毕业设计论文基于wincc的交流变频调速系统监控界面设计.docx
- 文档编号:12619293
- 上传时间:2023-06-06
- 格式:DOCX
- 页数:41
- 大小:221.57KB
毕业设计论文基于wincc的交流变频调速系统监控界面设计.docx
《毕业设计论文基于wincc的交流变频调速系统监控界面设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《毕业设计论文基于wincc的交流变频调速系统监控界面设计.docx(41页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
毕业设计论文基于wincc的交流变频调速系统监控界面设计
辽宁科技学院
(2012届)
本科毕业设计
题目:
基于WinCC的交流变频调速系统监控
界面设计
专题:
专业:
班级:
姓名:
学号:
指导教师:
说明书40页,图纸张,专题页,译文6页
基于WinCC的交流变频调速系统监控界面设计
摘要
随着工业自动化水平的迅速提高,人们对工业自动化的要求越来越高,集成了人机界面(HMI)系统和监控管理(SCADA)系统的通用工业自动化组态软件的出现,实现了完美的过程可视化。
为各种工业领域提供完备的操作和监视功能。
基于WinCC(视窗控制中心)的交流电机调速监控系统的设计,采用了西门子公司(SIEMENS)全面开放的上位机监控系统WinCC组态软件。
本设计首先介绍了本课题的背景以及论文要完成的工作,分析了交流调速技术、现场总线和监控系统的国内外现状及未来的发展前景。
之后介绍了WinCC组态软件的功能及特点和交流调速系统的网络设计与硬件设计。
最后是设计WinCC的人机界面,开发设计上位监控系统,完成了基于WinCC对上位监控系统功能设计,包括监控界面制作,控制电动机正、反转运行,参数设定等。
关键词:
人机界面,WinCC组态软件,变频调速
TheDesignofVariableFrequencySpeedRegulationSystemMonitoringInterfaceBasedonWinCC
Abstract
Withtherapidincreaseofindustrialautomationlevel,peopletodemandmoreandmoreindustrialautomation,integrationofthehumanmachineinterface(HMI)systemandmonitormanagement(SCADA)systemofgeneralindustryautomationconfigurationsoftwareappear,realizetheperfectprocessvisualization.Forallkindsofindustrialfieldprovidescomprehensiveoperationandmonitoringfunction.BasedonWinCC(Windowscontrolcenter)ofACmotorspeedcontrolsystemdesign,theSIEMENScompany(SIEMENS)fullopenPCmonitoringsystemWinCCconfigure-ationsoftware.
Thispaperfirstlyintroducesthebackgroundofthesubjectandthepapercompletedwork,analyzestheexchangecontroltechnology,theprofibuscontrolandmonitoringsystemofsituationathomeandabroadanditsdevelopmentinthefuture.IntroducedafterWinCCconfigurationsoftwarefunctionsandfeaturesandACdrivesystemnetworkdesignandhardwaredesign.ThelastisWinCChuman-machineinterfaceofthedesign,thedevelopmentofdesignsuperiormonitoringsystem,andcompletedtheWinCCbasedonsuperiormonitoringsystemfunctiondesign,includingmonitoringinterfaceproduction,controlmotoris,reversemoves,setparameters,etc.
