基于PLC的传送带多速度控制系统

摘 要

传送带是一种广泛应用于工业的传输设备，对其进行自动化的改造无疑将提高工业生产的效率和安全性并且将大大的节约人力资源。因其意义重大，对传送带的改造是多方面的而本文将主要介绍的是：基于西门子PLC的传送带多速度控制系统的设计。该系统的设计包括硬件设计和软件设计。其中硬件设计包括西门子PLC、变频器、异步电动机的外部电路的设计与安装；软件部分包括程序的设计与调试。

所设计系统最终能够通过PLC与变频器实现以下功能：(1)能对物品进行运送，速度可根据两物品之间的距离自动变换防止传送物品之间发生碰撞；（2）能够实现故障报警、状态指示、传送带带负载软启动等；（3）能够实现手动与自动状态切换，方便维护。该系统主要运用了西门子PLC、传感器、继电器、变频器等器件，利用PLC良好的自动控制性能，实现流水线传送带传送过程的无人控制。本文将主要对PLC、变频器以及PLC对变频器的控制部分进行介绍。

关 键 词： 西门子S7-200 PLC 传送带 变频器 无人控制 VVVF

ABSTRACT

The conveyor belt is a widely used in industrial transmission equipment.Its automated transformation will undoubtedly improve the efficiency and safety of industrial production and will greatly save human resources.The transformation of the conveyor belt is a wide range.This article will focus on Siemens PLC based conveyor speed control system design. The design of the system including hardware and software design.The part of Hardware design, including design and installation of Siemens PLC, inverter, induction motor external circuit; The software part includes the design and debugging of the program.

Designed system useing PLC and VVVF will eventually be able to the following functions: (1) delivery of the workpiece, Speed can automatically change according to the distance between the two workpiece to prevent a collision between the workpiece; (2) to achieve fault alarm status indication, the conveyor belt to load boot prompt, loadthe soft-start; (3) can be achieved manually reset. The system is mainly used Siemens PLC, sensors, relays, inverter and other devices. PLC automatic control performance, no control of the assembly line conveyor belttransfer process.The article will introduce the PLC,inverter and how PLC control the conveyor.

Keywords: Siemens S7-200 PLC conveyor inverter automated VVVF

目 录

第一章 绪论········································································1 1.1 传送机的简介···············································································1 1.2 可编程逻辑控制器（PLC）····························································2 1.3 变频器············································································4 第二章 设计方案····································································7 2.1系统功能·····································································7 2.2方案设计·····································································7 第三章 系统的硬件设计····································································9 3.1主电路的设计····································································9 3.2 PLC的选择及硬件的设计····························································11 3.3电动机的选择·········································································13 3.4变频器的选择·········································································13 3.4.1变频器容量的选择································································13 3.4.2 MM440变频器的安装与调试·····················································13 3.5 传感器··················································································18 3.5.1 压力开关··············································································18 3.5.2 测距传感器············································································18 第四章 系统的软件设计························································20 4.1 STEP7-Micro/WIN软件·························································20 4.2 系统梯形图程序·····································································20 第五章 仿真·····································································27 谢辞··············································································33 参考文献··············································································34

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第一章 绪论

现代工业往往追求高效率低成本，目前我国正处于经济发展的转型期并且随着科技的不断发展，未来工厂的生产过程必定会越来越智能化。传送带是一种物料传输设备，因其高效、连续、快速的特性，被广泛的应用于矿业、化工、机械、电力、建材、轻工业以及港口码头等重要的工业领域。也正因为传送带的应用十分的广泛，对传送带的制造和自动化改进对于工业生产的意义日趋重大。PLC自诞生起便广受业界的关注，如今PLC依然是自动控制领域的一大支柱。传送带和PLC的结合为大势所趋，未来必将大放异彩。

传统的传送带系统往往只能工作在某一固定的速度上，这种设计有着其他系统无法比拟的优点。那就是系统及其简单，操作简便易于掌握使用且用途广泛。其缺点也同样明显，当传送带上传送物品为易碎品或某些危险品时，若出口处有传送物品积压如果操作不当必然会造成损失甚至发生危险。传统传送带虽然可以加入自动停止功能，但反复的启停势必对电动机产生不良影响并且会影响物品传输时的稳定性。基于对单一速度传送带存在以上问题，一种多速度控制系统的概念被提出。本文即阐述了基于PLC的传送带多速度控制系统的一种设计方案。在介绍本系统之前我们先了解一下系统的各个主要组成部分。

