提高电子元器件使用可靠性的措施研究

   1 概述 
  西门子S7-1500是一款中高端PLC控制器,是专门为中高端设备和工厂自动化设计服务的新一代PLC控制器。该控制器具有运动控制、工业信息安全和故障安全等功能。S7-1500具有下述优点响应速度快,性能大幅提升,功能强大,有可供用户使用的充足的存储器空间,S7定时器、计数器分别有2048个。运动控制功能强大,最多支持20个速度控制轴、定位轴和外部编码器,具有高速计数和测量功能。S7-1500还可以采用PROFINET通信,可以保证确定的快速反应时间和高精度的系统响应,最短循环时间可达到250us。 
  PROFINET通信方式是开放的标准的实时的工业以太网技术的自动化总线标准,它是基于工业以太网的通信方式。IO控制器最多可以连接256个设备,对于整个以太网网络节点是没有限制的。而且IO控制器间可以实现实时的PROFINET CBA通信,最小刷新时间为1ms。由于其开放性可以同时应用IT等服务,包括Web、Email等,并且可以同时传输文本、语音和视频等数据。节点安装非常简单,连接到交换机即可,这与办公室的局域网络一样增加和减少设备十分简单方便。可以无缝集成已有的现场总线系统,例如PROFIBUS、Asi、Interbus等。PROFINET同时支持故障安全系统,通过ProfiSafe行规进行安全节点间的通信。 
  PROFINET最突出的特点是它的实时性,传统的PROFIBUS通信方式也可以实现上述的基本功能,不过在实时性求较高的场合特别是在运动控制系统的设计中,其高速的响应性能与PROFINET通信方式是无法相比的,无法像PROFINET一样实现最小实时周期为250us的精度。 
  PROFINET另外一个突出的主特点是以太网通信,借用以太网可以同时传输TCP或IP数据或者数据、文本、语音、图像等数据,这是PROFIBUS所无法可比拟的。PROFIBUS的缺点主体现在设备增加方面,局限比较多。而PROFINET使用以太网的连接通信方式,加入交换机,插入网线即可连接成功。这与局域网相似,需增加设备的时候,只需连接到交换机的端口即可。PROFINET通信方式和PROFIBUS通信方式主不同还在于通信速度的不同,PROFINET通信方式的通信速度快得多,数据传输的带宽最大为100Mbps,而PROFIBUS的通信方式的数据传输的带宽最大为12Mbps。并且数据传输方式也不同,PROFINET通信方式为全双工,而PROFIBUS通信方式是半双工。 
  本文设计的变频调速系统采用PROFINET通信方式,西门子S7-1500通过PROFINET控制G120变频器调节速度,也就是通过网络控制变频器调速,通过设置相应的控制字设定变频器的工作状态,然后通过网络将电机速度传给变频器,从而实现变频器控制电机调速的功能。 
  2 系统设计 
  2.1 系统硬件组态 
  系统采用工业以太网通信方式,硬件组态如图1所示。组态硬件包括S7-1500、变频器G120、触屏TP700和交换机X-208。系统通过组网PN/IE_2连接起来,通过网络2完成各硬件的通信过程。本设计系统的触屏采用精致面板TP700。控制器PLC通过中间M存储单元建立其与触屏的连接,当触屏I/O域输入设定速度时,控制器s7-1500会通过中间继电器M,采集到触屏设置的转速,然后根据设定的转速经过程序运算,接着通过与变频器的通信端口将转速输出给变频器。变频器与控制器s7-1500的通信端口,在完成硬件组态时,会自动生成数据交换端口。电机会按照设定转数转动,当通过触屏改变转速时,电机的速度会随之改变。 
  2.2 触屏画面设计 
  通过触屏I/O域,将转数通过“设定转数”窗口设定,“实际转数”窗口是读取变频器的反馈速度。系统设计了两个按钮,启动和停止按钮,启动用于启动电机运行,停止按钮用于停止电机运行。 
  2.3 变频器参数设定 
  变频器参数设定通过博途Startdrive设定,如图2所示。设定变频器参数不需通过手动设置,通过TIA博途软件就可完成对变频器电机参数的设置,通过软件设置完参数后,然后通过网络下载到变频器内部。本文设计的变频调速系统电机选用异步电动机,电机的基本参数额定电压为230V,额定电流为0.73A,额定功率为0.12kW,额定功率因数为0.75,额定频率为50Hz,额定转数为1350R/min,在设定重参数时,最大转数必须设定为额定转数,如设定最大转数不等于额定转数,电机实际转数和设定的转数会不同,进而出现错误。 
  3 程序设计 
  变频调速程序设计流程图如图3所示。当按下触屏上的启动按钮时,电机根据触屏设定的转速运行,当按下停止按钮时,电机停止运行。 
  触屏的I/O域链接PLC的MW30寄存器,经过运算,将MW30里的设定转数转换成数字量存到寄存器MW20,然后通过端口地址QW14送到变频器。 
  实验结果设定转数为500,变频器反馈转数为499,由于运算时采用双整型,所以存在误差,如果采用实数运算,则不存在误差。 
  4 结语 
  由于新型的西门子S7-1500控制器具有响应速度快、存储空间大等优点,因此本文设计的调速系统采用S7-1500控制器,利用PROFINET通信方式完成对电机速度的调节。软件编程选用功能强大的TIA博途编程软件,TIA博途不仅包括触屏的设计,还包括对变频器参数调节的功能,在最大程度上提高了工作生产效率。 
  (责任编辑黄银芳)