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变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：n=60f（1-s）/p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。

（一）变频调速传动的目的

采用西门子变频器对机械设备进行转速控制，对节约能源、提高经济效益具有重要意义。西门子变频器在省力化、自动化、提高产品质量、提高生产率、提高产品合格率方面的应用与在节能领域同样重要。机械设备采用变频调速传动，可以增加设备的使用寿命，减小机械设备的噪音，使设备小型化，工作环境、生活环境具有舒适性。从调速时的能耗观点来看，有调速方法与低效调速方法两种：调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、西门子变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。

（二）变频调速应用的行业生产范围

西门子变频器变频调速技术经过多年的发展日趋成熟，变频技术在钢铁、扎制铜线、化学、纤维、汽车、电气机械、机床、食品、造纸、水泥、矿业、煤气、交通、装卸搬运、工厂、农业、生活服务、电力、实验研究、石油等行业得到了广泛的发展与应用。MT6100IV5已经与我们的生产、生活息息相关。
（三）变频调速传动的特点

采用西门子变频器对机械设备进行转速控制，变频调速传动的特点是可以使标准电动机调速，可以连续调速，电动机启动电流小，速度不受电源影响，电动机可以高速化、小型化、防爆容易，低速时定转矩输出，可以调节加减速的大小，可以使用笼型电动机不需要维护电动机。

（四）西门子变频器的工作原理

西门子变频器电路方式有交一交变频和交一直一交变频两种电路。基本工作原理为整流器将交流变为直流，平滑波电路将直流电平滑，逆变器将直流电逆变为频率可调的交流电，变频器的基本构成。
1.交－交变频器是指无直流中间环节，直接将电网频率的电压变换为频率比电网频率低而可变的输出电压的变换器。2.交－直－交变频器的工作原理。目前应用广泛的是交－直－交变频器。其工作原理是先将三相或单相不可调工频电源经过整流桥整流成直流电，再经过逆变桥把直流电逆变成频率任意可调的交流电，以实现无级调速。交－直－交变频器的主电路有电压型变频和电流型变频。电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器；电流型是指将电流源的直流变换为交流的变频方式。控制方式也分为电压控制和电流控制两种。这两种方式不管主电路方式是电压型还是电流型都可以适用。

（五）西门子变频器的质量性能指标

1.在0.5HZ时能输出多大的起动转矩?比较优良的西门子变频器在0.5HZ时、22KW以下能输出200％高起动转矩，30KW以上能输出180％的起动转矩。2.速度调节范围控制精度能达多久，转矩控制精度能达多大?的西门子变频器速度控制精度能达±0.005％，转矩控制精度能达±3％。3.在低转速时的脉冲情况。高质量的变频器在1HZ时转速脉冲只有1.5r／min。4.噪声及谐波干扰。噪声及谐波干扰是衡量一个变频器的重要标准，采用IGBT、IPM器件调制频率较采用GTO、GTR调制频。虽然高次谐波始终存在，但是如果控制方式较好，可以减少一些谐波量。5.发热量。变频器发热量大，证明功耗大、效率低、通风散热系统不好，变频器的寿命相应受到影响。

旋挖钻机结构复杂、外部传感装置分布较多、各机构动作逻辑性强，且作业时工况恶劣、机身振动强烈，需要设计采用、功能丰富的西门子plc控制部件以完成其控制功能。同时操作人员也需要通过清晰、直观的人机界面对设备进行的掌握与控制。通过选型对比，设计方案上采用西门子S7-200系列西门子PLC作为控制系统的实现对旋挖钻机的控制、日本PROFACEGP系列液晶触摸屏作为人机界面对话设备，与外部传感装置、液压执行机构组成机电液一体化系统。

西门子触摸屏作为人机界面对话设备，主要进行钻进深度、回转角度的显示、深度设置、时间校对、及实现有关功能切换、按钮、指示、系统调试等功能。共设有：主作业画面、参数设置画面、报警记录画面、系统调试画面。其中主作业画面是操作人员工作时的主要对话界面。下图为主作业画面图：

三、西门子plc控制系统主要功能

西门子S7-200系列西门子PLC是西门子公司为用户解决中小型自动化控制的主力产品。它具有运算速度快、功能齐全、性能、可灵活组合等特点，在的中小型自动化控制领域应用非常广泛。以下介绍S7-200系列西门子PLC在旋挖钻机上的应用。

