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交流电机控制论文
广西工学院
毕业设计(论文)说明书
课题名称BasedontheMM440and
Profibus’ACmotorcontrol
基于MM440和Profibus
的交流电机控制
系别电子信息与控制工程系
专业自动化
班级042班
学号2004031087
姓名牛然
指导教师邹晓敏刘瑞琪
2008年5月19日
摘要
本文介绍了一种基于MM440和Profibus的交流电机控制的设计,阐述了系统的工作原理、硬件设计、软件设计、系统监控组态及其扩展触摸屏部分。
详细论述了MM440变频器的原理及其在交流电机控制系统中的应用,硬件采用S7-300编程器,通过STEP7编程,在程序中,运用了接通延迟定时器SD、FC105功能模块等,并分别对MM440实施自动变频模式和手动变频模式,便于对电机有选择的进行控制。
为了便于实施监控,通过WinCC建立电机实时转速的人机界面,而且加入了失速报警界面和输出过程值归档,进行模拟仿真。
由于现代工业控制中,很多场合采用的是远程控制,为了实现这一功能,在硬件上添加了西门子TP270触摸屏,并用ProTool软件建立组态界面,这样便弥补了控制中的不足之处。
关于Profibus部分,本设计由于种种原因,并没有详细的介绍,只做简要说明。
关键词:
MM440变频器;S7-300编程器;TP270;Profibus。
Abstract
ThisarticleintroducesadesignofACmotorcontrolbasedonBasedontheMM440andProfibus.Thesystemcontrolprinciple,thehardwaredesign,thesoftwaredesign,thesystemmonitoringconfigurationandtheexpansionofthetouch-screenarepresented.TheMM440converter’sprincipleanditsapplicationontheACmotercontrolsystem.ThehardwareuseS7-300programmer,throughSTEP7program,usingatimerconnectedtodelaySD,FC105functionmoduleandsoonintheprocess,andtherespectiveimplementationoftheMM440automaticfrequencyconversionmodeandmanualfrequencyconersionmode,fortheconvenienceofselectiontothemotorcontrol.Inordertofacilitatetheimplementationofmonitoring,throughWinCCtobuildupareal-timespeedman-machineinterfaceofthemotor,andjoinedthestallalarminterfaceandtheoutputvalueofarchivingprocess,simulation.Asthemodernindestrialcontrol,manyoccasionsareusedtheremotecontrol,inordertoachievethisfeature,inthehardwareisaddedatouchscreenSiemensTP270,usingthesoftwareofProToolcreateaconfigurationinterface,thiswillmakeupforthecontrolofdeficiencies.OnthepartofProfibus,thedesignofavarietyofreasons,nottodescribeindetail,onlyabriefdescription.
Keywords:
MM440Converter;S7-300Programmer;TP270;Profibus。
目录
1引言1
1.1交流变频调速的应用背景1
1.2交流变频调速国内外应用现状1
1.3基于MM440和Profibus的交流变频技术2
1.4交流变频调速的意义2
2基于MM440和Profibus的交流调速系统的总体设计4
2.1设计任务4
2.2方案选择及论证4
2.2.1手动模式控制方案的选择4
2.2.2自动模式控制方案的选择4
2.2.3通讯方式的选择:
5
2.3初步设计方案5
