于基plc的送料小车控制系统的设计本科毕业设计.docx

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于基plc的送料小车控制系统的设计本科毕业设计

西门子S7-400PLC在运动系统精确定位中的应用

摘要

随着科技的不断发展，工业自动化程度不断提高，定位控制已广泛应用于机械装配、材料加工、包装等工业自动化领域，而定位的准确性也成了完成自动化的关键环节。

在机械设备中，为了提高生产效率，必须提高生产机械的运行速度，而为了保证加工精度，又必须提高定位精度。

但是，这两者之间存在着矛盾。

要改善这种情况，就必须采用定位控制技术。

本文就通过运料小车详细讨论定位控制技术在其中的应用，对其工作原理进行系统的分析，同时对定位控制系统所涉及到的软硬件的使用进行了详尽的阐明。

在本系统中采用S7-400PLC控制变频器实现运料小车的精确定位，它具有可靠性高、响应时间快、平滑调速等优点，提高了性能方便了操作。

程序部分则采用梯形图和语句表相结合的方式，有使用方便、修改灵活和扼要明了的特点。

关键词：

定位控制技术，可编程序控制器，运料小车，变频器

TheApplicationofSIEMENSS7-400PLCinAccuratePositioningofTractarianSystem

Abstract

Withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,Constantlyraisethelevelofindustrialautomation,Positioningcontrolhasbeenwidelyappliedtomechanicalassembly,materialprocessing,packaging,andotherindustrialautomationfield.Andthepositioningaccuracyhasbecomethekeylinktocompleteautomation.Mechanicalequipmentinordertoincreaseproductionefficiency,Theneedtoimprovetheoperatingspeedofproductionmachinery,Inordertoensureprocessingaccuracy,andtheneedtoimprovepositioningaccuracy.However,therearecontradictionsbetweenthetwo.Toimprovethissituation,wemustusepositioningcontroltechnology.

Thedetaileddiscussionontheadoptionoftrolleystransportedmaterialpositioningcontroltechnologyintheapplication,Asystematicanalysisofitsoperatingprinciples,whilepositioningcontrolsystemssoftwareandhardwareinvolvedintheuseofdetailedelaboration.InthesystemusedtotransportmaterialsS7-400PLCcontroltransducertrolleysprecisepositioning,ithashighreliability,quickresponsetimeandsmoothmechanics,andotheradvantages,andenhancedperformancefortheoperation.MostoftheproceduresusedTixingtu,user-friendly,conciseandclearandflexiblemodificationfeatures.

Keywords：

PositioningControlTechnology,PLC,TransporttedMaterialsTrolleys,FrequentcyInverter

1绪论

1.1定位控制技术国内外背景及研究的目的和意义

定位控制技术是适应现代高科技需要而发展起来的先进控制技术，是高科技产品开发过程中不可或缺的关键手段，它应用于现代电子，传感技术及计算机等高新技术，并综合应用了机械技术发展的新成果，不管是在民用工业，还是在国民经济建设中都有着极其广泛的应用前景，如机床定位、精密医疗器械、计算机硬盘定位系统、纺织、自动贴片等。

现阶段，作为定位控制领域中一个关键性技术难题——高精度定位，引起了各个国家的高度重视。

定位控制技术作为现代高科技的重要组成部分，又推动着自动化生产，计算机、材料加工、医疗、纺织等相关领域的发展。

因此，定位控制技术已成为国家科学技术的重要组成部分，它也是衡量一个国家科学技术水平的重要标志[1]。

在定位控制技术的研究和发展过程中，定位控制算法起着决定性的作用，它是实现高精度定位的基础，也是衡量一个国家定位控制优劣的重要标志。

当然，我国自行研制的定位控制器的性能同美国、日本、德国等国家相比，还存在很大的差距。

而各国对这些技术是严格保密的，因此依靠自己的力量，研究定位控制系统，既具有重大的理论价值，又具有重要的实际意义。

近年来，计算机技术已渗透到各个学科领域，有力地推动着定位控制技术的发展，目前，美国、日本、德国、韩国等国家的定位控制技术较领先，它们也相继推出了一系列定位控制器。