1．1 传送机的简介

17世纪中叶，美国人开始应用一种架空的索道来传送散状的物料，所谓的传送带自此诞生；进入19世纪中后期，经过了近两个世纪的发展，各种现代结构的传送带输送机相继出现。 1868年，在英国出现了皮带式传送带的输送机；1887年，在美国出现了螺旋式的输送机；20世纪后，1905年，在瑞士出现了钢带式输送机；1906年，在英国和德国出现了惯性输送机。至此现代意义的传送带基本成型并且在此后传送带输送机 受到机械制造、化工、电机、电子和冶金工业技术进步的影响，不断完善，逐步由完成车间内部的传送，发展到完成在企业内部、企业之间甚至城市之间的物料搬运。时至今日传送带已然成为物料搬运系统机械化和自动化不可缺少的重要组成部分。现代工业生产过程中，因传送带应用之广泛、工作之可靠相信在未来相当一段时间内其地位无可动摇。

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1.2 可编程逻辑控制器（PLC）

图1-1 可编程逻辑控制器

PLC起源于1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求；1969 年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程逻辑控制器PDP—14 ，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程逻辑控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。1969年，美国研制出世界第一台PDP-14；1971年，日本研制出第一台DCS-8；1973年，德国研制出第一台PLC；1974年，中国研制出第一台PLC。 20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程逻辑控制器，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。 20世纪70年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。

20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

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20世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。

可编程逻辑控制器其实质是一种专门用于工业控制的计算机，PLC的硬件结构基本上与PC机相同，基本构成可分为五大部分，分别为：电源、处理单元(CPU)、存储器、输入输出接口电路、功能模块。下面分别简单的对五部分进行介绍。 电源

可编程逻辑控制器的电源是整个系统中十分重要的组成部分。如果缺少一个良好的、可靠的电源整个系统将无法正常的工作，因此，可编程逻辑控制器的制造商往往对电源的设计和制造十分重视。当交流电压波动维持在+10%(+15%)范围内时，可以不采取任何其它的措施，将PLC直接接入交流电网上。 处理单元(CPU)

处理单元即CPU，如同PC机一样它是可编程逻辑控制器的控制中枢。CPU按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，近年来对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 存储器

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 输入输出接口电路

（1）现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。

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（2）现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 功能模块

如计数、定位、通信等功能模块。

1.3 变频器

图1-2 西门子MM440变频器

变频器是一种静止的频率变换设备，其作用是将配电网50Hz的工频交流电变成频率可调的交流电，供普通的交流异步电动机作为电源，从而实现电动机的变速、恒速。变频器具有体积小、质量轻、精度高、工艺先进、功能丰富、安全可靠、操作简便、通用性强、易形成闭环控制等优点，优于以往任何调速方式。变频器目前深受钢铁、有色金属、石油、石油化工、化工、化纤、纺织、机械、电力、建材、煤炭、医药、造纸、卷烟、城市供水及污水处理等行业的欢迎。由于变频器具有十分高效率的驱动性能、良好的可控制性能和广泛的应用空间，所以自问世以来便颇受业界青睐。当今的变频器产业得到了飞速发展，变频器产业化的规模日趋壮大。变频器自20世纪60年代左右诞生，发展至20世纪80年代已得到主要的工业化国家广泛的使用。20世纪90年代，随着人们节能环保意识的加强，变频器的应用变得越来越普遍。我国变频器的市场总规模并不大，但国民经济的大幅增长极大的带动了变频器市场的容量，2004年其总体销售额大约为61亿元左右，今后还将以惊人的速度发展。

变频器技术是应交流电机无级调速的需求而生的。20世纪60年代，随着晶闸管（SCR）功率的不断增大，才是变频器具有了实现的可行性。而使变频器

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达到普及应用的阶段（仅欧美国家），则是在20世纪70年代。20世纪80年代变频器作为变频器核心技术的PWM模式优化问题吸引着人们的注意，并且得出了诸多的优化模式，如电压空间相量PWM模式、鞍形波PWM模式等。20世纪80年代后半期，欧美等发达国家的VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）变频技术已相当成熟并已有众多成品陆续投入市场应用。到20世纪90年代，IGBT、场效应晶体管的出现和不断改进提高，使得变频器在各个方面前均取得了进步。

