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基于Profibus现场总线的多电机交流控制系统设计

文:蔡明学 青岛橡胶轮胎设计院 | 2019年第五期 (0) | (0)

摘要:本文引入基于西门子Profibus现场总线的多电机交流控制系统,它结合了目前最主流的现场总线技术,并考虑了实际应用的便利性,从总线引入、硬件组构、软件原理三方面出发详细阐述了该多电机交流控制系统的主要特点。

关键词:PID;现场总线;交流电机

前言

随着现代工业的高速发展,多电机交流控制系统已经被广泛地应用于造纸、化工、钢铁、食品等工业领域,而且形成了各自独特的变频器控制系统。在实际运行中,这样的控制系统具有可靠性强、抗干扰率高,但相应的维护费用却随着时日的推移而越来越高。比如,某类型的变频器采用其独特的通讯协议和通讯接口,一旦通讯故障所造成的通讯接口板烧毁将直接导致系统的崩溃,除非购买该型号的通讯接口;同样如果该变频器由于烧毁,亦需要购买同型号的变频器;另外,系统要升级换代,必须全面更换所有变频器。如此一来,采购费用巨大、备品库存积压等现象将不可避免地存在。

随着工业生产自动化程度的提高和生产规模的扩大,各种生产输送线的长度和输送功率不断增加。当输送线长度增加到一定程度时,采用单电机驱动就难以满足生产的要求,必须采用多电机同步驱动方式。在多电机同步驱动系统中,特别是各传动电机之间存在一定物理连接的系统中,实践证明,通过反馈调节改变控制量,能使控制电机的转速稳定在给定范围内。但在多电机同步调速系统中,由于各同步电机之间存在严重的耦合作用,某一传动电机转速的偏离往往与传输线上其它电机的转速密切相关,这时若按常规负反馈方法对这一电机施加调节,将可能导致该电机的转速偏离更加严重,最后造成整个传动系统不能正常工作。因而对多电机同步驱动系统,如何实现传动电机的高精度速度同步调速控制,是一个急待解决的实际工程问题。

1.现场总线Profibus

现场总线Profibus,即Processfieldbus,它自1984年开始研制现场总线产品,经过十多年的开发、生产和应用,Profibus已成为欧洲首屈一指的开放式现场总线系统。目前PNO(Profibus用户组织)已拥有600多个成员,生产近千种产品。Profibus产品在欧洲市场占有率大于40%,广泛应用于加工自动化、楼宇自动化、过程自动化、发电与输配电等领域。

Profibus以ISO7498为基础,以开放式系统互联网络(OSI,Opensysteminterconnection)作为参考模型,定义了物理传输特性,总线存取协议和应用功能。Profibus-DP,Profibus-PA和Profibus-FMS构成了Profibus家族。其中Profibus-DP(DecentralizedPeriphery)是一种高速和便宜的通信连接,它专门设计为自动控制系统和设备级分散的I/O之间进行通信使用。使用Profibus-DP模块可取代24伏或4~20毫安的串联式信号传输。直接数据链路映像(DDLM)提供的用户接口,使得对数据链路层的存取变得简单方便,传输可使用RS-485传输技术或光纤媒体。本文介绍的就是DP部分。

标准现场总线ProfibusDP的硬件由主设备、从设备、网络网路等三部分组成。其中主设备用以控制总线上的数据传输,且在没有提供外部请求时发送信息和被授权可访问总线;从设备是相对于主设备而言较为简单的外部设备,且未被授权访问总线;网络网路如传输介质和网络链接器,前者如屏蔽双绞电缆构成电气网络、用塑料或玻璃纤维光缆构成的光纤网络、或是基于两种媒介之间由OLM转换的混合网络,后者如RS485总线连接器、RS485总线终端、RS485中继器、光链路模块OLM等。

在多电机交流控制系统中,存在着电机控制点、各交流变频器分布线长而且分散的特点,采用现场总线技术可以在控制室内和现场操作台各装设分布式I/O模块,联成总线网络,以数字方式来进行控制数据的串行传输,这样一来,控制系统将具有更佳的抗干扰能力,所提供给变频器的参考值亦比较精确。

2.多电机交流控制系统的硬件组构

图1是多电机交流控制系统的硬件联络图。由图中可知,现场总线Profibus的主设备采用了西门子可编程控制器PLCS5,通过IM308接口模块再与Profibus总线联络。做为主设备,PLCS5负责读取悬挂在总线上的所有分布式I/O模块的变频器状态字(包括数字量和模拟量),同时进行变频器控制字(包括数字量和模拟量)的传送。从设备为分布式输入输出模块ET200,每一个ET200从站可以挂接最大至32个的数字量或模拟量输入输出卡(如DI、DO、AI、AO等),并通过对于ET200从站接口卡IM318进行地址DIP设置后即可确认该挂接的I/O卡的地址值。图2为多机电交流控制系统的现场图。

