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论文在线分享-基于PLC与触摸屏的电机监控系统设计

2021-07-06 11:11:28

论文写作模式-基于PLC与触摸屏的电机监控系统设计

  本课题是要完成一种基于触摸屏组态和plc的异步电机监控系统。用一个基于触摸屏组态和plc程序共同控制变频器的系统实现对所使用异步电机的实时控制和电机状态的实时监测。本文详细介绍了这个控制系统的具体设计方案以及使用详情和测试结果,包括从系统软硬件的介绍到系统设计可行性、使用可行性的分析,软件的具体设计以及操作步骤(包括变频器的硬件组态、PLC程序的编写、HMI画面的编辑、通讯的实现,硬件组态与程序的下载等操作过程)以及设计结果。现场使用能够满足设计的要求,系统可以正常平稳运行,过程中无任何错误和警报。

  电力电子技术和微电子技术的进步引起现代交流调速系统的快速兴起与迅猛发展,突破了之前直流调速系统一统高性能拖动系统的局面。

  而到了现在,交流调速系统在越来越多的方面已经取代并且淘汰了直流调速系统。

  现代的电子工业中有着大量开环的顺序控制以它的开关量为主,这些顺序控制随着它的逻辑条件和它的时序关系而动作;在现代工业也存在不少按照逻辑关系顺序进行连锁保护控制动作,但这些连锁保护控制的动作却和它的顺序还有时序完全无关;现代工业还有大量的对离散量的数据采集监视,而这些监视却是以状态量(主要包括开关离散量、脉冲量、模拟量等)为主的。PLC对这些数据监测和顺序控制、联锁控制的使用条件都能够很好的满足,这就使它从根本上取代了传统的继电器控制线路的发展,成为了以顺序控制为主的产品。

  1.2设计目的及意义

  本课题设计的电机监控系统要求能实现即时的数据传输和控制,并能够在检测到系统某处发生异常时能及时给出提示信息。同时系统既要减少用户的操作程序,又要同时实现对电机的监测和控制,实现高度自动化。

  随着现代科技的飞速发展与日新月异的信息技术进步,当今整个世界的生产和生活的方式都在跟着它们发生革命性的改变。就比如现在我们正逐步步入的物联网时代的物联网信息技术就正在改变着我们的日常生活。物联网的技术核心和本身的基础还是互联网,它本来就是在互联网的基础上延伸和扩展发展后产生的互联网络;但是物联网的用户端已经变成了任意的物品与其他的物品,在这些物品之间都可以相互的进行各种信息的传输和交换,简单的说就是物物相连,物物相控。虽然物联网的本质还是互联网,但是终端也不再仅仅是计算机与计算机之间,而是一个个的嵌入式计算机操作系统和它配套的软件和传感器。而我的课题研究的结果就是这个发展趋势下的一个小小缩影。

  2.工具介绍

  2.1硬件

  1.电机

  使用电机为小型三相鼠笼式异步电动机。

  小型鼠笼式异步电动机的结构比同为小型电机的绕线式更简单、运行更加可靠、效率更高、而且不仅更加坚固耐用、维护也更加方便、价格也低。

  这种电机可以直接启动,而且和同为小型的其他设备相比直接起动更加简单,方法也更加简便。

  2.变频器

  使用变频器为基本型变频器SINAMICSG120CDP。

  异步电动机如果要进行变频调速的话,那就需要注意提供给它的交流电源的电压与时频率也都必须是完全可以调节的,而平常那些提供的电压与频率都是可以调节的交流电源都是由各种电力电子器件所组合构成的静止式功率变换器(也就是变频器)。

  现在的变频器,也就是变频技术,实质上就是通过改变输入到电机的电源频率来直接改变它的转速。

  根据电机的实际需要变频器提供给电机的输入电源的电压也是不同的,这就是为什么变频器也具有节能和调速这两种作用;另外,变频器还具有保护的作用,例如过流时的保护、过压时的保护、过载时的保护等。

  3.控制器

  所用控制器为S7-300系列,CPU为CPU314C-2DP。

  PLC现有型号中:小型设备有S7-200系列和S7-200SMART系列;S7-300系列适用于中小型设备;S7-400系列主要适用于中型设备;S7-1200系列主要适用于大型设备;S7-1500系列也适用于大型设备。现在在中小型设备中最常见也是应用最广泛系列的就是S7-300系列,因为要使用DP通信,在考虑到熟悉程度,采用了CPU314C-2DP这个型号。

