触摸屏与PLC控制变频器应用系统设计.docx
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触摸屏与PLC控制变频器应用系统设计
毕业设计(论文)
触摸屏与PLC控制变频器
应用系统设计
院(系、部):
信息工程学院
姓名:
年级:
专业:
电气工程及自动化
指导教师:
教师职称:
副教授
毕业设计(论文)任务书
学院(系)信息工程学院专业电气工程及其自动化班级电06-2
学生姓名刘凯指导教师/职称宋玉秋/副教授
1.毕业设计(论文)题目
触摸屏与PLC控制变频器应用系统设计
2.任务起止日期:
2010年3月1日至2010年7月2日
3.毕业设计(论文)的主要内容与要求(含原始数据及应提交的成果)
主要设计内容:
触摸屏与PLC共同控制变频器的应用系统,通常也称之为“系统集成”。
本设计需要了解三相异步电机调速控制的基本方法,了解变频调速的原理、特点以及控制要求;熟悉PLC、变频器、触摸屏的编程、参数设置及使用。
采用S7-300系列PLC及MM440变频器设计、实现异步电机的调速控制系统。
主要工作包括硬件的配置组态、连接和软件的编制调试,多功能人机控制面板(MP277)的编程、调试以及与变频器的PROFIBUS-DP通信控制。
实验室具有设计并实现这一系统的硬件条件和软件环境,利用这些条件可以自己动手实现该系统,通过实践积累PLC、触摸屏及变频调速器应用设计方面的实际经验,了解设计的一般过程。
设计要求:
1.翻译外文资料(原文不少于20000字符),查阅相关器件、设备的应用资料
2.了解变频调速系统的组成、参数设置,监控设备及编程环境、编程方法
3.熟悉实验和检测设备的型号和电气参数,根据控制要求选择器件,确定系统配置方案。
进行控制、监控、通讯等单元的实验
4.规划各种类型输入/输出点,进行PLC及各模块的选型与配置,设计电气原理图。
完成硬件系统的连接、调整。
进行软件的规划、编制
5.完成软件的编制与调试
6.控制系统综合调试
提交验收的材料:
1.开题报告,外文资料原文(不少于20000字符)及中文翻译稿,毕业设计记录本
2.设计说明书(论文),包括模块功能、硬件连接、编程环境、软件流程及程序清单
3.电气原理图及器件清单,演示实现控制功能
4.主要参考文献
1.可编程控制器实验教程 李国勇等编著 电子工业出版社,2008.9
2.西门子人机界面(触摸屏)组态与应用技术 廖常初主编 机械工业出版社,2008.6
3.西门子PLC编程技术及工程应用(附光盘)柴瑞娟等著机械工业出版社
4.S7-300PLC和MM440变频器的原理与应用马宁等著机械工业出版社
5.西门子工业网络通信实战张运刚、宋小春编著人民邮电出版社
6.案例解说PLC、触摸屏及变频器综合应用 陈浩编著 中国电力出版社,2007.7
7.西门子S7-300PLC应用技术 秦益霖主编 电子工业出版社,2007.4
8.
5.进度计划及指导安排
进度计划:
1~2周:
了解控制对象及设计要求,收集有关资料,翻译外文资料。
3~5周:
查阅资料,根据系统要求选择器件,提交系统配置方案及开题报告。
6~8周:
熟悉各器件和设备的功能和使用,进行各单元的实验。
确定系统方案,绘制电气原理图。
9~12周:
完成系统硬件的配置、连接与调试。
规划并编制软件。
提交外文翻译的原文和译文,提交电气原理图。
13~15周:
软件的编程与调试,完成软硬件的综合调试,初步实现系统功能。
16~17周:
系统的调整与完善。
编写、修改、提交毕业论文及其它需要提交的资料。
18周:
答辩
指导安排:
每周固定时间指导一次,其它时间可以通过预约辅导,也可以通过email方式答疑。
Email:
gys@。
任务书审定日期年月日系(教研室)主任(签字)
任务书批准日期年月日教学院(部、系)院长(签字)
任务书下达日期年月日指导教师(签字)
计划完成任务日期年月日学生(签字)
摘要
伴随着现代工业的发展,PLC(可编程程序控制器)的使用已经越来越受到人们的重视,而且与PLC相关产品的使用也越来越频繁,现在更多的项目需要结合PLC与相关设备一起使用。
设计中,在对触摸屏和PLC及变频器的熟练运用的基础上,结合设计要求,设计了一个用触摸屏和PLC控制变频器的应用系统,论文中,说明了各部分的硬件选择和组态及相关参数的设置,描述了用触摸屏和PLC控制变频器实现对电机调速的控制过程。
设计采用西门子S7-300系列的PLC,MP277触摸屏,MM440变频器。
通过对PLC的硬件组态,STEP7及WinCCflexible的设置,变频器的设置及各部分连接的组态最终实现通过PROFIBUS-DP对电机的控制。
关键词:
触摸屏,plc,变频器
Abstract
TheuseofPLCisgettingmoreandmoreimportantwiththemodernindustrydeveloping.AndtheuseoftheproductthatrelatedwithPLCisgettingmoreandmorefrequently.Now,moreprojectneedthatcominePLCanditsrelatedproducttouse.
