触摸屏控制的PLC变频调速设计

触摸屏控制的PLC变频调速设计---PLC控制设计
摘要：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。

它采用了可编程序的存储器，用来在其部存储逻辑用算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字适合模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程；而有关的外围设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

随着科学技术的发展以及对工控系统愈来愈高的要求，PLC凭借其诸多优点已经成为工控行业极为重要的一部分。

关键词：可编程序控制器S7-200
Abstract：Programmable controller is a kind of digital computing operations of the electronic system, designed for industrial environment and design it adopted programmable memory, used in its internal storage logic is timing sequence control with count and arithmetic operation instruction, and through the digital suitable for analog input and output, the control of various types of machinery production process; And the peripheral, should press and industry system is easy to become a whole, easy to extend its function principle of design with the development of science and technology as well as to the industrial control system more and more high demand, PLC with its many advantages of industrial control has become an essential part of the industry
Key words：PLC，S7-200
第1 页共24页
引言：
可编程逻辑控制器(PLC)以其编程简单方便、控制稳定可靠、功能强大等优点通常作为控制器广泛应用于现代工业控制领域。

触摸屏作为人机交互界面在一定程度上减少PLC的外部I／O点的使用以及减轻系统外部按钮开关的连线复杂程度，同时也提高了运行维护的方便性。

随着工业现场对控制设备小型化、易操作化、智能化的要求的不断提高，基于PLC 和触摸屏的交流变频调速系统的应用前景将非常广阔。

本文采用西门子触摸屏（Smart 700 ）；西门子PLC（S7-200，CPU224）；西门子变频器MM440 。

实际运行结果表明，该系统运行稳定可靠，控制性能良好。

1可行性分析：
S7--200系列是一种可编程序逻辑控制器(Micro PLC)。

它能够控制各种设备以满足自动化控制需求。

S7--200的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其它智能模块通讯等指令容，从而使它能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制目的。

紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使S7--200成为各种控制应用的理想解决方案。

S7-200是德国西门子公司生产的一种小型PLC，具有多种功能模块和人机界面可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易的组成PLC网络。

同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务。

而且价格低廉，性价比高，其功能达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型机一样，因此它一经推出，即受到了广泛的关注。

MicroMaster 440 是用于控制三相交流电动机速度和转矩的变频器。

本系列有多种型号，额定功率围从120 W 到200 kW(恒定转矩(CT)控制方式)，或者可达250 kW(可变转矩(VT)控制方式)，供用户选用。

本变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率输出器件。

因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。

采用脉冲频率可选的专用脉宽调制技术，可使电动机低噪声运行。

全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。

MICROMASTER 440 具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的可变速控制系统供电的理想变频传动装置。

由于
MICROMASTER 440 具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。

MICROMASTER 440 既可用于单独传动系统，也可集成到‘自
动化系统’中。

MICROMASTER 440 具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的可变速控制系统供电的理想变频传动装置。

由于MICROMASTER 440 具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。

MICROMASTER 440 既可用于单独传动系统，也可集成到‘自动化系统’中。

Smart-700准确地提供了人机界面的标准功能，经济实用，具备高性价比，采用全新的高分辨率16:9 宽屏液晶显示和先进的工业设计理念，使设备操作变得更加轻松快捷；高分辨率宽屏显示。

800×480 dpi 宽屏显示设计和传统屏幕相比具有更大的可视面积，使单个画面中可以显示更多的信息；LED 背光，节能降耗。

LED 较之CCFL，背光板厚度降低一半左右，使精彩系列面板更轻巧，同时，操作屏亮度更高，色彩更均匀，表现力更强，可视围提高到140°，LED 背光可以降低设备能耗，结合屏保功能最大程度地延长操作屏的使用寿命；强大且丰富的通讯能力。

PPI 通讯协议确保精彩系列面板与S7-200 建立高速无缝的连接，和S7-200 PLC 组成完美的小型自动化解决方案，集成的RS 422/485 通讯口使精彩系列面板的通讯更加灵活，可以和市场主流的小型PLC 建立稳定可靠的通讯连接，当采用PPI 通讯时，通信速率高达187.5kb/s ；高性能处理器、高速外部总线及64M DDR 存。

高端的ARM 处理器，主频达到400MHz，使数据处理更快，画面显示更流畅，高速的外部总线充分发挥处理器的强大性能，增强的64M DDR 存使得画面的切换速度更快
2需求分析：
PLC系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。