变频器可理解为能改变施加于交流电动机出线端上的电源频率值和电压值的调速设备。它由电力电子器件、电子器件、微处理器（CPU）等组成。它可分为交-交和交-直-交两种。交-交变频器可将工频交流电直接变换成电压、频率可调的交流电。所以交-交变频器又被叫做直接式变频器。交-直-交变频器则是先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率和电压均可控的交流电，又可称之为间接变频器。在变频调速时，往往需要同时对逆变器的输出电压和频率进行调节，用以保障电动机主磁通维持恒定。

对输出电压的调节主要有PAM方式、PWM方式以及高载波变频率PWM方式。所谓PAM方式即脉冲幅值调节方式的简称，它是通过调节直流电压幅值来对电压进行控制的方式。在变频器中逆变器通常只负责调节输出的频率，而输出的电压则由相控整流器或者直流斩波器通过调节直流电压来实现调节。PAM方式在系统低速运行时会产生较大的噪音与谐波，所以PAM方式通常只在与高速电机配套的高速变频器中使用。脉冲宽度调制方式简称PWM方式，在变频器中的整流电路采用了不可控的二极管整流电路，变频器的输出频率和输出电压的调节全部由逆变器按照PWM方式完成。利用参考电压波与载频三角波相互比较，以此来决定主开关器件的通断时间，从而实现调压。利用脉冲宽度的变化来得到幅值不同的正弦波基波电压。这种参考信号为正弦波、输出电压平均值近似为正弦波的PWM方式成为正弦PWM调试简称为SPWM方式。SPWM方式经常用于通用变频器中。高载波变频率PWM方式与PWM方式的区别仅在于调制频率有了很大的提高。这是由于主开关器件的工作频率较高，通常采用IGBT或MOSFET为主开关器件，开关频率可达到10～20KHz,可以大幅度降低电机的噪声，达到静音的效果。

变频器的控制方式有三种分别为转差频率控制、矢量控制和U/f控制。U/f控制方式又被称为VVVF控制方式。主电路中的逆变器采用IGBT使用PWM方式进行控制。逆变器的控制脉冲发生器同时受控于频率指令f*和电压指令U，f*和U之间的关系由U/f曲线发生器（U/f模式形成）决定。经过PWM控制之后，变频器的输出频率f与输出电压U之间的关系，就是U/f曲线发生器所确定的关系。通过改变频率设定值f*来实现转速的改变。电动机实际的转速则要根据负载大

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小来确定。负载一旦变化，即使频率f*不变转子转速也将随负载的改变而改变。因此，它通常用于对转速要求不高或负载变动较小的系统中。U/f控制是转速开环控制，不需要转速传感器，控制电路简单，负载可以使用通用标准异步电动机，所以通用性好，是目前各型通用变频器产品使用较多的一种控制方式。如果没有任何附加措施单纯使用U/f控制方式显然静态调速精度难以满足某些系统的要求。为了提高速度调节的精确度，可以采用转差频率控制方式。根据速度传感器的检测量，可以求出转差频率△f，把△f与数度设定值f*相叠加，以该叠加值作为逆变器的频率的设定值f*₁,以此实现转差补偿。这种转差补偿的闭环控制方式就是转差频率控制方式。与U/f相比其调速精度大为提高。但使用速度传感器求取转差频率往往要针对具体的电动机的机械特征调整控制参数，所以这种控制方式的通用性并不理想。U/f控制和转差频率控制的控制思想都是建立在异步电动机的静态数学模型上的，动态性能指标并不高。对于造纸、轧钢等对动态要求较高的场合中通常会采用矢量控制变频器。为了提高变频器调速的动态性能矢量控制会根据交流电动机的动态数学模型利用坐标变换将交流电动机的定子电流分解成转矩分量电流和磁场分量电流，并分别加以控制。矢量控制通过模仿自然解耦的直流电动机的控制方式，对电动机的转矩和磁场分别进行控制，来获得近似于直流调速系统的动态性能。

