第2章 确定设计方案和系统的构成
2.1 方案确定
交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。随着现代化工厂的自动化程度不断提高，不仅要求控制系统的各个部件具有强大的通讯功能，实现同类控制器间的数据交换，还要和目前应用广泛的PLC、工控机、变频器等按一定的通讯协议进行数据交换。PLC技术，通讯技术，变频器技术的飞跃发展，为我们实现现代化传动控制系统，达到对控制系统在不同情况下的不同要求，提供了良好的技术基础和理论基础。
虽然以前也学习过变频调速的理论知识，对变频器和可编程控制器也比较了解，但是要想很好的完成这次的毕业设计，我知道自己的能力和知识还差很远，尤其是对于PROFIBUS-DP总线和组态软件确实知之甚少，几乎没什么概念，所以刚开始的时候，心里一点底都没有，找资料又不知道该从何入手，于是找到了赵老师诉说自己的心情，想放弃这个课题。听了我的诉说，赵老师没有责怪我，而是耐心的劝说我，帮我建立起必胜的信心，然后又细心的指导我该如何的查找收集资料，如何的筛选有用的资料，而且还给了好一些比较好的有用的资料。于是每天去图书馆查找资料。从网站上下载了很多有关PLC、变频器、电动机、变频调速和网络系统的资料，于是自己大概有了一个头绪。接下来的任务就是抓紧时间阅读手头上的资料，及时把握相关信息，为以后的课题设计、论文写作做好铺垫。本课题的关键是PLC的构成、原理、接线及其网络系统，所以我们最基本的工作就是从PLC入手，学好掌握好PLC 的原理及使用方法，只有打好基础，才会有高楼大厦。于是我从图书馆借了关于西门子PLC系列的教材，如《深入浅出西门子S7-300PLC》等，我们虽然用的主要是S7-400，但西门子系列的都是相容相通，它的基本指令都是一样的，只要抓住核心内容就行了。在开始几周的时间里，大部分时间就是用来熟悉相关软件，如Step7、组态软件等，以前基本上没有涉及到这方面的知识，所以初学起来感觉比较吃力。但在赵老师和我自己的努力下，经过反复的练习和摸索，最后终于掌握了基本的操作、编程等。最后剩下来的任务就是方案的确定和系统的调试以及论文的书写。经过一两个月的准备工作，结合课题任务要求，确定了本课题的方案。
基于变频调速控制系统的种种优点，我们采用基于西门子PLC的变频调速的网络控
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制系统，通过S7-400与工业以太网上的工程师站或操作员站进行通讯，上位机通过软件设计编程可以实现对电动机进行实时远程监控。S7-400与PROFIBUS-DP总线进行通讯，再通过变频器对电动机进行开环闭环变频调速等控制，编程站和人机交换界面-触摸屏通过Profibus-DP总线进行通讯，在编程站编写好程序，写入S7-400和S7-300中，我们可以通过操作员站，也可以通过触摸屏来实现对电动机的各项远程监控操作。而变频器通过COMBIT MASTER CB15或COMBIMASTER CB155通讯口来实现与Profibus-DP总线相连。输入/输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。对软件来说，I/O地址分配以后才可进行编程；对控制柜及PLC的外围接线来说，只有I/O地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图。
2.2 主电路的设计
本课题设计的变频调速系统单元，采用交流变频调速，通过控制变频器来实现三相异步电动机的开闭环、正反转和快慢速的转换。其具体工作过程如下：
从电网上接入380V交流三相电源，首先通过一个空气开关作为漏电保护，然后接入三个熔断器作为过流保护。电动机三相U、V、W接在变频器的输出端口，输入端口L1、L2、L3通过了A级滤波器连接在交流接触器KM1上，变频电机的风机则通过热继电器FR1连接在交流接触器KM2上，再连接到交流接触器KM1的电网上。接下来是变频电机简单的起、停、开闭环、变频调速电器控制线路。其控制线路说明如下：QF1为空气断路器，当空气开关闭合，没有按下启动按钮SB1时，交流接触器KM1处于断开状态；当按下起动按钮SB1时，接通交流接触器KM1，KM1继电器通电，交流接触器KM1保持通电状态，可编程序控制器运行，输出端给变频器一个启动信号，电源指示灯HR4亮。在运行中按下停止按钮SB2，则KM1继电器断电，交流接触器KM1断开。同时我们还用了热继电器FR1，用于过载保护。在加速和减速过程以外，电机一直是稳速运行。变频电机的加速、减速、慢速和稳速运行全部都由变频器控制。加速和减速过程时间的长短，以及稳速值的大小由人为在变频器中根据需要设定。
变频调速控制电气图如附录图A所示：
2.3 网络系统组成及说明