  PLC是工业控制专属计算机,它的内部硬件结构和微型控制计算机的相比大体相同。

  现在所以的PLC设备的硬件都是配套的一套系统,所以他们的可靠性都很高,这就使得不仅系统的程序设计,安装、调试工作量都会更少而且使用更方便,抗干扰能力更强,性能价格比更高,适应性强,维修工作量小、维修方便快捷。

  PLC编程简单,功能更强所以取代了继电器。

  4.HMI

  所用触摸屏型号为KTP700BasicDP。

  在机械使用越来越多和制作工艺越来越复杂的现在,我们对机器和设备的很多要求都一直在增加。在这样的情况下,对使用者来说实际使用就需要具有最大的透明性。为了这种最大的透明性人机界面(HMI)逐渐发展了起来。

  HMI是用户与机器或者设备之间的中间衔接部分。PLC是控制过程中使用的实际单元。

  HMI承担的任务包括:

  (1)过程可视化:操作过程的结果可以显示在HMI的显示屏上。显示屏上的操作画面动态信息可根据控制系统操作过程中的动态变化实时更新。这基于系统动态控制过程的动态变化。

  (2)用户对过程的控制:用户可以通过电机触摸屏上的设置来控制过程。例如,用户自由启停电机或者设置改变被控元件的数值。

  (3)显示报警:动态过程中某个指数超过设置限制就会自动触发报警。例如,当电机转速大于预设的最高转速时。

  (4)归档过程值和报警:系统会自动保存使用过程中的报警和过程值。也就是谁,系统会自动报错过程值序列,用户可以自由检索之前使用时的控制数据。

  (5)过程值和报警记录:系统会自动发出报警信号以及可以保存和输出过程值报表。此功能可以用来查找并打印使用记录。

  (6)过程和设备的参数管理:系统会自动保存使用过的动态过程的和以及设备硬件的参数。例如,我们可以直接将参数从HMI设备下载到PLC。

  HMI设备的所有组态数据包括:

  (1)过程画面,可以显示过程。

  (2)变量,在PLC和HMI这两个系统相互传输信息时使用。

  (3)报警,在运行时指示运作状态。

  (4)记录,保存动态过程中的值以及动态过程中某个值超过预设值时报警。

  2.2软件

  使用的编程软件为TIA博图V15.1(集成了Step7,Wincc和Startdrive),我使用的编程语言是LAD(梯形图)。

  博途(TIAPORTAL)软件是目前最直观、高效和可靠的工程技术软件平台。

  全集成的自动化软件TIAportal,是德国西门子工业自动化集团发布的一款一系列全集成的工业自动化项目管理软件。它也是自动化行业内第一个使用统一的工程组态和软件项目环境的自动化软件,因此他能说适用于几乎所有的自动化任务。

  PLC是纯粹的使用数字进行运算和操作的工业电子系统,设计它就是为了在现代工业环境下能够正常使用,它所使用的存储器是可以用来执行汇编程序的,可以在它系统的内部进行存储以及直接执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和其他算术运算等各种指令,他的输入和输出都可以直接使用各种模拟量或者数字量,它可以用来监测和控制各种各样的工业机械以及其生产过程。

  2.3通信

  使用的通信技术为PROFIBUS-DP。

  PROFIBUS是目前为止国际上广泛使用的现场数据总线的行业标准之一,它也是我国第一个现场数据总线的行业国家标准(GB/T20540-2006)(在2006年10月)。PROFIBUS协议的总线格式包括PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS这三种。

  PROFIBUS-DP在三种协议中使用最为简单方便。在现在网络通信的大部分甚至几乎全部的应用中,仅仅是对设备与网络之间的通信做一下简简单单的组态和设置,并且不用费心费力编写那些复杂或者麻烦的网络通信应用程序,就能够完成设备与设备之间的DP网络通信。

  在使用PROFIBUS-DP时只需要操作者使用程序对远程I/O进行编程,而这和对集中式系统操作需要进行的编程本质上没有任何区别。

  3.系统分析

  3.1调速方法

  控制对象是异步交流电机,按公式:额定转速n=60F/P*(1-S)=n0(1-S)。

  其中:

  F---供电频率,Hz

  P---电机极对数

  S---转差率(同步交流电机S=0)

  n0---同步转速

  调速方法:

  1.利用变频器通过改变输入电源的工作频率频率和电压来调速,这样对电机调速的幅度和范围就会更大,稳定性和平滑性也会更好。即使使带上额定负载电机转速也不会比空转下降太多。这种方法实际上属于无级调速,几乎所有的三相鼠笼异步电动机都可以使用这种方法进行调速。