1、双向高速计数信号，CPU226CN模块具有多路高速计数输入端口，可灵活设计实现多路单向、双向计数信号的检测。在旋挖钻机上应用其双向高速计数功能实现了上车回转角度、钻头钻孔深度检测。旋挖钻机上车部分为液压驱动的立旋转机构。在设计中采用旋转编码器其转动角度，通过对编码器A、B两路脉冲信号的检测，PLC的双向高速计数输入端可准确计算出旋挖钻机上车的相对角度（0-360O）变化值。同时PLC的复位信号输入端检测编码器的C相信号，在上车每次回转至编码器的一固定位置时将高速计数器内变量清零，可各种原因造成的计数误差，保证计数的准确性。钻头钻孔深度检测的原理与上车回转角度基本相同，但复位信号采用按钮输入，由操作人员根据情况校准钻头深度零位值。在检测运算中计数值为钻头深度变化值。

2、左右控制手柄多路按钮信号的检测，旋挖钻机的控制主要通过驾驶座椅左右两个控制手柄的多个按钮控制实现，通过对西门子PLC的指令编程，可转换实现按钮信号的上升沿、下降沿、延时控制等多种逻辑功能。

3、外部传感信号的检测，西门子S7-200系列西门子PLC输入信号检测采用光耦隔离电流信号检测，可隔离输入信号线上因各种原因引起的非正常电气信号，电流信号检测方式可有效防止外部强干扰对正常信号的检测。同时各输入端输入信号的滤波时间可根据需要分别设置。旋挖钻机各机构动作频繁、控制复杂，在使用中容易因误操作造成设备损坏。在设计中对各机构关键部位均安装了外部传感装置其状态，当出现紧急情况时西门子PLC将通过外部传感装置信号控制相应机构立即保护动作，保护人身和设备。

4、实现对液压执行机构的控制，西门子S7-200系列西门子PLC的继电输出模块可直接控制液压系统的直流电磁线圈，只需在电磁线圈两端并接外部抑制二管，可较好的保护并延长内部继电器触点的使用寿命。

5、TPC1262HI液晶触摸屏通讯实现方便、直观的人机界面对话显示。利用CPU226CN西门子plc模块上的485通讯接口与PROFACE的GP系列液晶触摸屏通讯，将西门子PLC检测计算的旋挖钻机各参数直观的显示在西门子触摸屏上，同时可直接通过西门子触摸屏实现对液压系统的控制和调试。

西门子plc

1．显示设定单元：采用西门子触摸屏TP270-10彩色触摸屏，负责工艺参数的设置、控制命令的下达及整机工作状态的显示。显示屏操作画面分左右两部分，分别设定和显示机器左右侧的工艺参数和运转状态。

其主要菜单包括如下内容：工艺参数设定：工艺参数的设定和管理。需设置密码。工艺参数配方：各种工艺参数的配方，便于管理，需设置密码。

2．系统速度控制站：采用西门子CPU226CN西门子PLC负责系统的控制；工艺参数的传输和管理；整机的操作和运行协调；整机状态数据的管理；整机各故障信息的处理。控制框图如下。CPU226CN西门子PLC采用CAN open总线（自制通讯卡）方式与各锭位上的单片机锭控卡连接，完成各锭位的控制、数据采集。

3．锭子速度控制：由2台MM440 75KW西门子变频器分别驱动左右侧60台锭子电机。系统控制站根据设定值和锭位实际速度的平均值经过运算后用通讯方式控制变频器运转。控制精度达到0.01HZ。

4．卷绕速度控制：由2台MM440 0.75KW西门子变频器分别驱动左右侧2台卷绕减速电机。卷绕变频器与其配套的旋转编码器组成闭环反馈系统；控制精度达到0.01HZ。

5．喂速度控制：由2台MM440 4KW西门子变频器分别驱动左右侧2台喂减速电机。喂变频器与其配套的旋转编码器组成闭环反馈系统；控制精度达到0.01HZ。

6．横动速度控制：由西门子plc控制2台松下750W交流伺服驱动器和驱动电机加减速器分别控制左右侧横动移纱,卷绕和横动速度要根据设定的交叉角，防叠长度在交叉角1和交叉角2之间按0.5°步长循环递增、递减运行。

7．锭位控制：各锭位都由各自的单片机控制。

7．1锭位的起动、停止：各锭位正常单起停。主要为电锭运行、刹车、断纱信号判断，计长信号及指示灯的联锁控制。定长满管自停。

7．2断纱和失张监控：在捻线过程中产生断纱或纱线张力发生波动时，锭位站能使相应锭位按规定顺序停车，并发出故障信号。

7．3每个锭位有5种状态，正常运行、正常停车、断纱、失速、满管。

高速压印机的速度要至少达到700枚/分,而且要求保证产品的质量。要满足这些要求,需要主传动机构、拨饼机构、送饼等机构优化配合。随着电子技术飞速发展，伺服传动技术在工业中已广泛应用，通过伺服驱动器来控制电机转速、转向、转角等，可以满足特殊要求场合，从而能灵活地控制电机，为了提高高速压印机的性能，采用了S7-300西门子PLC为高速压印机主控系统，利用Profibus现场总线通信方式，实现S7-300西门子PLC与主传动伺服控制器、拨饼伺服控制器、送饼控制器A、送饼控制器B，只要能准确地控制伺服控制器，就可以使主传动机构、拨饼机构、送饼等机构配合默契，利用MPI和上位机通讯，上位机能够实时显示机床信息。