KeyWords:
Human-machineinterface,WinCCconfigurationsoftware,Variablefrequencyspeedregulation
目录
1绪论
1.1课题的研究背景
随着工业自动化水平的迅速提高,计算机技术和信息技术在工业领域的广泛应用和迅猛发展,人们对工业自动化的要求越来越高,种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用,使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。
在开发传统的工业控制软件时,当工业被控对象一旦有变动,就必须修改其控制系统的源程序,导致其开发周期长;已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低,导致它的价格非常昂贵。
通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法,因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题,使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态,完成最终的自动化控制工程。
人机界面(Human–MachineInterface,简称HMI)是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口,是计算机系统的重要组成部分,是指人和机器在信息交换、功能接触或互相影响的领域或称为界面所说的人机结合面。
信息交换,功能接触或互相影响,指人和机器的硬接触和软接触。
人机界面可以对控制系统进行全面监控,包括过程监测、报警提示、数据记录等功能,从而使控制系统变得操作人性化、过程可视化[1]。
组态软件,又称组态监控软件系统软件,译自英文SCADA,即SupervisoryControlandDataAcquisition(数据采集与监视控制),指的是一些数据采集与过程控制的专用软件。
它处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境,使用灵活的组态方式,为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。
功能:
(1)强大的界面显示组态功能;
(2)良好的开放性;(3)丰富的功能模块;(4)强大的数据库;(5)可编程的命令语言;(6)周密的系统安全防范。
其与人机界面的区别是所处运行环境大都是针对计算机/工控机而言的。
SIMATICWinCC(WindowsControlCenter)是第一个使用最新的32位技术、能高效控制自动化过程的过程监视系统,具有控制自动化过程的强大功能、良好的开放性和灵活性。
它基于个人计算机的操作监视系统,集成了人机界面(HMI)系统和监控管理(SCADA)系统,集生产自动化和过程自动化于一体,实现了相互之间的整合,因此,SIMATICWinCC很容易结合标准的和用户的程序建立人机界面,并精确地满足生产实际要求,它为各行各业提供完整、全面的SCADA功能,是一种复杂的SCADA(数据采集与监控)系统,能高效控制自动化过程,它基于Windows平台,可实现完美的过程可视化,能为各种工业领域提供完备的操作和监视功能。
WinCC提供成熟而可靠的运行环境以及有效的组态,其整体的开放性,方便与标准程序和用户程序组合在一起使用,建立人机界面,精确地满足实际需要;其自带的数据库可以实现归档,保存对用户有价值的数据。
这在大量应用和各种工业领域的应用实例中得以证明,包括:
造纸和纸品加工、给水系统、水处理和污水净化、电子系统、汽车工业、化工和制药行业、印刷行业、能源供应和分配、贸易和服务行业、塑料和橡胶行业、机械和设备成套工程、金属加工业、食品、饮料和烟草行业、钢铁行业、运输行业等等。
西门子视窗控制中心SIMATICWinCC(WindowsControlCenter)是HMI/SCADA软件中的后驱之秀,1996年进入世界工控组态软件市场,当年就被美国ControlEngineering杂志评为最佳HMI软件,以最短的时间发展成第三个世界范围内成功的SCADA系统。
而在欧洲,它无可争议地成为第一。
1.2交流调速技术概况
随着生产技术的不断发展,直流拖动的薄弱环节逐步显现出来。
由于换向器的存在,使直流电动机的维护工作量加大,单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。
人们转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的异步电动机,但异步电动机的调速性能难以满足生产要求。
于是,从20世纪30年代开始,人们就致力于交流调速技术的研究,然而进展缓慢。
在相当长时期内,在变速传动领域,直流调速一直以其优良的性能领先于交流调速。
60年代以后,特别是70年代以来,电力电子技术和控制技术的飞速发展,使得交流调速性能可以与直流调速相媲美、相竞争。