  2.改变电机的极对数来调节电机的转速,这种调速方法实际上属于有级调速,与变频器调速相比这种方法调速的平滑度不够好,大部分情况下还是在金属切削机床时使用。

  3.改变转差率调速。

  (1)转子回路串电阻:一般用于交流电机的绕线式机组。它调速的范围比较小,而且内部回路添加的串联电阻会不断消耗功率,导致电机的效率变低。一般用于起重机上。

  (2)改变电源电压调速:一般用于单相电机调速,大部分三相电机都不使用它。它调速的范围较小,转矩会随着电压的减小而大幅度的变小。常见用于风扇。

  (3)串级调速:其实质就是给电机引入一个附加电动势,改变绕线电机转子转速的大小来进行对电机的调速。它虽然只能用于绕线式电机,但用这种方法在绕线电机上使用时电机的效率会得到很大提升。

  (4)电磁调速:实质上就是通过改变使用的电机中的励磁线圈上的电流来实现对电机的调速,这种方法实际上属于无极调速。一般使用这种方法调速的电机结构简单,但因为使用这种调速的电机需要控制的功率较小,使得它不能够长期低速的运行。只有滑差电机菜使用这种调速方法。

  我们使用方法的是第一种变频调速法:也就是利用变频器通过改变输入电源的频率来调节转速完成对电机的控制。

  优缺点:首先时可以实现无极变速,而且通过改变电动机的磁极对数只能使电机实现有限的成倍数变速;其次是使用这种方法使得大功率电机能低频慢慢升上去,对电网的干扰小;变频电机调速的调速装置成套,不需要添加额外的设备;控速控制多源化,适合各种应用场合;变频调速使电机能根据现场要求降频运行,更节能;而且可以很好的满足国家减排和节能政策相关规定的性能要求;这种调速控制方法不仅使电机调速的范围更宽,效率也更高。但是变频调速控制系统的操作和结构比较复杂,成本也比较高。

  3.2调速方式

  本课题主要是基于PLC和HMI通过DP通讯设置变频器来控制电机的,我们使用的变频器的调速方式为恒转矩调速。这种方式下的电机输入电源的频率的调节范围为0-50Hz

  已知电机的定子电压U=E+I*R。

  其中I指的是电流,R说的是电子电阻,E代表感应电势。

  可以看出,在这个式子中U、I不变时,E也不变。

  而E=k*f*X。

  其中k是一个常数,f指的是频率,X代表磁通。

  那么可以知道:当f由50Hz逐渐增大到60Hz时,X会随之减小。

  对于电机来说,转矩T=K*I*X。

  其中K是一个常数,I指的还是电流,X还是代表磁通。

  此时转矩T会随着磁通X的减小而相应减小。

  在频率f小于50Hz这个界限的这个时候,由于I*R很小,所以它的U/f和E/f几乎相等,此时磁通“X”也就近似是一个常数了,这时转矩T就会和电流近似成正比。

  所以我们现在使用变频器时一般用它的过流能力来描述它的过载能力(也就是转矩的能力).并把50Hz以下的调速称为恒转矩调速。

  3.3控制方式

  3.3.1对变频器的控制

  变频器调速常用的有三种方式。一种是用通讯进行控制,第二种是用可变电阻,还有一种是用面板直接改变频率数值。

  我们这儿使用的是1.用通讯进行控制2.用面板直接改变频率数值这两种。即PC端控制变频器和使用触摸屏控制变频器。

  3.3.2PLC控制变频器

  PLC控制变频器的方法有三种:

  1.PLC的外部输出端子连接上变频器的多功能输出端子,变频器通过手段设置变频器相应的输出频率使多功能端子可以输出输出不同的信号和功能。我们通过手动控制PLC外部输出端子的的打开和关断,使变频器可以控制各种电机在不同转速下运行。

  优点:变频器对外部响应的反应速度很快,抗外部环境干扰能力强。

  缺点:不能无级调速。

  2.将PLC和变频器通过共有的DP通讯口连接起来,通过编写PLC的程序来控制整个系统。

  优点:这种控制方法使用的的变速是无级平滑变速,可以平滑的实现速度的改变,而且这种控制可以很精确的掌握受控电机速度的变化,它的适应性即对外部变速环境的自动适应能力也很强。

  缺点:抗干扰的能力差;响应不够及时,是有延时的。

  3.在PLC机组上添加一个利用DA转换模块将PLC输出的数字信号转换成电压(或者电流)信号,再把电压(或电流)信号输入到变频器的模拟量端子,从而控制变频器对电机进行调速。