2 控制内容和控制要求

（1）运行方式。该机床有2种运行方式:手动运行方式和自动运行方式，根据选择的方式进行切换。

（2）采用MT6100IV5上位机的实时监控的内容。内容主要包括:主电机转速和电流、拨饼电机转速和电流、送饼电机A转速和电流、送饼电机B转速和电流、高速压印机压力情况、润滑油温情况等。

（3）故障检测与报警。严重故障内容主要包括:主电机转速和电流、拨饼电机转速和电流、送饼电机转速和电流、高速压印机压力情况、润滑油温情况异常等故障，上述故障发生后，系统自动停机，其他一般故障监控系统会自动报警。

（4）通讯功能。利用Profibus现场总线通信方式，实现S7-300西门子PLC与主传动伺服控制器、拨饼伺服控制器、送饼控制器A、送饼控制器B和上位机通讯;利用MPI口可以实现S7-300西门子PLC与远程计算机通讯，利用CP340模块RS232可以实现S7-300西门子PLC与测压仪表通讯，来监控高速压印机压力情况。

（5）系统的开放性。因为西门子变频器系统有很好的开放性，所以本系统属于开放性结构，只要符合西门子协议就可以挂在该系统上。

3 系统的硬件配置

本系统共需96个开关量输入，80个开关量输出，2个模拟量输入，1个RS232通信板，利用Profibus现场总线通信方式，Profibus 现场总线已经成为化开放现场总线的标准，得到许多生产厂家的支持。在本系统采用Profibus-DP总线协议，Profibus-DP是一种优化的通信模块，主要解决设备级的高速数据通信。在这一级，控制器（西门子PLC/PC）通过高速数据总线同分散的现场设备（I/O、驱动器、阀门等）进行通信，传输速率可以达12Mb/s，大距离12Mbt/s时为100m，大距离为200m（1.5Mbit/s）,用中继器可以加长传输距离,多可以挂126个从站，实现S7-300西门子PLC与主传动伺服控制器、拨饼伺服控制器、送饼伺服控制器A、送饼伺服控制器B和上位机通讯。该系统属于中型控制系统。

在本系统中，西门子S7-300西门子PLC配置需要注意以下几个问题:（1）CPU右边安装不过8个模块;（2）能够插入模块数（SM、FM、CP）受他们从S7-300西门子PLC背板总线电流数值的限制。对于本系统CPU315-2DP,装在一个机架上8个模块从S7-300西门子PLC背板总线电流数值不要过1.2A;（3）S7-300西门子PLC模块的排列次序为SM/FM/CP.

4 系统的软件编程

利用西门子plc编程软件STEP7软件对系统的软件编程。用STEP7软件对系统进行硬件组态，然后再用STEP7软件编程，允许结构化程序，也就是说可以将程序分解为单个的、自成体系的程序。本机把控制系统分解成3个部分，即3个控制功能块FB，后通过系统组织块OB1，调用3个控制功能块FB（用CALL指令调用）。采用这样的结构有如下优点:大规模程序容易理解;可以对单个程序进行标准化;程序组织简化;其中大优点是有利于整套控制系统的调试、维护。

在为S7-200西门子PLC及西门子模块设计布线时，提供一个同时从S7-200西门子plc电源、所有的输入、输出线路切断电源的单个断路开关。提供过电流保护，例如熔丝或断路器，以便限制供电线路上的可能遭受雷电电涌袭击的所有线路安装适当的电涌抑制设备。尽量避免将低压信号线路和与西门子触摸屏通讯电缆与交流电线路和高能、快速切换直流电线路安装在同一个线路盒内。始终成对布线，将零线尽量使用短的线路，确保线路型号适当，可负载要求的电流。接头可接受2 mm2至0.3 mm2（14 AWG至22AWG）型号的线路。使用屏蔽线路，获得防止电气噪声的保护。在S7-200西门子plc位置将屏蔽线路接地可提供。
在为由外接电源供电的输入线路布线时，请在该线路中包括一台过电流保护设备。由来自S7-200西门子plc的24VDC传感器电源供电的线路无须安装外接保护装置，因为传感器电源已经是限制电流电源。大多数S7-200西门子plc模块有供用户布线的可移动接头。（请参阅《S7-200可编程控制器系统手册》附录A，确定您的模块是否配有可移动接头。）欲防止接头松脱，核实接头已安装稳妥。