目前,交流调速逐步代替直流调速的时代已经到来[2]。
交流电机是工业生产中常用的动力设备,有时需要对交流电机进行性能检测和性能测试;交流电机也是电机学和电力传动课程中重要的教学内容,试验环节要求能够在实验室进行理论教学的验证和数据测试。
随着变频器的普及和自动化水平的提高,变频调速应用范围逐渐普及,但是变频电机还没有普及,有很多非变频的普通电机用作变频调速,这就要求对普通电机进行性能研究和运行试验。
在实际中这些要求还没有得到较好的实现,无论是在电机生产、电机应用还是中高等学校的电机课程教学中。
在静态数据或额定数据已知的基础上,试验系统能够对交流电机的动态性能进行各种环境下的模拟运行试验,运行试验可以为起动、调速、制动,负载可以是恒转矩、恒功率、线性等,并且能够借助上位机进行运行命令下达、数据采集和处理、特性曲线、动态显示,使得无论在实验室还是在检测中心都可以方便、快速、准确地进行交流电机的变频调速性能试验。
所用硬件设备主要包括上位机、监控软件、变频器、电动机、磁粉制动器、现场控制器、编码器、可调稳压直流电源、通信模块、电流和电压互感器等。
目前看到的所有组态软件都能实现类似的功能:
几乎所有运行于32位Windows平台的组态软件都采用类似资源浏览器的窗口结构,并对工业控制系统中的各种资源(设备、标签量、画面等)进行配置和编辑;处理数据报警及系统报警;提供多种数据驱动程序;各类报表的生成和打印输出;使用脚本语言提供二次开发的功能;存储历史数据并支持历史数据的查询,等等。
随着现代控制理论的发展,交流电动机控制技术的发展方兴未艾,各种新的控制策略正在不断涌现,展现出更为广阔的前景,必将进一步推动交流调速技术的发展。
1.3现场总线的应用现状
在我国各种现场总线正在激烈的争夺地位,一些世界主要的现场总线组织在我国设立分支机构加强在中国的宣传和推广如DeviceNet、FoundationFieldbus、LonWorks、P—NetProfibus和WorldFIP等。
在一些专业领域国内专家正在推广一些专用现场总线如在航空航天领域某些高校和研究单位正在积极推广MIL-STD-1553总线。
一些现场总线在国内的应用已经取得良好业绩如FoundationFieldbus、HART、LonWorks、Profibus和WorldFIP等它们有的已经打入国内重点工程有的已经在特定领域获得广泛认同几乎成为事实上的标准[3]。
现场总线在发展过程中也存在一些困难,就目前状况而言,还处于百家争鸣、百花齐放阶段,还没有任何一种现场总线被国际同行认定为是惟一的数通信标准,其中最常用的有8类现场总线:
PROFIBUS(过程现场总线)、FF(基金会现场总线)、CAN(控制器局域网)、BIT总线、Lonworks、HART、WorldFIP和INTERBUS。
1.4监控系统的发展情况
前些年国内大部分设备的监控和管理还处于相当落后的状况,与国外相比具有很大的差距。
在电气控制上,自动化监控程度低,大部分的泵站仅有单级的常规控制。
在管理水平上,大部分设备的管理记录和统计都是手工操作。
因此设备的控制和管理没有形成区域化的网络。
早期设备自动化监控系统通常采用集中采集控制系统的工作模式,即现场各处的参数通过统一的模拟信号,例如0.02-0.1Mpa的气压信号,4-20mA的直流电流信号,1-5V直流电压信号等,送往集中监控室。
操作人员可以坐在监控室内观察生产流程各处的状态,可以把各单元仪表的信号按需要组成复杂控制系统。
由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接,信号变换缓慢,抗干扰能力差,因此经常出现事故[4]。
经过近些年国内科技的飞速发展,在监控系统这个领域也取得了优异的成绩。
现在监控系统应用领域很广,可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。
在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统(RTUSystem,RemoteTerminalUnit)。
在未来的工业领域,监控系统及其界面设计的地位必然会越来越重要,应用的领域将会更广,发展前景一片大好。
1.5本课题的主要研究内容
主要研究全数字交流调速在工业现场的实际应用情况、PLC在工业交流变频调速系统中的应用现状、各种制作工业控制人机界面软件的应用情况及优缺点、工业控制中WinCC的使用、组态、通讯等。
通过上位机、PLC、变频器、现场总线、工业以太网组成全数字交流调速系统,重点是完成系统的人机界面设计。
通过人机界面,实现对电机的正、反转控制,参数设置,实时监控等功能。
全文共分四章。
第一章对本课题的研究背景进行了简单的介绍,并对交流调速技术现状、现场总线应用现状及组态软件应用现状进行了阐述,并对监控系统的发展现状及发展趋势进行了分析说明。
第二章主要对系统的工艺要求进行了说明,基本明确了系统的研究方法。
第三章介绍了全数字交流调速系统网络设计方案与硬件设计。
