現場(chǎng)總線(xiàn)Profibus在多電機交流控制系統中的應用

1前言

隨著(zhù)現代工業(yè)的高速發(fā)展，多電機交流控制系統已經(jīng)被廣泛地應用于造紙、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。在實(shí)際運行中，這樣的控制系統具有可靠性強、抗干擾率高，但相應的維護費用卻隨著(zhù)時(shí)日的推移而越來(lái)越高。比如，某類(lèi)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致系統的崩潰，除非購買(mǎi)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(mǎi)同型號的變頻器；另外，系統要升級換代，必須全面更換所有變頻器。如此一來(lái)，采購費用巨大、備品庫存積壓等現象將不可避免地存在。
本文將引入一種基于現場(chǎng)總線(xiàn)的多電機交流控制系統，它結合了目前最主流的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，并考慮了實(shí)際應用的便利性，從總線(xiàn)引入、硬件組構、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的主要特點(diǎn)。

2現場(chǎng)總線(xiàn)Profibus的引入

現場(chǎng)總線(xiàn)Profibus，即Processfieldbus，它自1984年開(kāi)始研制現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)十多年的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應用，Profibus已成為歐洲首屈一指的開(kāi)放式現場(chǎng)總線(xiàn)系統。目前PNO（Profibus用戶(hù)組織）已擁有600多個(gè)成員，生產(chǎn)近千種產(chǎn)品。Profibus產(chǎn)品在歐洲市場(chǎng)占有率大于40％，廣泛應用于加工自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、過(guò)程自動(dòng)化、發(fā)電與輸配電等領(lǐng)域。
Profibus以ISO7498為基礎，以開(kāi)放式系統互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )（OSI，Opensysteminterconnection）作為參考模型，定義了物理傳輸特性，總線(xiàn)存取協(xié)議和應用功能。Profibus-DP,Profibus-PA和Profibus-FMS構成了Profibus家族。其中Profibus-DP（DecentralizedPeriphery）是一種高速和便宜的通信連接，它專(zhuān)門(mén)設計為自動(dòng)控制系統和設備級分散的I/O之間進(jìn)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。直接數據鏈路映像（DDLM）提供的用戶(hù)接口，使得對數據鏈路層的存取變得簡(jiǎn)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。
標準現場(chǎng)總線(xiàn)ProfibusDP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，前者如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OLM轉換的混合網(wǎng)絡(luò )，后者如RS485總線(xiàn)連接器、RS485總線(xiàn)終端、RS485中繼器、光鏈路模塊OLM等。
在多電機交流控制系統中，存在著(zhù)電機控制點(diǎn)、各交流變頻器分布線(xiàn)長(cháng)而且分散的特點(diǎn)，采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)可以在控制室內和現場(chǎng)操作臺各裝設分布式I/O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，這樣一來(lái)，控制系統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的硬件組構

圖一（左）是多電機交流控制系統的硬件聯(lián)絡(luò )圖。由圖中可知，現場(chǎng)總線(xiàn)Profibus的主設備采用了西門(mén)子可編程控制器PLCS5，通過(guò)IM308接口模塊再與Profibus總線(xiàn)聯(lián)絡(luò )。做為主設備，PLCS5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。從設備為分布式輸入輸出模塊ET200，每一個(gè)ET200從站可以?huà)旖幼畲笾?2個(gè)的數字量或模擬量輸入輸出卡（如DI、DO、AI、AO等），并通過(guò)對于ET200從站接口卡IM318進(jìn)行地址DIP設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(jìn)行設置相應的從站，并對相關(guān)聯(lián)的變頻器進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的連接，具體接線(xiàn)方式如圖一（右）所示。所有的變頻器都有I/O接口，包括數字量輸入、數字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出。其中數字量輸入有正向啟動(dòng)、反向啟動(dòng)、外部故障（如電機溫升等）、點(diǎn)動(dòng)、使能、設定頻率啟動(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；模擬量輸入輸出必須先進(jìn)行U/I方式的設定，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。
多電機交流控制系統的硬件組構相對簡(jiǎn)單，以可編程控制器為中心，通過(guò)Profibus總線(xiàn)依次連接了相關(guān)聯(lián)的ET200從站組，并通過(guò)各從站組連接相應的變頻器組。其中總線(xiàn)采用電氣雙絞線(xiàn)路，布線(xiàn)明了；從ET200從站到關(guān)聯(lián)變頻器組采用較短的控制線(xiàn)路連接即可。此傳輸數據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，因此絲毫不影響傳輸數據的可靠性和抗擾性。

4多電機交流控制系統的軟件設計

4.1多電機交流控制系統的軟件流程
基于現場(chǎng)總線(xiàn)的多電機交流控制系統的軟件設計包括以下幾點(diǎn)，如圖二（左）所示：
1）PLCIM308接口模塊的初始化：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）。