    为了帮助预防安装设备中出现不需要的电流，S7-200西门子plc在某些点提供绝缘界限。当您为系统规划布线时，应当考虑这些绝缘界限。请参阅《 S7-200可编程控制器系统手册》附录A，了解所提供的绝缘数量和绝缘界限位置。评级1500VAC的绝缘界限不能被视作
所有电气装置适当接地和布线对于帮助确保系统的操作以及为应用程序和西门子PLC的S7-200提供附加电气噪声保护十分重要。
先决条件
在您为任何电气设备接地或安装布线之前，核实该装置的电源已经关闭。此外，核实通往任何相关装置的电源已经关闭。
在为西门子PLC的S7-200和相关装置布线时，请务必遵循所有适用的电气准则。根据所有适用的国家和地方标准安装和操作所有的装置。请与您所
在地的管理部门联系，确定适用于您的具体情形的准则和标准。
    警告：在接通电源的情况下尝试安装或布线威纶触摸屏或相关装置会造成电击或装置操作发生故障。
    在安装或移除程序中不禁用西门子PLC的S7-200及相关装置的所有电源会导致死亡或严重人身伤害和或装置损坏。始终遵循适当的措施，并确保在尝试安装或移除S7-200西门子plc或相关装置之前已经禁用S7-200西门子plc的电源。
在您设计S7-200西门子plc系统的接地和布线时，始终考虑因素。电子控制设备（例如S7-200）可能发生故障和引起控制或监管的设备出现意外操作状况。因此，您应当安装与S7-200西门子plc分开的装置，以便预防可能造成的人身伤害或设备损坏。
    警告：当TPC1162HI昆仑通态触摸屏控制设备在不的条件下可能出现故障，导致控制装置出现意外操作状况。此类意外操作状况可请考虑使用与S7-200分开安装的紧急情况停止功能、机电越权或其他冗余设施。
绝缘指南
    S7-200西门子plc的AC的交流电线路电源界限和I/O界限为1500VAC。这些绝缘界限经过检查和核准，可在交流电线路和低压线路之间提供双倍绝缘。所有与S7-200西门子plc连接的低压线路（例如24V电源）均需由经核准提供绝缘的交流电线路和其他高压线路供电。此类来源包括在电气标准中定义的双重绝缘，并配有根据不同标准评级为SELV、PELV、二类或有限电压的输出。

安装西门子PLC或西门子plc模块

安装S7-200西门子plc十分简便。只需遵循以下步骤。
面板安装
1. 使用上表中的尺寸，定位、钻孔和轻敲安装孔（M4或美准8号）。
2. 用适当的螺丝将模块固定在面板上。
3. 如果您使用的是扩充模块，将扩充模块带状电缆与存取门下方的扩充端口接头连接。
DIN横杆安装
1. 每隔75毫米将横杆固定在安装面板上。
2. 咔嚓一声打开（位于模块底部的）DIN夹片，并将模块背面扣在DIN横杆上。
3. 如果您使用的是西门子plc模块，将扩充模块带状电缆与存取门下方的扩充端口接头连接。
4. 将西门子plc模块向下旋转至DIN横杆位置，咔嚓一声将夹片关闭。请仔细检查夹片是否夹紧，模块是否地固定在横杆上。为了避免损坏模块，按安装孔的标记，而不要直接按模块前侧。

提示如果MT6100IV5威纶触摸屏位于的环境带有高振荡电位或者西门子PLC沿垂直方向安装，使用DIN横杆阻块可能会有帮助。如果系统位于高振荡环境，则面板安装S7-200西门子plc会提供较高的振荡保护水平。

取出CPU或西门子plc模块欲取出S7-200西门子plc模块，请遵循以下步骤：1. 断开S7-200西门子plc的电源。2. 断开所有与模块连接的线路和电缆。大多数S7-200西门子plc和扩充模块配有可移动接头，便于完成此项工作。3. 如果扩充模块与您正在移除的装置连接，打开存取盖门，并从相临的模块上断开扩充模块带状电缆连接。4. 松开安装螺丝或咔嚓一声松开DIN夹片。5. 取出模块。

取出和重新西门子plc安装终端块接头大多数西门子模块配有可移动接头，便于安装和替换模块。请参阅《S7-200可编程控制器系统手册》附录A，确定您的S7-200西门子plc模块是否配有可移动接头。您可以为未配备可移动接头的模块订购供选用扇出接头。订购号码请参阅《 S7-200可编程控制器系统手册》附录E。

1. 打开接头门，可接触接头。2. 在接头中部的槽口中插入一把小螺丝。3. 将螺丝朝与西门子PLC外壳相反的方向旋转，取出终端接头。

欲重新安装接头
1. 打开接头门。
2. 将接头与装置上的针对齐，并将接头底座轮圈中的接头布线边缘对齐。
3. 用力向下按，旋转接头，直至咔嚓一声就位。请仔细检查，核实接头已适当对齐，并就位。

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