基于PROFIBUSDP的變頻器網(wǎng)絡(luò)控制

磁懸浮列車牽引控制系統(tǒng)的主要特點是：基于直線同步電機(jī)運(yùn)動原理，在考慮效率和功率需求下，采用定子區(qū)段方式的長定子一直線磁場電動機(jī)的大規(guī)模、復(fù)雜、高實時性分布分散式的電力拖動控制系統(tǒng)。為避免列車在通常兩段定子段轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)推力損失的干擾問題，設(shè)置兩根平行于列車軌道的定子繞組結(jié)構(gòu)，應(yīng)用區(qū)段轉(zhuǎn)換方法可以解決LI]。在實際的磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)下，搭建基于PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的變頻器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中主站與從站的數(shù)據(jù)交換及整個系統(tǒng)監(jiān)控，對于研究和模擬基于牽引供電系統(tǒng)電力投切邏輯順序，以及長定子換流方法的磁懸浮列車的牽引控制有重要意義。

1 模擬控制系統(tǒng)的PR0FIBUS—DP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1 具有變頻器的PROFIBUS-DP總線控制特點PROFIBU DP是一種針對較復(fù)雜設(shè)備的數(shù)字與模擬信號量傳遞的高速字節(jié)等級的設(shè)備總線通信系統(tǒng)，一般以在RS485網(wǎng)絡(luò)中的主站與從站之間周期數(shù)據(jù)交換形式運(yùn)行。這種所分配的主站輪尋網(wǎng)絡(luò)中對應(yīng)的從站是確定性總線的訪問技術(shù)。其特點是：主站與從站之間的數(shù)據(jù)交換都是由主站設(shè)備發(fā)起的，從站無總線訪問權(quán)，且各從站具有相同的優(yōu)先級。PROFIBUS—DP在多變頻器系統(tǒng)中的應(yīng)用有很大的優(yōu)越性：1)各個對象可在不同的應(yīng)用場合下，采用多種傳輸介質(zhì)，以一條傳輸介質(zhì)即可實現(xiàn)所有設(shè)備對象的互聯(lián)；2)采用數(shù)字信號技術(shù)，降低信號干擾，還可實現(xiàn)檢錯功能，從而極大地提高信號傳輸?shù)目煽啃院途龋?)變頻器智能性和可靠性的提高，使其現(xiàn)場處理數(shù)據(jù)的功能增強(qiáng)，簡化了設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。這類現(xiàn)場總線的分散性和變頻器本身智能性的統(tǒng)一，使得整個控制系統(tǒng)的可靠性得到加強(qiáng)；4)變頻器控制算法的實現(xiàn)由主站控制器實現(xiàn)，針對不同的應(yīng)用，僅需重新設(shè)計控制軟件，提高了系統(tǒng)的靈活性；5)開放型網(wǎng)絡(luò)使得不同的變頻器產(chǎn)品可掛接在同一網(wǎng)絡(luò)中，共同實現(xiàn)控制。

1.2 模擬系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)

磁懸浮列車系統(tǒng)主要由下列子系統(tǒng)構(gòu)成：1)運(yùn)行控制子系統(tǒng)，其完成列車安全監(jiān)控，列車給定信息的生成和實際信息的收集，并生成相應(yīng)的運(yùn)行控制命令發(fā)布給牽引控制子系統(tǒng)；2)牽引控制子系統(tǒng)，其接收運(yùn)行控制子系統(tǒng)所發(fā)布的信息和命令，來完成基于直線同步電機(jī)為基本控制對象的控制任務(wù)，并根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)控制長定子的換流控制等；3)聯(lián)系各子系統(tǒng)，功能、設(shè)備的通信子系統(tǒng)。磁懸浮列車系統(tǒng)是一類結(jié)構(gòu)分散，功能分層的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。為模擬長定子換流過程，將分成3層功能：上位機(jī)監(jiān)控、現(xiàn)場控制器及現(xiàn)場各執(zhí)行設(shè)備，它們通過兩層網(wǎng)絡(luò)來聯(lián)系。

1.2.1 工業(yè)以太網(wǎng) SIMATIC 控制系統(tǒng)通過CP343—1及上位PC機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)接口卡(NIC)連接到工業(yè)以太網(wǎng)中。上位機(jī)(安全計算機(jī)、監(jiān)控計算機(jī))應(yīng)用SIEMENS提供的以太網(wǎng)軟件SOFTNET所提供的函數(shù)，嵌入Windows應(yīng)用程序中完成與SIMATIC系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，以完成上位機(jī)的監(jiān)視和安全控制功能。