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第二章 设计方案

2.1系统功能

首先本系统必需能够进行正常的传送工作，如正运行、反向运行、启动与停止。与此同时为改进传统传送带的不足系统要具有多速度切换功能。即系统运行中检测前方出口处是否有物品积压情况，如果没有则系统保持正常速度运行。如果前方出现积压情况，则系统开始测量距离出口最近的物品与出口的距离。系统为防止物品间的碰撞会根据距离出口最近的物品与出口的距离进行减速或停止直到物品积压情况解除。为保护电动机，传送带一般禁止带负载启动，所以设计时要加入软启动功能。为防止系统工作中发生危险，整个系统要对工作状态进行指示同时对变频器的故障进行报警并紧急停止工作。为保证系统在检修维护是仍能够维持工作，所以系统须具备手动工作与自动工作状态相互切换的功能。

2.2方案设计

为完成上述功能，本设计将使用PLC为整个系统的核心控制部分。以上几乎所有功能都由PLC进行控制。利用PLC的开关量输入对系统开关、工作状态选择、传送带是否有积压进行控制、选择或反馈。另外通过PLC的数字输出量对系统工作状态进行指示，最主要的是对变频器进行控制。变频器通过对电动机的频率的调节来控制电动机的正反转和转速。因为需要手动，所以需要两个变频器一个主变频器负责平时的自动调速，该变频器全部功能都由数字控制。另一个变频器变速部分为模拟量控制，另正反转部分为开关量控制，负则检修时的手动控制。

整个系统的运作流程如图2-1所示。

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图2-1 功能框图

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第三章 系统的硬件设计

本系统接工频电源主要分为PLC、变频器和电动机三大部分。系统最终能够通过PLC与变频器实现以下功能：(1)能对物品进行运送，速度可根据两物品之间的距离自动变换防止传送物品之间发生碰撞；（2）能够实现故障报警、状态指示、传送带带负载软启动等；（3）能够实现手动与自动状态切换，方便维护。该系统主要运用了西门子PLC、传感器、继电器、变频器等器件，利用PLC良好的自动控制性能，实现流水线传送带传送过程的无人控制。本文将主要对PLC、变频器以及PLC对变频器的控制部分进行介绍。

3.1 主电路的设计

图3-1为系统的电气原理图，整个系统将以它为硬件部分的主体进行工作。论文将主要对PLC及变频器进行介绍。

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图线接主气电 1-3图

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由主接线图可看出本系统采用两个变频器分别对电动机进行控制。按下启动按钮当开关SA选择自动工作状态时，PLC控制线圈KM0得电同时自动运行指示灯L3亮起。这时名为KM0的开关动作，即主变频器通电同时副变频器与电动机断开。同理当开关SA选择手动工作状态时，手动操作指示灯L4亮起，副变频器通电同时主变频器与电动机断开。此设计意在保证自动与手动相互切换的同时防止两变频器输出端接通对变频器造成损伤。主变频器上的继电器1为故障监控，当变频器发生故障时变频器内部继电器1闭合线圈SB1得电，此时PLC输入端的开关SB1闭合，并且常闭开关SB1将切断变频器对电动机的控制。故障信号由此输入到PLC中进行处理，PLC故障灯亮起。开关SB3为反转控制按钮，当按下SB3传送带反向运行。开关SB4为启动按钮，当按下启动按钮时系统才正式进入自动运行状态，当再按下SB6后变频器停止。PLC通过变频器控制电动机软启动。此启动开关是为了防止传送带由手动切换回自动状态后系统失控而设定。开关SB5实际上是一个压力开关，用于检测传送带前方出口处是否存在积压，如果有则相当于开关SB5闭合。开关SB6为正转开关，用于把从系统反向运行状态中恢复过来。

在副变频器上有开关SB21、SB22、SB23分别与副变频器的数字量输入端Din5、Din6、Din7相接。通过对副变频器的参数设定可以对开关功能进行设定或更改。本设计中按钮SB21为启动/停止控制按钮，当按下SB21时启动断开时停止。按钮SB22为反转按钮，当按下SB22时传送带反向运行断开时恢复正转。SB23为故障复位开关，用于故障后的复位。副变频器通过电位器改变电位来进行频率调节从而调节传送带速度。

3.2 PLC的选择及硬件的设计

从电气主接线图可以知道，系统PLC总共有开关量输入7个、开关量输出10个；模拟量输入1个。在诸多PLC厂商中西门子以其悠久的历史、雄厚的技术势力、产品遍及自动化各个领域易于组合成系统并且STEP7软件更加熟悉而成为首选。软件如果选用CPU222 PLC，还需要扩展模块；如果选用CPU226 PLC，则价格较高并且浪费较大。参照实际应用的输入输出端口数量和西门子S7-200 PLC产品目录，选用主机为8入/6继电器输出的CPU222一台，加上一台扩展模块EM222（8点继电器输出），在扩展一个模拟量模块EM235（4AI/1AO）。整个PLC系统的配置及外围接线图如图：