Inthisdesign,onbaseofdeeplyusedthetouch、PLCandinverter,withthedesignerequirements,IdesignedasystemthatmaketouchandPLCcontrolinverter.Inthisdesign,introductionthechoiceofhardwareandconfigurationofsoftware.descripedtheprocessthatthetouchandPLCcontroltheinverter.thisdesignusedtheSiemensS7-300PLC,MP277touch,andMM440inverter.ThroughtheconfigurationhardwareofPLC,STEP7andWincc,theconfigurationoflinktoachievecontrolthemotorthroughthePROFIBUS-DP.
Keywords:
touch,plc,inverter
第一章绪论
1.1选题背景
传统的生产机械自动控制装置多采用继电器[1],接触器控制,继电器控制系统具有结构简单,价格低廉,容易操作等优点;同时又具有体积庞大,生产周期长,接线复杂,故障率高,可靠性及灵活性差等缺点。
比较适用于工作模式固定,控制逻辑简单的工业应用场合。
随着工业生产的迅速发展,市场竞争日益激烈,产品更新换代周期日益缩短,传统的继电器控制越来越不适应现代工业发展的要求,迫切需要设计一种先进的自动控制装置,于是,PLC(programmablelogiccontroller)应运而生。
PLC是以微处理器为核心,综合了计算机技术,自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种通用工业自动控制装置。
它具有体积小,功能强,灵活通用及维护方便等一系列优点。
特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力,倍受用户青睐。
在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用,被称为现代工业技术的三大技术支柱之一。
图1.1PLC
人机界面装置是操作人员与PLC之间双向沟通的桥梁,很多工业被控对象要求控制系统具有很强的人机界面功能,用来实现操作人员与控制系统之间的对话和相互作用。
人机界面用来显示PLC的I/O状态和各种信息,接收操作人员发出的各种命令和设置参数,并将它们传送到PLC。
人机界面装置一般安装在控制屏上必须能够适应恶劣的环境。
可靠性与PLC可靠性相同。
图1.2触摸屏
PLC和变频器是自动化设备上最常见的部件。
其最初的控制型式大多是用PLC的I/O点和模拟量模块直接控制变频器的启停和实现调速,但这种控制方式有两大弊端,最大的弊端是占用PLC的I/O点和需要增加昂贵的模拟量模块,造成控制成本的增加。
当被控制的变频器数量较多时,此弊端更是明显。
第二个弊端是模拟量控制容易受干扰,传输距离也容易受限制。
近几年来自动化产品不断更新换代,性能不断提升,功能日益强大。
在小型PLC方面这个变化更加明显,现在的小型PLC不仅执行速度大大提高,指令功能日益丰富,更重要的是大都支持多种通讯协议[2],并提供了更多的通讯接口。
同时大多的变频器也具有了RS-485接口,也能支持多种通讯协议,最常见的就是modbus协议。
这种技术的进步为PLC和变频器通讯的实现,提供了软件上的协议和硬件上的物理接口,从而为低成本高性能的通讯控制的实现打下了良好的基础。
图1.3变频器
为了更好的学习和适应现代化工业的需要,我们不紧要学习好单方面的知识,还要能够综合运用相关联的知识,只有这样,我们才能更好的适应新时代的要求!
