镇江西门子S7-300代理商

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本文针对食用菌培养基的发酵工艺，简要介绍风机变频控制系统的组成及其控制过程。分析了该控制系统的缺陷，自动化水平低、可靠性差。结合当今先进的自动化控制技术，择优选择佳控制方法。提出了采用西门子公司S7-200 系列PLC 的自由口模式与易能公司EDS1000 变频器串行通讯的方法。应用多机通讯原理，PLC 为主机，变频器为从机，主从机点对点通讯。易能电气的EDS1000 系列变频调速器支持的串行通讯标准RS-485 协议，S7-200 PLC 自由通讯口方式的特色功能，使S7-200 PLC 和易能EDS1000 系列变频器通讯协议达成一致。本文以设置变频器的运行频率和读取变频器的参数为例，给出相应的PLC程序。

关键词：变频器；PLC；自由口通讯

0. 引言

　　我国东北地区是规模大的食用菌生产加工出口基地之一。随着市场需求的不断增加，生产能力的逐渐扩大，生产设备的老化与滞后问题突显出来。培养基二次发酵是某企业一个重要的生产过程，是食用菌生产的基础工序。目前，该公司有6 个培养基二次发酵隧道。每个隧道配置8 个温度传感器，分别布置在发酵隧道的入风口、出风口和培养基中，用于检测发酵过程温度。每个隧道配置一台风机和风门，用于调节发酵隧道的温度，达到整个发酵过程的要求。现阶段,该公司采用人工的方法监控隧道温度，并用手动的方法调节风机转速和风门开度。自动化水平低、耗能高、人力资源的浪费等诸多问题急需解决。

　　在传统的PLC 变频控制集成系统中，变频器的启动/停止与故障监控由PLC 通过开关量实现端对端控制。变频器频率是由PLC 通过模拟量输出端口输出0～5（10）V 或4～20mA 信号控制，需要PLC 配置昂贵的模拟量输出端口模块。变频器出现故障时由PLC 读取变频器的故障报警触点，对具体故障原因并不清楚，需查询变频器报警信息后再阅读变频器说明书才知道。随着交流变频控制系统及通讯技术的发展，可以利用PLC 及变频器的串行通讯的方式来实现PLC 对变频器的控制。

　　在工业自动化控制系统中，为常见的是PLC 和变频器的组合应用，并且产生了多种多样的PLC 控制变频器的方法，其中采用RS-485 通讯方式实施控制的方案得到广泛的应用：因为它抗干扰能力强、传输速率高、传输距离远且造价低廉。本文就是针对该公司的自动化问题，应用PLC 与变频器的串行通讯，实现风机的变频调速和远程监控[1]。

1. 变频器通讯的系统配置

1.1 变频器的选择

　　易能电气的EDS1000 系列变频调速器提供串行通讯技术的支持。它所支持的串行通讯技术包括标准RS-485、PROFIDRIVE、 LONWORKS 在内的多种现场总线方式。其中，RS-485通讯方式为用户提供了无需附加任何费用的、为廉价实用的串行通讯方式。只需按照EDS1000 变频器规定的通讯数据结构、控制字和状态字格式发送数据即可实现与变频的通讯。

1.2 PLC 的选择

　　西门子工控产品在工控领域应用市场中有较高的占有率。S7-200 系列是西门子SIMATIC PLC 家族中的小规模PLC 成员，自由通讯口方式是S7-200 PLC 的一个特色的功能，它使S7-200 PLC 可以由用户自己定义通讯协议。利于自由通讯口方式，在本系统中PLC可以与变频器方便连接。PLC 通过自由通讯口方式与变频器通讯，控制变频器的运行，读取变频器自身的电压、电流、功率、频率和过压、过流、过负荷等全部报警信息等参数，这比通过外部端口控制变频器的运行具有较高的可靠性，节省了PLC 宝贵的I/0 端口，又获的了大量变频器的信息。在本例中，作者将按照自由口协议来对S7-200 的自由口进行编程[2]。

1.3 系统硬件组成

　　EDS-1000 系列变频器R-485 接口与西门子S7-200 系列226CPU 型PLC 的自由通讯口1的配线图，如图1 所示。PLC 为主机，变频器为从机，主从机点对点通讯。

1.4 硬件安装方法

　　（1）用网线专用压接钳将电缆的一头和RJ45 水晶头进行压接；另一头则按西门子PLC自由通讯口的针口排列，与DB-9 专用转接插头相连。

　　（2）将RJ45 电缆分别连接变频器的PU 口，把DB-9 专用转接插头与S7-200 PLC 的自由通讯口1 相连

2. 变频器通讯原理

　　EDS1000 系列变频器的串行通讯为异步半双工的方式，使用字节奇偶校验。PLC 为主机，变频器为从机，系统电码的传输由主机控制，主机不断发出某个地址的电码给从机，等待从机的响应。主机多能带31 个从机，在有中继器的情况下，可以增加到126 个从机，也就是从机的地址多可以设定到126。通讯时，传输的默认格式和传输速率为：8-N-1，9600bps。传输的数据命令帧格式表1 所示。