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图围外块模展扩及CLP统系 2-3图

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3.3电动机的选择

考虑到系统的通用性问题，本系统并不注重电动机的选择。具体的应用不同，电动机可根据需要进行选择。为方便下文的论述，本系统采用西门子1LG0106-2AA20 电动机。该电动机的容量为3KW、额定电压220/380V，电源频率50H，允许电压偏差±5％。

图3-3 1LG0106-2AA20 电动机

3.4变频器的选择

3.4.1变频器容量的选择

在变频器的选择时，应该充分考虑到所使用的场合的使用工况条件的最恶劣情况，留有充足的设计裕度和必要的保护措施。在选型时应对经济指标和技术指标进行综合的考虑，以选择相应的变频器规格。若选型不当造成容量偏小，对变频器的效率和正常运行影响极大。变频器选型时容量应作如下考虑。

对连续运行时所需变频器容量P0(kVA)必需满足以下几点。 （1）变频器容量必须大于负载所要求的输出，即 P0≥kPM/ηcosφ

（2）变频器容量不能低于电动机容量，即 P0≥1.732kUMIM×10-3

（3）变频器电流I0应大于电动机电流，即I0≥kIM （4）启动时变频器容量应满足下式

P0≥knM(TL+GD2nM/375tA)/9550ηcosφ

以上各式中，I0为变频器电流，GD2为飞轮转矩，tA为加速时间。根据负载要求：k为电流波形补偿系数（PWM控制方式下取1.05～1.10），TL为负载转矩，η为电动机效率（通常为0.85），cosφ为电动机的功率因数（通常为0.75），PM

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为负载所要求的电动机轴输出，IM为电动机额定电流，UM为电动机额定电压，nM为电动机额定转速。具体计算文中不作论述。

3.4.2 MM440变频器的安装与调试

本文将采用西门子MM440变频器。MM440由微处理器控制，并采用具有现代化先进技术水平的绝缘栅双机型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。因此，它具有很高的运行可靠性和功能多样性。它的脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪音。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。

MM440变频器的主要特点有：易于安装、易于调试、对控制信号的响应快速且可重复、参数设置范围广、应用范围广泛、电缆连接简便、模块化设计、配置灵活、脉宽调制的频率高、运行噪音小。

该变频器具有多个继电器输出和多个模拟量输出（0～20mA）、6个带隔离的数字输入，并且可切换为NPN/PNP接线、2个模拟输入（AIN1为0～10V，0～20mA或-10～+10V可切换；AIN2为0～10V和0～20mA可切换）、2个模拟输入可以作为第7与第8个数字输入。MM440留有RS485通信串口，方便系统增加远程监控等功能。下表为MM440变频器的引脚分配：

表3-1 西门子MM440变频器引脚分配表

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为方便接线安装，如下图所示为MM440变频器的电路结构图及标准接线图。在安装过程中必需严格按照图中所示的接法连接，以免造成不必要的损坏或发生危险。

图3-4 MM440变频器电路结构图

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图3-5 MM440变频器电源与电动机的标准接线图

MM440变频器为完成所有的功能，必需进行参数的设定。以下为主副两个变频器的参数设定：

变频器参数设定方法，以P0004为例

图3-6 MM440 P0004参数设定

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（1）主变频器

主变频器主要需完成对PLC数字控制信号进行准确反映并输出到三项异步电动机中，实现多速度控制。传送带在待慢速机状态下速度应该较低所以变频器在此状态下以5Hz输出，传送带的减二档速度变频器设定为10Hz输出，传送带的减一档速度变频器设定为25Hz输出，传送带正常速度变频器以50Hz输出。因此主变频器参数设定为：

P0003 用户访问级别 1 标志级 P0010 调试参数 1 快速调速 P0100 地区 0 欧洲50Hz[KW] P0300 电动机类型 1 异步电动机 P0304 电动机额定电压 380 220△/380Y P0305 电动机额定电流 11.6 P0307 电动机额定功率 3 P0308 电动机额定功率因数 0.88 P0310 电动机额定频率 50 P0311 电动机额定速度 2860 P00 电动机过载因子 150