在本章中,对系统所用到的设备进行了详细的介绍和特点阐述,并对重要的图形界面分别做了说明。
第四章先对组态软件的基本知识做了介绍,并在常见的组态软件中选择了本设计使用的组态软件。
重点是人机界面设计,这也是本设计的重中之重。
讲了WinCC的体系结构、性能特点以及和S7-300之间的通信,最后阐述了本设计的调试与测试结果。
2WinCC组态软件介绍
2.1组态软件介绍及选择
组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件,它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境,能以灵活多样的组态方式(而不是编程方式)提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法,它解决了控制系统通用性问题。
其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能,并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O产品,与高可靠的工控计算机和网络系统结合,可向控制层和管理层提供软硬件的全部接口,进行系统集成。
当今国内外常见的组态软件主要有以下几种:
(1)InTouch组态软件
在20世纪80年代末初,基于window3.1的InTouch组态软件给工业自动化监控系统带来了升级,InTouch组态软件提供了丰富的图库,早期的InTouch组态软件采用动态数据交换方式与驱动程序通信,性能较差,最新的InTouch7.0版已经完全基于32位的Windows平台,并且提供了OPC支持。
(2)FIX组态软件
美国Intellution公司一FIX组态软件起家,1995年被爱默生集团收购,成为爱默生集团的全资子公司,Fix6.x软件提供工控人员熟悉的概念和操作界面,并提供完备的驱动程序。
(3)Citech组态软件
Cit公司的Citech组态软件具有简洁的操作方式,但其操作方式更多的是面向程序员,而不是工控用户。
Citech的组态软件脚本语言并非是面向对象的,而是类似于C语言。
(4)WinCC组态软件
德国西门子的WinCC组态软件也是一套完备的组态开发环境,西门子公司提供类C语言的脚本,包括一个调试环境。
WinCC组态软件内嵌OPC支持,并可对分布式系统进行组态。
(5)组态王
组态王软件是国家第一家较有影响力的组态软件开发公司产品。
组态软件提供了资源管理器式的操作界面,并提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持。
组态软件也提供多种硬件驱动程序。
组态软件的选择
西门子公司(Siemens)的工业组态软件WinCC(WindowsControlCenter)为开发适合现代化控制要求的系统提供了一个方便可靠、开放性好、功能强大的软件平台。
WinCC是采用了最新的32位技术的过程监控的软件,具有良好的开放性和灵活性。
无论是单用户系统,还是多用户系统,WinCC均是较好的选择。
WinCC监控软件提供了友好的操作界面,用户可根据需要形成操作画面、监控画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等,因而在各行各业得到广泛的应用[5]。
基于WinCC的以上优点,本设计选择WinCC组态软件来完成。
2.2WinCC组态软件的功能和特点
2.2.1WinCC组态软件的功能
(1)丰富的功能模块
提供丰富的控制功能库,满足用户的测控要求和现场要求。
利用各种功能模块,完成实时监控,产生功能报表,显示历史曲线、实时曲线、提供报警等功能,使系统具有良好的人机界面,易于操作,系统既适用于单机集中式控制、DCS分布式控制,也可以是带远程遇信能力的远程测控系统。
(2)强大的界面显示组态功能
目前,工控组态软件大都运行于Windows环境下,充分利用Windows的图形功能完善界面美观的特点,可视化的风格界面、丰富的工具栏,操作人员可以直接进人开发状态,节省时间。
丰富的图形控件和工控图库,既提供所需的组件,又是界面制作向导。
提供给用户丰富的作图工具,可随心所欲地绘制出各种工业界面,并可任意编辑,从而将开发人员从繁重的界面设计中解放出来,丰富的动画连接方式,如隐含、闪烁、移动等等,使界面生动、直观。
(3)良好的开放性
社会化的大生产,使得系统构成的全部软硬件不可能出自一家公司的产品,“异构”是当今控制系统的主要特点之一。
开放性是指组态软件能与多种通信协议互联,支持多种硬件设备。
开放性是衡量一个组态软件好坏的重要指标。
组态软件向下应能与低层的数据采集设备通信,向上能与管理层通信,实现上位机与下位机的双向通信。
(4)强大的数据库
配有实时数据库,可存储各种数据,如模拟量、离散量、字符型等,实现与外部设备的数据交换。
(5)可编程的命令语言
有可编程的命令语言,使用户可根据自己的需要编撰程序,增强图形界面。
(6)周密的系统安全防范
对不同的操作者,赋予不同的操作权限,保证整个系统的安全可靠运行。
2.2.2WinCC组态软件的特点