1.2设计意义
触摸屏和PLC控制变频器应用系统设计,是PLC不仅仅能像以前一样控制继电器,检测继电器的状态,而且还可以通过采集变频器的状态字,在触摸屏上形象的显示出电机的运行状态,便于工作人员的监控,而且可以通过触摸屏实现对系统的远程控制。
本设计通过PROFIBUS-DP通讯,把触摸屏,PLC,变频器方便的结合起来,降低了接线的复杂程度。
是系统更加紧凑,整个项目的研发周期更短。
节省了时间,提高了效率。
第二章硬件选择
2.1触摸屏选择
2.1.1触摸屏
人机界面[3]最基本的功能是显示现场设备中开关量的状态和寄存器中数字变量的值,用监控画面向PLC发出开关量命令,并修改PLC寄存器中参数。
触摸屏能给出手指触摸处的绝对坐标,而鼠标属于相对定位系统。
绝对坐标系统的特点是每一次定位的坐标与上一次定位的坐标没关系,触摸屏在物理上是一套独立的坐标系统,每次触摸位置转换为屏幕上的坐标。
要求不管在什么情况下,同一点输出的坐标数据时稳定的,坐标值的漂移值应在允许范围之内。
触摸屏[4]的基本原理如下,用户用手指或者其他物体触摸安装在显示器上的触摸屏时,被触摸位置的坐标被触摸屏控制器检测,并通过通信接口(RS-232C或RS-485串行口)将触摸信息传送到PLC,从而得到输入的信息。
触摸屏系统一般包括2个部分:
触摸检测装置和触摸屏控制器。
触摸检测装置安装在显示器的显示表面,用于检测用户的触摸位置,再将该处的信息传送给触摸屏控制器。
触摸屏控制器的主要作用是接收来自触摸点检测装置的触摸信息,并将它转换成触点坐标,判断出触摸的意义后送给PLC。
它同时能接收PLC发来的命令并加以执行,例如,动态的显示开关量和模拟量。
触摸屏的分类:
电阻式触摸屏(四线电阻触摸屏,五线电阻触摸屏);表面声波触摸屏;电容式触摸屏;红外线触摸屏[5]。
2.1.2触摸屏选择
多功能面板是性能最高的人机界面,高性能,具有开放性和可扩展性是其突出特点。
它采用WindowsCEV3.0操作系统,用于高标准的复杂机器的可视化,可以使用256色矢量图形显示功能、图形库和动画功能。
它有过程值和信息归档功能、曲线图功能和在线语言选择功能。
MP系列多功能面板有2个RS-232接口、RS-422/485接口、USB接口和RJ45以太网接口,RS-485接口可以使用MPI、PROFIBUS-DP协议,还可以通过各种通讯接口传送组态。
距离较长时可以用调制解调器。
MP277使用7.5in或10.4in、64K色、TFT显示器,4种型号分别为MP2778touch、MP2778key、MP27710touch、MP27710key,用户存储容量为6MB。
MP2778key和MP27710key分别有26个和36个功能键。
有后备电池硬件实时时钟。
综合考虑MP277的特点和设计的要求,选择MP277触摸屏[6]。
图2.1MP277
2.2PLC选择
2.2.1PLC概述
PLC[7]的产生定义及分类
美国数字设备公司根据(把计算机功能完善、灵活通用的优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来,制成一种通用控制装置)的设想,于1969年成功研制了第一台可编程控制器PDP-14。
我国从1974年开始研制PLC,1977年开始工业应用。
PLC的标准定义是:
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境中应用而设计。
PLC按机构形式分为1、一体化紧凑型PLC,2、标准模块式结构化PLC,按I/O点数以及内存容量将PLC分成小型PLC、中型PLC、大型PLC。
按控制器性能分为抵挡PLC、中档PLC,高档PLC,本文中介绍的就是西门子的中档PLCS7-300。
2.2.2PLC功能[8]和特点及工作原理
1、控制功能:
逻辑控制,定时控制,计数控制,顺序控制
2、数据采集,存储与处理功能:
数学运算功能,数据处理,模拟数据处理。
3、输入输出接口调理功能:
具有A/D、D/A转换功能,通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节。
通信联网功能。
可进行远程I/O控制,多台PLC可彼此间联网、通信,外部部件与一台或多台PLC的信号处理单元之间能够实现程序和数据交换。
以及通讯联网,人机界面,编程调试等功能。
PLC具有高可靠性、丰富的I/O接口模块、采用模块化结构、运行速度快、功能完善、编程简单易于应用、系统设计调试安装方便、维修方便维修工作量小、总价格低。