P0700 命令给定源 2 I/O端子 P1000 设置频率给定源 3 固定频率 P1080 电动机运行最小频率 0 P1122 电动机减速时间 2 P0701 15 固定频率 P1001 5 P0702 15 固定频率 P1002 10 P0703 15 固定频率 P1003 25 P0704 15 固定频率 P1004 50 P0705 4 按斜坡曲线快速降速 P0706 12 反转 P0732 52.7 故障监控 P0733 52.2 变频器运行 （2）副变频器

副变频器主要负责在检修或特殊情况是提供手动控制。不同于主变频器，副变频器需要同时接受数字量控制和模拟量控制两种方式。因此，副变频器的参数设定如下：

P0003 用户访问级别 1 标志级

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P0010 调试参数 1 快速调速 P0100 地区 0 欧洲50Hz[KW] P0300 电动机类型 1 异步电动机 P0304 电动机额定电压 380 220△/380Y P0305 电动机额定电流 11.6 P0307 电动机额定功率 3 P0308 电动机额定功率因数 0.88 P0310 电动机额定频率 50 P0311 电动机额定速度 2860 P00 电动机过载因子 150 P0700命令给定源 0 缺省 P0701 1 运行停止 P0702 12 反转 P0703 9 故障确认

P0756 1 带监控单极性电压输入 0至10V P0757 2 P0758 0 电压2V对应0% P0759 10 P0760 100 电压10V对应100%

3.5 传感器

3.5.1 压力开关

限位开关又可成为称行程开关，它可以安装在相对静止的物体（如固定架、门框等，简称静物）上或者运动的物体（如行车、门等，简称动物）上。当动物接近或接触静物时，开关的连杆驱动开关闭合的触点分断或者断开的触闭合。由开关触点开、合状态的改变去反馈信息。

限位开关分工作限位开关与极限限位开关，工作限位开关是用来给出机构动作到位信号的。极限限位开关则是为防止机构动作超出设计范围发生事故而使用。工作限位开关安装在机构需要改变工况的位置上，开关动作后，给出信号，控制机构控制别的相关动作的进行。极限限位开关通常安装在机构动作的最远端，其目的是用来保护机构动作过大出现机构损坏。本设计中的限位开关用于报告物品挤压情况，所以选用工作限位开关。

3.5.2 测距传感器

测距传感器是对物体距离进行测量并反馈的传感设备。测距传感器可分为： 超声波测距传感器、激光测距传感器以及红外线测距传感器。

超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回

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波。因此超声波检测广泛应用于工业、国防、生物医学等方面。如果想利用超声波作为测距手段首先必须产生超声波并且还可以接收超声波，设备需计算声波发射和接收的时间，以此时间乘以声速便可得出两物体间的距离。另外超声波对与运动物体有多普勒效应，因此还可以判断运动物体的速度。能够完成这种功能的装置就是超声波传感器，通常习惯上称之为超声换能器或者超声探头。

激光传感器工作时，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。

红外测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原理，进行障碍物远近的检测。红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返回到机器人主机，机器人即可利用红外的返回信号来识别周围环境的变化。

三种测距传感器各有长短。因为本系统测距不需要极高的精度同时还考虑到系统应具有良好可靠性（工厂车间的空气中可能含有杂质），所以本系统选用超声波测距传感器。

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第四章 系统的软件设计

4.1 STEP7-Micro/WIN软件

因为本设计使用西门子S7-200 PLC，因此编程将使用STEP7-Micro/WIN软件。

STEP7-Micro/WIN是西门子公司专门为S7-200系列PLC设计开发的编程软件，可以在全面汉化的界面下进行操作。STEP7-Micro/WIN是基于Windows操作系统的，为用户开发、编程、调试和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。STEP7-Wicro/WIN V4.0为用户创建程序提供了便捷的工作环境，丰富的编程向导，提高了软件的易用性；同时还有一些工具行的功能，例如用户程序的文档管理和加密等。此外，还可以用软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控等。

STEP7-Wicro/WIN要在PC机上运行，它对PC机的最小配置如下： 1) 操作系统 Windows2000 SP3以上;Windows XP Home；Windows XP