并且使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。

同时能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。

伴随着可编程序控制器的突飞猛进，HMI （人机界面）也在不停发展。

它不仅可以用于参数的设置、数据的显示和存储，还可以以曲线、图形等形式直观反映工业控制系统的流程，其稳定性与可靠性可以与PLC相当，能够在恶劣的工业环境中长时间运行，是现代工业控制系统中不可或缺的辅助设备。

在价格方面，随着科学技术的突飞猛进，各种可编程序控制器与触摸屏的价格日趋低廉，但是
功能日益强大。

本文中所提到的触摸屏就是属于HMI，现在触摸屏几乎成为人机界面的代名词。

3控制要求：
通过触摸屏、可编程序控制器、变频器的配合，要求通过操作触摸屏任意设置五段不同频率，按下启动按钮后，电动机依次在五个频率段上各运行二十秒，按下反转运行按钮后，电动机发转，按下停止按钮后，电动机停止工作。

4选型依据：
本设计所采用可编程序控制器型号为SIEMENS SIMATIC S7-200 CPU224。

S7--200 CPU存储器围及特性如图4-1所示，由图可见CPU224型号的S7-200其综合性能较强，完全可以承担此设计任务，而且价格低廉，性价比突出。

表4-1 S7--200 CPU
存储器围及特性
5 总体设计：
5.1 控制系统硬件设计：
触摸屏控制PLC变频调速系统的硬件结构如图5-1所示。

图5-1触摸屏控制PLC变频调速系统的硬件结构
控制系统硬件结构主要包括：可编程控制模块（PLC）、控制指令输入模块（触摸屏）、变频器调节模块（变频器）。

5.2模块功能
5.2.1 可编程控制模块
该模块是整个控制系统控制的核心处理器，是触摸屏指令和按钮开关指令的执行中枢和变频器指令触发元件。

S7-200结构简图如图5-2所示，S7-200运行框图5-3所示。

图5-2 S7-200结构简图
图5-3 S7-200运行框图
PLC是一种工业控制计算机，故他的工作原理是建立在计算机工作原理基础之上，即通过执行反应控制要求的用户程序来实现的。

CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按照程序顺序依次完成相应各电器的动作，所以它属于串行工作方式。

图5-4是一个PLC工作的典型例子，按钮输入信号连接到PLC的输入端，PLC中的程序综合各个信号的状态执行用户程序，其计算结果通过输出端输出来控制电动机的动作。

图5-4 PLC中输入和输出控制
5.2.2可编程控制器的工作方式
PLC工作的全过程可用三个部分来表示。

第一部分是上电处理。

机器上电后对PLC系统进行一次初始化，包括硬件初始化，I/O 模块配置检查，停电保持围设定，系统通信参数配置级其他初始化处理等。

第二部分是扫描过程。

PLC上电处理阶段完成以后进入扫描过程。

先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。

当CPU处于STOP方式时，转入执行自诊断检查。

当CPU处于RUN方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。

第三部分是出错处理。

PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O和通信等是否异常或出错。

如检查出异常时，CPU面板上的LED即异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码；当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描便停止。

PLC运行正常时，扫描周期的长短与CPU的运算速度、I/O点的情况、用户应用程序的长短及编程情况等有关。

不同指令的执行时间是不同的，从零点几微秒到上百微秒不等，故选用不同指令所用的扫描时间将会不同。

若用于高速系统要缩短扫描时间时，可从软硬件上同时考虑。

考虑到现在的CPU速度高，所以想过去变成那样从用户软件指令上来精打细算地节省扫描时间已显得不重要了。

概括而言，PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。

每一次扫描所用的时间乘坐扫描周期或工作周期。

在一个扫描周期中，PLC一般将完成部分或全部的以下操作：
读输入→处理通信请求→执行逻辑控制程序→写输出→执行CPU自诊断。

可编程序控制器就是这样周而复始的循环这些动作过程，一直到关机。

图5-6可以形象的描述PLC的工作方式和过程。

图5-6 PLC循环工作扫描过程
6 详细设计：
6.1 PLC程序设计：
6.1.1打开
STEP 7--Micro/WIN
图6-1 TEP 7—Micro/WIN新项目图
点击STEP 7--Micro/WIN的图标，打开一个新项目。

