学士学位论文—-小型自动化系统综合实训报告书基于hmi的造纸设备同步控制系统.doc

小型自动化系统综合实训报告书小型自动化系统综合实训报 告 书项目名称： 基于HMI的造纸设备同步控制系统 系部名称： 自动控制系 专业班级： 姓 名： 学 号： 2016年 7月3日23设 计 任 务 书设计目的： 设计4台电动机构成的变频调速同步控制系统：4台电机速度可以同步升降，也可以微调，1#电机微调时其他电机同步微调，2#电机微调时1#电机不同步微调，其他电机同步微调，3#电机微调时1#和2#电机不同步微调，4#电机同步微调，4#电机微调时, 其他电机均不同步微调。设计要求：1、 采用西门子CPU224XP-CN和MM440变频器，要求采用西门子PLC和变频器的USS协议通讯，实现变频器的启停控制和调速。2、每台电机设有启动/停止按钮和速度微升/微降按钮。3、每台电机设有电机/同步选择开关。4、采用就地按钮和MCGS触摸屏远程控制。23III目 录第1章 控制系统设计方案描述1第2章 主要电气元器件功能特性简介32.1 PLC特点32.2 PLC工作原理32.3 MM440变频器的特点42.4组态与MCGS触摸屏5第3章 控制系统电气原理图93.1系统图93.2主电路图103.3控制电路103.4电气控制柜设计图纸12第4章 PLC I/O地址分配15第5章 变频器主要参数的设置17第6章 系统控制程序196.1程序设计思路和流程196.2 程序功能设计（子程序）说明196.3 程序调试步骤和方法206.4 故障及对策216.5 调试过程的问题和解决方案描述24第7章 操作说明25第8章 设计总结27参考文献29附录1 电气材料汇总与报价表31附录2 控制程序清单33第1章 控制系统设计方案描述本次实验的实验目的及要求是实现4台电动机构成的变频器同步调速控制系统：4台电机速度可以同步升降，也可以微调，1#电机微调时其他电机同步微调，2#电机微调时1#电机不同步微调，其他电机必须同步微调，3#电机微调时1#和2# 不同步微调，4#电机同步微调，4#电机微调时，其他电机均不同步微调。要求每台电机设有启动停止按钮和速度微升/微降按钮，每台电机设有单机/同步选择开关，可以实现就地按钮控制和MCGS触摸屏远程控制。为实现实验目的及要求采用西门子CPU224XP-CN PLC和M440变频器控制。PLC与变频器的通讯方式采用USS协议通讯。USS协议的特点是支持多点通信因而可以应用在RS485等网络上。采用单主站的“主从”访问机制。一个网络上最多可以有32个节点（最多31个从站)简单可靠的报文格式，使数据传输灵活高效容易实现，成本较低。PLC对变频器的控制是通过PLC和变频器上的RS485通讯接口，采用PLC编程通信控制。连接时用串口电缆将S7-200 PORT 0端口与MM440面板上的RS232/RS485接口相连。上位机控制设备选用的是MCGS（TPC7062TX）触摸屏，MCGS与PLC200之间是直接通过RS485/RS232通讯端口通讯的。连接时通讯电缆一端连接PLC的PORT 1端口，一端连接触摸屏的COM口，PC机与触摸屏之间的连接是通过USB线连接的，一端接PC机的USB口一端接触摸屏的USB口。39第2章 主要电气元器件功能特性简介2.1 PLC特点 1.抗干扰能力强，可靠性高。 2.控制系统结构简单，通用性强。 3.编程方便，易于使用。 4.功能强大，成本低。 5.设计、施工、调试的周期短。 6.维护方便。2.2 PLC工作原理 （一）基本工作模式： 1运行模式：分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理五阶段。 2停止模式:当处于停止工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容。 （二）PLC工作过程： 1内部处理阶段：在此阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成一些其它内部工作。 2 通信服务阶段:在此阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当PLC处于停状态时，只进行内容处理和通信操作等内容。 3输入处理阶段:输入处理也叫输入采样。在此阶段顺序读取所有输入端子的通断状态，并将所读取的信息存到输入映象寄存器中，此时，输入映像寄存器被刷新。 4程序处理阶段:按先上后下，先左后右的步序，对梯形图程序进行逐句扫描并根据采样到输入映像寄存器中的结果进行逻辑运算，运算结果再存入有关映像寄存器中。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。 5输出刷新阶段:程序处理完毕后，将所有输出映象寄存器中各点的状态，转存到输出锁存器中，再通过输出端驱动外部负载。 （三）PLC工作方式与特点：集中采样、集中输出、周期性循环扫描，“串行”工作方式 1扫描周期：PLC 的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。PLC 运行正常时，扫描周期的长短与CPU 的运算速度有关，与I/O 点的情况有关，与用户应用程序的长短及编程情况等均有关。通常用PLC 执行1K 指令所需时间来说明其扫描速度( 一般110ms/K) 。 2 输出滞后：指从PLC的外部输入信号发生变化至它所控制的外部输出信号发生变化的时间间隔。一般为几十100ms.引起输出滞后的因素：输入模块的滤波时间、输出模块的滞后时间、扫描方式引起的滞后。 3. 由于PLC是集中采样，在程序处理阶段即使输入发生了变化，输入映象寄存器中的内容也不会变化，要到下一周期的输入采样阶段才会改变。 4. 由于PLC是串行工作，所以PLC的运行结果与梯形图程序的顺序有关。2.3 MM440变频器的特点 （1）1参数设置功能强大，参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置； （2）具有多个继电器输出，多个模拟量输出（0-20mA）； （3）6个带隔离的数字输入，并可切换为 NPN/PNP 接线； （4）2 个模拟输入：AIN1（0 -10 V，0-20 mA 和 -10 至+10 V）和AIN2（0-10 V，0-20 mA）；2 个模拟输入可以作为第 7 和第 8 个数字输入； （5）有多种可选件供用户选用：用于与 PC 通讯的通讯模块，基本操作面板 (BOP)，高级操作面板(AOP)，用于进行现场总线通讯的PROFIBUS 通讯模块； （6）脉宽调制的频率高，因而电动机运行的噪音低；MM440变频器方框图如下：主电路由电源输入单相或三相工频正弦交流电压，经整流电路转换成恒定的直流电压，供给逆变电路。逆变电路在CPU的控制下，将恒定的直流电压逆变成电压和频率均可调的三相交流电供给电动机负载。MM440变频器主电路的中间直流环节采用大容量电解电容进行滤波。控制电路是由CPU、模拟输入、模拟输出、数字输入、继电器输出及操作面板等组成。当采用模拟电压信号输入方式输入给定频率时为了提高交流变频调速系统的控制精度，必须配备一个高精度的直流稳压电源作为模拟电压输入的直流电源。在下图中，端子1、2是MM440.变频器为用户提供的10V高精度直流稳压电源输出端。 图2-1 MM440变频器方框图2.4组态与MCGS触摸屏组态设计方面硬件采用的是MCGS（TPC7062TX）触摸屏，软件方面采用的是MCGS组态环境和MCGS运行环境两个系统组成。MCGS工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成。组态时根据设计要求建立组态界面，显示出控制系统工作时的状态，在组态界面上建立主要工作设备的模型、控制元件，并使其进行合理的布局。