3基于MM440和Profibus的交流调速系统的下位机设计6
3.1下位机的硬件系统介绍及整体设计6
3.1.1S7-300系列PLC介绍及组成部分6
3.1.2B型MM440变频器6
3.1.3电机部分7
3.1.4S7-300PLC和MM440联机实现15段固定频率控制(自动模式)7
3.1.5S7-300PLC和MM440联机实现模拟信号操作控制(手动模式)10
3.2软件部分介绍及整体设计11
3.2.1编程软件介绍11
3.2.2STEP7中项目的组建11
3.2.315段固定频率控制(自动模式)PLC程序设计12
3.2.4模拟信号操作控制(手动模式)14
3.2.5S7-PLCSIM仿真15
4基于MM440和Profibus的交流调速系统的上位机实现17
4.1监控组态软件Wincc的介绍17
4.2监控组态实现的功能17
4.3监控组态画面17
4.3.1组态步骤17
4.3.2运行状态下的过程画面18
4.4过程值归档18
4.4.1组态步骤18
4.4.2测试画面19
4.5组态电机失速报警界面19
4.5.1组态步骤19
4.5.2电机失速报警画面20
4.6组态变量记录运行报表20
4.6.1组态步骤20
4.5.2变量记录运行报表界面21
4.7通信21
4.8STEP7中FC105功能模块与WinCC组态界面的关系21
5西门子触摸屏TP270的应用与设计23
5.1西门子TP270触摸屏23
5.2TP270操作界面组态的步骤23
5.3组态的TP270操作界面23
总结25
设计中遇到的问题及其解决方案25
心得体会25
6设计的拓展部分26
6.1Profibus的网络的构建26
6.2PROFIBUS-DP通信的基本特点26
6.3用STEP7组态PROFIBUS-DP[31]27
7致谢28
8参考文献29
9附表31
附表1:
15段固定频率控制下的MM440参数表(自动模式)32
附表2:
模拟信号操作控制下的MM440参数表(手动模式)33
附表3:
S7-300和MM440联机实现15段频率自动控制梯形图程序34
附表4:
S7-300和MM440联机实现模拟信号的手动控制梯形图程序39
1引言
1.1交流变频调速的应用背景
对能源的有效利用在我国已经非常迫切。
作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。
我国电机的总装机容量已达4亿千瓦,年耗电量达6000亿千瓦时,约占工业耗电量的80%。
我国各类在用电机中,80%以上为0.55-220kW以下的中小型异步电动机。
我国在用电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达国家50年代水平。
因此,在国家十五计划中,电机系统节能方面的投入将高达500亿元左右,所以变频调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。
在现代工业和经济生活中,随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展,交流变频调速技术作为高新技术、节能技术已经广泛应用于各个领域。
1.2交流变频调速国内外应用现状
变频调速技术涉及到电力、电子、电工、信息与控制等多个学科领域。
随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的发展,以变频调速为代表的近代交流调速技术有了飞速的发展。
交流变频调速传动克服了直流电机的缺点,发挥了交流电机本身固有的优点(结构简单、坚固耐用、经济可靠、动态响应好等),并且很好地解决了交流电机调速性能先天不足的问题。
交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果以及在国民经济各领域的广泛适用性,而被公认为是一种最有前途的交流调速方式,代表了电气传动发展的主流方向。
变频调速技术为节能降耗、改善控制性能、提高产品的产量和质量提供了至关重要的手段。
变频调速理论已形成较为完整的科学体系,成为一门相对独立的学科。
20世纪是电力电子变频技术由诞生到发展的一个全盛时代。
最初的交流变频调速理论诞生于20世纪20年代,直到60年代,由于电力电子器件的发展,才促进了变频调速技术向实用方向发展。
70年代席卷工业发达国家的石油危机,促使他们投入大量的人力、物力、财力去研究高效率的变频器,使变频调速技术有了很大发展并得到推广应用。
80年代,变频调速已产品化,性能也不断提高,发挥了交流调速的优越性,广泛地应用于工业各部门,并且部分取代了直流调速。