如美国的GALIL公司，自1983年成立之日起，专门致力于精密运动控制器的开发。

现已被世界公认为运动控制领域的先驱及领导者。

它开发的运动控制器采用32位微处理器，可实现多种运动控制方式，定位精度可达±0.01mm，控制轴数可以实现1~8轴任选。

日本在这方面技术也是领先的，如它们开发的DS-S型定位控制器，采用交流伺服电机，在保证最高速度330mm/sec下，重复定位精度可达±0.02mm。

德国的费斯托（FESTO）公司也推出了它们的定位控制器，可以实现多轴，多点精确定位控制。

另外，韩国inCOM技术公司通用定位控制器Robo系列也是目前性能较好的定位控制器之一。

通过对比国外几家著名公司的定位控制系统产品，可以看出目前国外定位控制系统大都采用数字化控制。

速度和位置检测多采用编码器，实现全数字化控制也是一个总体的发展方向。

另外国外开发的伺服定位产品，采用，模块化结构，体系结构越来越开放，用户接口越来越完善，大部分都是通用性的，非常适合批量生产，这也是他们的产品占领市场的一大优势。

随着国外伺服定位控制技术的飞速发展，目前，我国在这一方面也有了极大的发展，比如，哈尔滨工业大学精密工程研究所、华中理工大学、国防科技大学、长春光学精密机械研究所等单位都在从事定位控制方面的研究工作，并取得了阶段性的成果。

但是，对于高速、高精度伺服定位控制技术方面，较国外还有较大的差距，推出的一些定位控制器，模拟伺服系统较多，且体系结构不够开放，用户接口不够完善，部分还只是停留在专用性上，不适合批量生产[2]。

本课题就以工业领域中运料小车为例，采用德国西门子公司S7-400通过变频器对其运动过程实现精确定位，其目的是通过引入先进的定位控制技术，能够很好的改善系统特性，以满足对定位精度提出的要求。

1.2运料小车的介绍及其应用

运料小车是工业领域中运料过程中的主要设备之一，广泛应用于冶金、有色金属、煤矿、港口、码头等行业。

该设备在整个系统中起着至关重要的作用，它能否正常运料直接影响产品产量和质量。

早期运料小车电气控制系统多为继电器-接触器组成的复杂系统，这种系统存在设计周期长、体积大、成本高等缺陷，几乎无数据处理和通信功能，必须有专人负责操作。

将PLC应用到运料小车电气控制系统，可实现运料小车的自动化控制，降低系统的运行费用。

PLC运料小车电气控制系统具有连线简单，控制速度快，精度高，可靠性和可维护性好，安装、维修和改造方便等优点。

1.3变频器调速技术简介

本课题中变频器作为连接PLC和运料小车的中介也起到很重要的作用。

变频调速是集自动控制、微电子、电力电子、通信技术于一体的高科技技术。

它本身具有故障率低、调速精度高、保护功能多、节能效果显著等优点，在各行业中获得了广泛应用。

作为强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变）又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。

前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决的软硬件开发问题，此部分作为与本课题相结合的PLC控制技术将在后面的章节里作系统的分析。

1.4论文的主要工作

本文以西门子S7-400PLC定位控制为主线，主要讨论了运料小车的定位控制系统的构建，定位控制程序的编写，PLC与变频器的结合及运料小车定位控制系统的实现等问题。

全文共分四章，下面简要介绍各章的主要工作：

1、综述了定位控制系统的背景资料及国内国外现状，同时对与本课题紧密相关的运料小车和变频器调速技术作了简要的介绍。

2、西门子S7-400PLC是贯穿本课题的主线，本章对其软硬件方面的知识作了基本的介绍。

同时也对变频调速的历史及原理作了扼要的说明。

3、在本章中将对整个控制系统的组成作了系统的阐述，切实的提出一套运料小车的精确定位的设计方案。

4、作为全文的结尾，总结了本文的主要工作，取得的成果及有待改进的地方，并进一步展望了定位控制系统的长远发展。

2西门子S7-400的组成与变频调速原理

可编程序控制器（PLC）是应用十分广泛的通用微机控制装置，是自动控制系统中的关键设备。

西门子公司的S7-300/400在大中型PLC中应用最广，市场占有率最高。

而其强大的编程软件STEP7和通信网络的功能也使其在各行各业得到了广泛的使用[3]。

作为本论文的主控设备，现将其系列的组成作如下介绍：

2.1S7-400系列PLC的基本结构

S7-400由机架、电源模块（PS）、中央处理单元（CPU）、数字量输入/输出（DI/DO）模块、模拟量输入/输出（AI/AO）模块、通信处理器（CP）、功能模块（FM）和接口模块（IM）组成。