注意左侧的操作栏。

可以用操作栏中的图标，打开STEP 7--Micro/WIN项目中的组件。

点击操作栏中的通讯图标进入通讯对话框。

可以用这个对话框为STEP7--Micro/WIN设置通讯参数。

STEP 7—Micro/WIN的新项目图如图6-1所示。

6.1.2打开程序编辑器
点击程序块图标，打开程序编辑器。

注意指令树和程序编辑器。

可以用拖拽的方式将梯形图指令插入到程序编辑器中。

在工具栏图标中有一些命令的快捷方式，在纸上绘好草稿之后，就可以开始编写程序。

编写程序如图6-2所示。

图6-2编写程序
6.1.3存储程序
在输入完程序段后，进行保存：1. 在菜单条中选择菜单命令文件> 另存为。

2. 在“另存为”对话框中输入项目名。

3. 点击“保存”以存储项目。

程序的保存如图6-3所示。

图6-3 程序的保存
6.1.4下载程序点击工具条中的下载图标或者在命令菜单中选择文件> 下载来下载程序。

点击“确定”下载程序到S7--200。

如果S7--200处于运行模式，将有一个对话提示CPU将进入STOP模式。

单击“是”将S7-200置于STOP模式。

程序的下载过程如图6-4所示。

6.1.5 将S7--200转入RUN模式
如果想通过STEP 7--Micro/WIN软件将S7--200转入运行模式，S7--200的模式开关必须设置为TERM或者RUN。

当S7-200处于RUN模式时，执行程序：
1. 单击工具条中的运行图标
2. 点击“是”切换模式。

当S7--200转入运行模式后，CPU将执行程序，此时Q0.0的输出LED指示灯时亮时灭。

可以通过选择调试> 程序状态来监控程序。

STEP 7--Micro/WIN显示执行结果。

转入RUN模式如图6-5所示。

或者在命令菜单中选择PLC > RUN。

图6-5 转入RUN模式示意图
6.1.6 监视程序
状态图允许在控制程序运行的过程中对过程变量的值进行监视和修改。

可以跟踪程序的输入、输出或者变量，显示它们的当前值。

状态表还允许去强制或改变过程变量的值。

为了监控应用程序中不同部分的元素，可以创建多个状态图。

在命令菜单中选择视图> 组件> 状态图或者在操作过程中单击“状态图”图标来访问状态图。

当创建状态图时，输入要监控的过程变量的地址。

无法监视常数、累加器和局部变量的状态。

可以按位或者字两种形式来显示定时器和计数器的值。

按位显示数值可给出定时器或计数器位的状态；按字显示数值可给出定时器或计数器的值。

建立一个状态图来监视变量，按以下步骤：
1. 在地址区输入需要的地址。

2. 在格式列中选择数据类型。

3. 在命令菜单中选择调试> 图状态来监视S7--200中过程变量的状态。

4. 要连续采样数值或者单次读取状态，可以点击工具栏中相应的按钮。

状态图也允许强制或者修改过程变量的值。

具体图示见图6-6。

图6-6 PLC程序状态监控
6.2 详细程序
6.2.1 USS通讯：
USS_INIT指令
USS_INIT指令(端口0)或USS_INIT_P1(端口1)用于允许和初始化、或禁止MicroMaster 驱动器通讯。

USS_INIT指令必须无错误地执行，才能够执行其它的USS指令。

指令完成后，在继续进行下一个指令之前，Done位立即被置位。

当EN输入为接通时，指令在每次扫描时都执行。

在每一次通讯状态改变时只执行一次USS_INIT指令。

使用边沿检测指令脉冲触发EN输入接通。

要改变初始化参数，需执行一个新的USS_INIT指令。

Mode值选择通讯
协议：输入值为1时，将一个端口分配给USS协议，并启用协议，输入值为0时，将端口0分配给PPI，并禁止USS协议。

Baud将波特率设为1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600或115200。

S7--200 CPUV1.2或更高版本支持波特率57600和115200。

USS_INIT指令的参数见表6-1所示。

表6-1 USS_INIT指令的参数
USS_CRTL指令
USS_CTRL (端口0)或USS_CTRL_P1 (端口1)指令用于控制激活的MicroMaster驱动USS_CTRL指令将选择的命令放到通讯缓冲区；然后，如果已经在USS_INIT指令的激活参数中选择了驱动，则此命令将被发送到该驱动(驱动参数)中。

