基于PROFIBUS-DP總線(xiàn)的變頻器控制系統

現場(chǎng)總線(xiàn)是一種計算機網(wǎng)絡(luò )，這個(gè)網(wǎng)絡(luò )上的每一個(gè)節點(diǎn)就是一個(gè)智能化設備?，F場(chǎng)總線(xiàn)由網(wǎng)絡(luò )通信、功能模塊、對象字典和設備描述、網(wǎng)絡(luò )管理、系統管理等部分組成。現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是3C技術(shù)(computer, control, communication),是從控制層發(fā)展到工藝設備現場(chǎng)的技術(shù)結果。

1 現場(chǎng)總線(xiàn)PROFIBUS的引入

PROFIBUS以IS07498為基礎，以開(kāi)放式系統互聯(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(xiàn)存取協(xié)議和應用功能。PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery), PROFIBUS-P A(ProcessAutomation), PROFIBUS-FMS(Fieldbus MessageSpecification)構成了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(hù)接口，第3一7層未加以描述，這種流體型結構確保了數據傳輸的快速和有效。它是專(zhuān)門(mén)為自動(dòng)控制系統和設備分散的vO之間進(jìn)行的通信而設計的。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。直接數據鏈路映像(DDLM)提供的用戶(hù)接a，使得對數據鏈路層的存取變得簡(jiǎn)單方便，傳輸可使用RS一485傳輸技術(shù)或光纖媒體。

PROFIBUS-DP現場(chǎng)總線(xiàn)的硬件由主設備、從設備、網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)路等三部分組成。其中主設備用以控制總線(xiàn)上的數據傳輸，且在沒(méi)有提供外部請求時(shí)發(fā)送信息和被授權可訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)，從設備是相對于主設備而言較為簡(jiǎn)單的外部設備，且未被授權訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn);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成電氣網(wǎng)絡(luò )，用塑料或玻璃纖維光纜構成的光纖網(wǎng)絡(luò )，或是基于兩種媒介之間由。LM轉換的混合網(wǎng)絡(luò );后者如RS-485總線(xiàn)連接器、RS-485總線(xiàn)終端、RS-485中繼器、光鏈路模塊OLM等。

在很多工業(yè)自動(dòng)控制系統中，存在著(zhù)多控制點(diǎn)且各交流變頻分布線(xiàn)長(cháng)和分散的特點(diǎn)，采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)可以把控制室內和現場(chǎng)操作臺所裝備的分布式I10模塊聯(lián)成總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，以數字方式來(lái)進(jìn)行控制數據的串行傳輸，控制系統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的變頻器控制系統結構

現以SIMENS公司的相關(guān)產(chǎn)品為例介紹現場(chǎng)總線(xiàn)系統的組成。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(guò)通信模塊再與PROFIBUS總線(xiàn)聯(lián)絡(luò )，作為主設備，它負責讀取懸掛在總線(xiàn)上的所有分布式I/O模塊的變頻器狀態(tài)字(包括數字量和模擬量)，同時(shí)進(jìn)行變頻器控制字(包括數字量和模擬量)的傳送。組態(tài)軟件WinCC做為二級DP主站，用于系統操作和監視等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(gè)，如果加上中繼器，最多可達125個(gè)從站，MM440是MICROMASTER4系列變頻器中的頂尖機型，而且有更加精確的控制功能，適應多種應用場(chǎng)合，除了包含MM420所具有的安裝簡(jiǎn)便和用戶(hù)友好的優(yōu)勢外，它還具有快速的輸人響應、優(yōu)化的矢量控制等特點(diǎn)。另外內置制動(dòng)單元，使變頻器在制動(dòng)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，包括數字量、模擬量，其中數字量輸人有正向啟動(dòng)、反向啟動(dòng)、外接故障(如設備溫升等)、點(diǎn)動(dòng)、使能，設定音頻啟動(dòng)等，數字量輸出包括變頻器運行信號、故障信號、運行頻率區間信號、報警信號等。模擬量輸人/輸出必須進(jìn)行UII方式的設定，以確認4-20mA信號或0-10V信號，其中模擬量輸人主要為設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，又因數據傳輸方式以串行的數字方式為主，只有在到達變頻器時(shí)才又采用部分模擬信號.所以絲毫不影響傳輸數據的可靠性和抗干擾性。