Professional；

2) 硬盘 至少100MB以上空间。

软件功能的实现可以在联机工作方式（在线方式）下进行。此时，有编程软件的计算机与PLC相连接，允许两者之间直接通信，可以针对相连的PLC进行操作，如上装和下载用户程序和组态数据等。部分功能的实现也可以在离线工作方式下进行。此时，有编程软件的计算机与PLC断开连接，所有的程序和参数存放在硬盘上，等待联机后再下载到PLC中。

4.2 系统梯形图程序

为明确PLC各个接口的功能同时方便编程下文中给出PLC的I/O分配。

输入接口 输出接口 I0.0 自动控制 Q0.0 KM0 I0.1 手动控制 Q0.1 运行灯 I0.2 故障监控 Q0.2 故障灯 I0.3 反转 Q0.3 KM1 I0.4 启动 Q0.4待机速度 I0.5 压力传感器 Q0.5 减一档 I0.6 正转 Q1.0减二档 I0.7 暂停 Q1.1 正速 Q1.2停车 Q1.3反转

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明确了PLC输入输出分配后便可以据此编辑程序。

如图4-1所示，I0.2为常闭触点平时为闭合状态，开关SA选择手动控制状态时I0.1闭合，与此同时自动控制状态断开线圈Q0.3、Q0.1得电，运行灯亮起并且线圈KM1得电，开关Q0.3闭合，此时手动控制状态同路自锁直到开关SA选择自动控制状态。当开关SA选择自动控制状态时，触点I0.0闭合，此时手动控制通路由于有I0.0常闭触点而断开。此时Q0.0实现自锁同时开始调用子程序SBR-0。当变频器传送回故障信号时，即I0.2闭合，此时PLC控制Q0.2输出，故障提示灯亮。

图4-1 梯形图主程序图

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图4-2 梯形图子程序1

AIW0是模拟量输入输出模块EM235将采集的模拟量变换成数字量后的值。其

范围在0～32000之间。因为测距传感的反馈信号为4～20mA所以本程序中AIW0的值在00～3200之间。本文不对传送带上距离进行细致论述，因此设当AIW0的值大于等于25000时即相当于传送带上无负载。另设AIW0值为19200、12800、6500分别为第一安全距离、第二安全距离、第三安全距离。

如图4-2所示，此时按下启动键I0.4。当AIW0的值大于32000时开关闭合，内部继电器M0.0得电，断开常闭触点M0.0。系统进入待机低速运行状态。当按下停止按钮I1.1接通，系统暂停。

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图4-3 梯形图子程序2

如图4-3所示，当AWI0值不再大于等于32000时说明传送带上有负载。此

时，继电器M0.0失电系统软启动。T33路接通后，定时器T33开始计时。在计时结束之前电动机以待机速度运行。T33计时结束同时T34开始计时此时变频器输出频率为10Hz。T34计时结束同时T35开始计时，此时变频器输出频率为25Hz。

图4-4 梯形图子程序3

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如图4-4所示，T35计时结束同时T36开始计时此后变频器输出为50Hz。

当压力开关闭合时系统会开始计算物位，常闭触点Q0.5、Q1.2、Q1.0实际是与下图中的各种状态互锁。即Q0.5、Q1.2、Q1.0中有任意一中输出Q1.1都不可能输出。

图4-5 梯形图子程序4

如图4-5，I0.5为一压力开关，即有物品在前方积压时I0.5闭合。前文已

经介绍AIW0值为19200、12800、6500分别为第一安全距离、第二安全距离、第三安全距离。当I0.5闭合且AIW0值小于等于19200时，说明物品已进入第一安全距离，此时Q0.5输出。同样当AIW0值小于等于12800时Q1.0输出。当AWI0值小于等于6500时Q1.2输出。若AIW0值大于19200时传送带仍然维持正常速度运行。

