現(xiàn)場總線Profibus在多電機(jī)交流控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1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，亦需要購買同型號(hào)的變頻器；另外，系統(tǒng)要升級換代，必須全面更換所有變頻器。如此一來，采購費(fèi)用巨大、備品庫存積壓等現(xiàn)象將不可避免地存在。
本文將引入一種基于現(xiàn)場總線的多電機(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)。

2現(xiàn)場總線Profibus的引入

現(xiàn)場總線Profibus，即Processfieldbus，它自1984年開始研制現(xiàn)場總線產(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，使得對數(shù)據(jù)鏈路層的存取變得簡單方便，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)備是相對于主設(shè)備而言較為簡單的外部設(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而且分散的特點(diǎn)，采用現(xiàn)場總線技術(shù)可以在控制室內(nèi)和現(xiàn)場操作臺(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。

3多電機(jī)交流控制系統(tǒng)的硬件組構(gòu)

圖一（左）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。
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，并對相關(guān)聯(lián)的變頻器進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的連接，具體接線方式如圖一（右）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)相對簡單，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。

4多電機(jī)交流控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1多電機(jī)交流控制系統(tǒng)的軟件流程
基于現(xiàn)場總線的多電機(jī)交流控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括以下幾點(diǎn)，如圖二（左）所示：
1）PLCIM308接口模塊的初始化：在現(xiàn)場總線啟動(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）。