DI/DO模块和AI/AO模块统称为信号模块（SM）。

S7-400的模块插座焊在机架中的总县连接板上，模块插在模块插座上，有不同槽数的机架供用户选用，如果一个机架容纳不下所有的模块，可以增设一个或数个扩展机架，各机架之间用接口模块和通信电缆交换信息。

中央机架（或称中央控制器，CC）必须配置CPU模块和一个电源模块，可以安装除用于接受和IM（接口模块）外的所有S7-400模块。

如果有扩展机架，中央机架和扩展都需要安装接口模块。

集中式扩展适用于小型配置或一个控制柜中的系统。

CC和EU的最大距离为1.5m（带5V电源）或3m（不带5V电源）。

分布式扩展适用于分布范围广的场合，CC与最后一个EU的最大距离为100m（S7EU）或600m（S5EU）。

CC最多插6块发送IM，最多只有2个IM可以提供5V电源。

通过C总线（通信总线）的数据交换仅限于CC和6个EU之间。

用ET200分布式I/O可以进行远程扩展，用于分布范围很广的系统。

通过CPU中的PROFIBUS-DP接口，最多连接125个总线节点。

使用光缆时CC和最后一个节点的距离为23km。

电源模块应安装在机架的最左边（第1槽），有冗余功能的电源模块是一个例外。

中央机架，最多能连接21个扩展机架。

中央机架中同时传送电源的发送接口模块（IM460-1）不能超过两块，IM461-1的每个接口只能带一个扩展机架。

扩展机架中的借口模块只能安装在最右边的槽（第18槽或第19槽）。

通信处理器CP只能安装在编号不大于6的扩展机架中。

2.2STEP7的编程语言

STEP7是S7-300/400系列PLC的编程软件。

梯形图、语句表和功能块图是标准的STEP7软件包配备的3种基本编程语言，这3种语言可以在STEP7中相互转换。

STEP7还有多种编程语言可供用户选用，但由于本系统中未曾涉及，在本文里就不作介绍了。

1、梯形图（LAD）

梯形图是使用得最多的PLC图形编程语言。

梯形图与继电器电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂熟悉继电器控制的电气人员掌握，特别适合于数字逻辑控制。

有时把梯形图称为电路或程序。

2、语句表（STL）

S7系列PLC将指令表称为语句表（StatementList），它是一种类似于微机的汇编语言中的文本语言，多条语句组成一个程序段。

语句表比较适合经验丰富的程序员使用，可以实现某些不能用梯形图或功能块表示的功能。

3、功能块图（FBD）

功能块图用类似于与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框被“导线”连接在一起，信号自左向右流动。

2.3变频调速的原理

变频调速的基本控制方式：

异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为

1=60

1/

p（2.1）

式中

1——同步转速（r/min）；

1——定子频率（Hz）；

p——磁极对数；

而异步电动机的轴转速为

1（

）

1（

）/

p（2.2）

式中

——异步电动机的转差率，其中

（

1

）/

1（2.3）

改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行[4]。

3运料小车的精确定位的设计方案

3.1设计的产生背景

在工业生产工程控制中，有不少定位、定量的控制任务而且这些定位的问题是其过程实现自动化的一个极其重要的环节。

正如本文提出的运料小车的精确定位控制，在煤炭焦化工艺中，运料车在炉口定位与装卸是其工艺工程自动化的一个重要环节，它要求运料车定位系统实现准确定位、可靠运行，且定位误差不得超过±8mm。

由于焦化的运料车质量大，行走惯性大，从运料小车行走状态转变为停止状态要求平稳过度。

为了完成上述控制要求的行车运行，采用PLC和变频器的结合将是一个很好的选择。

3.2小车运行设计

1、运行图

按照上述要求可以归纳出行车运行图如（图3.1）。

假设纵坐标为速度，横坐标为距离，从原位出发，先以匀加速运行；当速度达到高速时，再以匀速运行；当到达A点时，改为匀减速运行，到达炉口B点时，运料车立即停止运行，准备卸煤于炉中。

