時(shí)間:2019-11-13 19:23:17來源:蔡明學(xué) 青島橡膠輪胎設(shè)計(jì)院
摘要:本文引入基于西門子Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的多電機(jī)交流控制系統(tǒng),它結(jié)合了目前最主流的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),并考慮了實(shí)際應(yīng)用的便利性,從總線引入、硬件組構(gòu)、軟件原理三方面出發(fā)詳細(xì)闡述了該多電機(jī)交流控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞:PID;現(xiàn)場(chǎng)總線;交流電機(jī)
前言
隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展,多電機(jī)交流控制系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)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(dú)特的變頻器控制系統(tǒng)。在實(shí)際運(yùn)行中,這樣的控制系統(tǒng)具有可靠性強(qiáng)、抗干擾率高,但相應(yīng)的維護(hù)費(fèi)用卻隨著時(shí)日的推移而越來越高。比如,某類型的變頻器采用其獨(dú)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(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰,除非購(gòu)買該型號(hào)的通訊接口;同樣如果該變頻器由于燒毀,亦需要購(gòu)買同型號(hào)的變頻器;另外,系統(tǒng)要升級(jí)換代,必須全面更換所有變頻器。如此一來,采購(gòu)費(fèi)用巨大、備品庫(kù)存積壓等現(xiàn)象將不可避免地存在。
隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度的提高和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大,各種生產(chǎn)輸送線的長(zhǎng)度和輸送功率不斷增加。當(dāng)輸送線長(zhǎng)度增加到一定程度時(shí),采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)就難以滿足生產(chǎn)的要求,必須采用多電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)方式。在多電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中,特別是各傳動(dòng)電機(jī)之間存在一定物理連接的系統(tǒng)中,實(shí)踐證明,通過反饋調(diào)節(jié)改變控制量,能使控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在給定范圍內(nèi)。但在多電機(jī)同步調(diào)速系統(tǒng)中,由于各同步電機(jī)之間存在嚴(yán)重的耦合作用,某一傳動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的偏離往往與傳輸線上其它電機(jī)的轉(zhuǎn)速密切相關(guān),這時(shí)若按常規(guī)負(fù)反饋方法對(duì)這一電機(jī)施加調(diào)節(jié),將可能導(dǎo)致該電機(jī)的轉(zhuǎn)速偏離更加嚴(yán)重,最后造成整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)不能正常工作。因而對(duì)多電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),如何實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)電機(jī)的高精度速度同步調(diào)速控制,是一個(gè)急待解決的實(shí)際工程問題。
1.現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus
現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus,即Processfieldbus,它自1984年開始研制現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品,經(jīng)過十多年的開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用,Profibus已成為歐洲首屈一指的開放式現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。目前PNO(Profibus用戶組織)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(yīng)用于加工自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、過程自動(dòng)化、發(fā)電與輸配電等領(lǐng)域。
Profibus以ISO7498為基礎(chǔ),以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(OSI,Opensysteminterconnection)作為參考模型,定義了物理傳輸特性,總線存取協(xié)議和應(yīng)用功能。Profibus-DP,Profibus-PA和Profibus-FMS構(gòu)成了Profibus家族。其中Profibus-DP(DecentralizedPeriphery)是一種高速和便宜的通信連接,它專門設(shè)計(jì)為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)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(hào)傳輸。直接數(shù)據(jù)鏈路映像(DDLM)提供的用戶接口,使得對(duì)數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線ProfibusDP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(qǐng)求時(shí)發(fā)送信息和被授權(quán)可訪問總線;從設(shè)備是相對(duì)于主設(shè)備而言較為簡(jiǎn)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,前者如屏蔽雙絞電纜構(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OLM轉(zhuǎn)換的混合網(wǎng)絡(luò),后者如RS485總線連接器、RS485總線終端、RS485中繼器、光鏈路模塊OLM等。
在多電機(jī)交流控制系統(tǒng)中,存在著電機(jī)控制點(diǎn)、各交流變頻器分布線長(zhǎng)而且分散的特點(diǎn),采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可以在控制室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)各裝設(shè)分布式I/O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,這樣一來,控制系統(tǒng)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。