本系统中，对三相异步电机采用一台变频器来进行频率的调节控制。通过PLC输出的模拟量信号作为变频器的控制端输人信号，由总线Profibus-DP作为信号的传输通道，完成对电动机的自动控制。变频调速器对电机具有完善的自我保护和电机保护的功能，它通过接受PLC的信号控制电机转速大小，并且向PLC反馈自身的工作状态信号，当发生
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故障时，能够向PLC及上位机发出报警信号。由于变频调速是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现的，故在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差功率，因此具有高效率、宽范围、高精度的调速性能。
2.3.1 系统说明
本课题是由三个站点（工程师站、操作员站、编程站）、工业以太网、Prifibus-DP总线、S7-400、S7-300、变频器、三相异步电动机以及人机交换界面-触摸屏组成。本系统网络结构图如图2.1所示：
西门子工业以太网的建立需要相应的软件支持，STEP7是西门子工业自动化控制系统软件，该软件为模块化的软件，在本体软件的基础上有很多可选软件能和其实现无缝连接，本系统选用的是西门子的工业网络软件Soft Net，该软件和STEP7配合能组建西门子的工业以太网、DP网等，并能PLC编程，如图2.1所示。
工程师站打印机ESMIndustralEthernat操作及PLC编程站3#工程师站S7-412-2DP主控单元2#M270HMIProfibus-DP7#1#S7-315-2DP 控制单元其它被控对象MM420变频器电梯、温控等变频电机编码器图 2.1 系统结构图
系统网络结构的最上一层为SIEMENS工业以太网，该网络上有两台计算机，分别为工程师站和操作员站，工程师站安装有监控软件组态王运行狗，负责整个监控系统的运行；同时作为OPC服务器，负责与PROFIBUS主站---西门子S7400系列可编程CPU412-2DP交换数据，使组态王的变量与PLC中的各个控制点关联起来。
工程师站、操作员站、CPU412-2DP是通过SIEMENS工业以太网电气链路模块（相当于HUB）6GV1 105-3AA0互相连接通讯；其中工程师站和操作员站分别装有SIEMENS专用
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工业以太网卡CP1612；而CPU412-2DP则是通过CP443-1工业以太通讯模块连接。（该模块的作用相当于PLC的以太网卡），同时CPU412-2DP是OPC客户端。在以太网中是通过各站点的IP地址来标识身份的。
第二层为PROFIBUS-DP现场总线网，各站点是通过DP地址来标识身份的，本系统的各站点地址分别为：主站CPU412-2DP其DP地址为2，挂在DP总线上的各从站点分别：CPU315-2DP其DP：3；变频器其DP：5， CP5613其DP：0（系统规定，一般不允许更改），触摸屏其DP：1（系统规定，一般不允许更改）
由系统的网络结构图，可以看出本课题的关键主要在于网络系统的构成和编程站程序的编写。程序编出来以后，接下来的工作就是利用组态软件把控制图组态到操作员站点，再连接写入到PLC 当中去，这样就可以把整个系统结构连接到一起，组成相通的网络系统。变频器通过DP通讯模块挂在主站S7400上，在硬件组态时，系统会自动分配通讯字地址给变频器，通讯字为16位，分为控制字和状态字，控制字用于发指令控制变频器，状态字用于反应变频器的工作状态。变频器驱动一台变频电机，变频电机的轴上装有旋转编码器，旋转编码器的脉冲信号送至S7 300中的FM350高速记数模块检测转速。变频器在程序中设有两种控制方式：开环和闭环，开环控制模式时，变频器的转速直接由PLC发出的频率信号（0~50Hz）确定；闭环模式时，PLC给出转速设定值，与旋转编码器检测的速度信号比较，经PID运算后控制变频器转速。(由于电源通断的顺序问题，可能有时变频器会处于报错状态而通讯不上，只要按一次变频器上的Fn键即可恢复)。
2.3.2 以太网络及组成
SIEMENS工业以太网的硬件结构：
西门子工业以太网其本质上与传统的以太网一样，只是其硬件都是工业级专用，如网卡、网线、链路模块（HUB）等；PLC连接以太网是通过以太网通讯模块来实现，采用标准的TCP/IP通讯协议，10M带宽，硬件结构见图2.2所示：
PC Station 1CP 1612PC Station 1CP 1612S 7400PLC以太网通讯模块CP443-1Profibus-DP链路模块（HUB）6GV1105-3AA0
图 2.2 以太网硬件结构图
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