建完工程以后，点击菜单栏的黄色在线按钮，进行在线.而后点击下载图标将工程下载到设备。点击yes。4程序设计4、1主程序程序启动后，系统将无休止地循环执行主程序自由循环组织块OB1，在OB1块中能够调用FB、SFB、FC、SFC等程序并执行，除OB90以外，优先级别最低的组织块OB1，可以被其他组织块中断。4.1.1从站读写程序可以通过功能模块DPRD_DAT和DPWR_DAT读取和写入数据，这两个功能块可以在“扩展指>分布式I/O>其它”中找到,如下图4-1所示。通过利用“DPRD_DAT”指令能够完成对标准从站连续数据的读取，通过利用“DPWR_DAT”指令能够完成写入标准从站连续数据的操作。图4-1读写程序指令“LADDR”处写入从站的硬件地址256十六进制表示为W#16#100，对应标准报文1在从站读取地址和写入地址的起始地址256，即16进制的100。在“RET_VAL”处定义用于读取/写入错误代码的整形变量。在“RECORD”处定义要读取/写入数据的首地址，读取自M10开始的4个字节从站数据，修改M20开始的4个字节就可以对从站写操作。PLC读取的DCM状态存放在MW10（状态字）、MW12（实际速度），PLC发送给DCM的数据存放在MW20（控制字）、MW22（速度设定值）里。功能块介绍如下图4-2与4-3所示。图4-2功能模块DPRD_DAT介绍图4-3功能模块DPWR_DAT介绍4.1.2启停与正反转本程序通过对从站写入控制字MW20实现电机的停止与正反转。按下启动按键，如果被控对象未超过上限，使用移动值指令MOVE可将启动指令（16#047F）传送到控制字MW20中，令从站控制电机正转启动，如图4-4所示。移动值指令可至“基本指令>移动操作”中寻得。同理，当按下停止按钮且被控对象未大于下限，则将反转指令（16#0C7F）传送到MW20中，令电动机反转运行。图4-4正转运行按下停止按键/单被控对象的实际位置与目标位置相同/实际位置大于上限位置/小于下限位置时将停止指令（16#047E）赋予MW20可控制电机停止运行，被控对象停止移动，如图4-5所示。由于被控对象的位置是根据编码器反馈脉冲计算得到，所以上限位置和下限位置与实际有些许差异，可通过在垂直定位装置上下限位置处安装限位传感器进行终端限位保护，当被控对象实际位置抵达限位后报警并停止电机运行。图4-5停止移动4.1.3设定转速与实际转速转速设定值的转换规则为直流调速器会将收到的16进制设定值PZD数转化为10进制数，以16384(即16进制的4000H，对应100%转速)为基准转换为一个百分数，再将该百分数乘以速度参考值已求得最终的转速设定值。所以在PLC生成设定值时应该考虑上述规则，在PLC先进行转换再使用。转速设定值M=想要达到的转速*16384(即16进制的4000H，对应100%转速)/1500（电机的参考转速），例如我们想要电机达到750rmp，那么直流调速器要接收到的转速设定值=750*16384/1500=8192rmp。实际转速的换算规则类似设定值换算，直流调速器给PLC发送实际值时以参考转速基准将实际转速化为一个百分数再乘以16384得到一个10进制数，最后将得数转化为16进制数发送给PLC。所以在PLC收到实际值PZD后也要逆向转换，实际转速值N=参考转速*直流调速器反馈的数值/16384。利用缩放指SCALE可将输入的整数参数转换为实数，此实数在介于上限（在HI_LIM参数中改变）、下限（使用LO_LIM参数改变）之间的物理单位内进行缩放。缩放指令上、下限数值可由公式OUT=[((FLOAT(IN)–K1)/(K2–K1))∗(HI_LIM–LO_LIM)]+LO_LIM变形得到，其中K1为-27648，K2为27648（BIPOLAR参数为双极性）。