上述数据结构中：

（1）帧头：为字符“～”（即十六进制7E），单字节。

（2）从机地址：从机的本机地址，占用两个字节，ASCII 格式。变频器出厂设置为01。

（3）主机命令/从机响应：主机发出的命令，从机对命令的应答。占用双字节，采用
ASCII 格式。

（4）辅助索引/命令索引/故障索引：对于主机，辅助索引、命令索引用于配合主机命令实现具体功能。对于从机，辅助索引、命令索引用于从机上报故障状态码，命令索引不作改动，直接上报。数据类型为16 进制，4 个字节，ASCII 格式。命令索引占用低二个字节，辅助索引占用高二个字节，数据范围为“00”～“FF”。

（5）校验和：数据含义为帧校验，占用四个字节，ASCII 格式。计算方法为“从机地址”到“运行数据”全部字节的ASCII 码值的累加和。

（6）帧尾：十六进制0D，单字节[3]

3. PLC 编程示例

　　本文结合发酵隧道控制系统的需要，考虑其实用性，本系统主要是设置变频器的运行频率和读取变频器的参数。

3.1 变频器的运行频率设定程序

　　PLC 在次扫描时执行初始化子程序，对通讯端口进行设置。本例运用端口1 进行通讯，变频器地址为01。例如：设定值为40.00HZ，格式：“～010C00010FA0027C\R”，程序如下：

Network 1 //初次扫描，进行初始化操作，置传送字节数。//
LD SM0.1
MOVB 18, VB199
Network 2 //若SM0.7=1，允许自由口模式//
LD SM0.7
MOVB 9, SMB130
Network 3 //若SM0.7=0，允许PPI/从站模式//
LDN SM0.7
R SM130.0, 1
Network 4 //初始化从机运行频率给定命令//
MOVB 0, MB2
MOVB 18, MB3
Network 2 //连接字符接收中断到中断程序0//
LD SM0.7
ATCH INT_0:INT1, 25
ENI
Network 3 //若MB2=MB3 时，则：计数器清0，恢复初始状态//
LDB= MB2, MB3
MOVB 0, MB2
MOVD &VB320, VD316
中断进行接收数据程序如下：
Network 1 //断开中断，将数据放入数据区//
LD SM0.0
DTCH 25
MOVB SMB2, ＊VD316
INCD VD316
INCB MB2

4. 结束语

　　使用此方法采用西门子S7200 系列226 型CPU 的PLC 通过自由口1，使用RS-485 协议对易能EDS1000 型变频器进行控制，极大地减少了线路连接的复杂性，避免了现场可能的各种电磁干扰对控制设备的影响

将运动型PLC成功的应用于加速器高频D电路自动调谐系统中，实现系统自动调谐。达到了在强电磁干扰环境下系统稳定运行的要求。根据鉴相器的输出的大小,用相应的编程软件对PLC两路输出脉冲进行编程，控制输出脉冲的频率，结合使用三相混合式步进驱动器、步进电机及机械传动系统，从而控制步进电机实现D电路的jingque调谐。使用PLC降低系统调试和布线难度，缩短了开发周期，并为系统调试和维护提供了灵活性。

关键词：D电路 自动调谐 运动型PLC 加速器

一、 概述：

　　D电路频率自动微调是专门为加速器高频D电路设计的，完成自动调谐的装置。

　　D电路由一个高频腔体构成，这个腔体是加速器的重要组成部分之一，加速器运行时，高频电压加在这个D电路上，用来实现对粒子的加速。D电路的示意图如图1所示，D电路的调谐是靠改变短路片的位置（粗调），细调是靠改变微调电容对D型盒的距离来实现。在正常运行中，只要高频机的频率固定，短路片的位置就固定了，但是由于各种因素的影响（包括热变型、机械震动等），D电路的参数是不稳定的。因此D电路就不能保持在谐振状态，且D电路的Q值很高（5.5Mhz时，可达8800），因此D电压将不稳定。所以要靠频率微调系统来实现D电路的自动调谐，以实现频率稳定。从而改善束流品质，满足实验对束流的要求。

　　具体参数要求为：频率稳定度为1×10-6。（有自动和手动两种模式）。

　　随着科学技术的不断进步，原有的分离元件的频调系统，器件老化，技术落后，已满足不了物理实验的要求。我们在原有系统积累大量经验的基础上，设计了新的自动微调系统。该系统由四部分组成，即360度电子移相器、鉴相器、运动型PLC,步进电机驱动器、步进电机及机械部分组成。