(1)延续性和可扩充性,用通用组态软件开发的应用程序,当现场(包括硬件设备或系统结构)或用户需求发生改变时,不需作很多修改即可方便地完成软件的更新和升级。
(2)封装性(易学易用),通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来,用户不需掌握太多的编程语言技术(甚至不需要编程技术),就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能。
(3)通用性,每个用户根据工程实际情况,利用通用组态软件提供的底层设备(PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等)的I/ODriver、开放式的数据库和画面制作工具,就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程,不受行业限制。
3全数字交流调速系统网络设计方案与硬件设计
3.1系统网络总体设计方案
PLC简介
SIMATICS7-300可编程序控制器是德国SIEMENS公司针对低中性能要求的设计的中小型模块化PLC系统,用组装的方式来搭积系统,有机架(包括扩展架)和各应用模块组成。
它具有很高的抗干扰能力,具有较高的工业环境适应性,易于分布式实现,易于用户掌握,这使得S7-300备受各种企业的青睐。
多种性能递增的CPU和丰富且功能方便的I/O扩展模块,使用户可以根据实际需要灵活组建,以适应小/中规模性能要求的任务。
当控制任务复杂且规模巨大时,可随时使用扩展架对PLC进行扩展。
SIMATICS7-300系列PLC采用紧凑的、无槽位限制的模块化结构设计,各种单独模块之间可进行广泛组合和扩展,控制单元主要由机架、电源模块(PS),中央处理单元模块(CPU)、接口模块(IM)、信号模块(SM)、功能模块(FM)等部分组成[6]。
分布式I/O简介
构建系统是,通常因为安全或者施工方便的的原因,过程的输入和输出离控制器的距离较远,如果输入输出模块安装在控制器的机架上,将需要铺设很长的电缆,且通常连接的线路非常多,这样,投资高、安装不易且干扰大、出故障率高。
分布式I/O设备便是这类系统的理想的解决方案。
SIMATICET200分布式I/O系统是西门子公司SIMATICS7自动化系统的一部分。
它是基于开放式PROFIBUS现场总线可实现从现场信号到控制器的数据通讯,凭借其高数据传输率、安全可靠的优点,确保在控制器CPU和I/O设之间通讯安全顺畅。
在工厂自动化中,应用SIMATICET200分布式I/O是解决控制量分散的一个优秀方案。
使用ET200分布式I/O可以明显的降低接线成本,提高数据安全性,增加系统灵活性。
ET200M具有S7-300自动化系统的组态技术,由一个IM153-x和多个S7-300的I/O模块组成。
ET200M分布式I/O设备是具有IP20防护等级的模块化DP从站,最大数据传输速率为12M/S。
ET200M的另外一个重要的特点是与SIMATICS7-300I/O模块及功能模块兼容,这就使得在具体器件选型时更容易。
交流变频器6SE70简介
6SE70变频器是全数字电压型采用IGBT功率器件模块化结构的通用系列标准产品,其主要特点有整流单元带能量回馈制动、可以实现转矩限定、磁场定向控制、电机四象限运行、瞬间电源故障后的平衡回复以及自动加减速控制,错误自诊断等功能,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[7]。
6SE70变频器的PWM调制脉冲形成环节,对于VVVF控制和矢量控制是相同的,该环节对于VVVF控制需要调制深度和频率两个输人量,当采用矢量控制只是增加了一个关于转矩电流分量相对于定子总电流矢量夹角的相移调整量,这就从原理上保证了加到电机上的三相电压的对称性。
在矢量控制时,电机不会因矢量运算错误或定向不准确而导致脉振,这一特点也使得6SE70变频器能够在成组传动(一台变频器带多台电机)中采用矢量控制,从而使传动系统的动态性能提高。
6SE70变频器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。
6SE70变频器系列变频器采用模块化设计,配置非常灵活。
有多种选件可以供客户选用;用于与PC通讯的通讯模块,基本模块面板(BOP),高级操作面板(AOP)以及用于进行现场总线通讯的PROFIBUS通讯模块[8]。
三相异步电动机
本设计选用JW-6314-180W三相异步电动机,因为此电动机符合实验使用标准,且性能好,价格低廉。
3.2监控系统硬件实现
本系统采用PROFIBUS-DP网络实现通信,用PROFIBUS现场总线连接好,分布式PROFIBUS网络系统、主-从通信模式,在STEP7中进行网络组态,编写通信程序和控制程序。
按设计需求,将PLC、4个ET20
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 毕业设计 论文 基于 wincc 交流 变频 调速 系统 监控 界面设计