众所周知,继电器的控制装置采用的的是硬逻辑并行运行的方式,即如果某继电器的线圈通电或断电,那么该继电器的所有触电,都会同时动作。
PLC的CPU采用顺序扫描用户程序的运行方式,即如果一个逻辑线圈被接通或者断开,那么该线圈的所有触点不会立即动作必须等扫描到该触点时才会动作,
为了消除2者的运行方式不同造成的差异,考虑到继电器控制装置各类触点的动作一般都在100MS以上,而PLC扫描用户程序的时间一般小于100MS,因此,PLC采用了扫描技术。
这样在对I/O相应要求不高的场合,PLC与继电器控制装置的处理结果就没有什么区别了。
2.2.3PLC选择
S7-300系列PLC是一种通用型PLC,能适应自动化工程中的各种应用场合,尤其在生产制造工程中的应用。
S7-300基于模块化、无风扇结构设计,采用DIN标准导轨安装,配置灵活、安装简单、维护容易、扩展方便,各种模块可以进行广泛组合和扩展。
本设计中主要用到了电源模块,CPU模块,信号模块等,由于考虑到要用到PROFIBUS-DP[9]通讯功能及设计的要求,所以CPU模块选择CPU315-2DP,PLC选择西门子的S7-300。
2.3变频器选择
变频器调速能够应用在大部分的电机拖动场合,由于它能提供精确的速度控制,因此可以方便的控制机械传动的上升、下降和变速运行。
变频应用还可以大大地提高工艺的高效性,同时可以比原来的定速电机更加节能。
变频器主要有以下作用:
1、控制电动机的启动电流
2、降低电力线路电压波动
3、启动时需要的功率更低
4、可控的加速功能
5、可调的运行速度
6、可调的转矩极限
7、受控的停止方式
8、节能
9、可逆运行控制
10、减少机械传动部件
MM440是用于控制三项交流电动机的变频器[10],恒定转矩控制方式时的可定功率范围为120W~200W,可变转矩控制方式时额定功率可达250KW,其脉冲宽度调试开关是可以选的,因而降低了电动机的运行噪声。
MM440的保护很全面,为变频器和电动机提供了很好的保护。
MM440变频器由32位的微处理器控制,变频器的功率器件采用IGBT,是全新一代的多功能标准变频器。
它采用高性能矢量控制技术,能提供低速高转矩输出和良好的动态特性,同时具备超强的过载能力。
MM440主要特性如下:
1、具有2种矢量控制方式
2、有2种v/f控制方式
3、具有快速电流限制共能
4、具有内置制动单元
5、加速/减速斜坡特性具有可编程的平滑功能
6、具有比例、积分和微分的PID闭环控制功能
7、各种参数的设定值可以相互切换,包括电动机数据组
8、具有自由功能模块
9、具有动力制动的缓冲功能
10、具有过电压,过电流,过热等保护功能
设计中主要用到了变频器的启动控制,速度控制,以及启动停止的斜坡函数设置等功能,运用PROFIBUS-DP总线控制变频器,使PLC能够按照固定的报文格式对变频器进行读写,从而实现电机的控制,综合考虑设计所需要的功能、设计要求和电路的保护功能,本设计选择西门子MM440变频器[11]。
第三章系统设计
3.1方案分析
3.1.1设计要求
设计触摸屏的组态内容,PLC的模块型号选择,STEP7的组态,完成PLC参数设置,变频器的参数设置,实现通过PROFIBUS-DP控制电动机的调速。
3.1.2方案分析
根据设计要求,要完成的主要工作有:
1、设计方案:
根据功能要求设计系统,画出流程图。
2、选择硬件的型号:
选择触摸屏,PLC和变频器的型号。
3、熟悉软件:
熟悉WinCC和STEP7软件。
4、软件的组态和配置:
(1)用WinCC组态触摸屏的显示内容,包括按钮,I/O域,组态好后关联到PLC对应的位存储器点,
(2)在STEP7中,在硬件中组态PLC各模块的型号,保存编译,下载
在OB1中编写程序,调试,下载。
(3)设置变频器的参数,包括启动方式,斜坡时间等参数。
选择控制方式为PROFIBUS-DP控制。
5、建立通讯连接:
用PROFIBUS-DP连接触摸屏,PLC和变频器,在软件中组态连接,设置参数。
3.1.3难点分析
1、触摸屏与PLC的PROFIBUS-DP通讯连接。
2、PLC和变频器的PROFIBUS-DP通讯连接。
3、PLC对变频器状态和速度的读写。
3.2项目设计流程图
图3.1项目流程图
3.3硬件配置组态
3.3.1触摸屏的组态
1、创建一个项目
在桌面双击WinCCflexible[12]图标,打开WinCCflexible项目向导。
选择创建一个新项目,在设备选择中选择MP277,修改项目名称,执行菜单命令,文件另存为。
2、建立连接
点击通讯文件夹中连接图标,打开连接编辑器,点击连接表中第一行,将会出现于S7300的连接,连接默认名称为连接1,连接表下方是连接属性视图,一般都采用默认值。