1.2.2 PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)

PROFBUS—DP是本系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為線性總線型。系統(tǒng)采用CPU315—2DP作為PROFIBUS一DP網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)場主控制器，同時在主槽中通過背板連接數(shù)字I／O顯示系統(tǒng)本身的網(wǎng)絡(luò)通信、程序控制運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)遠(yuǎn)程I／O從站采用ET200M 分布式I／O系統(tǒng)，通過此I／O系統(tǒng)模擬電力開關(guān)站投切邏輯關(guān)系和遠(yuǎn)程監(jiān)控[2]。系統(tǒng)控制對象采用了CT公司具有PROFIBUS—DP 網(wǎng)絡(luò)接口的UD73可選模塊的變頻器。同時，此模塊具有RS485／232串行通信接口和針對變頻驅(qū)動器軟件控制的操作系統(tǒng)，相應(yīng)的驅(qū)動器編程語言DPL，可實現(xiàn)變頻器局部自我控制。為實現(xiàn)各個軟件層(PRCIFIBUS-DP中主站的STEP 7控制程序，CT變頻器組局部控制DPL程序)中程序運(yùn)行的變量值、狀態(tài)的可視化及便于進(jìn)行相應(yīng)程序調(diào)試，將主站通過MPI接口與程序監(jiān)控機(jī)，變頻器通過UD73提供的串口與變頻器監(jiān)控機(jī)。

3 PROFIBUS—DP 網(wǎng)絡(luò)中通信與監(jiān)控的實現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)的硬件及通信要求，由STEP 7軟件進(jìn)行硬件和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。根據(jù)硬件組態(tài)分配的從站PROFIBUS-DP地址和中央插槽I／O地址實現(xiàn)控制與通信。

3.1 模擬系統(tǒng)各I／O定義

根據(jù)系統(tǒng)要求的功能和組態(tài)過程中定義的I／O地址，對兩類I／O功能定義做如下簡述：

1)ET200M 構(gòu)成的分散型I／O 系統(tǒng)完成變頻I／O控制。主要的I／O 功能：禁止運(yùn)行、正常運(yùn)行準(zhǔn)備、啟動、恢復(fù)上一時刻的速度值、恢復(fù)初始速度、加速、減速等輸入控制；運(yùn)行故障、運(yùn)行準(zhǔn)備(懸浮準(zhǔn)備好)、正常運(yùn)行、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)、電力供應(yīng)狀態(tài)等輸出控制與監(jiān)視。其中對于多點同時有信號情況下，在軟件中根據(jù)模擬系統(tǒng)要求實現(xiàn)各控制輸入優(yōu)先級。

2)中央插槽中的I／O 監(jiān)視端口定義：控制器自身狀態(tài)(可實現(xiàn)控制功能否)；以太網(wǎng)運(yùn)行正常；PROFIBUS—DP運(yùn)行正常等輸出監(jiān)視。

3.2 主站與變頻器數(shù)據(jù)交換

變頻器可選模塊UD73提供用于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制的數(shù)據(jù)通道，表1對于它們的數(shù)據(jù)通道及映射參數(shù)含義進(jìn)行了描述。通過設(shè)定UD73模塊中的參數(shù)#20。05(設(shè)置變頻器的PROFIBUS-DP地址參數(shù))為組態(tài)中所分配的地址，實現(xiàn)與主站連接。

由于應(yīng)用MOVE指令來訪問I／O或過程鏡像輸入輸出表時僅能一次讀出不多于4個字節(jié)的連續(xù)數(shù)據(jù) ，為保證通信數(shù)據(jù)的連續(xù)性(這種連續(xù)性實現(xiàn)數(shù)據(jù)作為一個整體連續(xù)發(fā)送而不被中斷，以防止由于中斷而帶來控制上的可能嚴(yán)重后果)，通常主站與從站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換過程中以連續(xù)的8個字節(jié)進(jìn)行其間的數(shù)據(jù)交換。這樣就需要應(yīng)用SFC14(DPRD—DAT)和SFC15(DPWR—DAT)來完成，下面為實際應(yīng)用程序中應(yīng)用這兩個系統(tǒng)功能的實例。