利用取消缩放指令UNSCALE取消在上、下限间以物理单位为增量对IN输入参数中的实数进行缩放并将结果转换为整数，其为缩放指令的逆运算。取消缩放指令的上、下限通过公式OUT=[((IN–LO_LIM)/(HI_LIM–LO_LIM))∗(K2–K1)]+K1变幻求得，其中K1为-27648，K2为27648，如下图4-5所示。缩放指令和取消缩放指令可在“基本指令>转换操作”中寻得。图4-6取消缩放指令与缩放指令4.1.4高速脉冲模块与实际位置由于本程序使用光电编码器作为位置控制系统的位移检测传感器。电机转动则与其相连的编码器输出脉冲，对脉冲进行计数则可计算被控对象的位移距离。由于编码器输出脉冲频率较高，普通计数器无法识别，因此要使用高速计数模块COUNT（SFB47），如下图4-7所示。其中，由于我们组态的是通道0（S7-314C-2PN/DP有4个计数通道），CONUT模块各参数介绍如下图4-8所示。图4-8COUNT简介图4-7高速计数模块高速计数模块参数COUNTVAL输出脉冲个数（为整数），将其转化为实数再乘以被控对象每一个脉冲数移动距离0.0146495cm（所选编码器分辨率I=2048P/R，测量轮直径d=9.55cm,所以编码器每旋转一圈所转换的位移量L=пd=3.1415926*9.55≈30.0022cm,每一个脉冲所移动的距离为S=L/I=30.0022/2048≈0.0146495cm），即可知道被控对象的实时位置。数据转换指令CONV可至“基本指令>转换操作”中寻得。程序如下图4-9所示。图4-9脉冲数位置转换4.2闭环模块当PID停止参数为1时，PID手自动参数置1，并使电机停止运行。当PID启动参数为1时，PID手自动参数置0，并使电机启动运行；控制字MW20不为停止时，被控对象的实际值小于目标值，电机正转，被控对象实际值大于目标值时，电机反转，直到目标值与实际值相符，电机停止运行，如图4-10所示。图4-10闭环程序可将PID控制模块写入循环中断组织块OB35中（每100msOB35中程序被调用一次），该模块可在“工艺>标准PID控制”中寻得。可通过参数MAN_ON设置手动/自动模式，同时可作为PID函数的启动和停止，SP_INT参数为设置值，PV_IN为反馈实际值，如图4-11所示，其主要参数说明如下表4-1所示。图4-11PID控制模块表4-1PID控制块主要参数介绍4.3初始化程序由于组织块暖启动OB100先于主程序OB1执行，所以可以将初始化程序写在OB100中，当程序进入运行状态时，系统首先运行OB100，只有当暖启动组织块OB100运行结束后，系统才开始运行主程序OB1。在初始化程序中使用移动值指令MOVE将停止数047E赋值给控制字MW20，将数值0分别赋予速度设定值MW22、写如错误代码MW2、读取错误代码MW0变量。5监控界面设计5.1触摸屏HMI监控界面工业\o"人机界面--中国工控网"\t"/article/201604/_blank"人机界面HMI也称触摸屏监控器，是一种操作控制显示装置，其使用树型结构，由根画面（启动画面）与根据系统要求创建的相应功能子画面组成，按子画面按键可以进入对应的子画面，执行所需要的功能，在任意一个子画面都可以通过根画面功能键退回到根画面。5.1.1根画面根画面可以通过HMI设备向导生成的，其他画面是以根画面为根进行扩充，也可以理解根画面是项目的起始画面。画面一按键可到“工具箱>元素>按钮”中拖拽得到。单击所添加按钮可在“属性>属性列表”中改变按钮的文本大小、位置、颜色、格式、背景色、尺寸等。在“属性>事件>释放>添加函数>画面>激活屏幕”下“画面名称”中关联画面1，如下图5-1所示。画面2、在线、离线、停止运行系统按钮的建立与画面1类似。文本框可在“工具箱>基本对象>文本域”中拖拽得到，同理可通过单击文本框，在“属性>属性列表”中改变文本的文字大小、颜色、字体等。