基于PROFIBUS-DP總線的變頻器控制系統(tǒng)

現(xiàn)場總線是一種計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，這個網(wǎng)絡(luò)上的每一個節(jié)點(diǎn)就是一個智能化設(shè)備。現(xiàn)場總線由網(wǎng)絡(luò)通信、功能模塊、對象字典和設(shè)備描述、網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)管理等部分組成。現(xiàn)場總線技術(shù)是3C技術(shù)(computer, control, communication),是從控制層發(fā)展到工藝設(shè)備現(xiàn)場的技術(shù)結(jié)果。

1 現(xiàn)場總線PROFIBUS的引入

PROFIBUS以IS07498為基礎(chǔ)，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)OSI(open system interconnection昨為參考模型，定義了物理傳輸特性、總線存取協(xié)議和應(yīng)用功能。PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery), PROFIBUS-P A(ProcessAutomation), PROFIBUS-FMS(Fieldbus MessageSpecification)構(gòu)成了PROFIBUS家族。其中PROFIBUS-DP是一種高速和便宜的通信連接，使用了第1層第2層和用戶接口，第3一7層未加以描述，這種流體型結(jié)構(gòu)確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖俸陀行?。它是專門為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備分散的vO之間進(jìn)行的通信而設(shè)計的。使用PROFIBUS一DP模塊可取代24V或4 ---2(hnA的串聯(lián)式信號傳輸，減少投資成本。直接數(shù)據(jù)鏈路映像(DDLM)提供的用戶接a，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一485傳輸技術(shù)或光纖媒體。

PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的硬件由主設(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，前者用屏蔽雙絞電纜構(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。LM轉(zhuǎn)換的混合網(wǎng)絡(luò);后者如RS-485總線連接器、RS-485總線終端、RS-485中繼器、光鏈路模塊OLM等。

在很多工業(yè)自動控制系統(tǒng)中，存在著多控制點(diǎn)且各交流變頻分布線長和分散的特點(diǎn)，采用現(xiàn)場總線技術(shù)可以把控制室內(nèi)和現(xiàn)場操作臺所裝備的分布式I10模塊聯(lián)成總線網(wǎng)絡(luò)，以數(shù)字方式來進(jìn)行控制數(shù)據(jù)的串行傳輸，控制系統(tǒng)將具有更佳的抗干擾能力，提供給變頻器的參考值也比較精確。

2 PROFIBUS-DP的變頻器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)以SIMENS公司的相關(guān)產(chǎn)品為例介紹現(xiàn)場總線系統(tǒng)的組成。作為PROFIBUS-DP網(wǎng)的典型配置如附圖所示，PLC(SIMATIC S7-300或S7-400系列)做為一級DP站，通過通信模塊再與PROFIBUS總線聯(lián)絡(luò)，作為主設(shè)備，它負(fù)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(jìn)行變頻器控制字(包括數(shù)字量和模擬量)的傳送。組態(tài)軟件WinCC做為二級DP主站，用于系統(tǒng)操作和監(jiān)視等e MM440變頻器加上CB通信板(PROFIBUS通信模塊)后做為從站，可帶這樣的從站32個，如果加上中繼器，最多可達(dá)125個從站，MM440是MICROMASTER4系列變頻器中的頂尖機(jī)型，而且有更加精確的控制功能，適應(yīng)多種應(yīng)用場合，除了包含MM420所具有的安裝簡便和用戶友好的優(yōu)勢外，它還具有快速的輸人響應(yīng)、優(yōu)化的矢量控制等特點(diǎn)。另外內(nèi)置制動單元，使變頻器在制動和減速方面，具有優(yōu)良的功能品質(zhì)。正因為所有的變頻器都有I/O接口，包括數(shù)字量、模擬量，其中數(shù)字量輸人有正向啟動、反向啟動、外接故障(如設(shè)備溫升等)、點(diǎn)動、使能，設(shè)定音頻啟動等，數(shù)字量輸出包括變頻器運(yùn)行信號、故障信號、運(yùn)行頻率區(qū)間信號、報警信號等。模擬量輸人/輸出必須進(jìn)行UII方式的設(shè)定，以確認(rèn)4-20mA信號或0-10V信號，其中模擬量輸人主要為設(shè)定速度或頻率的參考值，模擬量輸出為電流實(shí)際值、速度實(shí)際值、頻率實(shí)際值、DC回路電壓值等，又因數(shù)據(jù)傳輸方式以串行的數(shù)字方式為主，只有在到達(dá)變頻器時才又采用部分模擬信號.所以絲毫不影響傳輸數(shù)據(jù)的可靠性和抗干擾性。