大致界面搭建完成后为了方便后续数据的连接需要建立实时数据库，在数据库中对数据进行数据对象名称的定义以及数据类型的定义。如下图所示：.图2-2 数据库图数据库定义完成后需要在设备窗口进行设备组态,如下图：图2-3 设备窗口图 图2-4 设备库图 数据库与设备库定义完成后在控制界面中对控制对象进行数据的连接。第3章 控制系统电气原理图3.1系统图本系统图主要有PC机、PLC、变频器、MCGS、等等组成。PC机与PLC利用PPI通信它们之间的通讯波特率是9600bps；PLC与变频器利用USS通信；PLC与MCGS利用USS通信。电脑的通讯地址是0；PLC的Port0和Port1的地址都是2；MCGS的地址是1。注意PLC与变频器连接的线是双绞线，因为变频器受到干扰，双绞线作用克服外部干扰起到屏蔽外部一切信号。图3-1 系统结构图3.2主电路图本电路图主要有4个MM440西门子变频器；4台三相异步电动机；接触器；断路器组成。注意：4台电机要可靠接地，保证生产安全，MM440要采用接终端电阻方法来克服给变频器带来的干扰。图3-2 系统结构图3.3控制电路本电路图采用单独的24V供电，避开了用PLC的24V电，这样避免供电不足的问题。由于本控制电路的按钮和指示灯特别多本图采用了三档自复位按钮开关和两档自锁按钮开关；这两种开关解决了输入/输出I/O口不够的问题。图3-3 系统控制图图3-4 系统元器件统计图3.4电气控制柜设计图纸本图须注意的是HLIHL9和SB1和SA1SA6的开孔是一样大的其他的按照图纸要求就行。图3-5 控制柜的外形尺寸和操作面板开孔图图3-6 面板元器件布置图第4章 PLC I/O地址分配在编写程序时，结合控制系统原理图我们分别为就地控制和远程控制设置了启停，同步增减，微调增减的开关量控制；启停指示及故障指示的开关量控制；预设速度和设置速度的数值型变量控制；并为其分配了I/O地址如下表4-1所示：表4-1 I/O分配表符号地址符号地址符号地址电机同时启动I0.0同步减速I1.3电机4实时速度VD12电机同时停止I0.1单机同步I1.4电机1正转指示Q0.0电机1微加I0.2同调幅度VD96电机1故障指示Q0.1电机1微减I0.3微调幅度VD100电机2正转指示Q0.2电机2微加I0.4电机1设置速度VD104电机2故障指示Q0.3电机2微减I0.5电机2设置速度VD108电机3正转指示Q0.4电机3微加I0.6电机3设置速度VD112电机3故障指示Q0.5电机3微减I0.7电机4设置速度VD116电机4正转指示Q0.6电机4微加I1.0电机1实时速度VD0电机4故障指示Q0.7电机4微减I1.1电机2实时速度VD4同步指示灯Q1.0同步加速I1.2电机3实时速度VD8第5章 变频器主要参数的设置西门子M440变频器通过USS指令控制，USS（Universal Serial Interface Protocol，通用串行接口协议）协议是西门子公司为其变频器所开发的通用通信协议，可以支持变频器与PC或PLC之间的通信连接，是一种基于串行总线进行数据通信的协议。S7-200 PLC可以将其通信端口设置为自由口模式的USS协议，以便实现PLC对变频器的控制。USS指令如图5-1所示： USS-INT指令详解：EN：初始化程序USS_INIT 只需在程序中执行一个周期就能改变通信口的功能，以及进行其他一些必要的初始设置，因此可以使用SM0.1 或者沿触发的接点USS_INIT指令。Mode：模式选择，执行 USS_INIT时，Mode的状态决定是否在Port 0上使用USS通信功能；= 1 设置Port 0为USS 通信协议并进行相关初始化；0 恢复Port 0 为PPI 从站模式。Baud：USS 通信波特率。此参数要和变频器的参数设置一致；为9600 9600 bit/s。 Active：此参数决定网络上的哪些USS 从站在通信中有效。详见下面的说明。Done：初始化完成标志。