图5-1按钮的建立5.1.2位置监控画面画面1：位置监控画面如下图5-2所示。按钮根画面（返回根画面）、启动（电机正转启动）、反转（电机反转运行）、故障复位（回到初始状态）设置与5.1.1中的按钮设置类似。时间日期显示可在“工具箱>元素”中拖拽得到。转速设定数值显示元素可在“工具箱>元素>I/O域”中拖拽得到，于“属性>属性列表>常规”中关联转速给定变量、类型模式（输入、输出、输入/输出）、显示格式等，可在属性列表其他选项设定文字位置、大小、样式、格式等，如下图5-3所示。编码器脉冲、实际转速、设定目标位置、当前实际位置显示设置皆与此类似。正转提示灯于“工具箱>基本对象”寻得，可在其“属性>动画>添加新动画>外观”中添加动态化颜色，在新添加的外观选项中关联正转运行变量，设置其得电时的颜色和失电时的颜色，如下图5-4所示。反转、目标位置、上限、下限显示、报警设置与此类似。实时位置刻度可在“工具箱>元素>棒图”中拖拽得到，可在其“属性>属性列表>常规”中设置最大刻度、最小刻度、关联过程变量（PLC变量中的HMI物品实际值）。图5-2画面一图5-3转速设定输入/输出框设置图5-4正转状态显示5.1.3PID控制画面画面2为PID控制画面，其按钮、文本、显示框建立设置与前文的设置方法类似，于此画面可输入被控对象的目标位置、比例、积分、微分的数值，输出转速、实际位置数值，通过PID停止按钮可关闭PID自动调节使用手动调节，PID启动按钮可将其变为自动调节，本系统默认为自动调节，如图5-6所示。图5-6画面25.3.4HMI变量当HMI画面中各元素、对象与PLC中的变量建立联系关联后，自动生成HMI变量，如下图5-7所示。图5-7HMI变量5.2上位机监控画面可在“项目树>PCstation>HMI_RT_2>画面”中建立上位机监控画面，建立方法与HMI画面的建立方法几乎一致，不在累述，如下图5-8所示。图5-8上位机监控画面5.3系统调试将已完成的工程分别下载至PLC和DCM后，可进行调试。5.3.1上位机监控调试在博图软件项目树中选择“PCstation”，然后在工具栏中点击“在PC上启动运行系统”按钮，即可开启上位机WINCC监控画面。开启后进入根画面如下图5-9所示所示，按下画面1监控界面跳转到画面1界面；按下画面2监控界面跳转到画面2界面；按下离线后监控界面与各PLC关联变量关联断开，即画面1，2中除了根画面其他按钮，显示数值皆不可用；按下在线按钮重新关联上PLC中变量；按下停止运行系统按钮停止运行程序。图5-9根画面如图5-10为画面1监控画面，可在转速设定框和设定目标位置框中输入设定转速和设定被控对象目标位置。在编码器脉冲框、实际转速框、当前实际位置框、棒图显示反馈的脉冲数、实际转速和被控对象当前位置(未显示小数部分)。正、反转指示灯表示电机运行状态，目标位置指示灯提示被控对象是否到达目标位置，上、下限提示被控对象是否是否超出范围。图5-10画面1如图5-11为画面2上位机监控画面，可以通过PID启动、停止按钮切换手自动模式，在PID目标位置设定框可以设置被控对象的目标位置，可设置比例、积分、微分参数值，当前实际位置框显示编码器给PLC反馈转化后的实际位置，PID输出转速显示驱动器给电机的转速。图5-11画面25.3.2触摸屏监控画面将监控界面下载至HMI，可以仅通过触摸屏对位置控制系统进行监控。下载界面后，触摸屏在启动中心界面，选中“Start”进入监控界面，如下图5-8所示。图5-8启动界面开启后进入根画面，触摸屏监控画面基本与上位机监控画面保持一致，不再一一累述。6总结本次设计是基于西门子直流调速装置6RA80、可编程控制器S7-300和HMI所组成的位置控制系统。具备强大的控制能力6RA80可适应绝大部分控制对象，上位机与监控屏的应用使监控更加简单明了，拥有较高性价比、较强电磁兼容性等特点的S7-300系列可控编程控制器