在變頻器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，PROFIBUS一DP的通信協(xié)議的信息幀分為協(xié)議頭、用戶數(shù)據(jù)和協(xié)議尾。用戶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被指定為參數(shù)過程數(shù)據(jù)對象((PPO)，有的用戶數(shù)據(jù)帶有參數(shù)區(qū)域和過程數(shù)據(jù)區(qū)域，而有的用戶數(shù)據(jù)僅由過程數(shù)據(jù)組成。變頻傳動定義了5種PPO類型，MICROMASTER4僅支持PPO型1和型30參數(shù)值PKW是變頻器運(yùn)行要定義的一些功能碼，如最大頻率、基本頻率、加/減速時間等，過程數(shù)據(jù)PZD用傳輸控制字和設(shè)定值(主一變頻器)或狀態(tài)字和實(shí)際值〔變頻器一主)等輸人l出的數(shù)據(jù)值。

MICROMASTER4系列變頻器與SIMATIC S7-300通信，必須完成下列變頻器功能碼的設(shè)置:P918(PROFIBUS地址)，設(shè)定值可以是1一125, PI000(頻率設(shè)定值的選擇)=6(CB通信板)，P2041.00(CB參數(shù))=3(PP03), P2040(CB停止報文時間)>0, P927(修改參數(shù)的途徑)=1(COMMS摸板)，P700(選擇命令源)=b(PROFIBUSIFieldbus通信鏈路現(xiàn)場總線)。

工業(yè)組態(tài)軟件WinCC提供各種PLC的驅(qū)動程序，本文實(shí)例要建一個PROFIBUS一DP的二級主站，所以選擇支持S7協(xié)議的通信驅(qū)動程序SIIvIATIC S7 Protocol Suite，在其中的“PROFIBUS”下連接一臺57一300 PLC，設(shè)置參數(shù)時必須與PLC中的設(shè)置相同。在編程軟件STEP?中完成硬件網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，為變頻器分配網(wǎng)絡(luò)地址，該地址必須與變頻器CB板中設(shè)置相同，在組織塊OB中選用SFC 14 "DPRD DAT" ,SFCIS "DPWR DAT"系統(tǒng)功能塊向變頻器的CB模塊接收/發(fā)送過程數(shù)據(jù)。

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

組態(tài)監(jiān)控軟件

該系統(tǒng)監(jiān)控軟件主要采用了SIMEIVS公司的WinCC5.0組態(tài)軟件，WinCC是在生產(chǎn)和過程自動化中解決可視化和控制任務(wù)的工業(yè)技術(shù)中性系統(tǒng)，它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模塊，高性能的過程禍合、快速的畫面更新以及可靠的數(shù)據(jù)，使其具有高度的實(shí)用性，它使用在Windows NT, Windows2fl00系統(tǒng)平臺上。該系統(tǒng)軟件具有生產(chǎn)的控制與操作、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和記錄功能、超限值及開關(guān)動作報警和友好的人機(jī)界面及各種圖表顯示、圖形曲線報表顯示與打印的功能。

通信控制軟件

(1)PLC通信接b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)。

(2)讀取1#變頻器的狀態(tài)字和實(shí)際值:通過連接在變頻器端從站的vo端子，通過對遠(yuǎn)程uo的操作，讀取變頻器的狀態(tài)字(數(shù)字量)和實(shí)際值〔模擬量)。

(3)判斷變頻器是否處于故障，如故障報警存檔否則根據(jù)系統(tǒng)的要求輸出模擬量值到連接1#變頻器端的從站IIO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#....n#變頻器進(jìn)行讀寫操作。

現(xiàn)場總線技術(shù)(FCS)作為新一代控制系統(tǒng)，是分散控制型控制系統(tǒng)的繼承、延伸和進(jìn)一步發(fā)展，更適合工廠綜合自動化的要求。采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的變頻器控制系統(tǒng)，將增強(qiáng)整個系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性，使它具有低柔性的修改和擴(kuò)展功能。實(shí)現(xiàn)了分布式控制，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度、控制精度。西門子變頻器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用于造紙、加工制造、煉鋼、水處理等多個項目中。