Error：初始化错误代码。USS-CTRL指令详解：EN：使用SM0.0使能USS_CTRL指令。RUN：驱动装置的启动/停止控制 = 0 停止 1 运行此停车是按照驱动装置中设置的斜坡减速指电机停止。OFF2：停车信号2。此信号为“1”时，驱动装置将封锁主回路输出，电机自由停车。OFF3：停车信号3。此信号为“1”时，驱动装置将快速停车。F_ACK：故障确认。当驱动装置发生故障后，将通过状态字向USS 主站报告；如果造成故障的原因排除，可以使用此输入端清除驱动装置的报警状态，即复位。注意这是针对驱动装置的操作。DIR：电机运转方向控制。其“0/1”状态决定运行方向。Drive：驱动装置在USS网络上的站号。从站必须先在初始化时激活才能进行控制。 图5-1 USS指令块 Type：向 USS_CTRL功能块指示驱动装置类型= 0 MM 3 系列，或更早的产品1 MM4 系列。Speed_SP：速度设定值。速度设定值必须是一个实数，给出的数值是变频器的频率范围百分比还是绝对的频率值取决于变频器中的参数设置（如MM 440的P2009）。Resp_R：从站应答确认信号。主站从USS从站收到有效的数据后，此位将为“1”一个程序扫描周期，表明以下的所有数据都是最新的。Error：错误代码。0 = 无出错。其他错误代码。Status：驱动装置的状态字。此状态字直接来自驱动装置的状态字，表示了当时的实际运行状态详细的状态字信息意义请参考相应的驱动装置手册。Speed：驱动装置返回的实际运转速度值，实数。是否频率值跟随设定值的规格化设定。Run_EN：运行模式反馈，表示驱动装置是运行（为1）还是停止（为0）。D_Dir：指示驱动装置的运转方向，反馈信号。Inhibit：驱动装置禁止状态指示（0 - 未禁止，1 - 禁止状态）。禁止状态下驱动装置无法运行。要清除禁止状态，故障位必须复位，并且RUN, OFF2 和OFF3 都为0。 Fault：故障指示位（0 - 无故障，1 - 有故障）。表示驱动装置处于故障状态，驱动装置上会显示故障代码（如果有显示装置）。要复位故障报警状态，必须先消除引起故障的原因，然后用F_ACK 或者驱动装置的端子、或操作面板复位故障状态。此USS_CTRL 功能块使用了PZD数据读写机制，传输速度比较快。但由于它还是串行通信，而且还可能有多个从站需要轮询，因此无法做到“实时”响应。要实现高要求的快速通信，应该使用PROFIBUS-DP等网络，同时更换主站为更高级的控制器。也由于同样的原因，USS_CTRL 输入的控制信号需要一个合理的作用时间，以等待指令执行完成，过快速的变化可能会导致没有响应。变频器主要参数、电动机设置参数、通讯控制参数的设置如下所示：1）P0010=30 ，P970=1；开始恢复参数到出厂设置。2）P0003=2 设访问等级为扩展级。3）P0300=1 所用电机为异步电动机。4）P0304=380 电动机额定电压为380V。5）P0305=5 电动机额定电流为5A。6）P0307=2.2 电动机额定功率为2.2KW。7）P0308=0.82 电动机的功率因数。8）P0310=50 电动机额定频率50HZ。9）P0311=1420 电动机额定转速1420r/min。10）P700=5 通过COM链路（端子29、30）。11）P1000=5 通过COM链路的USS（端子29、30）。12）P2010=6 设置通信波特率9600bps。13）P2011=(1#为0，2#为1，3#为2，4#为3)第6章 系统控制程序6.1程序设计思路和流程图6-1软件设计流程图6.2 程序功能设计（子程序）说明子程序的功能是实现对电机转速德控制，下图为子程序的梯形图。图6-2 电机加速子程序图6-3 电机减速子程序图6-4 子程序调用模块 子程序模块的第一个输入量“fudu”表示的是电机转速每次变化的频率百分比，第二个输入量“sudu”表示的是电机当前的速度频率。