进入90年代,由于新型电力电子器件如IGBT(绝缘栅双极型晶体管InsolatedGateBipolarTransistor)、IGCT(集成门极换流型晶闸管IntegratedGateCommutatedThyristor)等的发展及性能的提高、计算机技术的发展,如由16位机发展到32位机以及DSP(数字信号处理器Digital SignalProcessor)的诞生和发展(如磁场定向矢量控制、直接转矩控制)等原因,极大地提高了变频调速的技术性能,促进了变频调速技术的发展,使变频器在调速范围、驱动能力、调速精度、动态响应、输出性能、功率因数、运行效率及使用的方便性等方面大大超过了其它常规交流调速方式,其性能指标亦已超过了直流调速系统,达到取代直流调速系统的地步。
目前,交流变频调速以其优异的性能而深受各行业的普遍欢迎,在电力、轧钢、造纸、化工、水泥、煤炭、纺织、铁路、食品、船舶、机床等传统工业的改造中和航天航空等高新技术的发展应用中无不看到变频调速技术的踪影,变频调速技术取得了显著的经济效益。
交流变频调速技术是强弱电混合,机电一体化的综合性技术,既要处理巨大电能的转换(整流、逆变)问题,同时又要处理信息的收集、交换和传输问题。
在巨大电能转换的功率部分要解决高电压、大电流的技术问题及新型电力器件的应用技术问题,而在信息的收集、变换和传输的控制部分,则主要解决控制的硬件、软件问题。
目前交流变频调速主要发展为:
(1)高水平的控制:
矢量控制、磁场控制、转矩控制、模糊控制、Profibus网络化控制等高水平控制技术已应用在交流变频调速中。
(2)开发清洁电能的变频器:
随着变频技术的不断发展和人们对环境问题的重视,不断减少变频器对环境的影响已经是大势所趋。
尽可能降低网侧和负载的谐波分量,减少对电网的公害和电动机转矩的脉动,实现清洁电脑变换。
(3)结构小型化:
紧凑型的变频系统要求功率和控制元件具有高的集成度。
主电路中功率电路的模块化,控制电路采用大规律集成电路和全数字控制技术,均促进了变频装置结构小型化。
(4)高集成化:
提高集成电路技术及采用表面贴片技术,使装置的容量体积化得到进一步提高。
[27]
目前,国内变频调速系统的研究非常活跃,但是在产业化方面还不是很理想,市场的大部分还是被国外公司所占据。
1.3基于MM440和Profibus的交流变频技术
MM440变频器是用于控制三相交流电动机速度的,由微处理器控制,采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为功率输出器件。
因此,它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。
其脉冲宽度调制的开关频率是可选的,因而降低了电动机运行的噪声,具有全面而完善的保护功能,为变频器和电动机提供了良好的保护。
MM440变频器具有默认的工厂设置参数,它是给数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。
由于MM440变频器具有全面而完善的控制功能,在设置相关参数以后,它也可用于更高级的电动机控制系统。
既可以用于单机驱动系统,也可集成到自动化系统中。
因此在本设计中选用MM440作为系统的变频装置。
[5]
Profibus(现场总线)是自动化工厂的数字通信网络,是连接一系列基于某种现场总线的嵌入式设备的开放系统。
从一定意义上说,嵌入式设备就相当于一台台微机,它们以现场总线为纽带,互成网络系统,完成数字通信任务。
现场总线属于发展中的新技术,正向着开放的国际统一的方向发展,成为共同遵守的国际范围,它所涉及的技术和应用领域十分广泛。
现场总线使得现场仪表之间、现场仪表和控制室设备之间构成网络互联标准,这就为整个工控系统全数字化运行奠定了基础。
[2]
现代工业控制思想的核心是“分散控制,集中监控”,使得“危险分散,控制分散”。
现场总线控制系统将控制功能由过去的控制室设备完成,转变为基本上由智能化的现场仪表来承担,实现了全数字化、双向、多变量。
数字通信一改过去长时间运用4~20mA的模拟信号,改变为基本上由智能化的现场仪表来承担,只有一些现场仪表无法完成的高级控制功能才由上位机完成。
控制功能分散得比较彻底,加上全数字化,就有可能组成大型的开放式控制系统,从而实现从最高决策层到最低设备层的综合管理和控制。
[26]基于MM440和Profibus的交流变频技术是目前调速系统的一个重要应用,是为了更好的控制交流变频调速系统,提高自动控制水平,实现了变频的集成化和智能化。
1.4交流变频调速的意义
在电力拖动领域,广泛推广变频调速具有十分重要的现实意义:
(1)能够大大提高生产设备的工艺水平、加工精度和工作效率,从而提高产品的质量。
(2)能够大大减少生产机械的体积和质量,减少金属耗用量。
(3)对风机和水泵类负载,采用变频调速技术,可显著地节约电能。
变频调速技术在国民经济和日常生活中占有了十分重要的地位,变频调速技术使频率变为可充分利用的资源。
近年来变频调速技术获得了飞速发展,取得了明显的社会效益和经济效益。
[4]
2基于MM440和Profibus的交流调速系统的总体设计
本章主要介绍设计部分的任务及其方案的选择。
2.1设计任务
设计的目标应用于对交流电动机组系统的状态监视以及设备控制。
通过STEP7软件编写自动模式下的15个固定频段调速和手动模式下的无级调速的程序,并通过S7-300对变频器实施控制,并通过WinCC软件建立人机界面,最后用TP270做出触摸屏,对设备进行远程控制。
监控画面包括:
电机实时转速显示、过程值的归档、对电机失速进行报警,并组态变量记录运行报表,系统每次变频记录一次实时数据。
控制部分主要是对通过变频对交流电机进行控制。
主要包括S7-300的控制和MM440基本操作板的操作两部分。
要求用户在按下启动按钮电动机开始启动,并根据手动或自动模式的程序开始运行。
2.2方案选择及论证
本设计主要是对交流电机控制中的自动和手动模式方案的选择,以及通信方式的选择。
2.2.1手动模式控制方案的选择
在手动模式下,要实现电动机能够平滑无级地调节电动机的转速大小,而手动调节就涉及到对电位器的类型和大小的选择,由于电位器连接的是S7-300的2,3两个模拟输入端口,为SM334模拟量输入/输出模块[28],因此必须参考S7-300可编程控制器的部分参数。
如表2.1。
特性
技术规格
电压输入的允许范围
20V
电流输入的允许范围
20mA
模拟输入范围/输出阻抗
0~10V/100kΩ0~20mA/50Ω
表2.1S7-300可编程控制器部分技术规格
2.2.2自动模式控制方案的选择
在自动模式下,电动机在固定的30个频段下开始自增自减的运行,在这里需要29个定时器对电动机变频前实施延时功能,所以自动模式下就需要对定时器进行选择。
S7-300CPU的存储器中留有一块区域用于存储定时器的定时值,每个定时器需要2Byte。
不同的CPU模块,用于定时器的存储区域也不同,最多允许使用64~512个定时器。
关于接通延时定时器SD,工作方式为:
如果RLO有正跳沿,则接通延时定时器启动,以设定的时间值启动指定的定时器。
达到设定时间后,定时器的动合触点闭合并保持,直到RLO变为0时候,定时器被复位。
如果定时器运行时间(RLO为1)少于定时器的时间设定值,则当RLO由1变化到0时,定时器也被复位。
[13]
2.2.3通讯方式的选择:
通信方式的选择为MPI和Profibus两种。
MPI(MultiPointInterface)是多点接口的简称,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信方式。
通过它可组成小型PLC通讯网络,实现PLC之间的少量数据交换,它不需要额外的硬件和软件就可网络化。
每个S7-300CPU都集成了MPI通信协议,MPI的物理层是RS-485。
通过MPI,PLC可以同时与多个设备建立通信连接,这些设备包括编程器PG或运行STEP7的计算机PC、人机界面(HMI)及其它SIMATICS7,M7和C7。
同时连接的通信对象的个数与CPU的型号有关。
Profibus是根据ISO7498国际标准,以开放式系统互联网络(OpenSystemInterconnection-SIO)作为参考模型的,应用在生产现场与微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点通信的系统也称为开放式.全数字化.多点通信的底层控制网络。
2.3初步设计方案
由上节分析,确定最终设计方案如下:
(1)由于电位器选择为模拟电位器RW,容量为:
Rmax=20V/0.02A=1000ΩRmin=10V/0.02=500Ω则电位器的大小在500Ω~1KΩ之间。
(2)定时器选用接通延时定时器SD:
通过比对和实际设计需求,SD比较适合,因为本程序就是要求定时器延时后接通的,这样依次用14个SD定时器,以实现依次对15个频率段实施控制。
(3)上位机与S7-300PLC之间采用MPI通信,S7-300PLC与站点(电机群)之间采用Profibus通信。
3基于MM440和Profibus的交流调速系统的下位机设计
本章主要介绍设计部分下位机的硬件系统和软件系统。
3.1下位机的硬件系统介绍及整体设计
3.1.1S7-300系列PLC介绍及组成部分
