基于西門子PLC S5器件實現(xiàn)多電機交流控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

1 、前言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，多電機交流控制系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于造紙、化工、鋼鐵、食品等工業(yè)領(lǐng)域，而且形成了各自獨特的變頻器控制系統(tǒng)。在實際運行中，這樣的控制系統(tǒng)具有可靠性強、抗干擾率高，但相應(yīng)的維護費用卻隨著時日的推移而越來越高。比如，某類型的變頻器采用其獨特的通訊協(xié)議和通訊接口，一旦通訊故障所造成的通訊接口板燒毀將直接導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰，除非購買該型號的通訊接口；同樣如果該變頻器由于燒毀，亦需要購買同型號的變頻器；另外，系統(tǒng)要升級換代，必須全面更換所有變頻器。如此一來，采購費用巨大、備品庫存積壓等現(xiàn)象將不可避免地存在。

本文將引入一種基于現(xiàn)場總線的多電機交流控制系統(tǒng)，它結(jié)合了目前最主流的現(xiàn)場總線技術(shù)，并考慮了實際應(yīng)用的便利性，從總線引入、硬件組構(gòu)、軟件原理三方面出發(fā)詳細闡述了該多電機交流控制系統(tǒng)的主要特點。

2 、現(xiàn)場總線Profibus的引入

現(xiàn)場總線Profibus，即Process fieldbus ，它自1984年開始研制現(xiàn)場總線產(chǎn)品，經(jīng)過十多年的開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用，Profibus已成為歐洲首屈一指的開放式現(xiàn)場總線系統(tǒng)。目前PNO（Profibus用戶組織）已擁有600多個成員，生產(chǎn)近千種產(chǎn)品。Profibus產(chǎn)品在歐洲市場占有率大于40％，廣泛應(yīng)用于加工自動化、樓宇自動化、過程自動化、發(fā)電與輸配電等領(lǐng)域。

Profibus以ISO7498為基礎(chǔ)，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（OSI，Open system interconnection）作為參考模型，定義了物理傳輸特性，總線存取協(xié)議和應(yīng)用功能。Profibus-DP，Profibus-PA和Profibus-FMS構(gòu)成了Profibus家族。其中Profibus-DP（Decentralized Periphery）是一種高速和便宜的通信連接，它專門設(shè)計為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散的I/O之間進行通信使用。使用Profibus-DP模塊可取代24伏或4～20毫安的串聯(lián)式信號傳輸。直接數(shù)據(jù)鏈路映像（DDLM）提供的用戶接口，使得對數(shù)據(jù)鏈路層的存取變得簡單方便，傳輸可使用RS－485傳輸技術(shù)或光纖媒體。本文介紹的就是DP部分。

標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線Profibus DP的硬件由主設(shè)備、從設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)路等三部分組成。其中主設(shè)備用以控制總線上的數(shù)據(jù)傳輸，且在沒有提供外部請求時發(fā)送信息和被授權(quán)可訪問總線；從設(shè)備是相對于主設(shè)備而言較為簡單的外部設(shè)備，且未被授權(quán)訪問總線；網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)路如傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)鏈接器，前者如屏蔽雙絞電纜構(gòu)成電氣網(wǎng)絡(luò)、用塑料或玻璃纖維光纜構(gòu)成的光纖網(wǎng)絡(luò)、或是基于兩種媒介之間由OLM轉(zhuǎn)換的混合網(wǎng)絡(luò)，后者如RS485總線連接器、RS485總線終端、RS485中繼器、光鏈路模塊OLM等。

在多電機交流控制系統(tǒng)中，存在著電機控制點、各交流變頻器分布線長而且分散的特點，采用現(xiàn)場總線技術(shù)可以在控制室內(nèi)和現(xiàn)場操作臺各裝設(shè)分布式I/O模塊，聯(lián)成總線網(wǎng)絡(luò)，以數(shù)字方式來進行控制數(shù)據(jù)的串行傳輸，這樣一來，控制系統(tǒng)將具有更佳的抗干擾能力，所提供給變頻器的參考值亦比較精確。

3 、多電機交流控制系統(tǒng)的硬件組構(gòu)

圖一（左）是多電機交流控制系統(tǒng)的硬件聯(lián)絡(luò)圖。由圖中可知，現(xiàn)場總線Profibus的主設(shè)備采用了西門子可編程控制器PLC S5，通過IM308接口模塊再與Profibus總線聯(lián)絡(luò)。做為主設(shè)備，PLC S5負責(zé)讀取懸掛在總線上的所有分布式I/O模塊的變頻器狀態(tài)字（包括數(shù)字量和模擬量），同時進行變頻器控制字（包括數(shù)字量和模擬量）的傳送。從設(shè)備為分布式輸入輸出模塊ET200， 每一個ET200從站可以掛接最大至32個的數(shù)字量或模擬量輸入輸出卡（如DI、DO、AI、AO等）， 并通過對于ET200從站接口卡IM318進行地址DIP設(shè)置后即可確認該掛接的I/O卡的地址值。