输出量“shezhi”表示的是电机速度频率变化后的实际速度。6.3 程序调试步骤和方法进行上电调试时一定要先检查固定器件的螺丝是否拧紧，接线处是否有松动，检查完毕以后再进行以下过程。程序调试：1. 在编写程序时，我们分别为就地控制和远程控制设置了启停，同步增减，微调增减的开关量控制，并为其分配了I/O地址； 2. 当脉冲来时，为了不使速度无限制的增加或减少，我们分别设置了速度上下限（0100）； 3. 当为变量组态时，必须为其设置不冲突的地址分配，及模拟量I/O点和数字量I/O点存放寄存器也不同； 4.设置变频器参数p2010=6、p2011=0、p0700=5、p1000=5； 5.编写PLC程序，编译下载无误后，通过外部端子检查同步与微调能否实现。组态调试： 1.按钮选择：开始使用开始/停止开牛，经操作使用后发现不是很符合项目要求，后修改按钮（按下开，松开关）； 2.组态按钮：组态按钮时，其余按钮都可以正常使用，只有4#微调减按钮不能正常工作，经检查程序发现LAD中得地址错误，修改更正后错误消失； 3.组态检查：在给电动机一个速度时，电动机可以工作，但使用同步升/降按钮时，速度可以无限变化，不符合项目要求，则在LAD中添加了比较指令对其限制； PLC与PC机调试：程序编写完成后需对程序进行检测调试，下载程序时应注意检查通信设置是否正确。设置PG/PC接口时访问路径下的属性设置中PPI的地址应设置为0，因为PPI线缆连接PLC和PC机是连接的是Port0端口。本地连接设置中连接到的COM口应根据实际的连接状态选定。通信端口中对Port 0和Port 1端口进行PLC地址定义，不能超过允许的最大范围。下载程序时若出现通信错误等问题时需要设置端口1地址和波特率等信息，进行通信测试，刷新设备，找到当前设备为CPU 224XP CN。如下图所示：图6-5 通信窗口图PLC与变频器调试： 确定PLC程序无误后进行组态的检测，PLC程序下载后将PLC与变频器进行通信连接。利用通信电缆的一端接PLC的Port 0口一端接变频器的RS485串口。设置变频器的相关参数观变频器显示屏上是否有数字闪烁，判断是否通信正常。PLC与MCGS调试： 接下来进行触摸屏与PLC的通信设置，设置通信参数前首先进行线路的连接，线路连接完成后在组态环境的设备窗口设置设备属性值，设备地址为PLC端口1的地址。6.4 故障及对策PLC与变频器及PC机间的通信问题：在实际的程序调试过程中总是会遇到各种各样的问题，如在程序完成后进行调试下载的过程中会出现通信错误的问题如下图所示：图6-6 通信故障图但是当下载一个简单的程序时可以很好的下载。再者当程序下载后进行运行时系统提示从PLC接收数据时发生错误如图所示。S7-200系列的CPU224XP有两个PPI通信口（分别为Port0和Port1），这两个通信口既可以作为PLC的编程接口，也可以作为RS485串口通信。当下载程序时Port口使用的是PPI协议，由于程序中使用了Port 0口的USS指令定义PLC与变频器之间的通信协议为USS协议，所以当运行时Port 0口使用的是USS协议。下载程序时程序下载电缆接的是Port 0口，由于程序中使用USS指令时已将Port 0口的通信协议改为USS协议，所以在下载程序时需要的PPI协议与端口的当前规定协议相冲突，无法进行程序的下载与调试。为了避免通信错误的问题下载程序时将PLC的Port 0口上的PPI线缆连接到PLC的Port 口上，这样就可以进行程序的下载和调试。组态的数据连接问题：组态环境建立完成后需要对界面中的操作对象进行数据的连接，但数据连接的过程中会出现数据连接无效的情况即数据连接后在组态运行的界面中无法对系统进行控制。这时我们应考虑组态的实时数据库与设备编辑窗口中的连接变量是否是一一对应的。具体数据对象属性设置如下图所示：图6-7 数据对象属性设置设备编辑窗口中增加设备通道时要进行对象基本属性的设置，如下图：通道名称建立后要对通道进行变量的连接，如下图：6.5 调试过程的问题和解决方案描述1.