3、变量的生成[13]与组态
变量编辑器用来创建和编辑变量。
双击视图中的变量图标,将打开变量编辑器。
可以在工作区的表格中或在表格下方的属性视图中编辑变量的属性。
双击变量中最下方的空白行,将会自动生成一个新变量,其参数与上一行参数基本相同,其名称和地址与上面一行的地址和变量按顺序排列。
点击变量表连接列单元中的下三角,可以选择连接的变量。
点击变量表的数据类型单元中的下三角,可以选择变量的数据类型。
4、画面的生成和组态
系统会自动生成一个画面1,用鼠标右键点击项目视图中该画面的图标,再出现的快捷菜单中执行重命名命令,将该画面的图标改成初始画面,然后双击初始画面的图标,打开画面编辑器,在常规中,可以设置画面的名称,颜色,编号,背景等,还可以使用模板。
5、指示灯与文本域的生成及组态
在工具箱内,没有用于显示位变量的ON/OFF状态的指示灯对象,下面介绍使用对象库中的指示灯的方法。
选中工具箱中的“库”文件夹,“打开”,再出现的对话框中,打开文“\SIMATICWinCCFlexible\WinCCflexibleSupport\libraries\system-libraries”,双击打开按钮与开关库文件“Button-and-switches.wlf。
指示灯的组态:
在工具箱中选中“库”组,打开刚刚装入的库,双击该库中文件夹“\Monochrom(单色)\Indicator-switches(指示灯/开关)”,将其中的圆形指示灯图标拖放到画面工作区。
选中画面中的指示灯,画面下方是指示灯的属性视图。
属性视图左侧有一个树形结构,可以用它来选择各种属性类别。
其中的“常规”用来设置最重要的属性。
指示灯图形的组态:
两个图形signall-on1和signall-off1用来表示指示灯的点亮,1为点亮,0为熄灭。
点击属性视图中的打开状态图形,选择框右侧的向下黑色箭头,在出现的图形列表中选中signall-off1,窗口的右侧将出现相应的指示灯图形。
点击设置按钮,关闭图形列表。
这样打开状态的指示灯图形的中间变为浅色。
用同样的方法,设置关闭状态0指示灯的图形为signall-on1
6、文本域的组态[14]
工具箱中文本域用于输入一行或多行文字,可以定义字体和字的颜色,还可以为文本域添加背景色或样式。
为了在刚生成的指示灯的下面添加文字说明“2号设备”,将工具箱中的文本域图标拖放到画面编辑器工作内,默认的文本为text。
双击生成的文本域,输入需要的文字。
也可以在属性视图的常规对话框中输入文字。
在属性视图中,可以设置字体的大小,颜色,背景颜色,填充样式,边框的有无和颜色,垂直放置和水平放置等。
7、按钮的生成和组态
点击工具箱中的简单对像组,出现常见的画面元件的图标。
将其中的按钮图标拖放到画面中。
选中某个按钮后,在工作区的下方有属性视图,选中左侧的常规选项,在右侧一次选中文本,文本。
如果选中复选框,可以分别设置按下时和弹起时的文本。
一次在左侧的列表还可以更改属性,动画,事件。
按钮的功能设置:
选中文本为启动的按钮,打开属性视图的事件类的按下对话框,点击视图右侧最上面一行,点击他右侧出现的向下黑三角,在出现的系统函数列表中选择“编辑位”文件夹中的函数“setbit”。
直接点击函数列表的第二行右侧隐藏的向下黑三角,再出现的变量列表中选择变量2号设备。
在运行时按下该按钮,将变量2号设备设置为1状态。
用同样的方法设置复位按钮。
8、趋势视图的组态[15]
生成趋势视图:
首先生成和打开名为趋势视图的画面。
将工具箱的增强的对象组中的趋势视图拖放到画面编辑器的画面工作区中,用鼠标调节趋势图的位置和大小。
选中趋势视图,在属性视图中设置趋势视图的参数。
趋势视图中的按钮:
启动停止按钮、压缩趋势视图、扩展趋势视图、返回到趋势视图起始处、向后滚动趋势视图、向前滚动趋势视图等。
图3.2触摸屏效果图
3.3.2PLC的组态
1、设置PG/PC
在控制面板中双击PG/PC,然后选择设置PCAdapter(MPI),在属性窗口中设置属性,选择接口模式和地址。
2、建立一个项目
双击桌面的STEP7图标,然后弹出创建向导,点击NEXT,在CPU选型栏中选择实验室的CPU315-2DP,选择梯形图语言,然后单击下一步,输入项目名称,然后finish。
点击SIMATC300STATION,双击硬件,在弹出的硬件配置表中组态硬件,首先组态电源PS307-10A,因为第三条是IM块,所以第三条空着,在第四条处组态CP343工业以太网模
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