  优点:无级调速。

  缺点:这种方式调速的精度不高,并且调速过程不够直观;还有DA转换模块价格较贵。

  所以我们在这儿使用的是第二种:将PLC和变频器通过共有的DP通讯口连接起来,再通过编写PLC的程序从而控制整个系统。

  3.3.3HMI控制变频器

  HMI是通过PLC来控制变频器的。

  4.详细设计

  4.1新建项目

  先双击打开已经安装好的TIA博图V15.1软件,在打开后的软件首页点击“创建新项目”,弹出“创建新项目”的窗口,在“项目名称”这项文本框中输入新项目的名称;“路径(存储位置)”文本框中是电脑用来保存所建项目的文件夹,其后有个“浏览”按钮,点击打开可以查看或者修改保存所建项目的文件夹,点击右下角的“确定”按钮后返回初始主界面,并且已经生成了一个空的新项目;在这个界面中第一个文本框“版本”后面显示的是正在使用的该软件的版本号;“作者”文本框是你所使用电脑账户的名称(可修改);“注释”文本框自己决定写些什么。然后点击右下角的“创建”按钮即可完成新项目的创建。

  4.2添加新设备

  在新项目创建完成会直接进入新项目的“新手上路”对话框,直接点击“打开项目试图”进入“项目树”主视图,点击“添加新设备”分别添加变频器,PLC和HMI。

  4.3变频器组态

  点击“添加新设备”后,出现窗口“添加新设备”,在窗口左侧找到并打开“驱动”,找到“SINAMICSG120C”在下拉栏中找到“3AC380-480V”,继续在下拉栏中找到“PROFIBUSDP”,继续在下拉栏中找到“FSAA”,最后找到“IP20,0.55,UF”这个型号的变频器。可以在“设备名称”文本框修改驱动的名字。点击“确定”按钮完成变频器的添加后直接进入变频器的模块栏。

  在“项目树”下,变频器的模块栏找到并中打开“参数”选项,然后双击界面右侧视图中的“参数视图”,在弹出的参数表中选择需要显示的参数类型若”显示默认参数”、“显示扩展参数”“显示服务参数”,打开参数列表后根据需求修改需要变更的参数然后下载到变频器即可。表一即为我所用的参数修改表

  编号 参数文本 值 单位

  P15 宏文件驱动设备 4(输送技术,带有现场总线) 无

  P304[0] 电机额定电压 380 Vrms

  P305[0] 电机额定电流 0.2 Arms

  P307[0] 电机额定功率 0.06 kW

  P311[0] 电机额定转速 1340 rpm

  P340[0] 自动计算电机/闭环控制参数 1(完整计算) 无

  P922 PROFIdrivePZD报文选择 352(西门子报文352,PZD-6/6) 无

  表一变频器参数修改表

  4.4PLC设置

  点击“添加新设备”,在弹出的窗口“添加新设备”中,找到并选择“控制器”选项,在右侧选择视图找到“SIMATICS7-300”下拉看到“CPU”,在“CPU”下拉栏中找到“CPU314C-2DP”,选择订货号为“6ES7314-6CH04-0AB0”的PLC.可以在“设备名称”文本框修改控制器的名字。点击“确定”按钮完成PLC的添加后直接进入变频器的模块栏和设备视图界面。

  打开“PLC变量”下的“显示所有变量”,再有便的“变量”视图下的“PLC”对话框中添加变量。表二为我所添加的变量表

  名称 变量表 数据类型 地址 可从MPI/OPCUA访问 在HMI工程组态中可见

  控制 默认变量表 Word %QW264 True True

  设定频率 默认变量表 Word %QW266 True True

  正转启动 默认变量表 Bool %M0.0 True True

  反转启动 默认变量表 Bool %M0.1 True True

  停止 默认变量表 Bool %M0.2 True True

  正转指示 默认变量表 Bool %M0.3 True True

  反转指示 默认变量表 Bool %M0.4 True True

  停止指示 默认变量表 Bool %M0.5 True True

  IO域 默认变量表 int %MW10 True True

  表二PLC变量添加表

  变量添加完成后,打开“程序块”下的“Main[OB1]”,开始编写程序。程序如下图1-8,共八个程序段。完成后编译下载到程序。

  图一程序段1

  图二程序段2

  图三程序段3

  图四程序段4

  图五程序段5

  图六程序段6

  图七程序段7

  图八程序段8

  4.5HMI设置

  点击项目树下的第一个选项“添加新设备”,在弹出的窗口“添加新设备”中,找到然后点击选择“HMI”,在“SIMATIC精简系列面板”的下拉栏看到“7”显示屏”,在“7”显示屏”的下拉栏中找到“KTP700Basic”,选择那个订货号为“6AV2123-2GA03-0AX0”的KTP700BasicDP显示屏.可以在“设备名称”这个文本框中修改HMI的设备名称。点击“确定”按钮完成HMI的添加后进入“HMI设备向导”,直接点击“完成”按钮进入HMI的详细设置视图(左侧)和设备根画面(右侧)。