图4-6 梯形图子程序5

如图4-6，当按下反向运行开关I0.3则Q1.3输出且自锁。按下I0.6正转按钮后，通路断开系统恢复正转。

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图4-7 梯形图子程序6

如图4-7所示，当系统选择手动或出现故障时，即I0.1或I0.2接通，子程序返回主程序。

图4-8为子程序全部视图：

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图4-8 梯形图子程序图

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第五章 仿真

由于实验条件所限，本系统难以进行实物制作。因此为验证系统程序的可行性，本系统使用一款名为S7-200仿真的软件进行仿真实验。

图5-1 STEP7软件

如图5-1，首先应对所编辑的程序进行编译。只有编译成功后程序方能够进行仿真。选择STEP7软件上方“PLC”选项，弹出菜单后选择“compile all”或“compile”选项。“compile all”可以快速对整个程序进行编译，而“compile”则为分段编译，这种方式虽然效率低但方便排查程序中的错误，此两种选项各有优缺点。在编译过程中有可能会出现错误信息。通常错误信息会显示错误出现的位置及错误的类型。S7-200常见的程序编制、编译出错代码以及含义如下： 0001:所编程的高速计数器(HSC)尚未被定义； 0002:中断输入点的地址与高速计数器(HSC)冲突； 0003:高速计数器(HSC)的地址与中断输入点冲突： 0004:中断程序中使用了ENI、DISI、HDEF指令： 0005:高速计数器(HSC)被重复定义； 0006:使用的间接寻址方式不正确； 0008:子程序的嵌套层数过多；

0080:程序太大，无法进行正常的编译处理； 0081:程序网络太复杂，导致了堆栈的溢出；

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0082:程序中使用了非法的指令； 0083:缺少主程序结束指令；

0085: FOR、NEXT指令未配套使用，缺少FOR指令； 0086: FOR、NEXT指令未配套使用，缺少NEXT指令： 0087:缺少子程序、中断程序的编号； 0088:缺少子程序结束指令； 00:缺少中断程序结束指令； 0090:输入的参数不正确： 0091:输入的地址范围不正确； 0092:计数器的计数值设定不正确：

0093: FOR、NEXT嵌套层数过多。

编译成功后为进行仿真须将程序导出为.awl格式的文件。如图5-2，编译完成后选择“File”选项弹出菜单，选择其中“Export”选项将梯形图程序转存为.awl格式文件。

图5-2 STEP7软件

使用S7-200仿真软件，点击“程序”菜单中的“装载程序”选项。选择要加载的程序。程序加载完成后点击绿色三角形RUN按钮如图5-3所示。

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图5-3 S7-200仿真软件

图5-4 S7-200仿真软件

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图5-5 系统仿真

如图5-5，当选择手动控制时I0.1闭合，Q0.1运行灯亮、Q0.3继电器KM1得电。

图5-6 系统仿真

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如图5-6，当选择自动控制时I0.0闭合，Q0.0输出继电器KM0得电。

图5-7 系统仿真

如图5-7，按下I0.4启动键Q0.5限位开关闭合，此时AI0输入为0.00V（AIW0值小于等于6500），Q1.2输出，变频器快速停车。

图5-8 系统仿真

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如图5-8，当AI0输入为2.78V（AIW0值小于等于12800大于6500）时，减二档Q1.0输出。

图5-9 系统仿真

如图5-9，当AI0输入为4.30V（AIW0值小于等于19200大于12800）时，减一档Q0.5输出。

图5-10 系统仿真

如图5-10，当AI0输入为7.09V（AIW0值小于大于19200）时，正常速度Q1.1输出。

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谢 辞

在论文即将完成之际，我的心情久久难以平静。从开始进入课题直到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我宝贵的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！

感谢我的导师张旭秀副教授，她的待人温和亲切，工作上一丝不苟、细致严谨的作风，给我留下了深刻的印象，是我今后学习、工作中的榜样；她循循善诱的教导和细致入微的提点给予我无尽的启迪。这篇论文的每个细节和每个部分，都离不开您的细心指导。而您开朗的性格和宽容的态度，帮助不善交流的我能够很快的融入这个毕业设计团队。

感谢陪伴我至今的同学们。我从遥远的家相来到这个陌生的城市里，是你们与我共同建立并维系着彼此之间兄弟姐妹般的感情，维系着班级那份家的融洽。四年光景仿佛就在昨天。在这四年里，我们没有发生任何不开心的事情。只是今后大家再难相聚，再难重温一起吃每年班级活动那顿饭了吧。没关系，为寻当初的梦想大家各奔前程。珍重了我的伙伴们。但愿每一个兄弟姐妹都能守住这份年轻的心，保留这份年轻的激情，怀念这份年轻的岁月，打拼出属于自己的那一片天地。我们在一起的日子，我会铭记一辈子。

感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报。你们的所在便是我家的所在，有了你们我才有了前进的动力。你们永远健康快乐是我最大的心愿。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！

感谢那些在我前进道路上帮助过我的人们，遇到你们是我最大的荣幸。感谢你们！

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参考文献

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