图3.1

在图3.1中，当行车从原位出发后，先以匀加速运行，加速度的选择主要考虑下面两种因素：

1）在加速过程中，必须保持运料车运行平稳，不发生剧烈的晃动。

2）在满足上述条件的情况下，尽可能地选择较大的加速度，以提高生产效率。

当行车运行到B点时，接近开关产生一个信号，使行车立即停止运行，准备卸料。

根据以上的系统功能要求，我们决定使用PLC系统以分布式总线结构来实现控制系的全部功能。

其中主PLC系统安装在中央控制室内，子PLC系统安装在运料小车上，它们之间通过PROFIBUS现场总线通讯。

2、硬件选择

（1）主站的PLC系统采用西门子的S7-400系列。

S7-400的DI、DO部分连接于控制柜内，用于开关系统和电源监视，一部分连接小车运行轨道上，用于轨道的状态监视和控制。

子站采用西门子的ET200S远程I/O系统。

ET200S是专门的小型PLC控制器，用于小车控制的最大特点是：

1）M151-7CPU，可以控制小车完成所有动作，处理大量细节问题。

主站只需要发送命令即可，减轻了主站PLC的负担。

而且使整个系统易于维护。

2）有专用的柔性电机启动器，用于小车卸煤开关电机的控制。

主站和子站分工合作，运料小车的动作控制功能由其上安装的ET200S来完成，而主站只负责发送命令信号。

例如，操作员在现场安下起动按钮，主站接收到DI输入，并转化成起动命令，传递给子站。

子站接收到起动命令后，向变频器发出控制字和频率字，并在适当的时候使电机转动，使小车运动。

ET200S还负责控制小车的前进，后退，在装卸煤的精确定位等动作的执行，以及一些错误状态的自动复位等。

主站通过在小车轨道上设置电压信号让小车读取，或者直接通过软件设置的通讯区传达命令字来控制小车的运行。

S7-400除了控制小车的运行，还负责系统的开关、状态的显示以及错误状态的手动复位等。

主站的S7-400和子站的ET200S上都安装有PROFIBUS-DP接口模块，这样它们就可以通过PROFOBUS-DP总线传递信息，相互通讯。

（2）变频器

我们选用Siemens的MicroMaster440变频器来控制小车的行走。

MicroMaster440变频器采用模块化设计。

因此只需插入PROFIBUS-DP通讯模块，即可通PROFIBUS总线与子站PLC通讯。

可以很方便的实现控制功能和状态反馈。

MicroMaster440变频器在控制运料小车时因为其功率较小，采用V/F控制方式。

根据现场调试的情况，选择适当的加速度和减速度。

假设变频器的输出频率从2.4Hz增加到50Hz、从50Hz降至2.4Hz的时间设定为1s时，小车所获得加速度和减速度都可以满足要求。

另外，为了保证定位精度，要求小车到达B点时，其速度已经降到足够小，又为了提高生产效率，最好的运行情况是：

到达B点时，恰好减速过程结束，这就要求正确的选择A点的位置与减速度的一致配合。

假设变频器的输出频率从最高频率50Hz下降到所指定的频率2.4Hz期间，小车处于匀减速运行，当变频器输出频率为50Hz时，测得小车速度为vmax；当变频器输出频率为2.4Hz时，测得小车的速度为vmin；则小车的减速度a为：

a=（vmin—vmax）/t（3.1）

式中

为减速过程所需的时间，为预先设定时间，然后根据匀减速运行方程，可以求得A点到B点的距离

为：

s=at2/2（3.2）

3、软件组态

（1）使用的组态软件

为了能使用编程器对选定的硬件进行编程，并且必须在编程器中先对硬件进行组态，并将组态好的信息通过编程设备电缆下载到PLC中。

我们使用Siemens的S7Step7v5.2来完成硬件组态。

为了识别ET200S远程I/O站和MicroMas-ter440变频器，还必须加装S7Step7v5.2SP1软件包。

（2）主站PLC系统的组态

主站S7-400系统由S7417-4DPCPU，PROFIBUS-DP接口模块，电源模块，数字量/模拟量输入输出模块等部分组成，存储卡使用S7MMC64Kbyte。