  在左侧找到“HMI变量”,在下拉栏中打开“显示所有变量”,在右侧“HMI变量”视图下的“HMI变量”对话框中直接添加新变量。添加的变量如表三。

  名称 连接 PLC变量 地址 访问模式 采集周期

  正转启动 HMI_连接_1 正转启动 %M0.0 <绝对访问> 1s

  反转启动 HMI_连接_1 反转启动 %M0.1 <绝对访问> 1s

  停止 HMI_连接_1 停止 %M0.2 <绝对访问> 1s

  正转指示灯 HMI_连接_1 正转指示 %M0.3 <绝对访问> 1s

  反转指示灯 HMI_连接_1 反转指示 %M0.4 <绝对访问> 1s

  停止指示灯 HMI_连接_1 停止指示 %M0.5 <绝对访问> 1s

  频率设定 HMI_连接_1 频率设定 %MW10 <绝对访问> 1s

  IO域 HMI_连接_1 IO域 %MW10 <绝对访问> 1s

  表三HMI变量添加表

  变量添加完成后开始进行画面的组态。在左侧“画面”选项的下拉栏中找到并双击“根画面”,就可以在右侧打开“根画面”视图,开始组态。结果如图九所示。

  图九HMI显示屏画面

  4.6通讯设置

  使用DP通信线将PLC,HMI和变频器连接在一起,再将下载线插在PLC通信线的DP接口上。

  在“项目树”中打开“设备与网络”,点击变频器设备上的“未分配”,点击“选择主站:PLC_1.DP接口_1”,再用左键选中HMI的DP接口,引到PLC的DP接口上,这三个设备就连起来了。在“网络视图”中点击已完成的“PROFIBUS_1”通讯线,会自动弹出窗口“属性”,找到并打开“常规”选项下的“网络设置”,“最高PROFIBUS地址”的文本框填写设置为126,“传输率”的文本框选择设置为187.5kbps,“配置文件”的文本框选择设置为DP。这样就已经完成了DP通讯的网络设置。

  分别点击变频器和PLC的DP接口,选中后点击“下载到设备”,在自动弹出的“扩展下载到设备”窗口下的文本框“PG/PC接口的类型”中选择设置为“PROFIBUS”,在完成后续文本框的选择后,点击“开始搜索”,等待设备响应,选中设备后点击“下载”,分别完成变频器和PLC程序的下载。

  打开HMI面板之后,HMI显示屏上是“StartCenter”窗口,点击窗口左侧的“Settings”按钮来打开对设备进行参数化的设置界面。进入控制界面以后找到并打开“TransferSettings”就可以进行传输设置。在打开的“TransferSettings”窗口上设置EnableTransfer为打开就可以使HMI支持使用DP通讯来下载程序。完成设置后返回控制界面,找到并打开“NetworkInterface”选项进行DP通讯参数设置。出现的界面中的“Profile”文本框设置选择“DP”,再设置HMI的DP地址为1,通讯速率为187.5k,最高站地址为126(与软件中的设置相同)完成参数设置。关闭控制界面,返回主界面,点击“Transfer”选项。返回PC端,点击HMI的DP接口,点击“下载到设备”,在弹出的“扩展下载到设备”对话框下的文本框“PG/PC接口的类型”中选择“PROFIBUS”完成后续选择,点击“开始搜索”,软件将对参数设置和硬件连接进行扫除,如果都正确,“下载”按钮就可以使用了,点击“下载”按钮,弹出“下载预览”窗口,选择“覆盖”HMI设备的现有用户管理数据和佩服数据,完成HMI的程序下载。

  4.7结果

  任意点击触摸显示屏上的“正转”或“反转”按钮,变频器的显示屏都会显示有风扇转动,这表明变频器已经收到了启动信号,之后在触摸屏“IO域”中输入0-50HZ的任意值,电机都会开始转动。在电机启动后触摸显示屏上的相应指示灯开始闪烁,也可以看到变频器显示屏上现实的的输出频率和我们在触摸屏上输入的频率近似相同。按下“停止”按钮后,电机减速停止,触摸屏上停止指示灯闪烁。整个过程无报警,未发生错误操作。