对于每一个驱动只能使用一USS_CTRL指令。

有些驱动只以正值的形式报告速度。

如果速度为负，驱动报告一个正的速度值同时反向D_Dir位(方向位)。

EN位必须接通使能USS_CTRL指令。

该指令要始终保持使能。

RUN (RUN/STOP)指示驱动是否接通(1)或断开(0)。

当RUN位接通时，MicroMaster 驱动接收命令，以指定的速度和方向运行。

为使驱动运行，必须满足以下条件：
_ 该驱动必须在USS_INIT中激活。

_ OFF2和OFF3必须设为0。

_ Fault和Inhibit位必须为0。

当RUN断开时，命令MicroMaster驱动斜坡减速直至电机停止。

OFF2位用来允许MicroMaster驱动斜坡减至停止。

OFF3位用来命令MicroMaster驱动快速停止。

Resp_R (响应收到)位应答来自驱动的响应。

轮询所有激活的驱动以获得最新的驱动的状态信息。

每次S7--200接收到来自驱动的响应时，Resp_R位在一个循环周期接通并且刷新以下各值。

F_ACK (故障应答)位用于应答驱动的故障。

当F_ACK从0变1时，驱动清除该故障
(Fault)。

DIR(方向)位指示驱动应向哪个方向运动。

Drive(驱动地址)是MicroMaster驱动的地址，USS_CTRL命令发送到该地址。

有效地址：0 -- 31
Type(驱动类型)选择驱动的类型。

对于MicroMaster 3 (或较早)驱动器，将Type设为0。

对于
MicroMaster 4驱动器，将Type设为1。

Speed_SP(速度设定值)是驱动的速度，是满速度的百分比。

Speed_SP的负值使驱动反向旋转。

围：--200.0%到200.0%
Error是错误字节，包含最近一次向驱动发出的通讯请求的执行结果。

表11--6定义了该指令执行可能引起的错误条件。

Status是驱动返回的状态字的原始值。

图11--3所示为标准状态字的状态位及主反馈。

Speed是驱动速度，是满速度的百分比。

围：--200.0%到200.0% Run_EN(RUN使能)指示驱动是运行(1)还是停止(0)。

D_Dir指示驱动转动的方向。

Inhibit指示驱动上禁止位的状态(0―未禁止，1－禁止)。

要清除禁止位，Fault(故障)位必须为零，而且RUN、OFF2和OFF3输入必须断开。

Fault指示故障位的状态(0－无故障，1－有故障)。

驱动显示故障代码。

(请参考您的驱动手册)。

要清除Fault，必须排除故障并接通F_ACK位。

USS_CTRL指令的参数如表6-2所示。

表6-2 USS_CTRL指令的参数。

6.2.2 启动运行：M3.0闭合后，上升沿有效，M2.0置位。

6.2.3 停止运行：M3.1闭合后，上升沿有效，M2.0复位。

6.2.4 正转运行：M3.3闭合后，上升沿有效，M2.1置位。

6.2.5 反转运行：M3.4闭合后，上升沿有效，M2.1复位。

6.2.6 第一段速：M2.0闭合，上升沿有效，将VD0的容传送至VD20，同时T37置位。

传送指令：
字节传送(MOVB)、字传送(MOVW)、双字传送(MOVD)和实数传送指令在不改变原值的情况下将IN中的值传送到OUT。

使用双字传送指令可以创建一个指针。

对于IEC传送指令，输入和输出的数据类型可以不同，但数据长度必须相同。

定时器：
打开延迟定时器(TON)和有记忆的打开延迟定时器在使能输入接通时记时。

定时器号(Txx)决定了定时器的分辨率，并且分辨率现在已经在指令盒上标出了。

6.2.7 第二段速：T37闭合，上升沿有效，将VD2的容传送至VD20，同时定时器
开始计时20秒。

6.2.8 第三段速：T38闭合，上升沿有效，将VD4的容传送至VD20，同时定时器开始计时20秒。

6.2.9 第四段速：T39闭合，上升沿有效，将VD6的容传送至VD20，同时定时器
开始计时20秒。

6.2.10 第五段速：T40闭合，上升沿有效，将VD8的容传送至VD20，同时定时器
开始计时20秒。

6.3 变频器与PLC的连接
6.3.1 S7-200与MM440的USS通信接线
支持USS 通信的驱动装置可能有不止一个USS 通信端口，以本设计中的
MicroMaster 系列的MM 440 为例，它在操作面板BOP 接口上支持USS 的RS 232 连接，在端子上支持USS 的RS 485 连接。

S7-200 CPU 的通信端口就是RS 485 规格的，因此将S7-200 的通信端口与驱动装置的RS 485 端口连接，在RS 485 网络上实现USS 通信无疑是最方便经济的。