在變頻器現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統中，PROFIBUS一DP的通信協(xié)議的信息幀分為協(xié)議頭、用戶(hù)數據和協(xié)議尾。用戶(hù)數據結構被指定為參數過(guò)程數據對象((PPO)，有的用戶(hù)數據帶有參數區域和過(guò)程數據區域，而有的用戶(hù)數據僅由過(guò)程數據組成。變頻傳動(dòng)定義了5種PPO類(lèi)型，MICROMASTER4僅支持PPO型1和型30參數值PKW是變頻器運行要定義的一些功能碼，如最大頻率、基本頻率、加/減速時(shí)間等，過(guò)程數據PZD用傳輸控制字和設定值(主一變頻器)或狀態(tài)字和實(shí)際值〔變頻器一主)等輸人l出的數據值。

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置:P918(PROFIBUS地址)，設定值可以是1一125, PI000(頻率設定值的選擇)=6(CB通信板)，P2041.00(CB參數)=3(PP03), P2040(CB停止報文時(shí)間)>0, P927(修改參數的途徑)=1(COMMS摸板)，P700(選擇命令源)=b(PROFIBUSIFieldbus通信鏈路現場(chǎng)總線(xiàn))。

工業(yè)組態(tài)軟件WinCC提供各種PLC的驅動(dòng)程序，本文實(shí)例要建一個(gè)PROFIBUS一DP的二級主站，所以選擇支持S7協(xié)議的通信驅動(dòng)程序SIIvIATIC S7 Protocol Suite，在其中的“PROFIBUS”下連接一臺57一300 PLC，設置參數時(shí)必須與PLC中的設置相同。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板中設置相同，在組織塊OB中選用SFC 14 "DPRD DAT" ,SFCIS "DPWR DAT"系統功能塊向變頻器的CB模塊接收/發(fā)送過(guò)程數據。

4 控制系統的軟件設計

組態(tài)監控軟件

該系統監控軟件主要采用了SIMEIVS公司的WinCC5.0組態(tài)軟件，WinCC是在生產(chǎn)和過(guò)程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的工業(yè)技術(shù)中性系統，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(guò)程禍合、快速的畫(huà)面更新以及可靠的數據，使其具有高度的實(shí)用性，它使用在Windows NT, Windows2fl00系統平臺上。該系統軟件具有生產(chǎn)的控制與操作、數據統計和記錄功能、超限值及開(kāi)關(guān)動(dòng)作報警和友好的人機界面及各種圖表顯示、圖形曲線(xiàn)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:在現場(chǎng)總線(xiàn)啟動(dòng)前，必須先配置PROFIBUS總線(xiàn)，并分配各個(gè)總線(xiàn)站的參數(總線(xiàn)上的傳輸速率，總線(xiàn)的標準(一般為DP-Standard)、設定故障模式(包括診斷設置和診斷地址等)。

(2)讀取1#變頻器的狀態(tài)字和實(shí)際值:通過(guò)連接在變頻器端從站的vo端子，通過(guò)對遠程uo的操作，讀取變頻器的狀態(tài)字(數字量)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系統的要求輸出模擬量值到連接1#變頻器端的從站IIO端子，包括控制字和設定值。

(4)重復(2),(3)步驟，依次對2#、3#、4#....n#變頻器進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)(FCS)作為新一代控制系統，是分散控制型控制系統的繼承、延伸和進(jìn)一步發(fā)展，更適合工廠(chǎng)綜合自動(dòng)化的要求。采用PROFIBUS-DP現場(chǎng)總線(xiàn)的變頻器控制系統，將增強整個(gè)系統的可靠性、可維護性，使它具有低柔性的修改和擴展功能。實(shí)現了分布式控制，提高了系統的響應速度、控制精度。西門(mén)子變頻器現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統已成功應用于造紙、加工制造、煉鋼、水處理等多個(gè)項目中。