（3）子站PLC系统的组态

一套ET200S系统包括IM151-7CPU，PROFIBUS-DP接口模块，电源模块，数字量/模拟量输入输出模块，电机启动器等部分。

存储卡使用S7MMC64kbyte。

（4）分布式结构的组态和通讯区设置

主站和子站之间是一对多的关系，一台主站与所有子站通过PROFIBUS-DP通讯。

这种网络结构也需要进行组态，并下载到PLC中。

可以使用NetPro程序进行网络结构组态和下载。

为了将命令传递给子站，还应该在主站和子站系统上分别开辟用于通讯的虚拟I/O区。

主站上的虚拟I/O区对应于小车上的虚拟I/O区。

这样主站程序只要按一定的格式输出虚拟DO，子站的虚拟DI就会接收到信号。

同样的，子站可以通过虚拟DO将自身的状态返回到主站，以供主站监视和判断。

可以在硬件组态过程中通过HWconfig程序设置通讯区，因为虚拟I/O并不是硬件上真实存在的，因此可以设置得很大，只要不超出存储单元的容量就行。

（5）组态信息的下载

HWconfig程序和Netpro程序都提供组态信息的下载。

设置好编程器与PLC的连接后，就可以将组态好的硬件和网络结构信息通过编程设备电缆下载到相应的PLC中。

下载完成后如果诊断无误，那么硬件的设置工作就完成了，可以开始进一步的工艺流程编程设计。

4、PLC编程实现控制功能

（1）标志位的定义（单位：

mm）

DBD4定位设置

DBD8固定参照物的实际位置

DBD20向前距离的预置关断开关

DBD24向前距离的关断开关

DBD28慢速向前的速度设置点（只在定位）

DBD32快速向前的速度设置点（只在定位）

DBD36向前的距离X（为了快速向前速度）

DBD40向后距离的预置关断开关

DBD44向后距离的关断开关

DBD48慢速向后的速度设置点（只在定位）

DBD52快速向后的速度设置点（只在定位）

DBD56向后的距离X（为了快速向后速度）

DBD60向前中的Kp=DBD32/DBD36

DBD64向前中的附加设置点d

DBD68向后中的Kp=DBD52/DBD56

DBD72向后中的附加设置点d

DBD76估计向前或向后的附加设置点d=dmax

DBD80预置关断开关点

DBD84关断开关点

DBD88临时缓存：

关于定位的斜坡发生器之后的速度设定点

DBD92临时缓存：

定位的速度设置点

=向前最小值DBD88和（设置点+/-d–实际值）xKp

DBD96临时缓存：

定位的速度设置点=向前最大值DBD92和最小电压

DBD116临时缓存：

定位的速度设置点

DBD120预置加速向前循环中的增量（爬行和定位）

DBD124预置减速向前循环中的减量（爬行和定位）

DBD128预置加速向后循环中的增量（爬行和定位）

DBD132预置减速向后循环中的减量（爬行和定位）

DBD140向前的最小电压=速度设置点的最小量（向此点运动中）

DBD144向后的最小电压=速度设置点的最小量（向此点运动中）

DBW240错误字

BIT241.01=错误

BIT240.0空置

BIT240.11=定位设置点大于向前软限制开关（如果不等于0定位设置点>EMAX=DBD260）

BIT240.21=定位设置点大于向前软限制开关（如果不等于0定位设置点

BIT240.31=开始零速度控制

BIT240.41=错误：

定位不可能

BIT240.51=定位错误>定位误差

BIT240.61=向前结束位置的硬限位开关（定位期间）

BIT240.71=向后结束位置的硬限位开关（定位期间）

DBD260向前的软限制开关（只对定位和行动中不等于0时的情况）

DBD272向前的软限制开关（只对定位和行动中不等于0时的情况）

DBD480临时存储用户的辅助标志位MD200

DBD484临时存储用户的辅助标志位MD204

DBW488临时存储用户的辅助标志位MW208

DBD500临时存储内部的辅助标志位MD200

DBD504临时存储内部的辅助标志位MD204

DBW508临时存储内部的辅助标志位MW208

MB200=DBB500

BIT0输入信号AE：

1=带模拟输入的爬行

BIT1输入信号ENDV：

1=向前结束位置的硬限位开关

BIT2输入信号LAGV：

1=慢速向前的硬信号

BIT3输入信号LAGR：

1=慢速向后的硬信号

BIT4输入信号ENDR：

1=向后结束位置的硬限位开关

BIT5输入信号MOTO：

1=数字输出的电