2.多電機(jī)交流控制系統(tǒng)的硬件組構(gòu)
圖1是多電機(jī)交流控制系統(tǒng)的硬件聯(lián)絡(luò)圖。由圖中可知,現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus的主設(shè)備采用了西門子可編程控制器PLCS5,通過IM308接口模塊再與Profibus總線聯(lián)絡(luò)。做為主設(shè)備,PLCS5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(shí)進(jìn)行變頻器控制字(包括數(shù)字量和模擬量)的傳送。從設(shè)備為分布式輸入輸出模塊ET200,每一個(gè)ET200從站可以掛接最大至32個(gè)的數(shù)字量或模擬量輸入輸出卡(如DI、DO、AI、AO等),并通過對(duì)于ET200從站接口卡IM318進(jìn)行地址DIP設(shè)置后即可確認(rèn)該掛接的I/O卡的地址值。圖2為多機(jī)電交流控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)圖。
圖1多電機(jī)交流控制系統(tǒng)硬件聯(lián)絡(luò)圖
圖2為多機(jī)電交流控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)圖
由于ET200從站的遠(yuǎn)程分布特性,因此在變頻器較為集中的地方進(jìn)行設(shè)置相應(yīng)的從站,并對(duì)相關(guān)聯(lián)的變頻器進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接,具體接線方式如圖1所示。所有的變頻器都有I/O接口,包括數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出。其中數(shù)字量輸入有正向啟動(dòng)、反向啟動(dòng)、外部故障(如電機(jī)溫升等)、點(diǎn)動(dòng)、使能、設(shè)定頻率啟動(dòng)等,數(shù)字量輸出包括變頻器運(yùn)行信號(hào)、故障信號(hào)、運(yùn)行頻率區(qū)間信號(hào)、報(bào)警信號(hào)等;模擬量輸入輸出必須先進(jìn)行U/I方式的設(shè)定,以確認(rèn)4~20mA信號(hào)抑或0~10V信號(hào),其中模擬量輸入主要為設(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。
多電機(jī)交流控制系統(tǒng)的硬件組構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,以可編程控制器為中心,通過Profibus總線依次連接了相關(guān)聯(lián)的ET200從站組,并通過各從站組連接相應(yīng)的變頻器組。其中總線采用電氣雙絞線路,布線明了;從ET200從站到關(guān)聯(lián)變頻器組采用較短的控制線路連接即可。此傳輸數(shù)據(jù)方式以串行的數(shù)字方式為主、只有在到達(dá)變頻器時(shí)才又采用部分模擬信號(hào),因此絲毫不影響傳輸數(shù)據(jù)的可靠性和抗擾性。
3.多電機(jī)交流控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
3.1多電機(jī)交流控制系統(tǒng)的軟件流程
基于現(xiàn)場(chǎng)總線的多電機(jī)交流控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括以下幾點(diǎn),如圖3所示:
1)PLCIM308接口模塊的初始化:在現(xiàn)場(chǎng)總線啟動(dòng)前,必須先配置Profibus總線,并分配各個(gè)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的ET200從站的I/O端子,通過對(duì)遠(yuǎn)程I/O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,如故障則報(bào)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ET200從站的I/O端子,包括控制字和設(shè)定值。
4)重復(fù)2、3步驟,依次對(duì)2#、3#、4?!璑#變頻器進(jìn)行讀寫操作。
3.2多電機(jī)交流控制系統(tǒng)的邏輯控制原理
邏輯控制是指變頻器與其它外部控制信號(hào)間實(shí)現(xiàn)對(duì)特定設(shè)備的開啟和運(yùn)行進(jìn)行邏輯互鎖。比如在紙廠對(duì)供料泵進(jìn)行變頻控制時(shí),改供料泵開啟的必要條件有:(1)閥門打開到位;(2)料罐液位正常;(3)供料泵密封水正常。如果此3條件缺少任何一個(gè),將不能開啟該設(shè)備。而該供料泵持續(xù)運(yùn)行的條件,除以上3個(gè)條件,尚需增加管路流量、壓力正常這一條件,否則將自動(dòng)停止供料泵的運(yùn)行。
邏輯控制的目的是為了保護(hù)人身安全、保證設(shè)備正常和穩(wěn)定生產(chǎn)質(zhì)量,因此在多電機(jī)交流控制中對(duì)其進(jìn)行邏輯互鎖的保護(hù)是必不可少的一步。
3.3變頻器的閉環(huán)控制原理
通常情況下,變頻器以開環(huán)方式運(yùn)行,但對(duì)于較高的生產(chǎn)要求時(shí),尤其在多電機(jī)交流傳動(dòng)控制中,變頻器必須在閉環(huán)控制下才能達(dá)成生產(chǎn)所需的目標(biāo)。比如膠片機(jī)、冷軋機(jī)、造紙機(jī)等連續(xù)性生產(chǎn)線,閉環(huán)控制尤其重要。
在圖3中,變頻器是以閉環(huán)控制進(jìn)行工作。其中電流內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)矩控制直接由變頻器內(nèi)部完成,未在本圖中注明。圖中描述的是速度控制閉環(huán),從模擬輸入信號(hào)(按照各變頻器的說明書來決定是電流或電壓信號(hào),并且需設(shè)置好相應(yīng)的DIP開關(guān)和參數(shù)),通過最高和最低頻率的限定,即與從速度傳感器反饋回來經(jīng)過濾的信號(hào)相比后,進(jìn)入PID控制(PID的參數(shù)可在變頻器參數(shù)中整定),再通過斜率發(fā)生器(包括RAMPONTIME/RAMPDOWNTIME)后,直接進(jìn)入電流環(huán)控制電機(jī)的輸出。如此就構(gòu)成了變頻器的閉環(huán)控制。
圖3多電機(jī)交流控制系統(tǒng)的軟件流程
4.結(jié)束
通過對(duì)本系統(tǒng)的建構(gòu),能廣泛應(yīng)用于小型漿紙廠、粉末加工廠、樓宇風(fēng)泵控制等領(lǐng)域。由于它通過一種開放式、具有IEC標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus系統(tǒng)進(jìn)行組構(gòu),因此具有(1)低柔性的修改和擴(kuò)展功能;(2)實(shí)現(xiàn)分布式控制,提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度,提高控制精度;(3)降低系統(tǒng)的不可靠性,增強(qiáng)可維護(hù)的功能。
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