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基于Profibus現場總線的多電機交流控制系統設計

2019年11月13日 19:23:17 中國傳動網

摘要:本文引入基于西門子Profibus現場總線的多電機交流控制系統,它結合了目前最主流的現場總線技術,并考慮了實際應用的便利性,從總線引入、硬件組構、軟件原理三方面出發詳細闡述了該多電機交流控制系統的主要特點。

關鍵詞:PID;現場總線;交流電機

前言

隨著現代工業的高速發展,多電機交流控制系統已經被廣泛地應用于造紙、化工、鋼鐵、食品等工業領域,而且形成了各自獨特的變頻器控制系統。在實際運行中,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時日的推移而越來越高。比如,某類型的變頻器采用其獨特的通訊協議和通訊接口,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,采購費用巨大、備品庫存積壓等現象將不可避免地存在。

隨著工業生產自動化程度的提高和生產規模的擴大,各種生產輸送線的長度和輸送功率不斷增加。當輸送線長度增加到一定程度時,采用單電機驅動就難以滿足生產的要求,必須采用多電機同步驅動方式。在多電機同步驅動系統中,特別是各傳動電機之間存在一定物理連接的系統中,實踐證明,通過反饋調節改變控制量,能使控制電機的轉速穩定在給定范圍內。但在多電機同步調速系統中,由于各同步電機之間存在嚴重的耦合作用,某一傳動電機轉速的偏離往往與傳輸線上其它電機的轉速密切相關,這時若按常規負反饋方法對這一電機施加調節,將可能導致該電機的轉速偏離更加嚴重,最后造成整個傳動系統不能正常工作。因而對多電機同步驅動系統,如何實現傳動電機的高精度速度同步調速控制,是一個急待解決的實際工程問題。

1.現場總線Profibus

現場總線Profibus,即Processfieldbus,它自1984年開始研制現場總線產品,經過十多年的開發、生產和應用,Profibus已成為歐洲首屈一指的開放式現場總線系統。目前PNO(Profibus用戶組織)已擁有600多個成員,生產近千種產品。Profibus產品在歐洲市場占有率大于40%,廣泛應用于加工自動化、樓宇自動化、過程自動化、發電與輸配電等領域。

Profibus以ISO7498為基礎,以開放式系統互聯網絡(OSI,Opensysteminterconnection)作為參考模型,定義了物理傳輸特性,總線存取協議和應用功能。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,它專門設計為自動控制系統和設備級分散的I/O之間進行通信使用。使用Profibus-DP模塊可取代24伏或4~20毫安的串聯式信號傳輸。直接數據鏈路映像(DDLM)提供的用戶接口,使得對數據鏈路層的存取變得簡單方便,傳輸可使用RS-485傳輸技術或光纖媒體。本文介紹的就是DP部分。

標準現場總線ProfibusDP的硬件由主設備、從設備、網絡網路等三部分組成。其中主設備用以控制總線上的數據傳輸,且在沒有提供外部請求時發送信息和被授權可訪問總線;從設備是相對于主設備而言較為簡單的外部設備,且未被授權訪問總線;網絡網路如傳輸介質和網絡鏈接器,前者如屏蔽雙絞電纜構成電氣網絡、用塑料或玻璃纖維光纜構成的光纖網絡、或是基于兩種媒介之間由OLM轉換的混合網絡,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。

在多電機交流控制系統中,存在著電機控制點、各交流變頻器分布線長而且分散的特點,采用現場總線技術可以在控制室內和現場操作臺各裝設分布式I/O模塊,聯成總線網絡,以數字方式來進行控制數據的串行傳輸,這樣一來,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。

2.多電機交流控制系統的硬件組構

圖1是多電機交流控制系統的硬件聯絡圖。由圖中可知,現場總線Profibus的主設備采用了西門子可編程控制器PLCS5,通過IM308接口模塊再與Profibus總線聯絡。做為主設備,PLCS5負責讀取懸掛在總線上的所有分布式I/O模塊的變頻器狀態字(包括數字量和模擬量),同時進行變頻器控制字(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ET200從站可以掛接最大至32個的數字量或模擬量輸入輸出卡(如DI、DO、AI、AO等),并通過對于ET200從站接口卡IM318進行地址DIP設置后即可確認該掛接的I/O卡的地址值。圖2為多機電交流控制系統的現場圖。