图1

二、系统组成：

　　1. 360°电子矢量合成移相器见图1

图2、矢量合成移相器原理方框图

　　
　　当UA不变时UC也不变，因此移相时不伴随幅度变化的条件是
　　
　　

　　乘法因子K1、K2由控制电压确定，这样w和U保持近似线性关系，通过调整K1、K2实现移相。

　　2. 相位检波器

　　相位检波器的功能是实现相位差转换成电压，即Dw——-V的转换。从图2可以看出，电路输入的两个原始信号U1、U2分来自高频发射机和D电路，前者采用电容耦合，后者则为电感耦合，高频机与D电路也是电容耦合，因此，当D电路谐振时U1和U2之间的相位差Dw = p/2，失谐时，Dw 

　　根据这种关系，我们选用XR-2208M乘法器作为相位检波器，该乘法器输出频率可达100MHz，组成1808相位检波器，其输入两信号的相位差与输出直流电压之间存在下式关系：

　　Dw　——输入两信号的相位差

　　Kd ――是相位检波器的转换增益，在输入信号/50mV.rms时，Kd ≈ 2V/弧度。并与信号幅度无关。

　　本相位检波器的输出电平有三种状态。

　　当Dw = p/2 时，VDw = 0 （谐振）

　　当Dw 

　　当Dw > p/2 时，VDw <0 （失谐）

　　3. 可编程控制器（PLC）

　　我们选用日本松下电工面向运动控制的PLC，具有2路10KHz脉冲输出;2通道输出时，每通道高5KHz。且具有两路A/D和一路D/A。

　　4. 德国百格拉三相混合式步进电机及驱动系统

　　驱动器WD-007采用交流伺服原理工作，输入电压220VAC，控制脉冲信号电压为5VDC，输出为3x325VAC，有过热、过流、欠压、过压保护，电机每转步数可依用户要求分别设定为500、1000、5000、10000步/转。

　　步进电机采用VRDM-3910，大扭矩4Nm。

　　5. 机械传动部分

　　粗调采用蜗轮、涡杆传动，它的优点是可自锁，但传动效率低、功率损失大。细调为伞齿传动 。蜗杆的螺距为2mm, 伞齿的螺距为0.5mm。脉冲当量小可达0.004mm/脉冲,可满足调谐要求。

三、实现方法及编程：

　　我们对D电路的调谐是通过对PLC输出脉冲的编程实现的。自动调谐的实现过程是，把鉴相器的输出送给A/D转换器。根据A/D值进行判断，通过程序控制脉冲输频率和方向，结合使用上述的三相混合式步进驱动器、步进电机及机械传动系统,完成电容板的位置移动，从而实现D电路的jingque调谐。（如图3）

如图3

　　编程利用PLC脉冲输出指令F168（SPD1）可以实现梯形控制，根据指定的初速度、大速度、加/减速时间和目标值能够自动输出脉冲。指令F169（PLS）,可以在执行条件（触发器）处于ON状态时执行JOG（点动）操作、从指定的通道输出脉冲。利用增量型、值型、原点返回控制模式并配合系统寄存器进行输出脉冲编程，省略了行程限位开关，减少了系统布线，提高系统的灵活性。

　　具体编程方法如下：利用PLC指令F168（SPD1）根据给定的参数表自动执行梯形控制。

　　以上程序通过输出端Y0输出的脉冲初始速度为500Hz，高速度为5000Hz，加减速时间为200ms，总移动量为10000个脉冲。

　　这时，高速计数器经过值（DT9044和DT9045）会随脉冲数增加。

　　脉冲输出指令（F169）

　　当执行条件（触发器）为ON时，本指令从指定的通道输出脉冲，执行JOG（点动）运行。

　　当X2处于ON状态时，Y0发出频率为300Hz、占空比为10%的脉冲。此时，方向输出Y2为OFF，高速计数器CH0（DT9044和DT9045）的经过值计数增加。

　　当X6处于ON状态时，Y1发出频率为700Hz、占空比为10%的脉冲。此时，方向输出Y3为OFF，高速计数器CH1（DT9048和DT9049）的经过值计数减少。

四、结论：

　　1、该自动调谐系统采用PLC作为控制设备，用软件编程完成各信号的逻辑关系处理及脉冲输出编程，简化了硬件电路的设计，提高整个系统的灵活性。

　　2、PLC是专为工业控制设计的，以集成电路为基本元件的电子设备，在设计和制造过程中采取了多层次抗干扰和精选元器件措施，内部处理不依赖触点。适合于加速器高频系统强电磁的运行环境，从根本上保证了控制系统的稳定性和可靠性。解决了控制设备在强电强磁环境下稳定工作的要求。

　　目前，这个系统的安装调试已经完成，并以投入使用。基于PLC的加速器高频D电路频率自动调谐系统运行稳定，达到了1＊10-6 的频率稳定度设计的预期目标。