2-基于Profibus现场总线的多电机交流控制系统设计2161.png 

图1多电机交流控制系统硬件联络图

2-基于Profibus现场总线的多电机交流控制系统设计2183.png 

图2为多机电交流控制系统的现场图

由于ET200从站的远程分布特性,因此在变频器较为集中的地方进行设置相应的从站,并对相关联的变频器进行点对点的连接,具体接线方式如图1所示。所有的变频器都有I/O接口,包括数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出。其中数字量输入有正向启动、反向启动、外部故障(如电机温升等)、点动、使能、设定频率启动等,数字量输出包括变频器运行信号、故障信号、运行频率区间信号、报警信号等;模拟量输入输出必须先进行U/I方式的设定,以确认4~20mA信号抑或0~10V信号,其中模拟量输入主要为设定速度或频率的参考值,模拟量输出为电流实际值、速度实际值、频率实际值、DC回路电压值等。

多电机交流控制系统的硬件组构相对简单,以可编程控制器为中心,通过Profibus总线依次连接了相关联的ET200从站组,并通过各从站组连接相应的变频器组。其中总线采用电气双绞线路,布线明了;从ET200从站到关联变频器组采用较短的控制线路连接即可。此传输数据方式以串行的数字方式为主、只有在到达变频器时才又采用部分模拟信号,因此丝毫不影响传输数据的可靠性和抗扰性。

3.多电机交流控制系统的软件设计

3.1多电机交流控制系统的软件流程

基于现场总线的多电机交流控制系统的软件设计包括以下几点,如图3所示:

1)PLCIM308接口模块的初始化:在现场总线启动前,必须先配置Profibus总线,并分配各个总线站的参数(总线上的传输速率、总线的标准(一般为DP-Standard)、设定故障模式(包括诊断设置和诊断地址等)。

2)读取1#变频器的状态字和实际值:通过连接在变频器端的ET200从站的I/O端子,通过对远程I/O的操作,读取变频器的状态字(数字量)和实际值(模拟量)。

3)判断变频器是否处于故障,如故障则报警存档,否则根据系统的要求输出模拟量值到连接1#变频器端ET200从站的I/O端子,包括控制字和设定值。

4)重复2、3步骤,依次对2#、3#、4#……N#变频器进行读写操作。

3.2多电机交流控制系统的逻辑控制原理

逻辑控制是指变频器与其它外部控制信号间实现对特定设备的开启和运行进行逻辑互锁。比如在纸厂对供料泵进行变频控制时,改供料泵开启的必要条件有:(1)阀门打开到位;(2)料罐液位正常;(3)供料泵密封水正常。如果此3条件缺少任何一个,将不能开启该设备。而该供料泵持续运行的条件,除以上3个条件,尚需增加管路流量、压力正常这一条件,否则将自动停止供料泵的运行。

逻辑控制的目的是为了保护人身安全、保证设备正常和稳定生产质量,因此在多电机交流控制中对其进行逻辑互锁的保护是必不可少的一步。

3.3变频器的闭环控制原理

通常情况下,变频器以开环方式运行,但对于较高的生产要求时,尤其在多电机交流传动控制中,变频器必须在闭环控制下才能达成生产所需的目标。比如胶片机、冷轧机、造纸机等连续性生产线,闭环控制尤其重要。

在图3中,变频器是以闭环控制进行工作。其中电流内环转矩控制直接由变频器内部完成,未在本图中注明。图中描述的是速度控制闭环,从模拟输入信号(按照各变频器的说明书来决定是电流或电压信号,并且需设置好相应的DIP开关和参数),通过最高和最低频率的限定,即与从速度传感器反馈回来经过滤的信号相比后,进入PID控制(PID的参数可在变频器参数中整定),再通过斜率发生器(包括RAMPONTIME/RAMPDOWNTIME)后,直接进入电流环控制电机的输出。如此就构成了变频器的闭环控制。

2-基于Profibus现场总线的多电机交流控制系统设计3707.png 

图3多电机交流控制系统的软件流程

4.结束

通过对本系统的建构,能广泛应用于小型浆纸厂、粉末加工厂、楼宇风泵控制等领域。由于它通过一种开放式、具有IEC标准的现场总线Profibus系统进行组构,因此具有(1)低柔性的修改和扩展功能;(2)实现分布式控制,提高系统的响应速度,提高控制精度;(3)降低系统的不可靠性,增强可维护的功能。


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