S7-300是一种通用型的PLC,其具有模块化、无风扇结构、易于实现分布式的配置以及易于掌握等特点,它使得它能适应自动化工程中的各种应用场合,执行各种控制任务,因此其在实践中成为一种既经济又可靠的控制装置。
[17]基本组成部分为:
(1)、中央处理单元(CPU):
执行用户程序;为S7-300背板总线提供5V电源;在MPI网络中,通过MPI与其他MPI网络节点进行通信。
(2)、负载电源模块(PS):
用于将AC220V电源转换为DC24V电源,供S7-300CPU和24V直流负载电路(信号模块、传感器、执行器等)使用。
(3)、信号模块(SM):
包括数字量输入模块、数字量输出模块、数字量I/O模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、模拟量I/O模块。
(4)、功能模块(FM):
用于时间要求苛刻、存储器容量要求较大的过程信号处理任务。
(5)、通信处理器(CP):
用于PLC之间、PLC与PC和其他智能设备之间的通信。
(6)、接口模块(IM):
用于多机架配置时连接主机架(CR)和扩展机架(ER)。
(7)、导轨:
用来固定和安装上述的各种模块。
[12]
本设计中S7-300选用的CPU模块为313C-2DP型的,它有集成的数字I/O和两个PROFIBUS-DP主站、从站。
电源模块选PS30710A。
16点数字输入和16点数字输出,地址为I124.0~I124.7、I125.0~I125.7、Q124.0~Q124.7、Q125.0~Q125.7.而且可作为PROFIBUS子网中的DP主站和DP从站,并具有滑动开关,符合本次设计要求。
模拟量输入模块为SM331,数字量输入/输出模块为SM323。
有四个输入端,输入电压范围0~10V,输入电流范围为0~20mA。
有2个输出端,输出电压范围0~10V,输出电流范围0~20mA。
3.1.2B型MM440变频器
Ⅰ具体参数:
单相交流电压输入、三相交流电压输出。
其输入电压为220~240V,功率在1.1~2.2kW范围内。
尺寸:
149*172*202(mm)。
Ⅱ控制电路部分:
(1)直流稳压电源端1、2:
为用户提供10V的直流稳压电。
(2)模拟输入端3、4和10、11:
为用户提供了两对模拟电压给定输入端作为频率给定信号,经变频器内模/数转换器,将模拟量转换为数字量,传输给CPU来控制系统。
(3)数字输入端5、6、7、8、16、17:
数字输入信号经光耦隔离输入CPU,对电动机进行正反转、正反向点动、固定频率设定值控制等。
(4)直流电源端9、28:
为变频器控制电路提供24V直流电压。
(5)两对模拟输出端12、13和26、27;输出继电器的触头18、19、20、21、22、23、24、25;电动机过热保护输入端14、15;RS-485(USS-协议)端29、30。
[11]
3.1.3电机部分
选用三相异步电动机Y90L-4型,额定转速为1400r/min,额定功率1.5kW,额定电压380V,额定电流6.5A,频率50Hz。
(电机转速与频率的关系:
n=60f/P,f为定子交流电源的频率P表示磁极对数)
3.1.4S7-300PLC和MM440联机实现15段固定频率控制(自动模式)
(1)电动机控制要求
在自动模式下,按下电动机运行按钮,电动机启动运行在10Hz频率所对应的r/min的转速上。
延时5s后,电动机升速在16Hz所对应的r/min转速上。
以后每延迟5s,电动机便会自动升(降)在相对应的转速上(详细情况如表一)。
在电动机升(降)速的过程中,当按下复位保持按钮后,电机变会在相应的频率下保持不变的速度运行;再次按下复位保持按钮后,电动机又开始延时5s,并继续自动升降到相应的转速上。
当按下停止复位按钮,电动机停止运行。
(2)S7-300和MM440实现15段固定频率控制电路图,如图3.1所示。
图3.1S7-300和MM440联机实现15段固定频率控制电路图
(3)MM440变频器数字输入变量约定
MM440变频器数字输入“5”、“6”、“7”和“8”端口通过P0701、P0702、P0703和P0704参数设定为15段固定频率控制端,每一频段的频率可分别为P1001~P1015参数设置。
变频器数字输入“16”端口为电动机运行、停止控制端,可由P0705参数设置。
[18]
(4)S7-300PLC数字输入输出变量设定
ⅰ数字输入:
I124.1——电动机运行,对应电动机运行按钮SB1。
I124.2——电动机停止,对应电动机停止按
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