基于S7-200 PLC USS協(xié)議通信的速度閉環(huán)定位控制系統(tǒng)設(shè)計

可以應(yīng)用于多個自動化控制系統(tǒng)中，大大節(jié)約了項目的開發(fā)時間和成本，在實際應(yīng)用中取得了良好的效果。

0 引言

隨著電力電子技術(shù)以及控制技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速在工業(yè)電機拖動領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用;可編程控制器PLC作為替代繼電器的新型控制裝置，簡單可靠，操作方便、通用靈活、體積小、使用壽命長且功能強大、容易使用、可靠性高，常常被用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和設(shè)備的控制;在此，本次設(shè)計就是基于S7-200PLC的USS通信方式的速度閉環(huán)定位控制。

將現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的PLC和變頻器綜合起來通過USS協(xié)議網(wǎng)絡(luò)控制實現(xiàn)速度閉環(huán)定位控制。PLC根據(jù)輸入端的控制信號及脈沖信號，經(jīng)過程序運算后由通訊端口控制變頻器運行設(shè)定的行程;電機運行到減速值后開始減速;電機運行到設(shè)定值后停止運行并鎖定。因此，該系統(tǒng)必須具備以下三個主體部分：控制運算部分、執(zhí)行和反饋部分。控制運算主要由PLC和變頻器來完成;執(zhí)行元件為變頻器和電機;反饋部分主要為速度反饋。

S7-200 PLC通過USS協(xié)議網(wǎng)絡(luò)控制Micro-Master MM420變頻器，控制電動機的啟動、制動停和定位控制，并能夠通過PLC讀取變頻器參數(shù)、設(shè)置變頻器參數(shù)。

1.系統(tǒng)設(shè)計的總體思路

系統(tǒng)主要由三個部分構(gòu)成，即可編程邏輯控制器件PLC、變頻器和電機。首先通過設(shè)置給定輸入給PLC,再通過PLC控制變頻器，再經(jīng)由變頻器來控制電機，隨后將電機的轉(zhuǎn)速反饋給PLC,經(jīng)比較后輸出給變頻器從而實現(xiàn)無靜差調(diào)速。構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)就要把速度信息反饋給輸入。速度的測量可以通過光電編碼器和PLC來實現(xiàn)。

速度采集：S7-200具有高速脈沖采集功能，采集頻率可以達到30KHz,共有6個高速計數(shù)器(HSC0~HSC5)工作模式有12種。在固定時間間隔內(nèi)采集脈沖差值，通過計算既可以獲得電動機的當(dāng)前轉(zhuǎn)速。

例如：設(shè)采樣周期為100ms即是每隔100ms采集脈沖一次，光電開關(guān)每轉(zhuǎn)發(fā)出8個脈沖，那么就可以得到速度為：

其中Δm為采樣周期內(nèi)接受到的脈沖數(shù)。

轉(zhuǎn)速n的單位為r /min.

閉環(huán)控制就是將速度信號反饋給PLC,再通過與給定量比較，輸出給PID控制部分，從而調(diào)節(jié)速度使其能達到設(shè)定要求。具體如圖1所示。

2.系統(tǒng)硬件接線與變頻器的參數(shù)設(shè)置

西門子S7-200和MicroMaster變頻器之間采用通訊協(xié)議USS,用戶可通過程序調(diào)用的方式實現(xiàn)通信，編程的工作量小，是一種費用低使用方便的通訊方式。S7-200 CPU的通信端口的規(guī)格是RS 485,因此將S7-200的通信端口與驅(qū)動裝置的RS485端口連接，在RS485網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)USS通信無疑是最方便經(jīng)濟的。

系統(tǒng)硬件接線圖如圖2所示，將MM440的通信端子為P+(29)和N-(30)分別接至S7-200通信口的3號與8號針，以建立S7-200與MM420變頻器的USS通信硬件連接。其中，I0.1為脈沖輸入，I0.2為啟動開關(guān)。

總線連成后，除在上位機進行編程外，還要在變頻器上進行各參數(shù)設(shè)置，主要如表1:

3.軟件設(shè)計

應(yīng)用S7-200PLC和變頻器通過USS協(xié)議網(wǎng)絡(luò)控制實現(xiàn)速度閉環(huán)定位控制。要求PLC根據(jù)輸入端的控制信號及脈沖信號，經(jīng)過程序運算后由通訊端口控制變頻器運行設(shè)定的行程;電機運行到減速值后開始減速;電機運行到設(shè)定值后停止運行并鎖定。系統(tǒng)軟件程序流程圖設(shè)計如圖3所示。

USS協(xié)議對硬件設(shè)備要求低，減少了設(shè)備之間布線的數(shù)量。無需重新布線就可以改變控制功能?？赏ㄟ^串行接口設(shè)置來修改變頻器的參數(shù)?？蛇B續(xù)對變頻器的特性進行監(jiān)測和控制。利用S7-200 CPU組成USS通信的控制網(wǎng)絡(luò)具有較高的性價比。西門子S7-200和MicroMaster變頻器之間采用通訊協(xié)議USS,用戶可通過程序調(diào)用的方式實現(xiàn)通信，編程的工作量小，是一種費用低使用方便的通訊方式。本系統(tǒng)USS協(xié)議通信部分程序梯形圖如圖4所示。

4.結(jié)語

本項目運行效果：PLC根據(jù)輸入端的控制信號及脈沖信號，經(jīng)過程序運算后由通訊端口控制變頻器運行設(shè)定的行程;電機運行到減速值后開始減速;電機運行到設(shè)定值后停止運行并鎖定，實現(xiàn)了速度的閉環(huán)定位自動控制。

實踐證明：西門子變頻器與PLC通過USS協(xié)議進行串行通訊，無須購置附件進行系統(tǒng)組態(tài)，直接對其組網(wǎng)監(jiān)控，進行電機閉環(huán)調(diào)速，是一種低成本、高性能的好途徑，這種設(shè)計方法具有較大的推廣意義。