基于PROFIBUSDP的伺服驱动设计与调试毕业设计.docx
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基于PROFIBUSDP的伺服驱动设计与调试毕业设计
学号127301137
苏州市职业大学
毕业设计
题目基于PROFIBUSDP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
摘要:
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 S120PROFIBUS-DP
Abstract:
TheapplicationofmotioncontrolsysteminCNCmachinetools,mainlyadoptssynchronousACservomotormotioncontrolsystemofthepermanentmagnet.TheSIEMENSS120laboratoryexperiment,thecontr-
ollertocontroltheservomotordrive,S120controlservomotordir-
ectdrive,thecoreofthistopicistheorbitoftheset,ifsuchasystemwillbestable,thecontroleffectisgood.
Servocontrolleristheintroductionofprofibus-dpinterface,raisedthelevelofindustrialautomationcontrol,servomotorintheindustrialcontrolnetworkofcommunicationandcontrolismoreconvenient,flexibleandreliable,goodeffectinactualsituationhasprovedthatthiscontrolmethod.
Profibus-dpbusandservocontrolsystemiswidelyusedinindustrialcontrol,forthebeltprofibus-dpbusinterfaceofservocontrollerprovidesabroadapplicationprospect.
Keywords:
AutomaticmotioncontrolservodriveS120Profibus-dp
1.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。
2概述
2.1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
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
AS—I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IEC61158111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IEEE802.3(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。
2.3PROFIBUS-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4~20mA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
◆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
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。
3.设备选型
SINAMICSS120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3.1SINAMICSS120驱动控制系统组成图
图3.2SINAMICSS120驱动控制系统实际图
3.1PLC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S7CPU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SIMATICS7-300T-CPUTechnology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/PROFIBUSDP-主/从接口
•在PROFINET上实现基于组件的自动化
图3.3CPU315T-2DP实物图
3.2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。
SINAMICSS120SINAMICS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、SINAMICSS120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SINAMICSS120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。
SINAMICSS120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。
图3.4SINAMICSS120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:
BLM380-480真空吸尘器和480660vac。
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10kwSLM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380480v,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380-480v,权力是16-120千瓦。
内阁ALM类型,当电源电压380-480v,权力是132-900千瓦,660-690v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SINAMICSS120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
SINAMICSS120DC/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。
图3.5CU320实物图
3.3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1fk7系列电机,1fk7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1fk7系列电机可应用于各种场合。
可以满足的要求改进机器。
1fk7系列电动机和SINAMICSS120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。
1fk7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。
1fk7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1fk7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
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。
图3.8触摸屏正视图
①多媒体卡插槽
②显示屏/触摸屏
③安装密封垫
④安装卡件凹槽
图3.9触摸屏后视图
①多媒体卡插槽
②标牌
③DIP开关
④接口名称
3.5电气原理图
经过前期资料的收集,对SINAMICSS120控制器进行了CAD原理图的设计,具体的电路图如图3.10-3.12所示:
图3.10SINAMICSS120电源模块图
图3.11SINAMICSS120主电路图
图3.12SINAMICSS120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
4.软件系统设计
4.1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:
4.1主程序
图4.2子程序1
图4.3子程序2
图4.4变量地址
4.2调试
1)硬件组态
打开SIMATICManager,选择新建项目,在创建好的项目中添加一个SIMATICTStation,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。
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4.6CP343-1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。
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。
图4.9SERVO_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4.10SERVO_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。
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、FireWire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。
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,然后是搜集资料都是在邓老师的帮助下完成的,因为我这个设计工作量很大,前期需要花很多的时间去完成,做毕业设计之前对s120是不怎么了解的,然后邓老师耐心的给我们讲解,从最基础的开始,然后还给了我们许多的资料跟视频,前期的工作好坏直接关系到做实验时的好坏,所以前期我一直在很努力的看资料,就怕到时候跟不
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