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(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Process fieldbus ，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)用于加工自動化、樓宇自動化、過程自動化、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，Open system interconnection）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（Decentralized Periphery）是一種高速和便宜的通信連接，它專門設(shè)計為自動控制系統(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Profibus DP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PLC S5，通過IM308接口模塊再與Profibus總線聯(lián)絡(luò)。做為主設(shè)備，PLC S5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ET200從站可以掛接最大至32個的數(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（下）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、反向啟動、外部故障（如電機(jī)溫升等）、點(diǎn)動、使能、設(shè)定頻率啟動等，數(shù)字量輸出包括變頻器運(yùn)行信號、故障信號、運(yùn)行頻率區(qū)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(shè)定，以確認(rèn)4～20mA信號抑或0～10V信號，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。
圖一 多電機(jī)交流控制系統(tǒng)硬件聯(lián)絡(luò)圖
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)變頻器時才又采用部分模擬信號，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
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)計包括以下幾點(diǎn)，如圖二（上）所示：
1） PLC IM308接口模塊的初始化：在現(xiàn)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(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2＃、3＃、4＃……N＃變頻器進(jìn)行讀寫操作。
4.2 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間實(shí)現(xiàn)對特定設(shè)備的開啟和運(yùn)行進(jìn)行邏輯互鎖。比如在紙廠對供料泵進(jìn)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(shè)備。而該供料泵持續(xù)運(yùn)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(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)交流控制中對其進(jìn)行邏輯互鎖的保護(hù)是必不可少的一步。
4.3 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，但對于較高的生產(chǎn)要求時，尤其在多電機(jī)交流傳動控制中，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。
在圖二中，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（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(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RAMP ON TIME / RAMP DOWN TIME）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。
圖二 多電機(jī)交流控制系統(tǒng)的軟件流程
5、結(jié)束語
通過對本系統(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。