2-基于Profibus現場總線的多電機交流控制系統設計2161.png 

圖1多電機交流控制系統硬件聯絡圖

2-基于Profibus現場總線的多電機交流控制系統設計2183.png 

圖2為多機電交流控制系統的現場圖

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行設置相應的從站,并對相關聯的變頻器進行點對點的連接,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、反向啟動、外部故障(如電機溫升等)、點動、使能、設定頻率啟動等,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際值、速度實際值、頻率實際值、DC回路電壓值等。

多電機交流控制系統的硬件組構相對簡單,以可編程控制器為中心,通過Profibus總線依次連接了相關聯的ET200從站組,并通過各從站組連接相應的變頻器組。其中總線采用電氣雙絞線路,布線明了;從ET200從站到關聯變頻器組采用較短的控制線路連接即可。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。

3.多電機交流控制系統的軟件設計

3.1多電機交流控制系統的軟件流程

基于現場總線的多電機交流控制系統的軟件設計包括以下幾點,如圖3所示:

1)PLCIM308接口模塊的初始化:在現場總線啟動前,必須先配置Profibus總線,并分配各個總線站的參數(總線上的傳輸速率、總線的標準(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#變頻器的狀態字和實際值:通過連接在變頻器端的ET200從站的I/O端子,通過對遠程I/O的操作,讀取變頻器的狀態字(數字量)和實際值(模擬量)。

3)判斷變頻器是否處于故障,如故障則報警存檔,否則根據系統的要求輸出模擬量值到連接1#變頻器端ET200從站的I/O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#變頻器進行讀寫操作。

3.2多電機交流控制系統的邏輯控制原理

邏輯控制是指變頻器與其它外部控制信號間實現對特定設備的開啟和運行進行邏輯互鎖。比如在紙廠對供料泵進行變頻控制時,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,將不能開啟該設備。而該供料泵持續運行的條件,除以上3個條件,尚需增加管路流量、壓力正常這一條件,否則將自動停止供料泵的運行。

邏輯控制的目的是為了保護人身安全、保證設備正常和穩定生產質量,因此在多電機交流控制中對其進行邏輯互鎖的保護是必不可少的一步。

3.3變頻器的閉環控制原理

通常情況下,變頻器以開環方式運行,但對于較高的生產要求時,尤其在多電機交流傳動控制中,變頻器必須在閉環控制下才能達成生產所需的目標。比如膠片機、冷軋機、造紙機等連續性生產線,閉環控制尤其重要。

在圖3中,變頻器是以閉環控制進行工作。其中電流內環轉矩控制直接由變頻器內部完成,未在本圖中注明。圖中描述的是速度控制閉環,從模擬輸入信號(按照各變頻器的說明書來決定是電流或電壓信號,并且需設置好相應的DIP開關和參數),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過濾的信號相比后,進入PID控制(PID的參數可在變頻器參數中整定),再通過斜率發生器(包括RAMPONTIME/RAMPDOWNTIME)后,直接進入電流環控制電機的輸出。如此就構成了變頻器的閉環控制。

2-基于Profibus現場總線的多電機交流控制系統設計3707.png 

圖3多電機交流控制系統的軟件流程

4.結束

通過對本系統的建構,能廣泛應用于小型漿紙廠、粉末加工廠、樓宇風泵控制等領域。由于它通過一種開放式、具有IEC標準的現場總線Profibus系統進行組構,因此具有(1)低柔性的修改和擴展功能;(2)實現分布式控制,提高系統的響應速度,提高控制精度;(3)降低系統的不可靠性,增強可維護的功能。

供稿:蔡明學 青島橡膠輪胎設計院

本文鏈接:http://www.xvmvq.club/tech/detail.aspx?id=38213

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