S7-200 CPU 与MM440 组成的网络无疑需要满足RS 485 网络的通用要求。

但是仍然有一些需要特别注意的地方。

S7-200 CPU 和MM 440 通信端口都是非隔离型的，故西门子承诺的网络连接距离为50 米，前提是使用西门子推荐的网络设备。

如果有必要，也可以外接通信端口的信号隔离、放大器件。

6.3.2 S7-200通信端口
在规划工控网络时，S7-200 CPU 既可以放在整个总线型网络的一端，也可以放在网络的中间。

最好使用西门子的网络插头和PROFIBUS 电缆。

在S7-200 CPU 通信口上使用西门子网络插头，可以利用插头上的终端和偏置电阻。

如果使用带编程口的网络插头，可便于调试程序。

参见S7-200 CPU 通信口引脚定义，可以发现：PROFIBUS 电缆的红色导线连接到
S7-200 CPU 通信口的3 针（B 即RS 485 信号+），此信号应当连接到MM 440 通信端口的P+；绿色导线连接到S7-200 CPU 通信口的8 针（A 即RS 485 信号-），此信号应当连接到MM 440 通信端口的N-。

6.3.3 MM440通信端口
图6-7 MM 440 的端子
在MM 440 前面板上的通信端口是RS 485 端口，如图6-7所示。

与USS 通信有关的前面板端子如表6-3所示。

表6-3 MM 440 的USS 通信相关端子
因MM 440 通信口是端子连接，故PROFIBUS 电缆不需要网络插头，而是剥出线头直接压在端子上。

如果还要连接下一个驱动装置，则两条电缆的同色芯线可以压在同一个端子。

PROFIBUS 电缆的红色芯线应当压入端子29；绿色芯线应当连接到端子30。

示例接线图如6-8所示
图6-8 S7-200 与MM 440 的USS 通信接线
图中：
a. 屏蔽/保护接地母排，或可靠的多点接地。

此连接对抑制干扰有重要意义。

b. PROFIBUS 网络插头，置偏置和终端电阻。

c. MM 440 端的偏置和终端电阻，随包装提供。

d. 通信口的等电位连接。

可以保护通信口不致因共模电压差损坏或通信中断。

M 未必需要和PE 连接。

e. 双绞屏蔽电缆（PROFIBUS）电缆，因是高速通信，电缆的屏蔽层须双端接地（接PE）。

7 调试：
(1)将设计好的触摸屏组态传送到触摸屏中；(2)将写好的PLC程序下载到PLC中；(3)设置好变频器的各项参数；
(4)将触摸屏、PLC、变频器连接好；
(5)用触摸屏控制电动机的开关和各频率之间的转换。

连接好的设备实物图如图7-1所示
图7-1
总结
本设计通过触摸屏、可编程序控制器、变频器的配合，要求通过操作触摸屏任意设置五段不同频率，按下启动按钮后，电动机依次在五个频率段上各运行二十秒，按下反转运行按钮后，电动机发转，按下停止按钮后，电动机停止工作。

制作期间通过合理的设备选型、参数设置和软件设计，实现电机运行的速度调节，达到本次设计目的。

通过本次设计，使我的专业知识得到进一步充实，专业技能得到进一步提高，同时增强了分析、解决工程实际的能力和动手能力。

另外，也培养了自己严谨的科学态度和扎实的工作作风。

毕业设计是对大学四年所学知识的一个总的运用，它将四年所学的知识融入到一个全新的课题中，主要考察对所学知识的运用能力、自学能力和翻阅资料的能力。

经过这次毕业设
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计也使我们真正体会到了知识是永无止境的，在大学中学习知识固然重要，但是更重要的是掌握科学的自学能力和接受新知识的能力。

这也意味着我们虽然马上就要毕业，但并不代表学习的终止，相反在以后的工作中还要更加刻苦、勤奋的学习，这才能令我在以后的社会中具有更高的竞争力、适应力、生存力。

参考文献
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[10]《MICROMASTER 440 0.12KW-250KW 简明调试指南》西门子（中国）
致
在本文的撰写过程中，xxx老师作为我们的指导老师，他治学严谨，学识渊博，视野广阔，为我们营造了一种良好的学术氛围。

置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我们不仅接受了全新的思想观念，树立了明确的学术目标，领会了基本的思考方式，掌握了通用的研究方法，而且还明白了许多待人接物与为人处世的道理。

其严以律己、宽以待人的崇高风，朴实无华、平易近人的人格魅力，与无微不至、感人至深的人文关怀，令人如沐春风，倍感温馨。

正是由于他在百忙之中多次审阅全文，对细节进行修改，并为本文的撰写和设计的制作提供了许多中肯而且宝贵的意见，本文才得以成型。

在此特向xxx老师致以衷心的意！向他无可挑剔的敬业精神、严谨认真的治学态度、深厚的专业修养和平易近人的待人方式表示深深的敬意！
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