在下载LAD程序时，出现了错误提示（能流逆转），后来经检查程序发现了多余的指令线，经修改更正错误消失； 2.在再次下载LAD程序时有出现了4个错误，提示是能流逆转，后检查程序，发现USS_CTRL中得dir没有连接指令，经修改更正错误消失； 3.经检查发现在一个网络中发现多个独立的程序从母线开始，经修改更正错误消失；4.在监控程序时，程序中Error=19（驱动器没有应答），经检查程序发现地址使用重复，经修改错误消失。第7章 操作说明首先将主电路总开关QS闭合给电路供电，然后将各支路的断路器开关闭合，然后点击启动按钮I0.0或上位机启动，使得中间继电器线圈KA得电使各支路交流接触器线圈得电，交流接触器常开触点闭合，变频器得电四台电机同时启动，各个电机的启动指示灯Q0.0、Q0.2、Q0.4、Q0.6被点亮，若有一台电机通信故障对应的故障指示灯变为红色，四台电动机全部停止，变频器失电；若有一台电动机短路则该指路的断路器断开，则对应的电动机停止。排除故障后重新启动，单机同步自锁按钮I1.4断开为单机模式，闭合为同步模式。单机模式按下电机一的微加(减)旋钮开关,四台电机以微调幅度同时微加减，上位机可以改变微加减的幅度；按下电机二的微加(减)旋钮开关,2#、3#、4#电机以微调幅度同时微加减；按下电机三的微加(减)旋钮开关,3#、4#电机以微调幅度同时微加减；按下电机四的微加(减)旋钮开关,4#电机以微调幅度微加减。选择同步模式下，打开同步增减速增开关，四台电机以同步幅度增减，上位机可以改变同步加减的幅度。第8章 设计总结本次实训我是负责电气系统设计的，在本次实训后我得到了很大的进步。以前在我学CAD软件时，我只依靠老师画的图，我只是看着老师给我们画的图照葫芦画瓢，一点自己的思想都没有，没想到当时照着老师给的图画好了还感觉自己有很大的收获。经过这次实训使我认识到特别是CAD制图方面，认识到CAD软件只是我们手中的工具；我们不能只为了画图而画图，那样的话我们只能画图了，那样话我们成了别人的工具了。我们要自己设计自己的的电气图纸，要绘制自己的电路控制系统。在我们设计电气控制系统要和自己团队其他人商量，多和他们商量探讨，这样对于我们的电路设计顺利的进行下去更有利，这样的话会让我们的工作又快又不容易出错的。还有在我们绘制电路系统图时，是不允许我们犯一点错误，如果我们犯一点错误的话就会带来很大的损失。所以在做这方面的工作不允许我们有半点的差错，我们要做到非常的仔细，在我们设计好图纸后，要自己和团队的负责人好好看看有没有那里不合格，有没有哪里有错误。检查无误后再提交我们的设计。还有在我设计图纸过程中最深刻体会是当我的绘图有一点的错误时，当我要改进我的图纸时那就是牵一发而动全身。当然还有其他的感受就是让我学到了很多其他东西。让我明白了团队协作的重要性；做事要有耐心；懂得了认真的工作态度的重要性；小组成员分工明确的重要性；这都将成为我人生中最宝贵的财富。另外这次实训给我带来了许多日后工作的经验，对我日后工作道路打下了坚实的基础。在这里我真心感谢张老师和他的团队。参考文献【1】田效伍 交流调速系统与变频器应用 北京：机械工业出版社2001 .【2】力控组态软件及应用入门 力控组态软件6.0. 【3】王永华 现代电气控制及PLC应用技术（第二版）北京：北京航空航天大学出版社, 2008.【4】姚永刚 电机与控制技术 北京：中国铁道出版社, 2010.【5】朱献 清郑静 电气制图 北京：机械工业出版社, 2012.【6】西门子公司 SIMATIC S7-200可编程控制器系统手册, 2004.【7】吴志忠，吴加林。变频器应用手册.北京：机械工业出版社，2002.【8】李方圆。变频器应用技术. 北京: 科学出版社，2008.【9】孙传森，钱平，变频器技术. 北京: 高等教育出版社.附录1 电气材料汇总与报价表总价：17524.4元附录2 控制程序清单