由于ET200從站的遠程分布特性，因此在變頻器較為集中的地方進行設(shè)置相應(yīng)的從站，并對相關(guān)聯(lián)的變頻器進行點對點的連接，具體接線方式如圖一（右）所示。所有的變頻器都有I/O接口，包括數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出。其中數(shù)字量輸入有正向啟動、反向啟動、外部故障（如電機溫升等）、點動、使能、設(shè)定頻率啟動等，數(shù)字量輸出包括變頻器運行信號、故障信號、運行頻率區(qū)間信號、報警信號等；模擬量輸入輸出必須先進行U/I方式的設(shè)定，以確認4～20mA信號抑或0～10V信號，其中模擬量輸入主要為設(shè)定速度或頻率的參考值，模擬量輸出為電流實際值、速度實際值、頻率實際值、DC回路電壓值等。

多電機交流控制系統(tǒng)的硬件組構(gòu)相對簡單，以可編程控制器為中心，通過Profibus總線依次連接了相關(guān)聯(lián)的ET200從站組，并通過各從站組連接相應(yīng)的變頻器組。其中總線采用電氣雙絞線路，布線明了；從ET200從站到關(guān)聯(lián)變頻器組采用較短的控制線路連接即可。此傳輸數(shù)據(jù)方式以串行的數(shù)字方式為主、只有在到達變頻器時才又采用部分模擬信號，因此絲毫不影響傳輸數(shù)據(jù)的可靠性和抗擾性。

4、 多電機交流控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

4.1 多電機交流控制系統(tǒng)的軟件流程

基于現(xiàn)場總線的多電機交流控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括以下幾點，如圖二（左）所示：

1） PLC IM308接口模塊的初始化：在現(xiàn)場總線啟動前，必須先配置Profibus總線，并分配各個總線站的參數(shù)（總線上的傳輸速率、總線的標(biāo)準(zhǔn)（一般為DP-Standard）、設(shè)定故障模式（包括診斷設(shè)置和診斷地址等）。［page］

2） 讀取1＃變頻器的狀態(tài)字和實際值：通過連接在變頻器端的ET200從站的I/O端子，通過對遠程I/O的操作，讀取變頻器的狀態(tài)字（數(shù)字量）和實際值（模擬量）。

3） 判斷變頻器是否處于故障，如故障則報警存檔，否則根據(jù)系統(tǒng)的要求輸出模擬量值到連接1＃變頻器端ET200從站的I/O端子，包括控制字和設(shè)定值。

4） 重復(fù)2、3步驟，依次對2＃、3＃、4?！璑＃變頻器進行讀寫操作。

4.2 多電機交流控制系統(tǒng)的邏輯控制原理

邏輯控制是指變頻器與其它外部控制信號間實現(xiàn)對特定設(shè)備的開啟和運行進行邏輯互鎖。比如在紙廠對供料泵進行變頻控制時，改供料泵開啟的必要條件有：（1）閥門打開到位；（2）料罐液位正常；（3）供料泵密封水正常。如果此3條件缺少任何一個，將不能開啟該設(shè)備。而該供料泵持續(xù)運行的條件，除以上3個條件，尚需增加管路流量、壓力正常這一條件，否則將自動停止供料泵的運行。

邏輯控制的目的是為了保護人身安全、保證設(shè)備正常和穩(wěn)定生產(chǎn)質(zhì)量，因此在多電機交流控制中對其進行邏輯互鎖的保護是必不可少的一步。

4.3 變頻器的閉環(huán)控制原理

通常情況下，變頻器以開環(huán)方式運行，但對于較高的生產(chǎn)要求時，尤其在多電機交流傳動控制中，變頻器必須在閉環(huán)控制下才能達成生產(chǎn)所需的目標(biāo)。比如膠片機、冷軋機、造紙機等連續(xù)性生產(chǎn)線，閉環(huán)控制尤其重要。

在圖二（右）圖中，變頻器是以閉環(huán)控制進行工作。其中電流內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)矩控制直接由變頻器內(nèi)部完成，未在本圖中注明。圖中描述的是速度控制閉環(huán)，從模擬輸入信號（按照各變頻器的說明書來決定是電流或電壓信號，并且需設(shè)置好相應(yīng)的DIP開關(guān)和參數(shù)），通過最高和最低頻率的限定，即與從速度傳感器反饋回來經(jīng)過濾的信號相比后，進入PID控制（PID的參數(shù)可在變頻器參數(shù)中整定），再通過斜率發(fā)生器（包括RAMP ON TIME / RAMP DOWN TIME）后，直接進入電流環(huán)控制電機的輸出。如此就構(gòu)成了變頻器的閉環(huán)控制。

5、 結(jié)束語

通過對本系統(tǒng)的建構(gòu)，能廣泛應(yīng)用于小型漿紙廠、粉末加工廠、樓宇風(fēng)泵控制等領(lǐng)域。由于它通過一種開放式、具有IEC標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線Profibus系統(tǒng)進行組構(gòu)，因此具有（1）低柔性的修改和擴展功能；（2）實現(xiàn)分布式控制，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高控制精度；（3）降低系統(tǒng)的不可靠性，增強可維護的功能。

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